Trường Đại học Sư Pham thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật Lí Đề tài tiểu luận mơn Lịch Sử Vật Lí Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Thếp Nhóm tiểu luận: Nguyễn Cơng Danh Cao Hồng Qui Vũ Thanh Huy Phan Đăng Thanh Hồng Văn Hưng Nguyễn Bá Trình Nguyễn Thị Ngọc Lan (16/10) 10 Bùi Thị Cẩm Tú Lê Hải Mỹ Ngân 11 Đoàn Thị Vân Nguyễn Thảo Ngân Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp M L MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU NỘI DUNG I Ánh sáng mắt người cổ trung II đại .3 Sự hình thành đấu tranh quan niệm chất sóng hạt ánh sáng Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng Newton: ánh sáng hạt Sự hồi sinh lý thuyết sóng ánh sáng III Ánh sáng: hôn phối điện từ 11 IV Ánh sáng: lưỡng tính sóng hạt 12 V luận sư Kết phạm .15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Trang Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp L Đ Ánh sáng người bạn gẫn gũi người hoạt động ngày, tồn chúng người điều hiển nhiên tự nhiên Nói khơng có nghĩa người chấp nhận đồng hành người bạn ánh sáng bên cạnh mà khơng đặt vấn đề tìm hiểu “cội nguồn” chúng Vậy ánh sáng từ đâu sinh ra? Bản chất ánh sáng nào? Vô vàn câu hỏi, thắc mắc mà người đặt cho ánh sáng Nhưng dường người bạn ánh sáng lại thích chơi trị “đánh đố”, vậy, người từ thời cổ đại xa xưa “hỏi” ánh sáng vậy, phải nói kỉ 20, người thật có nhìn đắn ánh sáng, song chưa hồn thiện Q trình người tìm câu trả lời ánh sáng dài trải qua nhiều giai đoạn, có giai đoạn tưởng chừng tìm ra, “gợi ý” ánh sáng lại xuất người lại kiếm tìm Do với đề tài nhỏ này, nhóm chúng tơi muốn tìm hiểu phần trình lớn người tìm câu trả lời, đường hình thành “đấu tranh” chất ánh sáng Trong phần nhóm chúng tơi tìm hiểu quan điểm chất ánh sáng thời cổ trung đại Chúng ta nhận tầm quan trọng việc nhận thức chất ánh sáng quan điểm chất ánh sáng xuất sớm từ lúc văn minh loài người bắt đầu xuất Mặc dù có hạn chế nhiều mặt thời kỳ trình nhận thức chất ánh sáng lồi người có nét đáng lưu ý Trong phần thứ chúng tơi tìm hiểu q trình hình thành phát triển quan điểm sóng hạt ánh sáng Ban đầu ánh sáng sóng chứa đựng tư tưởng đơn sơ Maxwell chứng tỏ sóng điện từ Hay quan điểm anh sáng hạt Newton với lý giải ông logic Không đấu tranh gay gắt không khoan nhượng quan điểm sóng hạt ánh sáng chúng tơi xét đến Tiếp đến chúng tơi tìm hiểu hình thành tảng kiến thức xem thời điểm tại: “ánh sáng – lưỡng tính sóng hạt” với quan điểm tiến mang tính cách mạng Einstein Những khám phá giúp cho nhân loại hiểu chất thực ánh sáng giúp nhân loại tiến bước xa đường chinh phục ánh sáng Cuối sở tìm hiểu phân tích đánh giá chúng tơi đề kết luận sư phạm để phục vụ cho công việc giảng dạy trường THPT Đây nội dung mà tìm hiểu chúng tơi trình bày cụ thể N T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp NỘI DUNG CHÍNH I Ánh sáng mắt người cổ trung đại:  Empédocle (khoảng 490 - 435 TCN) tác giả lý thuyết thị giác xa xưa Liên quan đến ánh sáng, Empédocle cho mắt truyền “tia thị giác” đến giới bên ngồi Sở dĩ có lý thuyết tia thị giác phần niềm tin dân gian cho mắt có chứa “lửa Theo Empédocle, ánh sáng không theo chiều từ mắt tới vật; ánh sáng theo chiều ngược lại, từ vật đến mắt  Leucippe (khoảng 460-370 TCN): trái ngược với “lửa” mắt Empédocle thoát giới bên ngoài, Leuccipe cho giới thị giác đến với chúng ta, đó, thực chất, thị giác trải nghiệm thụ động Dưới tác động ánh sáng, hình ảnh vật quanh ta – mà Leucippe đặt cho tên riêng tiếng Hy Lạp eidonlon có nghĩa ảo ảnh – tách khỏi bề mặt vật, da rắn lột xác tách khỏi thể, đến mắt  Démocrite (460-370 TCN): quan điểm Démocrite ánh sáng thị giác dựa học thuyết nguyên tử Ông chấp nhận bốn màu Empédocle – đen, trắng, đỏ vàngxanh, thêm vào màu khác gọi màu thứ cấp, lục nâu Khác với Empédocle, Démocrite không gắn màu cho bốn nguyên tố, mà gắn cho ngun tử có hình dạng khác Theo Démocrite, màu (và đặc tính giác quan khác mùi vị) không hữu thân vật  Platon (428-347 TCN): Ở Platon, ánh sáng thuộc vào hạng siêu hình Mặt Trời Thiện, mắt, nhạy cảm với ánh sáng, quan gắn chặt với Mặt Trời Như thị giác kết tổng hợp ba trình bổ sung cho Mắt phát lửa, lửa kết hợp với ánh sáng xung quanh để tạo thành chùm sáng Chùm sáng phóng thẳng phía trước gặp bề mặt vật; đó, gặp tia hạt vật phát tác