Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 5: Sóng ánh sáng

Nội dung text: Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 5: Sóng ánh sáng

1. CHƯƠNG 5. SÓNG ÁNH SÁNG A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ 1. Định nghĩa Tán sắc ánh sáng là sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm sáng đơn sắc. Khi cho một ánh sáng trắng đi qua lăng kính thì nó không những bị khúc xạ về phía đáy lăng kính, mà còn bị tách ra thành nhiều chùm sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ tới tím. 2. Ánh sáng đơn sắc, ánh sáng trắng - Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi đi qua lăng kính. Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu gọi là màu đơn sắc. Mỗi màu đơn sắc trong mỗi môi trường có một bước sóng xác định. - Ánh sáng trắng là tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau có màu biến thiên từ đỏ đến tím. - Chiết suất của các chất trong suốt biến thiên theo màu sắc ánh sáng và tăng dần từ màu đỏ đến màu tím. STUDY TIP Trong hiện tượng tán sắc, tia đỏ lệch ít nhất, tia tím lệch nhiều nhất. Chú ý - Khi truyền qua các môi trường trong suốt khác nhau vận tốc của ánh sáng thay đổi, bước sóng của ánh sáng thay đổi còn tần số của ánh sáng thì không thay đổi. - Dải có màu như cầu vồng (có vô số màu nhưng được chia thành 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) gọi là quang phổ của ánh sáng trắng. 3. Giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng - Chiết suất của chất làm lăng kính có giá trị khác nhau đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau. Chiết suất của môi trường trong suốt tăng dần theo thứ tự với các ánh sáng đơn sắc: đỏ, dam cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. - Khi qua lăng kính, các ánh sáng đơn sắc khác nhau bị lệch với các góc lệch khác nhau nên bị tách ra thành dải màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím, tia đỏ bị lệch ít nhất, tia tím bị lệch nhiều nhất. 4. Ứng dụng của sự tán sắc ánh sáng - Máy quang phổ phân tích một chùm sáng đa sắc, do các vật sáng phát ra, thành các thành phần đơn sắc. - Hiện tượng cầu vồng xảy ra do sự tán sắc ánh sáng, các tia sáng Mặt Trời đã bị khúc xạ và phản xạ trong các giọt nước trước khi tới mắt ta. - Giải thích hiện tượng quang sai, sắc sai với thấu kính. Trang 1
2. II.HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG 1. Nhiễu xạ ánh sáng Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, quan sát được khi ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ hoặc gần mép những vật trong suốt hoặc không trong suốt. Ví dụ: Ở hình bên, ánh sáng sau khi đi qua lỗ hẹp O, đặt mắt ngay gần vùng ab ta vẫn cảm nhận được ánh sáng và trông thấy rất rõ lỗ O. - Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chỉ có giải thích được nếu thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng. - Mỗi chùm sáng đơn sắc (còn gọi là chùm bức xạ đơn sắc) là một chùm sáng có bước sóng và tần số xác định. 2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng - Hai chùm sáng kết hợp là hai chùm phát ra ánh sáng có cùng tần số và có độ lệch pha không đổi theo thời gian. - Khi hai chùm sáng kết hợp nhau chúng sẽ giao thoa: + Những chỗ hai sóng gặp nhau mà cùng pha nhau, chúng tăng cường lẫn nhau tạo thành các vân sáng. + Những chỗ hai sóng gặp nhau mà ngược pha với nhau, chúng triệt tiêu nhau tạo thành các vân tối. - Nếu ánh sáng trắng giao thoa thì hệ thống vân của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng nhau: + Ở chính giữa, vân sáng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau nằm trùng nhau cho một vân sáng trắng gọi là vân trắng chính giữa (vân trung tâm). + Ở hai bên vân trung tâm, các vân sáng khác của các sóng ánh sáng đơn sắc khác nhau không trùng với nhau nữa, chúng nằm kề sát bên nhau và cho những quang phổ có màu như ở màu cầu vồng. - Hiện tượng giao thoa ánh sáng là bằng chứng thực nghiệm khẳng định ánh sáng có tính chất sóng. 3. Bước sóng và màu sắc ánh sáng - Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định trong chân không. Trang 2
