ÁNH SÁNG: LỊCH SỬ, BẢN CHẤT, HÀNH VI, TRUYỀN BÁ - VẬT LÝ - 2025

Các ánh sáng là một sóng điện từ có thể được phát hiện bởi cảm giác thị giác. Nó tạo thành một phần của quang phổ điện từ: cái được gọi là ánh sáng khả kiến. Trong nhiều năm, nhiều lý thuyết khác nhau đã được đưa ra để giải thích bản chất của nó.

Ví dụ, niềm tin rằng ánh sáng bao gồm một dòng hạt phát ra từ các vật thể hoặc bởi mắt người quan sát đã được giữ vững từ lâu. Niềm tin này của người Ả Rập và người Hy Lạp cổ đại đã được chia sẻ bởi Isaac Newton (1642-1727) để giải thích các hiện tượng ánh sáng.

Hình 1. Bầu trời trong xanh nhờ sự tán xạ của ánh sáng mặt trời trong khí quyển. Nguồn: Pixabay.

Mặc dù Newton nghi ngờ rằng ánh sáng có đặc tính sóng và Christian Huygens (1629-1695) đã tìm cách giải thích sự khúc xạ và phản xạ bằng lý thuyết sóng, niềm tin về ánh sáng như một hạt vẫn phổ biến trong tất cả các nhà khoa học cho đến đầu thế kỷ 19. .

Vào buổi bình minh của thế kỷ đó, nhà vật lý người Anh Thomas Young đã chứng minh rằng các tia sáng có thể giao thoa với nhau, giống như các sóng cơ học trong dây.

Điều đó chỉ có thể có nghĩa rằng ánh sáng là sóng chứ không phải hạt, mặc dù không ai biết nó là loại sóng gì cho đến năm 1873, James Clerk Maxwell tuyên bố rằng ánh sáng là sóng điện từ.

Với sự hỗ trợ của các kết quả thí nghiệm của Heinrich Hertz năm 1887, bản chất sóng của ánh sáng đã được xác lập như một thực tế khoa học.

Nhưng vào đầu thế kỷ 20, bằng chứng mới đã xuất hiện về bản chất vật thể của ánh sáng. Bản chất này có trong các hiện tượng phát xạ và hấp thụ, trong đó năng lượng ánh sáng được vận chuyển trong các gói được gọi là “photon”.

Vì vậy, vì ánh sáng truyền như một sóng và tương tác với vật chất như một hạt, một bản chất kép hiện được công nhận trong ánh sáng: sóng-hạt.

Bản chất của ánh sáng

Rõ ràng rằng bản chất của ánh sáng là hai mặt, lan truyền như một sóng điện từ, mà năng lượng của nó là các photon.

Chúng, không có khối lượng, chuyển động trong chân không với tốc độ không đổi 300.000 km / s. Đó là tốc độ đã biết của ánh sáng trong chân không, nhưng ánh sáng có thể truyền qua các phương tiện khác, mặc dù ở các tốc độ khác nhau.

Khi các photon đến mắt chúng ta, các cảm biến phát hiện sự hiện diện của ánh sáng sẽ được kích hoạt. Thông tin được truyền đến não và được giải thích ở đó.

Khi một nguồn phát ra một số lượng lớn các photon, chúng ta xem nó như một nguồn sáng. Ngược lại, nếu nó phát ra ít, nó được hiểu là một nguồn không rõ ràng. Mỗi photon có một năng lượng nhất định, được não bộ diễn giải như một màu sắc. Ví dụ như các photon màu xanh có nhiều năng lượng hơn các photon màu đỏ.

Bất kỳ nguồn nào thường phát ra các photon có năng lượng khác nhau, do đó có màu sắc mà nó được nhìn thấy.

Nếu không có gì khác phát ra photon với một loại năng lượng duy nhất, nó được gọi là ánh sáng đơn sắc. Tia laser là một ví dụ điển hình về ánh sáng đơn sắc. Cuối cùng, sự phân bố của các photon trong một nguồn được gọi là quang phổ.

Một sóng cũng được đặc trưng bởi có một bước sóng nhất định. Như chúng ta đã nói, ánh sáng thuộc về quang phổ điện từ, bao phủ một dải bước sóng cực kỳ rộng, từ sóng vô tuyến đến tia gamma. Hình ảnh sau đây cho thấy một chùm ánh sáng trắng tán xạ một lăng kính tam giác như thế nào. Ánh sáng được tách thành các bước sóng dài (đỏ) và ngắn (xanh lam).