dụng ánh sáng xung quanh kết hợp với chùm sáng ban đầu Tia hạt chứa thông tin tình trạng vật, màu sắc kết cấu Sau chùm sáng co lại để truyền đến mắt thông tin  Aristolte (384-322 TCN), học trò Platon, triết gia thuộc trường phái tự nhiên, ơng có nhìn cụ thể kinh nghiệm thực, đồng thời ông người bác bỏ giới Ý niệm Platon Liên quan đến thị giác, Aristolte bác bỏ dứt khốt “tia thị giác” Empédocle, theo ơng lý thuyết khơng giải thích khơng nhìn thấy bóng tối Ơng bác bỏ quan niệm Platon hạt thoát từ bề mặt vật để vào mắt người quan sát Theo ông, tri giác vật thực khơng phải thơng qua dịng vật chất, mà ấn tượng chúng lên giác quan, giống sáp tiếp nhận dấu ấn nhẫn khơng tước chất, sắt hay vàng, tạo nên nhẫn Như mắt tiếp nhận ấn tượng màu sắc, hình dạng, chuyển động,… Aristolte cho tồn hai màu bản: đen trắng Tất màu khác bắt nguồn từ hòa trộn hai màu biểu Trang Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp “phẩm chất trung gian”,ở đây,ơng giải thích hịa trộn màu tạo thành màu khác có đóng góp “nhiệt” Các màu khác bắt nguồn từ hòa trộn đen trắng mơi trường bán suốt: trường hợp màu nâu đỏ da cam cảnh hồng  Euclide (khoảng 300 TCN): ơng dùng toán học để áp dụng cho tượng tự nhiên, Euclide đưa tiên đề tập hợp “tia thị giác” chứa hình nón mà đỉnh tâm mắt đáy phạm vi nhìn thấy mắt Nhờ có tiên đề mặt nón thị giác nhờ tính tốn hình học, ơng giải thích xa trông lại nhỏ gần  Claude Ptolémée (khoảng 100-178): Ptolémée cho mắt đồng thời vừa máy phát vừa máy thu: mắt phát “tia thị giác” có chất với ánh sáng màu sắc Ptolémée đưa tiên đề “mặt nón thị giác”, khác với Euclide, ơng cho mặt nón khơng chứa tập hợp “tia thị giác” tách biệt, mà chứa continuum tia có mật độ lớn trung tâm, mắt nhìn thấy rõ nhất, giảm dần rìa mép nơi chi tiết nhoè mờ Theo ơng, “mặt nón thị giác” thân khơng đủ; cịn cần phải có thêm ánh sáng bên ngồi để khởi phát hoạt động Chẳng hạn, “mặt nón thị giác” quét lên bề mặt vật, tương tác với vật có ánh sáng xung quanh Ánh sáng bên ngồi mạnh tương tác mạnh Điều giải thích khơng nhìn bóng tối Ptolémée suy nghĩ hành trạng ánh sáng phản xạ bề mặt (định luật phản xạ) hay đổi hướng từ môi trường sang môi trường khác (định luật khúc xạ) Ông người miêu tả màu hòa trộn với mắt người Ông vẽ màu khác bánh xe sau quay bánh xe thật nhanh Mắt khơng có đủ thời gian để phân biệt màu một, mà nhìn thấy màu bị trộn vào Ngồi ra, ơng cịn nhận thấy hịa trộn màu cịn kết khoảng cách: tranh ghép màu sáng nhìn từ xa cho ấn tượng màu xám  Claude Galien (130-200) với Hippocrate hai bác sỹ vĩ đại thời Cổ đại Ông gương mặt lớn góp phần phát triển ý tưởng ánh sáng Galien lấy lại số quan niệm Aristolte: ảnh hưởng kết hợp linh khí thị giác ánh sáng, khơng khí bao quanh ta chịu biến đổi làm cho mắt nhìn thấy Các màu sắc làm cho khơng khí biến đổi Theo Galien, trung tâm thị giác thủy tinh thể  Alhazen (965-1040): Alhazen đồng ý với quan điểm Aristolte ánh sáng đến từ bên ngồi vào mắt, khơng phải ngược lại Theo ông, tia sáng thật tồn Chúng lan truyền theo đường thẳng Khi ánh sáng xung quanh chạm vào vật liền bị vật phản xạ, từ điểm bề mặt vật có màu, chùm tia sáng lan tỏa theo tất hướng, tỉ lệ nhỏ chúng vào mắt Ở Alhazen đưa ý tưởng tán xạ ánh sáng  Rober Bacon (1214-1292), người Anh Trong sách chuyên luận ánh sáng màu sắc, ông cố gắng tổng hợp quan niệm Aristote ánh sáng màu sắc (vốn “dạng thức” phi vật chất) quan niệm Alhazen (màu sắc truyền tia phát từ tất điểm vật) Theo Bacon, vật phóng theo đường thẳng tất hướng thuộc tinh chất mà ơng gọi “lồi” Chẳng hạn, Mặt trời phát “loài” sáng T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp  Francesco Maria Grimaldi (1618-1663): Ông tìm phương thức truyền ánh sáng thứ ngịai phương thức trước tìm thấy theo đường thẳng, phản xạ mặt phẳng gương chẳng hạn, khúc xạ thay đổi mơi trường Phương thức thứ nhiễu xạ ánh sáng Nghiên cứu ông công bố vào năm 1665 II hình thành đấu tranh Sự quan niệm chất sóng, hạt ánh sáng: Huygens: cha đẻ lý thuyết sóng ánh sáng C r i n H y n ( t n m t gia đình ưu tú Hà Lan, coi nhà toán học vật lý học lớn thời kỳ Galileo Newton Theo Huygens, ánh sáng bắt nguồn từ dịch chuyển hạt vật sáng tới mắt Nhà vật lý học người Hà Lan bác bỏ quan điểm Descartes cho ánh sáng xung động lan truyền tức thời Theo ông, ánh sáng lan truyền khơng