Nghiên cứu tổng hợp một số thí nghiệm vật lý đại cương chứng minh bản chất sóng của ánh sáng

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Phan Toàn,
giảng viên khoa Toán- Lý- Tin trƣờng Đại học Tây Bắc đã tận tình hƣớng dẫn
chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề
tài. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới phòng Quản lý khoa học và quan hệ
quốc tế, phòng đào tạo, trung tâm thông tin thƣ viện đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong quá trình hoàn thiện khóa luận.
Đồng thời tôi xin cảm ơn những ngƣời thân, gia đình, bạn bè, các bạn sinh
viên lớp K52 ĐHSP Vật lý đã động viên đóng góp ý kiến và đã tạo mọi điều
kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi làm khóa luận này.
Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và
các bạn để khóa luận hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Sơn La, tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Thúy


MỤC LỤC
CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU ......................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 4
3. Đối tƣợng nghiên cứu và khách thể nghiên cứu ............................................... 5
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu..................................................................................... 5
3.2. Khách thể nghiên cứu ..................................................................................... 5
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 5
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................................ 5
4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ............................................................................. 5
4.3. Phƣơng pháp thống kê toán học ..................................................................... 5
4.4. Phƣơng pháp hệ thống hóa lý thuyết .............................................................. 5
5. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 5

6. Giả thuyết khoa học........................................................................................... 6
7. Đóng góp của đề tài ........................................................................................... 6
8. Cấu trúc khóa luận............................................................................................. 6
CHƢƠNG II: MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ BẢN CHẤT SÓNG CỦA ÁNH
SÁNG .................................................................................................................... 7
I. SƠ LƢỢC NHỮNG GIẢ THUYẾT VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG ................ 7
1. Sơ lƣợc những giả thuyết về bản chất ánh sáng ................................................ 7
1.1. Thuyết hạt Niutơn .......................................................................................... 7
1.2. Thuyết sóng Huyghen .................................................................................... 8
1.3. Thuyết điện từ ánh sáng ............................................................................... 10
1.4. Thuyết lƣợng tử Plăng và thuyết lƣợng tử ánh sáng .................................... 12
2. Thang sóng điện từ. Bức xạ quang học ........................................................... 13
2.1. Thang sóng điện từ. ...................................................................................... 13
2.2. Bức xạ quang học. ........................................................................................ 16
II. HIỆN TƢỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG................................................... 17
1. Sóng ánh sáng. Nguyên lý chồng sóng ........................................................... 17


1.1. Phƣơng trình sóng của sóng ánh sáng .......................................................... 17
1.2. Cƣờng độ sáng tại một điểm trong không gian ............................................ 18
1.3. Sự biến đổi pha giữa sóng ánh sáng tới, sóng phản xạ và sóng truyền qua mặt
phân giới phẳng giữa hai môi trƣờng trong suốt, đồng tính và đẳng hƣớng............. 18
1.4. Nguyên lí chồng sóng................................................................................... 20
2. Điều kiện giao thoa ......................................................................................... 20
2.1. Khái niệm về hiện tƣợng giao thoa ánh sáng ............................................... 20
2.2. Tổng hợp hai dao động sáng. ....................................................................... 21
2.3. Dao động kết hợp và không kết hợp. ........................................................... 22
2.4. Giao thoa của hai sóng ánh sáng. ................................................................. 23
2.5. Điều kiện cực đại và cực tiểu về cƣờng độ sáng. ......................................... 24
3. Sự giao thoa của hai chùm tia. Thí nghiệm Yâng ........................................... 26

3.1. Thí nghiệm Yâng .......................................................................................... 26
3.2. Hình dạng vân giao thoa. ............................................................................. 26
3.3. Vị trí của vân giao thoa. Khoảng vân........................................................... 27
3.4. Trƣờng hợp dùng ánh sáng trắng ................................................................. 29
III. HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG .................................................... 30
1. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng ......................................................................... 30
1.1. Hiện tƣợng nhiễu xạ của sóng âm ................................................................ 30
1.2. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng ...................................................................... 30
2. Nguyên lý Huyghen – Fresnen ........................................................................ 31
2.1. Thiếu sót của nguyên lí Huyghen ................................................................ 31
2.2. Nguyên lí Huyghen – Fresnen...................................................................... 31
3. Nhiễu xạ cảu một sóng cầu qua một lỗ tròn. ................................................... 32
3.1. Bài toán nhiễu xạ. ......................................................................................... 32
3.2. Đới Fresnen – Tính chất của đới Fresnen .................................................... 33
3.3. Trƣờng hợp ánh sáng truyền thẳng .............................................................. 37
3.4. Hình ảnh nhiễu xạ ........................................................................................ 38
3.5. Nhiễu xạ do một màn tròn không trong suốt ............................................... 38
4. Nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe(Nhiễu xạ Fraunhophe) ...................... 39


4.1. Bài toán nhiễu xạ: ......................................................................................... 39
4.2. Nhiễu xạ qua một khe hẹp ............................................................................ 40
4.3. Nhiễu xạ Fraunhophe qua một lỗ tròn ......................................................... 45
IV. HIỆN TƢƠNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG ................................................... 46
1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực ........................................................ 46
1.1. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực ..................................................... 46
1.2. Định luật Malus ............................................................................................ 50
V. HIỆN TƢỢNG TÁN SẮC ÁNH SÁNG ....................................................... 52
1. Sự tán sắc ánh sáng ......................................................................................... 52
1.1 Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng.......................................................................... 52

1.2 Phƣơng trình tán sắc ...................................................................................... 52
2. Thuyết electron về sự tán sắc ánh sáng ........................................................... 52
3. Phƣơng pháp quan sát hiện tƣợng tán sắc ánh sáng ........................................ 56
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM CHỨNG
MINH BẢN CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG .................................................. 59
A. THÍ NGHIỆM 1: KHẢO SÁT HIỆN TƢỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG
LAZE QUA KHE YÂNG ................................................................................... 59
B. THÍ NGHIỆM 2: KHẢO SÁT SỰ NHIỄU XẠ TIA LAZE QUA CÁCH TỬ
PHẲNG. XÁC BƢỚC SÓNG CỦA LAZE.67C. THÍ NGHIỆM 3: KHẢO SÁT
HIỆN TƢỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG NGHIỆM ĐỊNH LUẬT MALUS . 77
D.THÍ NGHIỆM 4: VÂN TRÒN NEWTON ..................................................... 85
E. THÍ NGHIỆM 5:GIAO THOA KẾ MICHELSON........................................ 94
F.KẾT LUẬN ...................................................................................................... 99


CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lý học là ngành khoa học thực sự thú vị và hữu ích, với những thành
tựu của mình, vật lý giúp cho con ngƣời cải tạo thế giới tự nhiên và phục vụ con
ngƣời. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, vật lý đã có nhiều bƣớc tiến
nhảy vọt khẳng định vai trò của một ngành khoa học quan trọng giúp con ngƣời
cải tạo hoàn thiện đối với tự nhiên.
Ánh sáng là yếu tố căn bản cần thiết cho đời sống con ngƣời cũng nhƣ
cho mọi sinh vật trên trái đất. Hằng ngày ai trong chúng ta cũng tiếp xúc với ánh
sáng; tuy nhiên nếu đƣợc hỏi rằng ánh sáng là gì, ít ai trong chúng ta có thể có
ngay một định nghĩa hay một câu trả lời rõ ràng.
Ánh sáng là gì? Ánh sáng đƣợc cấu tạo nhƣ thế nào? Bản chất của ánh
sáng là gì? Đây là những câu hỏi rất quan trọng khiến các khoa học gia trên thế
giới đã nghiên cứu suốt vài trăm năm để tìm câu trả lời cho những câu hỏi này.
Môn vật lý đã dành riêng một ngành để nghiên cứu về ánh sáng gọi là quang

học. Các triết gia cũng đã có những cuộc tranh luận bất tận để tìm định nghĩa về
ánh sáng.
Từ xa xƣa, ngƣời Hy Lạp cho rằng ánh sáng đƣợc cấu tạo từ những hạt
nhỏ, những hạt này phát sáng và mang ánh sáng từ nơi này sang nơi khác. Bác
học Isaac Newton là ngƣời đầu tiên công bố công trình nghiên cứu khoa học về
bản chất của ánh sáng. Năm 1666, Newton dùng một lăng kính tam giác để chiết
xuất ánh sáng và chứng minh rằng ánh sáng mà chúng ta thƣờng thấy đƣợc tổng
hợp từ nhiều màu khác nhau. Bác học Newton đã tìm ra quang phổ. Theo
Newton, mỗi quang phổ đƣợc tạo thành nhờ những hạt giao động với những
bƣớc sóng khác nhau, do đó tạo nên nhiều màu khác nhau. Newton dùng lý
thuyết hạt của ánh sáng để giải thích hiện tƣợng phản xạ và khúc xạ. Quan điểm
về ánh sáng đƣợc cấu tạo từ những hạt vốn đƣợc tin tƣởng từ xƣa nay đƣợc
Newton chứng minh nên đƣợc nhiều khoa học gia ủng hộ.

1


Năm 1690, nhà vật lý và thiên văn Hà Lan Christian Huygens công bố
một lý thuyết mới cho rằng ánh sáng có bản chất sóng. Christian Huygens là một
khoa học gia rất nổi tiếng về quang học và cơ học. Ông là một trong những
thành viên đã sáng lập ra Viện Hàn Lâm Khoa Học Pháp. Vào thời đó, Christian
Huygens đƣợc xem là khoa học gia uy tín nhất chỉ sau Newton. Lý thuyết về ánh
sáng có bản chất sóng giúp giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng khác liên quan đến
ánh sáng. Christian Huygens cho rằng giống nhƣ âm thanh lan truyền qua môi
trƣờng là không khí; ánh sáng có thể truyền từ nơi này qua nơi khác qua một
môi trƣờng mà Huygens gọi là chất aether. Lý thuyết này giúp giải thích đƣợc
một câu hỏi rất hóc búa mà các nhà vật lý và thiên văn thời đó vẫn chƣa có câu
trả lời là làm thế nào ánh sáng có thể truyền qua những khoảng cách gần nhƣ là
chân không giữa những giải thiên hà với vận tốc rất nhanh 300.000 cây số mỗi
giây. Trong những khoảng không đó, không có nhiều hạt làm sao ánh sáng có

thể truyền đƣợc. Dùng bản chất sóng của ánh sáng, Huygens cũng giải thích
đƣợc hiện tƣợng khúc xạ, phản xạ và đặc biệt là hiện tƣợng khúc xạ đôi mà
Newton không đề cập đến.
Lý thuyết của Huygens rất quan trọng, tuy nhiên không đƣợc các khoa
học gia thời ấy quan tâm mấy. Lý do khá đơn giản, vào thời ấy, Newton rất nổi
tiếng và sống khá lâu. Trong khi đó, chỉ 5 năm sau khi công bố lý thuyết sóng
của ánh sáng, Huygens qua đời. Trong khi đó, năm 1704 Newton lại phối hợp lý
thuyết về bản chất hạt của ánh sáng với những định lý cơ học mà ông đã chứng
minh để giải thích những hiện tƣợng quang học khác một cách chính xác. Do đó,
lý thuyết về bản chất hạt của ánh sáng càng đƣợc nhiều ngƣời ủng hộ.
Gần 100 năm trôi qua, đến năm 1803, khoa học gia Thomas Young làm
sống lại chủ trƣơng ủng hộ bản chất sóng của ánh sáng. Thomas Young làm thí
nghiệm về hiện tƣợng giao thoa. Ông dùng hai tia sáng khác nhau phối hợp lại
và chứng minh rằng giống nhƣ hai sóng nƣớc gặp nhau, tia sáng tổng hợp sẽ có
hƣớng chuyển động và vận tốc giống nhƣ lý thuyết sóng phải có. Hơn 10 năm
sau, vào năm 1814, Augustin Fresnel dùng bản chất sóng của ánh sáng giải thích
hiện tƣợng nhiễu xạ. Hiện tƣợng nhiễu xạ là hiện tƣợng ánh sáng bị lệch hoặc
2


nhòa đi khi chiếu qua một lỗ hở quá nhỏ hoặc tiếp xúc với những góc cạnh của
vật thể. Thí nghiệm giao thoa của Thomas Young và thí nghiệm nhiễu xạ của
Augustin Fresnel chứng minh ánh sáng có bản chất sóng. Năm 1864, lý thuyết
sóng về bản chất của ánh sáng lại đƣợc ủng hộ mạnh mẽ hơn bởi thuyết sóng
điện từ của Jame Clerk Maxwell (1864). Jame Maxwell chứng minh rằng điện
trƣờng và từ trƣờng phối hợp với nhau có thể lan truyền nhƣ sóng với vận tốc
bằng vận tốc ánh sáng (300.000 Km/giây). Ánh sáng mà chúng ta thấy đƣợc
đƣợc cấu tạo từ sóng điện từ và tạo nên quang phổ từ trƣờng. Lý thuyết của
Maxwell đƣợc trình bày chặt chẽ với những phƣơng trình toán học giải thích về
bản chất sóng và đƣợc khẳng định bởi thí nghiệm của Henry Hezt vào năm