Ở giữa là dải bước sóng hẹp được gọi là quang phổ khả kiến, nằm trong khoảng từ 400 nanomet (nm) đến 700 nm.

Hình 2. Quang phổ điện từ thể hiện phạm vi của ánh sáng nhìn thấy. Nguồn: Nguồn: Wikimedia Commons. Tác giả: Horst Frank.

Hành vi của ánh sáng

Ánh sáng có hành vi kép, sóng và hạt như đã khảo sát. Ánh sáng truyền theo cách giống như sóng điện từ, và do đó, nó có khả năng vận chuyển năng lượng. Nhưng khi ánh sáng tương tác với vật chất, nó hoạt động giống như một chùm hạt gọi là photon.

Hình 4. Sự lan truyền của sóng điện từ. Nguồn: Wikimedia Commons. SuperManu.

Năm 1802, nhà vật lý Thomas Young (1773-1829) đã chứng minh rằng ánh sáng có hành vi sóng bằng thí nghiệm khe kép.

Bằng cách này, anh ta có thể tạo ra giao thoa cực đại và cực tiểu trên màn hình. Hành vi này là đặc trưng của sóng và do đó Young đã có thể chứng minh rằng ánh sáng là sóng và cũng có thể đo bước sóng của nó.

Khía cạnh khác của ánh sáng là của một hạt, được biểu thị bằng các gói năng lượng gọi là photon, chuyển động trong chân không với tốc độ c = 3 x 10 ⁸ m / s và không có khối lượng. Nhưng chúng có năng lượng E:

Và cả động lượng của độ lớn:

Trong đó h là hằng số Planck, có giá trị là 6,63 x 10 ^-34 Joule. giây và f là tần số của sóng. Kết hợp các biểu thức sau:

Và vì bước sóng λ và tần số có quan hệ với nhau bởi c = λ.f nên nó vẫn là:

Nguyên tắc Huygens

Hình 5. Mặt trước sóng và tia sáng truyền theo đường thẳng. Nguồn: Serway. R. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật.

Khi nghiên cứu hành vi của ánh sáng, có hai nguyên tắc quan trọng cần xem xét: nguyên lý Huygens và nguyên lý Fermat. Nguyên tắc của Huygens nói rằng:

Tại sao sóng hình cầu? Nếu chúng ta giả sử rằng môi trường là đồng nhất thì ánh sáng do nguồn điểm phát ra sẽ truyền theo mọi hướng như nhau. Chúng ta có thể tưởng tượng ánh sáng lan truyền ở giữa một quả cầu lớn với các tia phân bố đều. Bất cứ ai quan sát ánh sáng này sẽ nhận thấy rằng nó truyền theo đường thẳng về phía mắt mình và chuyển động vuông góc với mặt sóng.

Nếu các tia sáng đến từ một nguồn rất xa, chẳng hạn như Mặt trời, thì mặt trước sóng là phẳng và các tia song song. Đây là những gì mà phương pháp quang học hình học hướng tới.

Nguyên lý Fermat

Nguyên lý của Fermat nói rằng:

Nguyên lý này do nhà toán học người Pháp Pierre de Fermat (1601-1665), người đã thiết lập nó lần đầu tiên vào năm 1662.

Theo nguyên tắc này, trong môi trường đồng nhất ánh sáng truyền với tốc độ không đổi, do đó nó có chuyển động thẳng đều và quỹ đạo của nó là một đường thẳng.

Sự lan truyền ánh sáng

Ánh sáng truyền đi giống như sóng điện từ. Cả điện trường và từ trường đều tạo ra nhau, tạo thành các sóng cùng pha và vuông góc với nhau và có hướng truyền.

Nói chung, một sóng lan truyền trong không gian có thể được mô tả dưới dạng mặt trước của sóng. Đây là tập hợp các điểm có biên độ và pha bằng nhau. Biết vị trí của mặt sóng tại một thời điểm nhất định, bất kỳ vị trí nào tiếp theo đều có thể được biết, theo nguyên lý của Huygens.

Nhiễu xạ

Laser nhiễu xạ bởi một khe lục giác. Lienzocian

Hành vi sóng của ánh sáng được chứng minh rõ ràng bằng hai hiện tượng quan trọng nảy sinh trong quá trình truyền của nó: nhiễu xạ và giao thoa. Trong nhiễu xạ, các sóng, dù là nước, âm thanh hay ánh sáng, đều bị biến dạng khi đi qua các khe hở, đi xung quanh chướng ngại vật hoặc đi quanh các góc.