gian giống sóng sinh ta ném viên đá xuống ao, truyền khắp mặt nước Ánh sáng theo quan điểm Huygens: • Huygens dựa khái niệm ánh sáng sóng: Sóng ánh sáng truyền khơng gian qua trung gian ête, chất bí ẩn khơng trọng lượng, tồn thực thể vơ hình khơng khí khơng gian nhờ mà sóng ánh sáng truyền chuyển động khơng cho cho tất hạt khác tiếp xúc với mà cho tất hạt khác tiếp xúc với hạt cản chuyển động • Cơ chế truyền sóng: Theo Huygens, nguồn sáng bao gồm vô số hạt rung động Các hạt truyền rung động chúng tới hạt ête bên cạnh dạng sóng cầu có tâm hạt rung Vơ số sóng cầu truyền đi, bán kính tác dụng chúng tăng dần theo thời gian Chúng chồng chập lên biểu hỗn độn chúng gần nguồn sáng giảm dần sóng truyền xa nguồn sáng Càng xa nguồn sáng, sóng trở nên trơn đặn • Tính chất sóng ánh sáng: Ánh sáng truyền nhanh nhiều so với âm thanh, điều mà người nhận thấy trời có giơng, ta nhìn thấy chớp sớm nhiều nghe thấy tiếng sấm Huygens giải thích chênh lệch lớn vận tốc có độ chênh lệch lớn độ cứng khơng khí ête Vận tốc lan truyền sóng tăng theo độ cứng môi trường suốt Huygens thừa nhận hạt ête cứng rắn đến mức chúng truyền nhiễu động tức thời Chỉ cần rung nhẹ đầu bên hạt ête truyền sang đầu bên Ngược lại, hạt khơng khí mềm truyền rung động chậm nhiều T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Từ đó, ơng giải thích tượng sau: • Hiện tượng phản xạ: Thuyết sóng xem nguồn sáng phát sóng ánh sáng trải theo hướng Khi chạm lên gương, sóng bị phản xạ theo góc tới, với sóng phản hồi trở lại tạo ảnh đảo ngược • Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Huygens cho vận tốc ánh sáng chất tỉ lệ nghịch với chiết suất Như vậy, vận tốc ánh sáng khơng khí lớn vận tốc ánh sáng nước n= n1 v2 Khi chùm ánh sáng truyền hai môi trường có chiết suất khác chùm tia bị khúc xạ (đổi hướng) Một phần nhỏ đầu sóng góc phải chạm đến mơi trường thứ hai trước phần cịn lại đầu sóng tiến đến mặt phân giới Phần bắt đầu qua môi trường thứ hai chuyển động chậm chiết suất môi trường thứ hai cao hơn, phần cịn lại sóng cịn truyền mơi trường thứ Do mặt sóng lúc truyền hai tốc độ khác nhau, nên uốn cong vào mơi trường thứ hai, làm thay đổi hướng truyền • Hiện tượng nhiễu xạ: thuyết sóng 1của Huyghens chưa giải n2 v thích tượng Và để nói lên quan điểm , năm 1960 ,Huyghen cơng bố “GIÁO TRÌNH QUANG HỌC”, đâu cơng trình lý thuyết sóng ánh sáng Newton: ánh sáng hạt Newton quan niệm ánh sáng có tính chất hạt Ánh sáng coi dòng hạt đặc biệt nhỏ bé phát từ vật phát sáng bay theo đường thẳng mơi trường đồng chất Ơng bác bỏ giả thuyết sóng ánh sáng ánh sáng có chất sóng, âm thanh, điều kiện nhau, phải nhìn thấy ánh sáng giống nghe thấy âm Từ sở đó, ơng giải thích tượng sau: • Ngun nhân tạo màu sắc: kích thước hạt Các hạt nhỏ tạo cảm giác tím, hạt lớn gây cảm giác màu chàm, tiếp tục hạt màu đỏ lớn Bởi tồn bảy màu bản, nên hạt phải có bảy loại kích thước khác Như tổng giác màu biểu thị chủ quan thực khách quan quy định kích thước hạt Giải thích định luật phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ, Newton đưa vào lực hút đẩy hạt ánh sáng, hạt mà để tự chúng truyền theo đường thẳng T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp • Hiện tượng phản xạ: phản xạ cầu đàn hồi chùm sáng va chạm hạt bị nảy lên từ điểm khác nhau, nên trật tự chúng chùm sáng bị đảo ngược lại tạo hình đảo ngược (hình vẽ) Nếu bề mặt gồ ghề hạt bị nảy lên nhiều góc khác nhau, kết làm tán xạ ánh sáng • Hiện tượng khúc xạ: tác dụng mặt phân giới lên hạt ánh sáng làm cho hạt thay đổi hướng truyền bị gãy khúc mặt phân cách hai mơi trường Vì ánh sáng vào môi trường đậm đặc bị phân tử mơi trường hút vận tốc tăng lên dẫn đến vận tốc ánh sáng môi trường nước hay thủy tinh lại lớn vận tốc ánh sáng mơi trường khí n n1 v1 = • Tán sắc ánh sáng qua lăng kính: ơng đưa giả thuyết cho bề mặt vật suốt (như lăng kính, chẳng hạn) tồn vùng mỏng có lực tác dụng để kéo tia sáng vào bên Vì vậy, hạt màu tím, chúng nhỏ hơn, bị hút môi trường đặc khơng khí (như thủy tinh, chẳng hạn) mạnh so với hạt lớn có màu đỏ, tức hạt màu tím bị lệch khỏi đường ban đầu nhiều hạt màu đỏ Như vậy, Newton giải thích chùm đơn sắc khác lại bị lệch hướng khác n2 v2 môi trường, chùm đơn sắc bị lệch hướng khác mơi trường suốt khác • Hiện tượng nhiễu xạ: ơng giải thích có lực đẩy