CHƯƠNG I: NHIÊU XA I. Giới thiệu; Hiện tượng giao thoa ánh sáng đã chứng mình rực rỡ tính sóng của ánh sáng Tuy nhiên dé lý thuyết này thật hoàn hao, nó còn phải giải thích được các định luật cơ bản của quang học vẻ sự truyền thăng. sự phát xạ và khúc xạ ánh sáng.Chính trong hiện tượng nhiều xạ ánh sáng, quang học sóng sẽ tìm thấy nguyên lý cơ bản của minh, nguyên lý Huyghen-Fresnel mà theo nó quang hình học chỉ là trường hợp riêng của quang học sóng. Sư tồn tại hiện tương nhiễu xa ánh sáng: 1.
Hiện tượng nhiễu xạ cũng có thé quan sát được khi cho ánh sáng truyền trong những đều kiện xác định.Chăng hạn trên một tam kính mỏng son den T đục một hồng tròn nhỏ là O. Dùng một thấu kính hội tụ L roi ánh sáng từ một nguồn điểm mạnh § qua hồng O.Theo nguyên lý về sự truyền thing của ánh sáng, lẽ ra ánh sáng chỉ truyền trong hình nón AOB.Thực tế thi theo phương R nằm ngoài hình nón AOB, ta vẫn nhận được anh sáng. Nếu héng O khá nhỏ thi theo phương OP gin vuông góc với trục hình nón, vẫn nhận được anh sáng. Khi đặt một man E song song với tam T thi ta thấy màn gan như tán déu, tức là không có ranh giới rõ rệt giữa bóng tối hình học và quang sáng như phải có theo nguyên lý truyền thẳng.
SVTH:Lê Ngọc Y Nhi I GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nhiễu xạ oa _—s tee = | SS ea ie - | Hình 1- Nhiễu xạ qua hồng tròn Thí nghiệm trên chứng tỏ rằng có những trường hợp mả nguyên lý về sự truyền thắng ánh sáng không được nghiệm đúng. Trong thí nghiệm trên , sự sai lệch giữa nguyên lý ấy càng rõ rệt nếu hồng O càng nhỏ. Tóm lại, trong một môi trường đồng chat, ánh sáng chẳng những truyền theo đường thẳng mà còn có thé truyền theo những phương khác. Những phương đó người ta gọi là phương nhiễu xạ.
Ảnh sáng truyền theo phương nhiễu xạ gọi là ánh sáng nhiễu xạ. Hiện tượng quang học đó gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Thí nghiệm minh họa: Quan sát nhiều thí nghiệm ,người ta thấy rằng khi ánh sáng truyền trong một môi trường đồng tính, nếu gặp một vật cản sẽ xảy ra hiện tượng nhiễu xạ như trên. Sau đây chúng ta khảo sát 2 thí nghiệm vẻ hiện tượng nhiễu xạ: a.
Thí nghiệm l: SVTH:Lé Ngọc Y Nhi 2 GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nhiễu xạ Một chùm tia sáng phát xuất từ một đèn hồ quang S đi qua thấu kính L sẽ hội tụ tại ŠS`, chính là ảnh thực của S qua L. Đặt tại S* một hồng tròn của một man chắn D và quan sát hiện tượng trên man E đặt sau S'': (L) Theo định luật truyền thắng ánh sáng, các tia sáng chỉ nằm trong hình nón S’AB và ta phải quan sát thấy trên màn E một đĩa sáng tròn có đường kính AB. Tuy nhiên thí nghiệm còn cho thấy trên màn E xuất hiện các van tròn sáng tối xen kẽ nhau bao quanh đĩa tròn nói trên. Điều này chứng tỏ có những tia sáng nằm ngoài hình nón S’AB.
