Giao thoa ánh sáng -Vật lý 12

GIAO THOA ÁNH SÁNG

I. Thí nghiệm Y-âng

Đặt một ngọn đèn S (phát ra ánh sáng đơn sắc màu đỏ) trước hai khe S₁, S₂ thì ở trên một màn màu trắng phía sau mặt phẳng chứa hai khe S₁, S₂ ta thấy có các vạch sáng màu đỏ xen kẻ với các vạch màu trắng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng giao thoa ánh sáng.

Những vạch sáng màu đỏ là các vân sáng.
Những vạch màu trắng là những vạch tối vì tại đó ánh sáng màu đỏ bị triệt tiêu, ta chỉ còn quan sát thấy nền màu trắng của màn.

Quá trình sóng ánh sáng truyền từ hai khe S₁ S₂ đến màn được minh họa bởi đoạn hình động sau đây

Nguồn: Wikipedia.org

(Mời bạn ckick vào hình màu để xem hình động về quá trình truyền sóng ánh sáng tạo ra các vân giao thoa)

II. Lý thuyết về giao thoa sóng ánh sáng

Xét một điểm A trên màn hứng vân, cách O đoạn x và ở phía trên của O.

Hiệu đường đi của ánh sáng tù hai khe S₁, S₂ đến A là

$\delta = d_{2} - d_{1} = \frac{ax}{D}$

Nếu coi ánh sáng là sóng thì tại vị trí của vân sáng ta phải có $\delta = k\lambda$

Vậy:

Tại A là vân sáng nếu $x = k\frac{\lambda D}{a}$

k = 0 thì x = 0: Điều này chứng tỏ tại O là một vân sáng, ta gọi vân sáng này là vân sáng trung tâm (còn gọi là vân sáng giữa)
k = 1 thì $x = \frac{\lambda D}{a}$ : Tại vị trí này ta có vân sáng thứ nhất ở phía trên vân sáng trung tâm.
k = 2 thì $x = 2\frac{\lambda D}{a}$ : Tại vị trí này ta có vân sáng thứ hai ở phía trên vân sáng trung tâm.

.........

Vậy:

Hai vân sáng liên tiếp cách nhau đoạn $i = \frac{\lambda D}{a}$ . Ta gọi khoảng cách này là khoảng vân.

Nếu coi x là tọa độ của điểm A trên màn hứng vân với gốc tọa độ là O, chiều dướng hướng lên, ta thấy:

k = - 1 thì $i = -\frac{\lambda D}{a}$ :Tại vị trí này ta có vân sáng thứ nhất ở phía dưới vân sáng trung tâm.
k = - 2 thì $i = -2\frac{\lambda D}{a}$ : Tại vị trí này ta có vân sáng thứ hai ở phía dưới vân sáng trung tâm.

..........

Tại A là vân tối nếu $\delta =\left ( k + \frac{1}{2} \right )\lambda$ Suy ra: $x =\left ( k + \frac{1}{2} \right )\i$ trong đó $i = \frac{\lambda D}{a}$ là khoảng vân như nói ở trên.

k = 0 thì x = 0,5.i: Điều này chứng tỏ: Tại điểm cách vân sáng trung tâm đoạn bằng 1/2 khoảng vân và ở phía trên vân sáng trung tâm O có một vân tối. Ta gọi vân tối này là vân tối thứ nhất ở phía trên vân sáng giữa.
k = 1 thì x = 1,5.i: Tại vị trí này ta có vân tối thứ hai ở phía trên vân sáng trung tâm.
k = 2 thì : x = 2,5.i: Tại vị trí này ta có vân tối thứ ba ở phía trên vân sáng trung tâm.

.........

Vậy:

Hai vân tối liên tiếp cũng cách nhau đoạn . Khoảng cách này cũng chính là khoảng vân.

Nếu coi x là tọa độ của điểm A trên màn hứng vân với gốc tọa độ là O, chiều dướng hướng lên, ta thấy:

k = - 1 thì x = - 0,5.i :Tại vị trí này ta có vân tối thứ nhất ở phía dưới vân sáng trung tâm.
k = - 2 thì x = - 1,5.i: Tại vị trí này ta có vân tối thứ hai ở phía dưới vân sáng trung tâm.

..........

Kết luận chung:

Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp hoặc giữa hai vân tối liên tiếp, tính bằng công thức:

$i = \frac{\lambda D}{a}$

III. Điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng là

"Phải có hai nguồn sáng kết hợp, nghĩa là phải có hai nguồn sáng cùng tần số (cùng màu sắc, cùng bước sóng trong chân không) và có độ lệch pha không đổi"

IV. Kết luận quan trọng rút ra được từ thí nghiệm Y-âng là

"Ánh sáng có tính chất sóng"

Người ta chứng minh được ánh sáng nói chung là sóng điện từ. Ta nói: Ánh sáng thấy được có bản chất là sóng điện từ.

V. Ứng dụng của thí nghiệm Y-âng:

Nhờ thí nghiệm Y-âng mà người ta đo được chính xác bước sóng của mỗi ánh sáng đơn sắc.

Kết quả là:

Ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất là 0,76 $\mu m$ (bước sóng trong chân không)
Ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất là 0,38 $\mu m$ (bước sóng trong chân không)
Các màu trung gian sẽ có bước sóng có giá trị trung gian cho bởi hình sau đây:

Đây là ảnh chụp màn hình của chương trình mô tả phổ màu.

Trong hình: Wavelength là bước sóng tính bằng namômét (nm) ở hàng dưới; Frequency là tần số tính bằng THz (10¹²Hz) ở hàng trên.

VI. Lý thuyết về sự trộn màu phát xạ

Chiếu ba chùm tia đơn sắc đỏ (Red), lục (Green), lam (Blue), lên trên một màn ảnh màu đen sao cho tâm của 3 vòng tròn sáng nằm ở vị trí 3 đỉnh của một tam giác đều thì trên màn này ta sẽ quan sát thấy sự trộn màu phát xạ. Kết quả như sau:

Đôi khi, ta cũng thấy các màu cơ bản (R, G, B) và các màu thứ cấp (C, M, Y) và "màu đen" (K) ở hình này trên màn hình TV trong khoảng thời gian đài truyền hình chuẩn bị phát sóng hoặc vừa hết giờ phát sóng

Với đài phát hình theo hệ PAL (như ở Việt Nam)

Với đài phát hình theo hệ NTSC (như ở Mỹ)