Nếu khẩu độ lớn so với bước sóng thì độ méo không lớn lắm, nhưng nếu khẩu độ nhỏ thì sự thay đổi dạng sóng dễ nhận thấy hơn. Sự nhiễu xạ là một thuộc tính độc quyền của sóng, vì vậy khi ánh sáng thể hiện sự nhiễu xạ, chúng ta biết rằng nó có hành vi sóng.

Giao thoa và phân cực

Về phần mình, sự giao thoa ánh sáng xảy ra khi các sóng điện từ tạo nên chúng chồng lên nhau. Khi làm như vậy, chúng được thêm vào theo phương pháp véc tơ và điều này có thể làm phát sinh hai loại nhiễu:

–Cấu tạo, khi cường độ của sóng tạo thành lớn hơn cường độ của các thành phần.

–Diệt suất nếu cường độ nhỏ hơn các thành phần.

Hiện tượng giao thoa sóng ánh sáng xảy ra khi các sóng là đơn sắc và luôn có độ lệch pha như nhau. Đây được gọi là tính nhất quán. Ví dụ như ánh sáng như thế này có thể phát ra từ tia laser. Các nguồn thông thường như bóng đèn sợi đốt không tạo ra ánh sáng kết hợp vì ánh sáng phát ra từ hàng triệu nguyên tử trong dây tóc liên tục thay đổi pha.

Nhưng nếu đặt một bóng mờ có hai khe hở nhỏ gần nhau trên cùng một bóng đèn thì ánh sáng đi ra mỗi khe đóng vai trò là nguồn kết hợp.

Cuối cùng, khi các dao động của trường điện từ đều cùng phương, thì sự phân cực xảy ra. Ánh sáng tự nhiên không phân cực, vì nó được tạo thành từ nhiều thành phần, mỗi thành phần dao động theo một hướng khác nhau.

Thử nghiệm của Young

Vào đầu thế kỷ 19, nhà vật lý người Anh Thomas Young là người đầu tiên thu được ánh sáng kết hợp với một nguồn sáng bình thường.

Trong thí nghiệm khe kép nổi tiếng của mình, ông đã truyền ánh sáng qua một khe trong một màn hình mờ đục. Theo nguyên lý Huygens, hai nguồn thứ cấp được tạo ra, lần lượt đi qua một màn mờ thứ hai có hai khe.

Hình 6. Hình ảnh động về thí nghiệm khe đôi của Young. Nguồn: Wikimedia Commons.

Do đó, ánh sáng thu được chiếu sáng một bức tường trong một căn phòng tối. Những gì có thể nhìn thấy là một mô hình bao gồm các vùng sáng và tối xen kẽ. Sự tồn tại của vân này được giải thích bởi hiện tượng giao thoa được mô tả ở trên.

Thí nghiệm của Young rất quan trọng vì nó tiết lộ bản chất sóng của ánh sáng. Sau đó, thí nghiệm đã được thực hiện với các hạt cơ bản như electron, neutron và proton, với kết quả tương tự.

Hiện tượng ánh sáng

Suy ngẫm

Phản xạ ánh sáng trong nước

Khi một tia sáng chiếu vào bề mặt, một phần ánh sáng có thể bị phản xạ và một phần bị hấp thụ. Nếu nó là một môi trường trong suốt, một số ánh sáng tiếp tục đi qua nó.

Ngoài ra, bề mặt có thể nhẵn như gương, hoặc thô ráp và không bằng phẳng. Sự phản xạ xảy ra trên một bề mặt nhẵn được gọi là phản xạ đặc trưng, ​​nếu không nó là phản xạ khuếch tán hoặc phản xạ không đều. Bề mặt được đánh bóng cao, chẳng hạn như gương, có thể phản xạ tới 95% ánh sáng tới.

Phản xạ gương

Hình bên cho thấy một tia sáng truyền trong một môi trường, có thể là không khí. Nó rơi ở góc θ ₁ trên một bề mặt hình phẳng và bị phản xạ ở góc θ ₂ . Đường biểu thị pháp tuyến vuông góc với bề mặt.

Góc tới bằng góc phản xạ. Nguồn: Serway. R. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật.

Cả tia tới và tia phản xạ và pháp tuyến đối với bề mặt hạt đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Người Hy Lạp cổ đại đã quan sát thấy rằng góc tới bằng với góc phản xạ:

Biểu thức toán học này là định luật phản xạ ánh sáng. Tuy nhiên, các sóng khác như âm thanh chẳng hạn, cũng có khả năng phản xạ.

Hầu hết các bề mặt đều thô ráp và do đó phản xạ ánh sáng bị khuếch tán. Bằng cách này, ánh sáng chúng phản xạ được gửi đến mọi hướng, vì vậy có thể nhìn thấy các đối tượng từ bất cứ đâu.

