Bài giảng chương 10 ánh sáng trong các môi trường

Chương 10
ÁNH SÁNG
TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

Khi ánh sáng
đi qua môi
trường vật
chất, nó bị ảnh
hưởng theo ba
cách

Phản xạ hoặc là khúc xạ
Cường độ của nó bị giảm
khi đi qua môi trường (bị
hấp thụ, tán xạ ánh sáng
hay phân cực).
Vận tốc truyền trong
môi trường nhỏ hơn c
(hiện tượng tán sắc).


10.1. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
L
Chiếu chùm sáng đơn
sắc song song có cường
độ Io vuông góc vào một
lớp môi trường có độ dày
L. Nếu bỏ qua sự mất
ánh sáng do phản xạ và
tán xạ mà cường độ I

của ánh sáng ra khỏi môi
trường giảm

dx

I

Io
Hình

10.1

Sự hấp thụ ánh
sáng bởi môi
trường.


2. Giải thích theo quan niệm cổ điển
Sự hấp thụ ánh sáng là kết qủa của sự tương tác của
sóng điện từ (ánh sáng) với vật chất.
Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng
có tần số ω , các electron của nguyên tử và phân tử dịch
chuyển đối với hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa
với tần số ω . Electron dao động trở thành nguồn phát
sóng thứ cấp.
Giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp nên trong môi
trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng
tới.
Cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng
thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi

các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng
bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng.


3. Định luật Bouguer về sự hấp thụ
ánh sáng
Chia vật (hình 10.1) thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx
Độ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất
hấp thụ tỉ lệ với độ dày dx và với cường độ của ánh sáng tới:

dI = − α .I.dx
Lấy tích phân biểu thức
(10.1) từ x = 0 đến x = L

I

(10.1)
L

dI
∫I I = ∫0 − α.dx
0

I = I0 exp(−αL)


I = I0 exp(−αL)

Trong đó: α là hệ số,
đặc trưng cho độ

giảm cường độ gọi là
hệ số hấp thụ của
môi trường, không
phụ thuộc vào cường
độ của ánh sáng.

Cường độ ánh sáng truyền qua môi
trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ.


4. Màu sắc của các vật
Một chất có hệ số hấp thụ
nhỏ với mọi bức xạ khả kiến
Vật hấp thụ hoàn toàn mọi
ánh sáng thấy được
Màu sắc của các dung dịch
màu và các kính lọc màu
được giải thích bằng sự hấp
thụ có chọn lựa.

Vật sẽ không có màu sắc

Vật có màu đen

Ví dụ kính lọc màu đỏ
thì ít hấp thụ ánh sáng
đỏ và màu da cam


10.2. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG

Trong thực tế không có môi
trường nào hoàn toàn đồng chất,
mà có độ chênh lệch của mật độ,
nhiệt độ
Ánh sáng không những truyền
thẳng mà còn theo các phương khác,
tức là bị tán xạ.


1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt
nhỏ (TYNDALL):
a) Thí nghiệm
Cho một chùm tia sáng song
song đi qua một ống thủy
tinh đựng nước tinh khiết
(hình 10.2)
OB vuông góc với tia
sáng sẽ không nhìn thấy
chùm tia sáng trong
ống.

S

O

B

Hình 10.2
Bây giờ nhỏ vài giọt sữa
vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống

theo phương OB ta sẽ nhìn thấy
ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng
trong ống bây giờ là một môi
trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi
qua nó.

A


Quy luật :
Chùm tia tới là ánh sáng trắng, ánh sáng tán xạ theo
phương tạo với chùm tia tới một góc α càng lớn sẽ ngã
về màu xanh lam -> Ánh sáng bước sóng ngắn sẽ bị tán
xạ mạnh nhất.
Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng
tán xạ làm với phương của chùm tia tới một góc 0 < ϕ <
900 , bị phân cực một phần và theo phương vuông góc: ϕ =
900, bị phân cực thẳng hoàn toàn.
Sự phân bổ cường độ của ánh sáng tán xạ theo góc
tán xạ ϕ được xác định theo công thức:

Iϕ = Iπ/2 (1 + cos2 ϕ) (10.3)


Đường cong
(hình 10.3) biểu
diễn công thức
(10.3) được gọi là
giản đồ chỉ thị tán
xạ. Nó có tính đối

xứng đối với
phương của tia
tới và phương
vuông góc với nó

A

O
)

B

Hình 10.3

α

Phương tia tới

Phương quan sát


b) Lý thuyết tán xạ của Rayleigh
Biểu thức cho cường độ của ánh sáng tán xạ:
9π ε N v  ε − ε 0

Iϕ = I 0
r λ
ε + ε0
2

2
2
0
2 4

2

2


 (1 + cos 2 ϕ )


V: thể tích của một hạt,
N: số hạt có trong 1.0 cm3
r: khoảng cách từ hạt tán xạ đến điểm
quan sát
ϕ: góc tán xạ.


