Tiến trình phát triển nhận thức của con người về bản chất ánh sáng luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---***---

TRẦN THỊ THU THỦY

TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN
NHẬN THỨC CỦA CON NGƯỜI
VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC

VINH, 2012

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---***---

TRẦN THỊ THU THỦY

TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN
NHẬN THỨC CỦA CON NGƯỜI
VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC
Mã số:60 44 01 09

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HUY CÔNG

2


VINH, 2012

Ánh sáng “ điều kỳ diệu quanh ta”
Nguyễn Huy Công (1) , Trần Thị Thu Thuỷ (2)

Thế giới con người bắt đầu bằng ánh sáng, tình yêu
thương nảy sinh từ thế giới.
Phải chăng ánh sáng và con người là một thể thống nhất
ánh sáng tạo ra sự sống và con người cho ánh sáng câu trả lời
“nó là ai?”
Ánh sáng là nguồn sống. Nó cho phép chúng ta tri giác
và hiểu thế giới, tiến hóa trong thế giới, tương tác với thế giới,
chinh phục các vùng đất, các đại dương và không gian.
Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài
hòa của vũ trụ quanh ta.
Và ánh sáng cho con người niềm tin hi vọng, một khởi
đầu mới mẻ, một trái tim tràn đầy yêu thương và một ngày mai
tươi sáng.
Hãy yêu cuộc sống vì biết đâu ngày nào đó ta không còn
nhìn thấy ánh sáng.

3

(1)Trường Đại học Điện lực
(2)Học viên chuyên ngành quang học Khoá 18, Đại học Vinh

LỜI CÁM ƠN

Khoá luận tốt nghiệp này là kết quả nghiên cứu trong nhiều tháng
nỗ lực của bản thân em dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ của rất nhiều người.
Qua bản khoá luận này cho phép em bày tỏ lòng biết ơn chân thành,
sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Huy Công đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy đã đào tạo cho
em không chỉ về kiến thức chuyên môn mà cả về kỹ năng sống, học tập và
làm việc.
Khoá luận này cũng là một lời cảm ơn tới những người thân của em
- những người luôn ở bên cạnh quan tâm em giúp đỡ em hoàn thành khoá
luận.

VINH, 15/07/2012
Học viên
Trần Thị Thu Thủy

4


MỤC LỤC
Trang
1
Trang giới thiệu
2

Lời cảm ơn
3
Mục lục
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
6
Danh mục các ký hiệu
7
MỞ ĐẦU
Chương 1: LƯỢ C SỬ HÌNH THÀNH CÁC QUAN
ĐIỂ M VỀ BẢ N CHẤ T ÁNH SÁNG
1.1 Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại.
1.2 Quan điểm về bản chất ánh sáng thế kỷ XVII đến XIX.
1.2.1 Thế kỉ XVII- XVIII
1.2.1.1 Ánh sáng là sóng của Huygens.
1.2.1.2 Ánh sáng là hạt của Newton.
1.2.1.3 Sự hồi sinh của thuyết sóng ánh sáng.
1.2.2 Thế kỉ XIX
1.2.2.1 Giao thoa ánh sáng.
1.2.2.2 Sự phân cực ánh sáng.
1.2.2.3 Lý thuyết điện từ.
1.3.2.4 Lý thuyết điện tử.
Kết luận chương 1

10

Chương2:

28

NHỮNG THÀNH TỰU KHOA HỌC
TRONG THẾ KỶ XX VỀ ÁNH SÁNG
2.1 Lý thuyết lượng tử năng lượng.
2.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng.
5

10
13
13
13
16
19
20
20
23
24
26
27

28
32


2.3 Bản chất lưỡng tính sóng, hạt của ánh sáng.
2.4 Lý thuyết lượng tử về trường ánh sáng.
Kết luận chương 2

Chương 3:

MỘT SỐ ỨNG DỤNG

CỦA LASER TRONG ĐỜI SỐNG

3.1 Nguyên lý cơ bản về sự khuếch đại ánh sáng.
3.2. Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn.
3.3 Sơ lược lịch sử phát triển laser.
3.4 Một số ứng dụng của laser trong đời sống.
3.4.1 Sử dụng Laser trong thông tin liên lạc, điều

36
37
39

40

40
42
46
49
49

khiển.
3.4.2 Sử dụng Laser trong công nghiệp, cơ khí.
3.4.3 Sử dụng Laser trong đo lường tiêu chuẩn.
3.4.4 Sử dụng Laser trong y học.
3.4.5 Sử dụng Laser trong thiên văn, khí tượng.
3.4.6 Sử dụng Laser trong nghiên cứu vũ trụ.
Kết luận chương 3

55
57

58
60
60
60
61

KẾT LUẬN
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
66
PHỤ LỤC

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Chương I:

