Xây dựng mô hình vật lý chứng minh ánh sáng có tính chất sóng với sự trợ giúp của máy vi tính

1

LỜI MỞ ĐẦU
Bài viết này trình bày một mô hình vật lý chứng minh ánh sáng có tính chất
sóng. Mô hình này được xây dựng trên cơ sở một hộp tối kết nối với máy vi tính,
cho phép ghi lại các hiệu ứng chứng minh tính chất sóng của ánh sáng. Các dữ liệu
thu được là những hình ảnh cho biết sự phân bố cường độ sáng và khoảng cách giữa
các vân sáng khi xảy ra hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng.
Sự phân bố cường độ củ
a các vân sáng có thể được điều khiển bởi các thông số
như: khoảng cách từ màn chứa vật nhiễu đến màn quan sát, bước sóng của nguồn
sáng chiếu tới màn chứa vật nhiễu, hình dạng vật nhiễu (lỗ kim, đĩa tròn, khe,
vạch,…), số lượng các vật nhiễu.
Sản phẩm của đề tài này là một mô hình vật lý chứng minh ánh sáng có tính chất
sóng trên cơ sở ghi lại các hiệu ứng nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng. Chúng góp
phần làm rõ một phần bản chất của ánh sáng trong lĩnh vực vật lý quang học; bên
cạnh đó, dữ liệu lấy từ mô hình này còn minh họa một phần cho môn học vật lý đại
cương trong phần quang học sóng, nhằm phục vụ sự nghiệp giáo dục và đào tạo của
trường đại học Lạc Hồng.
2

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển lý thuyết sóng ánh sáng
Để thấy được toàn cảnh quá trình hình thành, phát triển cũng như nhiều chiến
thắng và lắm thất bại của thuyết sóng ánh sáng, tôi xin giới thiệu bài viết của các tác
giả Kenneth R. Spring, Michael W. Davidson
[3]
:
Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lý chia rẻ
sâu sắc trong nhiều thế kỉ, thậm chí có lúc cuộc chiến đi đến chỗ gần như một mất
một còn. Bài viết trình bài tường tận mọi chi tiết về hai cách hiểu: sóng và hạt đối

với ánh sáng.
Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người
trong nhi
ều thế kỉ. Các nhà khoa học Hy Lạp thuộc trường phái Pythagore cổ đại
cho rằng mỗi một vật khả kiến phát ra một dòng hạt đều đặn, còn Aristotle kết luận
rằng ánh sáng truyền đi theo kiểu giống như sóng trên đại dương. Mặc dù những ý
tưởng này đã trải qua hàng loạt cải tiến và thu được tiến bộ đáng kể trong thế kỉ 20
vừa qua, nhưng điều cốt lõi của cuộc tranh luận do các nhà triết học Hy Lạp đặt ra
vẫn kéo dài cho tới ngày nay.

Hình 1.1. Ánh sáng là sóng và là hạt.
Một quan điểm nhìn nhận ánh sáng giống như sóng trong tự nhiên, chúng tạo ra
năng lượng và truyền trong không gian theo kiểu tương tự như các gợn sóng lan dần
ra trên bề mặt của một ao nước phẳng lặng sau khi bị một hòn đá rơi xuống làm
nhiễu động. Quan điểm đối lập cho rằng ánh sáng gồm dòng các hạt đều đặn, rất
3

giống với những giọt nước nhỏ xíu phun ra từ một vòi tưới vườn. Trong vài thế kỉ
qua, mỗi quan điểm chỉ được nhất trí trong một khoảng thời gian nào đó, rồi lại bị
lật đổ bởi bằng chứng cho quan điểm kia. Chỉ trong thập kỉ đầu tiên của thế kỉ 20
cũng là bằng chứng đủ sức thuyết phục mang tới câu trả
lời toàn diện, và trước sự
ngạc nhiên của nhiều người, hóa ra cả hai lý thuyết đều chính xác, ít nhất là trong
từng bộ phận.
Vào đầu thế kỉ 19, chủ đề về bản chất ánh sáng đã đẩy cộng đồng khoa học tới chỗ
chia phe dựng trại chiến đấu kịch liệt bảo vệ cho giá trị của những lý thuyết ưa
chuộng của họ. Một nhóm nhà khoa họ
c, những người tán thành thuyết sóng, tập
trung bàn luận về những khám phá của nhà khoa học người Hà Lan Christiaan
Huygens. Còn trại bên kia thì trích dẫn thí nghiệm lăng kính của ngài Isaac Newton,

xem là bằng chứng cho thấy ánh sáng truyền đi dưới dạng một trận mưa hạt, mỗi
hạt đi theo đường thẳng cho tới khi nó bị khúc xạ, hấp thụ, phản xạ, nhiễu xạ theo
một số kiểu khác. Mặc dù chính Newton hình như cũng có một số
nghi ngờ với
thuyết tiểu thể của ông về bản chất ánh sáng, nhưng uy tín của ông trong cộng đồng
khoa học có sức nặng quá lớn nên những kẻ ủng hộ ông đã bỏ qua tất cả những
bằng chứng khác trong cuộc chiến đấu khốc liệt của mình.
Lý thuyết khúc xạ ánh sáng của Huygens, dựa trên khái niệm bản chất giống như
sóng của ánh sáng, cho rằng vận tốc ánh sáng trong mộ
t chất bất kì tỉ lệ nghịch với
chiết suất của nó. Nói cách khác, Huygens cho rằng ánh sáng càng bị bẻ cong, hay
khúc xạ, khi đi vào một chất, thì nó càng chậm khi truyền qua chất đó. Những người
ủng hộ ông kết luận rằng nếu ánh sáng là một dòng hạt, thì sẽ xảy ra kết quả ngược
lại, vì ánh sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn sẽ bị các phân tử môi trường đó hút
và vận tố
c sẽ tăng lên, chứ không giảm xuống. Mặc dù lời hòa giải cho cuộc cãi vã
này là đo vận tốc ánh sáng trong các chất khác nhau, không khí và thủy tinh chẳng
hạn, nhưng trong thời kì đó, dụng cụ dùng để làm việc này chưa ra đời. Thêm nữa,
ánh sáng hình như chuyển động với cùng một vận tốc, bất chấp môi trường mà nó
đi qua. Phải hơn 150 năm sau, vận tốc của ánh sáng mới được đo với độ chính xác
cao
để chứng minh thuyết Huygens là đúng.
4


