tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học '''' thiên văn vô tuyến ''''

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP.HCM
KHOA VẬT LÝ

Tiểu luận môn
Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học
Tên đề tài:






Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng
Nhóm thực hiện: Nguyễn Công Danh
Võ Thị Hoa
Nguyễn Thị Phương Thảo (29/01)
Lâm Hoàng Minh Tuấn
Nguyễn Thành Trung

Lớp Lý 3 Chính Qui
TPHCM, Tháng 5 Năm 2009
2
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
MỤC LỤC
Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 6
1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879) 6
1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) 7
1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931) 8
1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940) 11

1.5. Wilsing and Scheiner (1896) 12
1.6. Charles Nordman (1900) 13
1.7. Max Planck (1858-1947) 14
1.8. Oliver Heaviside (1850-1925) 16
1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937) 17
Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? 18
2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ: 18
2.1.1. Nguồn gốc: 18
2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ: 19
Phương trình Maxwell: 26
Năng lượng và xung lượng: 31
2.1.3. Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản: 36
2.1.4. Các loại bức xạ điện từ: 40
2.2. Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý: 51
2.2.1. Sơ lược về bức xạ vũ trụ: 51
2.2.2. Ngành thiên văn vật lý: 57
2.3. Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến: 62
3
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Chương 3: KÍNH THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 64
3.1. Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến: 64
3.2. Đo đạc thiên văn vô tuyến: 70
3.2.1. Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến: 70
3.2.2. Công thức đo đạc vô tuyến: 76
Chương 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG THIÊN
VĂN VÔ TUYẾN 79
4.1. Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang: 79
4.1.1. Lược sử: 79
4.1.2. Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ: 79
4.1.3. Phương pháp nghiên cứu: 80

4.2. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet: 83
4.2.1. Lược sử: 83
4.2.2. Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro: 83
4.2.3. Cơ chế phát xạ: 84
4.3. Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà 86
4.3.1. Lược sử nghiên cứu nguồn bức xạ synchrotron trong Thiên Hà : 86
4.3.2. Mục đích nghiên cứu : 86
4.3.3. Cơ chế bức xạ synchrontron phi nhiệt : 87
4.3.4. Tần số của bức xạ synchrotron : 89
4.3.5. Cường độ bức xạ : 89
4.4. Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ 90
4.4.1. Lược sử nghiên cứu: 90
4
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
4.4.2. Mục đích nghiên cứu: 92
4.4.3. Cơ chế bức xạ maser: Quá trình đảo ngược mật độ phân tử 92
4.4.4. Tần số bức xạ maser: 94
4.4.5. Nguồn bức xạ maser: 94
4.5. Săn tìm acid amin: 97
4.5.1. Lược sử nghiên cứu : 97
4.5.2. Mục đích nghiên cứu : 98
4.5.3. Kết quả nghiên cứu: 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

5
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
LỜI NÓI ĐẦU
Các bạn đang cầm trên tay cuốn tiểu luận “Thiên văn vô tuyến” nhân dịp thực
hành Phương pháp nghiên cứu khoa học của nhóm chúng tôi. Xin có đôi dòng