1866. Lý thuyết sóng điện từ của Maxwell đã đặt nền tảng cho kỹ nghệ truyền
thanh, truyền hình và viễn thông ngày nay. Mặc dù đã đƣợc nghiên cứu và giải
thích trong suốt hơn 200 năm, các khoa học gia trên thế giới vẫn bâng khuâng
không biết rõ bản chất của ánh sáng là gì. Ánh sáng có bản chất sóng hay hạt?
Newton và Huygens đều là những khoa học gia vĩ đại, lý thuyết họ nêu ra không
có gì sai lầm. Những ngƣời ủng hộ Newton và Huygens đã thực hiện nhiều thí
nghiệm để chứng minh lý thuyết hạt và sóng nhƣng công chúng vẫn không biết
đâu là chân lý.
Đến cuối thế kỷ 19, những ngƣời ủng hộ quan điểm của Huygens đã thực
hiện một số thí nghiệm chứng minh bản chất sóng của ánh sáng, nhƣng vẫn còn
hai vấn đề chƣa đƣợc giải thích. Trƣớc hết, môi trƣờng aether mà Huygens cho
là môi trƣờng để ánh sáng đƣợc lan truyền đó là gì? Thứ hai, nếu ánh sáng có
bản chất sóng, làm thế nào để giải thích về ảnh hƣởng của ánh sáng trên phim
ảnh? Những ngƣời ủng hộ quan điểm của Huygens cố công giải thích hai vấn đề
này. Albert Abraham Michelson (1881) rồi Edward Williams Morley (1887) lần
lƣợt thực hiện những thí nghiệm nhằm chứng minh sự tồn tại của
chất aether nhƣng cả hai thí nghiệm nổi tiếng này đều thất bại.
Đầu thế kỷ thứ 20, Max Planck quay trở về quan điểm bản chất hạt của ánh
sáng. Max Planck dùng bản chất hạt của ánh sáng để giải thích hiện tƣợng bức
xạ, là hiện tƣợng làm năng lƣợng tách ra khỏi vật thể bị đun nóng.
3


Đến năm 1905, một quan điểm mới về bản chất của ánh sáng đƣợc công
bố. Nhà bác học thiên tài Albert Einstein công bố thuyết tƣơng đối. Einstein
chứng minh rằng không cần aether, sóng điện tử vẫn có thể lan truyền đƣợc; do
đó ánh sáng có thể lan truyền mà không cần một môi trƣờng nhƣ Huygens đã
nói.Vấn đề hóc búa thứ hai cũng đƣợc Einstein giải thích bằng một lý thuyết
khác đó là thuyết lƣợng tử vào cùng năm ấy. Dựa trên lý thuyết về bức xạ nhiệt
của Max Planck (1900), Einstein cho rằng không phải chỉ có nguồn bức xạ dao

động nhƣng chính bức xạ cũng dao động nữa. Einstein chứng minh rằng ánh
sáng, cũng nhƣ những dạng khác của sóng điện từ, chuyển động từng nhóm
bằng những hạt mà Einstein gọi là lƣợng tử. Từ những luận cứ trên, Einstein cho
rằng ánh sáng có cấu trúc hạt mang năng lƣợng nhƣng khi chuyển động thì ánh
sáng mang bản chất sóng. Vài năm sau, lý thuyết về quang phổ và mô hình
nguyên tử do Neils Bohr (1913) định nghĩa đã chứng minh quan điểm của
Einstein hoàn toàn đúng.
Cuối cùng đến năm 1924, bác học Lousde Broglie giải thích rằng ánh
sáng có cả bản chất hạt và bản chất sóng. Ngày nay, các khoa học gia nhìn nhận
ánh sáng có cả hai bản chất hạt và sóng. Đôi khi ánh sáng cƣ xử nhƣ những hạt,
nhƣng có lúc ánh sáng hoạt động nhƣ sóng. Với cách nhìn mới về bản chất của
ánh sáng, các khoa học gia có thể giải thích mọi hiện tƣợng căn bản liên quan
đến ánh sáng trên thế giới ngày nay.
Bằng việc nghiên cứu về bản chất sóng của ánh sáng con ngƣời đã có rất
nhiều ứng dụng ánh sáng vào trong đời sống. kĩ thuật, y tế…. giúp cho xã hội
ngày càng phát triển.
Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp một số
thí nghiệm vật lý đại cƣơng chứng minh bản chất sóng của ánh sáng”
2. Mục đích nghiên cứu
+ Đối với bản thân
- Tập dƣợt làm công tác nghiên cứu khoa học
- Làm khóa luận tốt nghiệp
4


+ Đối với tập thể sinh viên: làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sƣ phạm
vật lý cũng nhƣ một số ngành kĩ thuật khác.
3. Đối tƣợng nghiên cứu và khách thể nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Một số thí nghiệm vật lý đại cƣơng chứng minh bản chất sóng của ánh sáng.

3.2. Khách thể nghiên cứu
Các hiện tƣợng liên quan đến bản chất sóng của ánh sáng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Thu thập thông tin tài liệu có liên quan đến khóa luận
+ Nghiên cứu tài liệu đã thu thập đƣợc.
- Đọc các tài liệu có liên quan
-Nghiên cứu về vấn đề sử dụng thí nghiệm vật lý đại cƣơng
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến việc hƣớng dẫn sử dụng các
thiết bị thí nghiệm và cách tiến hành thí nghiệm.
- Sắp xếp hệ thống những thông tin đã nghiên cứu có liên quan đến khóa
luận lựa chọn.
4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm
Tiến hành làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm vật lý đại cƣơng trƣờng ĐHTB.
4.3. Phƣơng pháp thống kê toán học
4.4. Phƣơng pháp hệ thống hóa lý thuyết
Sắp xếp và hệ thống hóa nội dung đã nghiên cứu sau đó tổng hợp lại các
vấn đề đó để hoàn thành khóa luận
5. Phạm vi nghiên cứu
- Các cơ sở lý thuyết về bản chất sóng của ánh sáng.
- Các bài thí nghiệm vật lý đại cƣơng liên quan tới việc chứng minh bản
chất sóng của ánh sáng.
- Các thiết bị thí nghiệm vật lý đại cƣơng tại phòng thí nghiệm vật lý
trƣờng Đại học Tây Bắc.

5


6. Giả thuyết khoa học
Việc nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về bản chất sóng của ánh sáng và tiến

hành các thí nghiệm đại cƣơng chứng minh bản chất song của ánh sáng sẽ góp
phần nâng cao trình độ chuyên môn, nghiệp vụ cho sinh viên sƣ phạm vật lý và
tạo tiền đề sau này ra dạy học vật lý ở trƣờng THPT tốt hơn.
7. Đóng góp của đề tài
Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên vật lý, các sinh viên của các ngành
khoa học khác, giúp sinh viên hiểu rõ bản chất của ánh sáng.
8. Cấu trúc khóa luận
CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU
CHƢƠNG II: MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ BẢN CHẤT SÓNG CỦA
ÁNH SÁNG.
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM
VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG CHỨNG MINH BẢN CHẤT SÓNG CỦA ÁNH
SÁNG.

