10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

131. Vì sao biển khơi có màu xanh thẫm, còn bọt nước trên biển lại là màu trắng?

Ngồi bên bờ biển, ngắm nhìn biển rộng màu xanh thẫm, cuộn lên muôn ngàn bọt sóng, hùng tráng biết bao! Nhưng, vì sao bọt sóng cuộn lên trên mặt biển xanh thẫm lại có màu trắng nhỉ?

Múc một thìa nước biển xem thử nào, ủa? Nước biển vừa không phải xanh thẫm, cũng không phải màu trắng. Nó giống hệt như nước máy, trong suốt không màu. Ai đã bôi màu sắc lên biển và bọt sóng thế nhỉ? Đó là trò ảo thuật của ánh sáng Mặt Trời đấy.

Ánh sáng Mặt Trời do ánh sáng của bảy loại màu: đỏ, da cam, vàng, xanh, lam, chàm, tím hợp thành. Khi ánh sáng Mặt Trời chiếu lên mặt biển, những ánh sáng có bước sóng tương đối dài như ánh sáng đỏ, ánh sáng da cam có thể lách qua mọi trở ngại, đi thẳng về phía trước. Trong quá trình đi tới, chúng không ngừng bị nước biển và sinh vật biển hấp thụ. Còn ánh sáng có bước sóng tương đối ngắn như ánh sáng chàm, ánh sáng tím, tuy có một phần bị nước biển và tảo biển v.v. hấp thụ, song đa số chúng gặp phải sự cản trở của nước biển liền tới tấp tán xạ ra xung quanh, hoặc phản xạ trở lại. Cái mà chúng ta nhìn thấy tức là phần ánh sáng bị tán xạ hoặc bị phản xạ lại. Nước biển càng sâu, ánh sáng chàm bị tán xạ và phản xạ sẽ càng nhiều, cho nên biển khơi bao giờ cũng thấy có màu xanh thâm thẫm.

Vậy thì vì sao bọt sóng lại có màu trắng?

Bạn xem, cốc thuỷ tinh đều là trong suốt không có màu, từng mảnh thuỷ tinh sau khi bị rơi vỡ vẫn còn trong suốt. Nhưng khi chúng ta quét dồn chúng vào một chỗ thì lại biến thành một đống trắng nhờ nhờ. Vả lại, đập vỡ thuỷ tinh thành vụn thuỷ tinh thì nhìn vào rất giống như một đống hoa tuyết. Đó là vì lẽ gì vậy? Hoá ra là, thuỷ tinh có thể để tia sáng đi qua, cũng có thể phản xạ tia sáng. Thuỷ tinh sau khi vỡ vụn ra, hình thành nhiều góc độ khác nhau, và lại chồng chất lên nhau, khi ánh sáng chiếu rọi qua, ngoài xảy ra phản xạ, lại xảy ra khúc xạ nhiều lần. Còn tia sáng sau khi đi qua rất nhiều đoạn gã y gập, khúc xạ hoặc tán xạ ra từ từng hướng khác nhau, mắt chúng ta gặp phải loại tia sáng này liền cảm thấy cả một mảng màu trắng.

Bọt sóng thật giống với vụn thuỷ tinh nát nhỏ, nó cũng làm cho tia sáng trải qua nhiều lần biến ảo, cho nên nhìn vào thấy có màu trắng.

Hoa tuyết màu trắng cũng rất giống với thuỷ tinh vỡ nát, vì hoa tuyết được cấu thành bởi tinh thể băng. Tinh thể băng có kết cấu phức tạp. Nó có thể làm cho tia sáng xảy ra phản xạ, phản xạ toàn phần và khúc xạ, kết cục hình thành lên một mảng trắng tinh.

Từ khoá: Phản xạ ánh sáng; Khúc xạ ánh sáng; Phản xạ toàn phần ánh sáng; Nước biển; Bọt sóng; Tuyết.

132. Vì sao kính lúp có thể phóng to ảnh vật?

Kính lúp là một loại khí cụ quang học đơn giản, dùng nó để đọc sách thì nét chữ nhỏ được phóng to lên, nhìn rất rõ nét. Kính lúp được chế ra bằng cách mài chất có độ trong suốt rất tốt (như thuỷ tinh). Nó dày ở giữa, mỏng ở mép viền, là một miếng thấu kính lồi. Hai mặt của nó có thể đều là mặt cầu, hoặc một mặt là mặt cầu, mặt kia phẳng.