có tác dụng đẩy hạt ánh sáng vào bóng tối hình học vật Tuy thuyết hạt Newton chấp nhận rộng rãi, thí nghiệm đặc biệt, ơng thực khiến phải suy nghĩ Khi Newton đặt thấu kính phẳng lồi lên thủy tinh (với mặt phẳng ngửa lên trên) chiếu sáng tất ánh sáng đơn sắc, ông phát tượng quang học lạ Nhiều vòng tròn đồng tâm (ngày gọi “vân tròn Newton”) xuất hiện, đan xen vân đen vân màu Hoàn toàn tự nhiên, Newton giải thích vân đen vùng ánh sáng bị thấu kính phản xạ, vân màu vùng ánh sáng truyền qua Nhưng làm giải thích hạt ánh sáng, đến bề mặt thấu kính, lúc phản xạ lúc truyền qua? Và ơng lại đặt giả thuyết mới, ơng cho hạt ánh sáng có tính chất gọi “accès” Hạt có “accès” truyền qua dễ dàng truyền qua cịn hạt có “accès” phản xạ dễ phản xạ Rõ ràng, giả thuyết Newton đưa lại làm nảy sinh thêm vấn đề cần phỉa có thêm lí thuyết để giải thích tính chất gọi “accès” Như lí thuyết hạt Newton có hồn tồn hợp lí hay khơng? T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Sự hồi sinh lý thuyết sóng ánh sáng: Sau “Optiks” Newton xuất năm 1704, suốt kỷ XVIII diễn tranh luận chất ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho chất ánh sáng sóng quan điểm cho chất ánh sáng hạt Suốt kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng Newton lấn át tuyệt đối lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đề xuất Lý thuyết sóng ánh sáng khơng đề cập tới uy tín lớn Newton hạn chế lý thuyết sóng ánh sáng mà Huygens đưa khơng giải thích tượng giao thoa nhiễu xạ ánh sáng Do lý thuyết hạt tuyệt đại đa số nhà vật lý kỷ chấp nhận Tuy nhiên, có (và nhất) tiếng nói chống lại quan điểm hạt Newton kỷ XVIII, điều bất ngờ tiếng nói khơng phải nhà vật lý theo quan điểm sóng cất lên mà nhà toán học người Thụy Sĩ, Leonhard Euler Leonhard Euler (1707 – 1783), nhà toán học Thụy Sĩ, sinh Bâle Năm 1746, Euler xuất tác phẩm “Một lý thuyết ánh sáng màu sắc” Qua sách này, Euler phát triển quan niệm cho ánh sáng sóng cách dựa vào tương tự ánh sáng âm thanh, đặc biệt phương thức lan truyền chúng Qua đó, ơng tiến đến việc tương tự hóa ánh sáng âm “có hài hịa tương tự nguyên nhân tính chất khác âm ánh sáng, lý thuyết âm chắn làm sáng tỏ nhiều lý thuyết ánh sáng” Một điểm tiến quan niệm sóng Euler ơng cho rằng: màu ánh sáng đặc trưng bước sóng định, tức khoảng cách hai đỉnh hai hõm liên tiếp sóng hình sin tần số định Như vậy, Euler người gắn kết khái niệm bước sóng tần số với màu sắc Thế kỷ XVIII khép lại, quan niệm ánh sáng sóng chìm với tiếng nói bảo vệ thuyết sóng Euler Tuy chưa đầy đủ luận điểm Euler thể tiến so với tiền bối ông đưa cách giải thích chấp nhận nguồn gốc màu sắc mà trước Newton lẫn Huygens khơng thể có cách giải thích đắn Bước sang kỷ XIX, chứng kiến hồi sinh phát triển vượt bậc lý thuyết sóng ánh sáng Ở nửa đầu kỷ diễn cách mạng lĩnh vực quang học tương tự cách mạng Copernic Galilée trước gần ba kỷ Hai nhân vật có vai trị to lớn cho cách mạng quang học Thomas Young Augustin Fresnel  Thomas Young (1773 – 1829), người Anh − 1779, ông bắt đầu bước lên sân khấu câu chuyện truyền kỳ ánh sáng Trong trình giải tượng nhiễu xạ ơng tìm tượng giao thoa ánh sáng, ơng người sử dụng thuật ngữ “giao thoa” khoa học T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp − 1801, ông giới thiệu thí nghiệm ánh sáng thường gọi thí nghiệm hai khe Thí nghiệm ông gây ngạc nhiên lớn lần người ta nhận thấy thêm ánh sáng vào ánh sáng cho bóng tối, tượng giao thoa ánh sáng − 1802, ơng tìm định luật đơn giản tổng quát tưọng giao thoa là: Khi ánh sáng nguồn sáng truyền đến mắt ta hai đường khác nhau, ánh sáng mạnh điểm mà hiệu đường bội số nguyên “độ dài đó” Lý thuyết Young giải thích tượng giao thoa ánh sáng không nhiều người ý Ngồi thuyết sóng ánh sáng Young vấp phải khó khăn khơng thể giải thích tượng phân cực ánh sáng Malus tìm năm 1808 Young cơng nhận bất lực thuyết sóng ánh sáng vấn đề này, song ơng nói rằng: “khi phát triển lý thuyết khoa học, phải tiến lên gạt sang bên vài vấn đề chưa giải quyết, với hy vọng chúng giải nghiên cứu sau này”  Augustin Fresnel (1788 – 1827), người Pháp Ông sinh viên trường Đại học Bách khoa Paris, sau học xong trường Bách khoa, Fresnel chuyển sang học trường kỹ sư Cầu đường Mặc dù vậy, ánh sáng niềm đam mê thực Fresnel, ông dùng lúc rảnh rỗi để giải mã bí mật ánh