- Nguồn gốc của ánh sáng. - Con đường hình thành những quan điểm về ánh sáng 1.Ánh sáng dưới con mắt người cổ và trung đại 2.Ánh sáng ở những thế kỷ XVII đến XIX 3.Ánh sáng vào những thế kỷ XX II. - Tốc độ ánh sáng 1.Tốc độ ánh sáng là gì? 2. - Lịch sử thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng. - Ánh sáng và cuộc sống con người 1.Về mặt khoa học 2.Về mặt tinh thần IV. - Ánh sáng điều kỳ diệu quanh ta I. - Con đường hình thành quan điểm về ánh sáng. - Ánh sáng nhìn thấy là bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). - Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống. - Ta chưa biết gì nhiều về ánh sáng và những gi ta biết chưa hẳn là đã hoàn toàn chính xác. - Người ta mới chỉ có thể dựa trên tác động của ánh sáng để “mô tả”, chứ chưa thể nói là lý giải một cách thích đáng. - Ánh sáng trong con mắt của người cổ và trung đại: Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) là tác giả của lý thuyết về thị giác xa xưa nhất. - Theo Empédocle, ánh sáng không đi theo một chiều từ mắt tới vật. - ánh sáng còn đi theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt. - Démocrite (460-370 TCN): các quan điểm của Démocrite về ánh sáng và thị giác đều dựa trên học thuyết nguyên tử. - Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình. - Mắt phát ra lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành một chùm sáng duy nhất. - ở đó, nó gặp tia các hạt do vật phát ra dưới tác dụng của ánh sáng xung quanh và kết hợp với chùm sáng ban đầu. - Alhazen Alhazen đồng ý với quan điểm của Aristolte rằng ánh sáng đến từ bên ngoài đi vào mắt, chứ không phải ngược lại. - Khi ánh sáng xung quanh chạm vào một vật liền bị vật này phản xạ, từ mỗi điểm trên bề mặt của một vật có màu, các chùm tia sáng lan tỏa theo tất cả các hướng, và chỉ một tỉ lệ nhỏ của chúng đi vào mắt chúng ta. - Ở đây Alhazen đã đưa ra ý tưởng về sự tán xạ ánh sáng. - Trong các sách chuyên luận về ánh sáng và màu sắc, ông đã cố gắng tổng hợp các quan niệm của Aristote về ánh sáng và màu sắc (vốn là các “dạng thức” phi vật chất) và các quan niệm của Alhazen (màu sắc được truyền bởi các tia phát ra từ tất cả các điểm của vật). - Francesco Maria Grimaldi Ánh sáng phản xạ trên mặt phẳng gương và khúc xạ khi đi qua môi trường khác nhau.. - Những quan điểm này vừa có những mâu thuẫn không được giải quyết nhưng lại bổ sung cho nhau từ đó bước đàu hình thành những quan điểm đầu tiên về ánh sáng. - Và những thế kỷ sau bí ẩn về ánh sáng dần được hé mở. - Quan điểm về bản chất ánh sáng thế kỷ XVII đến XIX. - a) Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng. - Theo Huygens, ánh sáng không thể bắt nguồn từ sự dịch chuyển các hạt của vật sáng tới mắt. - Theo ông, ánh sáng lan truyền trong không gian cũng giống như sóng được sinh ra khi ta ném một viên đá xuống ao, nó sẽ truyền trên khắp mặt nước. - Ánh sáng theo quan điểm của Huygens:. - Hiện tượng phản xạ: nguồn sáng phát ra các sóng ánh sáng trải ra theo mọi hướng. - Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho rằng vận tốc ánh sáng trong một chất bất kì tỉ lệ nghịch với chiết suất của nó * Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng của Huyghens chưa giải thích được hiện tượng này. - b) Newton: ánh sáng là hạt. - Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt. - Ánh sáng được coi như những dòng hạt đặc biệt nhỏ bé được phát ra từ các vật phát sáng và bay theo đường thẳng trong môi trường đồng chất. - *Hiện tượng khúc xạ: do tác dụng của mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt đó thay đổi hướng truyền và bị gãy khúc ở mặt phân cách giữa hai môi trường. - *Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ông đưa ra giả thuyết cho rằng trên bề mặt của một vật trong suốt tồn tại một vùng rất mỏng ở đó có một lực tác dụng để kéo các tia sáng vào bên trong nó. - *Hiện tượng nhiễu xạ: ông giải thích là do có một lực đẩy có tác dụng đẩy các hạt ánh sáng vào trong bóng tối hình học của một vật. - Sự hồi sinh của lý thuyết sóng ánh sáng:. - Sau khi quyển “Optiks” của Newton được xuất bản năm 1704, suốt thế kỷ XVIII đã diễn ra cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là sóng và quan điểm cho rằng bản chất ánh sáng là hạt. - Suốt thế kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng của Newton đã lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất. - Do đó thuyết thuyết hạt ánh sáng được các nhà vật lý trong thời kì này chấp nhận. - Một trong những điểm tiến bộ trong quan niệm sóng của Euler là ông cho rằng: mỗi một màu của ánh sáng được đặc trưng bởi một bước sóng nhất định. - Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng là sóng vẫn chìm nổi với chỉ một tiếng nói bảo vệ thuyết sóng của Euler. - 2.2 Thế kỉ XIX Bước sang thế kỷ XIX, chúng ta sẽ được chứng kiến sự hồi sinh và phát triển vượt bậc của lý thuyết sóng ánh sáng. - Lý thuyết của Young mặc dù đã giải thích được hiện tượng giao thoa ánh sáng nhưng đã không không thể giải thích được hiện tượng phân cực ánh sáng do Malus tìm ra năm 1808. - Fresnel đã công nhận bản chất sóng của ánh sáng qua thí nghiệm về giao thoa mà ông đã tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch nhau một góc gần bằng 180o, thường được gọi là hai gương Fresnel).. - Fresnel cũng là người đầu tiên theo trường phái sóng ánh sáng đã giải thích thành công hiện tượng phân cực ánh sáng đã khiến cho những người bảo vệ lý thuyết sóng phải rất đau đầu ngay cả Thomas Young. - Bởi nếu coi ánh sáng là sóng giống như âm thanh thì cả hai phải có