Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 10: Ánh sáng trong các môi trường

Chương 10ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNGKhi ánh sáng đi qua môi trường vật chất, nó bị ảnh hưởng theo ba cáchPhản xạ hoặc là khúc xạ Cường độ của nó bị giảm khi đi qua môi trường (bị hấp thụ, tán xạ ánh sáng hay phân cực). Vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn c (hiện tượng tán sắc). 10.1. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Hình 10.1L Idx IoChiếu chùm sáng đơn sắc song song có cường độ Io vuông góc vào một lớp môi trường có độ dày L. Nếu bỏ qua sự mất ánh sáng do phản xạ và tán xạ mà cường độ I của ánh sáng ra khỏi môi trường giảmSự hấp thụ ánh sáng bởi môi trường. 2. Giải thích theo quan niệm cổ điển Sự hấp thụ ánh sáng là kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (ánh sáng) với vật chất. Giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp nên trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của sóng tới. Cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng. Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số , các electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa với tần số . Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp. 3. Định luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sángChia vật (hình 10.1) thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dxĐộ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất hấp thụ tỉ lệ với độ dày dx và với cường độ của ánh sáng tới:dI =  .I.dx (10.1)Lấy tích phân biểu thức (10.1) từ x = 0 đến x = L I = I0 exp(L) Trong đó:  là hệ số, đặc trưng cho độ giảm cường độ gọi là hệ số hấp thụ của môi trường, không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng. Cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ. I = I0 exp(L) 4. Màu sắc của các vật Một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với mọi bức xạ khả kiến Vật sẽ không có màu sắc Vật hấp thụ hoàn toàn mọi ánh sáng thấy được Vật có màu đen Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc màu được giải thích bằng sự hấp thụ có chọn lựa. Ví dụ kính lọc màu đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam 10.2. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG Trong thực tế không có môi trường nào hoàn toàn đồng chất, mà có độ chênh lệch của mật độ, nhiệt độ Ánh sáng không những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ.1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ (TYNDALL):a) Thí nghiệmOBSAHình 10.2Cho một chùm tia sáng song song đi qua một ống thủy tinh đựng nước tinh khiết (hình 10.2)OB vuông góc với tia sáng sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trong ống. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó.Quy luật : Chùm tia tới là ánh sáng trắng, ánh sáng tán xạ theo phương tạo với chùm tia tới một góc  càng lớn sẽ ngã về màu xanh lam -> Ánh sáng bước sóng ngắn sẽ bị tán xạ mạnh nhất. Nếu ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ làm với phương của chùm tia tới một góc 0 nc ->tia thường bị khúc xạ nhiều hơn tia bất thường * no> nc -> người ta đã chọn hình dạng và kích thước của nicol sao cho tia thường đi tới lớp nhựa sẽ bị phản xạ toàn phần, dùng lớp nhựa sơn đen ở mặt bên CA1 để hấp thụ nó. *ne tia bất thường bao giờ cũng truyền qua được lớp nhựa, tiếp tục truyền trong băng lan rồi ló ra ngoài nicol theo phương song song tới tia tới. Sau nicol, ta chỉ nhận được tia bất thường là tia sáng phân cực toàn phần có vectơ cường độ điện trường dao động trong tiết diện ứng với tia đó.10.8 ÁNH SÁNG PHÂN CỰC ELLIP VÀ PHÂN CỰC TRÒNSóng sáng có thể được biểu diễn bởi hai sóng