Tán xạ ánh sáng và Hiệu ứng Tyndall - Lý thuyết và Ứng dụng môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Tán xạ ánh sáng – Hiệu ứng Tyndall
4.1. ĐIỀU KIỆN CỦA SỰ TRUYỀN THẲNG VÀ SỰ TÁN XẠ ÁNH S
. Điều kiện của sự truyền thẳng
t chùm tia sáng song song truyền theo phương Δ
ua một môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng
ướng (n như nhau tại mọi điểm).
một sóng phẳng truyền vào môi trường đồng tính: mặt
óng tịnh tiến song song với chính nó nên luôn là phẳng.
ả sử Σlà một mặt sóng.
eo nguyên lý Huygens – Fresnel, A và A’ trở thành hai tâm phát sóng c
ứ cấp, cùng pha (do cùng trên Σ) và phát đi về mọi phía.
ương φ ≠ 0: hai sóng từ A và A’ có hiệu quang lộ: ΔL = AA’.n.sinφ
• Trên Σcó thể chọn A và A’ sao cho !"#! "èhai sóng từ A và
ngược pha nhau, giao thoa của hai sóng triệt tiêu nhau.
• Có thể ghép các tâm phát sóng thứ cấp trên Σthành từng cặp
ngược pha è. theo phương φ không có ánh sáng tán xạ.
ương φ = 0: sóng thứ cấp phát đi từ mọi điểm của Σtăng cường lẫn nhau,
à ánh sáng truyền theo phương Δ có cường độ cực đại (bằng cường độ á
áng tới, nếu môi trường không hấp thụ).
Vậy, môi trường trong suốt, đồng tính không tán xạ ánh sáng.
phù hợp với nguyên lý truyền thẳng ánh sáng
4.1. ĐIỀU KIỆN CỦA SỰ TRUYỀN THẲNG VÀ SỰ TÁN XẠ ÁNH S
2. Sự tán xạ ánh sáng
u môi trường có những chỗ không đồng tính, kích thước
ương đương với bước sóng ánh sáng èmặt Σkhông còn phẳng:
óng thứ cấp phát đi từ mỗi phần nhỏ của mặt sóng tăng
ng lẫn nhau vì giao thoa theo phương pháp tuyến của phần sóng đó
nh sáng không chỉ truyền theo phương ban đầu. Ta nói là
trường tán xạ ánh sáng.
y môi trường tán xạ ánh sáng nhất thiết phải không đồng tính.
tính theo nghĩa quang học, tức là chiết suất phải có cùng trị số tại mọi điểm môi tr
rường đồng tính về quang học lại có thể không đồng tính về cơ học.
g hạn một mẩu thủy tinh nằm trong một hỗn hợp hai chất lỏng gồm Benzen và cac
clorua. Có thể lựa chọn tỷ lệ hai chất lỏng để hỗn hợp có chiết suất cùng với thủy ti
ếu thả những hạt thủy tinh vào hỗn hợp, ta được một môi trường đồng tính quang
g tán xạ ánh sáng, do đó ta không thấy các hạt thủy tinh trong chất lỏng. Tính chất
ứng dụng để xác định nhanh chóng chiết suất của những hạt trong suốt, nhỏ, khô thù nhất định.
4.1. ĐIỀU KIỆN CỦA SỰ TRUYỀN THẲNG VÀ SỰ TÁN XẠ ÁNH S
2. Sự tán xạ ánh sáng
tia sáng truyền tới mặt phản xạ tốt ánh sáng xảy ra hiện tượng
ản xạ gương theo định luật Snell.