Đó là những tia nhiễu xạ. Thin 2: Một nguồn sáng S đặt tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ (L) cho một chùm tia 16 song song với man quan sát (E) .Ta đặt một vật chan (chướng ngại vật) có mép thăng MN , vi dụ: lưỡi dao cạo để ngăn cản một phần của ánh sáng tới mản : SVTH:Lé Ngọc Y Nhi 3 GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nhiễu xạ Nếu ánh sáng tuân theo đúng định luật truyền thắng thì phải quan sát thấy trên màn (E) 2 vùng sáng tối phân cách nhau bởi một đường ranh giới M'N'(ảnh hình học của mép MN) rõ nét .Thực ra nếu quan sát kĩ (bằng kính lúp) ta thấy cường độ sáng không triệt tiêu đột ngột tại đường ranh giới M’N’ trở vào vùng tối hình học.Còn trong vùng sáng hình học, ở lân cận đường M'N'có các vân sáng tối xen kẽ nhau.Các vân này càng ra xa đường kính M`N'càng khít nhau lại và có bể rộng nhỏ dẫn. Ở khá xa M’N’ ta có miễn sáng đều. Các hiện tượng trong 2 thí nghiệm trên chỉ có thé được giải thích nếu ta nhìn nhận rằng ánh sáng có tính chất sóng.
Người đầu tiên giải thích được hiện tượng nhiễu xạ là Jean-Augustin Fresnel(1788-1857)-nhà vật lý nỗi tiếng người Pháp và đưa ra một định dé mang tên ông dé giải thích hiện tượng nảy. SVTH:Lê Ngọc Y Nhi + GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nguyên ly Huyghen-Fresnel CHƯƠNG II NGUYEN LY HUYGHEN- FRESNEL Một chậu nước hình chữ nhật có kích thước lớn, bé cao của chậu thấp, ở giữa có vách ngân với khe hẹp nhỏ O. Ta ding một âm thoa để tạo những sóng tròn tâm S ở ngăn thir nhất. Những sóng này đi qua hông nhỏ của vách ngăn và tiếp tục truyền di trong nước bên kia vách ngăn.
Các sóng này có tâm O chứ không phải là tâm S. Như vậy khe hẹp O. khi truyén tới trở thành 1 nguồn chan động gọi là nguồn thứ cấp. SVTH:Lé Ngọc Y Nhi 5 GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nguyên ly Huyghen-Fresnel H.
Nguyên lý Huyghen: Tir những quan sat về sự truyền sóng nước , đặt biệt là hiện tượng nhiễu xạ sóng nước. Huyghen (1690) đã nêu lên ý kiến vẻ sự truyền ánh sáng. Theo ông , ánh sáng truyền được trong chân không là nhờ một môi trường đặc biệt gọi là ete đàn hỏi; chứa day trong không gian và trong khoảng giữa của vật chất, tựa như các vật thé được dim vào trong đại dương ete. Sự dao động của các hat ete khi truyền sáng xảy ra tương tự như đao động của các phan tử vật chất khi truyền sóng âm ma ta còn gọi lả sóng cơ học hay sóng đàn hồi.
Huyghen cho rằng ánh sang gồm các xung đàn hồi. Vi vậy ông không đưa ra khái niệm bước sóng. Cũng tương tự như trong quá trình truyền sóng âm, một hat ete dao động khi nhận được xung ánh sáng, nó truyền dao động cho các phan tử xung quanh ,tựa như O là một nguồn sóng Ý kiến của HuyGhen được phát biểu thành nguyên lý sau: Chúng ta hãy tưởng tượng có một mặt (L) kín bất kì bao quanh một nguồn chin động S : SVTH:Lé Ngọc Y Nhi 6 GVHD:Phan Thị Hỏa Bình Luận văn tốt nghiệp Nguyên ly Huyghen-Fresnel Mỗi điểm của mat kin (©) mà sóng truyền tới lại trở thành nguồn phát sóng thứ cấp ; ở mỗi thời điểm , mặt bao của các mặt sóng cầu thứ cấp là mặt đầu sóng của sóng thực sự truyền đi. Biên độ và pha của những chắn động thứ cắp truyền từ A, B, M, N.có liên quan đến biên độ vả pha của những chan động truyền từ S den A, B, M, Theo nguyên lý này ,ta thay rằng khe hẹp O trong thi nghiệm chậu nước của Huyghen đã trở thành một nguồn phát sóng cẩu thứ cắp sang ngăn thứ hai.