14

Hình 1.1: Ánh sáng là sóng
Hình 1.2: Sự phản xạ của sóng ánh sáng
Hình 1.3: Sự khúc xạ của sóng ánh sáng
Hình 1.4: Sự phản xạ của hạt ánh sáng
Hình 1.5: Sự khúc xạ của ánh sáng
Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young
Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc
Hình 1.8: Sự truyền của sóng điện từ

14
15
15
17
17
21
22
25

Chương II:
Hình 2.1: Phân bố Planck W (ω)

29
29
33
34

Hình 2.2: Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện
Hình 2.3 Hình ảnh các vân giao thoa
Chương III:
Hình 3.1: Cơ chế khuếch đại ánh sáng
Hình 3.2: Laser thể rắn hồng ngọc
Hình 3.3: Vệ tinh SPOT 4 ở quỹ đạo cách trái đất 832 km
Hình 3.4: Hình ảnh minh họa một tiểu hành tinh đang đâm vào
trái đất
Hình 3.5: Tiểu hành tinh Apophis đang nhằm hướng về Trái Đất
(Ảnh minh họa từ internet)
Hình 3.6: Ảnh minh họa các phi hành gia dùng chất nổ phá hủy
tiểu hành tinh
Hình 3.7: Dùng laser để hàn vật liệu với độ chính xác cao

Hình 3.8: Laser cường độ mạnh dùng vật liệu rất nhanh và chính
xác
7

41
41
47
50
51
52
54
55
55


Hình 3.9: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách
Đồ thị tổng quan về tiến trình phát triển ánh sáng

57
61

BẢNG CÁC KÝ HIỆU,
CÁC CHỮ VIẾT TẮT

E( hoặc W): năng lượng ánh sáng
−34
h: hằng số Planck, ( h = 6,626.10 J .s )

c: vận tốc ánh sáng trong chân không
ν : tần số của sóng điện từ

k: hằng số Boltzmann, k = 1,38(24).10-23 J/K = 8,617(15).10-5 eV/K
T: nhiệt độ tuyệt đối ( 0 K )

ε : độ điện thẩm của chân không
ε : hằng số điện môi
0

µ : độ từ thẩm của chân không
µ : độ từ thẩm của môi trường
0

n : chiết suất của môi trường

λ : bước sóng ánh sáng
σ : độ dẫn điện

I: cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hoạt
I0: Cường độ ánh sáng trong chân không

G : độ phẩm chất của môi trường hoạt
G

h

: hệ số mất mát của môi trường hoạt

8

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Như chúng ta đã biết, ánh sáng là đối tượng mà con người tiếp xúc
đầu tiên khi mở mắt chào đời và cũng là đối tượng tiếp xúc cuối cùng khi
con người vĩnh biệt thế giới này để đi về cõi vĩnh hằng.
Người bạn ánh sáng mang đến sự sống và song hành với chúng ta
trong cuộc sống hàng ngày được sinh ra từ đâu? Bản chất của ánh sáng là
như thế nào? Có vô vàn những câu hỏi và những thắc mắc mà con người
đã đặt ra cho ánh sáng. Tuy rằng ánh sáng được loài người say mê nghiên
cứu, nhưng dường như người bạn này lại rất thích chơi trò “đánh đố”.
Gần gũi với con người đến như vậy, nhưng việc hiểu bản chất thực sự của
“người bạn” này cũng như cách thức mô tả nó là cả một vấn đề khoa học
hết sức hóc búa và phức tạp.
Hết thế hệ này sang thế hệ khác, hết thế kỷ này sang thế kỷ kia, con
người vẫn cứ miệt mài tìm tòi về bản chất của nó. Có những giai đoạn
tưởng chừng như đã tìm ra, nhưng rồi các “gợi ý” mới về bản chất của
ánh sáng lại xuất hiện và con người lại cứ tiếp tục kiếm tìm. Có nhà khoa
học đã định nghĩa một cách rất độc đáo: “Ánh sáng là chỗ tối nhất của
khoa học”.
Vì vậy việc tìm hiểu và trình bày một cách tổng quan, đầy đủ về tiến
trình phát triển của lý thuyết về ánh sáng, theo chúng tôi suy nghĩ, là một
việc làm thiết thực và có ý nghĩa, giúp chúng ta có dịp nắm bắt một cách
toàn diện hơn về ánh sáng, đồng thời biết nâng niu và trân trọng hơn đối
với những thành tựu, những phát kiến vĩ đại của các nhà vật lý từ trước
cho đến nay. Đó là những nhà khoa học đã miệt mài làm việc để cho
chúng ta có những kiến thức quý báu về ánh sáng làm cơ sở để phát hiện
ra nhiều hiệu ứng mới, phái minh ra những thành tựu khoa học mới.
Với lý do trên, chúng tôi chọn đề tài:
TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN NHẬN THỨC CỦA CON
NGƯỜI VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG

Điều này cũng còn có ý nghĩa trong việc tạo nên niềm đam mê học
tập và nghiên cứu, tìm hiểu về ánh sáng trong các thế hệ trẻ tương lai của
đất nước. Vấn đề bản chất ánh sáng đã từng là chỗ tối nhất trong Khoa
học sẽ dần dần được làm rõ, giúp cho nhân loại hiểu được bản chất thực

9


sự của ánh sáng cũng như tiến một bước xa trên con đường chinh phục
ánh sáng.
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, Luận văn
gồm 03 chương nội dung:
• Chương 1 nói về lược sử hình thành các quan điểm của bản chất
ánh sáng.
• Chương 2 trình bày về những thành tựu khoa học của thế kỷ 20 về
ánh sáng.
• Chương 3, trình bày các ứng dụng của các thiết bị có sử dụng ánh
sáng - laser.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Xây dựng được một hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học về
bản chất của ánh sáng.
Đồng thời cung cấp cho độc giả một hệ thống kiến thức phục vụ
cho công việc học tập, nghiên cứu hiện nay cũng như cho công việc giảng
dạy sau này về ánh sáng.
3. ĐỐI TƯỢNGVÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
a. Các quan điểm về bản chất ánh sáng
-Sự ra đời các quan điểm này như thế nào?
-Nội dung các quan điểm.
b. Các lý thuyết về bản chất ánh sáng

c. Sử dụng Laser trong đời sống
-Sử dụng Laser trong thông tin liên lạc, điều khiển
-Sử dụng Laser trong công nghiệp, cơ
-Sử dụng Laser trong đo lường tiêu chuẩn
-Sử dụng Laser trong y học
-Sử dụng Laser trong thiên văn, khí tượng
-Sử dụng Laser trong nghiên cứu vũ trụ
3.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-Từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu xuất hiện cho đến nay.
-Tập trung nghiên cứu các quan điểm, các thuyết có tính chất nền tảng
trong sự phát triển Khoa học nói riêng và Vật lý nói chung.
10


-Nghiên cứu qua sách, báo khoa học, các trang kiến thức khoa học
trên internet, các tài liệu tham khảo khác.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Nghiên cứu lý thuyết:
- Tìm tài liệu.
- Đọc tài liệu.
- Phân tích tổng hợp và so sánh khái quát.
- Khảo sát các ứng dụng thực tế của ánh sáng.
• Thống kê số liệu: thống kê, xử lí, đánh giá kết quả thực tế đạt được.
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI:
*Xây dựng được bộ tư liệu tương đối đầy đủ về tiến trình phát
triển nhận thức của con người về ánh sáng.
* Luận văn có thể được xem như một bức tranh kiến thức cơ
bản khái quát về lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh
sáng từ thời cổ đại cho đến nay. Qua bức tranh này chúng ta thấy,
mặc dầu ánh sáng là “người hàng xóm” gần gũi với con người song

không phải một sớm, một chiều mà con người có thể hiểu đúng, hiểu
đầy đủ về bản chất của nó. Rất may là cho đến nay, con người đã qua
giai đoạn tìm hiểu bản chất của ánh sáng nói riêng và của trường
điện từ nói chung. Vấn đề bây giờ là trên cơ sở các hiểu biết về ánh
sáng, con người đang tìm cách sử dụng nó một cách thiết thực và
hiệu quả nhất để phục vụ lại cho chính con người.
* Hy vọng rằng luận văn sẽ là một tài liệu tham khảo cho các
nhà vật lý nói chung và cho các thầy, cô giáo ở cấp phổ thông trung
học nói riêng có thêm một tài liệu bổ ích giúp cho quá trình giảng dạy
của mình về quang học được chính xác và sinh động hơn.

6. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI:
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của ánh sáng,
thành tựu và một số ứng dụng quan trọng của ánh sáng, không đi sâu vào
kiến thức chuyên ngành.

11


Chương 1
LƯỢC SỬ HÌNH THÀNH CÁC QUAN
ĐIỂM VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG
Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng:
Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống. Ta chưa biết
gì nhiều về ánh sáng và những gì ta biết chưa hẳn là đã hoàn toàn chính xác. Người
ta mới chỉ có thể dựa trên tác động của ánh sáng để “mô tả”, chứ chưa thể nói là lý
giải một cách thích đáng. Câu hỏi lý thú về bản chất của ánh sáng đã được nêu ra
ngay từ thời cổ Hy Lạp. Câu hỏi đó thoạt đầu càng có vẻ đơn giản bao nhiêu, thì trái
lại,việc có được một câu trả lời minh bạch càng khó khăn bấy nhiêu. Sau đây, chúng
ta thử tìm hiểu quá trình lịch sử về sự tồn tại các quan điểm về bản chất ánh sáng.

