Ánh sáng
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng do Mặt Trời tạo ra còn được gọi là ánh nắng; do Mặt Trăng tạo ra còn được gọi là ánh trăng; do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học.
"Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ xanh lam. "Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có quang phổ trải đều từ đỏ đến lam là ánh sáng trắng; còn ánh sáng có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc".
Môn học nghiên cứu sự lan truyền của ánh sáng trong các môi trường khác nhau gọi là quang học.
Mục lục |
[sửa] Một số tính chất quan trọng
[sửa] Vận tốc trong chân không
Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng nói riêng, hay các bức xạ điện từ nói chung, đi với vận tốc không thay đổi, thường được ký hiệu là c = 299.792.458 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối.
[sửa] Năng lượng, động lượng và khối lượng
Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Photon không có khối lượng nghỉ, do đó động lượng của hạt photon bằng năng lượng của nó chia cho tốc độ ánh sáng, h/λ. Tính toán trên thu được từ công thức của thuyết tương đối:
- E2-p2c2 = m02c4
với:
- E là năng lượng của hạt
- p là động lượng của hạt
- m0 là khối lượng nghỉ
[sửa] Tương tác với vật chất
[sửa] Với mắt người
Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc phong phú. Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người (xem phối màu phát xạ).
Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắt người phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ...). Tế bào cảm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt. Trong tiếng Việt, từ "xanh" đôi khi hơi mơ hồ - vừa mang nghĩa xanh lục vừa mang nghĩa xanh lam.
[sửa] Với mắt các sinh vật
Các sinh vật khác con người có thể cảm thụ được nhiều màu hơn (chim 4 màu gốc) hoặc ít màu hơn (bò 2 màu gốc) và ở những vùng quang phổ khác (ong cảm nhận được vùng tử ngoại).
Hầu hết mắt của các sinh vật nhạy cảm với bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 300 nm đến 1200 nm. Khoảng bước sóng này trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh nhất của Mặt Trời. Như vậy có thể suy luận là việc các loài vật trên Trái Đất đã tiến hoá để thu nhận vùng bức xạ tự nhiên mạnh nhất đem lại lợi thế sinh tồn cho chúng. Không hề ngẫu nhiên mà bước sóng ánh sáng (vùng quang phổ mắt người nhìn được) cũng trùng vào khu vực bức xạ mạnh này.
[sửa] Các lý thuyết về ánh sáng
Trong lịch sử khám phá, đã có nhiều lý thuyết để giải thích các hiện tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng. Dưới đây trình bày các lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử.
[sửa] Lý thuyết hạt ánh sáng
Lý thuyết hạt ánh sáng, được Isaac Newton đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là dòng di chuyển của các hạt vật chất. Lý thuyết này giải thích được hiện tượng phản xạ và một số tính chất khác của ánh sáng; tuy nhiên không giải thích được nhiều hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng.
[sửa] Lý thuyết sóng ánh sáng
Lý thuyết sóng ánh sáng, được Christiaan Huygens đưa ra, cho rằng dòng ánh sáng là sự lan truyền của sóng. Lý thuyết này giải thích được nhiều hiện tượng mang tính chất sóng của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt hiện tượng khúc xạ và phản xạ.
Lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ánh sáng ra đời cùng thời điểm, thế kỷ 17, và đã gây ra cuộc tranh luận lớn giữa hai trường phái.
[sửa] Lý thuyết điện từ
Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ.
Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết của Maxwell.
[sửa] Ête
Sau thành công của lý thuyết điện từ, khái niệm rằng ánh sáng lan truyền như các sóng đã được chấp nhận rộng rãi. Các hiểu biết về sóng cơ học, như âm thanh, của cơ học cổ điển, đã dẫn các nhà khoa học đến giả thuyết rằng sóng ánh sáng lan truyền như sóng cơ học trong môi trường giả định ête, tràn ngập khắp vũ trụ, nhưng có độ cứng cao hơn cả kim cương.
Cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, nhiều thí nghiệm tìm kiếm sự tồn tại của ête, như thí nghiệm Michelson-Morley, đã thất bại, cùng lúc chúng cho thấy tốc độ ánh sáng là hằng số không phụ thuộc hệ quy chiếu; do đó không thể tồn tại môi trường lan truyền cố định kiểu ête.
[sửa] Thuyết tương đối
Thuyết tương đối của Albert Einstein ra đời, 1905, với mục đích ban đầu là giải thích hiện tượng vận tốc ánh sáng không phụ thuộc hệ quy chiếu và sự không tồn tại của môi trường ête, bằng cách thay đổi ràng buộc của cơ học cổ điển.
Trong lý thuyết tương đối hẹp, các tiên đề của cơ học được thay đổi, để đảm bảo thông qua các phép biến đổi hệ quy chiếu, vận tốc ánh sáng luôn là hằng số. Lý thuyết này đã giải thích được chuyển động của các vật thể ở tốc độ cao và tiếp tục được mở rộng thành lý thuyết tương đối rộng, trong đó giải thích chuyển động của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung trong không gian bị bóp méo bởi vật chất.
Thí nghiệm đo sự bẻ cong đường đi ánh sáng của các ngôi sao khi đi qua gần Mặt Trời, lần đầu vào nhật thực năm 1919, đã khẳng định độ chính xác của lý thuyết tương đối rộng.
[sửa] Lý thuyết lượng tử ánh sáng
Lý thuyết lượng tử của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí nghiệm về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Albert Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt riêng lẻ, gọi là quang tử (photon).
Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi vật chất nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức de Broglie, 1924, liên hệ giữa động lượng một hạt và bước sóng của nó.