Vì một số bước sóng bị phản xạ nhiều hơn những bước sóng khác, các vật thể có màu sắc khác nhau.

Ví dụ, lá cây phản xạ ánh sáng xấp xỉ giữa quang phổ khả kiến, tương ứng với màu xanh lục. Phần còn lại của các bước sóng nhìn thấy được hấp thụ: từ tia cực tím gần đến ánh sáng xanh lam (350-450 nm) và ánh sáng đỏ (650-700 nm).

Khúc xạ

Hiện tượng khúc xạ. Josell7

Sự khúc xạ ánh sáng xảy ra do ánh sáng truyền đi với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào môi trường. Trong chân không, tốc độ ánh sáng là c = 3 x 10 ⁸ m / s, nhưng khi ánh sáng đến môi trường vật chất, các quá trình hấp thụ và phát xạ phát sinh làm cho năng lượng giảm đi và kéo theo tốc độ.

Ví dụ, khi chuyển động trong không khí, ánh sáng truyền cùng tốc độ với c, nhưng trong nước, ánh sáng truyền với vận tốc 3/4 c, trong khi trong thủy tinh, ánh sáng truyền với vận tốc xấp xỉ 2/3 c.

Chỉ số khúc xạ

Chiết suất được ký hiệu là n và được định nghĩa là thương số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không c và tốc độ của nó trong môi trường v:

Chiết suất luôn lớn hơn 1, vì tốc độ ánh sáng trong chân không luôn lớn hơn trong môi trường vật chất. Một số giá trị tiêu biểu của n là:

-Không khí: 1.0003

-Nước: 1,33

-Kính: 1.5

-Diamond: 2,42

Luật Snell

Khi một tia sáng chiếu xiên vào biên giới giữa hai phương tiện, chẳng hạn như không khí và thủy tinh, một phần ánh sáng bị phản xạ và một phần khác tiếp tục đi vào thủy tinh.

Trong trường hợp này, bước sóng và tốc độ biến thiên khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, nhưng không phải là tần số. Vì v = c / n = λ.f và cũng trong chân không nên c = λo. f, thì chúng ta có:

Tức là bước sóng trong môi trường nhất định luôn nhỏ hơn bước sóng trong chân không λo.

Hình 8. Định luật Snell. Nguồn: Hình bên trái: giản đồ khúc xạ ánh sáng. Rex, A. Cơ bản của Vật lý. Hình bên phải: Wikimedia Commons. Josell7.

Lưu ý các tam giác có cạnh huyền chung màu đỏ. Trong mỗi môi trường, cạnh huyền đo lần lượt là λ ₁ / sin θ ₁ và λ ₂ / sin θ ₂ , vì λ và v tỷ lệ thuận với nhau, do đó:

Vì λ = λ _o / n nên chúng ta có:

Có thể được diễn đạt như sau:

Đây là công thức của định luật Snell, để vinh danh nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snell (1580-1626), người đã suy ra nó bằng thực nghiệm bằng cách quan sát ánh sáng truyền từ không khí sang nước và thủy tinh.

Ngoài ra, định luật Snell được viết theo tốc độ ánh sáng trong mỗi môi trường, sử dụng định nghĩa chiết suất: n = c / v:

Sự phân tán

Như đã giải thích ở trên, ánh sáng được tạo thành từ các photon với các năng lượng khác nhau, và mỗi năng lượng được coi là một màu sắc. Ánh sáng trắng chứa các photon của tất cả các năng lượng và do đó có thể được chia thành các ánh sáng màu khác nhau. Đây là sự tán xạ ánh sáng, đã được Newton nghiên cứu.

Những giọt nước trong khí quyển giống như những lăng kính nhỏ. Nguồn: Pixabay.

Newton đã lấy một lăng kính quang học, cho một chùm ánh sáng trắng xuyên qua nó, và thu được các sọc màu từ đỏ đến tím. Phần rìa này là quang phổ của ánh sáng khả kiến ​​được nhìn thấy trong Hình 2.

Sự tán xạ ánh sáng là một hiện tượng tự nhiên, vẻ đẹp mà chúng ta chiêm ngưỡng trên bầu trời khi cầu vồng hình thành. Ánh sáng mặt trời rơi vào các giọt nước trong khí quyển, chúng hoạt động giống như lăng kính Newton nhỏ bé, do đó làm tán xạ ánh sáng.

