TÓM TẮT. Chúng tôi trình bày một bố trí thí nghiệm đơn giản và rẻ tiền chứng minh rõ ràng các màu của ánh sáng trắng sau khi đi qua một lăng kính không kết hợp trở lại khi ló ra khỏi một lăng kíng thứ hai giống hệt, như cái ta vẫn tìm thấy trong các tài liệu tham khảo.
The Physics Teacher 56, 14 (2018); https://doi.org/10.1119/1.5018680)
Những khẳng định về sự tái kết hợp của ánh sáng trắng sau khi đi qua hai lăng kính (giống hệt nhau) được bố trí đúng cách (Hình 1) xuất hiện thường xuyên và phổ biến như là một mô hình quang học (đúng) ở nhiều nơi: sách giáo khoa,1,2 bài đăng tạp chí, 3,4 sách bài tập,5 dữ liệu bài giảng mẫu,6 catalog, 7 và bộ sưu tập các thiết bị khoa học.8 Tuy nhiên, sự tái kết hợp này không thể xảy ra nếu chỉ sử dụng hai lăng kính giống hệt nhau,9-11 như ta có thể kiểm tra nó dễ dàng bằng cách áp dụng định luật Snell cho các tia sáng đi vào và đi ra các mặt của hai lăng kính, vì các tia sáng tương ứng với mỗi màu ló ra song song với nhau. Một cách đơn giản hơn thu được kết luận giống như vậy là viện dẫn kết quả ai cũng biết là các tia sáng tới và tia sáng ló ra khỏi một bản mặt song song là song song nhau.12,13
Hình 1. Những hình vẽ sai dùng để minh họa sự phân tách của ánh sáng trắng bởi một lăng kính và sự tái kết hợp sau đó của nó qua một lăng kính khác.
Ta có thể thu được sự tái kết hợp của ánh sáng trắng ban đầu bị phân tách bởi một lăng kính bằng cách sử dụng những bố trí quang học tinh vi hơn so với bố trí (xem Hình 1) đã phê bình trong bài này, bao gồm những bố trí dựa trên việc sử dụng một thấu kính hội tụ,4,14 các gương, 4,15 hoặc nhiều hơn hai lăng kính.10,11 Ngoài ra, ta cũng có thể thu được sự cảm nhận ánh sáng trắng bằng cách cản trở khả năng của mắt phân giải từng màu phổ riêng lẻ, hoặc bởi sự chuyển động nhanh của chúng4 hoặc bằng cách thu gom chúng trong một dải rất hẹp.16
Theo bố trí đơn giản trình bày trong bài này, ta có thể dễ dàng chứng minh các tia sáng màu ló ra song song từ lăng kính thứ hai sau khi chuẩn trực đi vào lăng kính thứ nhất.
Đồ dùng cần thiết cho thí nghiệm là ba đèn trỏ laser (đỏ, lục, và lam: RGB) và hai lăng kính có độ cao hơn lớn hơn một chút so với khoảng cách giữa đèn laser trên cùng và dưới cùng xếp chồng như mô tả bên dưới. Chúng tôi chuẩn bị các lăng kính rỗng bằng cách dán ba miếng thủy tinh lên một cái đế. Các lăng kính này phải chứa đầy loại chất lỏng giống nhau (có thể sử dụng những chất lỏng có chiết suất khác nhau). Dùng một giá đỡ để giữ ba laser, xếp chồng lên nhau. Bố trí thí nghiệm này như ở Hình 2.
Hình 2. Đồ dùng cần thiết để chuẩn bị thí nghiệm: hai lăng kính rỗng, một chất lỏng nào đó, một màn ảnh, và ba đèn trỏ laser (đỏ, lục, và lam) xếp chồng trên giá đỡ. Hình bên phải cho thấy rõ chi tiết xếp chồng ba đèn laser.
Để tiến hành thí nghiệm, ba laser phải được bố trí đúng (như thể hiện ở bên phải Hình 2), ta có thể kiểm tra bằng cách xem các đốm sáng xuất hiện trên màn ảnh có thẳng hàng thẳng đứng chưa, như minh họa ở Hình 3.
Hình 3. Sự thẳng hàng thẳng đứng của ba đốm màu (RGB) chiếu trên màn ảnh được dùng để kiểm tra xem ba laser đã được xếp chồng thẳng đứng giống nhau chưa.
