Lăng kính tách ánh sáng trắng thành dải màu vì thuỷ tinh bẻ cong mỗi bước sóng một mức khác nhau, hiện tượng gọi là tán sắc. Thí nghiệm quyết định của Newton khoảng năm 1666 không chỉ dừng ở việc tạo dải màu: ông cho một màu duy nhất đi qua lăng kính thứ hai và thấy nó không tách thêm nữa. Từ đó ông kết luận màu nằm sẵn trong ánh sáng trắng, chứ không phải do thuỷ tinh "nhuộm" vào, một ý tưởng đảo ngược quan niệm hàng nghìn năm trước đó.
Trước Newton, người ta nghĩ gì về màu
Từ thời Aristotle cho tới thế kỷ 17, quan niệm phổ biến ở châu Âu là ánh sáng trắng tinh khiết, còn màu là ánh sáng bị "pha tạp" hay "làm tối đi" khi đi qua vật chất. Người ta đã biết lăng kính tạo ra màu từ lâu, nhưng nghĩ rằng chính thuỷ tinh làm biến đổi ánh sáng: chỗ thuỷ tinh dày làm ánh sáng tối thành xanh tím, chỗ mỏng thì ít bị biến đổi nên ra đỏ.
Thí nghiệm một lăng kính
Newton đục một lỗ tròn nhỏ trên tấm che cửa sổ để có một chùm nắng hẹp, cho nó đi qua lăng kính tam giác rồi hắt lên bức tường đối diện cách vài mét. Nếu lăng kính chỉ "nhuộm" ánh sáng, vết sáng trên tường phải tròn như lỗ cửa. Nhưng nó lại thành một dải dài gấp mấy lần bề ngang, đỏ ở một đầu, tím ở đầu kia. Newton suy ra: ánh sáng trắng gồm nhiều loại tia, mỗi loại bị bẻ một góc khác nhau, nên chúng toả ra thành dải.
Thí nghiệm quyết định: lăng kính thứ hai
Phần quan trọng nhất là thí nghiệm mà Newton gọi bằng tiếng Latin là experimentum crucis, tạm dịch "thí nghiệm quyết định". Ông đặt một tấm chắn có lỗ nhỏ sau lăng kính thứ nhất, chỉ cho một màu, chẳng hạn đỏ, lọt qua. Màu đỏ ấy đi vào lăng kính thứ hai. Kết quả: nó bị bẻ lệch thêm, nhưng vẫn chỉ là đỏ, không tách ra màu nào khác. Làm tương tự với màu tím, nó bị bẻ lệch mạnh hơn, nhưng vẫn là tím.
Nếu thuỷ tinh tạo ra màu, lăng kính thứ hai lẽ ra phải tạo thêm màu mới. Nó không làm vậy. Kết luận của Newton: mỗi màu là một thành phần sẵn có của ánh sáng trắng, có "độ khúc xạ" riêng không đổi. Ông còn dùng thấu kính gom dải màu lại thành một điểm và thu được ánh sáng trắng, chứng minh theo chiều ngược lại. Newton công bố các kết quả này năm 1672 trong một bức thư gửi Hội Hoàng gia Anh, và trình bày đầy đủ trong sách Opticks năm 1704.
Vì sao mỗi màu bị bẻ cong khác nhau
Ngày nay ta giải thích bằng chiết suất. Ánh sáng đi trong thuỷ tinh chậm hơn trong không khí, và mức chậm phụ thuộc vào bước sóng. Bước sóng ngắn (tím, lam) tương tác mạnh hơn với các electron trong thuỷ tinh nên bị làm chậm nhiều hơn, chiết suất lớn hơn, bị bẻ cong mạnh hơn. Với thuỷ tinh thông thường, chiết suất với ánh tím chỉ lớn hơn với ánh đỏ khoảng một hai phần trăm, nhưng chừng ấy đủ để dải màu toả rộng sau vài mét.
| Vật liệu | Mức tán sắc | Hệ quả dễ thấy |
|---|---|---|
| Nước | Vừa phải | Cầu vồng trong giọt mưa |
| Thuỷ tinh thường | Vừa phải | Dải màu từ lăng kính, mép kính vát |
| Thuỷ tinh pha chì (pha lê) | Cao hơn | Đèn chùm pha lê lấp lánh màu |
| Kim cương | Rất cao | "Lửa" nhiều màu khi xoay viên đá |
Người làm trang sức gọi những tia màu loé lên từ viên kim cương là "lửa", và đó chính là tán sắc. Kim cương tán sắc mạnh hơn thuỷ tinh thường, cộng với cách mài nhiều mặt khiến ánh sáng đi qua nhiều lần, nên tia màu rõ rệt.