6


CHƢƠNG II: MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ BẢN CHẤT SÓNG
CỦA ÁNH SÁNG
I. SƠ LƢỢC NHỮNG GIẢ THUYẾT VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG
Việc tìm hiểu về bản chất ánh sáng đã có từ cổ xƣa trƣớc công nguyên,
nhƣng những nghiên cứu có tính chất khoa học chỉ xuất hiện từ cuối thế kỷ 17.
Sự phát minh lớn nhất trong quang học vào cuối thế kỷ này là sự ra đời đồng
thời của hai thuyết về bản chất ánh sáng: thuyết hạt Niutơn và thuyết sóng
Huyghen.
1. Sơ lƣợc những giả thuyết về bản chất ánh sáng
1.1. Thuyết hạt Niutơn
Niutơn cho rằng, ánh sáng là dòng các hạt riêng rẽ, đặc biệt bé, phát ra
từ các vật sáng, bay theo đường thẳng.
Màu của ánh sáng được xác định bởi kích thước

của hạt: hạt màu đỏ có kích thước lớn hơn hạt màu tím.
Thuyết hạt Niutơn giải thích định luật khúc xạ

N

v1x
v1z

nhƣ sau: Giả sử ánh sáng truyền từ môi trƣờng 1 sang
môi trƣờng 2, môi trƣờng 2 có chiết suất lớn hơn chiết

v1

i1
v2x
I
v2z

i2

v2

suất môi trƣờng 1 (n2 > n1). Hạt ánh sáng đi vào môi
trƣờng 2 bị hút về mặt phân giới theo phƣơng pháp

Hình 1.1

tuyến IN. Theo Niutơn thì: v1x = v2x = const và v1z <
v2z . Gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi trƣờng 1 và 2 tƣơng ứng, i 1 là
góc tới còn i2 là góc khúc xạ, ta có:

v1x = v1 sini1 và v2x = v2 sini2
sin i1 v 2

sin i 2
v1

Vậy:
Theo định luật khúc xạ ánh sáng:

sin i1
n
 n 21  2
sin i 2
n1

(1.1)

trong đó n21 là chiết suất tỷ đối của môi trƣờng 2 đối với môi trƣờng 1 còn n1 và
n2 là chiết suất tuyệt đối của chúng tƣơng ứng. Cuối cùng ta có:
7


sin i1 v 2 n 2


sin i 2
v1
n1

(1.2)

Nhƣ vậy từ thuyết hạt Niutơn ta rút ra: nếu n2 > n1 thì v2 > v1.
Kết quả này, lúc bấy giờ chƣa có cơ sở để kiểm tra. Mãi đến khi Fucô đo
đƣợc vận tốc ánh sáng trong các môi trƣờng khác nhau, mới thấy rằng kết quả
đó không phù hợp với thực nghiệm.
1.2. Thuyết sóng Huyghen
Theo Huyghen, thì ánh sáng được xem như là các xung đàn hồi truyền
trong một môi trường đặc biệt gọi là "ête". Ête thấm vào mọi vật và chiếm đầy
khoảng không gian giữa các vật. Vận tốc của ánh sáng rất lớn là do tính chất
đặc biệt của ête.
Huyghen đƣa ra thuyết sóng nhƣng không hề nói tới tính chất tuần hoàn
của dao động hay bƣớc sóng.
Trên cơ sở của thuyết sóng, Huyghen đƣa ra nguyên lí gọi là nguyên lí
Huyghen.
Theo nguyên lí này, mỗi điểm của môi trường có sóng đạt đến sẽ trở
thành một tâm phát sóng thứ cấp. Mặt bao của tất cả các sóng thứ cấp tại một
thời điểm bất kỳ xác định mặt đầu sóng lan truyền ở thời điểm đó.
* Ứng dụng của nguyên lí Huyghen:
+ Xác định mặt đầu sóng tại thời điểm bất kỳ, nếu biết mặt đầu sóng ở
thời điểm trƣớc đó và vận tốc truyền sóng. Nếu môi trƣờng là đồng tính và đẳng
hƣớng (sóng truyền với cùng một vận tốc v theo mọi phƣơng), ta có: r  vt , với
r là bán kính của sóng cầu thứ cấp. Khi đã biết vị trí của mặt đầu sóng ta có thể
xác định được phương của các tia sáng. Trong môi trường đẳng hướng đó là
phương vuông góc với mặt đầu sóng.
+ Giải thích đƣợc các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng, giải thích
định tính hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng.
Thí dụ: Chứng minh định luật khúc xạ ánh sáng bằng nguyên lý Huyghen.
Chiếu một chùm tia sáng song song tới đập vào một mặt phân giới phẳng
ngăn cách hai môi trƣờng 1 và 2 (hình 1.2).
8

Ta hãy xét một mặt sóng AB nào
đó. Theo nguyên lý Huyghen khi mặt

v1
S

sóng lan đến điểm A trên mặt phân giới,
điểm A sẽ trở thành tâm phát sóng. Có
hai sóng thứ cấp phát ra từ A cùng một

B
i1
i1
A
i2

lúc: sóng phản xạ phát ra trở lại môi

D

trƣờng 1 mà ta sẽ không chú ý đến,

v2

song khúc xạ phát ra vào môi trƣờng 2.
Sóng này truyền trong môi trƣờng 2 với

C

i2

Hình 1.2

vận tốc v2.
Trong khi đó thì điểm B trên mặt sóng AB vẫn phát sóng trong môi
trƣờng 1, sóng này lan truyền với vận tốc v1.
Sau khoảng thời gian t , sóng từ B sẽ lan truyền tới điểm C: BC  v1t
Lúc đó sóng khúc xạ phát ra từ A đã có dạng một mặt cầu tâm A, bán
kính AD  v2 t .
Mặt sóng khúc xạ lúc đó là bao hình của các mặt cầu tâm nằm trên mặt
phân giới và bán kính nhỏ dần từ A đến C. Dễ dàng thấy là mặt bao hình đó đi
qua C và tiếp xúc với mặt cầu tâm A.
Mặt sóng lúc đó là mặt phẳng CD. D là tiếp điểm của mặt phẳng với mặt
cầu tâm A. AD là tia khúc xạ ứng với tia tới SA (hình 1.2)
Theo hình 1.12 ta có:
sin i1  sin BAC 

BC v1t

AC AC

sin i 2  sin ACD 

Do đó:

AD v2 t

AC
AC

sin i1 v1t v1


sin i 2 v 2 t v 2

sin i1 v1

 const
sin i 2 v 2

(1.3)

9


So sánh các công thức (1.2) và (1.3) ta đƣợc:
sin i1
v
 n 21  1
sin i 2
v2

(1.4)

Ta thu đƣợc kết quả quan trọng: chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với
môi trường 1 bằng tỉ số vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 trên vận tốc ánh
sáng trong môi trường 2.
Nếu môi trƣờng 1 là chân không (v1 = c) thì n 21  n 2  n là chiết suất tuyệt
đối của môi trƣờng 2. Ta có:

n

c
v

(1.5)