sáng Fresnel cơng nhận chất sóng ánh sáng qua thí nghiệm giao thoa mà ơng tự bố trí (dùng hai gương phẳng đặt lệch góc gần 180o, thường gọi hai gương Fresnel) − 1817, Viện hàn lâm Khoa học Paris phát động thi giải thích tượng nhiễu xạ với hy vọng giải thích tượng lý thuyết hạt Tuy nhiên đến năm 1818, họ nhận cơng trình Fresnel giải thích cách xác chi tiết tượng nhiễu xạ ánh sáng dựa giả thiết ánh sáng sóng ête tuân theo nguyên lý giao thoa Mặc dù bảo vệ lý thuyết sóng ánh sáng Fresnel xuất sắc giành chiến thắng thi − Fresnel người theo trường phái sóng ánh sáng giải thích thành công tượng phân cực ánh sáng khiến cho người bảo vệ lý thuyết sóng phải đau đầu Thomas Young Bởi coi ánh sáng sóng giống âm hai phải có hiệu ứng, khơng thể tìm tượng phân cực sóng âm Để giải thích tượng này, Fresnel đưa lời giải mang tính cách mạng: âm ánh sáng có chất sóng, chúng khác mặt phẳng dao động Nói cách khác, Fresnel người cho ánh sáng sóng ngang khơng phải sóng dọc Nhờ đứng quan điểm này, Fresnel xây dựng lý thuyết phân cực ánh sáng môi trường lưỡng chiết T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp  Những công trình Young Fresnel giúp cho lý thuyết sóng hồi sinh trở nên áp đảo lý thuyết hạt vốn đứng vững uy tín Newton Ngồi ra, chứng thực nghiệm thực sau hai ông khẳng định đắn lý thuyết sóng ánh sáng  Thí nghiệm Hamilton năm 1832 kiểm chứng lại lý thuyết Fresnel  Thí nghiệm Fizeau vào năm 1849 thí nghiệm Foucault vào năm 1850 đo vận tốc ánh sáng nước Những kết thực nghiệm góp phần quan trọng cho thắng lợi lý thuyết sóng ánh sáng − Năm 1849 Fizeau thực phép đo vận tốc ánh sáng mặt đất vào phương pháp cưa: Kết : C=312.000 km/s − Năm 1850, Foucault dùng dụng cụ gương quay: Đường ánh sáng dụng cụ Foucault đủ ngắn để dùng phép đo tốc độ ánh sáng mơi trường khác ngồi khơng khí Ơng phát thấy tốc độ ánh sáng nước thủy tinh khoảng 2/3 giá trị khơng khí Như ,kết thí nghiệm cho thấy trái ngược với kết Newton cho Vận tốc ánh sáng khơng khí lớn vận tốc ánh sáng mơi trường nước Những thí nghiệm Young Fresnel chứng tỏ chất sóng ánh sáng Đặc biệt, Fresnel khẳng định cách nịch ánh sáng sóng ngang Trong lý thuyết ơng đề cập đến việc tồn hai phương dao động sóng ánh sáng (ơng so sánh với dao động dây đàn violin – vốn sóng ngang – dao động từ lên từ trái sang phải) tương ứng với hai phân cực ánh sáng: phân cực theo phương ngang phân cực theo phương thẳng đứng Tuy nhiên để đưa mơ hình sóng ánh sáng cách đầy đủ, gọn gàng phải rẽ sang lĩnh vực điện từ gắn liền với tên tuổi James Clerk T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Maxwell (1831 – 1879), nhà vật lý người Anh, ông người phát “ánh sáng hôn phối điện từ” III sáng: hôn phối Ánh điện từ: Năm 1864, báo “Một lý thuyết động lực trường điện từ”, Maxwell tổng hợp kiến thức điện từ nhà vật lý xây dựng trước thành hệ gồm phương trình, phương trình dài vỏn vẹn dịng biểu diễn ngơn ngữ tốn học đọng Bốn phương trình hậu biết đến với tên gọi “Hệ p xwell”  h  ∇.B = n g tr ∂t ì  n h M a  ∂B  ∂D − Phương trình thứ mô tả định luật Gauss, cho biết đường sức điện xuất phát kết thúc điện tích Phương trình thứ hai mơ tả đường sức cảm ứng từ khép kín xa vơ tận, từ khơng có gọi “từ tích” hay “đơn cực từ” − Hai phương trình cịn lại mô tả kết hợp điện từ: từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy, đến lượt điện trường biến thiên sinh từ trường xốy Từ phương trình trên, Maxwell ngạc nhiên phát ∇.D = ρ sóng điện từ thực chất sóng ánh sáng Bởi thứ nhất, ông dựa vào   phương trình để vẽ kịch ∇xE = −   ∂t hôn nhân điện từ, theo điện từ trở thành   cặp thống tách = j  ∇xH  +  rời Chúng hai thành phần sóng đện từ lan truyền khơng gian dạng sóng ngang, tức đỉnh hõm sóng nằm mặt phẳng vng góc với phương truyền sóng (hình vẽ) Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell tính tốn xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng Trang 11 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trong lịch sử vật lý, Newton thống trời đất qua định luật vạn vật hấp dẫn đến lượt Maxwell thống không điện từ mà cịn quang học, ơng coi nhà thống vĩ đại thứ hai vật lý học IV sáng: lưỡng tính sóng Ánh hạt: Cho đến đầu kỉ XIX, quan niệm ánh sáng sóng thực xác nhận, đặc biệt sau kết luận Maxwell khẳng định ánh sáng sóng điện từ với vận tốc 