Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đã tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đó thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng

Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ:
Năm 1864, trong bài báo “Một lý thuyết động lực về trường điện từ”, Maxwell đã tổng hợp các kiến thức về điện và từ đã được các nhà vật lý xây dựng trước đó thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏn vẹn một dòng và được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốn phương trình này được hậu thế biết đến với tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”: - Phương trình thứ nhất mô tả định luật Gauss, cho biết đường sức điện xuất phát hoặc kết thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai mô tả các đường sức của cảm ứng từ là khép kín hoặc đi ra xa vô tận, từ đó không có cái gọi là “từ tích” hay “đơn cực từ”. - Hai phương trình còn lại mô tả sự kết hợp giữa điện và từ: từ trường biến thiên
sinh ra điện trường xoáy, đến lượt mình điện trường biến thiên cũng sinh ra từ trường xoáy. Từ các phương trình trên, Maxwell đã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóng điện từ thực chất cũng chính là sóng ánh sáng. Bởi thứ nhất, ông đã dựa vào các phương trình để vẽ ra một kịch bản về cuộc hôn nhân giữa điện và từ, theo đó điện và từ trở thành một cặp thống nhất không thể tách rời. Chúng là hai thành phần của sóng đện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh và các hõm sóng nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng (hình vẽ). Thứ hai, vào năm 1873, Maxwell đã tính toán chính xác vận tốc truyền sóng điện từ, đáp số này hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng. Trong lịch sử vật lý, Newton đã thống nhất trời và đất qua định luật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwell đã thống nhất không chỉ điện và từ mà còn cả quang học, ông được coi là nhà thống nhất vĩ đại thứ hai của vật lý học Ánh sáng - lưỡng tính sóng hạt Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là 300.000 km/s. Nhưng một vấn đề được đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng được tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh choán đầy
trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì? Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trước cho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong không gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môi trường để truyền sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng như sóng âm, tức phải là sóng dọc, nhưng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Như vậy, chất “ ête” phải là chất rắn để có thể lan truyền được sóng ngang, nghĩa là môi trường ete phải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi trường cứng như vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được? Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm? Có hay không có một môi trường đặc biệt “ête” trong sự lan truyền của sóng ánh sáng? Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệp của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra sự tồn tại của ête. Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên lý giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùm
sáng có một tần số duy nhất được chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của trái đất, một theo phương vuông góc rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn toàn trùng khít với nhau, nhưng khi chúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc của hai chùm tia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc chắn là vận tốc của 2 chùm tia này là khác nhau, nhưng kết quả thu được lại hoàn toàn khác, hai chùm tia vẫn trùng khít như lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo 2 phương khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ete giả thuyết. Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào đi nữa. Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con người dần phải chấp nhận rằng chất “ete” chỉ là sản phẩm bởi trí tưởng tượng, dù rằng có nhiều nhà khoa học đã cố gắng để “cứu” lấy khái niệm này. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đến khi Albert Einstein (1879-1955) đã khẳng định một nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho rằng môi trường ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác, không cần phải có một môi trường để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm của mình bằng thuyết tương đối hẹp của mình Như vậy cho đến năm 1905, con người đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ được khái niệm về môi trường “ete” như các nhà khoa học trước đây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũng trong chính năm đó, một
luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert Einstein về “Hiệu ứng quang điện”. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì với cường độ ánh sáng càng mạnh thì electrong ngày càng tích tụ được nhiều năng lượng để bức ra khỏi kim loại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy. Einstein đã nhận thấy rằng, nếu chiếu một ánh sáng có tần số thấp vào một kim loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra, dù chiếu với cường độ mạnh bao nhiêu đi nữa. Ngược lại khi chiều ánh sáng với tần số cao, như ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lượng. Để giải thích về hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xem xét lại bản chất của ánh sáng. Ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể giải thích được nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định. Năng lượng này không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển thuyết lượng tử của Plank và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh sáng tập trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử. Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện thực nghiệm quan sát được. Như vậy, một lần nữa ánh sáng lại được khẳng định về bản chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứng quang điện. Chính “Hiệu ứng quang điện” này là công trình đã mang đến cho Einstein giải thưởng Nobel chứ không phải là “Thuyết
tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng. Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lần nữa được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur H.Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này được gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng l đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán j nhờ máy quang phổ, người ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng l còn một vách ứng với độ dài sóng l’ lớn hơn l. Compton đã giải thích hiện tượng này bằng sự va chạm giữa photon với electron của chất khuếch tán, trong đó ông photon như một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng. Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt. Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton … Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photon của Einstein. Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt? Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học người Pháp Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại
suy công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số Planck: E = mc2 = hf Trong đó :E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck, và f là tần số. Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là ngành cơ học lượng tử. Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. Ta có thể coi” sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc lập với nhau. Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. Ánh sáng không là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chất của nó vừa giống sóng vừa giống hạt. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sóng- hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết của De Broglie. Kết luận sư phạm:
Qúa trình hình thành các quan điểm về bản chất cảu ánh sáng được tóm tắt bằng hình sau đây: Qua biểu đồ sự phát triển các quan điểm về bản chất ánh sáng, ta có thể thấy rõ đây là một quá trình phát triển theo đúng như quy luật phát triển của vật lí học, đó là một quá trình tiến hóa từ thấp đến cao, trải qua những giai đoạn biến đổi cách mạng xen kẽ với các quá trình tiến hóa yên tĩnh. Quá trình học tập và sáng tao của học sinh cũng vậy. Kiến thức phải được xây dựng từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp, từ kém bản chất đến bản chất. Không thể nóng vội duy ý chí đưa kiến thức một cách ồ ạt đi vào bản chất của sự việc ngay. Như thế học sinh sẽ không thể hiểu được bản quá trình bản chất của sự vật, hiện tượng vật lý. Không những thế quá trình học tập học sinh cũng như vậy đó là một quá trình tiến hóa từ thấp đến cao cũng có những giai đoạn các em bùng nổ tư duy, năng lực sáng tạo được phát triển toàn diện, tuy nhiên cũng có những giai đoạn các em phát triển êm đềm, giáo viên không nên nóng vội, vội vàng ép các em sáng tạo, vội vàng bắt ép các em phải thật phát triển hơn nữa. Giáo viên nên có phương pháp sư phạm hợp lý, giúp cho học sinh từ từ vượt qua giai đoạn này. Đặc biệt đây là giai đoạn để các em ôn lại kiến thức cũng cố kiến thức đã được các em nhận thức trong quá trình bùng nổ tư duy trong giai đoạn trước. Đây là giai đoạn hết sức quan trọng trong quá trình nhận thức các em. Đây là giai đoạn củng cố xem xét lại nội dung kiến thức cũ và chuẩn bị tiền đề cơ sở vật chất cho giai đoạn phát triển tiếp theo về mặt tư duy của các em. Do đó người giáo viên phải có biện pháp để giúp các em trong giai đoạn
