Nguồn ánh sáng cơ bản nhất trên mặt đất này đến từ mặt trời. Đó là nguồn sáng trắng, cung cấp nhiệt lượng, năng lượng cho tất cả muôn loài. Vậy ánh sáng là gì? là vật chất, điện từ hay một hình thái nào khác? Trước khi thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein ra đời giải thích đến mức lượng tử, một trạng thái vi mô cực nhỏ của vật chất, thì có rất nhiều thuyết, cách giải thích khác nhau về ánh sáng. Mỗi cách giải thích đều mô tả được một mặt, khía cạnh bản chất của ánh sáng.
Nội dung
Xem thêm bài Các giải thưởng mà Albert Einstein giành được
Albert Einstein phát minh gì?
Các công trình, sự kiện, giải thưởng mang tên Einstein
Thuyết lượng tử ánh sáng tiếng anh
Thuyết lượng tử ánh sáng tiếng anh là Quantum Theory of Light. Từ Quantum nghĩa là lượng tử. Theory nghĩa là thuyết. Light nghĩa là ánh sáng.
Chúng ta cùng nhìn qua một số mẫu câu có cụm từ này.
The quantum theory of light was proposed by Einstein, It states that light travels in bundles of energy, and each bundle is known as a photon.
Nghĩa là: Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein tuyên bố rằng, ánh sáng di chuyển với các hạt năng lượng, mỗi hạt năng lượng được gọi là photon.
Quantum theory of light says that light is composed of tiny particles aka photons, which exhibit wave like properties as well.
Nghĩa là: Thuyết lượng tử ánh sáng cho rằng, ánh sáng gồm các hạt cực nhỏ gọi là photon, chúng cũng biểu hiện các tính chất giống như sóng.
Lượng tử ánh sáng là gì?
Cũng như thuyết lượng tử đề cập đến các hạt năng lượng nhỏ nhất, cơ bản nhất được bức xạ. Thuyết lượng tử ánh sáng cũng đề cập đến lượng tử ánh sáng là các hạt năng lượng cơ bản nhất, nhỏ nhất của ánh sáng. Các hạt năng lượng ánh sáng cơ bản này được gọi là photon.
Ánh sáng như vậy được hiểu là một bội số của các lượng tử ánh sáng. Lượng tử ánh sáng là mức nhỏ nhất của năng lượng ánh sáng. Nó không thể chia nhỏ hơn được nữa.
Công thức lượng tử ánh sáng
Tại mỗi tần số, sẽ có một lượng tử ánh sáng khác nhau. Nghĩa là các lượng tử này khác nhau ở các tần số ánh sáng khác nhau bởi sở hữu mức năng lượng khác nhau.
Công thức lượng tử ánh sáng nhằm xác định Mức năng lượng của các photon này là:
Ephoton = h ν
Trong đó h là hằng số Planck, h = 6.63 × 10-34 J · s
ν là tần số của ánh sáng.
Các thuyết về ánh sáng trước thuyết lượng tử ánh sáng
Chúng ta cùng điểm qua một số thuyết về ánh sáng của nhiều nhà khoa học nổi tiếng trước khi nói sâu về thuyết lượng tử ánh sáng.
Lý thuyết hạt
Vào thế kỷ thứ 17, Isaac Newton cho rằng ánh sáng bao gồm các hạt vật chất nhỏ gọi là tiểu thể.
Các tiểu thể này sẽ phản xạ lại khi va chạm vào bề mặt. Cũng như các hạt vật chất khác, các hạt tiểu thể này khi di chuyển sẽ bị cản trở bởi môi trường. Vì vậy vận tốc ánh sáng thay đổi theo mật độ của môi trường.
Lý thuyết hạt này của Newton có thể giải thích 3 hiện tượng chính của ánh sáng: Phản xạ, khúc xạ và truyền thẳng của ánh sáng.
Lý thuyết sóng
Lý thuyết sóng được phát hiện bởi Christian Huygens cũng vào thế kỷ 17. Lý thuyết sóng trái ngược với lý thuyết hạt của Newton khi tuyên bố rằng ánh sáng có bản chất sóng.
Một nguồn sáng sẽ phát ra ánh sáng như một loạt các sóng lan truyền theo mọi hướng. Các sóng này có bản chất cơ học và ngang. Sóng ánh sáng không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.
Lý thuyết sóng đã giải thích được các hiện tượng ánh sáng mà lý thuyết hạt không giải thích được. Đó là hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ ánh sáng.
Một sự khác biệt nữa giữa lý thuyết sóng với lý thuyết hạt là tốc độ ánh sáng trong môi trường khác nhau.
