Sáu hiện tượng quan trọng mô tả hành vi của sóng ánh sáng nếu nó gặp chướng ngại vật trên đường đi của nó. Những hiện tượng này bao gồm phản xạ, khúc xạ, phân cực, tán sắc, giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Bài viết này sẽ tập trung vào phần cuối cùng trong số chúng.
Tranh chấp về bản chất của ánh sáng và các thí nghiệm của Thomas Young
Vào giữa thế kỷ 17, có hai lý thuyết về bản chất của tia sáng ngang nhau. Người sáng lập ra một trong số chúng là Isaac Newton, người tin rằng ánh sáng là tập hợp các hạt vật chất chuyển động nhanh. Lý thuyết thứ hai do nhà khoa học người Hà Lan Christian Huygens đưa ra. Ông tin rằng ánh sáng là một loại sóng đặc biệt truyền trong môi trường giống như cách âm thanh truyền trong không khí. Theo Huygens, môi trường cho ánh sáng là ête.
Vì không ai phát hiện ra ête, và quyền lực của Newton rất lớn vào thời điểm đó, lý thuyết của Huygens đã bị bác bỏ. Tuy nhiên, vào năm 1801, Thomas Young, người Anh đã tiến hành thí nghiệm sau: ông cho ánh sáng đơn sắc đi qua hai khe hẹp nằm gần nhau. Đi quaanh ấy chiếu ánh sáng lên tường.
Kết quả của trải nghiệm này là gì? Nếu ánh sáng là các hạt (tiểu thể), như Newton tin, thì hình ảnh trên tường sẽ tương ứng với hai dải sáng rõ ràng đến từ mỗi khe. Tuy nhiên, Jung đã quan sát một bức tranh hoàn toàn khác. Một loạt các sọc sáng tối xuất hiện trên tường, với các vạch sáng xuất hiện ngay cả bên ngoài của cả hai khe. Hình bên dưới thể hiện sơ đồ của kiểu ánh sáng được mô tả.
Bức ảnh này nói lên một điều: ánh sáng là sóng.
Hiện tượng nhiễu xạ
Hình ảnh vân sáng trong thí nghiệm của Young liên hệ với hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng. Cả hai hiện tượng đều khó tách rời nhau, vì trong một số thí nghiệm có thể quan sát thấy hiệu ứng tổng hợp của chúng.
Sự nhiễu xạ ánh sáng bao gồm việc thay đổi mặt trước của sóng khi nó gặp chướng ngại vật trên đường đi của nó, kích thước của chúng có thể so sánh bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng. Từ định nghĩa này, rõ ràng là nhiễu xạ không chỉ đặc trưng cho ánh sáng mà còn cho bất kỳ sóng nào khác, chẳng hạn như sóng âm thanh hoặc sóng trên bề mặt biển.
Cũng rõ ràng là tại sao hiện tượng này không thể quan sát được trong tự nhiên (bước sóng ánh sáng là vài trăm nanomet, vì vậy bất kỳ vật thể vĩ mô nào cũng tạo ra bóng rõ ràng).
Nguyên tắc Huygens-Fresnel
Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng được giải thích bằng nguyên lý đã đặt tên. Bản chất của nó là như sau: một phẳng nghiêng lan truyềnmặt trước sóng dẫn đến sự kích thích của sóng thứ cấp. Những sóng này có hình cầu, nhưng nếu môi trường là đồng nhất, sau đó, xếp chồng lên nhau, chúng sẽ dẫn đến mặt trước phẳng ban đầu.
Ngay khi bất kỳ chướng ngại nào xuất hiện (ví dụ, hai khoảng trống trong thí nghiệm của Jung), nó sẽ trở thành nguồn phát sóng thứ cấp. Vì số lượng các nguồn này có hạn và được xác định bởi các đặc điểm hình học của vật cản (trong trường hợp hai khe mỏng chỉ có hai nguồn thứ cấp) nên sóng tạo thành sẽ không còn tạo ra mặt trước phẳng ban đầu. Cái sau sẽ thay đổi hình dạng của nó (ví dụ: nó sẽ có hình cầu), hơn nữa, cực đại và cực tiểu của cường độ ánh sáng sẽ xuất hiện ở các phần khác nhau của nó.