Đặt một kính lúp hướng về phía ánh Mặt Trời (thấu kính thẳng góc với tia sáng), tia sáng đi qua kính lúp sẽ tụ thành một điểm. Điểm đó tức là tiêu điểm. Nếu đặt đầu một que diêm đúng vào chỗ tiêu điểm, chẳng mấy chốc que diêm bùng cháy lên. Khoảng cách giữa tâm thấu kính đến tiêu điểm gọi là tiêu cự.

Nếu đặt một vật thể vào trong tiêu cự của kính lúp, do thấu kính lồi có tính năng tụ quang, người quan sát liền có thể thấy được một ảnh ảo được phóng to ở một nơi lớn hơn cự li của vật. Như vậy, bộ phận nhỏ xíu vốn nhìn không rõ, thông qua tác dụng phóng to của kính lúp, liền có thể thấy rõ ràng hơn.

Độ phóng đại của kính lúp nói đến trong quang học là xét từ góc độ của "góc nhìn". Nếu dùng rađian để biểu thị góc nhìn, độ lớn của nó bằng tỉ lệ giữa độ dài của vặt thể với khoảng cách từ mắt đến vật. Khi góc nhìn nhỏ hơn 1' (tương đương với góc nhìn của một vật dài 1 cm ở cách mắt ngoài 34 m). Trong trường hợp ánh sáng của môi trường xung quanh không tốt, góc nhìn đó phải được tăng lên, thậm chí đạt tới 1° mới được.

Tác dụng của kính lúp là thông qua việc làm tăng góc nhìn mà đạt được mục đích phóng to ảnh vật. Theo tính toán, độ phóng đại của kính lúp bằng khoảng cách thấy rõ chia cho khoảng cách giữa vật thể và mắt.

Dùng kính lúp xem vật, phải đặt vật thể bên trong tiêu cự. Tiêu cự của kính lúp trong khoảng 1,0 - 10 cm, khoảng cách thấy rõ là 25 cm, cho nên độ phóng đại của kính lúp ở giữa 2,5 - 25 lần.

Kính lão mà người già dùng cũng là một loại thấu kính lồi. Ai cũng biết rằng, ánh sáng của vật thể phát ra chỉ có thông qua tác dụng khúc xạ của thuỷ tinh thể trong nhã n cầu, hội tụ đến võng mạc nhìn trên vách sau của nhã n cầu thì mới được thấy rõ. Khi nhìn vật thể rất xa, mắt có thể ở vào trạng thái buông lỏng, trên võng mạc nhìn thành ảnh rõ rệt. Nhưng nhìn vào vật thể ở gần thì phải điều tiết mắt để làm tăng chiết suất của thuỷ tinh thể. Vì năng lực điều tiết của người già đã suy thoái, đến nỗi chỉ có thể để tia sáng hội tụ ở đằng sau của võng mạc mắt. Đặt một thấu kính lồi trước con mắt, để tia sáng hội tụ thêm một lần thì có thể làm cho ảnh rơi vào võng mạc, mắt người già nhờ đó mới không mờ tối.

Từ khoá: Thấu kính lồi; Kính lúp; Kính lão; Độ phóng đại; Góc nhìn; Khoảng cách thấy rõ.

133. Làm thế nào để dùng băng lấy lửa?

Thoạt nghĩ, nước lửa không chịu nhau, băng mà gặp lửa là tan chảy ra, dùng băng để lấy lửa quả là chuyện nghìn lẻ một đêm. Song nếu bạn nắm được một ít nguyên lí quang học thì sẽ hiểu, dùng băng chế tác thành thấu kính băng thì hoàn toàn có thể dùng nó để lấy lửa.

Jules Verne, trong cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng của mình "Miền băng giá hoang vu", đã từng miêu tả một cách xuất sắc ý tưởng chế tác ra thấu kính băng. Một cuộc phiến loạn đã ném thuyền trưởng của đoàn thám hiểm Bắc Cực và những người theo ông lên một miền băng giá mênh mông xa tắp, bên mình họ chỉ có một con thuyền hỏng nát. Họ mang từ dưới thuyền lên một ít củi và thực phẩm, rồi dùng đá lửa và liềm đánh lửa còn sót lại nhóm một ngọn lửa trên băng. Chính trong khi họ săn đuổi một con gấu Bắc Cực thì lửa bị tắt ngấm, đá lửa và cái liềm cũng không tìm thấy đâu cả. Trên miền băng giá, không có lửa cũng có nghĩa là sẽ bị chết cóng, chết đói.

Làm thế nào bây giờ? Thuyền trưởng tuyệt vọng ngẩng nhìn trời xanh. Ánh Mặt Trời mới đẹp làm sao. Nếu có được một kính lúp thì hay biết mấy. Dùng kính lúp có thể hội tụ tia sáng vào tiêu điểm để lấy lửa. Nhưng ở đây toàn băng là băng, tìm đâu ra kính lúp đây. Đúng rồi, dùng băng vậy, dùng băng để chế tác ra thấu kính băng.

