Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng pptx

Lược sử hình thành các
quan điểm về bản chất
ánh sáng
Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:
Năm 1864,trong bài báo “Một lý thuyếtđộng lực về trường điện từ”, Maxwellđã
tổng hợp các kiến thứcvề điện và từ đã được các nhà vật lý xâydựng trước đó
thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏnvẹn mộtdòngvà
được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốnphương trình nàyđượchậu
thế biết đếnvới tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”:
- Phương trìnhthứ nhất mô tả định luật Gauss,cho biết đường sức điệnxuất phát
hoặc kết thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai môtả các đường sức của cảm
ứng từ là khép kín hoặc đi ra xavô tận,từ đó không có cái gọi là“từ tích” hay“đơn
cực từ”.
- Hai phương trình cònlại mô tả sự kết hợp giữa điện vàtừ: từ trường biến thiên
sinh ra điện trường xoáy, đến lượt mình điệntrường biến thiên cũng sinhra từ
trường xoáy.
Từ các phươngtrình trên, Maxwellđã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóngđiện
từ thực chất cũng chínhlà sóngánh sáng. Bởithứ nhất, ông đã dựa vào các phương
trìnhđể vẽ ramột kịch bản về cuộc hônnhân giữa điện và từ, theođó điện và từ
trở thành mộtcặp thốngnhất không thể tách rời. Chúng là haithànhphần của
sóng đệntừ lan truyền trong khônggian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh vàcác
hõm sóngnằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng(hìnhvẽ).
Thứ hai, vào năm1873,Maxwellđã tính toán chính xácvận tốc truyềnsóng điện
từ, đáp số này hoàn toàntrùng khớp vớivận tốc ánh sáng.
Tronglịch sử vật lý, Newtonđã thốngnhất trời và đất quađịnhluật vạn vật hấp
dẫn thì đến lượt Maxwellđã thống nhấtkhôngchỉ điện và từ mà còn cả quanghọc,
ông được coi là nhà thốngnhất vĩ đại thứ hai của vật lý học
Ánh sáng - lưỡngtính sónghạt
Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánhsáng là sóng đã thựcsự được xác nhận,đặc
biệt là saukết luận củaMaxwellkhẳngđịnhánh sánglà sóngđiện từ với vận tốc là
300.000km/s. Nhưngmột vấn đề được đặt ralúc nàylà vận tốc nàycủa ánh sáng

được tínhsovới cái gì?Các phươngtrình củaMaxwell không trả lời được chocâu
hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwellnghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh
sáng lan truyềnvới vận tốc 300.000 km/slà sovới một chất ête tĩnh choán đầy
trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu vàcó những
tính chất gì?
Theo các quanđiểm của các nhà khoa học khẳngđịnhánh sánglà sóngtừ trước
cho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy đượcvấn đề giải mã chất “ête” trongkhông
gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặtra như một môi
trường để truyền sóngánh sáng. Các nhà khoa học banđầu đã đề xuấtsóng ánh
sáng như sóng âm, tức phải làsóng dọc, nhưng với phát hiện củaAugustin Fresnel
về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận địnhánh sáng phải là sóng
ngang.Như vậy, chất “ête” phảilà chất rắnđể có thể lan truyền được sóngngang,
nghĩa là môi trường etephải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằngcách nào
mà Trái đất lại có thể chuyển độngtrong mộtmôi trườngcứngnhư vậy mà không
bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằngcách nào mà ête lại cóthể cùng lúc vừalà một
chất rắn đàn hồilại vừalà một chất lỏng tinhtế được?
Đó chính là những vấn đề khiến cho cácnhà khoahọc cuối thế kỉ XIX quan tâm? Có
hay không có một môi trường đặc biệt“ête” trongsự lan truyền của sóng ánh
sáng?
