36.1. Hiện tượng nhiễu xạ Fresnel và Fraunhofer

Theo quan điểm của quang hình học, khi đặt một vật chắn sáng mờ đục nằm giữa một nguồn sáng điểm và một màn quan sát (Hình 36.1), bóng của vật trên màn sẽ tạo ra một đường ranh giới sắc nét hoàn hảo. Toàn bộ các điểm nằm bên trong vùng bóng tối sẽ không nhận được bất kỳ tia sáng nào, trong khi khu vực nằm ngoài bóng tối sẽ được chiếu sáng gần như hoàn toàn đồng đều.

Hình 36.1: Một nguồn sáng điểm chiếu sáng mép thẳng của một vật chắn sáng. Quang hình học dự đoán sự xuất hiện của một ranh giới sắc nét tuyệt đối giữa vùng sáng và vùng bóng tối hình học. Tuy nhiên, hiện tượng thực tế không diễn ra như vậy: Ánh sáng bị uốn cong nhẹ quanh mép vật cản, tạo nên các dải sáng tối xen kẽ.

Chú thích:

• Quang hình học dự đoán tình huống này sẽ tạo ra một ranh giới sắc nét giữa vùng được chiếu sáng và bóng tối hoàn toàn. (Geometric optics predicts that this situation should produce a sharp boundary between illumination and solid shadow.)
• Đó KHÔNG PHẢI là điều thực sự xảy ra! (That’s NOT what really happens!)
• Không xảy ra (DOESN’T HAPPEN)
• Nguồn điểm (Point source)
• Vùng chiếu sáng (Area of illumination)
• Bóng tối hình học (Geometric shadow)
• Mép thẳng của vật cản (Straightedge)
• Màn quan sát (Screen)

Tuy nhiên, bản chất sóng của ánh sáng dẫn đến những hiệu ứng không thể giải thích bằng quang hình học. Một nhóm hiện tượng quan trọng xuất hiện khi ánh sáng truyền qua mép chắn hoặc lỗ hẹp của một vật cản. Hệ vân giao thoa được hình thành trong tình huống này được gọi chung là hiện tượng nhiễu xạ (diffraction).

Hình 36.2: Một ví dụ điển hình về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. (a) Ảnh chụp bóng của một lưỡi dao cạo được chiếu sáng bởi nguồn sáng đơn sắc điểm phát ra từ một lỗ kim. Các dải vân sáng tối xuất hiện rõ nét dọc theo đường viền của lưỡi dao. (b) Góc nhìn phóng đại của khu vực nằm ngay bên ngoài ranh giới bóng tối hình học, cho thấy sự biến thiên tuần hoàn của các dải vân sáng và tối.

Chú thích:

• Ảnh chụp một lưỡi dao cạo được chiếu sáng bởi ánh sáng đơn sắc từ một nguồn điểm (lỗ kim). Chú ý các vân sáng tối bao quanh đường viền của lưỡi dao. (Photograph of a razor blade illuminated by monochromatic light from a point source (a pinhole). Notice the fringe around the blade outline.)
• Góc nhìn phóng đại của vùng nằm ngoài bóng tối hình học của lưỡi dao. (Enlarged view of the area outside the blade’s geometric shadow.)
• Vị trí ranh giới bóng tối hình học (Position of geometric shadow)

Hình 36.2 minh họa một ví dụ điển hình về hiện tượng nhiễu xạ. Bức ảnh ở Hình 36.2a được chụp bằng cách đặt một lưỡi dao cạo ở chính giữa (nửa khoảng cách) giữa một lỗ kim được chiếu sáng bởi ánh sáng đơn sắc và một tấm phim ảnh. Tấm phim ghi nhận bóng của lưỡi dao. Hình 36.2b là góc phóng đại của khu vực gần bóng của mép phải lưỡi dao, với vị trí của đường ranh giới bóng tối hình học được chỉ định bởi các mũi tên. Vùng nằm ngoài bóng tối hình học được viền bởi các dải sáng và dải tối xen kẽ nhau. Thậm chí có một phần ánh sáng thực sự đi vào trong vùng bóng tối, dù hiệu ứng này khó quan sát hơn trong bức ảnh. Đáng chú ý, dải sáng đầu tiên trên Hình 36.2b, nằm ngay bên phải ranh giới bóng tối hình học, sáng hơn đáng kể so với khu vực được chiếu sáng đồng đều ở tận cùng bên phải. Thí nghiệm đơn giản này cho thấy sự phong phú và phức tạp của hiện tượng nhiễu xạ.

Trong đời sống hằng ngày, ta hiếm khi quan sát thấy các hệ vân nhiễu xạ như Hình 36.2 bởi hai lý do cơ bản:

• Hầu hết các nguồn sáng thông thường trong sinh hoạt đều không phải là nguồn sáng đơn sắc và cũng không phải là nguồn điểm. Nếu ta sử dụng một bóng đèn dây tóc mờ màu trắng thay cho nguồn điểm để chiếu sáng lưỡi dao cạo trong Hình 36.2, mỗi bước sóng ánh sáng phát ra từ mỗi điểm nguồn của bóng đèn sẽ tạo ra một hệ vân nhiễu xạ riêng. Tuy nhiên, các hệ vân này chồng chéo lên nhau quá nhiều khiến ta không thể quan sát được bất kỳ hệ vân riêng lẻ nào.
• Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy rất ngắn, chỉ nằm trong khoảng từ $400\mathrm{nm}$ đến $700\mathrm{nm}$. Do đó, các dải vân nhiễu xạ có khoảng cách rất nhỏ, đòi hỏi điều kiện quan sát phóng đại hoặc nguồn sáng có kích thước rất tinh vi mới có thể phân biệt được.