Hình 1.2. Những nhà tiên phong trong ngành vật lý nghiên cứu ánh sáng khả kiến.
Bất chấp danh cao vọng trọng của ngài Isaac Newton, số nhà khoa học có danh
tiếng vào đầu những năm 1700 không tán thành thuyết tiểu thể của ông. Một số
người tranh luận rằng nếu ánh sáng là các hạt, thì khi hai chùm sáng cắt ngang
nhau, một số hạt sẽ va chạm lên nhau gây ra sự chệch hướng trong chùm sáng. Rõ

ràng điều này không xảy ra, nên họ kết luận ánh sáng không thể là tập hợp những
h
ạt rời rạc được.
Huygens, với trực giác của mình, đề xuất trong chuyên luận năm 1690 của ông
rằng, sóng ánh sáng truyền trong không gian qua trung gian ête, một chất bí ẩn
không trọng lượng, tồn tại như một thực thể vô hình trong không khí và không gian.
Công cuộc săn lùng ête ngốn một lượng đáng kể tài nguyên trong thế kỉ 19 trước
khi cuối cùng phải dừng lại. Thuyết ête tồn tại ít nhất là cho tới cuối những năm
1800, bằng chứng là mô hình do Charles Wheatstone đề xuất, chứng minh ête mang
sóng ánh sáng bằng cách dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sóng,
và mô hình chi tiết của James Clerk Maxwell mô tả việc xây dựng chất vô hình này.
Huygens tin rằng ête dao động cùng hướng với ánh sáng, và tự hình thành một sóng
như thể là nó mang sóng ánh sáng. Trong tập sách xuất bản sau, nguyên lý
Huygens, ông đã mô tả tài tình cách mà mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng
riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng. Huygens dùng ý tưởng này sáng tạo ra
một lý thuyết chi tiết cho hiện tượng khúc xạ, và cũng giải thích tại sao các tia sáng
không phá hủy nhau khi đường truyền của chúng cắt nhau.
5

Khi một chùm ánh sáng truyền giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau thì
chùm tia bị khúc xạ và đổi hướng khi truyền từ môi trường thứ nhất vào môi trường
thứ hai. Để xác định xem chùm tia sáng là hạt hay sóng, người ta phải nghĩ ra mỗi
mô hình cho mỗi trường phái để giải thích hiện tượng (hình 1.3). Theo thuyết sóng
của Huygens, một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ
hai trước khi phần còn lại củ
a đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này sẽ bắt đầu
đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại của sóng vẫn còn truyền trong môi
trường thứ nhất, nhưng sẽ chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ
hai cao hơn. 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. Trái lại, thuyết hạt có lúc

h
ơi khó giải thích tại sao các hạt ánh sáng phải đổi hướng khi chúng truyền từ môi
trường này sang môi trường khác. Những người đề xướng thuyết hạt cho rằng một
lực đặc biệt, hướng vuông góc với mặt phân giới, tác động đến sự thay đổi vận tốc
của các hạt khi chúng đi vào môi trường thứ hai. Bản chất đích thực của lực này
không được nghiên cứu và không có bằng chứng nào được thu thập để chứng minh
cho lý thuyết.

Hình 1.3. Sự khúc xạ của hạt và sóng.
Một so sánh thú vị khác của hai lý thuyết liên quan tới những khác biệt xảy ra khi
ánh sáng bị phản xạ từ một bề mặt nhẵn, lung linh, như mặt gương chẳng hạn.
Thuyết sóng xem 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
6

lại tạo ra một ảnh đảo ngược (hình 1.4). Hình dạng của sóng tới phụ thuộc nhiều
vào khoảng cách từ nguồn sáng tới gương. Ánh sáng phát ra từ một nguồn ở gần
vẫn giữ được mặt sóng hình cầu, có độ cong cao, còn ánh sáng phát ra từ một nguồn
ở xa sẽ trải rộng hơn và các mặt sóng gần như là phẳng.

Hình 1.4. Hạt và sóng phản xạ bởi gương.
Trường hợp bản chất hạt của ánh sáng đối với hiện tượng phản xạ có sức thuyết
phục hơn nhiều so với hiện tượng khúc xạ. Ánh sáng phát ra từ một nguồn, dù ở gần
hay ở xa, đi tới bề mặt gương dưới dạng một dòng hạt, chúng bị nảy lên, hay là bị
phản xạ bởi bề
mặt nhẵn mịn. Do các hạt rất nhỏ, và có một lượng rất lớn hạt trong
chùm ánh sáng lan truyền, nên chúng sẽ chuyển động sát cánh với nhau. Khi chạm
lên mặt gương, 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, như được minh họa
trên hình 1.4. Cả thuyết hạt và thuyết sóng đều giải thích thỏa đáng s

ự phản xạ bởi
một bề mặt phẳng. Tuy nhiên, thuyết hạt cũng cho rằng 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. Thuyết
này rất phù hợp với những quan sát thực nghiệm.
Hạt và sóng cũng sẽ hành xử khác nhau khi chúng chạm phải rìa của một vật và tạo
nên bóng đổ (hình 1.17). Newton sớm chỉ ra trong cuốn Opticks xuất bản n
ăm 1704
của ông rằng: “Ánh sáng không bao giờ truyền đi theo đường cong hay bị bẻ cong
thành bóng đổ”. Khái niệm này phù hợp với thuyết hạt cho rằng ánh sáng luôn luôn
truyền đi theo đường thẳng. Nếu các hạt chạm phải rìa của một rào chắn thì chúng
sẽ không tạo ra bóng đổ vì các hạt không bị rào chắn ngăn cản tiếp tục chuyển động
theo đường thẳng và không trải qua phía sau rìa chắn. Ở phạm vi vĩ mô, quan sát
7

này hầu như là chính xác, nhưng nó không phù hợp với kết quả của thí nghiệm
nhiễu xạ ánh sáng xảy ra ở kích thước nhỏ hơn nhiều.

Hình 1.5. Nhiễu xạ của hạt và sóng.
Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, chùm tia trải ra và trở nên rộng hơn mong
đợi. Quan sát quan trọng có tính cơ sở này mang lại nhiều tin cậy cho thuyết sóng
ánh sáng. Giống như sóng nước, sóng ánh sáng chạm phải rìa của một vật thì uốn
cong quanh rìa đó và đi vào vùng bóng hình học của nó, là vùng không được rọi
sáng trực tiếp bằng chùm tia sáng. Hành trạng này tương tự như sóng nước cuốn
quanh phần cuối của bè nổi, thay vì ph
ản xạ ra xa.
Gần 100 năm sau khi Newton và Huygens đề xuất lý thuyết của họ, một nhà vật lý
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 (gồ
m 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 đồ
ng bộ với nhau. Tuy nhiên, nếu xét một điểm nào đó nằm về một phía so với
8

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.
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 đồ
ng 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.

9

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 tố
c 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 ch
ất giống sóng của ánh sáng được phát hiện
khi hành trạng của chùm sáng giữa các kính phân cực đặt chéo 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 Venice 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 h
ướng 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.
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
10

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 vớ
i bộ
lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại.