bày tỏ những cảm xúc hãnh diện của chúng tôi về thành quả này! Đó là cả một quá
trình nỗ lực đầy nhiệt huyết của nhóm thực hiện.
Từ ý tưởng ban đầu, nghiên cứu về bức xạ điện từ trong thiên văn, nhóm đã lựa
chọn đối tượng nghiên cứu sau cùng là thiên văn vô tuyến. Ngành thiên văn vật lý
thế giới đang trên đà phát triển với rất nhiều triển vọng. Trong đó, thiên văn vô
tuyến có một giá trị và vai trò rất lớn đối với tống thể sự phát triển đó. Qua quá
trình thực hiện đề tài, nhóm không những được rèn luyện phương pháp nghiên cứu
khoa học với những kinh nghiệm đáng kể mà còn được mở rộng vốn kiến thức thiên
văn vốn là khoa học lí thú và luôn mới lạ.
Tiểu luận này cung cấp những kiến thức rất sơ đẳng và phổ quát từ nhiều nguồn
tài liệu giúp người đọc hiểu biết tổng quan về bức xạ điện từ, bức xạ vũ trụ, ngành
thiên văn vật lý, thiên văn vô thuyến, kính thiên văn vô tuyến với cách thức hoạt
động và giới thiệu một số công trình nghiên cứu trong thiên văn vô tuyến như bức
xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ Maser, Synchrotron… Đặc biệt, tuy có phần hạn chế
nhưng cũng là một ưu điểm của tiểu luận này là những thông tin phong phú được
dịch thuật và chọn lọc từ những nguồn tài liệu tiếng Anh trên internet. Đây cũng
chính là một kinh nghiệm đáng khích lệ trong quá trình làm việc của nhóm.
Do hạn chế về hiểu biết cũng như trình độ ngoại ngữ nên trong khi thực hiện tiểu
luận này không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng tôi rất mong người đọc thông cảm
và nhiệt tình đóng góp ý kiến để lần thực hiện sau nếu có thể dược tốt hơn.
Chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện
6
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Tiên đoán của Maxwell về sóng điện từ và chứng minh của Hertz về sự tồn tại
thực của chúng đã dẫn đường cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu về những thiên
thể như mặt trời và các vì sao có khả năng phát ra sóng vô tuyến. Các nhà khoa học
sau đây đã đặt cơ sở cho sự khám phá về sau của thiên văn vô tuyến.

1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879)
Trong những năm 1860 và 1870 James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết
về năng lượng điện và năng lượng từ, và ông đã tóm tắt trong 4 phương trình nổi
tiếng của mình (hình 1.1). Những phương trình này tóm lược tất cả những khám phá
về điện và từ trong những thí nghiệm đã được làm trước đó vài trăm năm bởi
Faraday, Volta và nhiều người khác.
7
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

Hình 1.1. Phương trình Maxwell
Họ chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một năng lượng. Những phương
trình cũng dự báo rằng có một dạng bức xạ mà người ta gọi nó là bức xạ điện từ.
Maxwell nhận ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ.
Những phương trình này dự báo rằng bức xạ điện từ có thể tồn tại ở bất kì
bước sóng nào. Những màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng ngắn hơn một
phần ngàn mm.

1.2. Heinrich Hertz (1857-1894)
Năm 1888, Heinrich Hertz đã xây dựng một bộ máy có thể phát và nhận sóng
điện từ ở khoảng cách chừng 5m (hình 1.2). Ông đã sử dụng một cuộn dây điện để
phát ra một tia điện có điện áp cao giữa 2 điện cực đóng vai trò như một vật phát.
Máy dò là một cuộn dây kim loại có một khe hở nhỏ. Một tia điện tại vật phát sản
sinh ra những sóng điện từ đi tới máy dò, tạo ra một tia điện trong khe hở. Ông chỉ
ra rằng những sóng này được làm cho dao động theo một hướng và chúng có thể
cản trở lẫn nhau, giống như lý thuyết đã dự báo trước.
8
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 1.2. Bộ máy thu phát sóng điện từ của của Hertz năm 1888

Hertz đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm
với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra,
thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được
phân vào nhóm tần số vô tuyến.
David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm
nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu
tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết
phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của
mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này.

