Tải bản đầy đủ

Chương 19: Ánh sáng trong các môi trường

CHƯƠNG 19 : ÁNH SÁNG TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG

I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.
2. Giải thích theo quan niệm cổ điển .
3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng .
4. Hệ số hấp thụ
5. Màu sắc của các vật .
II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG
1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ.
2. Sự tán xạ phân tử .
3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman .
III. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng .
2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc .
3. Tán sắc thường và tán sắc vị thường .
4. Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc .
5. Ứng dụng hiện tượng tán sắc.
IV. SỰ PHÂN CỰC ÁNH SÁNG
1. Tính chất ngang của sóng ánh sáng.
2. Sự phân cực do phản xạ .

3. Hiện tượng lưỡng chiết.
4. Các dụng cụ phân cực ánh sáng .
Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh
hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó bao giờ cũng bị giảm trong quá trình đi qua môi trường.
Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm do chủ yếu do ánh
sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng. Aính hưởng của môi trường
đến vận tốc truyền được thể hiện ở hiện tượng tán sắc.
I. SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG
1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
TOP
2. Giải thích theo quan niệm cổ điển
TOP
Sự hấp thụ ánh sáng làì kết qủa của sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất. Dưới
tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số (, các electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển
đối với hạt nhân tích điện dương và thực hiện dao động điều hòa với tần số (. Electron dao động trở thành
nguồn phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp mà trong môi trường xuất hiện sóng
có biên độ khác với biên độ của sóng tới. Do đó, cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay
đổi: không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụû bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng
bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng. Năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng
lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ bị nóng lên.
3. Ðịnh luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng
TOP
Ðịnh luật nầy do Bouguer thiết lập năm 1729 nên được gọi là định luật Bouguer
Ở đây ( là hệ số, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là
hệ số hấp thụû của môi trường. Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng.
Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụû giảm theo hàm số mũ.
4. Hệ số hấp thụ
TOP
Quan sát hình 19.2 ta thấy có các vạch hấp thụû rất mạnh. Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng
của electron trong nguyên tử. Ðối với các khí đa nguyên tử, ta quan sát được các vạch hấp thụû nằm sát
nhau tạo thành dãy hấp thụû. Cấu trúc của những dãy hấp thụû phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của các
phân tử. Vì thế nghiên cứu quang phổ hấp thụû ta có thể biết cấu tạo phân tử. Ðó là nội dung của phương
pháp phân tích quang phổ hấp thụû. Các chất rắn, lỏng và khí ở áp suất cao cho ta các đám hấp thụû rất rộng
(hình19.3).
Khi tăng áp suất của chất khí, các vạch hấp thụû rộng ra và khi áp suất rất cao thì phổ hấp thụ của
chất khí rất giống với phổ hấp thụ của nó ở trạng thái lỏng. Ðiều đó cho thấy sự mở rộng các vạch quang
phổ là biểu hiện của sự tương tác giữa các phân tử.
5. Màu sắc của các vật
TOP
Nếu một chất có hệ số hấp thụ nhỏ với mọi bức xạ khả kiến ví dụ như không khí hay thủy tinh, thì