Nguyên lý Huygens-Fresnel chứng minh rằng các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng là không thể tách rời.
Cần điều kiện gì để quan sát nhiễu xạ?
Một trong số chúng đã được đề cập ở trên: đó là sự hiện diện của các chướng ngại vật nhỏ (theo thứ tự của bước sóng). Nếu chướng ngại vật có kích thước hình học tương đối lớn, thì hình ảnh nhiễu xạ sẽ chỉ được quan sát gần các cạnh của nó.
Điều kiện quan trọng thứ hai đối với sự nhiễu xạ ánh sáng là sự kết hợp của các sóng từ các nguồn khác nhau. Điều này có nghĩa là chúng phải có độ lệch pha không đổi. Chỉ trong trường hợp này, do bị nhiễu nên mới có thể quan sát hình ảnh ổn định.
Tính nhất quán của các nguồn đạt được một cách đơn giản, chỉ cần một hoặc nhiều chướng ngại vật là có thể vượt qua mọi ánh sáng từ một nguồn từ một nguồn qua một hoặc nhiều chướng ngại vật. Nguồn thứ cấp từ nhữngchướng ngại vật sẽ hoạt động như một cách mạch lạc.
Lưu ý rằng để quan sát giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng, không nhất thiết nguồn sơ cấp phải đơn sắc. Điều này sẽ được thảo luận bên dưới khi xem xét cách tử nhiễu xạ.
Fresnel và nhiễu xạ Fraunhofer
Nói một cách dễ hiểu, nhiễu xạ Fresnel là việc kiểm tra mẫu trên màn hình nằm gần khe. Mặt khác, nhiễu xạ Fraunhofer coi một mẫu thu được ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với chiều rộng của khe, ngoài ra, nó giả định rằng mặt sóng tới trên khe là phẳng.
Hai loại nhiễu xạ này được phân biệt vì các dạng của chúng khác nhau. Điều này là do sự phức tạp của hiện tượng đang được xem xét. Thực tế là để có được một lời giải chính xác của bài toán nhiễu xạ, cần phải sử dụng lý thuyết về sóng điện từ của Maxwell. Nguyên lý Huygens-Fresnel, được đề cập trước đó, là một phép gần đúng tốt để thu được các kết quả có thể sử dụng thực tế.
Hình bên dưới cho thấy hình ảnh trong mẫu nhiễu xạ thay đổi như thế nào khi di chuyển màn hình ra khỏi khe.
Trong hình, mũi tên màu đỏ hiển thị hướng của màn hình tiếp cận tới khe, nghĩa là, hình trên tương ứng với nhiễu xạ Fraunhofer và hình dưới tương ứng với Fresnel. Như bạn có thể thấy, khi màn hình tiếp cận khe, hình ảnh trở nên phức tạp hơn.
Hơn nữa trong bài viết, chúng tôi sẽ chỉ xem xét nhiễu xạ Fraunhofer.
Sự nhiễu xạ bởi một khe nhỏ (công thức)
Như đã nói ở trên,hình ảnh nhiễu xạ phụ thuộc vào dạng hình học của vật cản. Trong trường hợp một khe mỏng có bề rộng a được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ thì có thể quan sát được vị trí của các cực tiểu (bóng) cho các góc ứng với đẳng thức
sin (θ)=m × λ / a, trong đó m=± 1, 2, 3…
Góc theta ở đây được đo từ đường vuông góc nối tâm của khe và màn hình. Nhờ công thức này, có thể tính được ở những góc nào thì sóng tắt hẳn trên màn sẽ xảy ra. Hơn nữa, có thể tính toán bậc của nhiễu xạ, tức là số m.
Vì chúng ta đang nói về nhiễu xạ Fraunhofer, nên L>>a, trong đó L là khoảng cách đến màn hình từ khe. Bất đẳng thức cuối cùng cho phép bạn thay thế sin của một góc bằng một tỷ số đơn giản của tọa độ y với khoảng cách L, dẫn đến công thức sau:
ym=m × λ × L / a.