Họ chọn ra một cục băng tinh khiết có đường kính khoảng 30 cm. Trước hết họ dùng rìu nhỏ đẽo thành hình, rồi dùng dao con gọt trơn tru, sau cùng lấy tay miết bề mặt của nó một cách cẩn thận cho đến bóng loáng lên. Cuối cùng, một miếng thấu kính băng trong suốt óng ánh như pha lê đã được làm xong.

Có thấu kính băng rồi, dùng nó để lấy lửa không phải là chuyện khó khăn gì cả. Chỉ cần đặt thấu kính băng hướng về Mặt Trời, để cho tia sáng đi qua nó và hội tụ lên tiêu điểm. Để một ít chất dễ cháy như giấy, dăm bào v.v. vào chỗ tiêu điểm, một lúc sau, những tia sáng đi qua thấu kính băng hội tụ tại tiêu điểm liền có thể đốt cháy chúng.

Từ khoá: Thấu kính băng.

134. Vì sao dùng kính hiển vi có thể thấy rõ những vật nhỏ li ti?

Khi làm thực nghiệm sinh vật, chúng ta thường phải dùng kính hiển vi để quan sát những mẫu sinh vật cực kì nhỏ như vi khuẩn, tế bào v.v. Vì sao những vật thể nhỏ li ti, mắt thường hoàn toàn không sao thấy rõ được đó, ở dưới kính hiển vi lại có thể "bộc lộ nguyên hình", để chúng ta thoả sức ngắm nhìn từng li từng tí nhỉ?

Cái đó phải bắt đầu từ kết cấu của kính hiển vi. Nó do hai nhóm thấu kính cấu thành. Nhóm ở gần vật thể gọi là vật kính, nhóm ở gần mắt gọi là thị kính. Vật kính và thị kính đều là thấu kính lồi. Đặt vật kính ở gần tiêu điểm của thị kính và tại phía ngoài của tiêu điểm. Vật thể liền thông qua vật kính hình thành một ảnh thực phóng to. Ảnh thực này nằm trong tiêu điểm của thị kính, lại thông qua tác dụng phóng to của thị kính, thu được một ảnh ảo mắt thường quan sát thấy. Vật thể vốn không nhìn thấy trực tiếp bằng mắt thường, sau khi qua hai lần phóng to của vật kính và thị kính, mắt có thể nhìn rõ những chi tiết của nó.

Độ phóng đại của kính hiển vi bằng tích số của mỗi độ phóng đại riêng lẻ của vật kính và thị kính. Vì lẽ đó vật kính và thị kính của kính hiển vi lần lượt có khắc các dòng chữ "10 x", "20 x" v.v. để chúng ta đo tích số mà biết được độ phóng đại của kính hiển vi đang dùng. Kính hiển vi quang học có thể phóng to vật thể lên khoảng 2500 lần. Để nâng cao thêm một bước độ phóng đại, người ta đã phát minh ra kính hiển vi điện tử, độ phóng đại có thể đạt tới vài triệu lần. Dùng kính hiển vi đường hầm thậm chí có thể quan sát được thế giới nguyên tử bé li ti.

Từ khoá: Kính hiển vi; Thị kính; Vật kính; Độ phóng đại.

135. Vì sao kính hiển vi điện tử có thể phóng to ảnh vật gấp triệu lần?

Đặt một con bọ chét vào dưới kính lúp, rồi xê dịch kính lúp đến một khoảng cách thích hợp, bạn sẽ thấy được một con bọ chét lớn hơn vài lần so với trước. Thực ra, đó là ảnh của bọ chét đã được phóng to lên. Nếu có hai cái kính lúp, đặt chúng chồng lên nhau, và điều chỉnh đến một vị trí thích hợp để quan sát xem con bọ chét đó, ảnh của bọ chét sẽ trở nên lớn hơn nữa. Kính hiển vi quang học dùng trong phòng thực nghiệm sinh vật chính là lợi dụng nguyên lí này để chế tạo ra.

Trong kính hiển vi quang học có một cái ống không dài lắm, gọi là ống kính. Ở hai đầu và bên trong ống có lắp vài thấu kính pha lê thì trở thành kính phóng đại. Nói chung, càng nhiều thấu kính, ống kính càng dài, độ phóng đại sẽ càng lớn. Thế thì có thể tha hồ gia tăng con số thấu kính lên để tăng độ phóng đại hay không? Tuy rằng gia tăng con số thấu kính lên có nâng cao độ phóng đại, nhưng sự gia tăng đó sẽ gây nên sự hạ thấp chất lượng của ảnh, tức là ảnh phóng to trở nên lờ mờ không rõ, và không làm sao nhận ra được hình dáng chân thực của nó.

