Sự khúc xạ ánh sáng






Khi bức xạ điện từ, dưới dạng ánh sáng khả kiến, truyền từ một chất hoặc môi trường này sang môi trường khác, sóng ánh sáng có thể trải qua một hiện tượng gọi là khúc xạ, biểu lộ bởi sự bẻ cong hoặc thay đổi hướng truyền ánh sáng. Khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác chỉ khi nào có sự chênh lệch chiết suất giữa hai chất đó. Hiệu ứng khúc xạ là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng quen thuộc đa dạng, như sự uốn cong rõ ràng của một vật chìm một phần trong nước và ảo ảnh nhìn thấy trên sa mạc cát, nóng bỏng. Sự khúc xạ sóng ánh sáng khả kiến cũng là một đặc trưng quan trọng của thấu kính, cho phép chúng hội tụ chùm tia sáng vào một điểm.
 
                               
 


Hình 1. Tụ sáng khúc xạ của người thợ thêu
 
 
 Hồi đầu thế kỉ 19, những người thợ thêu đã sử dụng những bình cầu thủy tinh chứa nước để hội tụ hoặc tập trung ánh sáng ngọn nến lên khu vực làm việc nhỏ của họ, giúp họ nhìn thấy những chi tiết tinh tế rõ ràng hơn. Hình 1 minh họa cái tụ sáng của người thợ thêu hồi những năm 1800, gồm một vài bình cầu thủy tinh sắp xếp thành hình tròn xung quanh một ngọn nến dựng đứng, cho phép ánh sáng phát ra từ ngọn nến hội tụ hoặc tập trung vào một vài đốm sáng. Bề mặt cong của bình cầu thủy tinh đóng vai trò làm bề mặt thu thập các tia sáng, sau đó chúng khúc xạ về phía một tiêu điểm chính theo kiểu tương tự như thấu kính lồi. Thấu kính hội tụ hoặc tập trung cũng được sử dụng trong kính hiển vi hiện đại và những quang cụ khác để tập trung ánh sáng, dựa trên nguyên lí khúc xạ giống như hoạt động của cái tụ sáng của những người thợ thêu buổi đầu.
 
 
 Khi ánh sáng truyền từ chất này sang chất khác, nó sẽ truyền thẳng đi mà không có sự thay đổi hướng khi nó trực giao với ranh giới giữa hai chất (tức là vuông góc, góc tới 90 độ). Tuy nhiên, nếu ánh sáng chạm tới ranh giới này ở những góc khác, nó sẽ bị bẻ cong, hoặc khúc xạ, với độ khúc xạ càng tăng khi chùm tia nghiêng một góc càng lớn so với mặt phân giới. Thí dụ, một chùm ánh sáng chạm tới mặt nước theo phương thẳng đứng sẽ không bị khúc xạ, nhưng nếu chùm tia đi vào nước ở một góc nhỏ, nó sẽ bị khúc xạ ở mức độ nhỏ. Nếu góc của chùm tia tăng lên thì ánh sáng sẽ khúc xạ với góc lớn hơn. Các nhà khoa học đã sớm nhận thấy rằng tỉ số giữa góc mà ánh sáng cắt qua mặt phân giới môi trường và góc tạo ra sau khi khúc xạ là một đặc trưng rất chính xác của chất liệu tạo ra hiệu ứng khúc xạ.
 
 
 Trong nhiều thế kỉ, người ta đã lưu ý tới một sự thật khá kì quặc, nhưng lại hiển nhiên. Khi một thanh hoặc một que thẳng ngập một phần trong nước, thanh không còn thẳng nữa, mà nghiêng đi một góc hoặc một hướng khác (xem hình 2 minh họa hiện tượng này với ống hút dựng trong một ly nước). Ánh sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi nước, mang lại ảo giác là các vật trong nước hình như vừa méo mó vừa trông gần hơn so với thực tế. Ống hút trong hình 2 trông to hơn và hơi bị méo do sự khúc xạ của sóng ánh sáng phản xạ từ bề mặt ống hút. Trước tiên sóng phải truyền qua nước, rồi truyền qua mặt phân giới thủy tinh-nước và cuối cùng truyền vào không khí. Sóng ánh sáng đến từ các mặt (trước và sau) của ống bị lệch ở mức độ nhiều hơn so với sóng đến từ chính giữa ống, khiến nó trông có vẻ lớn hơn thực tế.
 
 
 Ngay từ thế kỉ thứ nhất (sau Công nguyên), nhà thiên văn và địa lí Hy Lạp cổ đại Ptolemy đã cố gắng giải thích bằng toán học lượng bẻ cong (khúc xạ) xảy ra, nhưng quy luật mà ông đề xuất sau này được xác định là không xác thực. Trong những năm 1600, nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snell đã thành công trong việc phát triển một quy luật định nghĩa một giá trị liên hệ với tỉ số của góc tới và góc khúc xạ, sau này được gọi là sức bẻ cong hay chiết suất của chất. Trong thực tế, một chất càng có khả năng bẻ cong hay làm khúc xạ ánh sáng, người ta nói nó có chiết suất càng lớn. Cái que trong nước trông có vẻ bị bẻ cong vì các tia sáng xuất phát từ que bị bẻ cong đột ngột tại mặt phân giới nước-không khí trước khi đi tới mắt chúng ta. Với tâm trạng chán ngán, Snell chưa bao