1.Lược sử về cấu tạo vật chất và bản chất của ánh sáng
Trong suốt mấy ngàn năm qua ,con người không ngừng đi sâu tìm hiểu bản chất của ánh sáng và vật chất cấu tạo nói chung đó là quá trình lâu dài với không ít những sự kiện và biến đổi phức tạp của khoa học.Có thể chia quá trình đó thành 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Bắt đầu từ vài trăm năm trước công nguyên với các công trình của Ơclít về sự truyền thẳng của ánh sáng trong một môi trường đồng tính và đẳng hướng cũng như các định luật về sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng do Aritstot và Ptôlêmê đã nghiên cứu mà mãi đến năm 1630 Đề-các mới thành lập được công thức đúng của định luật mà chúng ta đang sử dụng hiện nay.
Giai đoạn 2: Bắt đầu từ khi có những thuyết đầu tiên,về bản chất của ánh sáng và kết thúc bắng sự ra đời của thuyết điện từ ánh sáng của Mac-xoen.Mở đầu giai đoạn này là sự ra đời học thuyết Niu-tơn về sự phản xạ ánh sáng trong đó ông quan niệm dòng ánh sáng là dòng các hạt rất nhỏ ,bay thẳng và tuân theo những định luật cơ bản của cơ học cổ điển.Trong một giai đoạn, quan niệm này của Niu-tơn, mặc dù mang nặng tính cơ giới xong nhờ những uy tín lớn lao của ông nên vẫn được chấp nhận và được vận dụng để giải thích một số hiện tượng tự nhiên lúc bấy giờ. Tuy nhiên, bằng những thí nghiệm khoa học, người ta cũng đã chỉ ra rất nhiều thiếu sót và hạn chế của quan niệm này. Vì vậy, hầu như đồng thời với quan niệm hạt, một quan niệm khác do Huy-ghen đề xướng ra đời, trong đó ông cho rằng sự truyền của ánh sáng là sự truyền của các xung lượng trong môi trường đặc biệt gọi là e-te. Thuyết này đã được một loạt các nhà bác học lúc bấy giờ ủng hộ và bổ xung bằng các công trình lí thuyết cũng như
thực nghiệm. Có thể nói, giai đoạn này là giai đoạn hoàng kim của thuyết sóng ánh sáng, nó hầu như đã thắng thế hoàn toàn trường phái hạt của Niu-tơn. Đặc biệt sự ra đời của thuyết điện từ ánh sáng 1865 Mac-xoen đã ghi một bàn thắng quyết định cho quan niệm về tính chất sóng của ánh sáng, trong đó ông không những khẳng định được tính chất sóng của áng sáng mà ông còn chỉ ra rằng sóng ánh sáng có bản chất sóng điện từ và đã hợp nhất sóng ánh sáng vào thang sóng điện từ nói chung.
Giai đoạn 2 khép lại trong khúc ca khải hoàn của những người theo trường phái sóng của ánh sáng.
Tuy nhiên,cùng với những phát minh vĩ đại và những tiến bộ vượt bậc của khoa học vào cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX, người ta đã phát hiện ra những hiện tượng mới mà nếu căn cứ bản chất sóng của ánh sáng cũng như bản chất hạt như của Niu-tơn đều không giải thích được.
Tình hình đó buộc các nhà khoa học phải xem xét lại quan điểm sóng tưởng chừng hoàn toàn đúng đắn lúc bấy giờ.
Giai đoạn 3: Lí thuyêt lượng tử ánh sáng ra đời trong bối cảnh này Lí thuyết này do Plank và Anhxtanh chủ xướng. Theo hai ông:
Ánh sáng lại có tính chất “hạt” nhưng hạt ánh sáng ở đây hoàn toàn khác khái niệm hạt của Niu-tơn ở chỗ đó không phải là hạt vật chất thông thường mà là những hạt năng lượng hay lượng tử năng lượng (PHOTON) các hạt năng lượng này không tuân theo những quy luật thông thường của cơ học cổ điển mà nó chỉ tuân theo những quy luật của một môn khoa học hoàn toàn mới: Môn cơ học lượng tử và cũng do đó để biểu diễn chúng người ta cũng
không thể sử dụng các thông số thông thường mà phải biểu diễn bằng một đại lượng hoàn toàn mới: Hàm sóng.
Quan niệm Pho-ton ánh sáng đã được xác nhận bằng nhiều công trình thực nghiệm quan trọng cũng như bằng những hiện tượng mà người ta quan sát trong thực tế (các hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Comton, hiệu ứng Dople, v..v..)