Màu xanh lam mà chúng ta nhìn thấy bầu trời cũng là hệ quả của sự phân tán. Giàu nitơ và oxy, bầu khí quyển phân tán chủ yếu các sắc thái của xanh lam và tím, nhưng mắt người nhạy cảm hơn với màu xanh lam và do đó chúng ta nhìn thấy bầu trời có màu này.

Khi Mặt trời ở thấp hơn trên đường chân trời, trong lúc mặt trời mọc hoặc lặn, bầu trời chuyển sang màu cam do các tia sáng phải đi qua một lớp dày hơn của khí quyển. Các tông màu đỏ của tần số thấp tương tác ít hơn với các thành phần của khí quyển và được tận dụng để tiếp cận trực tiếp bề mặt.

Các bầu khí quyển giàu bụi và ô nhiễm, chẳng hạn như ở một số thành phố lớn, có bầu trời xám xịt do sự phân tán của các tần số thấp.

Các lý thuyết về ánh sáng

Ánh sáng chủ yếu được coi là hạt hoặc sóng. Thuyết vật thể mà Newton bảo vệ, coi ánh sáng như một chùm hạt. Trong khi đó sự phản xạ và khúc xạ có thể được giải thích đầy đủ bằng cách giả định rằng ánh sáng là sóng, như Huygens đã lập luận.

Nhưng rất lâu trước khi có những nhà khoa học xuất chúng này, người ta đã suy đoán về bản chất của ánh sáng. Trong số đó không thể vắng mặt nhà triết học Hy Lạp Aristotle. Dưới đây là tóm tắt ngắn gọn về các lý thuyết về ánh sáng theo thời gian:

Lý thuyết của Aristotle

Cách đây 2.500 năm, Aristotle đã tuyên bố rằng ánh sáng xuất hiện từ mắt người quan sát, chiếu sáng các vật thể và quay trở lại theo một cách nào đó cùng với hình ảnh để người ta có thể đánh giá cao nó.

Lý thuyết vật thể của Newton

Newton tin rằng ánh sáng bao gồm các hạt nhỏ truyền theo đường thẳng theo mọi hướng. Khi đến mắt, chúng ghi nhận cảm giác dưới dạng ánh sáng.

Lý thuyết sóng Huygens

Huygens đã xuất bản một công trình có tên là Treatise on light, trong đó ông đề xuất rằng đây là sự nhiễu loạn của môi trường tương tự như sóng âm thanh.

Lý thuyết điện từ của Maxwell

Mặc dù thí nghiệm khe kép không để lại bất kỳ nghi ngờ nào về bản chất sóng của ánh sáng, trong phần lớn thế kỷ 19, người ta đã suy đoán về loại sóng của nó, cho đến khi Maxwell tuyên bố trong lý thuyết điện từ của mình rằng ánh sáng bao gồm sự lan truyền của một trường điện từ.

Ánh sáng như một sóng điện từ giải thích các hiện tượng truyền của ánh sáng như được mô tả trong các phần trước và là một khái niệm được vật lý học hiện nay chấp nhận, cũng như bản chất tiểu thể của ánh sáng.

Lý thuyết phân tử của Einstein

Theo quan niệm hiện đại về ánh sáng, nó bao gồm các hạt không khối lượng và không tích điện được gọi là photon. Mặc dù không có khối lượng, chúng có động lượng và năng lượng, như đã giải thích ở trên. Lý thuyết này đã giải thích thành công cách thức mà ánh sáng tương tác với vật chất, bằng cách trao đổi năng lượng dưới dạng các đại lượng rời rạc (lượng tử hóa).

Sự tồn tại của lượng tử ánh sáng được Albert Einstein đề xuất để giải thích hiệu ứng quang điện do Heinrich Hertz phát hiện ra vài năm trước đó. Hiệu ứng quang điện bao gồm sự phát xạ các electron bởi một chất mà trên đó một số loại bức xạ điện từ đã bị cản trở, hầu như luôn nằm trong dải từ tia cực tím đến ánh sáng nhìn thấy.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 7. Sóng và Vật lý lượng tử. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Thể chất. Các lý thuyết về ánh sáng. Đã khôi phục từ: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Ngày 6. Ed Prentice Hall.
4. Chuyển động sóng. Nguyên lý Fermat. Được khôi phục từ: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề.
6. Romero, O. 2009. Vật lý. Santillana Siêu văn bản.
7. Serway, R. 2019. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. ngày 10. Phiên bản. Khối lượng 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Giới thiệu về Khoa học Vật lý. Ấn bản thứ mười hai. Phiên bản Brooks / Cole, Cengage.
9. Wikipedia. Ánh sáng. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.