3. - Những màu chính trong quang phổ ánh sáng trắng (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) ứng với từng vùng có bước sóng lân cận nhau. Bảng màu và bước sóng của ánh sáng trong chân không như sau: Màu sắc Bước sóng trong chân không (μm) Bước sóng trong chân không (nm) Đỏ 0,640 - 0,760 640 - 760 Cam 0,590 - 0,650 590 - 650 Vàng 0,570 - 0,600 570 - 600 Lục 0,500 - 0,575 500 - 575` Lam 0,450 - 0,510 450 - 510 Chàm 0,430 - 0,460 430 - 460 Tím 0,380 - 0,440 380 - 440 Bảng 5.1: Bảng màu sắc và bước sóng tương ứng Chú ý Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) đều có bước sóng trong chân không (hoặc không khí) trong khoảng từ 0,38 μm (ánh sáng tím) đến 0,76 μm (ánh sáng đỏ). III. QUANG PHỔ 1. Máy quang phổ lăng kính - Máy phang phổ là dụng cụ phân tích chùm sáng nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau. Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ lăng kính STUDY TIP Máy dùng để nhận biết các thành phần cấu tạo của một chùm sáng phức tạp do một nguồn phát ra. - Máy quang phổ có ba bộ phận chính: • Ống chuẩn trực là bộ phận tạo ra chùm sáng song song. • Hệ tán sắc có tác dụng phân tích chùm tia song song thành nhiều chùm tia đơn sắc song song. • Buồng ảnh dùng để quan sát hay chụp ảnh quang phổ. - Nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng. 2. Các loại quang phổ Quang phổ liên tục Quang phổ vạch phát xạ Quang phổ vạch hấp thụ Định Là một dải màu có màu từ Là một hệ thống những Là một hệ thống gồm các vạch nghĩa đỏ đến tím nối liền nhau vạch sáng riêng rẻ, ngăn hay đám vạch tối trên nền quang một cách liên tục cách nhau bởi những phổ liên tục. khoảng tối. Nguồn Do các chất rắn, chất lỏng Do các chất khí, hay hơi ở - Các chất rắn, chất lỏng, chất khí Trang 3
4. phát hay chất khí có áp suất lớn áp suất thấp phát ra khi bị đều cho được quang phổ hấp thụ. khi bị nung nóng phát ra kích thích (khi nóng sáng, - Điều kiện để có quang phổ hấp hoặc khi có dòng điện thụ: Nhiệt độ của đám khí hay hơi phóng qua). phải thấp hơn nhiệt độ nguồn phát quang phổ liên tục. Đặc - Không phụ thuộc thành - Mỗi nguyên tố hóa học có - Quang phổ hấp thụ của chất khí điểm phần cấu tạo nguồn sáng. một quang phổ vạch đặc chỉ chứa các vạch hấp thụ. - Các chất khác nhau ở trưng của nguyên tố đó. - Còn quang phổ của chất lỏng và cùng một nhiệt độ thì hoàn - Các nguyên tố khác nhau rắn lại chứa “đám”, mỗi đám gồm toàn giống nhau về quang thì phát ra các quang phổ nhiều vạch hấp thụ nối tiếp nhau phổ liên tục. vạch khác nhau về: số một cách liên tục. - Chỉ phụ thuộc nhiệt độ lượng vạch, màu sắc, bước của nguồn sáng. sóng (tức là về vị trí các - Ở mọi nhiệt độ, vật đều vạch) và độ sáng tỉ đối giữa bức xạ. các vạch. - Khi nhiệt độ tăng dần, cường độ bức xạ càng mạnh và miền quang phổ lan dần từ bức xạ có bước sóng dài sang bức xạ có bước sóng ngắn. Ứng Dùng để xác định nhiệt độ Biết được thành phần cấu Nhận biết sự có mặt của nguyên dụng của các vật (đặc biệt là tạo của nguồn sáng. tố trong các hỗn hợp hay hợp những vật ở rất xa và có Nhận biết được sự có mặt chất. nhiệt độ cao) như dây tóc của các nguyên tố trong bóng đèn, lò cao, và cả hỗn hợp hay hợp chất. nhiệt độ của các ngôi sao ở rất xa. Bảng 5.2: Bảng so sánh và phân loại quang phổ 3. Hiện tượng đảo vạch quang phổ - Trong thí nghiệm tạo ra quang phổ vạch hấp thụ, nếu tắt nguồn sáng trắng thì người ta thấy nền quang phổ liên tục biến mất, đồng thời các vạch tối của quang phổ vạch hấp thụ biến thành các vạch màu của quang phổ vạch phát xạ của chính đám khí hay hơi đó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đảo vạch quang phổ. - Ở một nhiệt độ nhất định, một đám khí hay hơi có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào đó thì nó cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng đơn sắc đó. IV. CÁC LOẠI TIA V. