NỘI DUNG
TỔNG QUAN VỀ CÁC THÍ NGHIỆM GIAO THOA VÀ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG
1.1 Cơ sở lý thuyết chung
Ánh sáng là sóng điện từ, trong đó phần điện trường biến thiên tạo ra cảm giác sáng cho mắt Dao động của vector cường độ điện trường được gọi là dao động sáng.
Xét phương trình dao động sáng tại điểm O: e E 0 cos t (1.1.1)
Giả sử môi trường không hấp thụ, ánh sáng truyền theo phương từ O đến P trong môi trường có chiết suất n như Hình 1.1
Hình 1.1 Minh họa lan truyền ánh sáng theo phương OP
Khi đó, phương trình dao động sáng tại điểm P với khoảng cách OP = d , là:
(1.1.2) trong đó, L nd chính là hiệu quang trình giữa 2 điểm O và P
Khi không có hiệu ứng phi tuyến, nguyên lý chồng chập cho thấy rằng khi hai hoặc nhiều sóng ánh sáng gặp nhau, chúng không gây nhiễu loạn cho nhau và vẫn truyền đi như cũ Tại các điểm giao nhau, dao động sáng tổng hợp được hình thành từ tổng các dao động sáng thành phần Nhờ vào nguyên lý này, chúng ta có thể dự đoán hình dạng của sóng thông qua việc cộng các sóng lại với nhau.
Nguyên lý Huyghen – Fresnel cho rằng mỗi điểm trên mặt sóng là nguồn cho sóng thứ cấp mới, và sự lan truyền của sóng tổng hợp từ tất cả các sóng thứ cấp này Do đó, các đầu sóng có khả năng tạo ra các vùng giao thoa, dẫn đến sự hình thành các miền sáng và tối một cách đồng đều và có thể dự đoán.
- Điều kiện để có giao thoa sóng
Giao thoa sóng ánh sáng xảy ra khi hai sóng kết hợp dao động cùng phương, với tần số giống nhau và hiệu số pha không thay đổi theo thời gian.
Tương tác giữa các sóng tạo ra hiện tượng "giao thoa", bao gồm giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu Khi hai sóng có cùng bước sóng và tần số ở trạng thái cùng pha, đỉnh và bụng sóng sẽ khớp nhau, dẫn đến giao thoa tăng cường và làm tăng biên độ sóng, gây ra sự sáng lên của cường độ ánh sáng tại vị trí đó Ngược lại, nếu hai sóng có cùng bước sóng và tần số nhưng ngược pha, đỉnh sóng của sóng này sẽ khớp với bụng sóng của sóng kia, gây ra giao thoa triệt tiêu và giảm biên độ sóng, dẫn đến sự mờ đi của cường độ ánh sáng Hình 1.2 minh họa hiệu ứng này.
Hai sóng cùng pha Hai sóng ngược pha 180 0
Hình 1.2 Sự tương tác giữa các sóng
Hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng chứng minh rõ ràng tính chất sóng của ánh sáng Thomas Young, nhà khoa học nổi tiếng sống từ 1773 đến 1829, là người đầu tiên thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng vào năm 1801.
Young đưa ra thí nghiệm hai khe cho ta một cách chứng minh đơn giản về bản chất sóng của ánh sáng
Theo Young, khi hai sóng ánh sáng gặp nhau, chúng tương tác với nhau Để kiểm tra giả thuyết này, ông sử dụng một màn có khe hẹp để tạo ra chùm ánh sáng kết hợp từ nguồn sáng mặt trời Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào khe, nó sẽ trải rộng ra và tạo thành mặt sóng Nếu mặt sóng này chiếu tới một màn thứ hai với hai khe gần nhau, hai nguồn ánh sáng đồng bộ sẽ được tạo ra Tuy nhiên, ánh sáng từ mỗi khe đến một điểm nào đó không nằm chính giữa sẽ không còn đồng bộ, dẫn đến hiện tượng hủy nhau và tạo ra bóng tối Kết quả là, quá trình nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng tạo ra các dải vân sáng và tối trên màn hình.
Năm 1802, Young phát hiện ra một định luật quan trọng về hiện tượng giao thoa, cho rằng ánh sáng từ cùng một nguồn khi đi qua hai con đường khác nhau sẽ mạnh nhất tại những điểm mà hiệu đường đi là bội số nguyên của một "độ dài nào đó".
Trong thí nghiệm giao thoa Young, ánh sáng đơn sắc đi qua khe chuẩn trực và chiếu tới màn P có hai khe hẹp S1 và S2 song song Hai khe S1 và S2 được chiếu sáng từ một nguồn điểm S, do đó chúng được coi là hai nguồn kết hợp Ánh sáng từ hai khe này tạo ra các vân giao thoa trên màn quan sát.
Hai sóng nhiễu xạ qua hai lỗ sẽ giao thoa, tạo ra hình ảnh trên màn với các miền sáng tối xen kẽ Các miền sáng tối này được gọi là các vân, và tập hợp các vân này hình thành hình ảnh giao thoa hai khe.
Do kích thước của hai khe S1 và S2 rất nhỏ, độ sáng của các vân giao thoa trở nên yếu và khó quan sát Để khắc phục điều này, thường sử dụng một thấu kính hội tụ L đặt gần màn P nhằm thu được ảnh thực của S trên mặt phẳng ảnh của thấu kính Khi đặt màn quan sát E tại vị trí này, ta có thể thấy được hệ vân giao thoa Ngoài ra, cũng có thể quan sát trực tiếp bằng một thị kính mà không cần sử dụng màn E.
Nguyên lý chồng chập được sử dụng để xác định vị trí các vân trong hình giao thoa hai khe Trong đó, hai khe S1 và S2 được bố trí với khoảng cách S1S2 = a (khoảng cách nhỏ, cỡ mm) và cách màn một khoảng D (cỡ m) theo phương vuông góc Điểm A trên màn có tọa độ x so với O, với O là vị trí của vân sáng trung tâm Các sóng từ khe S1 và S2 đi các đoạn đường khác nhau đến điểm A, trong đó sóng từ S1 đi đoạn đường d1 và sóng từ S2 đi đoạn đường d2 Với điều kiện a