Chiết suất tuyệt đối của một môi trường trong suốt bằng thương số giữa
vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường đó.
c
n

Cách phát biểu khác: v  , chiết suất tuyệt đối của một môi trường cho
biết vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường đã giảm đi bao nhiêu lần so với
vận tốc ánh sáng trong chân không.
Từ (1.1) và (1.4), ta đƣợc:

n 2 v1

n1 v 2

(1.6)

* Chiết suất tuyệt đối của một môi trường tỉ lệ nghịch với vận tốc truyền
sóng trong môi trường đó (đây chính là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng khúc xạ
ánh sáng).
Kết luận này đã đƣợc thực nghiệm xác nhận là đúng.
1.3. Thuyết điện từ ánh sáng
Một bƣớc tiến quan trọng trong sự phát triển các thuyết về ánh sáng xuất
hiện vào cuối thế kỷ 19. Thuyết sóng chƣa thể đƣợc coi là cơ sở khoa học vững

chắc chừng nào chƣa hiểu rõ bản chất của các dao động sáng. Vào những năm
60, Măcxoen đã thiết lập nên các định luật tổng quát của trƣờng điện từ và từ đó
dẫn đến kết luận rằng, ánh sáng là sóng điện từ. Điều khẳng định này đã đƣợc
nhiều công trình nghiên cứu làm sáng tỏ: sự quay mặt phẳng phân cực trong từ
trƣờng của Farađây (1846); sự trùng nhau giữa vận tốc ánh sáng trong chân
không c với hằng số điện động lực đƣợc thiết lập trong thí nghiệm của Vêbe và
10


Cônrausơ (1856); sự truyền điện từ trƣờng biến thiên trong chân không với vận
tốc bằng vận tốc ánh sáng của Hec (1888).
Từ thuyết điện từ Măcxoen đã thiết lập mối liên hệ giữa tính chất điện và
từ với tính chất quang của môi trƣờng theo hệ thức:

c
   n .
v

trong đó, c và v là vận tốc ánh sáng trong chân không và trong môi trƣờng có
hằng số điện môi  và độ từ thẩm .
Tuy nhiên, vì các đại lƣợng  và  trong hệ phƣơng trình Măcxoen không
phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng, cho nên mặc dù nó đúng đắn, vẫn không giải
thích đƣợc hiện tƣợng tán sắc ánh sáng. Để giải thích hiện tƣợng này, Lorenxơ
đƣa ra thuyết êlectrôn về cấu tạo chất. Theo thuyết này hằng số điện môi  của
môi trƣờng phụ thuộc vào tần số (hay bƣớc sóng) của ánh sáng tới.
Lorenxơ cũng nhƣ Măcxoen đều coi môi trƣờng mang ánh sáng là ête. Sự
tồn tại của ête đã bị thực nghiệm phủ nhận. Thuyết êlectrôn của Lorenxơ cũng
nhƣ thuyết điện từ ánh sáng của Măcxoen mằc dù đã giải thích đƣợc nhiều hiện
tƣợng, nhƣng không giải thích đƣợc những hiện tƣợng có liên quan tới sự tƣơng
tác của ánh sáng với môi trƣờng, đặc biệt là sự phân bố năng lƣợng bức xạ theo

bƣớc sóng.
* Bản chất điện từ của sóng ánh sáng: Cho đến giữa thế kỉ XIX, trong việc
tìm hiểu bản chất của ánh sáng, ngƣời ta đã thu đƣợc những kết quả sau đây:
- Ánh sáng có tính chất sóng. Sóng này truyền được trong chân không.
- Sóng ánh sáng là sóng ngang.
Năm 1846, Farađây đã phát hiện đƣợc sự quay của mặt phẳng phân cực
ánh sáng trong từ trƣờng, tức là phát hiện ra mối liên hệ hiện tƣợng quang học
và hiện tƣợng từ.
Năm 1856, Vêbe và Cônrausơ đo tỉ số giữa đơn vị cƣờng độ dòng điện
trong hệ điện từ (CGSM) và đơn vị cƣờng độ dòng điện trong hệ tĩnh điện
(CGSE) và thấy nó bằng 3.1010cm/s. Trong lý thuyết Măcxoen, tỷ số này đúng
bằng vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không.
11


c

I(CGSM)
I(CGSE)

Thời kì này, ngƣời ta đã đo đƣợc vận tốc ánh sáng, chƣa đo đƣợc trực tiếp
vận tốc của sóng điện từ (thậm chí chƣa phát hiện đƣợc sóng điện từ bằng thực
nghiệm).
Thuyết điện từ ánh sáng của Măcxoen càng ngày càng đƣợc thực tế xác
nhận là đúng. Ta có thể kể ra những sự kiện quan trọng sau đây:
1. Sóng ánh sáng và sóng điện từ đều truyền đƣợc trong chân không với
cùng một vận tốc là 3.108 m / s .
2. Sóng điện từ và sóng ánh sáng có nhiều tính chất giống nhau: chúng
đều có thể giao thoa, nhiễu xạ và đặc biệt chúng đều là sóng ngang.
3. Ánh sáng có thể gây ra các tác dụng điện và từ trong các môi trƣờng vật

chất. Ngƣợc lại, điện trƣờng và từ trƣờng cũng có tác dụng lên những tính chất
quang học của các môi trƣờng.
4. Nhiều hiện tƣợng quang học quan trọng (nhƣ phản xạ, khúc xạ, hấp
thụ, tán xạ, tán sắc, v.v…) có thể giải thích đƣợc trên cơ sở của một lý thuyết
chung gọi là thuyết êlectrôn của Lorenxơ. Trong thuyết này ngƣời ta thừa nhận
là khi ánh sáng truyền vào môi trƣờng vật chất thì trƣờng điện từ của nó (chủ
yếu là điện trƣờng) sẽ tƣơng tác với hệ thống điện tích của môi trƣờng (chủ yếu
là với êlectrôn thành ngoài của các nguyên tử). Thuyết êlectrôn không những
giải thích một loạt những sự kiện thực nghiệm quan trọng, mà còn tiên đoán
đƣợc một số hiện tƣợng khác mà sau đó thực nghiệm đã xác nhận là đúng.
5. Bản chất điện từ của sóng ánh sáng còn đƣợc xác nhận bằng việc xây
dựng một thang sóng điện từ liên tục từ những tia Gamma (có bƣớc sóng khoảng
10-12m) đến những sóng vô tuyến (có bƣớc sóng hàng km).
1.4. Thuyết lƣợng tử Plăng và thuyết lƣợng tử ánh sáng
Đầu năm 1900, để khắc phục những khó khăn và tồn tại của vật lí cổ điển
về sự khủng hoảng miền tử ngoại, Plăng đƣa ra giả thuyết mang tên ông gọi là
thuyết lƣợng tử Plăng.
Theo Plăng, sự phát xạ trường điện từ do vật không thể xảy ra một cách
12


