Bài 7: Nhiễu xạ ánh sáng

• Mục đích:

Xác định bước sóng của một chùm sáng đơn sắc nhờ vào hiện tượng nhiễu xạ trên cách tử.

• Phần mềm mô phỏng:

Chưa cập nhật

• Video minh hoạ:

• Bản chất phép đo:

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta muốn đo độ dài của bước sóng ánh sáng ứng với một màu đơn sắc (hình 1). Theo nguyên tắc chung của mọi phép đo, ta phải tìm cách sao cho đại lượng cần đo, đại lượng mà ta chưa biết, đi so sánh với một "vật" cùng bậc về kích cỡ mà ta đã biết. Vật đó có thể xem như thước đo. Vật cần đo phải cho tương tác, bắn phá... vào vật làm thang đo. Muốn đo một đối tượng lớn, ta cần một cây thước lớn. Muốn đo một đối tượng nhỏ, ta cần một cây thước nhỏ.

Hình 1: Mỗi màu đơn sắc tương ứng với một bước sóng nhất định.

Ánh sáng lại có bước sóng rất nhỏ. Trong dải ánh sáng nhìn thấy, nó có giá trị khoảng từ 400 đến 600 nanomet. Để xác định bước sóng của một màu ánh sáng đơn sắc nào đó, ta cũng cần loại thước đo có vạch chia nhỏ tương ứng. Thước đo chúng ta sử dụng trong thí nghiệm này chính là cách tử.

Cách tử là một hệ quang học, trên bề mặt khắc lên những vạch đều đặn song song. Đặc trưng chính của cách tử chính là khoảng cách d giữa hai vạch liên tiếp, hay còn gọi là chu kì của cách tử, chỉ lớn hơn bước sóng cần đo khoảng vài chục lần, đóng vai trò như vạch chia của thước đo ánh sáng.

Có hai loại cách tử chính: cách tử phản xạcách tử truyền qua. Trên hình 2 biểu diễn phản ứng của nhiều ánh sáng có bước sóng khác nhau trên bề mặt cách tử phản xạ (ví dụ trên bề mặt một đĩa CD). Các màu đơn sắc khác nhau tạo những góc lệch khác nhau. Biết được chu kì của cách tử, đồng thời đo được góc lệch của tia sáng, ta có thể đánh giá về bước sóng của ánh sáng chiếu đến.

Hình 2: Phản ứng của ánh sáng thuộc các bước sóng khác nhau trên cách tử phản xạ.

Bài thí nghiệm của chúng ta thực hiện trên cách tử truyền qua, có thể hình dung như tập hợp rất nhiều khe hẹp song song. Trên hình 3 thể hiện bức tranh nhiễu xạ trong nhiều trường hợp số khe khác nhau: N=2, N=4, N=8, N=16.

Hình 3: Phân bố cường độ ánh sáng trên màn sau khi đi qua cách tử 

Tính toán lý thuyết cho thấy rằng, hình ảnh nhiễu xạ qua cách tử rải ra thành các cực đại chính, giữa hai cực đại chính liên tiếp xuất hiện thêm các cực đại phụ. Cứ với hệ cách tử làm từ N khe sẽ tạo ra N-2 cực đại phụ xen giữa mỗi cặp cực đại chính liên tiếp. Vấn đề cực tiểu chính và cực tiểu phụ chúng ta không bàn đến và cũng không ảnh hưởng đến thí nghiệm.

Trên thực tế số khe N của cách tử rất lớn, do đó các cực đại phụ trở nên mờ nhạt không đáng kể, còn các cực đại chính trở nên nổi bật, sắc nét. Vì thế trong bài thí nghiệm chúng ta đo khoảng cách giữa các cực đại chính. Trên hình 4 là sơ đồ dụng cụ thí nghiệm, bao gồm nguồn tia lazer, cách tử và màn quan sát.

Hình 4: Sơ đồ dụng cụ thí nghiệm

Cực đại chính xuất hiện là do sự đồng pha giữa các nguồn thứ cấp chuyển đến từ mỗi khe:

\begin{equation}
d\sin\varphi=k\lambda,\qquad k=0,\pm 1,\pm 2,\dots
\end{equation}

trong đó \varphigóc lệch khỏi phương ban đầu của chùm lazer, \lambda - bước sóng cần đo. k=0 tương ứng với cực đại chính trung tâm, k=\pm 1 tương ứng với cực đại chính bậc 1. Ta đo khoảng cách a giữa hai cực đại chính bậc 1 để suy ra góc lệch của các tia này:

\sin\varphi\approx\tan\varphi=\frac{a}{2f},

với f là khoảng cách từ cách tử đến màn. Từ đây ta có công thức xác định bước sóng:

\lambda=d\cdot\frac{a}{2f}.

• Câu hỏi kiểm tra:

Loại C:

  • Khái niệm ánh sáng đơn sắc, ánh sáng không đơn sắc, cho ví dụ.
  • Mối liên hệ giữa màu sắc và bước sóng. Ánh sáng xanh lục từ lá cây có phải là ánh sáng đơn sắc hay không?
  • Viết phương trình lan truyền của một sóng phẳng đơn sắc. Chỉ rõ biên độ, pha, chu kỳ, bước sóng.
  • Khái niệm về hiện tượng nhiễu xạ. Điều kiện nào thì hiện tượng nhiễu xạ trở nên rõ nét?
  • Khái niệm về cách tử.

Loại B:

  • Bước sóng của các loại ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng nào? So sánh với bước sóng của tử ngoại, hồng ngoại, sóng radio.
  • Tại sao dùng cách tử có thể phân biệt được hai chùm sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau?
  • Viết và chứng minh công thức tính bước sóng dựa trên các tham số của hệ nhiễu xạ.
  • Phát biểu nguyên lý Huygens-Fresnel. Diễn tả quá trình truyền sóng theo quan điểm Huygens-Fresnel.

Loại A:

  • Tại sao ánh sáng chiếu qua cửa sổ, ta xem rằng ánh sáng truyền thẳng và tạo bóng, còn khi chiếu qua khe hẹp, ta lại không xem rằng ánh sáng truyền thẳng nữa?
  • Tại sao cũng là sóng điện từ như ánh sáng, nhưng sóng điện thoại hay truyền hình vẫn có thể bắt được trong nhà, trong khi ta không nhìn thấy trực tiếp cột phát sóng?
  • Tại sao ta không thể nhìn thấy một người ở bên kia tấm chắn, nhưng vẫn nghe thấy âm thanh nói chuyện của họ?
  • Sử dụng nguyên lý Huygens-Fresnel để giải thích hiện tượng khúc xạ ánh sáng trên mặt phân cách giữa hai môi trường.