1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931)
Một lần nữa Hertz đã chứng minh sự tồn tại của bức xạ điện từ, nhiều nhà
khoa học đã nghĩ đến khả năng thu nhận những bức xạ này từ những thiên thể trên
bầu trời.
9
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Edison dường như là người đầu tiên được ghi trong sổ sách đã đưa ra thí
nghiệm để phát hiện ra sóng vô tuyến từ mặt trời. Bằng chứng của điều này là một
lá thư đã được gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly, người làm việc
trong phòng thí nghiệm của Edison (hình 1.3). Nó miêu tả cách làm một máy dò bởi
một vài sợi dây cáp cuốn quanh một khối kim loại. Không có tài liệu nào cho thấy
thí nghiệm này đã được công bố.
Tuy nhiên, dù nhận thức muộn, bộ máy được đưa ra có thể là do vô tình và có
thể chỉ nhận ra được những bước sóng rất dài. Tầng điện ly có thể ngăn chặn những
sóng dài này chiếu tới bề mặt trái đất. (Sự dự báo về một lớp phản xạ ở phần trên
của khí quyển, tầng điện ly, đã được đưa ra bởi Kennelly và Heaviside năm 1902).
10
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 1.3. Thư gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly
(Letter reproduced from "The Evolution of Radio Astronomy", by J.S.Hey,
Science History Publications, 1973. See also: C.D.Shane, Pub.Astron. Soc. Pacific
70,303, 1958)

bày trí
c
ủa Edison l
à
ghép trên các cực bao
quanh phần lõi quặng
một cáp gồm 7 dây kim
loại cách điện cẩn thận
với các đầu cáp sẽ được
nối với máy điện thoại
hoặc các dụng cụ thí
nghiệm khác. Sau đó có
khả năng các tạp âm lớn
trong khí quyển Mặt trời
làm nhiễu loạn cả dòng
năng lượng điện từ thông
thường mà chúng ta nhận
lẫn sự phân bố bình
thường của lực từ trên
hành tinh này…

11
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940)
Lodge đã tạo nên rất nhiều sự đổi mới trong buổi đầu của kỹ thuật bức xạ khi

phát minh ra một máy dò bức xạ tốt hơn, giới thiệu cách sử dụng những bảng mạch
đã được điều chỉnh và phát minh ra loa. Khoảng năm 1897- 1900, Lodge đã thử dò
sóng bức xạ từ mặt trời.

Hình 1.4. Đây là bài viết mô tả về thí nghiệm của Lodge.
(Letter reproduced from "Classics in Radio Astronomy", by W.T.Sullivan,
Reidel, 1982. Original in Lodge: "Signalling across space without wires", The
Electrician Publ.Co., London, 1900)
“ Vết của ánh sáng” – Lodge đề cập đến một dụng cụ đo điện có tính phản xạ.
Thí nghiệm này nhạy với bức xạ của bước sóng khoảng centimer, cái mà có thể
…Tôi đ
ã c
ố gắng thu lấy
bức xạ sóng dài từ Mặt
trời, lọc những sóng
thường được biết đến
nhiều bởi một bảng đen
hoặc bề mặt tối thích hợp
khác. Tôi đã không thành
công, vì cô-hê-rơ nhạy
cảm ở gần phía ngoài kho
chứa không được bảo vệ
bởi các bức tường
dày…quá nhiều nguồn
nhiễu loạn trên mặt đất ở
trong thành phố…
12
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
xuyên qua tầng điện ly. Khi đó bộ máy của ông hoàn toàn không đủ nhạy để nhận ra

mặt trời. Trong bất cứ trường hợp nào, đã có quá nhiều nguồn bức xạ giao thoa
trong Liverpool để thí nghiệm đi đến thành công.

1.5. Wilsing and Scheiner (1896)
Johannes Wilsing (1856-1943) và Julius Scheiner (1858-1913) là những nhà
thiên văn vật lý học, những người đầu tiên xuất sắc để tường thuật và công bố
những nỗ lực của họ trong việc bắt bức xạ vô tuyến từ mặt trời
(Ann.Phys.Chem.59,782, 1896, ở Đức).

Hình 1.5. Mô hình của Wilsing and Scheiner năm 1896.
Mô hình thí nghiệm của họ ở hình 1.5 là từ “ thiên văn học sóng vô tuyến cổ
điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982. Họ tiến hành thí nghiệm trong 8 ngày và
không thể bắt được bất cứ tín hiệu nào phát ra từ mặt trời. Họ nghĩ rằng nguyên
nhân có lẽ là do sóng vô tuyến bị hấp thụ trong khí quyển ( và họ đã sai).
13
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

1.6. Charles Nordman (1900)
Charles Nordman, một sinh viên người Pháp, lý giải rằng nếu sóng vô tuyến bị
hấp thụ bởi khí quyển, như Wilsing và Scheiner nghĩ, thì giải pháp là làm thí
nghiệm ở độ cao lớn hơn. Ông đặt một ăngten bằng thanh kim loại dài trên một
dòng sông băng ở Mont Blanc, độ cao khoảng 3100m (khoảng 10,000 ft).