1.1 ÁNH SÁNG TRONG CON MẮT CỦA NGƯỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI
Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác
xa xưa nhất . Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho rằng mắt truyền
các “tia thị giác” đến thế giới bên ngoài. Sở dĩ có lý thuyết về các tia thị
giác này một phần là do niềm tin dân gian cho rằng các con mắt có chứa
“lửa’’. Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật;
ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt.
Leucippe (khoảng 460-370 TCN): Trái ngược với “lửa” trong mắt của
Empédocle thoát ra thế giới bên ngoài, Leuccipe cho rằng thế giới thị giác
đến với chúng ta, và do đó, về thực chất, thị giác là một trải nghiệm thụ
động[5]. Dưới tác động của ánh sáng, các hình ảnh về các vật quanh ta –
mà Leucippe đặt cho một tên riêng bằng tiếng Hy Lạp là các eidonlon có
nghĩa là các ảo ảnh – sẽ tách khỏi bề mặt của vật, như da của một con
rắn lột xác tách khỏi cơ thể, và đi đến mắt chúng ta.
Démocrite (460-370 TCN): Các quan điểm của Démocrite về ánh sáng
và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. Ông chấp nhận bốn màu cơ
bản của Empédocle – đen, trắng, đỏ và vàng-xanh, nhưng thêm vào đó
các màu khác gọi là các màu thứ cấp, như lục và nâu. Khác với
Empédocle, Démocrite không gắn các màu cơ bản cho bốn nguyên tố, mà
gắn cho các nguyên tử có hình dạng khác nhau. Theo Démocrite, các màu
(và các đặc tính giác quan khác như mùi và vị) không hiện hữu trong bản
12


thân các vật.Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng
siêu hình. Mặt Trời là con của cái Thiện, và mắt, nhạy cảm với ánh sáng,
là một cơ quan gắn chặt nhất với Mặt Trời.
Như vậy thị giác là kết quả của sự tổng hợp của ba quá trình bổ sung
cho nhau. Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo

thành một chùm sáng duy nhất. Chùm sáng này được phóng thẳng ra phía
trước cho đến khi gặp bề mặt của một vật; ở đó, nó gặp tia các hạt do vật
phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng
ban đầu. Tia các hạt này chứa thông tin về tình trạng của vật, màu sắc và
kết cấu của nó. Sau đó chùm sáng co lại để truyền đến mắt những thông
tin này.
Aristolte (384-322 TCN), học trò của Platon, là một triết gia thuộc
trường phái tự nhiên, ông có cái nhìn cụ thể hơn và kinh nghiệm hơn về
hiện thực, đồng thời ông cũng là người bác bỏ thế giới Ý niệm của
Platon. Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khoát các “tia thị
giác” của Empédocle, bởi theo ông lý thuyết này không giải thích được
tại sao chúng ta không nhìn thấy trong bóng tối. Ông cũng bác bỏ quan
niệm của Platon về các hạt thoát ra từ bề mặt các vật để đi vào mắt người
quan sát. Theo ông, sự tri giác các vật được thực hiện không phải thông
qua dòng vật chất, mà bởi ấn tượng của chúng lên các giác quan, cũng
giống như sáp tiếp nhận dấu ấn của chiếc nhẫn nhưng không tước mất của
nó cái chất, sắt hay vàng, đã tạo nên chiếc nhẫn đó. Như vậy mắt tiếp
nhận các ấn tượng về màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho
rằng tồn tại hai màu cơ bản: đen và trắng. Tất cả các màu khác bắt nguồn
từ sự hòa trộn hai màu cơ bản này và biểu hiện các “phẩm chất trung
gian”,ở đây,ông giải thích sự hòa trộn 2 màu cơ bản tạo thành các màu
khác có sự đóng góp của “nhiệt”. Các màu khác cũng có thể bắt nguồn từ
sự hòa trộn giữa đen và trắng trong một môi trường bán trong suốt: đó là
trường hợp các màu nâu đỏ hoặc da cam của cảnh hoàng hôn.
Euclide (khoảng 300 TCN): Ông đã dùng toán học để áp dụng cho các
hiện tượng tự nhiên, Euclide đưa ra tiên đề về tập hợp các “tia thị giác”
chứa trong một hình nón mà đỉnh của nó là tâm của mắt và đáy là phạm
vi nhìn thấy của mắt. Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác này và nhờ các tính
toán hình học, ông đã giải thích được tại sao cây ở xa trông lại nhỏ hơn
cây ở gần.

Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho rằng mắt đồng thời
vừa là máy phát vừa là máy thu: mắt phát ra các “tia thị giác” có cùng
bản chất với ánh sáng và màu sắc. Ptolémée cũng đưa ra tiên đề về “mặt
nón thị giác”, nhưng khác với Euclide, ông cho rằng mặt nón này không
13