Ở đây ymlà tọa độ vị trí của thứ tự m nhỏ nhất trên màn hình.
Nhiễu xạ khe (phân tích)
Các công thức được đưa ra trong đoạn trước cho phép chúng ta phân tích sự thay đổi của hình ảnh nhiễu xạ với sự thay đổi của bước sóng λ hoặc độ rộng khe a. Do đó, sự gia tăng giá trị của a sẽ dẫn đến sự giảm tọa độ của cực tiểu bậc nhất y1, tức là, ánh sáng sẽ được tập trung trong một cực đại trung tâm hẹp. Việc giảm chiều rộng của khe sẽ dẫn đến việc kéo dài tối đa trung tâm, tức là nó trở nên mờ. Tình huống này được minh họa trong hình bên dưới.
Thay đổi bước sóng có tác dụng ngược lại. Các giá trị lớn của λdẫn đến hình ảnh bị mờ. Điều này có nghĩa là sóng dài nhiễu xạ tốt hơn sóng ngắn. Yếu tố sau có tầm quan trọng cơ bản trong việc xác định độ phân giải của các dụng cụ quang học.
Sự nhiễu xạ và độ phân giải của dụng cụ quang học
Việc quan sát nhiễu xạ ánh sáng là giới hạn độ phân giải của bất kỳ dụng cụ quang học nào, chẳng hạn như kính thiên văn, kính hiển vi và thậm chí cả mắt người. Khi nói đến các thiết bị này, họ coi sự nhiễu xạ không phải bởi một khe, mà bởi một lỗ tròn. Tuy nhiên, tất cả các kết luận được đưa ra trước đó vẫn đúng.
Ví dụ, chúng ta sẽ xem xét hai ngôi sao phát sáng ở một khoảng cách rất xa so với hành tinh của chúng ta. Lỗ thông qua đó ánh sáng đi vào mắt của chúng ta được gọi là đồng tử. Từ hai ngôi sao trên võng mạc hình thành hai vân nhiễu xạ, mỗi vân có cực đại trung tâm. Nếu ánh sáng từ các ngôi sao chiếu vào đồng tử ở một góc tới hạn nhất định, thì cả hai cực đại sẽ hợp nhất thành một. Trong trường hợp này, một người sẽ nhìn thấy một ngôi sao duy nhất.
Tiêu chí phân giải được đặt ra bởi Lord J. W. Rayleigh, vì vậy nó hiện mang họ của ông. Công thức toán học tương ứng có dạng như sau:
sin (θc)=1, 22 × λ / D.
Đây là đường kính của lỗ tròn (thấu kính, đồng tử, v.v.).
Do đó, có thể tăng độ phân giải (giảm θc) bằng cách tăng đường kính thấu kính hoặc giảm chiều dàisóng. Biến thể đầu tiên được thực hiện trong kính thiên văn giúp giảm θcvài lần so với mắt người. Lựa chọn thứ hai, tức là giảm λ, được ứng dụng trong kính hiển vi điện tử, có độ phân giải tốt hơn 100.000 lần so với các dụng cụ ánh sáng tương tự.
Cách tử nhiễu xạ
Là tập hợp các khe mỏng nằm cách nhau một khoảng d. Nếu mặt trước sóng phẳng và rơi song song với cách tử này thì vị trí của cực đại trên màn được mô tả bằng biểu thức
sin (θ)=m × λ / d, trong đó m=0, ± 1, 2, 3…
Công thức cho thấy cực đại bậc 0 xuất hiện ở tâm, phần còn lại nằm ở một số góc θ.
Vì công thức chứa sự phụ thuộc của θ vào bước sóng λ, điều này có nghĩa là cách tử nhiễu xạ có thể phân hủy ánh sáng thành các màu giống như lăng kính. Thực tế này được sử dụng trong quang phổ học để phân tích quang phổ của các vật thể phát sáng khác nhau.
Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất về nhiễu xạ ánh sáng là việc quan sát các sắc thái màu trên đĩa DVD. Các rãnh trên nó là một cách tử nhiễu xạ, bằng cách phản xạ ánh sáng, phân hủy nó thành một loạt màu.