Năm 1887,nhàvật lý người Mỹ, AlbertMichelson (1852-1931), và đồngnghiệp
của ông là Edward Morley(1838-1923)đã thực hiệnmột thí nghiệm tàitình để
kiểmtra sự tồn tại củaête. Haiông đã chế tạo một dụngcụ gọi là giaothoa kế, dựa
trên nguyên lýgiao thoa của ThomasYoung.Tronggiao thoa kế này, một chùm
sáng có một tần số duy nhất được chia làm haichùm. Haichùm này đi theo haicon
đườngkhác nhaunhưngcó cùng chiều dài, một theophương chuyển động của trái
đất, một theophươngvuônggóc rồi sauđó kết hợp với nhau.Đúng ở thời điểm
chúng tách khỏi nhau, haichùmtia hoàn toàntrùng khít vớinhau, nhưng khi
chúng kết hợp thì sự kết hợpphụ thuộc vào vận tốc của haichùmtia ở thời điểm
đó. Nếu có xét đến sự chuyển độngcủaTrái đất thì chắc chắn là vậntốc của 2 chùm
tia này làkhác nhau,nhưng kết quả thu được lại hoàntoàn khác, haichùm tiavẫn

trùng khít như lúcbị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo2
phươngkhác nhau là không thayđổi. Trong dự đoán, với giaothoa kế của mình,
Michelson và Morleyvề nguyêntắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc
khoảng 1,5km/s,tức là một phần haimươi vậntốc của Tráiđất qua chất etegiả
thuyết. Nhưngrõ ràngsau nhiều lầnthực hiệnthí nghiệm thì haiông đã kết luận
rằng vận tốc ánh sáng không thayđổi dù nó lantruyền theo phương nào đi nữa.
Sau thí nghiệm của Michelsonvà Morley,con người dần phảichấp nhận rằng chất
“ete” chỉ là sản phẩmbởi trítưởng tượng, dùrằng có nhiều nhàkhoahọc đã cố
gắngđể “cứu” lấy kháiniệmnày. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đếnkhi Albert
Einstein(1879-1955) đã khẳngđịnh mộtnguyên nhân thật đơngiản để lí giải vấn
đề trên, ông cho rằng môi trường ête làkhônghề tồn tại, các sóngánhsáng, khác
với các sóng khác, khôngcầnphải có một môi trường để lan truyền. Ánhsángcó
thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. VàEinsteinđã giải
thích quan điểm của mìnhbằngthuyếttương đối hẹpcủa mình
Như vậy cho đến năm1905, conngười đã cómột cái nhìn đúng đắn hơn về sóng
ánh sáng, vàđặc biệt đó là loại bỏ đượckhái niệm về môi trường “ete”như các nhà
khoa họctrướcđây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũngtrong chính năm đó,một
luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bảnchất củaánh sángvới một công trình
của chínhAlbertEinsteinvề “Hiệu ứng quang điện”.
Hiệu ứngquangđiệnlà một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt
của một tấm kimloại khicó ánhsángchiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì
với cườngđộ ánh sángcàng mạnh thì electrongngày càngtích tụ đượcnhiều năng
lượng để bứcra khỏi kimloại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như
vậy.
Einsteinđã nhận thấy rằng, nếu chiếumột ánhsáng có tần số thấp vàomột kim
loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra,dù chiếu với cường độ mạnh baonhiêu đi
nữa. Ngượclại khi chiều ánh sáng với tần số cao, như ánh sáng cựctím thì hiệu
ứng lại lập tức xảy ramà không cần khoảngthời gian để electrontích lũy năng
lượng.
Để giải thíchvề hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xemxét lại bản

chất của ánh sáng. Ông đã đưa ra mộtgiả thuyết táo bạo rằnghiệuứng quangđiện
chỉ có thể giải thích được nếu sóng ánhsángbị kimloại hấp thụ không phải là một
sóng liên tục mà đượccấuthànhtừ các“hạt” haycác lượngtử nănglượngxácđịnh.
Năng lượngnày khôngthể tùy tiện lấy bất kì, mà đúngbằngmột bội số của tần số.
Einsteinđã khai triển thuyếtlượng tử của Plankvà đưa ra thuyết photon,chorằng
năng lượngánh sáng tập trungtrong nhữnghạt nhỏ gọi là photonhayquangtử.
Trongkhuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích đượctất cả các sự kiện
thực nghiệm quansát được. Như vậy, một lầnnữa ánhsáng lại được khẳng địnhvề
bản chất hạt của nó,tuy nhiênta có thể thấy quanniệm“hạtánh sáng” do Einstein
đưa ra làkhác với quanniệm trước đây của Newton,đó khôngphải là nhữnghạt
cơ học đơn giảnnhư quan niệm củaNewton mà có những thuộc tính riêng của nó.
Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einsteinđã hoàn toàn giải thích được
3 thí nghiệm của mình về hiệu ứngquang điện.Chính “Hiệu ứngquang điện” này là
công trình đã mang đếncho Einsteingiải thưởngNobel chứ khôngphải là “Thuyết
tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng.
Sau đó hơn 10năm, trong thậpniên 1920,lí thuyết của Einstein về tính chất hạt
của ánh sáng một lầnnữa được củng cố bởi các thí nghiệm củanhàvật lí người Mĩ
ArthurH.Compton, người chứngminh được photoncó xung lượng, một yêu cầu
cần thiết để củng cố lí thuyếtvật chất và nănglượng cóthể hoán đổicho nhau, hiệu
ứng đó sau nàyđược gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy rakhi
Comptonnghiên cứusự khuếch tán (haytán xạ) tiaX bởi graphit (thanchì). Trong
thí nghiệm củamình, ôngnhận thấykhi cho một chùmtia X cóđộ dài sóng l đi qua
một khối graphit, chùm tia bị khuếchtán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một
góc khuếch tán j nhờ máy quangphổ, người ta thấy ngoài vạch ứng vớiđộ dài sóng
l cònmột vách ứng với độ dàisóng l’ lớn hơn l. Comptonđã giải thíchhiện tượng
này bằng sự va chạmgiữa photonvới electron của chất khuếch tán, trong đó ông
photonnhư một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánhsángcó bản chất sóng thì
Comptonsẽ không thể giải thíchđược hiện tượngđã xảy ra, chỉ khi chấp nhậnánh
sáng có bản chấthạt, và sử dụng thuyết photon củaEinsteinthì ông mới có thể giải
thích được trọn vẹn hiệntượng.

Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra chocác nhàkhoahọc:
bản chất của ánh sánglà sóng hayhạt. Trước khihiện tượng quang điện xuấthiện
con người có thể dễ dàng tinchắc rằng ánh sánglà sóngđiện từ với các hiện tượng
liên quanđến sự truyềncủa ánhsángnhư giao thoa, nhiễu xạ,…Tuynhiên chođến
đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sángcon người sẽ không thể lí giải được cho
các hiện tượng về sự tương tác giữa ánhsángvà vật chất như hiệu ứng quang điện,
hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượngnày, con người sẽ
phải chấp nhận quan điểm hạt photoncủa Einstein. Vậy ánh sáng thựcchất là sóng
hay hạt?
Cùng khoảngthời gian nghiên cứu củaCompton,một nhà khoahọc người Pháp
LouisVictor-deBrogliecho rằngtất cả vật chất và bức xạ đều cónhững tính chất
vừa giốngsóngvừa giốnghạt. Dưới sự chỉ dẫn của MaxPlanck,De Broglieđã ngoại
suy côngthức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với nănglượng chứa luôn
hằng số Planck:
E = mc2 = hf
Trongđó :E là năng lượng của hạt, mlà khối lượng, c là vận tốcánh sáng, h là hằng
số Planck, vàf là tần số.
Công trình của De Broglie,liênhệ tần số của mộtsóng với nănglượng và khối
lượng của mộthạt, mang tínhcơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mớicuối
cùng sẽ dùng để giảithích bản chất vừa giống sóng vừagiống hạt của ánh sáng. Đó
chínhlà ngành cơ học lượng tử.
Quađó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìmhiểu về ánh sáng khôngphải là sự
tranh chấp giữa hai quanđiểmđể xác định quan điểmnào đúng mà lại là sự thống
nhất chúng lại trongmột lí thuyết mới. Ngày naychúng ta công nhận ánh sáng có
lưỡng tính sóng– hạt. Hai tính chất nàycùngtồn tại trong một thể thống nhấtlà
ánh sáng và tùy điều kiện củahiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia
của ánh sáng được hiện ra. Tacó thể coi”sóngvà hạt làhai tính phụ nhaucủa ánh
sáng.Giữa hai mặt sóng và hạtcủa ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất,
chứ không hoàn toànlà haimặt độc lậpvới nhau.Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa
nhậnsự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu đượcmột cách

bao quát các đặc tính của ánhsáng. Ánh sángkhông là sóng và cũng chẳng là hạt,
nói ánhsáng làlưỡngtính sóng– hạt thực chất cácnhà khoahọc muốnđề cập đến
ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chấtcủa nó vừa giống
sóng vừa giốnghạt. Quanđiểm này đã thực sự khép lại nhữngcuộc tranhluận về
bản chất ánh sáng làsóng hayhạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng làtìm hiểu
về cái bản chất vô cùngđặc biệt này, vàhơn thế nữa,đối tượng“lưỡng tính sóng-
hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộngra cho các hạt vật chất,
như ta đã biết trong lí thuyết củaDeBroglie.