Để nâng cao độ phóng đại của kính hiển vi, người ta bỏ công sức nghiên cứu nhiều về cấu tạo của thấu kính và công nghệ mài pha lê v.v. Khi độ phóng đại đạt tới khoảng 2500 thì không còn cách gì nâng cao thêm được nữa. Đó là do kính hiển vi quang học phải dựa vào ánh sáng nhìn thấy để phản ánh ảnh vật. Nếu vật thể cần quan sát có kích thước cỡ bước sóng của ánh sáng nhìn thấy thì khi ánh sáng chiếu lên vật thể sẽ đi vòng qua, không nhận được ảnh do ánh sáng phản xạ tạo nên. Thế là chúng ta cũng không có cách gì xem xét được hình thái của vật thể.

Qua công cuộc nghiên cứu lâu dài, người ta phát hiện ra sóng electron. Vì electron có mang điện tích âm, khi nó bị điện cao áp hút mà sinh ra chuyển động cao tốc thì có tính chuyển động sóng như ánh sáng. Điện áp dương càng cao, tốc độ chuyển động của electron càng nhanh, bước sóng của nó càng ngắn. Khi điện áp dương là 50 kilovôn, bước sóng của sóng electron chỉ có 1/100.000 đến 1/180.000 của bước sóng ánh sáng nhìn thấy. Cho nên kính hiển vi được chế tạo theo cách lợi dụng sóng electron, năng lực nhận biết của nó cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, có thể nâng cao độ phóng đại lên vài ngàn lần, thậm chí hơn một triệu lần. Loại kính hiển vi này gọi là kính hiển vi điện tử.

Kính hiển vi điện tử đơn giản nhất được cấu thành bởi súng electron, vật kính, kính chiếu hình và màn huỳnh quang v.v. Súng electron do sợi tóc đèn hình chữ V và một tấm kim loại ở giữa có lỗ nhỏ (dương cực) tổ hợp thành. Khi điện đi qua, tóc đèn nóng lên phóng ra các electron, chúng bị điện áp dương của dương cực hút thành chuyển động có gia tốc. Một bộ phận của electron cao tốc vụt qua cái lỗ ở giữa tấm kim loại dương cực, hình thành chùm electron. Vì nó có tính năng sóng electron nên tương tự như nguồn sáng của kính hiển vi quang học.

Có nguồn sáng rồi, còn cần phải có thấu kính phóng to. Thấu kính trong kính hiển vi điện tử là một loại thấu kính điện từ. Nó có hai tấm sắt có lỗ nhỏ đồng tâm và có mang cực từ khác nhau tổ hợp thành. Từ tính của nó do cuộn dây có điện xoay chiều đi qua sinh ra, cho nên gọi là thấu kính điện từ. Từ trường trong lỗ nhỏ có thể làm cho chùm electron sinh ra chuyển lệch. Điều đó tương tự với hiện tượng khúc xạ sinh ra khi tia sáng đi qua thấu kính thuỷ tinh. Cho nên nó giống với thấu kính thuỷ tinh, cũng có thể gây tác dụng phóng to. Khi chùm electron xuyên qua vật mẫu cần quan sát, thông qua vật kính và kính chiếu hình phóng to lên, sau cùng chiếu lên màn huỳnh quang và thể hiện ra ảnh vật. Độ phóng đại của thấu kính điện từ vô cùng lớn mạnh, có thể đạt vài trăm nghìn lần. Ba thấu kính điện từ có thể phóng to vật ảnh gấp 200 nghìn lần đến trên một triệu lần.

Do kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cao siêu và khả năng phân tích rất nhanh, vì vậy nó được dùng rộng rã i trong các lĩnh vực như luyện kim, sinh vật, hoá học, vật lí, y học, v.v.

Từ khoá: Kính hiển vi quang học; Kính hiển vi điện từ; Thấu kính điện từ.

136. Vì sao dùng kính viễn vọng có thể thấy rõ vật thể ở xa?

Kính viễn vọng là một loại khí cụ quang học dùng để quan sát vật thể ở khoảng cách xa. Có thể nói là có nhiều ý kiến khác nhau về những gì liên quan tới phát minh ban đầu của nó. Trong số các nhà phát minh thì nổi tiếng hơn cả là Hans Lippershay, nhà buôn kính đeo mắt người Hà Lan ở Mdelburg. Vị thương gia tinh nhanh này nắm bắt rất tốt các cơ hội, một mặt xin được công nhận bản quyền sáng chế phát minh, mặt khác tuyên truyền thuyết phục các nhà hoạt động chính trị tầm cỡ, mở rộng thị trường. Rất nhanh chóng, một loại kính viễn vọng có tên gọi "cái cột Hà Lan" đã lưu hành rộng rã i tại nhiều nước Châu Âu.

