Giao diện
36.3. Phân bố cường độ sáng trong hệ vân nhiễu xạ một khe
Ta có thể thiết lập biểu thức định lượng cho sự phân bố cường độ sáng trong hệ vân bằng phương pháp cộng giản đồ vectơ pha ( addition), tương tự như phương pháp đã áp dụng trong giao thoa hai khe.

Chú thích:
- Các dải hẹp bên trong khe (Strips within slit)
- Bề rộng khe a (Slit width a)
- Màn quan sát ở xa (Distant screen)
- Sóng phẳng tới khe (Plane waves incident on the slit)
- Tại tâm của hệ vân nhiễu xạ (điểm O), các vectơ pha từ mọi dải bên trong khe đều cùng pha. (At the center of the diffraction pattern (point O), the phasors from all strips within the slit are in phase.)
- Giản đồ vectơ pha tại một điểm hơi lệch khỏi tâm hệ vân. Β = tổng độ lệch pha giữa vectơ pha đầu tiên và vectơ pha cuối cùng. (Phasor diagram at a point slightly off the center of the pattern; β = total phase difference between the first and last phasors.)
- Tương tự như (c), nhưng trong giới hạn khe được chia thành vô số dải hẹp vô cùng (As in (c), but in the limit that the slit is subdivided into infinitely many strips)
Xét một phẳng tại khe hẹp có bề rộng
Biên độ điện trường dao động điều hòa phát ra từ mỗi dải được biểu diễn bằng một vectơ pha. Vectơ tổng của toàn bộ các vectơ pha tại điểm
Tại điểm
- Do khoảng cách từ mọi dải trên khe tới
chênh lệch không đáng kể khi , các sóng thứ cấp tới hoàn toàn cùng pha với nhau. - Các vectơ pha cùng hướng dọc theo một đường thẳng như Hình 36.8b.
- Tổng chiều dài của chuỗi vectơ pha này là biên độ điện trường cực đại tại tâm, ký hiệu là
.
Tại một điểm
- Do sự khác biệt về đường đi, giữa hai dải liền kề xuất hiện một độ lệch pha nhất định.
- Chuỗi các vectơ pha uốn cong lại thành một đường đa giác như Hình 36.8c.
- Biên độ điện trường tổng hợp
chính là độ dài của dây cung nối điểm đầu của vectơ pha thứ nhất với điểm cuối của vectơ pha thứ . - Góc
là tổng độ lệch pha giữa sóng phát ra từ mép trên cùng và sóng phát ra từ mép dưới cùng của khe khi tới điểm .
Trong giới hạn khi số dải
- Góc ở tâm chắn cung tròn có độ dài
đúng bằng góc (tính theo radian), do đó:
- Đường phân giác kẻ từ tâm
vuông góc với dây cung sẽ chia góc ở tâm thành hai góc bằng nhau và chia đôi dây cung. Từ tam giác vuông, ta có:
Rút gọn biểu thức, ta nhận được phương trình cho điện trường tổng hợp tại góc
Trong đó: Biên độ dao động điện trường thực tế luôn luôn là một đại lượng không âm, bằng độ lớn tuyệt đối
Vì cường độ sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ điện trường, gọi
Để liên hệ góc pha
Thay

Xác định vị trí các cực tiểu và cực đại cường độ
1. Vị trí các cực tiểu cường độ (vân tối): Từ phương trình (36.5), cường độ
Trong đó: Giá trị
Tại
Do đó,
2. Vị trí các cực đại cường độ phụ: Lấy đạo hàm của phương trình (36.5) theo
Phương trình siêu việt này phải được giải bằng phương pháp số:
- Nghiệm
cho cực đại trung tâm chính với . - Trên thực tế không có cực đại nào ở gần
. Các cực đại phụ đầu tiên ở hai bên của cực đại trung tâm (gần ) thực tế xuất hiện tại . Các cực đại phụ thứ hai (gần ) thực tế xuất hiện tại , và tiếp tục như vậy. Sai số của phương trình xấp xỉ (36.9) sẽ tiến về không trong giới hạn lớn, tức là đối với các cực đại cường độ ở xa tâm hệ vân.
Vị trí các cực đại phụ gần sát với các số lẻ lần của
Thay các giá trị xấp xỉ từ phương trình (36.9) vào phương trình (36.5), ta thu được chuỗi cường độ xấp xỉ của các cực đại phụ:
Trong đó: Đại lượng
Cường độ các cực đại phụ giảm đi rất nhanh khi ra xa tâm. Ngay cả cực đại phụ thứ nhất cũng chỉ có cường độ chưa đầy
Sự phụ thuộc của bề rộng dải cực đại vào tỷ số