vật sẽ không có màu sắc. Ngược lại, nếu vật hấp thụû hòan toàn mọi ánh sáng thấy được thì vật có màu
đen .
Màu sắc của các dung dịch màu và các kính lọc sắc được giải thích bằng sự hấp thụû có chọn lựa.
Ví dụ kính lọc sắc đỏ thì ít hấp thụ ánh sáng đỏ và màu da cam nhưng đồng thời lại hấp thụ các bức xạ thấy
được còn lại.
Trong trường hợp phản xạ,û màu sắc của các vật phản xạ ánh sáng được giải thích bằng sự phản xạ
chọn lọc ánh sáng trên bề mặt của chúng. Lưu ý : màu sắc của các vật không phụ thuộc vào tính chất
quang học của bề mặt (thí dụ như màu sơn quét trên nó) mà phụ thuộc vào thành phần quang phổ của ánh
sáng tới, như khi vật được quét sơn đỏ sẽ có màu đen khi chiếu nó bằng ánh sáng màu lục.
II. SỰ TÁN XẠ ÁNH SÁNG
TOP
Chúng ta thường giả thiết rằng ánh sáng truyền trong môi trường đồng tính trong thực tế lại không
có môi trường nào hoàn toàn đồng tính, mà bao giờ cũng xuất hiện độ chênh lệch của mật độ, nhiệt độ do
chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường. Trong môi trường như thế ánh sáng
không những truyền thẳng mà còn theo các phương khác, tức là bị tán xạ. Ðó là sự tán xạ thường được gọi
là tán xạ phân tử.
Một số môi trường còn có thể có các hạt lạ, mà chiết suất và hệ số hấp thụû của chúng khác với chiết
suất và hệ số hấp thụû của các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên môi trường. Môi trường chứa các hạt lạ
như vậy được gọi là môi trường vẫn đục và nó tán xạ ánh sáng theo mọi phương gọi là tán xạ bởi các hạt
nhỏ hay là tán xạ Tyndall. Các hạt lạ đó có thể là các hạt rắn trong không khí như khói, bụi, các hạt nước
trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo...Vậy nguyên nhân làm tán xạ ánh sáng trong cả hai
trường hợp trên đều là sự không đồng tính quang học của môi trường.
Ngoài hai loại tán xạ nói trên, Raman còn phát hiện ra một hiện tượng tán xạ mới được gọi là tán xạ tổ hợp
ánh sáng.
1. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ
TOP
a) Thí nghiệm
Nếu quan sát theo phương OA (phương của chùm tia tới) sẽ thấy có ánh sáng; còn theo phương
khác, chẳn hạn phương OB vuông góc với phương ánh sáng tới sẽ không nhìn thấy chùm tia sáng trong ống.
Nước tinh khiết là môi trường đồng tính quang học, nên nó không tán xạ ánh sáng. Bây giờ nhỏ vài giọt sữa
vào ống và lắc đều. Nhìn vào ống theo phương OB ta sẽ nhìn thấy ánh sáng trong ống. Vậy chất lỏng trong
ống bây giờ là một môi trường vẫn đục, tán xạ ánh sáng đi qua nó.
Hình 19.5
Ðường cong (Hình 19.5) biểu diễn
công thức (19.4) được gọi là giản đồ chỉ thị
tán xạ. Nó có tính đối xứng đối với phương
của tia tới và phương vuông góc với nó
b) Lý thuyết tán xạ của Rayleigh
Hiện tượng tán xạ Tyndan luôn luôn xảy ra trong dung dịch có các hạt lơ lửng, đặc biệt là dung dịch
keo, trong bầu khí quyển, trong nhiều đồ uống v.v... Do đó, nghiên cứu màu sắc của ánh sáng tán xạ có thể
đoán nhận được kích thước của các hạt có mặt trong dung dịch nghiên cứu. Ðo cường độ của ánh sáng tán
xạ có thể xác định một cách định lượng những chất lơ lửng trong dung dịch, độ trong suốt của khí quyển
v.v...
2. Sự tán xạ phân tử
TOP
Hiện tượng tán xạ còn quan sát được cả trong các môi trường tinh khiết, nghĩa là môi trường không
chứa một hạt lạ nào như không khí, nước tinh khiết v.v... Thực nghiệm cho thấy rằng, cường độ ánh sáng
tán xạ càng lớn nếu nhiệt độ càng cao. Như vậy hiện tượng tán xạ này xảy ra do chuyển động nhiệt của các
phân tử cấu tạo nên môi trường, nên người ta gọi nó là tán xạ phân tử.
Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Tuy vậy ta vẫn quan sát
được nó trong khí quyển, trong nước biển. Sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở
trạng thái tới hạn, tức là ở trạng thái mà chất khí về tính chất trở nên đồng nhất với chất lỏng. Khi đó ánh
sáng bị tán xạ rất mạnh.
3. Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xa Raman.
TOP
Năm 1928, độc lập với nhau, hai nhà vật lý Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc
biệt trong chất lỏng và chất khí. Manderstam và Raman nhận thấy rằng, trong các thành phần quang phổ của
ánh sáng tán xạ, ngoài các vạch có tần số bằng tần số của ánh sáng kích thích, ở hai bên của mỗi vạch mạnh
còn xuất hiện một vạch yếu hơn gọi là vạch tùy tùng, có tần số bằng tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích
và tần số dao động riêng của nguyên tử, đặc trưng cho chất tán xạ. Vì vậy, hiện tượng tán xạ này được gọi
là tán xạ tổ hợp ánh sáng.
Tán xạ tổ hợp ánh sáng có những quy luật sau đây:
1.Mỗi vạch quang phổ của ánh sáng kích thích đều có vạch tùy tùng.
4.Khi tăng nhiệt đô, cường độ của các vạch tùy tùng "tím" tăng nhanh; còn cường độ của các vạch
tùy tùng "đỏ" giảm đi.
Hình 19.6
Vạch tùy tùng "đỏ" còn gọi là vạch Stock,
và vạch tùy tùng "tím" gọi làü vạch đối Stock. Sự
xuất hiện các vạch Stock và đối Stock trong
quang phổ tán xạ ánh sáng có thể giải thích được
theo lý thuyết cổ điển, nhưng không giải thích
được sự phân bổ cường độ của chúng. Chẳng
hạn, từ lý thuyết cổ điển sẽ suy ra được
cường độ của vạch Stock và đối Stock bằng
nhau. Ðó là điều trái với thực nghiệm.
Các hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng cho ta một phương pháp quan trọng để nghiên cứu cấu tạo
phân tử, đặc biệt là phân tử các chất hữu cơ. Tần số hấp thụû hồng ngoại của một chất chính là tần số dao
động riêng của các nguyên tử trong phân tử của chất đó. Nhờ hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nên ta có
thể thay thế việc nghiên cứu phổ hấp thụû hồng ngoại khó khăn và phức tạp bằng phổ tán xạ tổ hợp ánh
sáng đơn giản hơn. Nhờ quang phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, ta có thể xác định nhanh chóng tần số dao động
riêng của nguyên tử trong phân tử, từ đó có thể đóan nhận tính chất đối xứng của phân tử, về lực nội phân tử
và sự tương tác giữa các phân tử. Với phổ tán xạ tổ hợp ánh sáng, có thể phân tích các hỗn hợp phân tử
phức tạp mà các phép phân tích hóa học tiến hành rất khó khăn, đôi khi không thể làm được.
Ngoài hiện tượng tán xạ tổ hợp ánh sáng nói trên gọi là sự tán xạ tổ hợp tự phát, còn có sự tán xạ tổ
hợp cưỡng bức xảy ra do kích thích chất nghiên cứu bằng tia Laser công suất lớn.
III. SỰ TÁN SẮC ÁNH SÁNG
1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng
TOP
Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm thấy rằng một chùm ánh sáng trắng đi qua lăng kính
thủy tinh bị phân tích thành một dải nhiều màu trên màn quan sát đặt sau lăng kính. Các màu xếp theo thứ tự
:đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Dải nhiều màu đó được gọi là quang phổ liên tục và hiện tượng đó
được gọi là hiện tượüng tán sắc ánh sáng. Quan sát kỹ ta thấy chùm tia đỏ bị lệch ít nhất, trái lại chùm tia
tím bị lệch nhiều nhất, chứng tỏ chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng
(hình 19.7). Tóm lại : chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng hay chiết
suất là mộüt hàm số của bước sóng
2. Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc
TOP
Ðại lượng trên cho biết tốc độ và chiều biến thiên của chiết suất theo bước sóng tại bước sóng đã
cho .
3.Tán sắc thường và tán sắc vị thường
TOP
Sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng trong vùng phổ ánh sáng là rất phức tạp. Ðối với
những chất ít hấp thụ ánh sáng qua nó thì sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng gần như tuân theo công
thức Cauchy

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×