Kết luận sư phạm:
Qúatrình hình thành cácquan điểm về bản chất cảu ánh sáng được tóm tắt bằng
hình sauđây:
Quabiểu đồ sự phát triển các quanđiểm về bản chất ánh sáng,ta có thể thấy rõ
đây là một quátrình phát triển theo đúng như quy luật phát triển của vật lí học, đó
là một quá trình tiến hóatừ thấp đến cao,trải qua nhữnggiai đoạn biến đổi cách
mạng xenkẽ với các quátrình tiến hóayên tĩnh. Quá trình học tập vàsángtao của
học sinhcũngvậy. Kiến thức phải đượcxây dựng từ thấp đến cao,từ đơn giản đến
phức tạp, từ kém bản chất đến bản chất. Khôngthể nóng vội duy ý chí đưa kiến
thức mộtcáchồ ạt đi vào bảnchất củasự việcngay. Như thế học sinh sẽ không thể
hiểu được bảnquá trìnhbản chất của sự vật,hiện tượngvậtlý. Không những thế
quá trìnhhọctập học sinh cũngnhư vậy đó là một quá trìnhtiến hóa từ thấp đến
cao cũngcó những giaiđoạn các em bùng nổ tư duy, năng lựcsáng tạo được phát
triển toàn diện, tuy nhiên cũngcó những giaiđoạn các empháttriển êmđềm,giáo
viên không nênnóngvội, vội vàng ép các em sángtạo, vội vàngbắt épcác em phải
thật phát triểnhơn nữa. Giáoviên nên có phương pháp sư phạm hợplý, giúp cho
học sinhtừ từ vượt qua giai đoạn này. Đặc biệt đây là giaiđoạn để các em ôn lại
kiếnthức cũng cố kiếnthức đã đượccác em nhận thứctrongquá trìnhbùng nổ tư
duy trong giai đoạn trước. Đây là giaiđoạn hếtsức quantrọngtrong quá trình
nhậnthức các em. Đây làgiai đoạn củngcố xem xét lại nội dungkiếnthức cũ và
chuẩn bị tiền đề cơ sở vật chất cho giai đoạn phát triển tiếp theo về mặt tư duy của
các em. Dođó người giáo viênphải có biện phápđể giúp các emtronggiai đoạn

này, để các emcủng cố được kiến thứcđã học, tạo tiền đề cho bước nhảyvọtvề tư
duy trong giai đoạn tiếp theo.
Nhìn vàođồ thị chúngta nhận thấy quá trình đi đến đượcnền tảng kiến thức mới
bao giờ cũng xuất phát từ nền tảng kiến thứccũ. Kiến thức cũ ở đây khôngchỉ các
kiếnthức trongngànhkhoa họcđó mà đôi khi cả những kiến thức đượcrút ra từ
các ngành khoa học khác. Do đó trong quá trình giảng dạy, người giáo viên không
được xemnhẹ phần nào, không đượcxem phần nàykhông thi Đại Học, hay không
thi Tốt Nghiệprồi chúng ta sẽ dạy qua loa. Sự phát triển bền vững chính là sự phát
triển hài hòa của tất cả các mặt của học sinh:về cả kiến thức tự nhiên xã hội,thể
lực….Cùng với đó làmột kế hoạch giảngdạykhoa họcxuyên suốtvàliên tục trong
quá trìnhdạy học
Đối với các quanniệmvề bản chất ánh sáng, học sinh sẽ được tiếp cận nhữngkiến
thức đó trong chương trìnhvật lí lớp 12,cụ thể là ở chương VI và chươngVII. Tựa
đề trong chươngVI là “Sóng ánh sáng”và chương VII là “Lượng tử ánh sáng”. Như
vậy trongchươngtrình học, họcsinh sẽ được biết quan niệm về bản chất ánh sáng
là sóng, từ thời kì sóng ánh sáng được hồi sinh đầu thế kỉ XIX cho đến thế kỉ XX với
những công trìnhcủa Einstein, ánh sángcó lưỡng tính sóng-hạt. Học sinh khitìm
hiểu về ánh sáng chỉ có thể nhìnnhận về bản chất của nótrong một giaiđoạn ngắn,
các emđã không có đượccái nhìntổngquát nhất về sự phát triển các quan điểm về
bản chất ánh sáng. Đối với cácem học sinhthìNewton là một nhàbáchọc lỗi lạc và
rất quanthuộc,các em không thể nào khôngnhớ đến 3 định luật của Newton,
nhưng các emlại khôngđượcbiết đến đóng góp củaông trongngành quang học.
