Chương 5: Tán sắc, hấp thụ và tán xạ ánh sáng

TS. Ngô Văn Thanh, Viện Vật lý. Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin, Điện - Điện tử Chương 5: Tán sắc, hấp thụ và tán xạ ánh sáng. 5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng. 5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng. 5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Khái niệm chung:  Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng hoặc khí, có hai kiểu ảnh hưởng lên sóng ánh sáng:  Cường độ sáng giảm: hiện tượng hấp thụ ánh sáng hoặc tán xạ ánh sáng.  Vận tốc truyền của sóng ánh sáng bé hơn so với vận tốc truyền trong chân không: hiện tượng tán sắc ánh sáng. 5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng.  Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một lăng kính.  Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu.  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 tượng tán sắc ánh sáng.  Độ lệch của các chùm tia là khác nhau, 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. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Ðộ tán sắc và đường cong tán sắc:  Độ tán sắc trung bình:  Xét môi trường tán sắc ánh sáng có chiết suất là tương ứng với hai bước sóng . Độ tán sắc trung bình được xác định bởi công thức  Đường cong tán sắc: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Tán sắc thường và tán sắc dị thường :  Tán sắc thường: những chất chất có hệ số hấp thụ ánh sáng thấp.  Biểu thức gần đúng (Cauchy) cho chiết suất của môi trường vật chất:  Trong đó a, b và c là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.  Chiết suất giảm khi bước sóng tăng.  Độ tán sắc thường:  Tán sắc dị thường: những chất có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn.  Chiết suất tăng khi bước sóng tăng.  Tán sắc dị thường xảy ra trong chất lỏng, chất rắn và mạnh nhất đối với các chất khí.  Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Phương pháp quan sát hiện tượng tán sắc:  Các thấu kính: L1 và L2.  Các lăng kính P1 và P2; hai lăng kính được đặt vuông góc với nhau.  Quang phổ của ánh sáng tán sắc có dạng bị uốn cong, độ cong tăng nhanh về vùng ánh sáng tím, tức là chiết suất tăng khi bước sóng giảm.  Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc thường.  Thay lăng kính P2 bằng một lăng kính khác chứa đầy khí Na.  Phổ tán sắc là các đường cong đứt đoạn.  Chúng ta quan sát được hiện tượng tán sắc dị thường. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Ứng dụng hiện tượng tán sắc :  Ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm của nguồn sáng trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí …  Nguồn S phát ra ánh sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau.  Lăng kính P sẽ phân tích ánh sáng thành chùm tia sáng đơn sắc song song với bước sóng xác định.  Trên màn ảnh thu được các dải vạch S1, S2, S3... nằm rời rạc. Các vạch phổ phân bố theo một quy luật nhất định.  Mỗi một vạch phổ đặc trưng cho một nguyên tố hóa học.  Cường độ vạch phổ tương ứng với hàm lượng của mỗi chất trong hỗn hợp. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.  Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng cường độ sáng của sóng ánh sáng bị giảm khi đi qua môi trường vật chất.  Giải thích hiện tượng theo quan niệm cổ điển:  Dưới tác dụng của thành phần điện trường của sóng ánh sáng, các điện tử chuyển động quanh hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa.  Các điện tử trở thành nguồn phát sóng thứ cấp.  Sự giao thoa của sóng tới (ánh sáng) và sóng thứ cấp làm cho biên độ của sóng tới bị thay đổi.  Phần năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển hóa thành nhiệt năng, kết quả là môi trường bị nóng lên khi ánh sáng chiếu vào nó.  Hấp thụ toàn phần: Một chất được gọi là hấp thụ toàn phần nếu như cường độ sáng bị giảm cùng một lượng đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng tới. Các chất đó thường là chất có màu xám.  Hấp thụ chọn lọc: Các chất chỉ làm giảm cường độ sáng đối với một số bước sóng ánh sáng. Các chất hấp thụ một phần đều là các chất có màu.  Các chất có hệ số phản xạ càng cao thì hấp thụ càng yếu, và ngược lại. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Ðịnh luật Bouguer (1729)  Xét chùm sáng đơn sắc song song có cường độ sáng chiếu vuông góc với vật có chiều dày L. Hai mặt của vật song song với nhau.  