Hình 1.7. Hạt và sóng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc.
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 lý người Anh
James Clerk Maxwell khi ông phát hiện thấy tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có
ph
ổ liên tục và truyền qua chân không với cùng một tốc độ là 186000 dặm một giây.
Khám phá của Maxwell thật sự đã đóng đinh quan tài cho thuyết hạt, và vào buổi
bình minh của thế kỉ 20, hình như những câu hỏi cơ bản về ánh sáng và lý thuyết
quang học cuối cùng đã được trả lời.
11

Một tai họa lớn ập đến với thuyết sóng vào cuối thập niên 1880, khi các nhà khoa
học lần đầu tiên phát hiện thấy, dưới những điều kiện nhất định, ánh sáng có thể
đánh đuổi các electron ra khỏi nguyên tử của một vài kim loại (hình 1.8). Mặc dù
lúc đầu chỉ là một hiện tượng hiếu kì và không giải thích nổi, nhưng người ta nhanh

chóng phát hiện thấy ánh sáng cực tím có thể làm bật ra electron từ nguyên tử
của
nhiều kim loại, làm cho chúng tích điện dương. Nhà vật lý người Đức Phillip
Lenard trở nên bị lôi cuốn vào những quan sát này, và ông đã đặt tên cho nó là hiệu
ứng quang điện. Lenard dùng một lăng kính để tách ánh sáng trắng thành các thành
phần màu của nó, và rồi cho hội tụ có chọn lọc mỗi màu lên một đĩa kim loại để
tống khứ các electron ra khỏi nó.
Cái Lenard phát hiện được làm ông bối rối và ngạc nhiên. Đối với một bước sóng
ánh sáng c
ụ thể (chẳng hạn ánh sáng xanh dương), các electron tạo ra một thế
không đổi, hay một lượng năng lượng ổn định. Việc giảm hoặc tăng lượng ánh sáng
tạo ra sự tăng hoặc giảm tương ứng số electron được giải phóng, nhưng mỗi
electron vẫn có năng lượng như cũ. Nói cách khác, các electron thoát khỏi liên kết
nguyên tử có năng lượng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, chứ không phải cường
độ
ánh sáng. Điều này trái với cái mà thuyết sóng mong đợi. Lenard cũng khám phá
ra mối liên hệ giữa bước sóng và năng lượng: các bước sóng càng ngắn làm phát
sinh các electron có năng lượng càng lớn.

Hình 1.8. Hiệu ứng quang điện.
12

Việc thiết lập mối quan hệ giữa ánh sáng và các nguyên tử có được vào đầu thập
niên 1800 khi William Hyde Wollaston khám phá thấy phổ của Mặt Trời không
phải là một dải sáng liên tục mà chứa hàng trăm bước sóng bị thiếu. Trên 500 vạch
hẹp ứng với các bước sóng bị thiếu đã được lập biểu đồ bởi nhà vật lý người Đức
Joseph von Fraunhofer, người đặt các kí hiệu chữ cái cho các khe hở lớn nhất. Sau
này, người ta phát hiện thấy các khe hở sinh ra do sự hấp thụ những bước sóng cụ
thể bởi các nguyên tử trong lớp bên ngoài Mặt Trời. Những quan trắc này là một số
liên hệ đầu tiên giữa các nguyên tử và ánh sáng, mặc dù tác dụng cơ bản của nó

không được hiểu rõ vào lúc ấy.
Năm 1905, Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng thực ra có một số đặc trưng hạt,
bất chấp những bằng chứng tràn ngậ
p cho bản chất giống sóng của ánh sáng. Trong
khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các
electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh
sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như
thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài. Ông cũng cho rằng nếu năng lượng của
photon tỉ lệ
nghịch với bước sóng thì các bước sóng càng ngắn sẽ tạo ra những
electron có năng lượng càng lớn, một giả thuyết được hình thành trên cơ sở những
kết quả nghiên cứu của Lenard.
Lý thuyết của Einstein được củng cố trong thập niên 1920 bởi các thí nghiệm của
nhà vật lý người Mĩ Arthur H. Compton, người chứng minh được photon có xung
lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lý thuyết vật chấ
t và năng lượng có thể
hoán đổi cho nhau. Cũng vào khoảng thời gian đó, nhà khoa học người Pháp Louis
Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa
giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, de Broglie đã ngoại suy
công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng
số Planck:
E = mc
2

= hν
13

trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng
số Planck và ν là tần số. Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với
năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một

lĩnh vực mới cuối cùng sẽ được dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa
gi
ống hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck,
de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger và những người nỗ lực giải thích bức xạ
điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính hay là hành trạng vừa giống sóng vừa giống hạt.
Có khi ánh sáng hành xử như hạt và đôi khi lại như sóng. Đặc trưng lưỡng tính của
hành trạng của ánh sáng có thể dùng để mô tả tất cả các đặc điểm đã biết được quan
sát thấy bằng thực nghiệm, từ sự khúc xạ, phản xạ, giao thoa và nhiễu xạ cho tới các
hiệu ứng phân cực ánh sáng và hiệu ứng quang điện. Hai đặc trưng của ánh sáng
sống hòa thuận cùng nhau và cho phép chúng ta khám phá những nét đẹp của vũ
trụ.
1.2. Lý thuyết sóng ánh sáng
Lý thuyết sóng ánh sáng dựa trên nguyên lý Huygens và Fresnel, xem hình 1.9:
Nguyên lý Huygens: Bất kỳ một điểm nào có sóng truyền đến đều trở thành ngu
ồn
phát sóng thứ cấp phát sóng về phía trước nó.
Nguyên lý Fresnel: Biên độ và pha của nguồn thứ cấp bằng biên độ và pha của sóng
do nguồn sáng thực tạo ra ở vị trí của nguồn thứ cấp.

(a) Mặt sóng phẳng (b) Mặt sóng cầu
N
g
uồn sơ cấ
p
N
g
uồn thứ cấ
p
Đ
ư

ờn
g
tru
y
ền
Hình 1.9. Sự truyền của
một sóng phẳng (a),
một sóng cầu (b) trong
chân không được hình
dung theo nguyên lý
Huygens.
14

Lý thuyết sóng ánh sáng có thể được chấp nhận khi giải thích thỏa đáng các hiện
tượng như: nhiễu xạ, giao thoa sóng ánh sáng. Sau đây, giới thiệu về hai thí nghiệm
kinh điển minh họa cho tính chất sóng của ánh sáng:
1.2.1. Thí nghiệm giao thoa ánh sáng qua khe đôi được thực hiện bởi Thomas
Young vào năm 1801
[3]

Một trong số những người tiên phong của nền vật lý buổi đầu là nhà khoa học người
Anh hồi thế kỉ 19 tên là Thomas Young, người đã chứng minh được hết sức thuyết
phục bản chất giống sóng của ánh sáng qua hiện tượng giao thoa bằng kỹ thuật
nhiễu xạ. Thí nghiệm của Young cho bằng chứng trái ngược với quan điểm khoa
học phổ biến lúc bấy giờ, xây dựng trên thuyế
t tiểu thể (hạt) của Newton về bản
chất ánh sáng. Thêm nữa, ông cũng là người kết luận rằng màu sắc khác nhau của
ánh sáng là do các sóng có chiều dài khác nhau, và bất cứ màu nào cũng có thể thu
được từ việc pha trộn các đại lượng khác nhau của ánh sáng từ ba màu cơ sở: đỏ,
lục và lam.

