Chương 18: Sự nhiễn xạ ánh sáng

CHƯƠNG 18 : SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

I. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG.
II. NGUYÊN LÍ HUYGENS-FRESNEL
III. PHƯƠNG PHÁP ÐỚI FRESNEL .
1. Cách chia đới .
2. Tính biên độ tổng hợp.
3. Phương pháp giản đồ vectơ.
4. Tính số đới Fresnel.
IV. NHIỄU XẠ CỦA SÓNG CẦU (NHIỄU XẠ FRESNEL)
1. Nhiễu xạ do một lỗ tròn .
2. Nhiễu xạ do một màn tròn không trong suốt .
3. Nhiễu xạ do mép thẳng của màn không trong suốt.
V. NHIỄU XẠ CỦA SÓNG PHẲNG (NHIỄU XẠ FRAUNHOFER)
1. Nhiễu xạ do một khe hẹp .
2. Nhiễu xạ ánh sáng do một lổ tròn .
3. Nhiễu xạ ánh sáng do nhiều khe. Cách tử nhiễu xa.
VI. MÁY QUANG PHỔ CÁCH TỬ.
1. Cấu tạo
2. Các đặc trưng cơ bản của máy quang phổ cách tử .
I. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG.
TOP
1
Trong quang hình học ở môi trường đồng tính, ánh sáng sẽ truyền thẳng. Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng
điều đó không phải bao giờ cũng đúng. Xét hai thí nghiệm sau đây:
Thí nghiệm 1: Dùng kim khâu đâm thủng một lỗ O trên một tấm bìa và rọi vào đó một chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn S
qua thấu kính L (Hình 18.1) Theo định luật truyền thẳng của ánh sáng thì ta chỉ quan sát được ánh sáng trong hình nón OAB do các tia
sáng đi qua mép thấu kính tạo nên. Tuy nhiên nếu ta đặt mắt tại điểm M ở ngoài và ngay cả khá xa hình nón này vẫn nhận được ánh
sáng từ lỗ O.
Thí nghiệm 2 : Ðặt một đoạn dây kim loại mảnh song song với một khe sáng. Sau đoạn dây ta đặt một màn quan sát E
(Hình 18.2) song song với đoạn dây. Theo định luật truyền thẳng thì miền AB bị che khuất bởi sợi dây phải là miền bóng tối hình học

và ngoài miền đó phải được rọi sáng đều. Tuy nhiên tại điểm M nằm trên trục đối xứng của AB ở trong miền bóng tối hình học, ta vẫn
thấy có ánh sáng và ở lân cận các điểm A và B ta lại thấy các vân tối và sáng. Ðiều đó cho thấy rằng, trong trường hợp này ánh sáng
cũng không tuân theo định luật truyền thẳng.
Tuy nhiên nguyên lí Huygens chưa cho biết cường độ sáng trên màn đặt sau vật cản sẽ được phân bố như
thế nào. Ðể giải quyết vấn đề này Fresnel bổ sung nguyên lí giao thoa vào nguyên lí Huygens và lập nên nguyên lí
Huygens-Fresnel. Ðó là nguyên lí cơ bản của quang học sóng.
II. NGUYÊN LÍ HUYGENS-FRESNEL
TOP
Nội dung nguyên lí đó như sau:
2
Như vậy nguyên lí Huyghen-Fresnel cho phép nghiên cứu cường độ của sóng tổng hợp theo các phương
khác nhau trong trường hợp sóng ánh sáng truyền tự do (truyền thẳng) cũng như khi gặp vật cản (nhiễu xạ).
Tuy nhiên việc giải trực tiếp bài toán này khá phức tạp vì rằng biên độ và pha ban đầu của các sóng thứ cấp
phụ thuộc vào sự phân bố các nguồn nguyên tố d( đối với điểm P. Ðể thay cho những tính toán phức tạp, Fresnel
3
đưa ra phương pháp chia mặt ( không phải thành những diện tích d( bé tuỳ ý mà thành những đới với điều kiện đặc
biệt và được gọi là phương pháp đới Fresnel.
III. PHƯƠNG PHÁP ÐỚI FRESNEL.
1 Cách chia đới
TOP
2 Tính biên độ tổng hợp.
TOP
4
5
6
3. Phương pháp giản đồ vectơ
TOP
Việc khảo sát tác dụng của toàn bộ mặt sóng tại điểm P trên đây có thể được tiến hành theo cách vẽ Fresnel.
Ở đây phương pháp này tỏ ra rất tiện lợi vì cần tổng hợp một số vô cùng lớn dao động có một hiệu số pha xác định
nào đó.

7
8
4. Tính số đới Fresnel
TOP
IV. NHIỄU XẠ CỦA SÓNG CẦU (NHIỄU XẠ FRESNEL)
TOP
Dùng phương pháp đới Fresnel có thể giải thích được hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện khi một phần mặt sóng
ánh sáng lan truyền bị vật cản chắn lại.
Bây giờ ta dùng phương pháp đới Fresnel để giải thích hiện tượng nhiễu xạ của sóng cầu do các vật cản có
hình dạng khác nhau. Hiện tượng nhiễu xạ này quan sát được ở gần vật cản và lần đầu tiên được Fresnel nghiên
cứu, nên còn được gọi là nhiễu xạ Fresnel.
1. Nhiễu xạ do một lỗ tròn.
TOP
9
Nếu lỗ nhỏ thì số đới chia được trên lỗ không lớn. Theo công thức (18.12) biên độ dao động tổng hợp tại P
và do đó cường độ sáng I chỉ phụ thuộc vào số đới n chia được trên lỗ là chẵn hay lẻ.
a) Nếu lỗ tròn chứa được một số lẻ đới, ta có:
10
2. Nhiễu xạ do một màn tròn không trong suốt
TOP
Cũng lí luận tương tự như trên, do tính đối xứng xung quanh trục S0P của cách bố trí, cho nên ở ranh giới
giữa bóng tối hình học và miền được rọi sáng xuất hiện những vòng tròn nhiễu xạ đồng tâm sáng và tối xen kẽ
nhau, có tâm luôn luôn là điểm sáng nằm trên trục đối xứng S0P của màn tròn.
11
3 Nhiễu xạ do mép thẳng của màn không trong suốt.
TOP
a) Chia đới.
b) Ðường xoắn ốc Cornu
Bây giờ ta tìm sự phân bố cường độ sáng trên màn E cho trường hợp vẽ ở hình 18.13. Ta dùng phương
pháp tổng hợp biên độ bằng đồ thị. Như đã thấy, khi khảo sát sự nhiễu xạ qua một lỗ tròn, ta đã chia mặt sóng đi

qua lỗ thành những đới Fresnel có diện tích bằng nhau, do đó tổng hợp các biên độ ta được một đường xoắn ốc.
Còn ở đây diện tích của các dải đầu khác nhau rõ rệt, còn diện tích của các dải cuối thì lại gần bằng nhau (hình
18.13). Do đó với cách dựng tương tự như ở mục III ta sẽ được đường cong phức tạp hơn: gần gốc toạ độ đường
cong có độ dốc thoai thoải hơn, sau đó chuyển thành đường xoắn ốc. (Hình 18.14)
12
13