Tháng 5 năm 1609, Galilei - người đang giảng dạy tại Trường đại học Padua thuộc thành phố Venizơ, nghe được tin này, ông lập tức cho mua rất nhiều tấm kính to có nhỏ có, vùi đầu nghiên cứu trong phòng thực nghiệm. Tháng 8 năm đó, Galilei đã làm ra một kính viễn vọng có thể đưa vật thể lại gần gấp 30 lần, tức là có thể phóng to vật ảnh gần một nghìn lần. Ông dùng kính viễn vọng đó quan sát được dã y núi trên bề mặt nhấp nhô của Mặt Trăng, phát hiện ra sao Mộc có bốn vệ tinh, và còn biết được Ngân Hà chẳng phải là sông ở trên trời gì cả mà là do vô số ngôi sao hợp thành... Phát minh kính viễn vọng đã mang lại vinh dự cho Galilei, và cũng mang cả bất hạnh đến. Việc quan sát quá mức dẫn đến hai mắt của ông sau này bị mù. Các trước tác viết ra dựa vào kết quả quan sát lại làm cho Giáo hội tức giận, cuối cùng ông bị giam cầm và nếm đủ mọi niềm cay đắng của ngục tù.

Kính viễn vọng của Galilei dùng một thấu kính lồi (vật kính) và một thấu kính lõm (thị kính) hợp thành, tầm nhìn tương đối hẹp. Nhà thiên văn Kepler, bạn thân của Galilei, đã cải tiến điều đó. Mặt trước của kính viễn vọng Kepler có một thấu kính lồi đường kính lớn, tiêu cự dài, gọi là vật kính; mặt sau có một thấu kính lồi đường kính nhỏ, gọi là thị kính. Loại kính viễn vọng này gọi là kính viễn vọng khúc xạ. Khi tia sáng đến từ cảnh vật ở xa đi vào kính viễn vọng, hội tụ qua vật kính thành ảnh thực thu nhỏ lộn ngược, tương đương với việc bỗng chốc dời gần cảnh vật ở xa đến chỗ hình thành ảnh. Còn cảnh thực ấy vừa khéo lại rơi vào trong tiêu điểm trước của thị kính. Khi ấy, nhìn vào thị kính có vẻ như cầm kính lúp mà xem đồ vật vậy, có thể trông thấy một ảnh ảo đã được phóng to lên nhiều lần. Vậy là cảnh vật xa xôi, trong kính viễn vọng, xem ra hệt như gần trong gang tấc.

Nhà khoa học Anh, Newton, mở lối đi khác, phát minh ra một loại kính viễn vọng phản xạ, ông dùng kính mặt lõm làm vật kính, tia sáng phản xạ qua kính mặt lõm, lại đi qua kính phẳng thay đổi hướng, đi vào thị kính, thông qua thị kính hình thành cảnh thực. Do kính mặt lõm, về mặt kĩ thuật, được phép làm rất lớn, có thể hội tụ càng nhiều tia sáng, làm cho ảnh hình thành lên càng thêm sáng sủa rõ nét. Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rã i trong quan sát thiên văn. Theo thống kê, kính viễn vọng thiên văn có đường kính 1 m trở lên đều là kính viễn vọng phản xạ. Trong đó, kính viễn vọng Hale đặt tại Đài thiên văn Mount Palomar bang California của nước Mĩ là nổi tiếng nhất, đường kính đạt 5,08 m, vật kính của nó dùng thuỷ tinh đặc chủng nặng hơn 20 tấn và phải qua 7 năm mới mài thành. Nghe nói, châm một cây nến ở ngoài 25 nghìn km cũng không lọt qua được con mắt khổng lồ đó. Trên núi Caucasus nước Nga, sừng sững một trong những kính viễn vọng thiên văn lớn nhất thế giới hiện nay, đường kính vượt quá 6 m, có thể thám trắc đến các tinh hệ ngoài Ngân Hà xa tới trên 10 tỉ năm ánh sáng.

Từ khoá: Kính viễn vọng; Kính viễn vọng thiên văn; Kính viễn vọng khúc xạ; Kínhviễn vọng phản xạ; Vật kính; Thị kính.