phân cực thẳng vuông góc với nhau: Sóng sáng tổng hợp sau bản, có vectơ E bằng:Ta có:Từ (10.13) ta có:Thay vào (10.17) ta đượcĐây là phương trình của đường ellip với các trục không song song với các trục tọa độ mà nghiêng một góc  (hình 10.16).OHình 10.16Xét các trường hợp đặc biệt sau:Khi hiệu pha  giữa hai sóng phân cực phẳng có giá trị không đổi tùy ý, mút của vectơ E của sóng sáng dịch chuyển theo một đường ellip xác định nào đó : ta có ánh sáng phân cực ellip.b) Khi hiệu pha giữa hai sóng Phương trình (10.18) thànhĐây là phương trình của ellip có hai trục trùng với trục tọa độ hai bán trục E0x và Eoy (góc  = 0) * Nếu góc  = 45o ánh sáng phân cực tròn c) Khi hiệu pha  =  k  phương trình (10.18) thành: Phương trình của một đoạn đường thẳng đi qua gốc tọa độ ánh sáng phân cực thẳng.(a)(b)(c)Hình 10.1710.9. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC QUAY VÀ ỨNG DỤNGÁnh sáng đơn sắc từ một nguồn sáng tự nhiên S đi qua kính phân cực P và kính phân tích A đặt vuông góc với nhau.SL1Hình 10.18PAA Hình 10.19Bản thạch anhÁnh sáng không đi qua được kính phân tích A. Nếu đặt giữa kính phân cực P và kính phân tích A một bản mặt song song làm bằng tinh thể thạch anhÁnh sáng đi qua được kính phân tích A. Muốn cho ánh sáng không đi qua được kính A thì ta phải quay kính phân tích A một góc  Có mặt của bản mặt song song làm quay mặt phẳng phân cực một góc . Hiện tượng phân cực quay Hiện tượng phân cực quay là hiện tượng làm quay mặt phẳng phân cực khi ánh sáng phân cực đi qua một cấu trúc tinh thể. Góc quay  của mặt phẳng phân cực tỉ lệ thuận với độ dày d của bản mặt song song: = d Bên cạnh những tinh thể có tính chất phân cực quay còn có những chất lỏng tinh khiết, các dung dịch có tính chất như vậy. Các chất có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng tới gọi là những chất quang hoạt. Còn khả năng làm quay mặt phẳng phân cực thì gọi là tính quang hoạt. Tính quang hoạt của dung dịch tỉ lệ thuận với chiều dày của lớp dung dịch và nồng độ của nó. Định luật Biot  = [] dC SO1PRA Hình 10.21 Đường kếO2Đường kế được bố trí như hình 10.21 Nếu kính phân tích vuông góc với phương OO’ thì trường sáng bên phải sẽ tắt (hình 10.20c). Trong trường hợp kính phân tích vuông góc với phương OO1 thì cả hai trường sáng đều mờ như nhau. Nếu đặt kính phân tích vuông góc với phương OO’ thì trường sáng bên trái sẽ bị tắt (hình 10.20b). Kính phân cực có thể biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực thẳng nhưng phương dao động của ánh sáng phân cực sẽ theo hai phương OO’ và OO’’ (hình 10.20a). OO O (a)(b)(c)(d)Hình 10.20O110.10. NHỮNG ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG1. Quang thông Hình 10.22dSOQuang thông do một chùm sáng gửi tới diện tích dS là một đại lượng có trị số bằng phần năng lượng gây ra cảm giác sáng gửi tới dS trong một đơn vị thời gianGọi dQ là năng lượng ánh sáng thấy được gửi đến diện tích dS trong thời gian,quang thông dФ của nguồn gửi đến diện tích ta xét là: Gọi Q là toàn bộ năng lượng của ánh sáng thấy được do nguồn phát ra trong thời gian, quang thông Ф toàn phần của nguồn là:2. Độ sáng (cường độ sáng)a) Góc khối: OrdS Hình 10.23dSnGóc khối nhìn thấy diện tích dS từ điểm O là phần không gian giới hạn bởi hình nón có đỉnh tại O và có các đường sinh tựa trên chu vi của dS dSn = dS.cosb) Độ sáng: Độ sáng của nguồn theo một phương nào đó là một đại lượng có giá trị bằng quang thông của nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó.c) Đơn vị của độ sáng: Candela (viết tắt là cd) Candela là độ sáng đo theo phương vuông góc với một diện tích nhỏ, có diện tích 1/600.000 m2, bức xạ như một vật bức xạ toàn phần, ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101325 N/m2.3. Độ trưng Độ trưng của nguồn khối là đại lượng vật lý về trị số bằng quang thông toàn phần do một đơn vị diện tích của nguồn khối ấy phát ra. Nếu gọi d là quang thông toàn phần do phần tử bề mặt dS của nguồn phát ra thì độ trưng của phần tử bề mặt đó là:Đơn vị độ trưng: lumen 4. Độ chóiOAMdSndSHình 10.25Gọi là góc hợp bởi phương AM và pháp tuyến An của phần tử diện tích dS, dSn là hình chiếu của dS lên mặt phẳng vuông góc với phương AM, ta có: dSn = dS.cosHình 10.26Quang thông toàn phần rời mặt S =Quang thông toàn phần rời khỏi một đơn vị diện tích của nguồn khối = độ trưng RQuang thông trên đơn vị diện tích trong đơn vị góc khối = độ chói BdSDiện tích S Diện tích dS càng chói nếu như cường độ sáng do nó phát ra ứng với một đơn vị diện tích của dSn càng nhiều.càng lớndI là cường độ ánh sáng do diện tích dS phát ra theo phương AM. Độ chói của diện tích phát sáng dS theo phương AM là đại lượng vật lý về trị số bằng cường độ sang do nó phát ra theo phương đó trên một đơn vị diện tích của mặt nhìn thấy được dSn của nó.B phụ thuộc góc  do đó ta viết: B = B() * Nếu B = const thì mặt phát sáng được gọi là nguồn Lambert. Đối với nguồn Lambert, quang thông toàn phần do phần tử diện tích dS của nó phát ra bằng:Candela trên mét vuông (cd/m2 ) hay còn gọi là nít (nt)Đơn vị của độ chói:Mặt phát sángĐộ chói (nit)Đèn néonNgọn lửa đèn dầu hỏaDây tóc kim loại của đèn điệnBề mặt mặt trăng nay rằm nhìn qua khí quyểnBề mặt mặt trời10001,5.104(1,52).10 625001,5.109 Độ chói nhỏ nhất mắt người nhận biết được khoảng 106 nt. Dưới đây ta nêu một vài số liệu về độ chói của một số mặt phát sáng:5. Độ rọiĐộ rọi E của một mặt nào đó là một đại lượng có giá trị bằng quang thông gửi tới một đơn vị diện tích mặt đó.a) Định nghĩa: b) Độ rọi gây bởi nguồn điểm: OrdSHình 10.27Quang thông gửi tới dS Độ rọi của diện tích dS Độ rọi của mặt được chiếu sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ mặt ấy đến nguồn.c) Đơn vị đo độ rọi: lux (viết tắt là lx) là độ rọi của một mặt mà cứ 1m2 của mặt đó nhận đựoc một quang thông là 1 lumen.d) Sự phát sáng của một mặt được rọi sáng Khi ta rọi ánh sáng đến một mặt nào đó, một phần ánh sáng tới bị mặt đó hấp thụ hoặc để truyền qua, phần còn lại bị mặt ấy phản xạ hoặc khuếch tán về mọi phía. Mặt nhận được ánh sáng lại có thể được gọi là nguồn phát sáng.Nếu quang thông gởi tới mặt là dФ, vậy quang thông phản xạ hay khuếch tán trên mặt là: dФ’ = kdФ k được gọi là hệ số phản xạ hay hệ số khuyếch tán E là độ rọi của bề mặt ta xét:R’ là độ trưng của mặt bề đó:Gọi: R’ = kE 6. Hiệu suất sángĐược định nghĩa bằng tỷ số quang thông phát ra bởi một nguồn sáng trên công suất vào. Đơn vị là lm/W . Nguồn sáng thông thường có thể chia ra làm ba loại:a) Đèn nóng có dây tóc bằng tungstenb) Đèn hơic) Đèn huỳnh quanga) Đèn nóng sánga) Đèn nóng sáng có dây tóc bằng tungsten được đốt nóng đến nhiệt độ cao . Đèn loại này có hiệu suất tăng lên theo công suất vì công suất càng cao, nhiệt độ của dây tóc càng cao thì phần ánh sáng nhìn thấy trong toàn bộ bức xạ càng lớn. b) Đèn hơi Đèn hơi chứa một chất khí hoặc hơi gây bức xạ khi có dòng điện chạy qua. Màu của ánh sáng phát ra tùy thuộc vào bản chất của hơi. Đèn hơi có hiệu suất cao hơn đèn dây tóc. Đèn huỳnh quang Đèn huỳnh quang gồm một ống thủy tinh chứa đầy hỗn hợp hơi thủy ngân và khí trơ như Argon . Khi có dòng điện chạy qua hỗn hợp, bức xạ tử ngoại được phát ra. Thành trong của ống được phủ một lớp phát quang phát ra ánh sáng nhìn thấy khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại. Đèn huỳnh quang tạo ra rất ít nhiệt nên có hiệu suất cao.