Hiện tượng giao thoa & nhiễu xạ ánh sáng

Chương III: HIỆN TƯỢNG GIAO THOA & NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG * * Nội dung HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG Hiện tượng giao thoa và điều kiện để có giao thoa ánh sáng Khảo sát sự giao thoa ánh sáng qua khe Young SỰ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng Định nghĩa Nguyên lý Huyghen – Fresnel Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp (nhiễu xạ sóng phẳng): (Nhiễu xạ Frauhofe) Điều kiện để có cực đại, cực tiểu nhiễu xạ Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 1.a Định nghĩa Là hiện tượng xãy ra khi 2 sóng ánh sáng truyền đến một vùng nào đó của không gian, ở đó tạo ra vùng sáng và tối liên tiếp. Khoảng không gian có giao thoa gọi là trường giao thoa. Nếu đặt một màng trong trường giao thoa ta sẽ nhận được những vạch sáng và tối xen kẽ gọi là vân giao thoa. 1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 2 sóng ánh sáng (nguồn) phải có cùng tần số, phương dao động, hiệu pha không thay đổi theo thời gian. Giả sử xét nguồn 1: nguồn 2: Theo 2 dao động Trong đó : Hiệu pha 1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng Nếu: Cho: Để đặc trưng tác dụng sóng của sóng ánh sáng, ta đưa vào cường độ sóng cơ. Chọn k=1, cường độ sáng I ~ a2 => I ~ 4a12 (Cường độ sóng tỉ lệ bình phương với biên độ của sóng). Như vậy, những điểm nhận 2 sóng có I ~ 4a12 là điểm sáng. 1.b Điều kiện để có giao thoa ánh sáng Nếu: mà Điểm tối 2 sóng có điều kiện trên gọi là 2 sóng kết hợp. Chú ý: Trong môi trường đẳng hướng, sóng ánh sáng từ S phát ra là sóng cầu, biên độ của sóng sẽ giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ nguồn đến điểm ta xét. 1.c Cách tạo nguồn kết hợp Nguồn sóng biến thiên do dao động của các nguyên tử, do đó không tìm được sóng kết hợp từ 2 nguồn sáng. Để có sóng kết hợp, ta tách từ 1 nguồn sáng thành 2 tia sóng đi theo những quang lộ khác nhau. Sau đó, cho chúng gặp mhau. 1.c Cách tạo nguồn kết hợp Gương Fresnel: 1.c Cách tạo nguồn kết hợp Lưỡng bán thấu kính G.Bille: Lưỡng lăng kính Fresnel: 2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa Giả sử có 2 nguồn sóng kết hợp S1 và S2 Đặt: S1M = l1 và S1M = l2 (quang lộ) M nhận 2 sóng: 2.a Điều kiện cực đại cực tiểu vân giao thoa dao động cực đại cường độ sóng đạt cực đại :Imax Nếu: dđ cực tiểu Những điểm có cường độ sáng tối nhất: Imin = 0. 2.b Độ rộng của vân giao thoa Là khoảng cách giữa 2 vân cùng loại liên tiếp. Cọn O là điểm cách đầu S1, S2: Thông thường: 2.b Độ rộng của vân giao thoa Vậy các cực đại giao thoa sẽ nằm cách điểm giữa O một khoảng Xmax thỏa mãn điều kiện: Cực tiểu: 2.b Độ rộng của vân giao thoa Khoảng cách giữa các vân sáng (hoặc giữa các vân tối cũng vậy) 2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa Chứng tỏ vân sáng mới O1(k = 0) sẽ nằm cách vân sáng cũ O một khoảng: 2.c Sự dịch chuyển hệ vân giao thoa - Vì n > 1 nên x0 > 0 nghĩa là vân sáng giữa O1 bây giờ sẽ dịch chuyển về phía có đặt bản thủy tinh mỏng. - Hiện tượng này là cơ sở để đo chiết suất trong các máy giao thoa kế. M 3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng Cho ánh sáng xuất phát từ S qua 1 lỗ tròn trên màn chắn P, ta sẽ nhận được 1 vệt sáng tròn có đường kính ab trên màn ảnh Q. 3. Thí nghiệm Fresnel về nhiễu xạ ánh sáng Nếu thu kích thước của lỗ trên P thì vệt sáng ab cũng thu nhỏ lại. Thí nghiệm chứng tỏ, khi kích thước của lỗ tròn rất nhỏ, ta thấy xuất hiện trên màn ảnh Q nhiều vòng tròn sáng và tối cùng tâm điểm nằm xen kẻ nhau cả trong vùng bóng tối hình học (ngoài phạm vi ab). Tâm điểm của các vân có thể sáng hoặc tối tùy theo kích thước của lỗ tròn và vị trí màn ảnh Q. Thí nghiệm trên chứng tỏ, khi qua lỗ tròn, các tia sáng đã bị lệch khỏi phương truyền thẳng. 