Tuy vậy cúp chiến thắng vẫn chưa phải đã hoàn toàn về tay các nhà khoa học ủng hộ trường phái Pho-ton, bởi vì: Tuy tỏ ra có tính khoa học và được thừa nhận là đúng đắn, song khi áp dụng để giải thích một số hiện tượng quang học như giao thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng….Lí thuyêt này cũng lại bế tắc.
Và vấn đề bản chất ánh sáng lại một lần nữa làm đau đầu các nhà khoa học.
May sao và cũng đáng khâm phục sao sức mạnh của trí tuệ con người! Đến đây cuộc đấu bỗng được dung hoà bởi một quan điểm hoàn toàn bất ngờ nhưng hết sức độc đáo và biện chứng về mặt khoa học. Đó là: Ánh sáng tồn tại đồng thời trong nó hai thuộc tính: Sóng và hạt mà ngày nay người ta thường gọi là lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Hai tính chất tưởng như độc lập và mâu thuẫn, lại cùng tồn tại trong cùng một thực thể vật lí: Ánh sáng.
Sau này Dơbrơi đã phát triển quan niệm này cho tất cả các hạt cơ bản khác trong một nguyên lí gọi là nguyên lí D’rơi :Tất cả các hạt cơ bản đều chứa đựng trong nó đồng thời hai thuộc tính: Sóng và hạt.
2. Thuộc tính sóng của ánh sáng
Năm 1865,Mac-xoen đã đưa ra thuyết điện tử ánh sáng với những nội dung chính như sau:
- Ánh sáng được truyền đi dưới dạng sóng.
- Sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ, được đặc trưng bởi hai véc tơ là véc tơ cường độ điện trường E và véc tơ cường độ từ trường H .
- Tại mỗi điểm mà sóng ánh sáng lan truyền tới,véc tơ E vuông góc với véc tơ H và vuông góc với phương truyền sóng.
- Véc tơ E va H biến đổi theo quy luật hình sin E=E0Cos(t+ ) (1) H=H0Cos(t+ ) (2) Trong đó:
E0 và H0 là biên độ của E và H.
là tần số góc pha ban đầu Ta lại có:
=2π
=v/ hay v= (4)
( là tần số dao động, là bước sóng, v là vận tốc chuyền ánh sáng trong môi trường)
- Khi truyền trong chân không: Ánh sáng có vận tốc lớn nhất, kí hiệu C. Với
- C= 300.000km/s. Và khi đó, bước sóng trong chân không là 0.
từ (4) ta thấy C=v0 (5) Từ (4) và (5) ta có
C/v=0/=n (6)
n là chiết suất tuyệt đối của môi trường mà ánh sáng truyền qua .
- Đơn vị đo bước sóng ánh sáng là mét (m) micromet(m) nanomet (m) và ăngstrom (A) với:
1m=10-6m 1=10-9m 1A=10-10m
- Căn cứ vào bước sóng ánh sáng người ta cũng chia thang sóng điện từ nói chung thành các dải sóng sau :
Sóng vô tuyến : Bước sóng ~ 105-10-3m Hồng ngoại : ” ~10-3 -0,76m Khả kiến : ” ~0,76-0,39 m Tử ngoại : ” ~0,39-10-2m RơnGen : ” ~10-2-10-5m Gamma : ” <10-5 m
Riêng đối với ánh sáng trong vùng khả kiến( ánh sáng trắng hay ánh sáng Mặt Trời ) lại là tổ hợp của các loại ánh sáng có bước sóng khác nhau ứng với màu khác nhau mà người ta gọi là quang phổ ánh sáng trắng .Trong đó, người ta thường phân biệt thành 7màu chủ yếu ứng với các bước sóng khác nhau từ đỏ tới tím (ví dụ: Hiện tượng cầu vồng ).
3.Thuộc tính hạt của ánh sáng, khái niệm lượng tử năng lượng (Photon) Năm 1900 Plank và Anh-xtanh đã chỉ ra rằng :
- Năng lượng của ánh sáng (quang năng) được truyền đi một cách gián đoạn , không liên tục tức là trong dòng ánh sáng, có chỗ năng lượng tâp trung lại những chỗ khác không có gì, từ đó hình thành quan niệm cho rằng quang năng được mang bởi những hạt riêng biệt .
Từ quan niệm đó, hai ông đã đưa ra giả thiết, cho rằng : Dòng ánh sáng là dòng của những hạt riêng biệt, ,những hạt này được gọi là lượng tử năng lượng hay Photon.
- Mỗi Photon được đặc trưng bởi 3 thông số cơ bản :
+ Năng lượng = h√ (1) + Động năng P= /v= h√/v = h/ (2) + Khối lượng tĩnh m0=0 (3) Biểu thức (1) cho biết: Mỗi Photon có giá trị năng lưọng riêng .