300.000 km/s Nhưng vấn đề đặt lúc vận tốc ánh sáng tính so với gì? Các phương trình Maxwell khơng trả lời cho câu hỏi Đi theo vết chân Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s so với chất ête tĩnh choán đầy vũ trụ Nhưng ête làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu có tính chất gì? Theo quan điểm nhà khoa học khẳng định ánh sáng sóng từ trước cuối kỉ 18, ta thấy vấn đề giải mã chất “ête” không gian vấn đề đáng để quan tâm Chất “ête” đặt môi trường để truyền sóng ánh sáng Các nhà khoa học ban đầu đề xuất sóng ánh sáng sóng âm, tức phải sóng dọc, với phát Augustin Fresnel tượng phân cực ánh sáng dẫn đến nhận định ánh sáng phải sóng ngang Như vậy, chất “ ête” phải chất rắn để lan truyền sóng ngang, nghĩa mơi trường ete phải có mật độ cứng định Nhưng cách mà Trái đất lại chuyển động môi trường cứng mà không bị chậm lại va vào Mặt Trời? Bằng cách mà ête lại lúc vừa chất rắn đàn hồi lại vừa chất lỏng tinh tế được? Đó vấn đề khiến cho nhà khoa học cuối kỉ XIX quan tâm? Có hay khơng có mơi trường đặc biệt “ête” lan truyền sóng ánh sáng? Edwa Albert Michelson rd Morle y − Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (18521931), đồng nghiệp ông Edward Morley (1838-1923) thực thí nghiệm tài tình để kiểm tra tồn ête Hai ông chế tạo dụng cụ gọi giao thoa kế, dựa nguyên lý giao thoa Thomas Young Trong giao thoa kế này, chùm sáng có tần số chia làm hai chùm Hai chùm theo hai đường khác có chiều dài, theo phương chuyển động trái đất, theo phương vuông góc sau kết hợp với Đúng thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn tồn trùng khít với nhau, chúng kết hợp kết hợp phụ thuộc vào vận tốc hai chùm tia thời điểm Nếu có xét đến chuyển động Trái đất chắn vận tốc chùm tia khác nhau, kết thu lại hoàn toàn khác, hai T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp chùm tia trùng khít lúc bị tách ra, điều có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo phương khác khơng thay đổi Trong dự đốn, với giao thoa kế mình, Michelson Morley ngun tắc đo chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức phần hai mươi vận tốc Trái đất qua chất ete giả thuyết Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực thí nghiệm hai ông kết luận vận tốc ánh sáng không thay đổi dù lan truyền theo phương − Sau thí nghiệm Michelson Morley, người dần phải chấp nhận chất “ete” sản phẩm trí tưởng tượng, có nhiều nhà khoa học cố gắng để “cứu” lấy khái niệm Và chuyện dừng lại đó, Albert Einstein (1879-1955) khẳng định nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho môi trường ête không tồn tại, sóng ánh sáng, khác với sóng khác, khơng cần phải có mơi trường để lan truyền Ánh sáng lan truyền khơng gian hồn tồn trống rỗng Và Einstein giải thích quan điểm thuyết tương đối hẹp − Như năm 1905, người có nhìn đắn sóng ánh sáng, đặc biệt loại bỏ khái niệm môi trường “ete” nhà khoa học trước thường đề cập đến Nhưng năm đó, luồng gió lại thổi tới vấn đề chất ánh sáng với cơng trình Albert Einstein “Hiệu ứng quang điện” − Hiệu ứng quang điện tượng electron khỏi bề mặt kim loại có ánh sáng chiếu vào Theo quan điểm cổ điển với cường độ ánh sáng mạnh electrong ngày tích tụ nhiều lượng để khỏi kim loại, thực tế thí nghiệm lại khơng phải Einstein nhận thấy rằng, chiếu ánh sáng có tần số thấp vào kim loại, hiệu ứng xảy ra, dù chiếu với cường độ mạnh Ngược lại chiều ánh sáng với tần số cao, ánh sáng cực tím hiệu ứng lại xảy mà khơng cần khoảng thời gian để electron tích lũy lượng Để giải thích tượng kì lạ này, Einstein đặt vấn đề cần xem xét lại chất ánh sáng Ông đưa giả thuyết táo bạo hiệu ứng quang điện giải thích sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ khơng phải sóng liên tục mà cấu thành từ “hạt” hay lượng tử lượng xác định Năng lượng tùy tiện lấy bất kì, mà bội số tần số Einstein khai triển thuyết lượng tử Plank đưa thuyết photon, cho lượng ánh sáng tập trung hạt nhỏ gọi photon hay quang tử Trong khuôn khổ giả thuyết Einstein giải thích tất c c s k n t c n h m q a s đ ợ N v y m t l n a h s g l đ ợ k ẳ g đ h v b n c ấ h c a nó, nhiên ta thấy quan niệm “hạt ánh sáng” Einstein đưa khác với quan niệm trước Newton, hạt học đơn giản quan niệm Newton mà có thuộc tính riêng Albert Einstein (1879-1955) Nhờ vào giả Trang 13 