33.1. Bản chất của ánh sáng

Cho đến thời kỳ Isaac Newton (1642–1727), phần lớn các nhà khoa học quan niệm ánh sáng gồm những dòng hạt nhỏ (corpuscle) do nguồn sáng phát ra. Galileo và những người khác đã thử đo tốc độ ánh sáng nhưng chưa thành công. Khoảng năm 1665, bằng chứng về tính chất sóng bắt đầu xuất hiện. Đến đầu thế kỷ 19, bằng chứng ấy đã có sức thuyết phục rõ rệt.

Năm 1873, James Clerk Maxwell tiên đoán sự tồn tại của và tính toán tốc độ lan truyền của chúng, như chúng ta đã tìm hiểu ở Mục 32.2. Bước phát triển này, cùng với các công trình thực nghiệm của Heinrich Hertz khởi đầu từ năm 1887, đã chứng minh dứt khoát rằng ánh sáng thực sự là một dạng sóng điện từ.

Hai khía cạnh của ánh sáng

Tuy nhiên, bức tranh sóng của ánh sáng chưa phải là toàn bộ câu chuyện. Một số hiện tượng gắn liền với sự phát xạ và hấp thụ ánh sáng bộc lộ khía cạnh hạt, theo đó năng lượng do sóng ánh sáng mang theo được đóng gói thành các bó năng lượng gián đoạn gọi là photon hoặc lượng tử (quantum). Những tính chất sóng và hạt tưởng chừng như mâu thuẫn này đã được hòa giải kể từ năm 1930 nhờ sự phát triển của điện động lực học lượng tử (quantum electrodynamics), một lý thuyết toàn diện bao hàm cả các tính chất sóng và hạt. Sự lan truyền của ánh sáng được mô tả tốt nhất bằng mô hình sóng, nhưng việc tìm hiểu sự phát xạ và hấp thụ lại đòi hỏi cách tiếp cận theo mô hình hạt.

Nguồn phát sáng và cơ chế bức xạ

Nguồn gốc vi mô của mọi bức xạ điện từ là sự chuyển động có gia tốc của các điện tích. Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ do chuyển động nhiệt của các phân tử cấu thành. Bức xạ này được gọi là bức xạ nhiệt (thermal radiation), là sự trộn của nhiều bước sóng khác nhau. Ở nhiệt độ phòng thông thường, vật thể phát ra chủ yếu bức xạ trong vùng hồng ngoại. Khi nhiệt độ của vật thể tăng lên đủ cao, mọi vật chất đều phát ra đủ lượng ánh sáng nhìn thấy để trở nên tự phát sáng. Một vật thể rất nóng sẽ chuyển sang trạng thái "nóng đỏ" (Hình 33.1) hoặc "nóng trắng". Như vậy, vật chất nóng ở bất kỳ dạng nào cũng là một nguồn sáng. Ngọn lửa nến, than hồng trong bếp lửa hay dây xoắn trong lò nướng điện và máy sưởi là những ví dụ quen thuộc.

Hình 33.1: Dây đốt điện trở phát ra chủ yếu bức xạ hồng ngoại. Tuy nhiên, khi nhiệt độ của dây đủ cao, nó cũng phát ra một lượng ánh sáng nhìn thấy đáng kể khiến vật thể nóng đỏ rực.

Ánh sáng cũng được tạo ra trong quá trình phóng điện qua các chất khí bị ion hóa. Ánh sáng màu xanh lam của đèn hồ quang thủy ngân, ánh sáng vàng cam của đèn hơi natri và các màu sắc phong phú của biển hiệu đèn neon là những hiện tượng quen thuộc. Một biến thể của đèn hồ quang thủy ngân là đèn huỳnh quang. Nguồn sáng này sử dụng một chất gọi là bột huỳnh quang (phosphor) để chuyển đổi bức xạ tử ngoại từ hồ quang thủy ngân thành ánh sáng nhìn thấy. Sự chuyển đổi này giúp đèn huỳnh quang đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng cao hơn so với đèn sợi đốt.

Trong hầu hết nguồn sáng, các nguyên tử phát xạ độc lập. Trong laser, các nguyên tử được kích thích để phát xạ có phối hợp và có tính kết hợp (coherent). Chùm bức xạ thu được rất hẹp, có thể có cường độ lớn và độ đơn sắc cao hơn nhiều nguồn thông thường.

Laser được dùng trong vi phẫu thuật và trong đầu đọc DVD, Blu-ray để quét thông tin trên đĩa. Trong công nghiệp, chùm laser có thể cắt thép hoặc hàn các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (Hình 33.2).

Hình 33.2: Các phẫu thuật viên nhãn khoa sử dụng chùm laser để hàn gắn võng mạc bị bong và làm đông các mạch máu trong bệnh võng mạc. Các xung ánh sáng màu lục-lam từ laser argon là lý tưởng cho mục đích này vì chúng truyền qua phần trong suốt của mắt mà không gây tổn hại, nhưng lại được hấp thụ bởi các sắc tố đỏ trên võng mạc.

Bất kể phát ra từ nguồn nào, bức xạ điện từ luôn lan truyền trong chân không với cùng một tốc độ chính xác $c$. Tốc độ này được định nghĩa là:

$$c=299792458\mathrm{m}/\mathrm{s}$$

Giá trị này lấy tròn bằng $3,00\times {10}^8\mathrm{m}/\mathrm{s}$ khi cần ba chữ số có nghĩa. Khoảng thời gian của một giây được định nghĩa bằng đồng hồ nguyên tử cesium, do đó một mét được định nghĩa chính xác là quãng đường mà ánh sáng truyền được trong chân không trong khoảng thời gian bằng $1/299792458\mathrm{s}$.

