Vật Lí đại cương A2 (Điện – Quang) - Bài tập phần 9

Nội dung text: Vật Lí đại cương A2 (Điện – Quang) - Bài tập phần 9

1. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Tuy vậy ta vẫn quan sát được nó trong khí quyển, trong nước biển. Sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, tức là ở trạng thái mà chất khí về tính chất trở nên đồng nhất với chất lỏng. Khi đó ánh sáng bị tán xạ rất mạnh. 3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman. Năm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc biệt trong chất lỏng và chất khí. Manderstam và Raman nhận thấy rằng, trong các thành phần quang phổ của ánh sáng tán xạ, ngoài các vạch có tần số bằng tần số của ánh sáng kích thích, ở hai bên của mỗi vạch mạnh còn xuất hiện một vạch yếu hơn gọi là vạch tùy tùng, có tần số bằng tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ. Vì vậy, hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. Tán xạ tổ hợp ánh sáng có những quy luật sau đây: 1.Mỗi vạch quang phổ của ánh sáng kích thích đều có vạch tùy tùng. 4.Khi tăng nhiệt đô, cường độ của các vạch tùy tùng "tím" tăng nhanh; còn cường độ của các vạch tùy tùng "đỏ" giảm đi. Vạch tùy tùng "đỏ" còn gọi là vạch Stock, và vạch tùy tùng "tím" gọi làü vạch đối Stock. Sự xuất hiện các vạch Stock và đối Stock trong quang phổ tán xạ ánh sáng có thể giải thích được theo lý thuyết cổ điển, nhưng không giải thích được sự phân bổ cường độ của chúng. Chẳng hạn, từ lý thuyết cổ điển sẽ suy ra được Hình 19.6 cường độ của vạch Stock và đối Stock bằng nhau. Ðó là điều trái với thực nghiệm. Các hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng cho ta một phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu tạo phân tử, đặc biệt là phân tử các chất hữu cơ. Tần số hấp thụû hồng ngoại của một chất chính là tần số dao động riêng của các nguyên tử trong phân tử của chất đó. Nhờ hiện Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 91
2. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nên ta có thể thay thế việc nghiên cứu phổ hấp thụû hồng ngoại khó khăn và phức tạp bằng phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng đơn giản hơn. Nhờ quang phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, ta có thể xác định nhanh chóng tần số dao động riêng của nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể đóan nhận tính chất đối xứng của phân tử, về lực nội phân tử và sự tương tác giữa các phân tử. Với phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, có thể phân tích các hỗn hợp phân tử phức tạp mà các phép phân tích hóa học tiến hành rất khó khăn, đôi khi không thể làm được. Ngoài hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nói trên gọi là sự tán xạ tổ hợp tự phát, còn có sự tán xạ tổ hợp cưỡng bức xảy ra do kích thích chất nghiên cứu bằng tia Laser công suất lớn. Bài đọc thêm số 4: SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng: Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm thấy rằng một chùm ánh sáng trắng đi qua lăng kính thủy tinh bị phân tích thành một dải nhiều màu trên màn quan sát đặt sau lăng kính. Các màu xếp theo thứ tự :đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiện tượng đó được gọi là hiện tượüng tán sắc ánh sáng. Quan sát kỹ ta thấy chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lại chùm tia tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng (hình 19.7). Tóm lại : chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng hay chiết suất là mộüt hàm số của bước sóng 2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc Ðại lượng trên cho biết tốc độ và chiều biến thiên của chiết suất theo bước sóng tại bước sóng đã cho . Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 92
3. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 3.Tán sắc thường và tán sắc vị thường Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng trong vùng phổ ánh sáng là rất phức tạp. Ðối với những chất ít hấp thụ ánh sáng qua nó thì sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng gần như tuân theo công thức Cauchy Ðối với các chất có sự hấp thụ ánh sáng đáng kể, thì ở vùng phổ hấp thụ ta thấy: Chiết suất tăng khi bước sóng tăng. Chiết suất biến thiên theo bước sóng nhanh hơn theo công thức Cauchy. Hiện tượng đó được gọi là tán sắc dị thường. Hiện tượng tán sắc dị thường không những có ở chất khí mà còn quan sát ở các chất lỏng, chất rắn nhưng, nói chung ở chất khí là mạnh hơn cả. Tóm lại, hiện tượng tán sắc dị thường chỉ xảy ra với những chất có độ hấp thụ ánh sáng mạnh. Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến. 4. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc: a) Tán sắc thường : Phương pháp đầu tiên do Newton nghiên cứu là dùng lăng kính bắt chéo. Nó cho phép quan sát hiện tượng tán sắc thường và dị thường. Aïnh sáng phát ra từ khe S qua thấu kính L1 biến thành chùm tia song song đập vào lăng kính thứ nhất p1, cho quang phổ I1 trên màn E. Nếu đặt thêm lăng kính P2 sao cho cạnh của nó là vuông góc với cạnh của lăng kính P1, ta thấy quang phổ lúc đo ï sẽ có dạng bị uốn cong, càng đi về phía tia tím độ cong càng tăng chứng tỏ chiết suất càng tăng khi bước sóng giảm, đó là hiện tượng tán sắc thường Hình 19.4 b) Tán sắc dị thường Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 93
4. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc Hiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần quang phổ của nguồn sáng. Cấu tạo máy quang phổ lăng kính được vẽ ở hình 19.11 cấu tạo giống như máy quang phổ cách tử, chỉ khác ở bộ phận tán sắc dùng lăng kính P thay cho cách tử nhiễu xạ. Giảì sử nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau. Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng nầy thành các chùm tia sáng đơn sắc song song. Mỗi chùm ứng với một bước sóng xác định. Các chùm đơn sắc nầy sau khi qua thấu kính L3 sẽ hội tụ tại các điểm khác nhau trên tiêu diện của thấu kính L3. Như vậy trên kính ảnh M ta thụ được một dải vạch S1, S2, S3 nằm rời rạc. Mỗi vạch là ảnh của khe S với ánh sáng có bước sóng tương ứng. Dải vạch đó được gọi là quang phổ vạch. Sự phân bố các vạch trong quang phổ tuân theo một qui luật nhất định. Mỗi quang phổ vạch đặc trưng cho một nguyên tố hóa học. Nghiên cứu quang phổ vạch phát xạ của một chất, cụ thể là xác định vị trí bước sóng và cường độ các vạch trong quang phổ, ta có thể đoán nhận được các nguyên tố hóa học có mặt trong chất đó cũng như hàm lượng của chúng. Ðó là phép phân tích quang phổ phát xạ, nó được dùng rộng rãi trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm. Bài đọc thêm số 5: SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 1. Tính chất ngang của sóng ánh sáng a) Thí nghiệm: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 94
5. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 b) Ðịnh luật Maluyt c) Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng phân cực Ta biết bản tinh thể tuamalin chỉ cho truyền qua những ánh sáng có dao động của véctơ điện trường cùng phương với trục quang học của nó và giữ lại hòan toàn những sóng ánh sáng có véctơ dao động điện trường vuông góc với trục quang học. Như vậy khi ánh sáng qua bản tinh thể T1 véctơ cường độ điện trường theo những phương khác nhau sẽ có độ lớn khác nhau. Gía trị cực đại là theo phương của trục quang học 001. Ta gọi ánh sáng có dao động của véctơ cường độ điện trường thực hiện theo mọi phương với xác suất như nhau là ánh sáng không phân cực. Phần lớn ánh sáng đó được phát ra từ các nguồn sáng thông thường nên còn được gọi là ánh sáng tự nhiên. Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 95
6. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 d) Biểu diễn Người ta biểu diễn ánh sáng tự nhiên bằng cách vẽ rất nhiều véctơĠ cùng độ dài theo bán kính của đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng (hình 19.15a). Nếu ta chọn hệ tọa độ vuông góc bất kỳ trong mặt phẳng vuông góc tia sáng tới rồi chiếu tất cả véctơ điện trường lên phương 0x và 0y tương ứng thì ta luôn có tổng điện trường theo phương OX bằng tổng điện trường theo phương OY cũng có thể xem đó là định nghiã của ánh sáng tự nhiên. Nếu cho hai chùm tia sáng tự nhiên và phân cực phẳng thì ta sẽ được chùm tia sáng hỗn hợp là ánh sáng phân cực một phần khi đó độ lớn của véctơ cường độ điện trường không đều theo các phương. Khi biểu diễn ta vẽ nhiều véctơ có độ dài khác nhau trong mặt phẳng phân cực và đầu mút của các véctơ đó tạo thành một đường elíp. Ánh sáng phân cực một phần là dạng phân cực phổ biến nhất. Nó được đặt trưng bởi một đại lựơng gọi là độ phân cực P Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 96
7. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 2. Sự phân cực do phản xạ a) Thí nghiệm Brewster : Chiếu một chùm ánh sáng tự nhiên vào mặt phân giới của hai chất điện môi (chẳng hạn không khí và thủy tinh), một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ phần còn lại khúc xạ vào môi trường thứ hai. Ðể khảo sát sự phân cực của tia phản xạ và khúc xạ, ta đặt dụng cụ phân tích T (bản tuamalin) trên đường truyền của chúng và quay bản quanh tia sáng, ta thấy: Cường độ của tia phản xạ và cả tia khúc xạ tăng giảm một cách tuần hoàn, tuy nhiên gía trị cực tiểu của cường độ sáng khác không. Như vậy, ta kết luận rằng tia phản xạ và tia khúc xạ là những tia phân cực một phần, còn véctơ điện trường dao động ưu tiên theo một phương trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng. Ðịnh luật Brewter không được nghiệm đúng khi ánh sáng phản xạ trên bề mặt vật dẫn, kim loại chẳng hạn, vì khi đó trạng thái phân cực của chùm tia phản xạ phụ thuộc một cách phức tạp vào chiết suất của kim loại. Thí nghiệm cũng chứng tỏ, khi tia phản xạ bị phân cực hoàn toàn thì độ phân cực P của tia khúc xạ đạt đến giá trị cực đại nhưng nó vẫn là tia phân cực một phần. Véctơ cường độ điện trường của nó dao động ưu tiên trong mặt phẳng tới. Muốn cho chùm tia khúc xạ phân cực hòan toàn phải cho nó đi qua một loạt các bản điện môi liên tiếp (từ 8 đến 10 bản điện môi) thì tia khúc xạ mới bị phân cực hoàn toàn. Lưu ý khi đó véctơ cường độ điện trường trong ánh sáng khúc xạ và phản xạ dao động theo hai phương vuông góc nhau. b) Giải thích: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 97
8. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Tại điểm I, có sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường làm cho các điện tử của môi trường dao động và phát ra sóng thứ cấp, sóng thứ cấp giao thoa với nhau cho sóng phản xạ và khúc xạ. 3. Hiện tượng lưỡng chiết a) Thí nghiệm: Khi cho một tia sáng truyền qua tinh thể băng lan ta thấy tia sáng bị tách thành 2 tia khi ra khỏi tinh thể. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng lưỡng chiết. Thí nghiệm cũng cho thấy 2 tia ra khỏi tinh thể song song với nhau và song song với tia tới (Hình 19.19). Cả hai tia đều là tia phân cực phẳng nhưng trong hai mặt phẳng vuông góc nhau và có cường độ như nhau. Một trong hai tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng thông thương nên gọi là tia thường và được ký hiệu bằng chữ 0. Tia thứ hai không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng nên gọi là tia bất thường và được ký hiệu bằng chữ e. Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 98
9. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 Không phải chỉ có băng lan mà hầu như các tinh thể đều có tính lưỡng chiết, ngoại trừ tinh thể thuộc hệ lập phương. Có những tinh thể bên trong nó có đến hai phương mà chiếu ánh sáng dọc theo nó sẽ không xảy ra hiện tượng lưỡng chiết. Tinh thể đó gọi là tinh thể lưỡng trục. Ðối với tinh thể lưỡng trục cả hai tia xuất hiện do hiện do hiện tượng lưỡng chiết đều là tia bất thường. Ở đây ta sẽ không xét đến tinh thể lưỡng trục. Trong tinh thể đơn trục mặt phẳng chứa tia tới và trục quang học của tinh thể gọi là mặt phẳng chính hay tiết diện chính của tinh thể. Trên hình 19.19 đó là mặt chéo ACA1C1 và thường được dùng để biểu diễn tia sáng. b) Tia thường và tia bất thường: Mặt khác do tia bất thường phân cực trong mặt phẳng chính Ee có cả hai thành phần song song và vuông góc với quang trục. Do đó, vận tốc truyền của nó khác nhau theo các phương khác nhau: ne phụ thuộc vào chiều truyền của tia bất thường. Nếu đặt thêm trên đường truyền của tia thường và tia bất thường một tinh thể lưỡng chiết nữa thì mỗi tia lại tách thành một tia thường và một tia bất thường. Ðiều đó chứng tỏ hiện tượng lưỡng chiết xẩy ra khi chiếu vào tinh thể bằng ánh sáng tự nhiên hoặc bằng ánh sáng phân cực (Hình 19.20). Nhưng nếu dùng ánh sáng tự nhiên thì cường độ của hai tia bằng nhau. Còn nếu dùng ánh sáng phân cực thì cường độ không bằng nhau mà phụ thuộc Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 99
10. Trường Đại học Trà Vinh QT7.1/PTCT1-BM7 vào góc giữa mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực phẳng tới tinh thể và mặt phẳng chính của nó. Hệ thức 19.16 được thực nghiệm hoàn tòan xác nhận. Thật vậy, đặt một màn M vuông góc với tia thường và tia bất thường và quan sát vệt sáng của chúng trên đó (Hình19.22). Khi quay tinh thể quanh phương của tia thường thì vệt sáng của tia thường không di chuyển, còn vệt sáng của tia bất thường quay xung quanh 0 vạch nên một vòng tròn tâm 0 đồng thời tỉ số cường độ của các vệt sáng nầy thay đổi phù hợp với hệ thức (19.16) 4. Các dụng cụ phân cực ánh sáng Khi dùng hiện tượng phản xạ và khúc xạ để có ánh sáng phân cực phẳng thông thường cườìng độ ánh sáng thụ được sẽ rất yếu, vì vậy trong thực tế, người ta không tạo ra ánh sáng phân cực phẳng bằòng phương pháp trên. Có thể dùng hiện tượng lưỡng chiết để cho ra ánh sáng phân cực phẳng nhưng các tinh thể lưỡng chiết lại có kích thước bé cho nên ngay cả tinh thể băng lan là tinh thể có hiện tượüng lưỡng chiết mạnh nhất cũng không cho tia thường và tia bất thường tách xa nhau. Ðể tạo ra ánh sáng phân cực phẳng người ta dùng những lăng kính phân cực dựa vào tính lưỡng chiết của tinh thể làm lăng kính, hoặc dùng các bản phân cực dựa vào tính lưỡng sắc tức là sự hấp thụû khác nhau của tinh thể đối với tia thường và tia bất thường. Lăng kính phân cực thường là một tổ hợp lăng kính bằng tinh thể và được chia ra làm hai loại là lăng kính chỉ cho một tia phân cực phẳng và lăng kính cho hai tia phân cực phẳng, phân cực trong hai mặt phẳng vuông góc nhau. Chúng ta hãy khảo sát vài dạng dụng cụ phân cực khác nhau trong các loại nói trên. a Lăng kính Nicol: Vật Lí Đại Cương A2 (Điện – Quang) 100