Chia mẫu vật thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx.  Độ giảm cường độ sáng trên một đơn vị bề dày dx: trong đó  là hệ số tỷ lệ (hệ số hấp thụ), nó phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.  Lấy tích phân biểu thức trên:  Cuối cùng ta tính được: @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.  Hiện tượng tán xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương ban đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính. Tán xạ thường (tán xạ phân tử):  Môi trường không đồng tính do có sự khác nhau về mật độ chất, khác nhau về nhiệt độ do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử. Khi ánh sáng truyền qua môi trường không đồng tính, một phần ánh sáng truyền thẳng, một phần truyền theo các phương khác. Tán xạ Tyndall:  Môi trường pha tạp: trong môi trường có các hạt lạ mà chiết suất và hệ số hấp thụ khác với chiết suất và hệ số hấp thụ của các nguyên tử, phân tử tạo nên môi trường.  Ánh sáng truyền qua môi trường pha tạp bị tán xạ theo mọi phương bởi các hạt tạp chất được gọi là tán xạ Tyndall.  Các hạt tạp chất có thể là bụi trong không khí, các hạt nước trong sương mù, các hạt keo trong dung dịch keo… Tán xạ Raman: Do sự tổng hợp dao động của các nguyên tử và dao động sóng ánh sáng kích thích: Tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ:  Hiện tượng tán xạ ánh sáng trong môi trường pha tạp lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Tyndall năm 1869.  Ban đầu ống thủy tinh chứa nước tinh khiết (môi trường đồng tính): không có ánh sáng theo phương OB mà chỉ có ánh sáng theo phương OA. Không có hiện tượng tán xạ áng sáng.  Trường hợp nước bị pha vài giọt sữa, môi trường nước trở thành môi trường pha tạp.  Quan sát thấy ánh sáng trong ống theo phương OB. Như vậy, đã có hiện tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt sữa nhỏ trong nước. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Các định luật Tyndall:  Nếu chùm sáng tới là ánh sáng trắng, thì ánh sáng tán xạ theo phương hợp với chùm tia tới một góc   0 sẽ ngả về màu xanh lam (blue). Nghĩa là ánh sáng có bước sóng ngắn trong vùng quang phổ thấy được sẽ bị tán xạ mạnh nhất.  Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì ánh sáng tán xạ bị phân cực một phần khi nó hợp với phương của chùm tia tới một góc 0 < < 90o. Ánh sáng tán xạ bị phân cực toàn phần khi nó vuông góc với chùm tia tới.  Vector cường độ điện trường của sóng ánh sáng vuông góc với mặt phẳng chứa tia tới và phương quan sát.  Nếu ánh sáng là ánh sáng tự nhiên thì cường độ sáng của ánh sáng tán xạ theo góc  được xác định bởi công thức: trong đó là cường độ sáng của ánh sáng tán xạ ứng với góc và @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Lý thuyết tán xạ của Rayleigh (1889):  Rayleigh nghiên cứu hiện tượng tán xạ trên các hạt hình cầu có kích thước bé hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới và có hằng số điện môi khác với hằng số điện môi của môi trường liên tục .  Cường độ sáng của ánh sáng tán xạ: trong đó V là thể tích của hạt, N là tổng số hạt trên 1cm3, r là khoảng cách từ hạt đến điểm quan sát và  là góc tán xạ.  Trong trường hợp hạt có kích thước vào cỡ bước sóng thì cường độ sáng của ánh sáng tán xạ sẽ tỷ lệ nghich với bình phương bước sóng:  Ứng dụng: nghiên cứu kích thước của các hạt tạp chất hoặc kiểm tra độ tinh khiết của dùng dịch. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Sự tán xạ phân tử:  Tán xạ trong môi trường tinh khiết, không pha tạp.  Nhiệt độ môi trường càng cao thì cường độ ánh sáng tán xạ càng lớn.  Tán xạ phân tử là tán xạ do sự chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên môi trường vật chất.  Nguyên nhân: Quá trình chuyển động nhiệt của các phân tử dẫn đến sự phân bố không đều các phân tử trong môi trường, tức là có sự thăng giáng về mật độ phân tử. Môi trường trở nên không đồng nhất đối với ánh sáng.  Thực nghiệm chứng minh được cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh. Ánh sáng tán xạ từ ánh sáng tự nhiên sẽ giàu màu xanh lam hơn vì nó có bước sóng bé hơn các sóng ánh sáng khác: bầu trời có màu xanh lam. Cường độ của ánh sáng tán xạ phân tử bé hơn nhiều so với tán xạ Tyndall. Ánh sáng bị tán xạ khi sự thăng giáng mật độ xảy ra mạnh nhất trong các chất khí ở trạng thái tới hạn, trạng thái tới hạn là trạng thái gần điểm chuyển pha, ví dụ như sự chuyển pha từ pha khí sang pha lỏng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xạ Raman:  Năm 1928, Manderstam và Raman đã phát hiện một dạng tán xạ đặc biệt trong chất lỏng và chất khí.  