liên tục mà là gián đoạn, nghĩa là thành từng lượng năng lượng riêng rẽ , được
xác định bởi tần số  của bức xạ:   h , trong đó h là hằng số Plăng
( h  6,625.1034 Js ),  đƣợc gọi là lƣợng tử năng lƣợng. Thuyết lƣợng tử Plăng
không cần đến môi trƣờng ête.
Tiếp theo Plăng, năm 1905, dựa vào định luật bảo toàn năng lƣợng trong
thế giới vi mô, Anhxtanh đã phát triển thuyết lƣợng tử Plăng thành thuyết lƣợng
tử ánh sáng, sau gọi là thuyết phôtôn.
Theo Anhxtanh, ánh sáng không những được phát ra mà bị hấp thụ và lan
truyền cũng dưới dạng những lượng tử riêng rẽ, gọi là lượng tử ánh sáng hay

còn gọi là phôtôn có năng lượng   h .
Thuyết lƣợng tử ánh sáng không giống với thuyết hạt Niutơn ở chỗ, trong
thuyết lƣợng tử ánh sáng còn giữ cả những khái niệm sóng, nói cách khác. Nhƣ
vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, lại vừa có tính chất hạt, ta nói ánh sáng có
lƣỡng tính sóng – hạt.
Thuyết lƣợng tử ánh sáng đã giải thích đúng đắn hàng loạt hiện tƣợng
quang học nhƣ sự phát xạ, hấp thụ, hiện tƣợng quang điện… mà thuyết điện từ
ánh sáng không thể giải thích đƣợc. Thuyết lƣợng tử ánh sáng không hề phủ
nhận thuyết điện từ ánh sáng.
Đến nay, thuyết điện từ ánh sáng và thuyết lƣợng tử ánh sáng đƣợc coi là
hai thuyết đúng đắn về bản chất ánh sáng.
2. Thang sóng điện từ. Bức xạ quang học
2.1. Thang sóng điện từ.
Nghiên cứu tất cả các dạng khác nhau của bức xạ điện từ ngƣời ta thấy
chúng đều có cùng bản chất điện từ, khác nhau về bƣớc sóng, truyền trong chân
không với vận tốc 3.108 m/s.
Sắp xếp các loại sóng điện từ theo thứ tự bước sóng giảm dần thì ta đƣợc
một thang sóng điện từ bắt đầu từ: sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn
thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen và tia Gamma.
* Sóng vô tuyến (sóng Hec) có bƣớc sóng cỡ vài cm trở lên. Sóng này do
13


các máy phát vô tuyến phát ra và đƣợc phát hiện ra nhờ các máy thu vô tuyến.
Đây là các dao động điện từ.
* Tia hồng ngoại có bƣớc sóng từ 0,76 m đến 0,03 cm. Tia hồng ngoại do
các vật bị nung nóng phát ra. Ngƣời ta có thể phát hiện tia hồng ngoại bằng tác
dụng nhiệt, tác dụng lên
kính ảnh hay tác dụng quang điện của nó.
* Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0, 4 m đến 0,76 m .

+ Mỗi sóng đơn sắc có một màu xác định và một bƣớc sóng xác định.
+ Ánh sáng trắng là một tập hợp của rất nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau.
+ Khi ánh sáng đơn sắc truyền từ môi trƣờng này sang nôi trƣờng khác
tần số của nó không thay đổi, nhƣng bƣớc sóng của nó thay đổi.
Màu

Khoảng bƣớc sóng

Đỏ

0,63m  0,76m

Da cam

0,60m  0,63m

Vàng

0,57m  0,60m

Lục

0,50m  0,57m

Lam

0, 45m  0,50m

Tràm

0, 43m  0, 45m

Tím

0, 40m  0, 43m

* Tia tử ngoại có bƣớc sóng từ 0, 4 m đến khoảng 10-8 m. Tia tử ngoại do
các vật bị nung nóng ở nhiệt độ cao (khoảng 3000K trở lên) phát ra. Ánh sáng
mặt trời có khoảng 10% năng lƣợng là của các tia tử ngoại. Ngƣời ta dùng các
đèn thủy ngân làm các nguồn tử ngoại nhân tạo. Có thể phát hiện các tia tử
ngoại bằng các phƣơng pháp chụp ảnh, phƣơng pháp quang điện và phƣơng
pháp huỳnh quang.
* Tia Rơnghen (còn gọi là tia X) là các sóng điện từ có bƣớc sóng
khoảng từ 0,001 nm đến 10 nm. Những nguồn phát ra tia Rơnghen thông dụng
là các ống tia Rơghen. Trong các ống này, một chùm electron, chuyển động với
14


vận tốc rất lớn, va chạm và đập vào một tấm kim loại nặng, bị dừng lại đột ngột.
Tại chỗ va chạm có tia Rơnghen phát ra. Có thể phát hiện tia Rơnghen bằng các
phƣơng pháp chụp ảnh, phƣơng pháp quang điện, phƣơng pháp huỳnh quang và
phƣơng pháp iôn hoá.
* Tia Gamma có bƣớc sóng nhỏ hơn 0,001 nm. Chúng đƣợc phát ra trong các
quá trình biến hóa hạt nhân. Có thể dùng tất cả các phƣơng pháp phát hiện tia
Rơnghen để phát hiện tia Gamma.
* Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh, có thể sắp xếp các bức xạ điện từ
thành ba vùng:
- Vùng bức xạ hạt có nang lƣợng và tần số cao do các quá trình biến đổi
bên trong hạt nhân gây ra.
- Vùng sóng vô tuyến có bƣớc sóng từ hàng trăm mét đến hàng milimét,

xuất hiện do các mạch dao động.
- Vùng trung gian là vùng bức xạ của nguyên tử, ion, phân tử, có cả tính
chất sóng lẫn tính chất hạt.
+ Cơ cấu phát sóng:
* Sóng vô tuyến đƣợc phát hiện nhờ các thiết bị hoạt động theo nguyên
tắc vô tuyến.
* Tia hồng ngoại đƣợc phát hiện nhờ các thiết bị hoạt động theo nguyên tắc
quang học.
* Ánh sáng nhìn thấy do sự phát sáng của các phân tử và nguyên tử.
* Tia tử ngoại do các êlêctrôn trong các lớp êlêctrôn sâu hơn trong nguyên
tử của các vật bị nung nóng đến nhiệt độ cao phát ra.
* Tia Rơnghen do các êlêctrôn từ các lớp sâu nhất của nguyên tử phát ra.
* Tia gamma đƣợc phát ra do các quá trình biến đổi bên trong hạt nhân
nguyên tử.
Thang sóng điện từ có những đặc điểm dưới đây:
- Trƣớc hết, giữa các loại sóng cạnh nhau trên thang đó không có ranh
giới ngăn cách rõ rệt. Chẳng hạn, trong quang phổ của ánh sáng trắng, ta đi từ
vùng các tia hồng ngoại rồi đến vùng các tia đỏ rồi từ vùng tím sang vùng tử
15