Hình 1.6. Thí nghiệm của Nordman
(Thí nghiệm của Nordman đã được công bố trong Comptes Rendus Acad.Sci.,
vol.134, page 273, 1902. Tái bản tiếng Anh trong “Thiên văn học sóng vô tuyến cổ
điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982).
Bây giờ chúng ta biết rằng nếu được tiến hành đúng cách thì ăngten có thể
nhạy với sự xuất hiện sóng vô tuyến tần số thấp từ mặt trời và có khả năng bắt đựợc
chúng. Những sự xuất hiện này thường xảy ra hầu hết ở những điểm cực viễn thuộc

Hệ Mặt Trời, nhưng không may là mặt trời ở tại điểm cực cận vào năm 1900. Một
lần nữa nỗ lực trong việc tìm kiếm sóng vô tuyến mặt trời không thành công, mọi
14
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
thí nghiệm chựng lại và phải chờ đến bước phát triển thuần lý thuyết của Planck và
Heaviside.
1.7. Max Planck (1858-1947)
Chuyện kể rằng, khi Max Planck là một sinh viên ở trường đại học Munich,
người hướng dẫn của ông khuyên ông không nên đi sâu vào chuyên ngành Vật Lý
vì tất cả các vấn đề của vật lý đã được giải quyết cả rồi. May mắn sao ông không
nghe theo lời khuyên đó. Sau đó ông đã tìm ra được một vấn đề chưa được giải
quyết, cụ thể là sự giải thích mang tính lý thuyết của “ vật thể đen”, còn gọi là
những đường cong bức xạ nhiệt.
Khi những vật thể có khối lượng rất lớn bị đốt nóng tới nhiệt độ cao thì chúng
sẽ bức xạ năng lượng và đồ thị của cường độ bức xạ đối với bước sóng đi theo một
đường cong như hình minh họa. Nhiệt độ càng cao, bước sóng tại đỉnh của đường
cong càng ngắn.
15
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

Hình 1.7. Đồ thị cường độ bức xạ của vật thể bị đốt nóng
Planck đã thành công trong việc lý giải nguồn gốc của đường cong bức xạ
nhiệt từ một thuyết về sự hấp thụ và sự phát ra bức của vật chất. Lý thuyết cho rằng
năng lượng phải được phát ra hoặc hấp thụ từng lượng nhỏ hay lượng tử năng
lượng. Đây là một phát hiện mang tính quyết định trong vật lý và lý giải tất cả các
hiện tượng điện- từ.
Quang phổ của ánh sáng từ mặt trời rất giống với một đường cong bức xạ
nhiệt. Nếu áp dụng lý thuyết của Planck để dự báo lượng bức xạ có thể nhận được
từ Mặt trời trong vùng vô tuyến của quang phổ (bước sóng từ 10 đến 100cm), bức