137. Vì sao độ rộng của các mảnh ba màu trên quốc kì Pháp không bằng nhau?

Bạn đã trông thấy quốc kì của nước Pháp chưa? Nó do ba dải màu: xanh, trắng, đỏ hợp thành. Thoạt nhìn thì ba dải màu ấy rộng bằng nhau, song nếu bạn dùng thước đo thử thì có thể nhận thấy, chúng không phải rộng như nhau đâu. Có phải là người làm cờ đã làm nhầm chăng? Không! Người làm cờ không thể làm nhầm quốc kì, một thứ tượng trưng cho sự tôn nghiêm của quốc gia. Bên trong nó còn có một câu chuyện lí thú đấy.

Mới đầu, khi người ta chế định ra quốc kì nước Pháp, độ rộng của ba dải màu ấy như nhau. Nhưng, sau khi cờ làm xong, cứ nhìn vào là có cảm giác như phần màu xanh rộng hơn phần màu đỏ. Thế là chính phủ Pháp đã mời một số chuyên gia quang học nghiên cứu vấn đề này, sau cùng tìm được tỉ lệ thích hợp về độ rộng của ba dải màu: xanh, trắng, đỏ. Đó là 30, 33, 37. Dùng tỉ lệ như vậy cắt ra ba dải màu thì nhìn vào thấy chúng rộng bằng nhau.

Bạn cảm thấy kì lạ ư? Đó là ánh sáng làm trò ảo thuật đấy. Nhà khoa học Anh, Newton, đã từng làm các thực nghiệm tán sắc của ánh sáng. Ông cho một chùm tia Mặt Trời đi qua lăng kính tam giác, kết quả là trên phông vải ở một phía khác xuất hiện quang phổ của bảy loại ánh sáng màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Vì những ánh sáng đơn sắc này khi từ một loại vật chất đi vào một loại vật chất khác thì phải bị gập lệch đi. Với ánh sáng màu sắc khác nhau, mức độ gập lệch cũng khác nhau, ánh sáng xanh dễ bị gập lệch hơn ánh sáng đỏ. Thuỷ tinh thể của mắt người giống như một thấu kính lồi, cũng có thể làm cho tia sáng sinh ra gập lệch và hội tụ ở đáy mắt. Khi ánh sáng xanh đi qua thuỷ tinh thể của mắt người và hội tụ lại, so với tụ điểm của ánh sáng đỏ gần hơn một ít. Vì vậy, khi vật thể màu xanh và vật thể màu đỏ có kích thước như nhau, ở cách xa con mắt như nhau, mắt chúng ta nhìn vào có vẻ như vật thể màu xanh lớn hơn một chút. Bầu trời màu xanh lơ trông có vẻ đặc biệt cao; các kiến trúc như hội trường v.v. quét vôi màu xanh lơ trên trần nhà bao giờ trông cũng có vẻ cao rộng hơn, đều là do duyên cớ ấy.

Từ khoá: Tán sắc ánh sáng; Quang phổ.

138. Vì sao đèn đường trong mưa có các quầng sáng?

Vào các buổi tối trời mưa, thường có thể trông thấy đèn đường trên phố xá bị các quầng sáng màu sắc bao bọc lấy. Những quầng sáng có màu sắc ấy chỉ có trời đổ mưa mới xuất hiện. Trời tạnh ráo thì không trông thấy. Đó là vì sao nhỉ?

Chúng ta biết rằng, khi ánh Mặt Trời xuyên qua lăng kính tam giác sẽ sinh ra hiện tượng tán sắc, bên trong các loại ánh sáng màu tách rời nhau, chúng ta có thể trông thấy bảy loại ánh sáng màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Ánh đèn điện cũng không có gì khác là do những loại ánh sáng màu này hợp thành.

Những ngày có mưa, trong không khí chứa đầy những hạt nước li ti, đèn đường cũng bị những hạt nước nhỏ nhiều vô kể ấy bám lại. Mỗi một hạt nước nhỏ đều giống như một lăng kính nhỏ có thể phân chia ánh sáng được. Ánh sáng do đèn đường phát ra khi xuyên qua những lăng kính nhỏ nhiều không đếm xuể này cũng sẽ sinh ra hiện tượng tán sắc, ánh đèn chia thành các loại ánh sáng màu, "đan" thành từng vòng quầng sáng đẹp đẽ.

Mặt Trời và Mặt Trăng giống như những "đèn trời" khổng lồ. Khi trong đám mây mỏng trên trời cao chứa đầy hạt tinh thể băng, tia sáng đi qua chúng cũng sinh ra hiện tượng tán sắc, lộ ra những quầng sáng màu. Loại quầngsáng này gọi là "tán". Sự xuất hiện của tán và sự xuất hiện quầng sáng xung quanh đèn đường đều có chung một nguyên lí như vậy.