chứa một tập hợp các “tia thị giác” tách biệt, mà chứa một continuum các
tia có mật độ lớn nhất ở trung tâm, tại đó mắt nhìn thấy rõ nhất, nhưng
giảm dần ở rìa mép nơi các chi tiết nhoè mờ hơn. Theo ông, “mặt nón thị
giác” bản thân nó không đủ; còn cần phải có thêm ánh sáng bên ngoài để
được khởi phát sự hoạt động của nó. Chẳng hạn, khi “mặt nón thị giác”
quét lên bề mặt của một vật, nó chỉ tương tác với vật ấy nếu có ánh sáng
xung quanh. Ánh sáng bên ngoài này càng mạnh thì tương tác càng mạnh.
Điều này giải thích tại sao chúng ta không nhìn được trong bóng tối[4].
Ptolémée cũng suy nghĩ về hành trạng của ánh sáng khi nó phản xạ trên
một bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng khi đi từ môi trường này
sang môi trường khác (định luật khúc xạ). Ông cũng là người đầu tiên
miêu tả các màu hòa trộn với nhau như thế nào trong mắt của con người.
Ông đã vẽ các màu khác nhau trên một bánh xe sau đó quay bánh xe thật
nhanh. Mắt không có đủ thời gian để phân biệt từng màu một, mà chỉ
nhìn thấy các màu này bị trộn vào nhau. Ngoài ra, ông còn nhận thấy sự
hòa trộn các màu còn có thể là kết quả của khoảng cách: Một bức tranh
ghép các màu sáng nhìn từ xa có thể cho ấn tượng về màu xám[4].
Claude Galien (130-200) cùng với Hippocrate là hai bác sỹ vĩ đại nhất
thời Cổ đại. Ông là một gương mặt lớn góp phần phát triển các ý tưởng
về ánh sáng. Galien đã lấy lại một số quan niệm của Aristolte: dưới ảnh
hưởng kết hợp của linh khí thị giác và ánh sáng, không khí bao quanh ta
chịu một biến đổi làm cho mắt nhìn thấy được. Các màu sắc cũng làm
cho không khí biến đổi. Theo Galien, trung tâm của thị giác là thủy tinh

thể.
Alhazen (965-1040). Theo ông, các tia sáng thật sự tồn tại. Chúng lan
truyền theo đường thẳng. Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật
liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các
chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của
chúng đi vào mắt chúng ta. Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ
ánh sáng[5].
Rober Bacon (1214-1292), người Anh. Trong các sách chuyên luận về
ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của
Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và
các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất
cả các điểm của vật). Theo Bacon, mọi vật phóng theo đường thẳng về tất
cả các hướng một cái gì đó thuộc tính chất của nó mà ông gọi là “loài”.
Chẳng hạn, Mặt trời phát ra các “loài” sáng.

14


Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông đã tìm ra phương thức
truyền ánh sáng thứ 4 ngòai 3 phương thức trước đó đã tìm thấy là theo
đường thẳng, bằng phản xạ trên một mặt phẳng như gương chẳng hạn, và
bằng khúc xạ khi thay đổi môi trường. Phương thức thứ 4 đó là nhiễu xạ
ánh sáng.. Nghiên cứu này của ông được công bố vào năm 1665.
Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải
quyết nhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đầu hình thành những quan
điểm đầu tiên về ánh sáng. Và những thế kỷ sau bí ẩn về ánh sáng dần
được hé mở.
Qua việc tìm hiểu những quan điểm về bản chất của ánh sáng trong
thời cổ và trung đại, chúng ta có thể nhận ra tầm quan trọng trong việc
nhận thức bản chất của ánh sáng khi những quan điểm về bản chất của

ánh sáng xuất hiện rất sớm ngay từ lúc nền văn minh loài người bắt đầu
xuất hiện. Mặc dù có những hạn chế về nhiều mặt nhưng trong thời kỳ
này quá trình nhận thức về bản chất ánh sáng của loài người cũng đã có
những nét đáng lưu ý.
1.2. QUAN ĐIỂM VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG THẾ XVII ĐẾN XIX
1.2.1 Thế kỉ XVII- XVIII
1.2.1.1 Huygens: Cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng.

Christiaan Huygens (1629-1695) trong một gia đình ưu
tú ở Hà Lan, được coi là nhà toán học và vật lý học lớn
nhất thời kỳ giữa Galileo và Newton.

Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các
hạt của vật sáng tới mắt. Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không

15


gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống
ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước.
*Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:
Huygens dựa trên khái niệm ánh sáng là sóng: Sóng ánh sáng
truyền trong không gian qua trung gian ête, tồn tại như một thực thể vô
hình trong không khí và không gian nhờ vậy mà sóng ánh sáng có thể
truyền chuyển động không những cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với
nó mà còn cho tất cả những hạt khác tiếp xúc với hạt đó và cản chuyển
động của nó.

