Quang học trong vật lý phần 4 potx

Chương III

SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

SS. 1. CÁC THÍ NGHIỆM MỞ ĐẦU VỀ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG.

Quan sát nhiều thí nghiệm người ta thấy rằng, khi truyền trong một mội trường đồng

tính, nếu gặp một vật cản, ánh sáng chẳng những truyền theo đường thẳng mà còn truyền

theo các phương khác. Những phương đó gọi là phương nhiễu xạ. Hiện tượng nói trên gọi là

nhiễu xạ.

Chúng ta hãy xét các thí nghiệm sau:

a. Thí nghiệm 1:

Nguồn sáng S được thấu kính L hội tụ tại o. Điểm o là ảnh thực của S. Sau o ta đặt màn

ảnh E. Theo định luật truyền thẳng ánh sáng các tia sáng chỉ nằm trong hình nón AOB,

(chùm tia hình học) và trên màn E, ta quan sát thấy một vật sáng có đường kính AB. Bây

giờ, đặt thêm một màn chắn T, có một tròn tại O. Khi đó sẽ có các tia OP, OR… Ở ngoài

hình tròn nón AOB. Trên màn E ta quan sát thấy một hình nhiễu xạ gồm các vân tròn sáng,

tối đồng tâm.

b. Thí nghiệm 2:

H.2. Những nhiễu xạ do mép màn chắn

Nguồn sáng S đặt tại tiêu điểm của thấu kính L. Ta có chùm tia song song chiếu đến màn

quan sát E (H.2). Trên đường truyền của chùm tia ta đặt màn chắn T có mép thẳng như trên

hình vẽ. Nếu ánh sáng tuân đúng theo định luật truyền thì trên màn E ta quan sát thấy hai

miền sáng tối được phân chia bởi một đường ranh giới rõ nét AB. Sự thực thì nếu quan sát

kỹ (bằng kính lúp) thì AB không phải là ranh giới rõ nét. Cường độ sáng không triệt tiêu đột

ngột mà giảm dần từ ranh giới AB trở vào miền bóng tối. Còn trong miền bóng sáng hình

học, ở lân cận đường AB có các vân sáng tối xen kẽ nhau, càng ra xa các vân cáng khít nhau

lại và cho trường sáng đều.

Hai thí nghiệm trên đây chứng tỏ ánh sáng không hoàn toàn theo định luật truyền thẳng

của ánh sáng. Chúng chỉ có thể giải thích được trên cơ sở thuyết sóng ánh sáng.

H.1

S

L

T

o

P

B

A

(E)

S

L T (E)

o

SS. 2. NGUYÊN LÝ HUYGHENS – FRESNEL.

1. Thí nghiệm Huyghens.

Có một chậu đựng nước, ở giữa có vách ngăn với khe hẹp O. Ta dùng âm thoa để tạo các

sóng tròn tâm S ở ngăn thứ nhất (H.3). Sóng sẽ truyền đến khe hẹp O rồi truyền qua ngăn

thứ hai. Ở đây các sóng có tâm là O, chứ không phải có tâm là S. Như vậy khe hẹp O, khi

sóng truyền tới, trở thành một nguồn chấn động, gọi là nguồn thứ cấp.

2. Nguyên lý Huyghens.

Chúng ta tưởng tượng có mặt Ĩ) kín, bất kỳ, bao quanh nguồn chấn động S. Huyghens

nêu ra nguyên lý: Mỗi điểm của mặt kín Ĩ) mà sóng truyền tới lại trở thành một nguồn phát

sóng cầu thứ cấp, ở mỗi thời điểm mặt bao của các mặt cầu ấy là bề mặt sóng của sóng thực

sự truyền đi. Biên độ và pha của những chấn động thứ cấp truyền từ A, b, M, N…có liên lạc

với biên độ và pha của những chấn động truyền từ S đến A, b, M, N…

Nguyên lý Huyghens có tính định tính, có thể áp dụng để xác định phương truyền của

ánh sáng, ví dụ như trong các trường hợp: Truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ và cả khúc xạ

lưỡng chiết (sẽ học ở chương sau). Để có thể giải thích một cách định lượng hiện tượng

nhiễu xạ, Fresnel đã bổ sung bằng định đề sau :

3. Định đề Fresnel.

Fresnel đưa ra giải thuyết rằng :

- Biên độ và pha của sóng thứ cấp phát đi từ A

chính là biên độ và pha của sóng từ S đến A.

Gọi d( là diện tích vi cấp trên mặt kín (() ở lân

cận điểmA.Ġ là pháp tuyến của d(. ( và (’ là góc

tạo bởi pháp tuyến với các phương SA và AP.

Theo Fresnel : - Biên độ của sóng thứ cấp theo phương AP tỷ lệ với hàm số k phụ thuộc ( và

(’ gọi là thừa số xiên k ((,(’). Thừa số xiên nhận giá trị cực đại khi ( và (’ triệt tiêu.

- Đương nhiên, nếu xét sóng thứ cấp phát đi từ d( thì biên độ của tỷ lệ với d(. Xuất phát

từ định đề Fresnel, ta thử viết biểu thức của sóng thứ cấp từ d( tới P.

Giả sử phương trình chấn động tại S có dạng là :

H.3

A

B

(∑)

M

N

S

H.4

θ’

A θ

r

r

’

(∑)

dσ N

P

S