Từ khoá: Lăng kính; Tán sắc của ánh sáng; Tán.

139. Vì sao trên trời lại xuất hiện cầu vồng?

Trong những ngày hè, trời chợt tạnh sau cơn mưa, ánh Mặt Trời tươi đẹp. Thoắt một cái, trên trời cao xuất hiện một dải cầu vồng. Đó là một dải băng bảy màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím nằm vắt ngang vòm trời, y hệt như một chiếc cầu vòm màu sắc bắc lên trên trời cao. Có lúc bên cạnh cầu vồng còn có một quầng màu sắc rối rắm, gọn là cầu vồng phụ. Hai cầu vồng này giống như một cặp chị em sinh đôi, chúng bao giờ cũng dựa liền vào nhau, kết đôi mà đi.

Để quan sát thêm về cầu vồng, chúng ta có thể phỏng chế ra một dải cầu vồng như thật. Bạn quay lưng lại với Mặt Trời, trong miệng ngậm một ngụm nước, phun nước vào không trung theo một hướng thích hợp thì sẽ trông thấy một dải cầu vồng nhân tạo đẹp đẽ trong hạt nước.

Trên trời cao vì sao lại xuất hiện cầu vồng lắm màu nhiều sắc như vậy nhỉ? Thực ra, đó là một hiện tượng quang học. Sau cơn mưa, trên trời cao còn lơ lửng rất nhiều hạt nước cực nhỏ. Ánh Mặt Trời chiếu vào trong những hạt nước nhỏ ấy theo một độ góc nhất định, sẽ sinh ra khúc xạ hai lần và một lần phản xạ toàn phần, rồi sau đó từ hạt nước chiếu ra. Thế là ánh Mặt Trời bị tán sắc thành dải băng bảy màu, màu tím ở trong, màu đỏ ở ngoài. Đó là cầu vồng. Trong đó, ánh sáng đỏ lập thành với tia tới một góc khoảng 42°, còn góc giữa ánh sáng tím với tia tới khoảng 40°. Khi cầu vồng xuất hiện, có lúc bên cạnh nó còn có thể xuất hiện một vòng cung màu khác nữa - cầu vồng phụ. Màu sắc của cầu vồng phụ sắp xếp theo lớp lang vừa khéo ngược lại với cầu vồng: màu đỏ ở trong, màu tím ở ngoài. Nó do ánh Mặt Trời chiếu vào trong hạt nước nhỏ, sau khi qua hai lần khúc xạ và hai lần phản xạ toàn phần, bị tán sắc mà hình thành nên. Vì tia sáng trong hạt nước trải qua thêm một lần phản xạ nữa, cho nên sự sắp xếp của màu sắc ngược lại với cầu vồng. Hơn nữa, năng lượng của ánh sáng phải tản mát đi một ít, thành thử dải băng màu của cầu vồng phụ không được tươi đẹp sắc màu như của cầu vồng, trong đó góc của tia sáng đỏ với tia tới khoảng 52°, còn của tia sáng tím khoảng 54,5°.

Để quan sát thêm về cầu vồng, chúng ta có thể phỏng chế ra một dải cầu vồng như thật. Bạn quay lưng lại với Mặt Trời, trong miệng ngậm một ngụm nước, phun nước vào không trung theo một hướng thích hợp thì sẽ trông thấy một dải cầu vồng nhân tạo đẹp đẽ trong hạt nước.

Từ khoá: Cầu vồng; Phản xạ toàn phần của ánh sáng; Khúc xạ ánh sáng; Tán sắc ánh sáng.

140. Vì sao đèn ống có thể phát ra ánh sáng nhiều màu?

Cảnh chiều hôm vừa buông xuống, đèn hoa bật sáng. Đèn ống màu sắc đẹp rực rỡ hợp thành các loại chữ viết và hình vẽ, trang điểm cho toàn khu phố tấp nập như kiểu pháo hoa rực sáng, làm cho con ngươi mắt xem không kịp.

Khi ngắm nhìn cảnh đẹp phố phường này, bạn có bao giờ nghĩ đến: vì sao đèn ống có thể phát ra ánh sáng nhiều màu sắc không?