Năm 1801, Young tiến hành thí nghiệm khe đôi kinh điển và thường được trích dẫn,
mang đến bằng chứng quan trọng cho thấy ánh sáng khả kiế
n có những tính chất
sóng. Thí nghiệm của ông dựa trên giả thuyết cho rằng nếu ánh sáng là sóng trong
tự nhiên, thì nó phải hành xử theo kiểu giống như các gợn hay sóng trên ao nước.
Nơi hai sóng nước đối diện gặp nhau, chúng phải phản ứng theo kiểu riêng để hoặc
là tăng cường hoặc là triệt tiêu lẫn nhau. Nếu hai sóng đồng bộ (các cực đại gặp
nhau) thì chúng sẽ kết hợp để tạo ra sóng lớn hơn. Ngược lạ
i, khi hai sóng gặp nhau
không đồng bộ (cực đại của sóng này gặp cực tiểu của sóng kia), hai sóng sẽ hủy
nhau và tạo ra bề mặt phẳng lặng tại khu vực đó, xem hình 1.11.
Để kiểm tra giả thuyết của ông, Young đã nghĩ ra một thí nghiệm tài tình. Sử dụng
ánh sáng Mặt Trời nhiễu xạ qua một khe nhỏ làm nguồn chiếu sáng bán kết hợp,
ông đã chiếu tia sáng phát ra từ khe đó lên một màn chắn khác chứa hai khe
đặt
song song nhau. Ánh sáng truyền qua các khe sau đó được cho rơi vào một màn
chắn thứ ba (màn hứng). Young quan sát thấy khi các khe lớn, đặt xa nhau và gần
15

màn hứng, thì hai mảng ánh sáng chồng lên nhau thu được trên màn hứng. Tuy
nhiên, khi ông giảm kích thước các khe và mang chúng đến gần nhau hơn, thì ánh
sáng truyền qua các khe và rơi vào màn hứng tạo ra những dải màu riêng biệt phân
cách nhau bởi những vùng tối theo một trật tự nhất định. Young đã đặt ra thuật ngữ
vân giao thoa để mô tả các dải sáng và nhận thấy rằng những dải màu này chỉ có thể
được tạo ra nếu như ánh sáng xử sự giống như sóng.

Hình 1.10. Thí nghiệm khe đôi của Thomas Young.
Bố trí cơ bản của thí nghiệm khe đôi được minh họa trên hình 1.10. Ánh sáng màu
đỏ lọc ra từ ánh sáng Mặt Trời ban đầu đi qua một khe để thu được trạng thái bán
kết hợp. Sóng ánh sáng đi vào khe thứ nhất sau đó đi tới một cặp khe đặt gần nhau

trên màn chắn thứ hai. Màn hứng đặt trong vùng phía sau các khe để thu lấy các tia
sáng chồng chất truyền qua khe kép, và hình ảnh của dải vân giao thoa đỏ sáng và
t
ối có thể nhìn thấy trên màn hứng. Vấn đề chủ yếu với loại thí nghiệm này là sự kết
hợp lẫn nhau của ánh sáng nhiễu xạ từ hai khe trên màn chắn. Mặc dù Young đã thu
được sự kết hợp này qua sự nhiễu xạ của ánh sáng Mặt Trời từ khe thứ nhất, nhưng
bất kì nguồn sáng kết hợp nào (laser chẳng hạn) đều có thể thay thế cho ánh sáng
truyền qua một khe đơn.
Á
Á
n
n
h
h
s
s
á
á
n
n
g
g
c
c
ó
ó
b
b
ư
ư

ớ
ớ
c
c


s
s
ó
ó
n
n
g
g


λ
λ


M
M
à
à
n
n


c
c

h
h
ắ
ắ
n
n


c
c
ó
ó


m
m
ộ
ộ
t
t
k
k
h
h
e
e
M
M
à
à

n
n


c
c
h
h
ắ
ắ
n
n


c
c
ó
ó


h
h
a
a
i
i


k
k

h
h
e
e
c
c
á
á
c
c
h
h


n
n
h
h
a
a
u
u


a
a
M
M
ặ
ặ

t
t


đ
đ
ầ
ầ
u
u


s
s
ó
ó
n
n
g
g


c
c
ầ
ầ
u
u

k
k
ế
ế
t
t


h
h
ợ
ợ
p
p


H
H
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g
g


s
s

ó
ó
n
n
g
g




k
k
h
h
ô
ô
n
n
g
g


c
c
ù
ù
n
n
g
g

p
p
h
h
a
a


H
H
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g
g


s
s
ó
ó
n
n
g
g

c
c
ù
ù
n
n
g
g


p
p
h
h
a
a


M
M
à
à
n
n

h
h
ứ
ứ
n
n
g
g


V
V
â
â
n
n
t
t
ố
ố
i
i
V
V
â
â
n
n
s
s

á
á
n
n
g
g
V
V
â
â
n
n


g
g
i
i
a
a
o
o


t
t
h
h
o
o

a
a


D
D


16

Mặt đầu sóng kết hợp của ánh sáng chạm tới khe đôi thì tách thành hai mặt đầu
sóng mới hoàn toàn đồng bộ với nhau. Sóng ánh sáng từ mỗi khe phải truyền đi
quãng đường bằng nhau để chạm tới điểm A trên màn hứng như minh họa trong
hình 1.10, và phải chạm tới điểm đó đồng bộ hoặc có cùng độ lệch pha. Do hai sóng
ánh sáng chạm tới điểm A thỏa mãn yêu cầu cầ
n thiết đối với sự giao thoa tăng
cường, nên chúng cộng gộp với nhau tạo ra vân giao thoa đỏ sáng trên màn hứng.
Trái lại, cả hai điểm B trên màn hứng đặt ở khoảng cách không bằng nhau tính từ
hai khe, nên ánh sáng từ khe này phải truyền đi quãng đường xa hơn so với ánh
sáng truyền từ khe kia. Sóng ánh sáng phát ra từ khe gần điểm B hơn (ví dụ như với
các khe và điểm B phía bên trái của hình 1.10) không phải truyền đi quãng đường
xa để t
ới mục tiêu như sóng phát ra từ khe kia. Kết quả là sóng phát ra từ khe gần
hơn sẽ tới điểm B hơi sớm hơn sóng phát ra từ khe xa hơn. Do các sóng này không
tới điểm B đồng pha (hoặc đồng bộ với nhau) nên chúng sẽ chịu sự giao thoa triệt
tiêu tạo ra vùng tối (vân giao thoa) trên màn hứng. Hình ảnh vân giao thoa không
hạn chế với các thí nghiệm có cấu hình khe đôi mà còn có thể tạo ra với bất kì sự
kiện nào có kết quả là s
ự phân tách ánh sáng thành các sóng có thể hủy nhau hoặc
cộng gộp với nhau.