Nguyên lý Huygens và cơ chế của hiện tượng nhiễu xạ

Ta có thể áp dụng để phân tích các hệ vân nhiễu xạ. Theo nguyên lý này, ta có thể coi mỗi điểm trên một như một nguồn phát các sóng cầu thứ cấp. Các sóng cầu thứ cấp này lan truyền về mọi hướng với tốc độ bằng đúng tốc độ truyền sóng. Vị trí của mặt sóng tại thời điểm tiếp theo chính là mặt bao tiếp tuyến của toàn bộ các sóng cầu thứ cấp tại thời điểm đó. Để tìm li độ tổng hợp tại một điểm bất kỳ, ta áp dụng nguyên lý chồng chất sóng để cộng toàn bộ các li độ dao động riêng rẽ do các sóng thứ cấp này gây ra.

Nhiễu xạ đôi khi được miêu tả trực quan là “sự bẻ cong của ánh sáng quanh vật cản”. Tuy nhiên, quá trình vật lý gây ra nhiễu xạ luôn hiện diện trong sự lan truyền của mọi sóng. Bất kỳ khi nào một phần của bị cắt bớt bởi một vật cản, ta đều quan sát thấy các hiệu ứng nhiễu xạ xuất hiện do sự giao thoa của những phần mặt sóng còn lại.

Các dụng cụ quang học trong thực tế luôn chỉ tiếp nhận một phần hữu hạn của ánh sáng. Chẳng hạn: Kính thiên văn chỉ thu nhận phần mặt sóng lọt qua thấu kính vật kính hoặc gương cầu. Mắt người chỉ thu nhận phần sóng đi qua đồng tử. Vì vậy, hiện tượng nhiễu xạ giữ vai trò quyết định trong việc giới hạn độ phân giải của hầu hết mọi hệ thống quang học.

Phân loại nhiễu xạ: Nhiễu xạ Fresnel và nhiễu xạ Fraunhofer

Tùy thuộc vào khoảng cách tương đối giữa nguồn sáng, vật cản và màn quan sát, người ta phân chia hiện tượng nhiễu xạ thành hai trường hợp:

Trong Hình 36.1, nguồn sáng điểm và màn quan sát đều ở tương đối gần vật cản tạo nên hệ vân nhiễu xạ. Tình huống này được gọi là hay nhiễu xạ Fresnel, đặt theo tên của nhà khoa học Pháp Augustin Jean Fresnel (1788–1827), phát âm là “Freh-nell”. Khi nguồn hoặc màn tương đối gần, độ cong liên quan không thể bỏ qua. Mặt sóng có thể là mặt cầu hoặc mặt trụ, tùy hình học nguồn. Việc tính toán biên độ sóng tổng hợp tại một điểm trên màn đòi hỏi phải xét cả độ cong của mặt sóng và độ lệch pha phức tạp giữa các tia sáng không song song.

Trái lại, ta dùng thuật ngữ (đặt theo tên của nhà vật lý Đức Joseph von Fraunhofer, 1787–1826) cho các tình huống mà nguồn sáng, vật cản và màn quan sát ở đủ xa nhau để ta có thể coi mọi đường truyền từ nguồn tới vật cản là song song với nhau, và cũng có thể coi mọi đường truyền từ vật cản tới một điểm xác định trên màn là song song với nhau. Trong các phần tiếp theo của chương này, chúng ta sẽ giới hạn phạm vi khảo sát ở hiện tượng nhiễu xạ Fraunhofer, vốn đơn giản hơn nhiều để phân tích chi tiết so với .

Mối liên hệ bản chất giữa giao thoa và nhiễu xạ

Giữa hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ không có sự khác biệt bản chất nào về mặt vật lý:

• Thuật ngữ giao thoa thường được dùng khi xét các hiệu ứng liên quan tới sóng từ một số lượng nhỏ các nguồn, thông thường là hai nguồn.
• Thuật ngữ nhiễu xạ thường được dùng khi xét sự phân bố liên tục của các sóng thứ cấp trên toàn bộ diện tích của một lỗ mở, hoặc từ một số lượng rất lớn các nguồn hay các khe hẹp.

Cả hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ đều là hệ quả tất yếu của nguyên lý chồng chất sóng và .

Câu hỏi tự kiểm tra 36.1

Sóng âm có thể nhiễu xạ quanh một mép vật cản không?

Xem đáp án và giải thích

Có. Khi nghe một người đang đứng khuất sau góc tường, ta nhận các sóng âm đã nhiễu xạ quanh mép. Nếu âm không có nhiễu xạ hoặc phản xạ, ta chỉ nghe được những vật phát âm nằm trong đường nhìn thẳng.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 36.1, trang 1185–1186.