Loại đèn điện loài người sử dụng sớm nhất là đèn dây tóc, sản phẩm do nhà phát minh Eđison chế tạo ra. Loại bóng đèn này cho dòng điện đi qua dây tóc đèn, sau khi đạt đến trạng thái nung trắng ra thì phát sáng, hiệu suất rất thấp, vì đại bộ phận điện năng đều biến thành nhiệt tiêu hao mất đi, chỉ có một phần nhỏ chuyển hoá thành ánh sáng. Năm 1802, nhà khoa học Mĩ Hubert, đã đặt giả thiết, nếu trong ống thuỷ tinh chân không không lắp dây tóc đèn, mà nạp một số chất khí, để chất khí bị kích thích phát ra ánh sáng, là có thể giảm thiểu tiêu hao nhiệt? Thế là ông nạp một lượng nhỏ hơi thuỷ ngân vào trong ống đèn chân không, đưa vào hai điện cực ở hai đầu của ống đèn, sau khi đặt điện áp lên, dưới sự kích phát của hồ quang điện, hơi thuỷ ngân phát ra ánh sáng loá mắt. Quang phổ của loại ánh đèn này gần với ánh Mặt Trời, độ chói rất mạnh, rất thích hợp với việc quay phim. Về sau người ta hay gọi nó là đèn thuỷ ngân.

Thành công của đèn thuỷ ngân gây cho người ta hào hứng. Đèn thuỷ ngân sau khi thông điện đã có thể phát sáng, vậy với các chất khí khác có được như vậy không? Có người đã nghĩ ngay đến vài loại khí trơ có tính chất rất cứng nhắc mà đã được các nhà khoa học tìm ra trước đấy mười mấy năm. Loại chất khí này có tính chất rất ổn định, hầu như không sinh ra phản ứng với vật chất khác, dùng chúng để chịu kích thích mà phát ra ánh sáng quả là một sự chọn lựa rất tốt.

Năm 1910, nhà hoá học Claude, người Pháp, đã nạp nêon - chất khí trơ không màu, vào ống đèn. Sau khi thông điện, khí nêon chịu sự kích phát của điện trường, phóng ra ánh sáng màu vỏ quýt. Ánh sáng đỏ do đèn nêon phóng ra có lực xuyên thấu rất mạnh trong không khí, có thể xuyên qua sương mù dày. Vì vậy, đèn nêon thường được dùng trong các đèn báo ở bến cảng, sân bay và các tuyến giao thông. Căn cứ vào phiên âm tiếng Anh của chữ "nêon", người ta gọi loại đèn đó là đèn nêon hay nê ông.

Acgon là một loại khí trơ khác, hàm lượng của nó trong không khí đạt 1%, tương đối dễ thu được. Dưới sự kích thích của điện trường, acgon sẽ phát ra ánh sáng màu chàm nhạt, vì vậy nó cũng được dùng để nạp vào trong ống đèn ống. Ngoài nêon và acgon ra, còn có đèn ống được nạp khí heli, nó có thể phóng ra ánh sáng đỏ nhạt. Có loại đèn ống còn nạp hỗn hợp của bốn loại chất khí (hoặc ba loại, hai loại) nêon, acgon, heli và hơi thuỷ ngân v.v.

Do tỉ lệ khác nhau của các loại chất khí mà người ta nhận được đèn ống có nhiều màu sắc khác nhau.

Thế thì, vì sao ánh sáng phát ra của các chất khí khác nhau lại có màu sắc khác nhau nhỉ? Chúng ta biết rằng, nguyên tử do hạt nhân nguyên tử và một vài electron quay xung quanh nó cấu thành. Electron vòng trong chịu sự kích thích của điện trường có thể hấp thu "một suất" năng lượng và nhảy sang một quỹ đạo vòng ngoài nào đó, ở vào trạng thái chịu kích thích. Do trạng thái chịu kích thích rất không ổn định, chẳng mấy chốc nó lại có thể nhảy trở lại qũy đạo ban đầu, và bức xạ ra "suất" năng lượng vừa mới hấp thu được đó dưới hình thức ánh sáng. Suất năng lượng đó vừa đúng bằng hiệu số năng lượng của nguyên tử ở trạng thái chịu kích thích và trạng thái ban đầu. Rõ ràng là chất khí khác nhau có kết cấu nguyên tử khác nhau và cấp năng lượng, mức năng lượng hấp thu và bức xạ đó có lớn, có nhỏ. Cho nên tần số của ánh sáng bức xạ do "một suất" năng lượng đó quyết định cũng khác nhau, mà màu sắc của ánh sáng hoàn toàn do tần số quyết định. Vì vậy, đèn ống nạp các loại chất khí khác nhau liền phát ra ánh sáng có nhiều màu sắc.

Từ khoá: Đèn thuỷ ngân; Đèn ống; Đèn nêon; Khí trơ; Trạng thái chịu kích thích.