Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 3) potx

Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện và Từ học
(Phần 3)
Một nhà khoa họctừng nghiên cứu quanghọc là IsaacNewton.Newton biết
rằng khiánh sángmặt trời bị khúc xạ trong một lăng kínhthủy tinh,thì ánh sáng
trắngbị phân tách thành một cầu vồng ánh sáng, gọi là quangphổ. Newton đã
chứng minhrằngánh sángmặt trời thật ra gồmtoàn bộ các màu sắc của cầu vồng.
Nhiều năm saunày, nhà thiên văn học William Herschel đã phát hiện ra sự
tồn tại của mộtloại ánh sáng khác – ánhsáng khôngnhìn thấy.Vào năm 1800,
Herschelđang tiến hành đonhiệt độ của những màu sắckhác nhautrong quang
phổ. Ôngmuốn tìm hiểu xemánh sáng màu đỏ,cam, vàng, lục haylam tạo ra nhiều
nhiệt lượng nhất. Ông sử dụngmột lăng kính thủy tinh để phântách ánhsáng mặt
trời thành mộtquang phổ.Sau đó,ông dùng mộtnhiệt kế đo từng màu sắc một.
Một sự tăng nhiệt độ bất ngờ đã dẫn Herschel đến chỗ phát hiện ra ánh sáng
hồng ngoại không nhìn thấy.
Phổ điện từ bao gồm những vùng cực rộng của sóng ánh sáng.
Herschelnhận thấy phầnnóng nhất của quangphổ nằm phía ngoài đầu đỏ,ở
một nơi mà ôngkhông thể nhìn thấy chútánhsáng nào cả!Nhưng nhiệt kế chứng
tỏ rằng cónhững tia sáng không nhìnthấy ở đấy. Herschelđã khám phá ra sự tồn
tại củaánh sáng hồng ngoại.
Một năm sau, ánh sángở đầu bên kiacủa quang phổ được tìm thấy. Ánh sáng
này cũngkhông thể nhìn thấy, nhưng nó thật sự tạora ảnhtrên các tấm kính ảnh.
Ánh sángnày được gọi là ánh sángtử ngoại. Vào giữa thế kỉ 19, JamesClerk
Maxwellchứng tỏ rằng quangphổ ánhsáng chứa nhiều hơn cái ánh sáng mà chúng
ta có thể nhìn thấy. Ngày nay, chúngta biếtrằng toàn bộ quangphổ không chỉ có
ánh sáng nhìn thấy, màcòn có sóngvô tuyến,ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng tử
ngoại,tia X và tia gamma.
Những nghiên cứu của Newtonvề ánhsángvào cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ
18 đã làm phátsinh một trongnhữngcuộc tranh cãi dai dẳng nhất trong lịch sử
khoa học. Cuộc tranh cãiđó, khôngphân thắng bại trong hơnhai trăm năm trời, là
về bản chất ánhsáng là mộtcơn mưagồm những hạt nhỏ xíu hayánh sáng là