Hình 1.1: Ánh sáng là sóng

Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, một nguồn sáng bao gồm
vô số các hạt rung động. Các hạt này truyền rung động của chúng tới các
hạt ête bên cạnh dưới dạng các sóng cầu có tâm tại mỗi một hạt rung này.
Vô số các sóng cầu này được truyền đi, và bán kính tác dụng của chúng
tăng dần theo thời gian. Chúng chồng chập lên nhau và biểu hiện hỗn độn
của chúng ở gần nguồn sáng giảm dần khi các sóng truyền ra xa nguồn
sáng. Càng xa nguồn sáng, sóng càng trở nên trơn và đều đặn hơn.
Tính chất của sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh hơn rất
nhiều so với âm thanh, điều mà mọi người có thể nhận thấy khi trời có
giống, ta nhìn thấy chớp sớm hơn nhiều khi nghe thấy tiếng sấm.
Huygens giải thích sự chênh lệch lớn về vận tốc này là do có độ chênh
lệch lớn về độ cứng giữa không khí và ête. Vận tốc lan truyền của một
sóng tăng theo độ cứng của môi trường trong suốt. Huygens thừa nhận
rằng các hạt ête cứng và rắn đến mức chúng truyền mọi nhiễu động hầu
như tức thời. Chỉ cần một sự rung nhẹ ở đầu bên này của một hạt ête là

16


ngay lập tức nó sẽ được truyền sang đầu bên kia. Ngược lại, các hạt
không khí mềm hơn và truyền các rung động chậm hơn rất nhiều.
*Từ đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:
Hiện tượng phản xạ: Nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra
theo mọi hướng. Khi chạm lên gương, các sóng bị phản xạ theo góc tới,
nhưng với mỗi sóng phản hồi trở lại tạo ra một ảnh đảo ngược.

Hình 1.2: Sự phản xạ của sóng ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh
sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó. Như vậy,
vận tốc của ánh sáng trong không khí lớn hơn vận tốc ánh sáng trong

nước.

n21 =

n2 ν 1
=
n1 ν 2

Hình 1.3: Sự khúc xạ của sóng ánh sáng

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết
suất khác nhau thì chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng). 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 sẽ bắt đầu đi qua môi
trường thứ hai sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ
hai cao hơn, trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi
trường thứ nhất. Do mặt sóng lúc này truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên
nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền.
17


Hiện tượng nhiễu xạ: Thuyết sóng của Huyghens chưa giải
thích được hiện tượng này.
1.2.1.2 Newton: Ánh sáng là hạt

*
Newton
quan niệm ánh
sáng có tính chất hạt. Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt
nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong

môi trường đồng chất.
Ông bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng vì nếu ánh sáng có bản chất
sóng, như âm thanh, thì trong những điều kiện như nhau, chúng ta sẽ phải
nhìn thấy ánh sáng giống như nghe thấy âm thanh.
*Từ cơ sở đó, ông giải thích các hiện tượng như sau:
Nguyên nhân tạo ra màu sắc: Do kích thước của các hạt. Các hạt
nhỏ nhất tạo ra cảm giác màu tím, các hạt lớn hơn gây ra cảm giác về
màu chàm, và cứ tiếp tục như vậy hạt màu đỏ sẽ là lớn nhất. Bởi vì tồn
tại bảy màu cơ bản, nên các hạt phải có bảy loại kích thước khác nhau.
Như vậy sự tổng giác của chúng ta về các màu là biểu thị chủ quan của
một hiện thực khách quan được quy định bởi kích thước của các hạt.

18


Giải thích các định luật phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ, Newton đã đưa
vào các lực hút và đẩy giữa các hạt ánh sáng, những hạt mà nếu để tự do
chúng sẽ truyền theo đường thẳng.
Hiện tượng phản xạ: Do sự phản xạ của các quả cầu đàn hồi trong
chùm sáng khi va chạm và các hạt bị nảy lên từ những điểm khác nhau,
nên trật tự của chúng trong chùm sáng bị đảo ngược lại tạo ra một hình
đảo ngược. Nếu bề mặt quá gồ ghề thì các hạt bị nảy lên ở nhiều góc khác
nhau, kết quả là làm tán xạ ánh sáng.

Hình 1.4: Sự phản xạ của hạt ánh sáng
Hiện tượng khúc xạ: Do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh
sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân
cách giữa hai môi trường. Vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ
bị các phân tử môi trường đó hút và vận tốc sẽ tăng lên dẫn đến vận tốc
ánh sáng trong môi trường nước hay thủy tinh lại lớn hơn vận tốc ánh

sáng trong môi trường khí.

n21 =

n2 ν 1
=
n1 ν 2

Hình 1.5: Sự khúc xạ của hạt ánh sáng.
19


Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: Ông đưa ra giả thuyết cho rằng
trên bề mặt của một vật trong suốt tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một
lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. Vì vậy, các hạt màu
tím, do chúng nhỏ hơn, sẽ bị hút bởi một môi trường đặc hơn không khí
mạnh hơn so với các hạt lớn hơn có màu đỏ, tức các hạt màu tím bị lệch
khỏi đường đi ban đầu của nó nhiều hơn các hạt màu đỏ. Như vậy,
Newton đã giải thích được tại sao các chùm đơn sắc khác nhau lại bị lệch
hướng khác nhau bởi cùng một môi trường, và tại sao một chùm đơn sắc
bị lệch hướng khác nhau trong các môi trường trong suốt khác nhau.
Hiện tượng nhiễu xạ: Ông giải thích là do có một lực đẩy có
tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật.
Tuy thuyết hạt của Newton đã được sự chấp nhận rộng rãi,
nhưng một thí nghiệm đặc biệt, cũng do chính ông thực hiện đã khiến
chúng ta phải suy nghĩ.
Khi Newton đặt một thấu kính phẳng lồi lên trên một tấm thủy
tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) và chiếu sáng tất cả bằng ánh sáng đơn
sắc, ông đã phát hiện ra một hiện tượng quang học mới rất lạ. Nhiều vòng
tròn đồng tâm (ngày nay được gọi là các “vân tròn Newton”) xuất hiện,