Bằng cách đổ đầy các lăng kính rỗng bởi một chất lỏng có chiết suất lớn (nước là lựa chọn hàng đầu, nhưng ta cũng có thể sử dụng những chất lỏng khác), ánh sáng bị tán sắc, như có thể thấy ở Hình 4. Lưu ý rằng các đốm tương ứng với bước sóng ngắn hơn thì lệch nhiều hơn. Bằng cách đặt một lăng kính thứ hai chứa đầy chất lỏng trên đường đi của các tia sáng sau khi ra khỏi lăng kính thứ nhất, ta có thể thấy rõ các đốm RGB (tức là các tia sáng màu) không còn xuất hiện thẳng hàng nữa. Sự mất thẳng hàng này càng rõ nét hơn khi khoảng cách giữa hai lăng kính tăng lên.
Hình 4. Khi các màu đỏ, lục và lam (RGB) bị tán sắc qua lăng kính chứa đầy chất lỏng, các đốm sáng của chúng không còn thẳng hàng trên màn ảnh.
Thí nghiệm trình diễn này còn đẹp mắt hơn khi nó được tiến hành trong phòng tối, trong đó ta thêm vào một ít khói, nhằm tăng tính rõ nét của các tia sáng màu. Bằng cách này, học sinh có thể nhìn thấy các đường đi tia sáng, như Hình 5 minh họa thật là đẹp.
Hình 5. Ánh sáng trắng đi vào lăng kính ở bên trái thật ra được làm bởi ba tia sáng khác nhau: đỏ, lục, và lam (mỗi tia phát ra từ một đèn trỏ laser xếp chồng thẳng đứng trên nhau). Mỗi màu bị lệch ở một hướng khác nhau bởi lăng kính thứ nhất, nhưng chúng ló ra song song khi rời khỏi lăng kính thứ hai.
Như vậy, sự tái kết hợp như sách vở khẳng định của ánh sáng trắng chỉ bằng cách sử dụng hai lăng kính là điều không thể. Nhưng người ta có thể tự hỏi vì sao mô hình sai này vẫn tồn tại dai dẳng. Thật vậy (và có lẽ còn tệ hơn) có một số tài liệu tham khảo3,8 quy thí nghiệm này cho Isaac Newton, đó là một đề tài đáng được nghiên cứu chi tiết hơn (nằm ngoài phạm vi của bài viết này) bằng cách xem xét các công trình của Newton về các thành phần phổ của ánh sáng trắng.17-19 Những bình luận trong lịch sử về các thí nghiệm của ông có thể tìm thấy trong các tài liệu tham khảo.20-25
Chúng tôi tin rằng sự tồn tại dai dẳng của thí nghiệm mẫu này trong bộ sưu tập các mô hình quang học là vấn đề bản chất thực tế. Khi làm việc với một chùm ánh sáng trắng, không phải một tia đơn thuần mà có một bề rộng hữu hạn (vì thế có thể xem nó là một chồng chất của các tia sáng trắng), ánh sáng sau khi đi ra khỏi lăng kính thứ hai chiếu lên một màn ảnh trông có màu trắng do bởi sự chồng chất của các màu sắc bị tán sắc từ những tia sáng trắng khác nhau. Nhưng người nào quan sát kĩ có thể sẽ thấy “đốm sáng trắng tái kết hợp” này ngả sang màu đỏ và màu lam ở ngoài rìa.
CẢM TẠ. Chúng tôi cảm ơn các độc giả vô danh vì những lời bình có giá trị của họ và, đặc biệt, một trong số họ đã cung cấp những tài liệu lịch sử rất hữu ích về công trình của Isaac Newton.