Sóng, mặt sóng và tia sáng

Để mô tả sự lan truyền của sóng trong không gian, chúng ta sử dụng khái niệm (wave front). Mặt sóng là tập hợp tất cả các điểm liền kề trong môi trường có cùng dao động tại một thời điểm xác định.

Thả một viên sỏi vào mặt nước lặng, các vòng đỉnh sóng lan rộng là những . Những vòng đáy sóng xen giữa cũng là các mặt cùng riêng. Với nguồn điểm trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, sóng âm hoặc lan đều theo mọi hướng, tạo các mặt sóng cầu đồng tâm.

Hình 33.3: Các mặt sóng âm hình cầu lan tỏa đồng đều theo mọi hướng từ một nguồn điểm trong môi trường đứng yên và đẳng hướng. Sóng điện từ phát ra từ một nguồn điểm trong chân không cũng lan truyền theo các mặt cầu đồng tâm tương tự.

Chú thích:

• Các mặt sóng đang lan rộng (Expanding wave fronts)
• Nguồn âm điểm tạo ra sóng âm hình cầu (các vùng nén và giãn không khí xen kẽ) (Point sound source producing spherical sound waves (alternating compressions and rarefactions of air))

Trong sơ đồ, ta thường chỉ vẽ một phần của vài kế tiếp. Nếu chọn các đỉnh sóng liên tiếp, độ chênh là $2\pi$ rad và khoảng cách là một bước sóng $\lambda$. Với sóng âm, có thể chọn những mặt áp suất cực đại. Với , có thể chọn những mặt điện trường hoặc từ trường đạt cực đại.

Ở khoảng cách rất xa nguồn phát, bán kính cong của các mặt cầu trở nên vô cùng lớn. Khi đó, trên một diện tích nhỏ khảo sát, một phần của mặt cầu có thể xem gần đúng là một mặt phẳng, tạo thành một sóng phẳng (plane wave).

Hình 33.4: Mối liên hệ hình học giữa các mặt sóng (màu xanh dương) và các tia sáng (màu tím). Phần (a) biểu diễn nguồn điểm với các mặt sóng cầu và tia sáng hướng tâm. Phần (b) biểu diễn sóng phẳng với các tia sáng song song.

Chú thích:

• Khi các mặt sóng có dạng hình cầu, các tia sáng tỏa ra từ tâm mặt cầu (When wave fronts are spherical, the rays radiate from the center of the sphere.)
• Khi các mặt sóng có dạng phẳng, các tia sáng vuông góc với các mặt sóng và song song với nhau (When wave fronts are planar, the rays are perpendicular to the wave fronts and parallel to each other.)
• Nguồn (Source)
• Các tia sáng (Rays)
• Các mặt sóng (Wave fronts)

Để mô tả phương hướng truyền của ánh sáng, việc sử dụng khái niệm (ray) mang lại sự thuận tiện lớn về mặt hình học. Trong mô hình hạt, tia sáng là quỹ đạo chuyển động của các hạt photon. Dưới góc độ sóng, tia sáng là một đường thẳng tưởng tượng vạch ra phương truyền của sóng tại mỗi điểm trong không gian.

Trong một môi trường đồng nhất và đẳng hướng (môi trường có các tính chất vật lý như nhau tại mọi vị trí và theo mọi hướng), các luôn là các đường thẳng vuông góc với các . Khi mặt sóng có dạng hình cầu, các tia sáng tỏa ra từ tâm mặt cầu theo phương bán kính. Khi mặt sóng có dạng phẳng, các tia sáng là các đường thẳng song song với nhau. Tại mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau, tốc độ sóng và hướng truyền của tia sáng có thể thay đổi, nhưng trong lòng mỗi môi trường đồng nhất, các đoạn tia sáng luôn là các đường thẳng.

Phân ngành quang học sử dụng mô hình làm công cụ chủ đạo được gọi là quang hình học (geometric optics). Ngược lại, phân ngành nghiên cứu trực tiếp các hiện tượng đòi hỏi bản chất sóng như giao thoa, nhiễu xạ và phân cực được gọi là quang học vật lý hay quang sóng (physical optics).

Câu hỏi tự kiểm tra 33.1

Một số tinh thể có tính chất bất đẳng hướng: Ánh sáng truyền qua tinh thể với tốc độ theo một số hướng nhanh hơn so với các hướng khác. Trong một tinh thể mà ánh sáng truyền với cùng tốc độ theo phương trục $x$ và phương trục $z$, nhưng truyền nhanh hơn theo phương trục $y$, hình dạng của các do một nguồn sáng điểm đặt tại gốc tọa độ phát ra sẽ có dạng nào sau đây?

• (i) Hình cầu, tương tự như các ở Hình 33.3.

• (ii) Hình ellipsoid, bị nén dẹt dọc theo trục $y$.

• (iii) Hình ellipsoid, bị kéo dài dọc theo trục $y$.

Xem đáp án và giải thích

Chọn (iii). Sau cùng một khoảng thời gian, sóng đi xa hơn theo phương $y$ vì tốc độ theo phương đó lớn hơn. Trong các hình dạng đã cho, mặt ellipsoid kéo dài dọc $y$ phù hợp, còn hình cầu hoặc hình bị nén dọc $y$ không phù hợp.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 33.1, trang 1077–1079.