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ Tia hồng ngoại Tia tử ngoại Tia X Bản chất Cùng là sóng điện từ nhưng có bước sóng khác nhau Định nghĩa Bức xạ điện từ không Bức xạ điện từ không nhìn Tia X là sóng điện từ có nhìn thấy, có bước sóng thấy, có bước sóng nhỏ hơn bước sóng 10 11 m đến lớn hơn bước sóng của bước sóng của ánh sáng tím. 10 8 m. ánh sáng đỏ. Bước sóng 7,6.10 7 m đến 10 3 m. 10 8 m đến 3,8.10 7 m. 10 11 m đến 10 8 m. Trang 4
5. Nguồn phát - Mặt Trời là nguồn phát - Mặt Trời là một nguồn phát - Ống tia X hồng ngoại mạnh ra tia tử ngoại mạnh. Hồ - Ống Cu-lit-giơ - Các vật có nhiệt độ lớn quang điện, đèn hơi thủy ngân - Phản ứng hạt nhân hơn 0K đều phát ra tia là các nguồn phát ra tia tử hồng ngoại ngoại khá mạnh. - Bóng đèn dây tóc, bếp - Nói chung, những vật có ga, bếp than, điốt hồng nhiệt độ trên 2000C đều có ngoại, là những nguồn phát ra tia tử ngoại (ngoài việc phát ra tia hồng ngoại có phát ra tia hồng ngoại và ánh sáng thấy được). Tính chất Vì các tia đều có bản chất là sóng điện từ nên đều có thể truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, - Có tác dụng nhiệt mạnh. - Bị nước và thủy tinh hấp thụ - Tia X có tính đâm xuyên - Có tác dụng lên phim rất mạnh nhưng lại hầu như mạnh. ảnh. trong suốt đối với thạch anh. - Có tác dụng lên kính ảnh - Có thể gây ra phản ứng - Có tác dụng lên phim ảnh. (làm đen kính ảnh dùng để hóa học (ví dụ như tạo ra - Có thể gây ra các phản ứng chụp X quang). phản ứng hóa học trên hóa học. - Làm phát quang một số phim hồng ngoại). - Kích thích phát quang một chất. - Có thể biến điệu như số chất (nhờ tác dụng phát - Làm ion hóa không khí. sóng điện từ cao tần. quang người ta dùng tia tử - Có tác dụng sinh lý, hủy ngoại làm máy soi tiền). diệt tế bào. - Làm ion hóa không khí. - Có tác dụng sinh học, hủy diệt tế bào Ứng dụng - Dùng để chụp điện, chiếu điện. - Dùng để dò tìm vết xước - Dùng để dò tìm vết nứt - Dùng để sấy, sưởi. trên bề mặt sản phẩm. bên trong các sản phẩm đúc. - Dùng để chụp ảnh hay - Dùng để điều trị chứng bệnh - Dùng trong kiểm tra hành quay phim ban đêm. còi xương ở trẻ em. lý ở sân bay. - Dùng để truyền tín hiệu - Dùng để tiệt trùng cho thực - Dùng để diệt khuẩn. điều khiển trong các bộ phẩm. - Dùng trong điều trị ung điều khiển từ xa (remote). - Dùng làm nguồn sáng cho thư nông, gần da. các máy soi tiền giả. - Dùng để nghiên cứu cấu trúc của mạng tinh thể. Bảng 5.3 Bảng so sánh các loại tia V. THANG SÓNG ĐIỆN TỪ - Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia Rơnghen, tai gamma là sóng điện từ. - Tuy vậy, vì tần số và bước sóng khác nhau, nên các sóng điện từ có những tính chất rất khác nhau (có thể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy, có khả năng đâm xuyên khác nhau, các phát khác nhau). - Với các tia có bước sóng dài ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa. Sóng điện từ Bước sóng (m) Tia gamma Dưới 10 12 Trang 5
6. Tia Rơn-ghen 10 11 10 8 Tia tử ngoại 10 9 3,8.10 7 Ánh sáng nhìn thấy 3,8.10 7 7,6.10 7 Tia hồng ngoại 7,6.10 7 10 3 Sóng vô tuyến 10 3 trở lên Chú ý Các tia có bước sóng càng ngắn (tia X, tia gamma) có tính chất đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, làm phát quang các chất và dễ ion hóa không khí Trang 6