Theo lý thuyết hạt của Newton. Ánh sáng có vận tốc cao hơn khi ở môi trường không khí. vận tốc thấp hơn ở môi trường nước. Huygens không đồng ý với lý thuyết đó. Ông cho rằng ánh sáng có vận tốc thấp hơn khi ở môi trường không khí và cao hơn khi ở môi trường nước.
Lý thuyết sóng của Huygens sau này được cho là đúng. 100 năm sau, Thomas Young đã bác bỏ hoàn toàn lý thuyết hạt bằng cách chỉ ra hiện tượng giao thoa không thể giải thích bởi lý thuyết hạt.
Lý thuyết sóng điện từ
Lý thuyết sóng điện từ được phát hiện vào thế kỷ 19 bởi James Maxwell. Ông đề xuất rằng sóng ánh sáng không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào. Sóng ánh sáng có cả tính chất điện và từ và có thể truyền trong chân không.
Tại bất kỳ thời điểm nào, điện trường và từ trường luôn vuông góc với nhau và cũng vuông góc với hướng ánh sáng. Sóng điện từ là sóng ngang.
Tại mọi điểm của sóng tại một thời điểm nhất định, cường độ điện trường và từ trường đều bằng nhau. Vận tốc của sóng phụ thuộc vào tính chất điện và từ của môi trường.
Cơ sở vật lý hiện đại của thuyết lượng tử ánh sáng
Trong ngành vật lý, bạn sẽ nghe nói đến vật lý cổ điển và vật lý hiện đại. Vật lý cổ điển là ngành vật lý dựa trên lý thuyết của nhà vật lý Newton. Nó cho phép chúng ta quan sát, đo lường thế giới vật chất mà mắt con người có thể nhìn thấy được.
Khi con người nghiên cứu sâu đến thế giới vật chất nhỏ bé mà mắt không thấy được. Như nguyên tử, electron, điện từ, photon. Vật lý cổ điển bắt đầu có sự sai lệch trong sự mô tả và giải thích các hiện tượng. Đến lúc này, thì khởi xưởng bởi Max Planck, thuyết lượng tử ra đời làm cơ sở cho ngành vật lý hiện đại.
Thuyết lượng tử
Cơ sở vật lý hiện đại của thuyết lượng tử ánh sáng là sự ra đời của thuyết lượng tử.
Thuyết lượng tử nói đến các hạt lượng tử. Các hạt năng lượng nhỏ nhất được bức xạ. Dựa trên nền tảng đó, Einstein đã giải thích bản chất của ánh sáng là các hạt lượng tử photon. Từ đó mô tả đầy đủ được bản chất ánh sáng và hiện tượng quang điện.
Ngày nay, các nhà khoa học đang nổ lực ứng dụng lượng tử trong chế tạo một siêu máy tính lượng tử. Các bạn có thể tưởng tượng. Một siêu máy tính tốc độ sẽ vượt xa máy tính cổ điển ngày nay.
Bản chất sóng-hạt của ánh sáng
Lý thuyết lượng tử cho chúng ta biết rằng cả ánh sáng và vật chất đều bao gồm những hạt cực nhỏ. Chúng có đặc tính giống sóng. Ánh sáng bao gồm các hạt gọi là photon và vật chất bao gồm các hạt gọi là electron, proton, neutron. Chỉ khi khối lượng của một hạt đủ nhỏ thì tính chất giống như sóng của nó mới xuất hiện.
Bản chất sóng-hạt của ánh sáng thể hiện nội dung cốt lõi của thuyết lượng tử ánh sáng.
Để giúp hiểu tất cả những điều này chúng ta hãy xem ánh sáng hành xử như thế nào dưới dạng sóng và hạt.
Bản chất sóng của ánh sáng
Vào những năm 1600, Christiaan Huygens, một nhà vật lý người Hà Lan, đã chứng minh rằng ánh sáng hành xử giống như sóng.
Một đặc tính của sóng là Nhiễu xạ.
Khi chiều rộng của khe lớn hơn bước sóng thì sóng bị nhiễu xạ ít hơn.
Một hành vi khác của sóng là Giao thoa.
James Clerk Maxwell là người đã chứng minh vào những năm 1800 rằng. Ánh sáng là sóng điện từ truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng. Tần số của ánh sáng có liên hệ với bước sóng của nó theo công thức:
Ví dụ xác định tần số qua bước sóng
Hãy xem xét một tính toán ví dụ:
Ánh sáng xanh nhạt do đèn đường thủy ngân phát ra có bước sóng λ = 436nm. Tần số của nó là gì?