tia/chùm sáng tới những mặt không đồng nhất/mặt nhám hay gọi là mặt tán xạ (đư
nh từ có rất nhiều mặt phẳng nhỏ có pháp tuyến hướng theo nhiều hướng trong k
n): Khi đó, với một chùm sáng (ngay cả trong trường hợp chúng song song với nh
cũng thu được nhiều tia phản xạ theo các hướng khác nhau. Đó là hiện tượng tán cattering)
xạ ánh sáng là hiện tượng phản xạ trên những mặt tán xạ và không tuân theo định
ng môi trường có các hạt nổi lơ lửng (thuật ngữ Hóa học gọi là keo hay nhũ tương)
ng cũng thay đổi khỏi phương truyền thẳng và đây cũng được gọi là hiện tượng tán
trường vẩn là môi trường trong suốt, chứa những hạt nhỏ nổi lơ lửng như khói và s
chẳng hạn. Khói là không khí có lẫn những hạt than nhỏ, sương mù là không khí ma
ng hạt nước nhỏ. Ta nhìn thấy khói và sương mù là nhờ môi trường tán xạ mạnh án
4.2. TÁN XẠ DO MÔI TRƯỜNG VẨN HAY TÁN XẠ TYNDALL
xạ do môi trường vẩn hay hiện tượng Tyndall
o một chùm sáng song song, hẹp chiếu qua một cuves thủy tinh trong suốt và để m
uan sát ở phương vuông góc:
ếu nước hoàn toàn trong suốt thì ta không nhìn thấy chùm sáng
hỏ vài giọt nước hoa (sao cho chúng có thể được hòa tan vào trong nước) thì mắt
hìn thấy chùm sáng ènước có pha nước hoa đã tán xạ ánh sáng
c hạt “nước hoa” với kích thước cỡ vài phần trăm micro mét lơ lửng trong nước đã
ho môi trường nước mất đồng tính và xuất hiện hiện tượng tán xạ ánh sáng (a
4.2. TÁN XẠ DO MÔI TRƯỜNG VẨN HAY TÁN XẠ TYNDALL
Hiện tượng này đã được Tyndall nghiên cứu bằng thực nghiệm và Rayleig
(1842 - 1919) bằng lý thuyết. Hai ông đã thiết lập được ba định luật sau: uật 1:
g độ của ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với lỹ thừa bậc bốn của bước sóng ánh sáng I = k (I0/ $4) (1)
- I0là cường độ của ánh sáng tới, I là cường độ của ánh sáng tán xạ
- k là một hệ số tỷ lệ, phụ thuộc mạnh vào kích thước và nồng độ hạt.
nghiệm cho thấy: Nếu ánh sáng tới là ánh sáng trắng thì bức xạ màu tím bị tán xạ
và giảm dần theo bước sóng. Tyndall cũng đo được bức xạ màu tím bước sóng !=
xạ nhiều gấp 6 lần ánh sáng đỏ != 0,7µm.
y, trong tán xạ với ánh sáng trắng, do các bức xạ có bước sóng ngắn bị tán xạ nhiề
uan sát chùm sáng tán xạ chúng ta thường thấy có màu lam nhạt. uật 2:
áng tán xạ theo phương hợp với phương truyền thẳng (của tia tới) một góc Ꝋ bị phâ
hần. Ánh sáng tán xạ theo phương vuông góc với phương truyền thẳng bị phân cực uật 3:
g độ ánh sáng tán xạ theo phương Ꝋ có độ lớn là I = Iπ/2 (1 + cos2Ꝋ) (2)
do Iπ/2 là cường độ ánh sáng tán xạ theo phương vuông góc với phương truyền thẳ áng tới.
4.2. TÁN XẠ DO MÔI TRƯỜNG VẨN HAY TÁN XẠ TYNDALL
Giải thích hiện tượng Tyndall
Chúng ta có thể dễ dàng giải thích định luật 2 và 3, dựa vào hình 3.
vTa giả sử sóng sáng tới là ánh sáng tự nhiê
truyền tới điểm O có hai phương dao độn
và OVzvới biên độ a và Ox là phương của
thứ cấp truyền đi. Theo nguyên lý Huygen
Fresnel thì sóng thứ cấp này phải cùng ph
dao động với ánh sáng tới và đặc biệt là n (b)
là ánh sáng tự nhiên. Điều đó nghĩa là só
cấp cũng có hai thành phần song song vớ Hình 3
và Ovy.. Đặc biệt là vì nó là ánh sáng tự n
nên hai thành phần này phải có cùng biên OAy= Oaz= a.
