33.6. Tán xạ ánh sáng

Bầu trời ban ngày có màu xanh lam. Hoàng hôn và bình minh có sắc đỏ rực rỡ. Ánh sáng từ bầu trời bị phân cực một phần, đó là lý do khi đeo kính râm Polaroid và nhìn lên bầu trời ở các góc khác nhau, ta thấy độ sáng tối của nền trời thay đổi rõ rệt. Cả ba hiện tượng quang học tự nhiên quen thuộc này đều bắt nguồn từ một cơ chế vật lý chung: Hiện tượng tán xạ ánh sáng (scattering of light).

Khi nhìn lên bầu trời ban ngày, ánh sáng đi tới mắt ta là ánh sáng Mặt Trời bị các phân tử trong bầu khí quyển hấp thụ rồi tái bức xạ ra nhiều hướng khác nhau trong không gian. Quá trình này được gọi là sự tán xạ. Nếu Trái Đất không có bầu khí quyển, bầu trời ban ngày sẽ đen kịt như ban đêm, tương tự như quang cảnh mà một phi hành gia quan sát được khi ở ngoài không gian vũ trụ hoặc trên Mặt Trăng.

Hình 33.31: Khi người quan sát bên trái nhìn thẳng lên trên, anh ta nhìn thấy ánh sáng Mặt Trời màu xanh lam và bị phân cực do các phân tử không khí tán xạ. Người quan sát ở góc phải nhìn trực diện về phía Mặt Trời thấy ánh sáng nhuốm màu đỏ và không phân cực.

Chú thích:

• Người quan sát này nhìn thấy ánh sáng mặt trời nhuốm đỏ vì hầu hết ánh sáng xanh đã bị tán xạ ra ngoài (This observer sees reddened sunlight because most of the blue light has been scattered out.)
• Điện tích trong phân tử không khí dao động theo hướng điện trường của ánh sáng tới, đóng vai trò anten phát ánh sáng tán xạ (Electric charges in air molecules at O oscillate in the direction of the E field of the incident light from the sun, acting as antennas that produce scattered light.)
• Ánh sáng tán xạ tới người quan sát bên dưới phân cực theo phương z (The scattered light that reaches the observer directly below O is polarized in the z-direction.)
• Phân tử không khí tán xạ ánh sáng xanh mạnh hơn ánh sáng đỏ, tạo màu xanh của bầu trời (Air molecules scatter blue light more effectively than red light; we see the sky overhead by scattered light, so it looks blue.)
• Ánh sáng trắng tự nhiên tới, không phân cực (Incident white light, unpolarized)

Cơ chế tán xạ và sự phân cực của bầu trời

Hình 33.31 mô tả chi tiết quá trình tán xạ. Ánh sáng Mặt Trời là , truyền từ bên trái sang dọc theo trục $x$ và đi qua phía trên một người quan sát đang nhìn thẳng đứng lên trên dọc theo trục $y$:

• Xét các phân tử khí quyển tại điểm $O$.
• Điện trường trong chùm ánh sáng Mặt Trời kích thích các điện tích trong các phân tử khí dao động.
• Vì ánh sáng là sóng ngang, hướng của điện trường trong bất kỳ thành phần nào của ánh sáng Mặt Trời đều nằm trong mặt phẳng $yz$, và chuyển động của các điện tích cũng diễn ra hoàn toàn trong mặt phẳng này. Không hề có điện trường và do đó không có chuyển động của điện tích dọc theo trục $x$.
• Sóng ánh sáng tới kích thích các điện tích trong phân tử tại điểm $O$ dao động dọc theo đường tác dụng của $\overrightarrow{E}$. Ta có thể phân tích dao động này thành hai thành phần: Một thành phần dọc theo trục $y$ và một thành phần dọc theo trục $z$. Mỗi thành phần trong ánh sáng tới tạo ra hai anten phân tử dao động cùng với ánh sáng tới, nằm dọc theo các trục $y$ và $z$.

Một điện tích dao động, tương tự như trong một anten, không hề bức xạ theo chính phương dao động của nó. Vì vậy, anten phân tử dọc theo trục $y$ không truyền bất kỳ ánh sáng nào xuống người quan sát ở ngay bên dưới điểm $O$, mặc dù nó vẫn bức xạ ánh sáng ra các phương khác. Do đó, toàn bộ ánh sáng đi tới người quan sát này chỉ xuất phát từ anten phân tử tương ứng với dao động điện tích dọc theo trục $z$. Ánh sáng này là ánh sáng , có điện trường hướng dọc theo trục $z$ (song song với thân anten phân tử).