Hiện tượng tán xạ Tyndall luôn luôn xảy ra
trong dung dịch có các hạt lơ lửng, đặc biệt là
dung dịch keo trong bầu khí quyển, trong nhiều
đồ uống v.v...
Nghiên cứu màu
sắc của ánh sáng tán xạ
có thể đoán nhận được
kích thước của các hạt
có mặt trong dung dịch
nghiên cứu.

Đo cường độ
của ánh sáng tán xạ
có thể xác định một
cách định lượng
những chất lơ lửng
trong dung dịch, độ
trong suốt của khí
quyển v.v...


2. Sự tán xạ phân tử
Hiện tượng tán xạ còn quan sát được
cả trong các môi trường tinh khiết
Hiện tượng tán xạ xảy ra do chuyển
động nhiệt của các phân tử cấu tạo
nên môi trường
Tán xạ phân tử


Nguyên nhân là sự thăng giáng mật độ phân tử
trong môi trường. Do chuyển động nhiệt của các phân
tử nên chúng phân bổ không đều trong môi trường.
Sự thăng giáng mật độ phân tử kéo theo sự
thăng giáng khối lượng riêng
Làm cho chiết suất của môi
trường chịu sự thăng giáng
Gây nên hiện tượng tán xạ phân tử

Tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật
Rayleigh:

1
I∝ 4
λ
Cường độ của ánh sáng tán xạ phân
tử tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của
bước sóng.


10.3. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng:
Năm 1672, Newton đã
nghiên cứu thực nghiệm
thấy rằng một chùm ánh
sáng trắng đi qua lăng
kính thủy tinh bị phân
tích thành một dải nhiều
màu trên màn quan sát
đặt sau lăng kính. Các
màu xếp theo thứ tự:
đỏ, cam, vàng, lục, lam,
chàm, tím.


2. Độ tán sắc và đường cong tán sắc
Nếu n1, n2 là chiết suất ứng với hai bước
sóng là λ1và λ2 thì độ tán sắc trung bình
đối với miền phổ λ1 và λ2 :

n 2 − n1
D=
λ 2 − λ1

dn
D=
dλ


Hình 10.4 biểu
diễn đường
cong tán sắc
của một số chất
trong vùng
bước sóng ánh
sáng.

n
1.7

Thuỷ tinh
1.6

Thạch anh

1.5

Fluarit

1.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Hình 10.4

λ(10−6m)


3. Tán sắc thường và tán sắc dị thường

Đối với những chất ít hấp thụ ánh sáng thì
sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng
gần như tuân theo công thức Cauchy:
b
c
n = a + 2 + 4 + ... + ...
λ λ

b
n≅a+ 2
λ

Độ tán sắc của chất ở miền tán sắc
thường là một đại lượng âm:
dn
2b
D=
=− 3
dλ
λ

Đối với các chất có sự hấp thụ ánh sáng đáng kể,
thì ở vùng phổ hấp thụ ta thấy:
Chiết suất tăng khi bước sóng tăng và biến thiên
theo bước sóng nhanh hơn theo công thức
Cauchy.

Hiện tượng tán sắc dị thường.


4. Ứng dụng hiện tượng tán sắc
Hiện tượng tán sắc ánh sáng
được ứng dụng trong các máy
quang phổ lăng kính để phân tích
thành phần quang phổ của nguồn
sáng.


10.4. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực

Ánh sáng
tự nhiên

Quang trục OO1
của tinh thể

O1
Ánh sáng
phân cực thẳng


E

O

Phương truyền
của ánh sáng
Hình 10.5: Ánh sáng tự nhiên

Bản tourmaline T

Hình 10.6: Ánh sáng phân cực
thẳng


Nguồn sáng thông thường là kết quả
bức xạ của tập hợp vô số các nguyên tử
chứa trong nguồn sáng đó.
Ánh sáng bức xạ của từng nguyên tử

tương đương với ánh sáng của bức xạ
lưỡng cực.
Ánh sáng do lưỡng cực bức xạ là một
sóng ngang mà phương dao động vuông
góc với phương truyền.

Ánh sáng phân cực.


Sự chuyển động hỗn loạn của các
nguyên tử, nên phương dao động của
ánh sáng bức xạ từ các nguồn sáng
thông thường hướng theo mọi phương
xung quanh phương truyền.
Ánh sáng tự nhiên


Cho ánh sáng đi
qua một tinh thể
tourmaline, tinh
thể này có tính
chất chỉ cho qua
ánh sáng có
phương dao động
nhất định song
song với quang
trục của tinh thể.

Hình 10.7: Ánh sáng tự nhiên đi
qua hai bản tourmaline

Kết quả là ta có ánh sáng mà phương
dao động hoàn toàn xác định

Ánh sáng phân cực hoàn toàn hay gọi là
phân cực thẳng