này, để các em củng cố được kiến thức đã học, tạo tiền đề cho bước nhảy vọt về tư duy trong giai đoạn tiếp theo. Nhìn vào đồ thị chúng ta nhận thấy quá trình đi đến được nền tảng kiến thức mới bao giờ cũng xuất phát từ nền tảng kiến thức cũ. Kiến thức cũ ở đây không chỉ các kiến thức trong ngành khoa học đó mà đôi khi cả những kiến thức được rút ra từ các ngành khoa học khác. Do đó trong quá trình giảng dạy, người giáo viên không được xem nhẹ phần nào, không được xem phần này không thi Đại Học, hay không thi Tốt Nghiệp rồi chúng ta sẽ dạy qua loa. Sự phát triển bền vững chính là sự phát triển hài hòa của tất cả các mặt của học sinh: về cả kiến thức tự nhiên xã hội, thể lực…. Cùng với đó là một kế hoạch giảng dạy khoa học xuyên suốt và liên tục trong quá trình dạy học Đối với các quan niệm về bản chất ánh sáng, học sinh sẽ được tiếp cận những kiến thức đó trong chương trình vật lí lớp 12, cụ thể là ở chương VI và chương VII. Tựa đề trong chương VI là “Sóng ánh sáng” và chương VII là “Lượng tử ánh sáng”. Như vậy trong chương trình học, học sinh sẽ được biết quan niệm về bản chất ánh sáng là sóng, từ thời kì sóng ánh sáng được hồi sinh đầu thế kỉ XIX cho đến thế kỉ XX với những công trình của Einstein, ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt. Học sinh khi tìm hiểu về ánh sáng chỉ có thể nhìn nhận về bản chất của nó trong một giai đoạn ngắn, các em đã không có được cái nhìn tổng quát nhất về sự phát triển các quan điểm về bản chất ánh sáng. Đối với các em học sinh thì Newton là một nhà bác học lỗi lạc và rất quan thuộc, các em không thể nào không nhớ đến 3 định luật của Newton, nhưng các em lại không được biết đến đóng góp của ông trong ngành quang học. Tuy lí thuyết của Newton không phải là một lí thuyết hoàn toàn đúng đắn nhưng nó cũng đã thể hiện những nhìn nhận đầu tiên của con người có tính chất khoa học về bản chất hạt của ánh sáng. Theo như ý kiến của bản thân, em nghĩ rằng trong quá trình giảng dạy của mình, bản thân người giáo viên nên đưa những thông tin về lí thuyết hạt của Newton vào những bài học về ánh sáng, song song với quá trình giảng dạy về lí thuyết sóng ánh
sáng của Huyghens, Young, Fresnel…Không chỉ thế người giáo viên còn nên làm rõ sự “mâu thuẫn” của hai lí thuyết này và quá trình “đấu tranh” để khẳng định tính đúng đắn của thuyết sóng. Như vậy học sinh sẽ có được một cách nhìn thích thú về ánh sáng. Hiện nay, cách dạy học đang được khuyến khích đó là dạy theo hướng phát huy tính chủ động, tích cực của học sinh. Như vậy với những kiến thức đã được tìm hiểu trong bài tiểu luận này, người giáo viên có thể tự xây dựng cho mình một cách dạy thích hợp nhất, một cấu trúc bài hấp dẫn và kích thích được sự thích thú ở học sinh, từ đó các em sẽ có được sự chủ động tự tìm hiểu những vấn đề thú vị đó. - Bên cạnh đó, xét về mặt giáo dục tư duy và ý thức, cách giảng dạy của giáo viên như vậy sẽ hướng học sinh đến cách nhìn đúng đắn về quá trình phát triển của một lí thuyết vật lí. Các em sẽ nhận thức được để có được một lí thuyết vật lí đúng đắn không phải là một việc đơn giản, một sớm một chiều, mà là cả một quá trình có cả sự đấu tranh để đến được đúng chân lí. Do đó đối với các em học sinh, được tiếp nhận một kiến thức vật lí, các em cần thiết phải biết, hiểu và cả trân trọng những lí thuyết đó, đặc biệt người giáo viên càng phải có nhiệm vụ là cung cấp cho học sinh những ứng dụng thực tế của kiến thức đó, để các em càng hiểu rõ được tầm quan trọng trong việc khám phá ra những kiến thức đó. Việc giảng dạy cho học sinh về quá trình phát triển này còn có tác dụng giúp các em biết được cách tư duy đúng đắn khi tìm hiểu về một vấn đề. Đó là cần phải có sự tư duy sáng tạo ra những giả thuyết để từ đó giải thích vấn đề rồi kiểm chứng những giả thiết đó. Bản thân học sinh sẽ phải thấy được rằng khi giải thích một vấn đề mà giả thiết đã đặt ra chưa thỏa mãn hoàn toàn thì các em cần phải biết chỉnh sửa để có những giả thiết mới thích hợp hơn. Như vậy thông qua cách giảng dạy về ánh sáng mà có lồng ghép giảng dạy về sự hình thành các quan điểm về bản chất của ánh sáng là một cách dạy để nâng cao tầm hiểu biết đồng thời khơi dậy trong các em học sinh ý thức tư duy sáng tạo, biết tự tìm tòi và không chỉ đi theo một lối mòn đã đặt ra.