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp thuyết lượng tử ánh sáng Einstein hồn tồn giải thích thí nghiệm hiệu ứng quang điện Chính “Hiệu ứng quang điện” cơng trình mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel “Thuyết tương đối hẹp” nhiều người thường lầm tưởng − Sau 10 năm, thập niên 1920, lí thuyết Einstein tính chất hạt ánh sáng lần củng cố thí nghiệm nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh photon có xung lượng, yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất lượng hốn đổi cho nhau, hiệu ứng sau gọi hiệu ứng Compton Đó tượng xảy Compton nghiên cứu khuếch tán (hay tán xạ) tia X graphit (than chì) Trong thí nghiệm mình, ơng nhận thấy cho chùm tia X có độ dài sóng λ qua khối graphit, chùm tia bị khuếch tán Khi khảo sát chùm tia khuếch tán góc khuếch tán ϕ nhờ máy quang phổ, người ta thấy vạch ứng với độ dài sóng λ cịn vách ứng với độ dài sóng λ’ lớn λ Compton giải thích tượng va chạm photon với electron chất khuếch tán, ơng photon hạt có tính học Nếu thừa nhận ánh sáng có chất sóng Compton khơng thể giải thích tượng xảy ra, chấp nhận ánh sáng có chất hạt, sử dụng thuyết photon Einstein ơng giải thích trọn vẹn tượng Như vậy, đầu kỉ thứ 20 tồn câu hỏi đặt cho nhà khoa học: chất ánh sáng sóng hay hạt Trước tượng quang điện xuất người dễ dàng tin ánh sáng sóng điện từ với tượng liên quan đến truyền ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên đầu kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng người khơng thể lí giải cho tượng tương tác ánh sáng vật chất hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có đáp án cho tượng này, người phải chấp nhận quan điểm hạt photon Einstein Vậy ánh sáng thực chất sóng hay hạt? − Cùng khoảng thời gian nghiên cứu Compton, nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho tất vật chất xạ có tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt Dưới dẫn Max Planck, De Broglie ngoại suy công thức tiếng Einstein liên hệ khối lượng với lượng chứa số Planck: E = mc2 = hν Trong :E lượng hạt, m khối lượng, c vận tốc ánh sáng, h số Planck, ν tần số − Cơng trình De Broglie, liên hệ tần số sóng với lượng khối lượng hạt, mang tính sở phát triển lĩnh vực cuối dùng để giải thích chất vừa giống sóng vừa giống hạt ánh sáng Đó ngành học lượng tử Qua ta thấy, vấn đề đặt kỉ 20 tìm hiểu ánh sáng tranh chấp hai quan điểm để xác định quan điểm mà lại thống chúng lại lí thuyết Ngày cơng nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt Hai tính chất tồn thể thống ánh sáng tùy điều kiện tượng khảo sát, chất T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp hay chất ánh sáng Ta coi” sóng hạt hai tính phụ ánh sáng Giữa hai mặt sóng hạt ánh sáng có liên hệ, có tính thống nhất, khơng hồn tồn hai mặt độc lập với Cho đến đầu kỉ 20, việc thừa nhận kết hợp hai chất sóng hạt giúp người hiểu cách bao quát đặc tính ánh sáng Ánh sáng khơng sóng chẳng hạt, nói ánh sáng lưỡng tính sóng – hạt thực chất nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng đối tượng vật lí học mà chất vừa giống sóng vừa giống hạt Quan điểm thực khép lại tranh luận chất ánh sáng sóng hay hạt Nhiệm vụ vật lí học ánh sáng tìm hiểu chất vô đặc biệt này, nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng-hạt” khơng tồn ánh sáng mà suy rộng cho hạt vật chất, ta biết lí thuyết De Broglie V luận sư phạm: Kết Qúa trình hình thành quan điểm chất cảu ánh sáng tóm tắt hình sau đây: Trang 15 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Trang 16 Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Qua biểu đồ phát triển quan điểm chất ánh sáng, ta thấy rõ trình phát triển theo quy luật phát triển vật lí học, q trình tiến hóa từ thấp đến cao, trải qua giai đoạn biến đổi cách mạng xen kẽ với q trình tiến hóa n tĩnh Q trình học tập sáng tao học sinh Kiến thức phải xây dựng từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp, từ chất đến chất Khơng thể nóng vội ý chí đưa kiến thức cách ạt vào chất việc Như học sinh khơng thể hiểu q trình chất vật, tượng vật lý Không q trình học tập học sinh q trình tiến hóa từ thấp đến cao có giai đoạn em bùng nổ tư duy, lực sáng tạo phát triển toàn diện, nhiên có giai đoạn em phát triển êm đềm, giáo viên khơng nên nóng vội, vội vàng ép em sáng tạo, vội vàng bắt ép em