Vạch có cường độ sáng mạnh (vạch chính) trong quang phổ của ánh sáng tán xạ có tấn số bằng tần số của ánh sáng kích thích.  Vạch có cường độ sáng yếu hơn (vạch phụ) nằm hai bên vạch chính có tần số là tổ hợp của tần số ánh sáng kích thích và tần số dao động riêng của nguyên tử.  Hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ tổ hợp ánh sáng.  Các quy luật của tán xạ tổ hợp:  Mỗi vạch chính của ánh sáng tán xạ đều có hai vạch phụ nằm đối xứng hai bên vạch chính.  Tần số dao động riêng của nguyên tử bằng hiệu tần số của vạch chính và tần số vạch phụ.  Vạch phụ có tần số thấp (bước sóng dài) gọi là vạch phụ đỏ.  Vạch phụ có tần số cao (bước sóng ngắn) gọi là vạch phụ tím. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tán xạ tổ hợp:  Khi nhiệt độ tăng lên, cường độ của vạch phụ tím tăng lên, trong khi đó cường độ của vạch phụ đỏ giảm đi.  Vạch phụ đỏ được gọi là vạch Stock.  Vạch phụ tím được gọi là vạch đối Stock.  Ứng dụng:  Ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc phân tử các chất hữu cơ.  Dễ dàng xác định được tần số dao động riêng của các nguyên tử trong phân tử, từ đó đoán nhận được tính chất đối xứng của phân tử.  Nghiên cứu sự tương tác giữa các phân tử. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Vạch chính Vạch phụ đỏ Vạch phụ tím 5.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng.  Năm 1672, Newton đã nghiên cứu thực nghiệm chiếu ánh sáng trắng qua một lăng kính.  Chùm ánh sáng trắng bị tách thành một dải sáng có nhiều màu.  Chiết suất của chất làm lăng kính phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng.  Công thức Cauchy  Tán sắc thường: những chất chất có hệ số hấp thụ ánh sáng thấp, chiết suất giảm khi bước sóng tăng.  Tán sắc dị thường: những chất có hệ số hấp thụ ánh sáng lớn, chiết suất tăng khi bước sóng tăng. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Ứng dụng hiện tượng tán sắc :  Ứng dụng trong các máy quang phổ lăng kính để phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và thành phẩm của nguồn sáng trong các ngành luyện kim, địa chất, chế tạo cơ khí … 5.2 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng.  Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng cường độ sáng của sóng ánh sáng bị giảm khi đi qua môi trường vật chất.  Sự giao thoa của sóng tới (ánh sáng) và sóng thứ cấp làm cho biên độ của sóng tới bị thay đổi.  Hấp thụ toàn phần: Một chất được gọi là hấp thụ toàn phần nếu như cường độ sáng bị giảm cùng một lượng đối với tất cả các bước sóng của ánh sáng tới. Các chất đó thường là chất có màu xám.  Hấp thụ chọn lọc: Các chất chỉ làm giảm cường độ sáng đối với một số bước sóng ánh sáng. Các chất hấp thụ một phần đều là các chất có màu.  Các chất có hệ số phản xạ càng cao thì hấp thụ càng yếu, và ngược lại.  Ðịnh luật Bouguer (1729) @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 5.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng.  Hiện tượng tán xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương ban đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính. Sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ:  Các định luật Tyndall:  Lý thuyết tán xạ của Rayleigh (1889):  Hạt có kích thước bé hơn bước sóng :  Hạt có kích thước vào cỡ bước sóng : Sự tán xạ phân tử:  Cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng tuân theo định luật Rayleigh. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Sự tán xạ tổ hợp ánh sáng - Tán xạ Raman:  Các quy luật của tán xạ tổ hợp:  Mỗi vạch chính của ánh sáng tán xạ đều có hai vạch phụ nằm đối xứng hai bên vạch chính.  Tần số dao động riêng của nguyên tử bằng hiệu tần số của vạch chính và tần số vạch phụ.  Vạch phụ có tần số thấp (bước sóng dài) gọi là vạch phụ đỏ.  Vạch phụ có tần số cao (bước sóng ngắn) gọi là vạch phụ tím.  Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tán xạ tổ hợp:  Vạch phụ đỏ được gọi là vạch Stock.  Vạch phụ tím được gọi là vạch đối Stock.  Úng dụng  Ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc phân tử, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc phân tử các chất hữu cơ. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý