CHƯƠNG 1 CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC 1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC Quang hình học dựa trên bốn định luật cơ bản sau đây: 1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng: Định luật được phát biểu.
Trong một môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng, ánh sáng truyền theo đường thẳng. Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có giới hạn ứng dụng của nó. Khi ánh sáng truyền qua những lỗ thật nhỏ hoặc gặp những chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không còn đúng nữa. Định luật về tác đụng độc lập của các tia sáng: Định luật được phát biểu: Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau.
Nghĩa là, tác dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác. Hai định luật của Đêcac (Descartes): Thực nghiệm xác nhận rằng, khi tia sáng OI tới mặt phân cách hai môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì tia sáng bị tách thành hai tia: tia phản xạ IR1 và tia khúc xạ IR2 (Hình 18. Chúng tuân theo hai định luật sau đây: 1. Định luật Đêcac thứ nhất- định luật phản xạ: Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (tức là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến IN) và góc tới bằng góc phản xạ.
Định luật Đêcac thứ hai - định luật khúc xạ. Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một số không đổi. n2-l là một số không đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường, được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1. Nếu n2-l > l thì i2 < i1, tia khúc xạ gặp pháp tuyến và môi trường 2 được gọi là chiết quang hơn môi trường 1.
Ngược lại, nếu n2-l < l thì i2 > i1, tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn và môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1. Chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối: Nếu gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 và 2, từ thực nghiệm chứng tỏ: Ngoài chiết suất tỉ đối, người ta còn định nghĩa chiết suất tuyệt đối của một môi trường: Chiết suất tuyệt đối của môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không. Nếu gọi v là vận tốc ánh sáng trong môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong chân không và n là biết suất tuyệt đối của môi trường thì căn cứ vào (3) ta có: Đối với không khí v ≈ c nên n ≈ 1 Ta tìm mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối của hai môi trường và chiết suất tuyệt đối của chúng. Từ (3) có thể viết: Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì n1 ≈ 1 và n2-l ≈ n2.
Do đó có thể coi chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó là đối với không khí. Dạng đối xứng của định luật Đêcac. Từ (2) và (5) có thể viết: 113 Biểu thức (6) là dạng đối xứng của định luật Đêcac 1. Hiện tượng phản xạ toàn phần.
Hai điều kiện để hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra: - Thứ nhất là ánh sáng phải đi từ môi trường chiết quang mạnh sang môi trường chiết quang kém hơn, thí dụ đi từ nước ra không khí. Khi đó ta có: Ở đây vì n1 > n2 nên il < i2 , tức là góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ. Khi tăng góc tới thì góc khúc xạ cũng tăng, nhưng luôn luôn có i1 < i2. Khi góc khúc xạ i2 = 900 thì góc tới đến một giá trị gọi là góc tới tới hạn (tg) - Thứ hai là góc tới phải lớn hơn (hay tối thiểu là bằng) góc tới tới hạn, tức là: Khi đó thì toàn bộ tia sáng đi tới mặt phân cách hai mối trường sẽ phản xạ trở lại môi trường thứ nhất Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần.
Lúc đó ta có: * Ứng dụng của hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. - Dựa vào hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần có thể giải thích được hiện tượng các ảo ảnh quan sát được ở các vùng sa mạc hay đồng cỏ (Hình 1. Nhờ sự uốn cong của tia sáng nên một số vật ở khuất xa dưới đường chân trời sẽ được nhìn thấy và hình dung được như ở gần người quan sát hơn. - Dựa vào tính chất khi gương phẳng quay một góc α thì tia phản xạ quay một góc 2α, người ta gắn một gương phẳng vào khung treo của một điện kế.
114 Khi có dòng điện một chiều chạy trong khung dây, khung dây sẽ quay kéo theo cả gương cùng quay. Chiếu một chùm tia sáng vào gương, khi gương quay thì tia sáng phản xạ sẽ quay một góc lớn gấp đôi, tức là đã tăng độ nhậy của điện kế. Đó là nguyên tắc cấu tạo của điện kế gương. Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để đổi chiều tia sáng trong các dụng cụ quang học.
Chiết suất của thuỷ tinh vào cỡ 1,5. Vì vậy góc tới tới hạn trên biên giới thuỷ tinh - không khí cỡ ig ≈ 420, khi góc tới bằng 450 sẽ luôn luôn xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.4 biểu diễn các lăng kính phản xạ toàn phần. Lăng kính phản xạ toàn phần được ứng dụng nhiều trong các dụng cụ quang học như kính tiềm vọng, kính hiển vi, khúc xạ kế. Ngày nay hiện tượng phản xạ toàn phần còn được ứng dụng trong cáp sợi quang (O.