đan xen giữa vân đen và vân màu. Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích
các vân đen là vùng ở đó ánh sáng bị thấu kính phản xạ, và các vân màu
là các vùng ở đó ánh sáng được truyền qua. Nhưng làm thế nào có thể
giải thích được một hạt ánh sáng, khi đến bề mặt của thấu kính, lúc thì
phản xạ lúc thì được truyền qua?
Và do đó ông lại đặt ra một giả thuyết mới, ông cho rằng mỗi
hạt ánh sáng có một tính chất gọi là “accès”. Hạt có “accès” truyền qua
thì dễ dàng truyền qua còn hạt có “accès” phản xạ thì dễ phản xạ. Rõ
ràng, giả thuyết này của Newton đưa ra lại làm nảy sinh thêm vấn đề khi
cần phải có thêm một lí thuyết mới nữa để giải thích cái tính chất gọi là
“accès” này. Như vậy thì lí thuyết hạt của Newton có hoàn toàn hợp lí
hay không?

20


1.2.1.3 Leonhard Euler (1707 – 1783)
Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng:
Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt
thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai
quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là
sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. Suốt thế kỷ này, lý
thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh
sáng mà Huygens đề xuất. Do đó thuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà
vật lý trong thời kì này chấp nhận. nhưng vẫn có một quan điểm chống lại
quan điểm ánh sáng là hạt đó là quan điểm của nhà toán học Leonhard
Euler (1707 – 1783)
Ông cho rằng có sự tương tự
hóa giữa ánh sáng và âm thanh
“có một sự hài hòa tương tự giữa

các nguyên nhân và các tính chất
khác của âm thanh và ánh sáng,
và như vậy lý thuyết âm thanh
chắc chắn sẽ làm sáng tỏ rất
nhiều lý thuyết ánh sáng”.
Một trong những điểm tiến
bộ trong quan niệm sóng của
Euler là ông cho rằng: mỗi một
màu của ánh sáng được đặc trưng
bởi một bước sóng nhất định.
Như vậy, Euler là người đầu tiên gắn kết các khái niệm bước sóng
và tần số với màu sắc.
Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi
với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler. Tuy chưa đầy đủ
nhưng luận điểm của Euler đã thể hiện sự tiến bộ so với các tiền bối bởi
ông đã đưa ra một cách giải thích chấp nhận được về nguồn gốc các màu

21


sắc mà trước đó cả Newton lẫn Huygens đều không thể có một cách giải
thích đúng đắn.
Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và
phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. Ở nửa đầu thế kỷ này
đã diễn ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực quang học tương tự như
cuộc cách mạng của Copernic và Galilée trước đó gần ba thế kỷ. Hai
nhân vật có vai trò to lớn cho cuộc cách mạng trong quang học là Thomas
Young và Augustin Fresnel[6].
1.2.2 Thế kỉ XIX
1.2.2.1 Thomas Young (1773 – 1829), người Anh.

Gần 100 năm sau khi
Newton và Huygens đề xuất lí
thuyết của họ, một nhà vật lí người
Anh tên là Thomas Young đã thực
hiện một thí nghiệm củng cố mạnh
mẽ bản chất giống sóng của ánh
sáng.
Vì ông tin rằng ánh sáng là
gồm các sóng, Young giải thích
được một số loại tương tác xảy ra
khi hai sóng ánh sáng gặp nhau.
Để kiểm tra giả thuyết này, ông
dùng một màn chứa một khe hẹp
để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp
(gồm các sóng truyền cùng pha
với nhau) từ nguồn ánh sáng Mặt
Trời. Khi các tia sáng Mặt Trời chạm tới khe, chúng trải rộng ra, hay
nhiễu xạ, tạo ra một mặt sóng.
Nếu như mặt sóng này được cho rọi tới một màn thứ hai có hai khe
đặt rất gần nhau, thì hai nguồn ánh sáng kết hợp nữa, hoàn toàn đồng bộ
với nhau, được tạo ra (hình 1.6). Ánh sáng từ mỗi khe truyền tới một
điểm nằm giữa hai khe phải hoàn toàn đồng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu
xét một điểm nào đó nằm về một phía so với điểm chính giữa, thì ánh
sáng từ một khe sẽ truyền tới điểm đó qua một đoạn đường dài hơn so với
ánh sáng truyền từ khe phía bên kia. Ánh sáng từ khe gần hơn sẽ truyền
tới điểm thứ hai này trước so với ánh sáng từ khe ở xa, nên hai sóng
không còn đồng bộ với nhau, và có thể hủy nhau tạo nên bóng tối.
22

