Trong chân không, ánh sáng ở tất cả các bước sóng đều di chuyển ở một vận tốc cố định bằng c. Nhưng ánh sáng di chuyển chậm lại trong môi trường khác (chẳng hạn là nước), và ánh sáng ở các bước sóng ngắn có xu hướng di chuyển chậm hơn so với ánh sáng bước sóng dài hơn.

Sơ đồ hoạt hình mô tả khái niệm về sự tán sắc ánh sáng khi đi qua một lăng kính tam giác. Ảnh: Lucas Vieira.

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Sơ đồ hoạt hình 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 tốc độ c bằng nhau. Trong sơ đồ minh họa này có 7 bước sóng được trình chiếu đại diện cho 7 màu sắc khác nhau trong dải ánh sáng nhìn thấy.

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

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

Khi ánh sáng trắng đi vào một môi trường (trong trường hợp này là môi trường bên trong lăng kính), mỗi bước sóng tạo thành ánh sáng trắng sẽ di chuyển ở một vận tốc khác nhau trong môi trường mới, và sự thay đổi vận tốc này là thứ đã làm cong đường đi của ánh sáng.

Hiện tượng này được gọi là khúc xạ ánh sáng. Tỷ lệ giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong một môi trường khác được gọi là chỉ số khúc xạ (chiết suất), và giá trị này đặc biệt dành cho một bước sóng cụ thể và môi trường cụ thể.

Tần số dao động khác nhau của ánh sáng khi di chuyển tạo ra bước sóng khác nhau. Ánh sáng đỏ có bước sóng dài hơn ánh sáng xanh do có tần số bé hơn.

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

Khi ánh sáng ở một tần số di chuyển từ môi trường này sang một môi trường khác, tần số f của ánh sáng này không đổi, nhưng khoảng cách giữa các sóng phẳng, hay bước sóng λ=v/f sẽ thay đổi. Tỷ lệ giữa sin góc tới {dpi{120}\theta_1} và góc khúc xạ {dpi{120}\theta_2} bằng với tỷ lệ vận tốc pha của hai môi trường ({dpi{120}v_1/v_2}), hoặc có thể nói là tương đương với chỉ số khúc xạ của hai môi trường ({dpi{120}n_2/n_1}).

{dpi{150}\frac{sin\, \theta_1}{sin\, \theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}}

Chỉ số khúc xạ, còn gọi là chiết suất, của một vật liệu có liên hệ trực tiếp với vận tốc v của ánh sáng trong một môi trường, được mô tả bởi công thức:

{dpi{150}n = \frac{c}{v}}

Trong quang học, luật khúc xạ thường được mô tả bởi công thức: {dpi{120}n_1\, sin\, \theta_1 = n_2\, sin\, \theta_2}.

Bởi vì ánh sáng ở các tần số khác nhau sẽ đổi hướng một góc khác nhau, thế nên chúng ta sẽ trải nghiệm thấy sự phân tách ánh sáng trắng thành các màu quang phổ tổng hợp của nó, như biểu diễn trong hình là các sóng ở các màu sắc khác nhau.

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

Tất cả những hình ảnh mô phỏng này chỉ được dùng để biểu diễn một cách dễ dàng hơn sự khác biệt khi hình ảnh đã được cường điệu hóa. Thực tế thì mô hình như thế này không hoàn toàn chính xác, và ánh sáng trắng thì không thể tự tồn tại.

Hoạt hình mô tả một sóng phẳng bị khúc xạ tại bề mặt khi di chuyển từ môi trường có chiết suất bằng 1 sang môi trường có chiết suất bằng 1,5 ở một góc 56 độ.

Sự đổi hướng của ánh sáng khi thay đổi môi trường

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

Bạn có thể hình dung ánh sáng đến như một sóng phẳng, nếu ánh sáng đến theo phương thẳng góc với mặt tiếp xúc thì nó sẽ tiếp tục đi thẳng. Nhưng nếu ánh sáng đến không thẳng góc 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 tiếp xúc trước sẽ thay đổi tốc độ di chuyển trước, và tiếp tục như thế cho đến phần còn lại của sóng phẳng. Sự thay đổi tốc độ không đều này khiến cho hướng di chuyển của sóng phẳng bẻ góc về phía có tốc độ di chuyển chậm hơn. Cuối cùng ánh sáng sẽ bẻ góc theo cách như một hàng lính diễu binh chuyển hướng vậy.

Mặt Trời biến dạng dẹt khi ở thấp trên đường chân trời do hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong bầu khí quyển. Ảnh: Jerry Segraves.

Ánh sáng di chuyển chậm lại trong môi trường không phải chân không

Hãy hình dung ánh sáng là một sóng điện từ, do đó dao động của sóng điện từ này có thể bị ảnh hưởng bới các sóng điện từ khác và tạo ra các hiện tượng như cộng hưởng, giao thoa...

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

Khi ánh sáng thoát trở lại ra môi trường chân không, do không có sự ảnh hưởng của điện tử nữa, nên hiệu ứng làm chậm này chấm dứt và ánh sáng tiếp tục di chuyển với vận tốc c.

Ảo ảnh xuất hiện trên bề mặt nóng của đường nhựa. Lớp không khí nóng ngay trên mặt đường có chiết suất thay đổi so với không khí xung quanh. Ảnh: Yuri Khristich.

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

Đây là một câu hỏi rất hay! Theo kiến thức mà VLTV cập nhật hiện tại, thì màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào sự dao động của photon, và mỗi photon sẽ dao động ở một tần số nhất định. Khi một hạt photon dao động di chuyển thì chúng ta có bước sóng. Theo cách giải thích này thì màu sắc của ánh sáng sẽ phụ thuộc vào tần số dao động.

Như vậy thì khi di chuyển trong một môi trường, bước sóng của gói sóng này bị ngắn lại nhưng tần số dao động thì không đổi, do đó màu sắc của ánh sáng cũng sẽ không đổi.

Tham khảo

Author: Hien PHAN
Cựu thành viên CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC; nghiên cứu viên tại khoa Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (Đại học Việt Pháp).