hãy xét ánh sáng truyền theo Oz. Vì ánh sáng truyền theo phương Oz nên nó khôn
ó thành phần theo phương Oz. Như vậy cũng có nghĩa là thành phần OAzkhông tru
ược theo phương Oz trong khi thành phần OAythì truyền được hoàn toàn. Khi đó cư
ộ ánh sáng tán xạ Iπ/2 theo phương Oz có trị số: Iπ/2 = (OAy)2= a2
4.2. TÁN XẠ DO MÔI TRƯỜNG VẨN HAY TÁN XẠ TYNDALL
Giải thích hiện tượng Tyndall
vTa hãy tính cường độ I của ánh sáng tán xạ the
phương D nằm trong mặt phẳng xOz và tạo vớ
một góc Ꝋ.Trong trường hợp này, thành phần
truyền được hoàn toàn (vì nó vuông góc với O
nhưng thành phần OAzthì chỉ hình chiếu OA’z=
theo phương OD mới truyền được theo phươn Như vậy:
)(b) I = (OAy)2+ (OA’z)2= a2+ a2cos2Ꝋ= a2(1 + cos2 Hay: Hình 3 I = Iπ/2 ( 1+ cos2Ꝋ)
Trong trường hợp này, do hai thành phần Oa v
y à OA’zcủa sóng sáng không bằng nh
nên ánh sáng theo phương OD chỉ bị phân cực một phần. Còn theo phương OZ, t
phần OA’zbị triệt tiêu, chỉ còn Oa n
y ên ánh sáng bị phân cực toàn phần
4.2. SỰ TÁN XẠ PHÂN TỬ
sáng từ một nguồn sáng mạnh S (mặt trời,
n hồ quang), được hội tụ vào giữa ống tán xạ
hứa chất lỏng hoặc chất khí phải khảo sát.
nhánh uốn cong và sơn đen của ống T có
dụng hấp thụ ánh sáng tán xạ ký sinh, ánh
g truyền thẳng, không cho chúng chiếu về
a người quan sát. Ống được đặt trong một
p kín ánh sáng H và đặt trong môi trường tối.
u thấu kính L2có thể đặt một nicôn A để đo độ Bố tr ân cực của ánh sáng (a)
tán xạ. Có thể đặt một nghiệ
y ảnh để chụp đường đi của ánh sáng trong
g T, thay cho quan sát bằng mắt
ghiệm cho biết rằng không khí chỉ tán xạ một phần nhỏ, bằng 2,7.10-7năn
ng ánh sáng tới. Hydro tán xạ ít hơn 4 lần, nước tán xạ gấp 185 lần, thạc
khiết tán xạ gấp 7 lần không khí.
ải thích hiện tượng này, ta phải giả sử rằng môi trường sạch là không hoà
n đồng tính. Hạt tán xạ ánh sáng chính là những phân tử của môi trường.
, hiện tượng được gọi là tán xạ phân tử.
4.2. SỰ TÁN XẠ PHÂN TỬ
ên nhân làm cho môi trường không đồng tính là những tăng giảm có tính chất th
g sự phân bố các phân tử của môi trường. Khi ta nói mỗi đơn vị thể tích của mô
a N phân tử, thì N chỉ là một trị số trung bình, tính cho một thể tích lớn. Trong th
đó, do chuyển động nhiệt hỗn loạn của phân tử, N có thể có những tăng giảm Δ
giảm ΔN làm cho chiết suất môi trường thay đổi trở thành không đồng tính.
i đầu tiên nêu ý kiến đó là Xmolukhovxki (1908) khi ông chỉ ra rằng hiện tượng t
nh ánh sáng của môi trường sạch ở nhiệt độ tới hạn, có liên quan mật thiết đến rất lớn của nó.
lý thuyết định lượng về hiện tượng do Einstein xây dựng (1910), ông đã chỉ ra rằ
ng độ ánh sáng tán xạ trong trường hợp này không phụ thuộc vào dấu của ΔN.
oán đầy đủ theo giả thuyế(a) t trê (b)
n, Einstein đã tìm được biểu thức cường độ ánh sá
heo phương φ. Công thức này cho thấy rằng cũng như hiện tượng Tyndall, cườn
g tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng. Nhưng khác với tán xạ Ty
ng độ ánh sáng tán xạ phân tử tăng theo nhiệt độ.
ân tử môi trường là dị hướng, thì ngoài thăng giáng mật độ, chuyển động nhiệt c
thăng giáng thống kê trong sự định hướng của phân tử trong không gian. Sự thă
cũng dẫn đến tán xạ ánh sáng.
ượng tán xạ phân tử giải thích được sự tán xạ ánh sáng trên mặt thoáng của chấ
màu xanh da trời. Màu xanh da trời là kết quả của sự tán xạ ánh sáng mặt trời bở
quyển rất dày. Sự giảm các tia phía tím của quang phổ được tích lũy khiến màu lơ .