xạ có thể rất yếu, quá yếu để có thể được dò thấy bởi bất cứ máy dò nào có được ở
năm 1900.
16
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
1.8. Oliver Heaviside (1850-1925)
Heaviside và Kennelly, năm 1902, đã dự báo rằng đáng lẽ phải có một lớp ion
hóa ở tầng trên của khí quyển nơi sẽ phản xạ sóng vô tuyến. Họ lưu ý rằng điều đó
có thể hữu ích cho sự truyền đạt tín hiệu ở khoảng cách lớn, cho phép những tín
hiệu vô tuyến truyền đi trong những phần không gian của trái đất bằng cách bật ra
khỏi đáy của lớp không khí này. Sự tồn tại của lớp không khí, ngày nay được biết
đến như là tầng điện ly, đã được chứng minh vào những năm 1920.
Nếu sóng vô tuyến bật lên khỏi tầng điện ly thì khi đó nó cũng phải bật ra bên
ngoài. Vì thế bất cứ sóng vô tuyến nào bên ngoài trái đất cũng không thể đi xuyên
qua để đến mặt đất, chúng có lẽ bật trở lại vào không gian.
Những dự báo của Heaviside kết hợp với thuyết bức xạ của Planck đã làm
chán nản những cố gắng xa hơn trong việc dò sóng vô tuyến từ mặt trời và những
vật thể khác trên bầu trời. Cho dù vì bất cứ lý do nào, đã không có thêm sự nỗ lực
nào trong suốt 30 năm sau đó cho đến khi có một khám phá tình cờ của Jansky vào
năm 1932.
Sau đó người ta đã hiểu ra rằng sự phản xạ ở tầng điện ly phụ thuộc nhiều vào
tần số (hay bước sóng). Nó phản xạ hầu hết bức xạ nhỏ hơn khoảng 20MHz. Nhưng
tầng điện ly không phải là một rào cản đối với tần số trên 50 MHz. Thiên văn học
sóng vô tuyến phải chờ sự phát triển của những máy dò sóng vô tuyến tần số cao.
17
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937)
Marconi đã cải thiện thiết kế của máy phát và nhận sóng vô tuyến và phát triển
những hệ thống trên thực tế đầu tiên cho việc truyền thông tin trên sóng vô tuyến ở
khoảng cách lớn. Năm 1901, ông là người đầu tiên đã gửi và nhận những tín hiệu

vượt đại dương, từ Newfoundland tới Cornwall. Kết quả của những cố gắng mang
tính mở đường của ông, dịch vụ thương mại máy điện thoại radio trở nên sẵn có
trong những năm sau đó. Trong thập niên 1930 công ty Bell Telephone đã không
ngừng cải thiện dịch vụ điện thoại vượt Đại Tây Dương của mình khi họ đã ủy
nhiệm cho Karl Jansky nghiên cứu những nguồn sóng vô tuyến tĩnh, dẫn đến những
khám phá của ông về sóng vô tuyến từ dải ngân hà.
18
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ?
2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ:
2.1.1. Nguồn gốc:
Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không
nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do
những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức
xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như
sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc
do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác.
Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong
những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng
khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng (hình 2.1). Nhiều electron có thể
hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài, kết quả là chúng nhảy
lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền.

Hình 2.1. Mật độ xác xuất tìm thấy điện tử trong nguyên tử Hydrogen.
19
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Hàm sóng của một điện tử của nguyên tử hydrogen có các mức
năng lượng xác định (tăng dần từ trên xuống n = 1, 2, 3, ) và mô men
xung lượng (tăng dần từ trái sang s, p, d, ). Vùng sáng tương ứng với

vùng có mật độ xác suất tìm thấy điện tử cao, vùng tối tương ứng với
vùng có mật độ xác suất thấp. Mô men xung lượng và năng lượng bị
lượng tử hóa nên chỉ có các giá trị rời rạc như thấy trong hình 2.1.
Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát
ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng
bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu
electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ
cấp. Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào
năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân (hình 2.2)

Hình 2.2. Sự hấp thụ và phát bức xạ

2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ:
Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia
rẻ sâu sắc trong nhiều thế kỉ.
20
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Trong lịch sử khoa học, các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các
tia truyền thẳng.
Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là
một dòng các hạt rất nhỏ (trường phái Isaac Newton), một số nhà khoa học khác lại
tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete
(trường phái Christiaan Huygens).
Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James
Clerk Maxwell năm 1865 khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc
biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học,
cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau
này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính
chính xác của lý thuyết Maxwell.

