Thuyết hạt ánh sáng

Mở đầu
Những quan niệm cổ điển về bản chất hạt của ánh sáng
Vật lí hiện đại và bản chất hạt của ánh sáng
Kết luận


Mở đầu :

Bản chất đích thực của ánh sáng khả kiến là một bí ẩn làm lúng túng loài người trong nhiều thế kỉ
Lịch sử trải qua nhiều cuộc tranh luận gay gắt với nhiều quan niệm về bản chất ánh sáng
Mãi tới đầu thế kỉ XX bản chất của ánh sáng mới được làm rõ với sự ra đời của thuyết lượng tử.
II. Những quan niệm cổ điển về bản chất hạt của ánh sáng

1.Những quan niệm đầu tiên về thuyết hạt ánh sáng .
 Quan điểm nguyên tử luận của Democrit (470-360TCN) .





 Quan niệm của Platon
(429-347TCN)




 Quan niệm của Euclide
(khoảng 300 năm TCN)


2.Tư tưởng của Descartes (1596-1650) về mô hình hạt ánh sáng --- Descartes giả định rằng chùm ánh sáng là một chùm các hạt ánh sáng chuyển động với vận tốc V rất lớn .


3. Quan điểm về hạt của Newton.
Newton là người ủng hộ mạnh mẽ lí thuyết hạt ánh sáng. Theo ông,các tia sáng được cấu thành từ vô số các hạt ánh sáng phát ra bởi các vật được chiếu sáng, lan truyền theo đường thẳng qua không gian nối tiếp nhau.
- Ông cho rằng màu sắc của ánh sáng là do sự khác nhau về kích thước của hạt .

Newton đã giải thích được các định luật cơ bản của quang học nhờ mô hình hạt và các khái niệm được gợi ý từ lí thuyết vạn vật hấp dẫn.
Thuyết hạt của Newton đưa ra đã được nhiều nhà khoa học cùng thời ủng hộ . Nhiều nhà toán học tiếng tăm của Pháp như Poisson,Biot,Laplace ở cùng thời với Newton đều tin tưởng thuyết hạt ánh sáng của Newton.
III. Vật lí hiện đại và bản chất hạt của ánh sáng
Thuyết lượng tử Plank và thuyết lượng tử ánh sáng
- Đầu năm 1900 Plank đưa ra giả thuyết mang tên ông: thuyết lượng tử Plank.
- Theo Plank sự phát xạ trường điện từ do vật xảy ra gián đoạn thành những lượng năng lượng riêng rẽ ε, liên hệ với tần số υ của bức xạ theo công thức: ε =hυ với h là hằng số Plank, υ tần số bức xạ

- Năm 1905 dựa vào định luật bảo toàn năng lượng trong thế giới vi mô, Einstein đã phát triển thuyết lượng tử Plank thành thuyết lượng tử ánh sáng ,về sau gọi là thuyết photon.
- Theo Einstein ánh sáng không những được phát ra mà còn bị hấp thụ và lan truyền cũng dưới dạng những lượng tử riêng rẽ, gọi là lượng tử ánh sáng, hay còn gọi là photon, tức là ánh sáng có tính chất hạt .
2. Hiệu ứng quang điện ngoài
- Năm 1880, các nhà khoa học phát hiện ra khi rọi một chùm ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bề mặt một số kim loại thì sẽ làm giải phóng các electron.Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang điện .

* Một số đặc điểm :
* Các định luật quang điện :
Định luật về dòng quang điện bão hòa
Định luật về vận tốc ban đầu cực đại của các
quang electron
Định luật về giới hạn quang điện (giới hạn đỏ)
* Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
Công thức Einstein của hiệu ứng quang điện



3. Hiệu ứng Compton
- Do Compton phát hiện năm 1923 khi nghiên cứu sự tán xạ tia X trên tinh thể graphit

* Trong phổ tia X tán xạ , ngoài vạch có bước sóng λ bằng bước sóng của tia X tới còn xuất hiện vạch có λ’ > λ .
* Hiệu ∆λ = λ’ – λ chỉ phụ thuộc góc tán xạ θ mà không phụ thuộc vào bước sóng và chất tán xạ .
∆λ =λ’-λ = λc(1 – cosθ)
Trong đó λc =2,43.10-12(m) là một hằng số được xác định bằng thực nghiệm
* Giải thích hiệu ứng Compton bằng thuyết lượng tử ánh sáng


4.Áp suất ánh sáng
- Áp suất ánh sáng trên mặt các vật có thể coi như kết quả của sự truyền xung lượng của các photon cho các vật phản xạ hay hấp thụ ánh sáng .
p = (1+R)E/c
- Kết quả này trùng với công thức Maxwell về áp suất ánh sáng và phù hợp với thực nghiệm. Điều đó chứng tỏ photon có xung lượng và thuyết photon là đúng đắn .
5. Tác dụng quang hóa
Có nhiều phản ứng hóa học chỉ xảy ra dưới tác dụng của áng sáng .
Phản ứng quang hóa được giải thích bằng thuyết photon ,trong đó ánh sáng đóng vai trò cung cấp năng lượng cho phân tử chất tham gia phản ứng phân li, hoặc biến thành phân tử kích hoạt , có khả năng tham gia phản ứng hóa học

IV. Kết luận
Bằng trực quan và suy luận, các nhà bác học thời cố đại đã quan niệm ánh sáng có bản chất hạt.
Tiếp theo, quan điểm hạt được Newton phát triển thành lý thuyết hạt ánh sáng.Tuy nhiên, ánh sáng ở đây được xem như là một dạng vật chất, và hạt ánh sáng, về bản chất được coi là hạt vật chất, có các đặc trưng của hạt vật chất và tuân theo các quy luật cơ học Newton.
Đó là một quan điểm sai lầm.
- Thuyết sóng không giải thích được hiện tượng quang điện,hiệu ứng Compton và nhiều hiện tượng khác liên quan đến sự phụ thuộc năng lượng sóng vào bước sóng.
Thuyết lượng tử ánh sáng còn giữ cả những khái niệm sóng,trong đó lượng tử ánh sáng được biểu diễn theo tần số sóng bởi hệ thức ε =hυ .
- Ánh sáng vừa có tính chất sóng , vừa có tính chất hạt, hay ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. Tùy vào năng lượng của photon mà ánh sáng biểu hiện tính sóng hay tính hạt .
Thuyết lượng tử ánh sáng không hề phủ nhận thuyết điện từ ánh sáng.
Đến nay, thuyết điện từ ánh sáng và thuyết lượng tử ánh sáng được coi là hai thuyết đúng đắn về bản chất của ánh sáng.