ngoại một cách liên tục, không có sự thay đổi đột ngột về tính chất và tác dụng
của chúng.
Cho đến nay ngƣời ta đã thực sự “lấp đƣợc các khoảng trống” từ sóng vô
tuyến đến tia Gamma. Vì vậy, trên thang sóng điện từ, đuôi của vùng này có một
phần đè lên đầu của vùng kia. Thang sóng điện từ đã đƣợc lấp đầy từ sóng vô
tuyến đến tia Gamma.
Có điều đáng chú ý là càng đi về phía sóng ngắn thì tính chất sóng của chúng
càng “lu mờ”, khó phát hiện, và tính chất hạt của chúng càng thể hiện rõ nét. Chính
vì vậy mà khi mới phát hiện ra tia Rơnghen ngƣời ta đã có thời gian lầm tƣởng đó

là một dòng hạt trung hoà nào đó.
+ Phƣơng pháp thu sóng ( ghi phía dƣới thang sóng điện từ).
Tia
hồng ngoại

Sóng Héc

104

102

10

P.P vô tuyến

10-2

Tia
Tia
Tia
tử ngoại Rơnghen gamma

-6
10-4 10

10-8

10-10

 (cm)

P. P chụp ảnh
P. P quang điện
P. P nhiệt
P. P iôn hoá
Hình 1.17

2.2. Bức xạ quang học.
+ Bao gồm miền hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và miền tử ngoại (các
miền có sự tƣơng tự với nhau về nguồn gốc sinh, thiết bị dùng để ghi nhận chúng).
+ Bức xạ quang học chỉ chiếm một phần rất hẹp trong thang sóng điện từ.
+ Bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại đều không nhìn thấy đƣợc.
Miền hồng ngoại nằm giữa miền sóng vô tuyến cực ngắn và đầu đỏ của
ánh sáng thấy đƣợc (có 0,1 mm đến 0,76 m ). Miền này khá rộng nên chia nó
làm ba miền nhỏ: Miền hồng ngoại gần ( 0,76 m  5 m ), miền hồng ngoại trung
( 2 m  25 m ) và miền hồng ngoại xa ( 20 m  0,1mm ).
16


Miền tử ngoại nằm giữa đầu tím của miền ánh sáng nhìn thấy và miền bức
xạ Rơnghen mềm tức là từ 380 nm đến 5 nm. Miền tử ngoại cũng rất rộng nên
ngƣời ta chia nó làm nhiều miền nhỏ: Miền tử ngoại gần ( 380 nm  180 nm ), trong
suốt đối với thạch anh, miền Suman (180 nm  120 nm ), miền Laiman
( 120 nm  50 nm ), miền Milican ( 50 nm  9 nm ). Miền từ 180 nm đến 5 nm gọi là
miền tử ngoại chân không, vì không khí hấp thụ rất mạnh bức xạ tử ngoại có
bƣớc sóng của miền này.
II. SỰ GIAO THOA ÁNH SÁNG
1. Sóng ánh sáng. Nguyên lý chồng sóng
1.1. Phƣơng trình sóng của sóng ánh sáng
Theo thuyết điện từ ánh sáng, thì ánh sáng là một dạng sóng điện từ có

bƣớc sóng ngắn và đƣợc đặc trƣng bởi véc tơ cƣờng độ điện trƣờng E , véc tơ
cƣờng độ từ trƣờng H vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng truyền
sóng v . Cả ba véc tơ đó lập thành một tam diện thuận.
Tuy nhiên, thực tế chứng tỏ rằng hầu hết các hiện tƣợng quang học xảy ra
là do tác dụng của véc tơ điện trƣờng E . Vì vậy dao động của véc tơ E còn
được gọi là dao động sáng. Và để đặc trƣng cho sóng ánh sáng, ngƣời ta chỉ
dùng véc tơ điện trƣờng E mà thôi.
Sóng ánh sáng phát ra từ nguồn S đƣợc biểu diễn bởi một biểu thức gọi là
hàm sóng:
E  Eocos  t  

(2.1)

trong đó E là li độ dao động ở thời điểm t, Eo là biên độ dao động và φ là pha
ban đầu của dao động.
Nếu v là vận tốc truyền ánh sáng trong môi trƣờng có chiết suất n, thì tại
điểm M cách nguồn S một khoảng SM = r phƣơng trình dao động sáng này sẽ là:

2 r 

E  E o cos  t     
T v



Ta biết, v 

c
, nên có thể viết lại biểu thức trên là:
n

17



2 r  n 

E  E o cos  t  
  
T c 



trong đó, T là chu kỳ và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Hay:

2 

E  E o cos  t   L   





(2.2)

trong đó L = nr gọi là quang trình của đoạn đƣờng SM = r mà ánh sáng lan
truyền, và   Tc là bƣớc sóng ánh sáng trong chân không.
Biểu thức (2.2) đƣợc gọi là phƣơng trình sóng của ánh sáng.
1.2. Cƣờng độ sáng tại một điểm trong không gian

Theo quan điểm sóng, cƣờng độ sáng tại một điểm tỷ lệ với bình phƣơng
biên độ dao động sáng tại điểm đó: I ~ E02
Cƣờng độ sáng tại một điểm là lƣợng năng lƣợng mà dòng ánh sáng truyền
qua một đơn vị diện tích của một mặt đặt vuông góc với phƣơng truyền sóng
trong một đơn vị thời gian.
Nếu ánh sáng truyền trong môi trƣờng có chiết suất n thì: I ~ n E02
1.3. Sự biến đổi pha giữa sóng ánh sáng tới, sóng phản xạ và sóng truyền qua
mặt phân giới phẳng giữa hai môi trƣờng trong suốt, đồng tính và đẳng hƣớng
Giả sử sóng ánh sáng truyền từ môi trƣờng 1, có chiết suất n1, theo
phƣơng vuông góc với mặt phân giới phẳng. Đến mặt phân giới sóng ánh sáng
một phần truyền vào môi trƣờng 2, có chiết suất n2, một phần phản xạ trở lại môi
trƣờng 1 và truyền ngƣợc chiều với sóng tới.
Gọi véc tơ của sóng tới tại lân cận mặt phân giới là E1 , của sóng truyền
'

qua là E 2 và của sóng phản xạ là E1 . Trong môi trƣờng 1 có sóng tổng hợp là E1 ,
'

E1 , còn trong môi trƣờng 2 có sóng là E 2 . Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng
'

các thành phần tiếp tuyến của hai sóng ( E1 , E1 ) và E 2 là bằng nhau.
'

Chiếu cả ba véc tơ E1 , E1 và E 2 lên trục x, và theo lập luận vừa nêu ta có
thể viết:
'
E1x  E1x
 E2x

18

(2.3)


Theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có phƣơng trình:
2
'2
2
n1E1x
 n1 E1x
 n 2 E2x

(2.4)

* Hệ thức pha giữa sóng tới và sóng khúc xạ:
Khử E1x' từ các phƣơng trình (2.3) và (2.4) ta có:
E 22x 

2E1x  E 2x
n
1 2
n1

(2.5)

Vế phải của (2.5) luôn luôn dƣơng vì E 22x  0 nên E1x  E2x  0 . Điều đó cho
thấy rằng véc tơ E1 và E 2 luôn luôn cùng chiều, có nghĩa là dao động trong sóng
ánh sáng tới và sóng ánh sáng truyền qua có cùng pha. Nhƣ vậy: Pha của sóng
ánh sáng khi truyền qua mặt phân giới không bị thay đổi.