Huyghen đã mở rộng nguyên lý của mình sang phạm vi quang học và đã giải thích được các hiện tượng truyền thing anh sáng ,phản xạ, khúc xạ, va cả khúc xạ lưỡng chiết. Đối với hiện tượng nhiễu xạ, nguyên lý Huyghen chỉ cho ta giải thích một cách định tính vi nó không cho ta biết một cách dich xác biên độ vả pha của các sóng thứ cấp, Dé giải thích hiện tượng nhiễu xạ một cách định lượng Jean-Augstin Fresnel đã bổ sung thêm một định để ta gọi là định dé Fresnel. Định đề Fresnel: Dựa vào cách giải thích hiện tượng giao thoa do lâng nêu ra (1801). Năm 1815, Fresnel đã bổ sung vào nguyên lý Huyghen định dé Fresnel.
Ông đưa ra giả thuyết rằng: “Biên độ và pha của chấn động của nguén thứ cắp A đúng bằng biên độ và pha của chin động tạiA tạo bởi nguồn S " Xuất phát từ định để Fersnel ,ta thử viết biểu thức của chan động tại điểm P tạo bởi một diện tích vi cấp do bao quanh nguồn thứ cấp A: SVTH:Lê Ngọc Y Nhi 7 GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nguyên lý Huyghen-Fresnel Giả thử biểu thức chan động tại S là: 2m Ss.> = = 4, cos=- † (Ù Sóng phát di từ nguồn S là sóng cau nên có biên độ biến thiên ti lệ nghịch với khoảng cách. Vậy khi đến A, cách S một khoảng rị , biểu thức của sóng là: S, ñ coat ‘| aint. S1 (2) Đây cũng chính là biểu thức chắn động từ nguồn thứ cấp A .Từ A sóng thir cấp được phát đi theo mọi phương. Tuy nhiên các sóng thứ cấp phát ra theo các phương khác nhau có biên độ không bằng nhau mà phụ thuộc vào các góc 9, 8” hợp bởi pháp tuyến của bề mặt vi cắp (do) v à c ác ph ư ong SA, AP.
Biểu thức của chan động thứ cấp tại P truyền từ diện tích vi cấp do lả - Kuøih coo aac1G, th lao @) nh Trong do: SVTH:Lê Ngoc Y Nhi 8 GVHD:Phan Thj Héa Binh Luận văn tốt nghiệp Nguyên ly Huyghen-Fresnel Hệ số K là một hàm của 6. va được gọi la thừa số xiên. Sự phụ thuộc của K vào 0, 0° rat phức tạp. Tuy nhiên nêu 6=0, người ta đã chứng minh được rằng: Ks 5 (1+eosớ) (4) Trong trường hợp nay các sóng thứ cấp có biên độ cực đại khi 6`=0 va có biên độ triệt tiêu khi Ø= z.
Nguyên tắc áp dung nguyên lý Huyghen-Fresnel: S là nguồn sáng điểm, ta xét trang thái chắn động do S gay ra ở | điểm P, tức là xét biên độ và pha của chấn động ở P. Muốn áp dụng nguyên lý Huyghen -Fresnel ta lấy một mat kín (©) bao quanh S. Coi mỗi điểm trên mặt (=) như tâm phát sóng cầu thư cấp và tông hợp của tat cả các sóng cầu gởi từ các điểm ấy tới P. Goi M là một điểm của mat (>) do là nguyên tế diện tích của mặt (3) bao quanh M rị ,r; :khoảng cách từ S đến M va từ M đến P Giả sử chấn động sáng tại S có biếu thức: SVTH:Lê Ngoc Y Nhi 9 GVHD:Phan Thị Hòa Bình Luận văn tốt nghiệp Nguyên ly Huyghen-Fresnel 2m S, = a, cos(av~ @) = a, cos(ˆ —~? do :biên độ sóng phát di từ don vị điện tích của nguồn S .Sóng nay là sóng cau nên biên độ giảm tỉ lệ nghịch với quang đường truyền ;do đó khi truyén tới M, sóng có biên độ là fo và bị lệch pha là =.
Theo h định dé Fresnel, đó cũng lả biên độ và pha của sóng cầu thứ cấp phát ra từ đơn vị diện tích của (=). Ở điểm M ,sỏng câu thứ cấp phát đi tử nguyên tố diện tích ¿ơ có biên độ là “do.