Đúng như ông nghi ngờ, Young phát hiện thấy khi các sóng ánh
sáng từ bộ khe thứ hai bị trải ra (hay nhiễu xạ), chúng gặp nhau và
chồng chập lên nhau. Trong một số trường hợp, sự chồng chập kết hợp
đồng bộ chính xác với nhau. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khác,
các sóng ánh sáng kết hợp hoàn toàn không đồng bộ với nhau hoặc chỉ
đồng bộ một phần. Young nhận thấy khi các sóng gặp nhau đồng bộ,
chúng cộng gộp với nhau bằng một quá trình gọi là giao thoa tăng
cường. Các sóng gặp nhau không đồng bộ sẽ hủy lẫn nhau, hiện tượng
này gọi là giao thoa triệt tiêu. Ở giữa hai thái cực này, những mức độ
khác nhau của giao thoa tăng cường và triệt tiêu xảy ra làm tạo ra sóng
có phổ biên độ rộng. Young cũng có thể quan sát thấy các hiệu ứng giao
thoa trên màn hình đặt ở một khoảng cách nhất định phía sau hai khe.
Sau khi nhiễu xạ, ánh sáng tái kết hợp bằng giao thoa tạo ra dải vân
sáng và tối dọc theo chiều dài của màn hình.

Hình 1.6: Thí nghiệm hai khe Young.

Mặc dù có vẻ quan trọng, nhưng kết luận của Young không được
chấp nhận rộng rãi vào lúc đó, chủ yếu do bởi niềm tin quá mãnh liệt vào
thuyết hạt. Ngoài quan sát sự giao thoa ánh sáng, Young còn cho rằng
ánh sáng có các màu khác nhau gồm các sóng có chiều dài khác nhau,
một khái niệm cơ sở được công nhận rộng rãi hiện nay. Trái lại, thuyết
hạt chủ trương rằng màu sắc ánh sáng khác nhau là do các hạt có khối
lượng khác nhau hoặc truyền đi với vận tốc khác nhau.
Hiệu ứng giao thoa không chỉ giới hạn có ánh sáng. Các sóng tạo ra trên
mặt hồ, hoặc ao, sẽ trải ra theo mọi hướng và chịu sự hành xử tương tự.
Khi hai sóng gặp nhau đồng bộ, chúng sẽ cộng gộp với nhau tạo ra một
sóng hơn bằng giao thoa tăng cường. Các sóng chạm nhau không đồng
bộ sẽ hủy nhau qua giao thoa triệt tiêu và tạo ra bề mặt phẳng trên nước.
Thêm một bằng chứng nữa cho bản chất giống sóng của ánh sáng được

phát hiện khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo
23


nhau được nghiên cứu tỉ mỉ (hình 1.7). Kính phân cực có cấu trúc phân
tử độc nhất vô nhị chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó
truyền qua chúng. Nói cách khác, kính phân cực có thể được xem như
một loại màn che đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một
hướng bên trong chất phân cực. Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính
phân cực, 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 hướng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng
truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính thứ hai.

Hình 1.7: Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc
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 với kính thứ nhất, thì không có
ánh sáng nào đã truyền qua được kính thứ nhất sẽ truyền qua được kính
thứ hai. Kết quả này dễ dàng giải thích được với thuyết sóng, còn việc
vận dụng thuyết hạt không thể giải thích được ánh sáng bị chặn lại như
thế nào bởi kính thứ hai. Thật vậy, thuyết hạt cũng không thể giải thích
thỏa đáng hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, những hiệu ứng mà sau này
người ta xem là thuộc cùng một hiện tượng. Kết quả quan sát với ánh
sáng phân cực đủ để phát triển 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 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.

1.2.2.2 Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp.

24


Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về
giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một
góc gần bằng 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel).

Augustin Fresnel (1788 – 1827)
Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã
giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những
người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. Bởi
nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các
hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm. Để
giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách
mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng
chúng khác nhau về mặt phẳng dao động.
Những công trình của Young và Fresnel đã giúp cho lý thuyết sóng
hồi sinh và trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững bởi uy tín của
Newton. Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau
khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng.
Vào giữa những năm 1800, các nhà khoa học không ngừng bị
thuyết phục trước đặc trưng giống sóng của ánh sáng, nhưng vẫn còn
một chỗ hổng lớn chưa được lấp. Đó là ánh sáng thật ra là gì ? Một đột
phá được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell khi
ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và
truyền qua chân không với cùng một tốc độ: 186000 dặm một giây. Khám
phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào

25