Những thông tin cần biết về ánh sáng

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 của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 700 nm).

Giống như mọi bức xạ điện từ, AS có thể được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. AS do Mặt Trời tạo ra còn được gọi là ánh nắng (hay còn gọi là AS trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); AS Mặt Trăng mà con người thấy được gọi là ánh trăng thực tế là AS do mặt trời chiếu tới Mặt Trăng phản xạ đi tới mắt người; do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là AS sinh học. AS có tốc độ rất nhanh, điều này dễ hiểu khi trời mưa, ta thấy cái chớp xong rồi một lúc mới nghe tiếng sấm.

“Ánh sáng lạnh” là AS có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím. “Ánh sáng nóng” là AS có bước sóng nằm gần vùng đỏ. AS có quang phổ trải đều từ đỏ đến tím là AS trắng; còn AS có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là “ánh sáng đơn sắc”.

Môn học nghiên cứu sự lan truyền và các tính chất của AS trong và giữa các môi trường khác nhau gọi là quang học.

Ánh sáng là gì?

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 của con người (tức là từ khoảng 380 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

Một số tính chất quan trọng :

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.

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 AS 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 AS h/λ.

Tương tác với vật chất

– 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.

Võng mạc người được chia làm 2 lớp (xét về mặt chức năng) gồm lớp tế bào cảm nhận ánh sáng và lớp tế bào dẫn truyền xung thần kinh điện thế. Trong y học người ta còn phân võng mạc thành 10 lớp theo cấu trúc giải phẫu mô học và hình thái của nó.

– 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.

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

Các lý thuyết về Ánh sáng :

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.

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.

Năm 1817, Thomas Young đề xuất rằng sóng ánh sáng là sóng ngang, chứ không phải sóng dọc. Chúng dao động vuông góc với hướng truyền, chứ không theo hướng truyền, như đối với sóng âm.

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.

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.

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 AS nói riêng và vật chất nói chung trong không gian bị bóp méo bởi vật chất.

Thí nghiệm đo sự bẻ cong đường đi AS 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.

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).

Các phương pháp đo vận tốc ánh sáng :

Phương pháp Römer
Phương pháp Bradley
Phương pháp Fizeau
Phương pháp Foucault
Phương pháp Michelson
Phương pháp Bergstrand

Biểu tượng :

Ánh sáng được liên hệ với bóng tối, để tượng trưng cho những giá trị bổ sung hoặc thay phiên nhau trong một quá trình biến đổi. Quy luật này được xác minh trong những hình ảnh của Trung Hoa cổ xưa, cũng như của nhiều nền văn minh khác. Ý nghĩa của nó là, cũng như trong đời người ở mọi cấp độ, một thời đại đen tối sẽ được nối tiếp, trên mọi bình diện vũ trụ, bằng một thời đại sáng láng, trong sạch được phục hưng. Ý nghĩa của biểu trưng thoát ra khỏi bóng tối ấy được lập lại trong các nghi thức thụ pháp, cũng như trong các huyền thoại về cái chết, về tấn kịch sinh trưởng của thực vật (hạt giống được vùi, bóng tối mà từ đó thoát ra một cây mới, một tín đồ mới) hoặc trong quan niệm về các chu kỳ lịch sử.