Sợi quang học cấu tạo gồm hai lớp (xem hình 1.5), lõi có chiết suất n1, vỏ có chiết suất n2, với điện kiện nl > n2. Khi cho ánh sáng (tia laser) đi vào một đầu sợi quang (phấn lõi), ánh sáng sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trong lõi mà không bị lọt ra lớp vỏ, như vậy không mất mát (hay không đáng kể) năng lượng và sẽ đi đến tận đầu kia của sợi quang. Dựa vào tính chất chiết suất của các chất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó, người ta có thể giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng (thí dụ cầu vồng). Dựa trên nguyên lý này, đã chế tạo ra các dụng cụ phân tích ánh sáng đa sắc (ánh sáng tự nhiên) thành các ánh sáng đơn sắc, thí dụ như các lăng kính (bằng thuỷ tinh hay thạch anh) dùng trong các máy quang phổ.
Chiết suất chất phụ thuộc vào bản chất của chất đó, vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó, vào nhiệt độ khi đo, và với một số dung dịch, còn phụ thuộc vào nồng độ của chất tan. Vì vậy việc xác định chỉ số khúc xạ (chiết suất) của một chất được dùng để phân tích định tính và có thể cả định lượng chất đó. DỤNG CỤ QUANG HỌC Trong phần này của giáo trình chỉ trình bày về phương pháp hiển vi. Như vậy sinh viên cần phải đọc lại những nội dung có trong chương trình phổ thông như: gương phẳng, gương cấu, thấu kính, kính lúp, kính hiển vi.
Khi nghiên cứu, quan sát, đo đạc với góc phân ly tối thiểu của mắt bình thường là αmin = 1 phút. Ứng với giá trị của góc này, ở khoảng cách nhìn thuận lợi I0 = 25cm, còn phân biệt được hai điểm A, B có khoảng cách d = 7,5. với khoảng cách nhỏ hơn thì mắt không phân ly được nữa. Lúc đó A' và B' là ảnh của A, B sẽ trùng nhau và sẽ cùng kích thích lên một tế bào thần kinh thị giác, mắt sẽ không phân biệt được A và B.
Muốn nhìn được vật có kích thước quá bé (cỡ μm) phải dùng dụng cụ bổ trợ cho mắt. Tác dụng của dụng cụ bổ trợ là làm tăng góc nhìn, mắt sẽ quan sát ảnh của vật dưới góc nhìn lớn hơn, tức là làm tăng năng suất phân ly của mắt. Thí dụ, một vật AB có kích thước khá bé, đặt cách mắt một khoảng I0 = 25cm thì mắt không phân biệt được A, B. Nếu đặt trước mắt một thấu kính hội tụ L sao cho AB nằm trong khoảng tiêu cự của L, lúc đó mắt sẽ quan sát ảnh A1B1C của AB dưới góc nhìn trong khoảng tiêu cự của L, lúc đó sẽ quan sát ảnh A1, B1, của AB dưới góc nhìn α > αmin.L đặt ở vị trí thích hợp để cho A1, B1 nằm ở khoảng cách I0 =25cm (Hình 1.Các dụng cụ bổ trợ cho mắt trong nghiên cứu y sinh học là các loại kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử.
Trước khi nghiên cứu về kính hiển vi, ta hãy xét khái niệm về năng suất phân ly của dụng cụ quang học. Năng suất phân ly của đụng cụ quang học. Năng suất phân ly của một dụng cụ quang học là một đại lượng cho biết khả năng phân biệt những chi tiết nhỏ trên vật quan sát. Trường hợp vật quan sát ở gần, năng suất phân ly đo được bằng nghịch đảo của khoảng cách bé nhất giữa hai điểm mà ta có thể phân biệt được khi nhìn qua dụng cụ quang học.
Còn vật ở xa, năng suất phân ly đo được bằng nghịch đảo của góc nhìn bé nhất giữa hai phương đến hai điểm mà mắt có thể phân biệt được khi nhìn qua dụng cụ quang học. 116 Theo quang hình lý thuyết, thì ảnh của một điểm qua quang hệ lý tưởng cũng phải là một điểm. Nhưng thực tế chùm tia sáng đi từ điểm đó đến kính vật đều bị giới hạn bởi lá chắn (hay bởi khung hình tròn mang vật kính). Do hiện tượng nhiễu xạ qua một lỗ tròn (sẽ xét kỹ trong chương nhiễu xạ ánh sáng) nên ảnh của một điểm qua kính vật không phải là một điểm nữa, mà là một hệ vòng trong nhiễu xạ (sáng, tối xen kẽ và đồng tâm).
Đồ thị phân bố cường độ sáng của cực đại nhiễu xạ theo bán kính cho bởi hình (1. Giả sử có hai điểm A và B, ảnh của nó qua quang cụ là hai hình nhiễu xạ có tâm là A1, B1 (Hình 1. Gọi bán kính vòng tròn nhiễu xạ đầu tiên là R, khoảng cách giữa hai tâm A1, B1 của hai hình nhiễu xạ là r. Theo tiêu chuẩn Raylay (Rayleigh): Hai nguồn điểm vật có cường độ sáng bằng nhau, có ảnh qua vật kính tròn phân biệt được, nên bán kính của vòng tròn nhiễu xạ thứ nhất của ảnh này đi qua tâm chấm sáng của ảnh kia.
Tức là: Gọi d là khoảng cách giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt được (nếu quan sát các vật ở xa thì là góc trông α).