* Hệ thức pha giữa sóng tới và sóng phản xạ tại mặt phân giới.
Bằng cách khử E 2x từ các phƣơng trình (2.3) và (2.4), ta đƣợc:
n2
n1

E
n 2 1x
1
n1
1

'
E1x

(2.6)

Từ công thức (2.6) ta thấy:
+ Nếu n 2  n1 thì E1x' có cùng dấu với E1x . Điều đó có nghĩa là: Dao động
trong sóng ánh sáng tới và trong sóng phản xạ tại mặt phân giới là cùng pha.
Nói cách khác, trong trƣờng hợp này pha của sóng khi phản xạ không thay đổi.
+ Nếu n 2  n1 , thì E1x' ngƣợc dấu với E1x . Dao động trong sóng tới và sóng
phản xạ tại mặt phân giới ngược pha nhau, nghĩa là pha của sóng phản xạ thay
đổi một lượng là π so với pha của sóng tới.
Chú ý: Các kết quả trên vẫn đúng đối với trƣờng hợp sóng tới mặt phân
giới dƣới một góc nào đó.
Tóm lại:
+ Khi ánh sáng phản xạ từ mặt phân giới của môi trƣờng chiết quang hơn
môi trƣờng có ánh sáng tới ( n 2  n1 ), thì sóng phản xạ ngƣợc pha với sóng tới.

19

+ Khi ánh sáng phản xạ từ mặt phân giới của môi trƣờng kém chiết quang hơn
môi trƣờng có ánh sáng tới ( n 2  n1 ), thì pha của sóng phản xạ không bị thay đổi.
1.4. Nguyên lí chồng sóng
+ Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau, thì sóng này không làm
nhiễu loạn sóng kia và sau khi gặp nhau các sóng vẫn truyền đi như trước khi
gặp nhau; còn tại miền các sóng gặp nhau, dao động sáng tại đó bằng tổng các
dao động sáng thành phần, tức là:
E  E1  E 2  E3  E n 

n

E

i

(2.7)

i 1

Đó là nội dung của nguyên lí chồng chất.
Nguyên lí này là chung cho mọi sóng và chỉ áp đúng đối với sóng ánh
sáng có cƣờng độ điện trƣờng nhƣ ánh sáng do các nguồn sáng thông thƣờng
phát ra. Đối với ánh sáng laser, vì cƣờng độ điện trƣờng của các sóng này rất
lớn, nên giữa chúng có sự tƣơng tác lẫn nhau và nguyên lí chồng chất không còn
đúng nữa.
* Nguyên lí chồng chất là nguyên lí cơ bản để nghiên cứu các hiện tượng
giao thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng.
2. Điều kiện giao thoa

2.1. Khái niệm về hiện tƣợng giao thoa ánh sáng
Chúng ta đã học hiện tƣợng về giao thoa của hai sóng cơ học. Có thể mô
tả hiện tƣợng đó nhƣ sau: Nếu có hai sóng lan truyền trong cùng một môi trƣờng
(thí dụ: hai sóng bề mặt lan truyền trên cùng một mặt nƣớc) và nếu hai sóng đó
thoả mãn những điều kiện nhất định thì trong miền hai sóng đó gặp nhau, có
những chỗ luôn luôn dao động mạnh và những chỗ luôn luôn dao động yếu. Kết
quả của hiện tƣợng giao thoa là: trong môi trƣờng xuất hiện những kết cấu thay
đổi theo thời gian, (thí dụ: trên mặt nƣớc xuất hiện những gợn nhất định).
Hiện tƣợng giao thoa ánh sáng cũng xảy ra tƣơng tự. Ở đây thay vì các
chỗ gợn lồi lõm, ta quan sát đƣợc các chỗ sáng, chỗ tối. Chỗ sáng ứng với chỗ
có dao động điện từ mạnh. Chỗ tối ứng với chỗ có dao động điện từ yếu.
Vậy: Hiện tượng giao thoa ánh sáng là hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh
20


sáng gặp nhau, tạo nên trong không gian những dải sáng và tối xen kẽ nhau.
+ Miền không gian có sự giao thoa ánh sáng gọi là trường giao thoa.
2.2. Tổng hợp hai dao động sáng.
Giả sử tại điểm M có hai dao động sáng cùng tần số và xảy ra cùng
phƣơng gặp nhau, đƣợc biểu diễn bởi các phƣơng trình sau:
E1  Eo1cos  t  1 
E2  Eo2cos  t  2 

Và

Trong đó Eo1 và Eo2 là biên độ của hai dao động thành phần, 1 và 2 là pha ban
đầu của chúng.
Theo nguyên lí chồng chất dao động tổng hợp tại M là: E  E1  E2
Vì hai dao động cùng phƣơng nên ta có thể viết:
E  Eo1cos  t  1   Eo2cos  t  2 

Kết quả tính toán cho thấy dao động tổng hợp tai M là dao động có cùng
tần số:
E  Eocos  t  

Biên độ Eo và pha ban đầu  của dao động tổng hợp đƣợc xác định bởi các
hệ thức:
2
2
Eo2  Eo1
 Eo2
 2Eo1Eo2cos  1  2 

tg 

Và

E o1 sin 1  E o2 sin 2
E o1cos1  E o2cos2

(2.8)
(2.9)

Trong đó,  1  2  là hiệu số pha ban đầu của hai dao động E1 và E2.
Vậy, cƣờng độ sáng tại điểm M là:
I  I1  I2  2 I1I2 cos  1  2 

trong đó, I ~ E02 , I1

2

, I2
Eo1

(2.10)

2
. Tuy nhiên, trong thực tế các máy thu ánh
Eo2

sáng (kể cả mắt) dù nhạy đến đâu, cũng chỉ có thể ghi nhận đƣợc giá trị trung
bình của cƣờng độ sáng trong thời gian quan sát, vì thế, cần phải lấy giá trị trung
bình của biểu thức trên:
I  I1  I2  2 I1I2 cos  1  2 

21