Thành công của thí nghiệm Young là bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ cho thuyết sóng,
nhưng không được chấp nhận ngay bởi những người đương thời với ông. Nguyên
nhân gây ra các hiện tượng như màu sắc cầu vồng thu được ở bọt xà phòng và vòng
Newton (sẽ thảo luận trong phần sau) mặc dù giải thích được bằng công trình này,
nhưng nó không hiển nhiên ngay đối với nhữ
ng nhà khoa học có niềm tin vững chắc
cho rằng ánh sáng truyền đi dưới dạng một dòng hạt. Những loại thí nghiệm khác
sau này được nghĩ ra và dẫn chứng cho bản chất sóng của ánh sáng và hiệu ứng giao
thoa. Đáng chú ý nhất là thí nghiệm gương đơn của Humphry Lloyd và thí nghiệm
gương đôi và thí nghiệm ba lăng kính do Augustin Fresnel nghĩ ra cho ánh sáng
phân cực trong các tinh thể có một trục. Fresnel kết luận rằng sự giao thoa giữa các
chùm ánh sáng phân cực chỉ có thể thu
được với các chùm có cùng hướng phân cực.
Trong thực tế, các sóng ánh sáng phân cực có phương dao động của chúng định
17

hướng song song nhau có thể kết hợp để tạo ra giao thoa, trong khi các sóng ánh
sáng phân cực định hướng vuông góc nhau thì không giao thoa.
Giải thích
Phương pháp cổ điển mô tả hiện tượng giao thoa là đưa ra miêu tả đồ họa sự tái kết
hợp của hai hay nhiều hơn hai sóng ánh sáng dạng sin trong đồ thị biên độ, bước
sóng và độ lệch pha tương đối. Trong thực tế, khi hai sóng cộng gộp với nhau, sóng
thu được có giá trị biên độ hoặc là tă
ng lên qua giao thoa tăng cường, hoặc là giảm
bớt qua giao thoa triệt tiêu. Để minh họa hiệu ứng, xét một cặp sóng ánh sáng xuất
phát từ cùng nguồn kết hợp (có mối quan hệ pha như nhau) và truyền song song với
nhau (biểu diễn trong phần bên trái hình 1.11).
Nếu các dao động tạo ra bởi vectơ điện trường (vuông góc với hướng truyền) từ mỗi
sóng song song với nhau (trong thực tế, các vectơ điện trường dao động trong cùng
mặt ph

ẳng) thì sóng ánh sáng có thể kết hợp và chịu sự giao thoa. Nếu các vectơ đó
không nằm trong cùng mặt phẳng, và dao động ở một số góc từ 90 đến 180 độ đối
với nhau, thì sóng không thể giao thoa với nhau. Sóng ánh sáng minh họa trong
hình 1.11 đều được xem là có vectơ điện trường dao động trong mặt phẳng trang
giấy. Ngoài ra, các sóng này đều có cùng bước sóng, và là kết hợp, nhưng khác
nhau về biên độ. Các sóng trong phần bên phải hình 1.11 có độ lệch pha 180 độ đối
v
ới nhau.
Giả sử tất cả các tiêu chuẩn liệt kê ở trên đều có, thì sóng có thể giao thoa hoặc là
tăng cường, hoặc là triệt tiêu để tạo ra sóng tổng hợp có biên độ hoặc là tăng thêm
hoặc là giảm bớt. Nếu như cực đại của sóng mà trùng với cực đại của sóng kia thì
biên độ tổng hợp được xác định bằng cách lấy tổng số học biên độ hai sóng ban đầu.
Ví dụ, nếu biên
độ của hai sóng bằng nhau, thì biên độ tổng hợp tăng gấp đôi. Trong
hình 1.11, sóng ánh sáng A có thể giao thoa tăng cường với sóng ánh sáng B, vì hai
sóng kết hợp có cùng pha, chỉ khác nhau về biên độ. Lưu ý rẳng cường độ ánh sáng
biến thiên tỉ lệ với bình phương của biên độ. Như vậy, nếu biên độ tăng gấp đôi thì
18

cường độ tăng gấp bốn lần. Sự giao thoa cộng gộp như vậy được gọi là giao thoa
tăng cường và kết quả là một sóng mới có biên độ tăng lên.
Nếu như cực đại của sóng này trùng với cực tiểu của sóng kia (trong thực tế, các
sóng lệch pha nhau 180 độ, hoặc là nửa bước sóng) thì biên độ tổng hợp giảm bớt,
hoặc thậm chí bị triệt tiêu hoàn toàn, như minh h
ọa với sóng A và sóng C ở bên
phải hình 1.11. Đây là sự giao thoa triệt tiêu, và kết quả thường là sự giảm biên độ
(hoặc cường độ). Trong trường hợp biên độ bằng nhau, nhưng lệch pha nhau 180
độ, các sóng sẽ khử nhau, tạo ra sự thiếu hụt màu sắc, hay là một màu đen hoàn
toàn. Các ví dụ trong hình 1.11 đều miêu tả các sóng truyền cùng hướng, nhưng
trong nhiều trường hợp, các sóng ánh sáng truyền theo những hướng khác nhau có

thể gặp nhau trong khoảng thời gian ng
ắn và chịu sự giao thoa. Tuy nhiên, sau khi
các sóng đi qua nhau, chúng sẽ tiếp tục cuộc hành trình ban đầu của mình, có biên
độ, bước sóng và pha y như lúc trước khi chúng gặp nhau.