4. Định nghĩa Hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi chúng đi gần các vật chướng ngại, gây nên các vân sáng và tối trong cả vùng bóng tối hình học được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Các vân sáng, tối xuất hiện khi đó gọi là vân nhiễu xạ. 5. Nguyên lý Huyghen - Fresnel Bất kỳ điểm nào mà ánh sáng truyền đến đều trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ánh sáng về phía trước nó. Biên độ và pha của nguồn thứ cấp là biên độ và pha của nguồn sáng thực gây ra tại vị trí nguồn thứ cấp. Dao động tại một điểm bất kỳ ngoài mặt sáng thứ cấp  là tổng hợp của tất cả những sóng phát đi từ các nguồn thứ cấp nằm trên mặt sáng ’’ gửi tới 6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp Trên chắn sóng P, ta mở 1 khe hẹp hình chữ nhật độ rộng là a, chiều dài b, b rất lớn so với a. Cho chùm tia sáng đơn sắc // chiếu vuông góc với mặt phẳng khe. Khi truyền qua chắn sóng P, chùm tia lệch phương truyền 1 góc . Ảnh thu được là các vân sáng, tối cách đều nhau, riêng vân sáng trung tâm rộng gấp nhiều lần các vân khác. 6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp Áp dụng nguyên lý Huyghen: Chọn mặt phẳng khe làm mặt phẳng . Chọn nguồn phát sóng thứ cấp: Dựng những mặt phẳng 0, 1, 2, … n song song và cách đều nhau 1 khoảng = bắt đầu từ mặt trên của khe ( là bước sóng ánh sáng đơn sắc ta sử dụng), các mặt phẳng vuông góc chùm tia nhiễu xạ, mỗi dãy được coi như nguồn sáng thứ cấp. 6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp Vì 2 sóng ánh sáng từ 1 đới lẻ và 1 đới chẵn kế tiếp nhau gởi tới điểm M có hiệu quang lộ  dao động sóng của chúng có pha ngược nhau, tác dụng sóng của chúng sẽ khử lẫn nhau. Nếu gọi a1,a2,…an là biên độ của các sóng ánh sáng do các nguồn thứ cấp 1,2,…n gởi tới M thì biên độ a của sóng sáng tổng hợp có thể viết: a = a1 – a2 + a3 – a4 + a5 + …  an. 6. Nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp Qui ước: an (+) khi n lẻ an (-) khi n chẵn. Vì các dãy nhỏ và gần nhau nên xem như biên độ của một dãy bằng trung bình cộng biên độ của 2 dãy trước và sau nó. 7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ Để tính cường độ sáng theo một phương bất kỳ ta vẻ các mặt phẳng 0, 1, 2… cách nhau /2 và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ. Các mặt phẳng này chia mặt phẳng khe thành các dãi. Gọi d là bề rộng của 1 dãi Gọi n là số dãi trên khe 7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ Nếu khe chứa 1 số chẳn dãi (n = 2k) (loại k = 0). Điểm M sẽ tối 7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ Nếu khe chứa 1 số lẻ dãi (n = 2k +1) thì dao động sóng do từng dãi kế tiếp gây ra tại M sẽ khử lẫn nhau, còn dao động sóng do dãi lẻ 2k + 1 gây ra không bị khử. M là điểm sáng. Trong đó: k = 1, 2, 3, …, - 2, - 3, … (loại k = 0, k = - 1) 7. ĐK có cực đại - cực tiểu nhiễu xạ Đồ thị phân bố cường độ sáng trên màng quan sát theo . 8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp: Giả sử có N khe hẹp giống nhau nằm song song nhau trong một mặt phẳng … Dọi lên các khe đó một chùm đơn sắc song song. Giả sử chùm sáng gồm các tia kết hợp 8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử Tại những điểm trên màng có thỏa điều kiện Cho cực tiểu nhiễu xạ Cho cực đại nhiễu xạ. Dao động do 2 tia gây ra khử lẫn nhau. Điểm chính giữa chưa chắc là điểm tối. 8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử 8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử Tổng quát N bất kỳ thì giữa hai cực đại chính kế tiếp có N – 1 cực tiểu phụ và N – 2 cực đại phụ. 8. Nhiễu xạ qua nhiều khe hẹp – cách tử Cách tử nhiễu xạ: Định nghĩa: Tập hợp một số lớn những khe rất hẹp giống nhau, song song cách đều nhau và nằm trong cùng một mặt phẳng được gọi là cách tử nhiễu xạ. Số khe trên 1 đơn vị chiều dài Trình bàyPhùng Thị Sinh Đại Học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh Email: ptsinh.yds.edu.vn ------------------------------------------------