Chú thích:
- Nếu bề rộng khe bằng hoặc hẹp hơn bước sóng, chỉ có một cực đại rộng duy nhất được hình thành. (If the slit width is equal to or narrower than the wavelength, only one broad maximum forms.)
- Khe càng rộng (hoặc bước sóng càng ngắn), đỉnh cực đại trung tâm càng hẹp và càng sắc nét. (The wider the slit (or the shorter the wavelength), the narrower and sharper is the central peak.)
Trong xấp xỉ góc nhỏ, vị trí góc của cực tiểu đầu tiên (
Độ mở góc của dải sáng cực đại trung tâm (
- Khi bề rộng khe
lớn hơn rất nhiều so với bước sóng ( ): Góc , chùm tia hầu như không bị loe rộng, sự truyền sáng tuân theo các định luật của quang hình học. - Khi bề rộng khe
bằng bước sóng ( ): Ta có , tương ứng góc nằm tiếp tuyến ngay trên mặt phẳng của khe, do đó không xuất hiện bất kỳ cực tiểu hữu hạn nào trên màn quan sát phía trước. - Khi bề rộng khe
nhỏ hơn bước sóng ( ): Ta có . Vì hàm sin không thể vượt quá 1, hoàn toàn không tồn tại góc thực nào thỏa mãn điều kiện cực tiểu. - Do đó: Trong cả hai trường hợp
, dải sáng cực đại trung tâm lan tỏa ra toàn bộ góc phía sau khe và trên màn quan sát phía trước không hề xuất hiện hệ vân tối nào.
Ứng dụng thực tế: Nhiễu xạ của sóng âm trong đời sống
Sóng âm trong tiếng nói con người có bước sóng cỡ

Hiện tượng tương tự xảy ra khi giảng viên quay mặt vào bảng đen giảng bài (Hình 36.11): Sóng âm dễ dàng nhiễu xạ vòng qua đầu giảng viên để truyền tới tai sinh viên trong lớp học. Trái lại, mắt thường không thể nhìn xuyên qua đầu giảng viên vì ánh sáng nhìn thấy có bước sóng chỉ khoảng
Ví dụ 36.2: Xác định cường độ sáng và bề rộng khe từ độ lệch pha
(a) Cường độ sáng tại tâm hệ vân là
(b) Nếu điểm này nằm cách cực đại trung tâm một góc
Nhận dạng bài toán: Bài toán cho biết độ lệch pha
Chuẩn bị:
- Phần (a): Cho
. Áp dụng phương trình (36.5) để tìm . - Phần (b): Cho
và . Áp dụng phương trình (36.6) để tìm tỷ số .
Thực hiện: (a) Tính giá trị hàm tại
Thay vào phương trình (36.5):
(b) Từ phương trình (36.6), ta biến đổi để tìm tỷ số
Nếu dùng ánh sáng có bước sóng
Giá trị này xấp xỉ bằng
Đánh giá: Câu hỏi: Giá trị
Xem phân tích
Để xác định, ta nhận thấy giá trị
Ý nghĩa vật lý: Cường độ sáng tại một điểm trong hệ vân nhiễu xạ phụ thuộc trực tiếp vào độ lệch pha
Ví dụ 36.3: Tính cường độ sáng tại một điểm trên màn quan sát
Trong thí nghiệm ở Ví dụ 36.1, cường độ sáng tại tâm hệ vân là
Nhận dạng bài toán: Bài toán yêu cầu tính cường độ sáng
Chuẩn bị:
- Từ Ví dụ 36.1: Bề rộng khe
, bước sóng , khoảng cách tới màn . - Tọa độ điểm quan sát trên màn:
. - Ta tính góc
qua hình học: , sau đó áp dụng phương trình (36.7) để tính cường độ sáng .
Thực hiện: Góc nghiêng
Vì
Thay vào phương trình tính cường độ (36.7):
Đánh giá: Cường độ đạt mức cao tới
Ý nghĩa vật lý: Khi ánh sáng truyền qua một khe hẹp, cường độ sáng tại góc lệch
Câu hỏi tự kiểm tra 36.3
Bức xạ điện từ kết hợp truyền qua khe rộng
- (i) Ánh sáng lam bước sóng
. - (ii) Hồng ngoại bước sóng
. - (iii) Vi ba bước sóng
. - (iv) Tử ngoại bước sóng
.
Xem đáp án và giải thích
Chọn (ii) và (iii). Khe rộng
Các tỉ số bước sóng với bề rộng khe lần lượt là:
Hai trường hợp (ii), (iii) đòi hỏi sin lớn hơn một, nên không có hướng cực tiểu. Hai trường hợp (i), (iv) có bước sóng nhỏ hơn bề rộng khe và có các cực tiểu. Ở đây không có lựa chọn nào bằng đúng bề rộng khe.
Tài liệu tham khảo
Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 36.3, trang 1190–1194.