Hình 1.11. Sự kết hợp giữa các sóng ánh sáng.
Hiện tượng giao thoa trong thế giới thực tế không được xác định rõ ràng như trường
hợp đơn giản miêu tả ở hình 1.11. Ví dụ, phổ nhiều màu sắc biểu hiện bởi bọt xà
phòng là do cả giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu của các sóng ánh sáng
khác nhau v
ề biên độ, bước sóng và độ lệch pha tương đối. Một kết hợp của các
B
B
ư
ư
ớ
ớ
c
c


s
s
ó
ó
n
n
g
g

B
B
i
i
ê
ê
n
n


đ
đ
ộ
ộ
S
S
ó
ó
n
n
g
g
A
A
S
S
ó
ó
n

n
g
g
B
B
S
S
ó
ó
n
n
g
g


C
C


B
B
i
i
ê
ê
n
n
đ
đ
ộ

ộ
t
t
ă
ă
n
n
g
g
B
B
i
i
ê
ê
n
n


đ
đ
ộ
ộ


g
g
i
i
ả

ả
m
m


S
S
ó
ó
n
n
g
g


t
t
ổ
ổ
n
n
g
g


h
h
ợ
ợ
p

p
(
(
A
A
+
+
B
B
)
)
S
S
ó
ó
n
n
g
g
t
t
ổ
ổ
n
n
g
g
h
h
ợ

ợ
p
p
(
(
A
A
+
+
C
C
)
)


G
G
i
i
a
a
o
o


t
t
h
h
o

o
a
a


t
t
ă
ă
n
n
g
g
c
c
ư
ư
ờ
ờ
n
n
g
g
G
G
i
i
a
a
o

o
t
t
h
h
o
o
a
a
t
t
r
r
i
i
ệ
ệ
t
t
t
t
i
i
ê
ê
u
u


B

B
ư
ư
ớ
ớ
c
c
s
s
ó
ó
n
n
g
g
B
B
i
i
ê
ê
n
n
đ
đ
ộ
ộ
S
S
ó

ó
n
n
g
g


A
A


19

sóng có biên độ xấp xỉ bằng nhau, nhưng có bước sóng và pha khác nhau, có thể tạo
ra nhiều phổ màu sắc và biên độ tổng hợp. Hơn nữa, khi hai sóng có cùng biên độ
và bước sóng lệch pha nhau 180 độ (nửa bước sóng) gặp nhau, chúng không thật sự
bị phá hủy, như biểu diễn trên hình 1.11. Mọi năng lượng photon có mặt trong
những sóng này vì lí do nào đó phải lấy lại hay là phân bố lại ở một hướng mới,
theo định luậ
t bảo toàn năng lượng (photon không có khả năng tự hủy). Cho nên,
khi gặp nhau, các photon sẽ được phân phối lại các vùng cho phép gia thoa tăng
cường, do đó kết quả phải được xem là sự phân bố lại sóng ánh sáng và năng lượng
photon chứ không phải sự tăng cường hoặc triệt tiêu tự phát của ánh sáng. Vì vậy,
những biểu đồ đơn giản, theo kiểu như hình 1.11, chỉ nên xem là công cụ hỗ trợ
việc tính toán năng lượ
ng ánh sáng truyền theo một hướng nào đó.
Ước lượng bước sóng ánh sáng

Hình 1.12. Hai sóng kết hợp xuất phát từ hai khe S
1

, S
2
trên màn chắn và tổ hợp tại
một điểm P, một điểm trên màn hứng cách trục chính giữa một khoảng y. Góc
θ

dùng để định vị điểm P. Trên hình cho biết trị số y là vị trí của vân sáng thứ 1.
Như đã chỉ rõ trong hình 1.10 và hình 1.12, tại vân trung tâm phải là vân sáng (hay
cực đại), cùng với các vân sáng khác phân bố hai bên vân sáng trung tâm chi phối
theo phương trình
S
S
2
2

S
S
1
1

L
L
P
P
θ
θ
D
D
y
y

a
a
V
V
â
â
n
n
s
s
á
á
n
n
g
g


t
t
h
h
ứ
ứ


1
1

L
L
+
+
λ
λ


V
V
â
â
n
n


s
s
á
á
n
n
g
g


t
t
h
h

ứ
ứ


1
1
L
L
+
+
λ
λ

L
L
a
a
/
/
2
2
a
a
/
/
2
2
Á
Á
p

p


d
d
ụ
ụ
n
n
g
g


đ
đ
ị
ị
n
n
h
h


l
l
ý
ý


P

P
y
y
t
t
h
h
a
a
g
g
o
o
r
r
e
e
a
a
n
n


đ
đ
ể
ể


t

t
ì
ì
m
m
L
L
v
v
à
à
L
L
+
+
λ
λ
() ()
22
22
/2 /2Dya Dya
λ
+− += ++
Á
Á
n
n
h
h

s
s
á
á
n
n
g
g
t
t
ớ
ớ
i
i


M
M
à
à
n
n


c
c
h
h
ắ

ắ
n
n


K
K
h
h
i
i
D
D
>
>
>
>
a
a
>
>
>
>
λ
λ


t
t
h

h
ì
ì


22 4 22
2
22
4
44
Da
y
a
λλλ
λ
−+
=
−
G
G
i
i
ả
ả
i
i
t
t
h
h

e
e
o
o
y
y
2
2

D
y
a
λ
≈
20

sinθ = mλ/a
trong đó λ là bước sóng ánh sáng, θ là góc giữa hướng truyền tới trung tâm và cực
đại thứ m của vân giao thoa, a là khoảng cách giữa hai khe. Dễ nhận ra khi m = 0
dẫn đến θ = 0, cho biết vân trung tâm là vân sáng.
1.2.2. Thí nghiệm nhiễu xạ khi chiếu ánh sáng qua vật nhiễu
[3]

Trong chuyên luận năm 1704 của ông về lí thuyết của các hiện tượng quang học,
Isaac Newton đã viết: “ánh sáng không bao giờ đi theo đường quanh co hoặc bẻ
cong thành bóng đổ”. Ông giải thích quan trắc này bằng việc mô tả các hạt ánh sáng
luôn luôn đi theo đường thẳng như thế nào, và các vật nằm trong đường đi của các
hạt ánh sáng tạo ra bóng đổ như thế nào do các hạt không thể trải ra phía sau vật.

Hình 1.13. Nhiễu xạ ánh sáng đỏ bởi cách tử.