Đơn vị s-1 rất phổ biến khi nói về sóng đến nỗi nó được đặt tên là Hertz. Nghĩa là, 1 s-1 = 1 Hz. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng ánh sáng có bước sóng 436 nm tương ứng với tần số 6,88 × 1014 Hertz. Hay ánh sáng đó có tần số rung động 6,88 × 1014 lần trong 1 giây.
Vùng từ λ ≈ 400-750 nm là vùng mắt người có thể nhìn thấy được. Do đó được gọi là vùng khả kiến của bức xạ điện từ.
Như chúng ta đã thấy trong ví dụ trên. Ánh sáng xanh ở gần giới hạn tần số cao của mắt chúng ta. Ánh sáng đỏ có bước sóng gần 750 nm nằm ở giới hạn tần số thấp của mắt chúng ta. Ánh sáng chứa tất cả các tần số trong vùng khả kiến sẽ xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng.
Tổng quát hơn, các vùng khác nhau của phổ điện từ được đặt tên khác nhau. Dưới đây là tên được đặt cho các vùng (dải tần số) ánh sáng khác nhau tùy theo dải tần số của chúng.
Bản chất hạt của ánh sáng
Đến đây bạn có thể nghĩ rằng khá rõ ràng rằng ánh sáng hành xử giống như sóng. Vậy tại sao chúng ta biết ánh sáng thực sự được tạo thành từ các hạt gọi là photon? Sự ủng hộ cho ý tưởng này đến từ một thí nghiệm gọi là hiệu ứng quang điện.
Thí nghiệm hiệu ứng quang điện
Thí nghiệm hiệu ứng quang điện dẫn dắt sự ra đời của thuyết lượng tử ánh sáng của Albert Einstein. Ông đã đoạt giải Nobel năm 1921 nhờ giải thích được hiệu ứng này.
Người ta chiếu từng loại ánh sáng vào một tấm kim loại. Nó sẽ phát ra các electron dưới tác động của ánh sáng. Động năng của electron được bức ra là trọng tâm nghiên cứu. Một đặc điểm quan trọng của thí nghiệm này là electron được phát ra từ kim loại với một động năng cụ thể (tức là một tốc độ cụ thể).
Bây giờ bất cứ ai quen thuộc với hành vi của sóng đều biết rằng năng lượng liên quan đến sóng có liên quan đến biên độ hoặc cường độ của nó. Ví dụ, ở đại dương sóng càng lớn thì năng lượng liên quan đến sóng càng cao. Không phải những con sóng nhỏ đánh ngã bạn mà là những con sóng lớn.
Vì thế những ai nghĩ ánh sáng chỉ là sóng đã thực sự bối rối khi cường độ ánh sáng tăng lên. Ánh sáng sáng hơn. Nhưng động năng của electron phát ra không thay đổi. Điều xảy ra là khi bạn làm cho ánh sáng sáng hơn thì nhiều electron được phát ra hơn nhưng tất cả đều có cùng động năng.
Rõ ràng cường độ ánh sáng, cường độ sóng không cung cấp thêm năng lượng cho electron được bức ra.
Động năng electron phụ thuộc vào tần số
Vậy họ nghĩ động năng của electron phát ra phải phụ thuộc vào thứ gì đó. Họ đã thay đổi tần số của ánh sáng và điều này thực sự làm thay đổi động năng của electron phát ra.
Tuy nhiên, có một tần số tới hạn của ánh sáng đối với mỗi kim loại, ν0. Ánh sáng dưới tần số này không có electron nào được phát ra. Điều này cho chúng ta một gợi ý rằng, động năng liên quan đến tần số nhân với một hằng số(tức là độ dốc của đường thẳng). Hằng số đó được gọi là Hằng số Planck và được ký hiệu là h.
h = 6.63 × 10-34 J · s
Bây giờ chúng ta có thể viết phương trình động năng của electron phát ra.
Kết quả này không phù hợp với quan điểm coi ánh sáng là sóng. Một lời giải thích phù hợp với bức tranh này là ánh sáng xuất hiện dưới dạng các gói rời rạc, gọi là photon. Mỗi photon phải có đủ năng lượng để giải phóng một electron. Nếu không thì không có gì xảy ra. Vậy năng lượng của một photon là:
Ephoton = h ν
Đây là công thức lượng tử ánh sáng. Cốt lõi của thuyết lượng tử ánh sáng. Khi điều này lần đầu tiên được hiểu ra, đó là một kết quả rất đáng kinh ngạc. Albert Einstein là người đầu tiên giải thích được hiệu ứng quang điện và ông đã nhận được giải Nobel Vật lý cho công trình này.
Vì vậy, tóm lại, ánh sáng là một hạt có hành vi giống sóng. Nó vừa có bản chất hạt và sóng.