Tài liệu tham khảo
1. Trishna Knowledge Systems, The IIT Foundation Series - Physics Class 9, 2nd ed. (Pearson India Education Services Pvt. Ltd., 2012), Hình 9.53. Google Scholar
2. M. C. Vidal Fernández và D. Sánchez Gómez, Física, 2° Bachillerato, Serie Investiga (Santillana, 2016), Hình 6.41. Google Scholar
3. F. S. Crawford, “Variations on a famous white-light experiment of Isaac Newton”, Am. J. Phys. 39, 1538–1539 (tháng 12/1971). https://doi.org/10.1119/1.1976713, Google ScholarScitation
4. T. Greenslade Jr., “Spectrum recombination”, Phys. Teach. 22, 105–108 (tháng 2/1984). https://doi.org/10.1119/1.2341481, Google ScholarScitation
5. Institute of Physics, Practical Physics - Demonstration Spectrum (2007), http://practicalphysics.org/demonstration-spectrum.html. Google Scholar
6. Đại học Maryland, Physics Lecture Demonstration Facility, N1-21: Color separation and recombination by prisms, https://lecdem.physics.umd.edu/n/n1/n1-21.html; N1-22: Optical board - prisms - separate and recombine, https://lecdem.physics.umd.edu/n/n1/n1-22.html. Google Scholar
7. M. Sagendorf, Two Prisms: Four Demos, Educational Innovations, http://blog.teachersource.com/2011/11/26/two-prisms-four-demos/. Google Scholar
8. A. Richter, Spectroscopy Beyond the Visible Spectrum: The Sodium Chloride Prism, University of Toronto Scientific Instruments Collection, https://utsic.escalator.utoronto.ca/home/blog/2014/10/15/spectroscopy-beyond-the-visible-spectrum-the-sodium-chloride-prism/. Google Scholar
9. R. Garcia-Molina, “¿Recomposición de la luz blanca?” Question number 23 of Simple+mente física (2002), http://bohr.inf.um.es/miembros/rgm/s+mf/23s+mf.pdf. Google Scholar
10. Đại học Iowa, Recombining the Spectrum – Prisms Code (Số: 6F10.30), http://faraday.physics.uiowa.edu/optics/6F10.30.htm. Google Scholar
11. C. Jargodzki và F. Potter, Mad about Physics. Braintwisters, Paradoxes, and Curiosities (Wiley, 2001), Câu hỏi 58: Lăng kính. Google Scholar
12. H. D. Young, R. A. Freedman, và A. L. Ford, Sears and Zemansky’s University Physics, 12th ed. (Pearson, 2008), Bài tập 33.58. Google Scholar
13. E. R. Jones và R. L. Childers, Contemporary College Physics (Addison-Wesley, Reading, MA, 1993), Hình 22.16. Google Scholar
14. Massachusetts Institute of Technology, MITK12Videos: Newton’s Prism Experiment, https://www.youtube.com/watch?v=uucYGK_Ymp0. Google Scholar
15. D. L. MacAdam, “Newton’s theory of color”, Phys. Today 38, 11–14 (April 1985). https://doi.org/10.1063/1.2814520, Google ScholarCrossref
16. F. T. Pregger, “Recombination of spectral colors”, Phys. Teach. 20, 403–404 (tháng 9/1982). https://doi.org/10.1119/1.2341088, Google ScholarScitation
17. I. Newton, “Một lá thư của Ngài Isaac Newton, giáo sư Toán học tại Đại học Cambridge; Chứa lí thuyết mới của ông về ánh sáng và màu sắc: Tác giả gửi đến nhà xuất bản từ Cambridge, Febr. 6. 1671/72; Để thông báo với Hội Hoàng gia”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 6, 3075–3087 (1671). https://doi.org/10.1098/rstl.1671.0072, Google ScholarCrossref
18. I. Newton, Opticks (Royal Society, London, 1704); Google Scholar
I. Newton, Opticks (Dover, 1952). Google Scholar
19. The Newton Project, http://www.newtonproject.sussex.ac.uk/prism.php?id=45. Google Scholar
20. D. Brewster, Memoirs of the Life, Writings, and Discoveries of Sir Isaac Newton, Vol. I (Thomas Constable and Co., 1855). Google Scholar
21. A. A. Mills, “Newton’s prisms and his experiments on the spectrum”, Notes Rec. R. Soc. Lond. 36, 13–36 (1981). https://doi.org/10.1098/rsnr.1981.0002, Google ScholarCrossref
22. A. E. Shapiro, “Experiment and mathematics in Newton’s theory of color”, Phys. Today 37, 34–42 (tháng 9/ 1984). https://doi.org/10.1063/1.2916400, Google ScholarCrossref
23. C. C. Silva và R. A. Martins, “Newton’s color theory: An example of the use of the History of Science in classroom situations”, Ciência & Educação 9, 53–65 (2003). Google Scholar
24. P. Fara, “Newton shows the light: A commentary on Newton (1672) ‘A letter … containing his new theory about light and colours…,’” Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 373, 20140213 (2015). https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0213, Google ScholarCrossref
25. S. Grusche, “Revealing the nature of the final image in Newton’s experimentum crucis”, Am. J. Phys. 83, 583–589 (tháng 7/2015). https://doi.org/10.1119/1.4918598, Google ScholarScitation
26. J. Avison, The World of Physics, 2nd ed. (Thomas Nelson and Sons Ltd., 1989). Hình 2.11; https://books.google.es/books?id=DojwZzKAvN8C&printsec=frontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false. Google Scholar
27. M. Alonso và E. J. Finn, Physics, Revised ed. (Pearson Education Ltd., 1992), Hình 33.29b. Google Scholar
♦ Trần Nghiêm dịch