Trong mô hình tán xạ đơn lẻ lý tưởng, ánh sáng tán xạ ở góc ${90}^{\circ }$ bị hoàn toàn. Trong bầu khí quyển thực tế, sự tán xạ nhiều lần khiến ánh sáng từ vòm trời có trạng thái phân cực một phần.

Quy luật tán xạ: Vì sao bầu trời có màu xanh lam?

Khi chùm ánh sáng ban đầu truyền qua khí quyển, cường độ của nó suy giảm dần do năng lượng chuyển hóa vào ánh sáng tán xạ. Phân tích chi tiết quá trình tán xạ cho thấy: Cường độ ánh sáng do các phân tử không khí tán xạ tăng tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của , tức là tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng:

$$I_{\text{scatter}}\propto f^4\propto \frac{1}{{\lambda }^4}$$

Tỷ số cường độ tán xạ giữa hai đầu dải quang phổ khả kiến là:

$$\begin{array}{rl}\frac{I_{380}}{I_{750}}& ={\left(\frac{750\mathrm{nm}}{380\mathrm{nm}}\right)}^4\\ & \approx 15\end{array}$$

Tỉ số khoảng 15 so sánh hai đầu nhìn thấy khi cường độ tới tương ứng như nhau. Bước sóng 380 nm thuộc đầu tím của phổ. Quy luật này cho thấy ánh sáng bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ, giải thích xu hướng màu xanh của bầu trời trong.

Tán xạ trong mây và sữa

Các đám mây chứa nồng độ rất cao các giọt nước hoặc tinh thể băng lơ lửng, và các hạt này cũng tán xạ ánh sáng. Do nồng độ hạt rất lớn, ánh sáng truyền qua đám mây có nhiều cơ hội bị tán xạ hơn so với khi truyền qua bầu trời trong xanh. Vì vậy, ánh sáng ở mọi cuối cùng đều bị tán xạ ra ngoài đám mây, khiến cho mây có màu trắng (Hình 33.32). Sữa có màu trắng đục cũng vì lý do tương tự: Hiện tượng tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt cầu chất béo lơ lửng trong sữa.

Hình 33.32: Các đám mây có màu trắng vì chúng tán xạ hiệu quả ánh sáng Mặt Trời ở mọi bước sóng.

Vì sao hoàng hôn và bình minh có màu đỏ?

Gần thời điểm hoàng hôn hoặc bình minh, khi ánh sáng Mặt Trời phải truyền một quãng đường rất dài qua bầu khí quyển của Trái Đất, một phần lớn ánh sáng xanh đã bị tán xạ ra ngoài chùm tia truyền thẳng. Ánh sáng trắng bị lấy đi thành phần ánh sáng xanh sẽ có màu vàng hoặc đỏ. Điều này giải thích cho sắc thái vàng rực hoặc đỏ thắm mà ta thường thấy ở Mặt Trời lặn (như người quan sát ở góc phải xa nhất của Hình 33.31 nhìn thấy khi nhìn về phía Mặt Trời).

Ứng dụng 33.3: Mắt của loài ong có khả năng phát hiện sự phân cực của ánh sáng. Ong sử dụng khả năng này để định hướng đường bay giữa tổ và nguồn thức ăn.

Chú thích:

• Đôi mắt (Eyes)

Ứng dụng sinh học: Thị giác loài ong và ánh sáng phân cực từ bầu trời

Mắt của loài ong có thể phát hiện trạng thái phân cực của ánh sáng. Loài ong tận dụng khả năng này khi định vị đường bay giữa tổ và các nguồn thức ăn. Trong mô hình tán xạ một lần lý tưởng của Hình 33.31:

• Khi ong nhìn thẳng về phía Mặt Trời, nó nhìn thấy .
• Khi ong nhìn lệch một góc ${90}^{\circ }$ so với Mặt Trời, nó nhìn thấy ánh sáng phân cực hoàn toàn.

Quy luật phân cực này cung cấp tín hiệu định hướng đáng tin cậy. Khi có mây mỏng che phủ, tín hiệu phân cực từ bầu trời vẫn xuyên qua lớp mây, cho phép ong định hướng tương đối so với Mặt Trời ngay cả trong những ngày nhiều mây.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 33.6, trang 1097–1098.