Sóng ánh sáng: Giao thoa và quang phổ cần nhớ

Sóng ánh sáng là chuyên đề quan trọng của Vật lý 12, gồm tán sắc, giao thoa và các loại quang phổ. Học sinh cần nhớ công thức khoảng vân, phân biệt vân sáng – vân tối và nhận biết đúng nguồn phát quang phổ. Bài viết hệ thống kiến thức, công thức cùng các dạng bài trọng tâm để bạn ôn tập thuận tiện.

Sóng ánh sáng là gì?

Ánh sáng là sóng điện từ truyền được trong chân không với tốc độ:

c ≈ 3 × 10⁸ m/s

Mối liên hệ giữa tốc độ truyền, bước sóng và tần số:

c = λ₀f

Trong đó λ₀ là bước sóng trong chân không và f là tần số. Khi ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n:

v = c/n

λ = v/f = λ₀/n

Khi đổi môi trường, tần số và màu sắc đặc trưng không đổi, còn tốc độ và bước sóng thay đổi. Ánh sáng đơn sắc có một tần số xác định; ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc.

Tán sắc ánh sáng cần ghi nhớ

Tán sắc là hiện tượng ánh sáng phức tạp phân tách thành các chùm đơn sắc khi truyền qua môi trường trong suốt. Nguyên nhân là chiết suất phụ thuộc bước sóng. Trong vùng nhìn thấy:

n tím > n đỏ

Trong lăng kính, tia tím lệch nhiều hơn tia đỏ. Thứ tự màu là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

Học sinh cần phân biệt:

• Tán sắc làm ánh sáng phức tạp phân tách thành nhiều màu.
• Giao thoa tạo ra hệ vân sáng – tối do sự chồng chất của các sóng kết hợp.
• Nhiễu xạ là hiện tượng ánh sáng lệch khỏi phương truyền thẳng khi đi qua khe hẹp hoặc gần mép vật cản.

Giao thoa ánh sáng trong thí nghiệm Young

Giao thoa là bằng chứng cho tính chất sóng của ánh sáng. Trong thí nghiệm Young, hai khe S₁, S₂ trở thành hai nguồn kết hợp cùng tần số và có hiệu pha không đổi.

Gọi a là khoảng cách hai khe, D là khoảng cách tới màn, λ là bước sóng và x là tọa độ trên màn tính từ vân trung tâm.

Với D lớn hơn nhiều so với a, hiệu đường đi tại điểm M gần đúng là:

δ = d₂ - d₁ ≈ ax/D

Điều kiện xuất hiện vân sáng

Hai sóng đến điểm M cùng pha khi:

δ = kλ

Vị trí vân sáng bậc k:

x sáng = kλD/a = ki

Với k = 0, ±1, ±2,...; vân trung tâm ứng với k = 0.

Điều kiện xuất hiện vân tối

Hai sóng đến điểm M ngược pha khi:

δ = (k + 1/2)λ

Vị trí vân tối:

x tối = (k + 1/2)λD/a = (k + 1/2)i

Vân tối gần trung tâm nhất có tọa độ i/2.

Công thức khoảng vân

Khoảng vân giữa hai vân sáng liên tiếp hoặc hai vân tối liên tiếp:

i = λD/a

Từ đó:

λ = ia/D

Khoảng cách từ một vân sáng tới vân tối gần nhất là i/2. Hai vân sáng bậc k₁, k₂ cách nhau:

Δx = |k₂ - k₁|i

Xem thêm: Sóng ánh sáng là gì? Bảng bước sóng, công thức và bài tập

Giao thoa với nhiều bức xạ

Khi chiếu đồng thời hai bức xạ có bước sóng λ₁ và λ₂, mỗi bức xạ tạo một hệ vân riêng với khoảng vân:

i₁ = λ₁D/a

i₂ = λ₂D/a

Hai vân sáng trùng nhau khi:

k₁λ₁ = k₂λ₂

Hay:

k₁i₁ = k₂i₂

Muốn tìm vị trí trùng gần nhất, rút gọn λ₁/λ₂ rồi chọn cặp số nguyên nhỏ nhất. Với ánh sáng trắng, vân trung tâm màu trắng; vân tím gần trung tâm hơn đỏ vì bước sóng và khoảng vân nhỏ hơn.

Sơ đồ thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng

Quang phổ là gì?

Quang phổ là tập hợp các thành phần đơn sắc của ánh sáng phát ra hoặc bị hấp thụ. Cần phân biệt quang phổ liên tục, vạch phát xạ và vạch hấp thụ.

Quang phổ liên tục

Quang phổ liên tục là dải màu từ đỏ đến tím không có khoảng tối. Nguồn phát là chất rắn, chất lỏng hoặc khí áp suất lớn bị nung nóng. Đặc điểm:

• Không phụ thuộc bản chất hóa học của nguồn.
• Phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ nguồn.
• Nhiệt độ càng cao, miền phát sáng mạnh có xu hướng mở rộng về phía bước sóng ngắn.

Quang phổ liên tục được dùng để xác định nhiệt độ vật phát sáng.

Quang phổ vạch phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ gồm các vạch sáng trên nền tối, do khí hoặc hơi áp suất thấp được kích thích phát ra. Mỗi nguyên tố có hệ vạch đặc trưng nên có thể dùng để nhận biết thành phần hóa học.

