Tìm hiểu các kiến thức về hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Tưởng xa lạ nhưng hiện tượng khúc xạ ánh sáng lại là hiện tượng phổ biến. Và trong đời sống hàng ngày chúng cũng xuất hiện nhiều. Vậy hiện tượng khúc xạ ánh sáng là gì? Nếu bạn chưa biết hoặc chưa hiểu rõ thì theo dõi bài viết dưới đây nhé!

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Sơ đồ ở trên mô tả một chùm ánh sáng liên tục bị phân tán bởi một lăng kính. Chùm tia màu trắng đại diện cho nhiều bước sóng ánh sáng khả kiến khi chúng truyền qua chân không với một tốc độ c bằng nhau. Trong sơ đồ này có 7 bước sóng đại diện cho 7 màu sắc trong dải ánh sáng nhìn thấy.

Lăng kính sẽ khiến cho ánh sáng bị chậm lại. Bên cạnh đó, thay đổi đường đi do quá trình khúc xạ. Hiệu ứng này diễn ra mạnh hơn đối với các bước sóng ngắn (về bên phía màu tím) so với các bước sóng dài (về bên phía màu đỏ). Do đó phân tán ánh sáng thành các phần để thành một dải màu liên tục. Sau khi ra khỏi lăng kính, các thành phần này trở lại vận tốc ban đầu. Và chúng sẽ lại bị khúc xạ thêm lần nữa.

Ánh sáng trắng đại diện ở đây là 1 chùm tia màu trắng. Trong hực tế được tạo thành bởi nhiều tần số (màu sắc) khác nhau có di chuyển cùng nhau. Những tần số cơ bản của ánh sáng khả kiến này là 1 phần của phổ nhìn thấy. Và chúng chỉ là một phần nhỏ trong toàn bộ dải phổ điện từ.

Khi ánh sáng trắng đi vào một môi trường thì mỗi bước sóng tạo thành ánh sáng trắng sẽ di chuyển ở vận tốc khác nhau ở trong môi trường mới. Sự thay đổi vận tốc này là điều đã làm cong đường đi của ánh sáng.

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Chỉ số khúc xạ (chiết suất) là tỷ lệ giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong một môi trường khác.

Mô tả hiện tượng khúc xạ ánh sáng qua định luật Snell

Định luật Snell mô tả hiện tượng khúc xạ ánh sáng ở một tần số như dưới đây:

Vì ánh sáng ở các tần số khác nhau sẽ đổi hướng với một góc khác nhau. Nên chúng ta sẽ thấy được sự phân tách ánh sáng trắng thành các màu quang phổ tổng hợp của nó.

Một khi các tần số cơ bản được tách ra, chúng ta có thể dễ dàng nhìn thấy được sự khác biệt vận tốc của chúng. Đối với ánh sáng nhìn thấy, màu đỏ sẽ có bước sóng dài nhất. Chúng sẽ đi xuyên qua lăng kính và gần như không thay đổi nhiều. Còn màu tím với bước sóng ngắn hơn. Nó sẽ bị bỏ lại phía sau tất cả các màu sắc khác. Tuy nhiên, sự khác biệt về vận tốc này sẽ không xảy ra trong chân không. Điều này có thể thấy được khi ánh sáng đi ra khỏi lăng kính lại quay trở.

Tất cả những hình ảnh mô phỏng này chỉ được dùng để với mục đích biểu diễn một cách dễ dàng hơn sự khác biệt khi hình ảnh đã được cường điệu hóa lên. Thực tế thì mô hình như thế này không hoàn toàn đạt mức độ chính xác. Ánh sáng trắng thì cũng không thể tự tồn tại.

Sự đổi hướng của ánh sáng khi thay đổi môi trường

Nguyên tắc Huygen (Huygen’s Principle) có thể dùng để giải thích cho vấn đề này.

Bạn có thể hình dung ánh sáng đến như một sóng phẳng. Nếu như ánh sáng đến theo phương thẳng góc so với mặt tiếp xúc thì nó sẽ tiếp tục đi thẳng. Nếu không thì sẽ có một phía sẽ tiếp xúc với bề mặt trước so với phía còn lại.

Do vận tốc ở môi trường mới thay đổi nên phía được tiếp xúc trước sẽ thay đổi tốc độ di chuyển trước. Nó sẽ iếp tục như thế cho đến phần còn lại của sóng phẳng. Sự thay đổi tốc độ không đồng đều này khiến cho hướng di chuyển của sóng phẳng bị bẻ góc về phía có tốc độ di chuyển chậm hơn.

Ánh sáng di chuyển chậm lại ở môi trường không phải là chân không

Bạn hãy hình dung ánh sáng là một sóng điện từ. Dao động của sóng điện từ có thể bị ảnh hưởng bới các sóng điện từ khác và tạo ra các hiện tượng ví dụ như cộng hưởng, giao thoa…

Ở trong môi trường có vật chất thì nó sẽ tồn tại các hạt điện tử (electron). Khi ánh sáng di chuyển, sự dao động điện từ của ánh sáng khiến cho các điện tử này cũng bị dao động. Và từ đó phát ra sóng điện từ của riêng nó. Nó cũng tương tác với sóng điện từ của ánh sáng. Hai sóng này được “kết hợp” với nhau sẽ tạo ra một “gói sóng” đi qua người quan sát với một tốc độ chậm hơn.

Khi ánh sáng thoát trở lại ra trong môi trường chân không. Do không ảnh hưởng bởi điện tử nữa. Nên hiệu ứng làm chậm này sẽ chấm dứt. Và ánh sáng tiếp tục di chuyển với một vận tốc là c.

Ánh sáng có đổi màu khi thay đổi môi trường không?

Màu sắc của ánh sáng phụ thuộc nhiều vào sự dao động của photon. Mỗi photon sẽ dao động với một tần số nhất định. Khi một hạt photon dao động di chuyển thì chúng ta sẽ có bước sóng. Theo cách giải thích này thì chúng ta có thể kết luận được màu sắc của ánh sáng sẽ phụ thuộc vào tần số dao động.

Như vậy, khi di chuyển trong một môi trường, bước sóng của gói sóng này bị ngắn lại. Nhưng tần số dao động lại không đổi. Chính vì vậy mà màu sắc của ánh sáng cũng sẽ không đổi.

Trên đây là toàn bộ thông tin về hiện tượng khúc xạ ánh sáng mà thietbikythuat muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng bài viết cung cấp cho bạn đọc nhiều thông tin bổ ích. Thietbikythuat cảm ơn bạn vì đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại bạn trong những chia sẻ tiếp theo nhé!