Ở quy mô lớn, giả thuyết này được củng cố bởi các cạnh có vẻ sắc nhọn của bóng
đổ gây ra bởi các tia sáng Mặt Trời. Tuy nhiên, ở quy mô nhỏ hơn nhiều, khi ánh
sáng truyền qua gần một rào chắn, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh rào
chắn và trải ra theo góc xiên. Hiện tượng này gọi là sự nhiễu xạ ánh sáng, và xảy ra
khi sóng ánh sáng truyền rất gần mép của một vật hoặc qua m
ột lỗ nhỏ, ví dụ một
khe hoặc một lỗ nhỏ. Ánh sáng truyền qua lỗ một phần là do tương tác với các mép
của vật. Một ví dụ nhiễu xạ ánh sáng biểu thị trong hình 1.13 cho ánh sáng laser đỏ
kết hợp truyền qua một cách tử vạch rất nhỏ gồm một dải vạch trên mặt kính hiển
vi thủy tinh. Các vạch làm nhiễu xạ ánh sáng laser thành các chùm sáng chói cách
21

nhau đều đặn có thể nhìn thấy trên hình. Nhiễu xạ là hiện tượng tương tự với tán
sắc, nhưng không liên quan đến sự biến đổi bước sóng ánh sáng.
Những dải sáng thường nhìn thấy nằm trong mép của bóng hình học là kếtquả của
sự nhiễu xạ. Khi sóng ánh sáng truyền từ một điểm sáng ở xa chạm phải một vật
không trong suốt, chúng có xu hướng uốn cong xung quanh các mép, uốn cong cả
vào vùng bóng đổ
và quay trở lại qua đường đi của ánh sáng khác xuất phát từ cùng
nguồn. Các sóng uốn cong ra phía sau vật tạo ra một vạch sáng, nơi bóng đổ thông
thường bắt đầu, nhưng sóng cũng nảy trở lại vào đường đi của sóng ánh sáng chồng
chất phát ra từ cùng nguồn, tạo ra hình ảnh giao thoa ánh sáng và dải tối xung quanh
mép của vật, xem hình 1.14. Nhiễu xạ thường được giải thích bằng nguyên lí
Huygens, phát biểu rằng mỗi điểm trên mặ
t đầu sóng có thể xem là một nguồn phát
sóng mới.
Phụ thuộc vào trường hợp xảy ra hiện tượng, nhiễu xạ có thể được nhận thấy ở
nhiều kiểu khác nhau. Các nhà khoa học đã khéo léo sử dụng sự nhiễu xạ của
neutron và tia X để làm sáng tỏ sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong những tinh
thể ion nhỏ, các phân tử, và cả những cấu trúc phân tử vĩ mô lớn như thế

,
như protein và acid nucleic. Nhiễu xạ electron thường được sử dụng để xác định các
cấu trúc tuần tự của virus, màng, và những cơ thể sinh vật khác, cũng như các vật
liệu có sẵn trong tự nhiên và vật liệu tổng hợp nhân tạo. Không có loại ống kính có
sẵn nào sẽ hội tụ neutron và tia X thành hình ảnh, nên các nhà nghiên cứu phải khôi
phục hình ảnh phân tử và protein từ đặc trưng nhiễu xạ bằng phép phân tích toán
học ph
ức tạp. May thay, thấu kính từ có khả năng hội tụ electron nhiễu xạ
trong kính hiển vi điện tử, và thấu kính thủy tinh rất có ích cho việc tập trung ánh
sáng nhiễu xạ tạo thành hình ảnh quang học có thể dễ dàng nhìn thấy.
Một minh chứng rất đơn giản của sự nhiễu xạ ánh sáng có thể kiểm tra bằng cách
đưa một cánh tay ra phía trước một nguồn sáng mạnh và từ từ khép hai ngón tay lại
gầ
n nhau trong khi quan sát ánh sáng truyền qua giữa chúng. Khi các ngón tay tiến
tới gần nhau ở rất sít nhau (gần như tiếp xúc), người ta có thể bắt đầu nhìn thấy một
22

dải vạch tối song song với các ngón tay. Các vạch tối song song cùng với khu vực
sáng ở giữa chúng thật ra là hình ảnh nhiễu xạ. Hiệu ứng này được chứng minh rõ
ràng trong hình 1.14, cho các vòng nhiễu xạ xuất hiện xung quanh các mép sắc
nhọn của một lưỡi dao cạo khi nó được chiếu sáng với nguồn ánh sáng xanh mạnh
phát ra từ một nguồn laser.

Hình 1.14. Sự nhiễu xạ ánh sáng bởi lưỡi dao cạo.
Một ví dụ đơn giản khác, những rất phổ biến, của sự nhiễu xạ xảy ra khi ánh sáng
tán xạ hoặc bị bẻ cong bởi các hạt nhỏ có kích thước vật lí cùng bậc độ lớn với bước
sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt là sự trải rộng ra của chùm ánh sáng đèn pha ô tô bởi
sương mù hoặc các hạt bụi mịn. Lượ
ng tán xạ và góc mở rộng của chùm sáng phụ
thuộc vào kích thước và mật độ các hạt gây ra sự nhiễu xạ. Sự tán xạ ánh sáng, một

hình thức nhiễu xạ, cũng là nguyên nhân tạo ra màu xanh của bầu trời và cảnh bình
minh và hoàng hôn thường rực rỡ có thể thấy ở phía chân trời. Nếu như Trái Đất
không có bầu khí quyển (không có không khí, nước, bụi và các mảnh vụn) thì bầu
trời sẽ có màu đen, kể cả vào ban ngày. Khi ánh sáng t
ừ Mặt Trời truyền qua bầu
khí quyển của Trái Đất, những khối phân tử không khí riêng biệt có mật độ biến
thiên, do các dao động nhiệt và sự có mặt của hơi nước, sẽ làm tán xạ ánh sáng.
Những bước sóng ngắn nhất (tím và xanh dương) bị tán xạ nhiều nhất, làm cho bầu
trời có màu xanh thẩm. Khi có một lượng đáng kể bụi hoặc hơi ẩm trong không khí,
thì các bước sóng dài (chủ yếu là màu đỏ) c
ũng bị tán xạ cùng với bước sóng xanh
dương, làm cho bầu trời xanh trong có vẻ trắng hơn.
23

Khi Mặt Trời ở trên cao (khoảng giữa trưa) trong bầu khí quyển khô, trong trẻo, đa
số ánh sáng khả kiến truyền qua bầu khí quyển không bị tán xạ đáng kể, và Mặt
Trời có vẻ như trắng trên nền trời xanh thẩm. Khi Mặt Trời bắt đầu lặn, sóng ánh
sáng phải truyền qua lượng nhiều hơn của bầu khí quyển, thường chứa một số lượng
lớn các h
ạt bụi lơ lửng và hơi ẩm. Dưới những điều kiện này, những bước sóng dài
hơn của ánh sáng trở nên bị tán xạ và những màu khác bắt đầu lấn át màu của Mặt
Trời, biến đổi từ vàng sang cam, cuối cùng chuyển sang đỏ trước khi nó lặn khuất
dưới đường chân trời.
Chúng ta có thể thường thấy những sắc thái xanh dương, hồng, tía và xanh lá ở các
đám mây, phát sinh bởi sự kế
t hợp của các hiệu ứng khi ánh sáng bị khúc xạ và
nhiễu xạ từ những giọt nước trong các đám mây đó. Lượng nhiễu xạ phụ thuộc vào
bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn bị nhiễu xạ ở góc càng lớn so với bước
sóng dài (trong thực tế, ánh sáng xanh dương và tím bị nhiễu xạ ở góc lớn hơn so
với ánh sáng đỏ). Thuật ngữ nhiễu xạ và tán xạ cũng thường được dùng hoán đổi

nhau và có thể xem gần như là tương đương trong nhiều trường hợp. Sự nhiễu xạ
mô tả một trường hợp đặc biệt của sự tán xạ ánh sáng trong đó một vật có các đặc
trưng lặp lại đều đặn (ví dụ như vật tuần hoàn hoặc cách tử nhiễu xạ) tạo ra hình
ảnh nhiễu xạ có trật tự. Trong thế giới thực, đa số các v
ật có hình dạng rất phức tạp
và phải được xem là gồm nhiều đặc trưng nhiễu xạ riêng rẽ có thể cùng tạo ra một
sự tán xạ ánh sáng ngẫu nhiên.
Trong kính hiển vi, sự tán xạ hoặc nhiễu xạ ánh sáng có thể xảy ra tại mặt phẳng đặt
mẫu vật do tương tác của ánh sáng với các hạt hoặc đặc trưng nhỏ, và lại ở rìa của
vật kính hoặc tại mép c
ủa lỗ tròn ở trong hoặc ở gần phía sau vật kính. Sự nhiễu xạ,
hay sự trải rộng ánh sáng này cho phép người ta quan sát được hình ảnh phóng to
của mẫu vật trong kính hiển vi, tuy nhiên, sự nhiễu xạ cũng giới hạn kích thước của
vật thể có thể phân giải được. Nếu ánh sáng truyền qua một mẫu vật và nó không bị
hấp thụ hoặc nhiễu xạ thì mẫu vật sẽ không nhìn thấy được khi xem qua thị kính.
Cách thức ảnh được tạo ra trong kính hiển vi phụ thuộc sự nhiễu xạ ánh sáng thành
24

các sóng phân kì, rồi chúng tái kết hợp thành hình ảnh phóng đại qua sự giao thoa
tăng cường và triệt tiêu.
Khi chúng ta quan sát mẫu vật, trực tiếp hoặc với kính hiển vi, kính thiên văn,
hay thiết bị quang nào khác, hình ảnh chúng ta nhìn thấy gồm vô số điểm sáng
chồng chất tỏa ra từ bể mặt của mẫu vật đó. Do đó, sự xuất hiện và tính toàn vẹn
của hình ảnh từ một điểm sáng nào đ
ó giữ một vai trò quan trọng đối với sự tạo ảnh
toàn thể. Do các tia sáng tạo ảnh bị nhiễu xạ, nên một điểm sáng thật sự chưa bao
giờ được thấy là một điểm trong kính hiển vi, mà là một hình ảnh nhiễu xạ gồm một
đĩa hoặc một đốm sáng ở giữa có đường kính hạn chế và bao quanh là các vòng nhạt
dần. Hệ quả là ảnh của mẫu vật chưa bao giờ là hiện thân chính xác của mẫu vật, và
đặt ra giới hạn dưới về những chi tiết nhỏ nhất trong mẫu vật có thể được phân giải.

Năng suất phân giải là khả năng của một thiết bị quang học tạo ra hình ảnh tách biệt
nhau rõ rệt của hai điểm ở gần kề nhau. Tính đến điểm mà ở đó sự nhiễu xạ làm cho
độ phân giải bị giới hạn, thì chất lượng của thấu kính và gương trong thiết bị, cũng
như tính chất của môi trường xung quanh (thường là không khí) xác định độ phân
giải cuối cùng.
Một vài thí nghiệm cổ điển và cơ bản nhất giúp giải thích sự nhiễu xạ ánh sáng
được nêu ra lần đầu tiên giữa cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người
Italia Francesco Grimaldi, nhà khoa học ngườ
i Pháp Augustin Fresnel, nhà vật lí
người Anh Thomas Young, và một vài nhà nghiên cứu khác. Những thí nghiệm
này bao hàm sự truyền sóng ánh sáng qua một khe (lỗ) rất nhỏ, và chứng minh rằng
khi ánh sáng truyền qua khe, kích thước vật lí của khe xác định cách thức khe tương
tác với ánh sáng. Nếu bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với bề rộng lỗ hoặc
khe, thì sóng ánh sáng đơn giản là truyền tới trước theo đường thẳng sau khi đi qua
như thể không có lỗ ở đó (như biểu di
ễn trong hình 1.15). Tuy nhiên, khi bước sóng
vượt quá kích thước của khe, sự nhiễu ánh sáng xuất hiện, làm hình thành hình ảnh
nhiễu xạ gồm một phần sáng ở giữa (cực đại chính), bao quanh ở hai phía là dải cực
đại thứ cấp cách nhau bởi những vùng tối (cực tiểu, xem hình 1.16). Cực đại và cực
25

tiểu được tạo ra bởi sự giao thoa của sóng ánh sáng nhiễu xạ. Mỗi dải sáng kế tiếp
trở nên kém sáng hơn dải phía trước, tính từ cực đại trung tâm ra. Độ rộng của phần
sáng trung tâm và khoảng cách giữa các dải sáng tương ứng, phụ thuộc vào kích
thước của lỗ (khe) và bước sóng ánh sáng. Mối quan hệ này có thể mô tả bằng toán
học và chứng minh độ rộng của cực đại trung tâm giảm khi b
ước sóng giảm và
chiễu rộng lỗ tăng, nhưng có thể chưa bao giờ giảm đến kích thước của nguồn sáng
điểm.

Hình 1.15. Nhiễu xạ ánh sáng qua một khe (lỗ) nhỏ.
Sự phân bố cường độ ánh sáng nhiễu xạ bởi thí nghiệm khe đơn được biểu diễn trên
hình 1.15 và 16. Giả sử cả hai chùm ánh sáng trong hình 1.15 là gồm các sóng ánh
sáng kết hợp, đơn sắc phát ra từ một nguồn điểm cách khe đủ xa để các mặt đầu
sóng có thể xem là những đường thẳng song song nhau. Ánh sáng truyền qua khe bề
rộng d trong phần bên phải của hình có bước sóng
λ lớn hơn lỗ và bị nhiễu xạ với
chùm sáng tới chủ yếu tại điểm P và cực đại thứ cấp đầu tiên xuất hiện tại điểm Q.
Như đã chỉ rõ trong phần bên trái của hình 1.15, khi bước sóng nhỏ hơn nhiều so
với bề rộng khe thì sóng truyền đơn giản qua lỗ theo đường thẳng như thể một hạt
hoặc không có lỗ ở
đó. Tuy nhiên, khi bước sóng vượt quá kích thước của lỗ, nó bị