Quang phổ vạch hấp thụ

Quang phổ hấp thụ gồm các vạch tối trên nền liên tục. Nó xuất hiện khi ánh sáng trắng từ nguồn nóng truyền qua khí hoặc hơi lạnh hơn.

Chất khí hấp thụ những bức xạ nó có thể phát ra. Vì vậy, vạch tối hấp thụ trùng vị trí với vạch sáng phát xạ của cùng nguyên tố. Phương pháp này giúp nghiên cứu thành phần khí quyển của Mặt Trời và các ngôi sao.

Xem thêm: Tổng hợp lý thuyết Vật lý lớp 12

Bảng phân biệt các loại quang phổ

Mẹo nhớ: “nóng đặc – liên tục; nóng loãng – vạch sáng; sáng qua khí lạnh – vạch tối”.

Các dạng bài sóng ánh sáng trọng tâm

Dạng 1: Tính khoảng vân hoặc bước sóng

Dùng i = λD/a và đổi λ, D, a về cùng hệ đơn vị trước khi tính.

Dạng 2: Xác định tính chất điểm trên màn

Tính x/i:

• Nếu x/i là số nguyên, điểm đó là vân sáng.
• Nếu x/i = k + 1/2, điểm đó là vân tối.
• Nếu không thỏa mãn hai điều kiện, điểm không nằm đúng tâm vân sáng hoặc vân tối.

Dạng 3: Đếm số vân trong một vùng

Đặt điều kiện tọa độ vân thuộc đoạn rồi tìm các số nguyên k. Kiểm tra hai đầu đoạn và không đếm vân trung tâm hai lần.

Dạng 4: Thay đổi thông số thí nghiệm

Từ i = λD/a, suy ra:

• Tăng λ hoặc D làm khoảng vân tăng.
• Tăng a làm khoảng vân giảm.
• Nếu toàn bộ thí nghiệm đặt trong môi trường chiết suất n, bước sóng còn λ/n, nên khoảng vân còn i/n.

Dạng 5: Vân trùng của hai bức xạ

Dùng k₁λ₁ = k₂λ₂, rút gọn tỷ số bước sóng rồi tìm cặp bậc vân nhỏ nhất.

Dạng 6: Nhận biết loại quang phổ

Dựa vào trạng thái nguồn, áp suất, nhiệt độ và hình ảnh. Cùng một chất có thể tạo quang phổ khác nhau nếu điều kiện thay đổi.

Xem thêm: Bài tập sóng ánh sáng phân loại theo mức độ

Sai lầm thường gặp

• Nhầm khoảng vân với khoảng cách từ vân trung tâm đến vân sáng bậc k.
• Đánh số vân tối thứ nhất bằng k = 1 rồi tính thành 1,5i thay vì 0,5i.
• Không đổi nanomet, micromet hoặc milimet về cùng đơn vị.
• Cho rằng ánh sáng đổi tần số khi truyền sang môi trường khác.
• Nhầm quang phổ liên tục phụ thuộc thành phần hóa học của nguồn.
• Nhầm vạch tối hấp thụ nằm ở vị trí khác vạch phát xạ của cùng nguyên tố.
• Dùng điều kiện vân sáng cho bài toán vân tối hoặc ngược lại.

Cách ôn tập sóng ánh sáng hiệu quả

Hãy học theo chuỗi bản chất sóng – tán sắc – giao thoa – quang phổ. Tự vẽ thí nghiệm Young, lập bảng so sánh quang phổ, viết công thức tổng quát và đổi đơn vị trước khi thay số.

Xem thêm: Tổng hợp công thức Vật lý 12 chi tiết

Kết luận

Chuyên đề sóng ánh sáng sẽ dễ hơn khi bạn phân biệt rõ tán sắc, giao thoa và quang phổ. Công thức i = λD/a là trọng tâm của bài toán Young, còn điều kiện nguồn phát giúp nhận diện từng loại quang phổ. Học cùng hình vẽ, bảng so sánh và bài tập đổi đơn vị sẽ hạn chế nhầm lẫn.

Câu hỏi thường gặp

Khoảng vân trong thí nghiệm Young là gì?

Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng liên tiếp hoặc hai vân tối liên tiếp, được tính bằng i = λD/a.

Vì sao vân trung tâm của ánh sáng trắng có màu trắng?

Tại vân trung tâm, hiệu đường đi của mọi bức xạ đều bằng 0 nên tất cả thành phần màu cùng đạt cực đại và chồng lên nhau, tạo thành màu trắng.

Quang phổ vạch phát xạ và hấp thụ khác nhau thế nào?

Quang phổ phát xạ gồm các vạch sáng trên nền tối, còn quang phổ hấp thụ gồm các vạch tối trên nền liên tục. Với cùng một nguyên tố, vị trí vạch hấp thụ trùng vị trí vạch phát xạ.

Khi ánh sáng truyền vào môi trường chiết suất lớn hơn, đại lượng nào thay đổi?

Tốc độ và bước sóng giảm, còn tần số không đổi. Vì màu sắc gắn với tần số nên màu đặc trưng của ánh sáng vẫn được giữ nguyên.