Hình 2.3. Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến
Ngày nay các nhà vật lý chấp nhận rằng ánh sáng vừa là hạt, vừa là sóng. Khi
cần giải thích các hiện tượng như giao thoa hay nhiễu xạ, chúng ta coi ánh sáng là
sóng, còn khi cần giải thích các hiện tượng quang điện hay tán xạ Compton, chúng
ta lại coi ánh sáng như các hạt photon. Nói cách khác, ánh sáng hay bức xạ điện từ
có lưỡng tính sóng-hạt.
21
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Bảng 2.1. Lý thuyết và thực nghiệm chọn lọc chứng tỏ bản chất sóng – hạt của
ánh sáng:
Bằng chứng

chọn lọc

Bản chất
ánh sáng
Lý thuyết Thực nghiệm
Sóng
Thuyết điện từ của
Maxwell
Giao thoa 2 khe Young &
nhiễu xạ qua khe hẹp
Hạt
Thuyết lượng tử ánh sáng
của Einstein
Hiệu ứng quang điện &
hiệu ứng Compton

2.1.2.1. Tính chất sóng:

Hình 2.4. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ.
Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần.
Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng gọi là Sóng điện từ có thể được hình dung
như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường B vuông góc với
nhau, dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học và chuyển động với vận tốc
không đổi trong môi trường nhất định, truyền đi theo hướng vuông góc với hướng
22
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn
bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Biểu đồ hình 2.4 minh họa tính chất sin của các thành
phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian.
Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một
lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím
phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính
chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, đều dao động tuần hoàn,
biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng
truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ.
Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong môi trường đồng tính như
không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó
tương tác với môi trường khác, nó đổi hướng qua sự khúc xạ hoặc phản xạ. Cường
độ sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua
một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc tán xạ tạo nên hình ảnh
nhiễu xạ đặc trưng. Cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai
lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.

Hình 2.5. Sự khúc xạ của sóng ánh sáng
Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens

23
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
Theo nguyên lí Huygens, mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng
riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng, từ đó giải thích hiện tượng
khúc xạ của sóng. Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến
môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân
giới. Phần này bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại
vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng chuyển động chậm hơn
do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn. Do mặt sóng truyền ở hai
tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm
thay đổi hướng truyền.

Hình 2.6. Thí nghiệm giao thoa hai khe Young
Các tính chất đặc trưng khác của bức xạ điện từ cũng quan trọng khi xem xét
cách thức sóng truyền trong không gian. Hình 2.7 biểu diễn các dạng sóng khác
nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng
đều của bức xạ điện từ (hình 2.7 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ của ánh
sáng khả kiến để minh họa)

Hệ vân giao thoa



24
PH
ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 2.7. Các dạng sóng của ánh sáng

Kính phân cực có cấu trúc phân tử đặc biệt chỉ cho phép ánh sáng có một định
hướng nào đó truyền qua chúng, giống như một loại màn che Venice đặc biệt có các
hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực (hình 2.8).

Hình 2.8. Sóng ánh sáng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc
Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực thứ nhất, chỉ có những tia
sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính. Nếu
đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính
thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính
25
THIÊN VĂN VÔ TUYẾN
thứ hai. Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh
sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định
hướng vuông góc kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào truyền qua kính thứ hai.
Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực dẫn đến khái niệm ánh sáng gồm các
sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành phần
ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại
bởi một loại kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ
lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell
Maxwell phát hiện ra tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và
truyền qua chân không với cùng tốc độ 186000 dặm một giây. Lý thuyết điện từ của
ông khẳng định tính chất sóng của ánh sáng.
Sự xuất hiện của sóng điện từ được giải thích như sau: Mọi điện tích khi gia
tốc, hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ. Khi từ
trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ phương
trình Maxwell, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến
đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng.
Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến đổi

chứa thêm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời gian
chậm hơn so với tại nguồn. Đó chính là mô tả toán học của bức xạ điện từ. Trong
các phương trình Maxwell, bức xạ điện từ hoàn toàn có tính chất sóng, đặc trưng
bởi vận tốc, bước sóng (hoặc tần số).