Tán sắc: vừa có ích vừa gây phiền
Mặt có ích: đọc ánh sáng của các vì sao
Năm 1814, nhà chế tạo kính quang học người Đức Joseph von Fraunhofer quan sát quang phổ Mặt Trời qua lăng kính chất lượng cao và thấy hàng trăm vạch tối mảnh cắt ngang dải màu. Về sau, Kirchhoff và Bunsen (khoảng năm 1859–1860) chứng minh mỗi nguyên tố hoá học hấp thụ hoặc phát ra những vạch riêng, như dấu vân tay. Từ đó ra đời ngành quang phổ học: chỉ cần phân tích ánh sáng, người ta biết một ngôi sao xa làm bằng chất gì. Nguyên tố heli được phát hiện trong quang phổ Mặt Trời trước khi tìm thấy trên Trái Đất.
Mặt gây phiền: viền màu trong ảnh
Thấu kính máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn cũng tán sắc, khiến ảnh bị viền tím hoặc viền xanh ở mép vật sáng, gọi là sắc sai. Chính Newton vì nghĩ không thể khử được hiện tượng này đã chế tạo kính thiên văn phản xạ dùng gương thay cho thấu kính. Thế kỷ 18, người ta tìm ra cách ghép hai loại thuỷ tinh có độ tán sắc khác nhau để triệt tiêu phần lớn sắc sai, gọi là thấu kính tiêu sắc, nay có mặt trong hầu hết ống kính máy ảnh.
Góc nhìn hôm nay: tự làm lại thí nghiệm
Lăng kính nhựa hoặc thuỷ tinh có bán ở cửa hàng đồ dùng học tập. Trong một phòng tối có khe nắng hoặc đèn pin che bớt chỉ chừa khe hẹp, chiếu ánh sáng qua lăng kính lên tờ giấy trắng. Muốn thử thí nghiệm hai lăng kính, khoét một lỗ nhỏ trên tấm bìa, đặt sao cho chỉ một màu lọt qua, rồi cho màu đó đi vào lăng kính thứ hai. Không cần dụng cụ chính xác, bạn vẫn thấy được điều Newton thấy: màu đã tách thì không tách thêm. Luôn nhìn dải màu trên giấy, không nhìn thẳng vào nguồn sáng.
Sách Vật lý lớp 12, chương tán sắc ánh sáng, và bản Opticks có trên thư viện số là hai nguồn để đọc tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Tán sắc ánh sáng là gì?
Là hiện tượng ánh sáng trắng bị tách thành nhiều màu khi đi qua lăng kính, giọt nước hay vật trong suốt, vì mỗi bước sóng bị bẻ cong một mức khác nhau. Tím bị bẻ mạnh nhất, đỏ yếu nhất.
Thí nghiệm của Newton với lăng kính chứng minh điều gì?
Nó chứng minh ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều màu và lăng kính chỉ tách chúng ra chứ không tạo ra màu. Một màu đã tách, cho qua lăng kính thứ hai, không tách thêm được nữa.
Vì sao kim cương lấp lánh nhiều màu?
Kim cương có độ tán sắc cao hơn thuỷ tinh thường, cộng với các mặt mài khiến ánh sáng phản xạ và khúc xạ nhiều lần bên trong. Ánh sáng ló ra bị tách thành tia màu, gọi là "lửa" của viên đá.
Lăng kính có tạo ra màu không?
Không. Lăng kính chỉ tách những màu đã có sẵn trong ánh sáng trắng. Nếu chiếu vào lăng kính một ánh sáng chỉ có một màu, như ánh laser đỏ, nó chỉ bị bẻ hướng chứ không đổi màu.