Tuy lí thuyết củaNewton khôngphải là mộtlí thuyết hoàn toàn đúng đắn nhưng
nó cũng đã thể hiện những nhìn nhận đầu tiêncủa con người có tính chất khoahọc
về bản chấthạt của ánh sáng.
Theo như ý kiến của bảnthân,em nghĩ rằng trong quá trình giảng dạy của mình,
bản thân người giáoviên nênđưa những thôngtin về lí thuyết hạt của Newton vào
những bài họcvề ánh sáng, songsong với quá trìnhgiảngdạy về lí thuyết sóng ánh
sáng của Huyghens, Young,Fresnel…Không chỉ thế người giáo viên cònnên làmrõ
sự “mâu thuẫn”của hailí thuyết nàyvà quá trình “đấu tranh” để khẳngđịnhtính

đúngđắn của thuyết sóng. Như vậy học sinh sẽ có đượcmột cách nhìn thích thú về
ánh sáng. Hiện nay, cáchdạy họcđang được khuyến khích đó là dạytheo hướng
pháthuy tínhchủ động, tích cực của họcsinh. Như vậyvới nhữngkiến thức đã
được tìm hiểu trong bài tiểu luận này,người giáo viên có thể tự xây dựngcho mình
một cách dạy thích hợp nhất, một cấu trúc bài hấp dẫnvà kíchthích được sự thích
thú ở học sinh, từ đó các em sẽ có được sự chủ động tự tìm hiểu những vấn đề thú
vị đó.
- Bêncạnh đó,xét về mặt giáo dục tư duy và ý thức, cách giảng dạy của giáoviên
như vậy sẽ hướng họcsinh đếncách nhìn đúng đắn về quá trìnhpháttriển của một
lí thuyết vật lí. Các emsẽ nhậnthức được để có được mộtlí thuyết vậtlí đúngđắn
khôngphải là một việcđơn giản, mộtsớm một chiều,mà là cả một quá trình có cả
sự đấu tranh để đến được đúngchân lí. Do đó đối với các em học sinh, được tiếp
nhậnmột kiến thức vật lí, các em cầnthiết phải biết, hiểu và cả trân trọng những lí
thuyết đó, đặc biệt người giáo viên càng phải cónhiệmvụ là cung cấp cho học sinh
những ứng dụng thựctế của kiến thức đó, để các em càng hiểu rõđược tầm quan
trọng trong việc khám phá ranhững kiến thứcđó.
Việc giảng dạy cho họcsinh về quá trình phát triển này còn cótác dụnggiúp các
em biếtđược cách tư duy đúng đắn khitìm hiểu về một vấn đề. Đó là cần phải có
sự tư duy sángtạo ra những giả thuyết để từ đó giải thích vấn đề rồi kiểm chứng
những giả thiết đó. Bản thân học sinh sẽ phải thấy được rằng khigiải thích mộtvấn
đề mà giả thiết đã đặt ra chưa thỏa mãnhoàn toàn thì các em cần phải biết chỉnh
sửa để có nhữnggiả thiết mới thích hợphơn.
Như vậy thông quacách giảng dạy về ánh sángmà có lồngghép giảng dạy về sự
hình thành cácquan điểm về bản chất của ánhsáng là một cách dạy để nâng cao
tầmhiểu biếtđồng thờikhơi dậy trongcác emhọc sinh ý thức tư duy sáng tạo,biết
tự tìm tòi vàkhông chỉ đi theo một lối mòn đã đặt ra.