những loạt sóng.
Để tìm hiểu câuhỏi trên,bạn cần phải biết một chút về hành trạngcủa sóng.
Sóng có thể dễ thấy nhất là ở trong một bể sóng.Để tạora một bể sóng tại nhà, bạn
cần có một cái đĩa to bằng thủy tinh trong, mộttấm giấy trắng, và một cái đèn để
bàn. Bạn cũng cần cóhai cái bút chì và vài miếng gỗ nhỏ để làm vật chắn sóng.
Để nước vào ngập haiphầnba cái đĩa to. Đặt nó lên bàn, phía trên một miếng
giấy.Đặt cái đèn để bàn saocho ánh sáng củanó rọi thẳnggóc xuốngmặt nước.
Giờ thìdùng cái đầutẩy của bútchì khều nhẹ nước ở trongđĩa để tạo sóng. Bạn sẽ
thấysóng tạo ra nhữngcái bóng trêntờ giấy phía dưới, khiến chúngdễ thấy hơn.
Hãy nhớ rằng sóng mà bạn đang nhìn thấylà sóngnước, nhưng nhữngsóng khác,
trong đó có ánh sáng, có những tínhchất tương tự.
Đặt mộtmiếng gỗ nhỏ vào trongđĩa làm vật chắn sóng. Ở một bên củamiếng
gỗ, hãydùng bút chì tạo ra sóng.Hãy quan sát cái xảyra khi sóngđi qua vật cản.
Trong bể sóng, sóng nhiễu xạ, hay cong đi, xung quanh một vật đặt trên đường
đi của nó.
Lưu ý rằng sóngcong đi xungquanh vật cản và truyền vào phần bể bị chặn
sóng. Sự cong đi như thế này của sóngxung quanh một vậtcản đượcgọi là sự
nhiễu xạ. Nhiễu xạ là một đặc trưng của mọi loại sóng.
Đối với các nhà khoa họchồi thế kỉ 17, ánh sáng dường như chẳngnhiễu xạ
giống như những sóngkhác. Ánhsáng có vẻ truyềnđi theo đường thẳng, thayvì
cong vòngquanhvật cản.Nếu bạn đặt một vật vào trong ánh sáng mặttrời, nó tạo
ra mộtcái bóng.Nếu ánh sáng mặt trời nhiễu xạ giốngnhư sóng nước, thì bạn nghĩ
ánh sáng sẽ đi vòng quanh quavật và tạo ramột cái bóng lờ mờ. Nhưng ánh sáng
mặttrời tạo ra cái bóng cóđường bao sắc nét.
Vì lí do này, Newtontin rằng ánh sáng phải gồm những hạtnhỏ xíu, chuyển
độngnhanh theođường thẳng. Khi mộtvậtchặn dòng hạt lại, thì kết quả là những
cái bóng sắc nét.
Sau khi Newtonđề xuất rằng ánh sáng gồmnhững hạt nhỏ xíu, hainhà khoa
học tiếng tăm khác đã khôngtán thành. RobertHooke và Christiaan Huygens cho
rằng ánhsáng cũng hành xử giốngnhư sóng. Chúngta hãy trở lại bể sóngđể chứng

tỏ lập luận này củahọ.
Nếu ánh sáng gồm những hạt nhỏ, bạn sẽ muốn thấy những cái bóng sắc nét
(ảnh trên). Nếu ánh sáng là sóng, bạn sẽ muốn thấy cái bóng kém sắc nét hơn (ảnh
dưới).
Chặn mộtphần trongcái bể sóngcủa bạn, chỉ chừa một lỗ nhỏ thông qua
phần bể bên kia.Với cái bútchì của mình, bạn hãy tạo ra sóngtrong phần bị chặn
kín củabể. Lưu ýcái xảy ra khichúng đi qua lỗ nhỏ.
Sóng đi qua cái lỗ nhỏ phân tán ra y hệt như cách chúnglan tỏa ratừ chính
nguồnphát sóng.Huygens lưu ýrằngbất kì mọi điểm trênphương truyền sóng có
thể tác dụng như mộtnguồn phát sóng mới. Sóng phát ra từ nguồn mới này sẽ có
những đặc trưng giống với sóngban đầu.Quy tắc này đượcgọi là nguyên lí
Huygens.
Đó chính là cái xảyra khi bạn cho phép ánhsángchiếu quamột cái lỗ nhỏ.
Nó lan tỏa ratừ cáilỗ, cứ như là cái lỗ đó là mộtnguồn phát sáng.
Trong một bể sóng, sóng truyền qua một cái lỗ nhỏ phân tán ra như thể cái lỗ
nhỏ là một nguồn phát sóng thật sự.
Huygens còntrình bày rằngnếu ánhsáng là sóng, thì điều đó sẽ giải thích
tính chất khúc xạ của nó. Sóng ánh sáng truyềntrong nhữngchất liệu khác nhau sẽ
có tốcđộ khác nhau.Sự thay đổi tốc độ sẽ làmcho sóngbị bẻ cong đi. Việc lí giải tại
sao các “hạt” ánh sáng bị bẻ cong khichúng đi vào nướchoặc thủy tinh thì khó
khănhơn.
Ánh sáng đi qua một cái lỗ nhỏ hành xử như thể bản thân cái lỗ là một nguồn
sáng.