phải thật phát triển Giáo viên nên có phương pháp sư phạm hợp lý, giúp cho học sinh từ từ vượt qua giai đoạn Đặc biệt giai đoạn để em ôn lại kiến thức cố kiến thức em nhận thức trình bùng nổ tư giai đoạn trước Đây giai đoạn quan trọng trình nhận thức em Đây giai đoạn củng cố xem xét lại nội dung kiến thức cũ chuẩn bị tiền đề sở vật chất cho giai đoạn phát triển mặt tư em Do người giáo viên phải có biện pháp để giúp em giai đoạn này, để em củng cố kiến thức học, tạo tiền đề cho bước nhảy vọt tư giai đoạn Nhìn vào đồ thị nhận thấy trình đến tảng kiến thức xuất phát từ tảng kiến thức cũ Kiến thức cũ không kiến thức ngành khoa học mà đơi kiến thức rút từ ngành khoa học khác Do q trình giảng dạy, người giáo viên khơng xem nhẹ phần nào, không xem phần không thi Đại Học, hay không thi Tốt Nghiệp dạy qua loa Sự phát triển bền vững phát triển hài hòa tất mặt học sinh: kiến thức tự nhiên xã hội, thể lực… Cùng với kế hoạch giảng dạy khoa học xuyên suốt liên tục trình dạy học Đối với quan niệm chất ánh sáng, học sinh tiếp cận kiến thức chương trình vật lí lớp 12, cụ thể chương VI chương VII Tựa đề chương VI “Sóng ánh sáng” chương VII “Lượng tử ánh sáng” Như chương trình học, học sinh biết quan niệm chất ánh sáng sóng, từ thời kì sóng ánh sáng hồi sinh đầu kỉ XIX kỉ XX với cơng trình Einstein, ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt Học sinh tìm hiểu ánh sáng nhìn nhận chất giai đoạn ngắn, em khơng có nhìn tổng quát phát triển quan điểm chất ánh sáng Đối với em học sinh Newton nhà bác học lỗi lạc quan thuộc, em không nhớ đến định luật Newton, em lại khơng biết đến đóng góp ơng ngành quang học Tuy lí thuyết Newton khơng phải lí thuyết hồn tồn đắn thể nhìn nhận người có tính chất khoa học chất hạt ánh sáng T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp Theo ý kiến thân, em nghĩ trình giảng dạy mình, thân người giáo viên nên đưa thơng tin lí thuyết hạt Newton vào học ánh sáng, song song với q trình giảng dạy lí thuyết sóng ánh sáng Huyghens, Young, Fresnel…Khơng người giáo viên cịn nên làm rõ “mâu thuẫn” hai lí thuyết q trình “đấu tranh” để khẳng định tính đắn thuyết sóng Như học sinh có cách nhìn thích thú ánh sáng Hiện nay, cách dạy học khuyến khích dạy theo hướng phát huy tính chủ động, tích cực học sinh Như với kiến thức tìm hiểu tiểu luận này, người giáo viên tự xây dựng cho cách dạy thích hợp nhất, cấu trúc hấp dẫn kích thích thích thú học sinh, từ em có chủ động tự tìm hiểu vấn đề thú vị − Bên cạnh đó, xét mặt giáo dục tư ý thức, cách giảng dạy giáo viên hướng học sinh đến cách nhìn đắn q trình phát triển lí thuyết vật lí Các em nhận thức để có lí thuyết vật lí đắn khơng phải việc đơn giản, sớm chiều, mà q trình có đấu tranh để đến chân lí Do em học sinh, tiếp nhận kiến thức vật lí, em cần thiết phải biết, hiểu trân trọng lí thuyết đó, đặc biệt người giáo viên phải có nhiệm vụ cung cấp cho học sinh ứng dụng thực tế kiến thức đó, để em hiểu rõ tầm quan trọng việc khám phá kiến thức Việc giảng dạy cho học sinh q trình phát triển cịn có tác dụng giúp em biết cách tư đắn tìm hiểu vấn đề Đó cần phải có tư sáng tạo giả thuyết để từ giải thích vấn đề kiểm chứng giả thiết Bản thân học sinh phải thấy giải thích vấn đề mà giả thiết đặt chưa thỏa mãn hồn tồn em cần phải biết chỉnh sửa để có giả thiết thích hợp Như thơng qua cách giảng dạy ánh sáng mà có lồng ghép giảng dạy hình thành quan điểm chất ánh sáng cách dạy để nâng cao tầm hiểu biết đồng thời khơi dậy em học sinh ý thức tư sáng tạo, biết tự tìm tịi khơng theo lối mòn đặt T Tiểu luận học phần Lịch Sử Vật Lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Thếp TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 19 ... chất ánh sáng Trong phần nhóm chúng tơi tìm hiểu quan điểm chất ánh sáng thời cổ trung đại Chúng ta nhận tầm quan trọng việc nhận thức chất ánh sáng quan điểm chất ánh sáng xuất sớm từ lúc văn minh... n2 v thích tượng Và để nói lên quan điểm , năm 1960 ,Huyghen cơng bố “GIÁO TRÌNH QUANG HỌC”, đâu cơng trình lý thuyết sóng ánh sáng Newton: ánh sáng hạt Newton quan niệm ánh sáng có tính chất... xuất năm 1704, suốt kỷ XVIII diễn tranh luận chất ánh sáng với hai quan điểm trái ngược nhau: quan điểm cho chất ánh sáng sóng quan điểm cho chất ánh sáng hạt Suốt kỷ này, lý thuyết hạt ánh sáng