cùng các hiệu ứng, trong khi không thể tìm ra hiện tượng phân cực ở sóng âm. - Để giải thích hiện tượng này, Fresnel đã đưa ra một lời giải mang tính cách mạng: mặc dù cả âm thanh và ánh sáng đều có bản chất sóng, nhưng chúng khác nhau về mặt phẳng dao động. - Ngoài ra, những bằng chứng thực nghiệm được thực hiện sau khi hai ông mất đã khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết sóng ánh sáng. - Những thí nghiệm của Young và Fresnel đã chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng. - Đặc biệt, Fresnel đã khẳng định một cách chắc nịch rằng ánh sáng là sóng ngang. - Tuy nhiên để có thể đưa ra được mô hình sóng ánh sáng một cách đầy đủ, gọn gàng thì chúng ta phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi của James Clerk Maxwell nhà vật lý người Anh, ông là người đầu tiên phát hiện ra “ánh sáng chính là cuộc hôn pối giữa điện và từ”. - c) Maxwell Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:. - Từ 4 phương trình của Maxwell, Maxwell phát hiện ra rằng sóng điện từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. - Vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng. - Ánh sáng thế kỷ XX Nhưng đến đầu thế kỷ XX thì các hiện tượng của Hiệu ứng quang điện không thể gải thích được khi ta xem ánh sáng là sóng. - Từ đó Eintein lại khẳng định lại ánh sáng là các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định. - Einstein đã khai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử. - Tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. - Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. - Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng. - Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt. - Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein. - Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt?. - Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. - Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. - Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. - Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. - Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. - Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. - Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. - Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. - Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. - Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie. - Tốc độ ánh sáng 1. - tốc độ của ánh sang: Tốc độ ánh sáng (hay đôi khi được gọi là vận tốc ánh sáng) là độ lớn vô hướng của vận tốc lan truyền của ánh sáng. - Trong chân không, các thí nghiệm đã chứng tỏ ánh sáng đi với tốc độ không thay đổi, thường được ký hiệu là c m/s (xấp xỉ 300 nghìn km/s). - Lịch sử thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng Toác ñoä aùnh saùng ñöôïc bieát ñeán nhö laø moät haèng soá cô baûn raát chính xaùc, ñaëc bieät quan troïng trong caùc lónh vöïc tính toaùn khoa hoïc. - Thí nghiệm đầu tiên đo về vận tốc ánh sáng là thí nghiệm ñeøn loàng cuûa Galileo 1667. - Galileo bật đèn, và người trợ lý được dặn là sẽ bật đèn của anh ngay sau khi thấy ánh sáng từ đèn của Galileo. - Ánh sáng và cuộc sống con người. - Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả trực tiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang lại thực phẩm, nước và cả không khí. - Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tia sáng Mặt Trời suy đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượng đó, nhưng có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và năng lượng. - Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tình để khai thác năng lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môi trường luôn luôn biến đổi chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánh sáng Mặt Trời.. - Họ không thể giải thích đưcợ tại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang qua bầu trời, họ cũng không biết cách thức nó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và đêm. - Hướng sáng để phát triển Cấu trúc của tế bào lạp lục Ngoài ra ,lợi dụng nguồn năng lượng khổng lồ từ ánh sáng người ta chế tạo ra các máy móc sử dụng năng lượng mặt trời :pin mặt trời ,thái dương năng. - Ánh sáng thường không thể xuyên qua các lớp sương mù, khói, mây dày đặc nhưng tia hồng ngoại có thể. - Trong nghệ thuật: vẽ tranh bằng ánh sáng. - Light Painting được gọi là "vẽ tranh bằng ánh sáng" bởi người ta sử dụng các thiết bị như đèn pin, đuốc, đèn LED. - Có thể dùng ánh sáng để kết nối mạng Internet. - Các nhà nghiên cứu Mỹ thuộc trường Đại học Boston cho rằng trong một tương lai không xa nữa, ánh sáng có thể được sử dụng làm môi trường để kết nối Internet từ điện thoại hoặc máy tính cá nhân. - Bởi, thực tế, ánh sáng hồng ngoại đã được các nhà khoa học sử dụng để truyền tín hiệu từ những thiết bị điều khiển từ xa (remote) đến các thiết bị đầu cuối như tivi, đầu DVD. - 6.Công nghệ ánh sáng và sợi quang Những khám phá của Kao đã đặt nền tảng cho công nghệ sợi quang, công nghệ ngày nay được sử dụng trong hầu hết mọi hệ thống điện thoại và truyền thông dữ liệu. - Ánh sáng điều kỳ diệu quanh ta. - Phải chăng ánh sáng và con người là một thể thống nhất ánh sáng tạo ra sự sống và con người cho ánh sáng câu trả lời “nó là ai?” Ánh sáng là nguồn sống. - Ánh sáng giúp ta đánh giá được vẻ đẹp, sự lộng lẫy và hài hòa của vũ trụ quanh ta. - Và ánh sáng cho con người niềm tin hi vọng,một khởi đầu mới mẻ,một trái tim tràn đầy yêu thương và một ngày mai tươi sáng. - Hãy yêu cuộc sống vì biết đâu ngày nào đó ta không còn nhìn thấy ánh sáng.