Sự lấp lánh trong tự nhiên, hay Vì sao mắt mèo phát sáng

20

S. A. Kheifets

Sự bị cuốn hút bởi những vật lấp lánh được giấu đâu đó trong chiều sâu ý thức. Đứa trẻ lần đầu nhìn thấy ánh sáng vươn tới cái sáng; người bản xứ đổi cả thức ăn lẫn nước lấy những đồ trang sức lấp lánh. Một trí tuệ có năng khiếu, sâu sắc, người ta gọi là “chói sáng”. Chúng ta sẽ không tìm hiểu liệu sự chú ý đến cái lấp lánh này có liên quan đến những hồi ức atavistic về ngọn lửa cháy bập bùng hay đến sự thôi miên hay không, mà sẽ thử phân tích vì sao ánh lấp lánh xuất hiện — dù đó là ánh lấp lánh của vàng, kim cương hay mắt mèo trong bóng tối.

Ta phán đoán độ sáng của một vật theo lượng ánh sáng phản xạ từ nó và đi vào mắt ta *). Rõ ràng lượng này phụ thuộc vào phần ánh sáng phản xạ, và vào tính định hướng của nó. Một tờ giấy trắng phản xạ tốt hơn tờ giấy đen, bề mặt gương phản xạ tốt hơn bề mặt mờ.

Hướng của ánh sáng phản xạ từ một bề mặt nhẵn được xác định bởi định luật quen thuộc: góc tới bằng góc phản xạ. Còn năng lượng của ánh sáng phản xạ còn phụ thuộc vào chiết suất của môi trường $n$. Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt phân cách của các môi trường có chiết suất $n_1$ và $n_2$, thì phần phản xạ

*) Độ sáng được xác định bởi quang thông đi tới võng mạc mắt.

năng lượng bằng $\eta = \left( \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} \right)^2$. Đối với thủy tinh $n=1,52$, đối với không khí $n=1$, vì vậy chỉ 4,3% ánh sáng tới bị phản xạ. Đối với một tấm kính, phần năng lượng phản xạ sẽ lớn hơn xấp xỉ hai lần, vì một phần ánh sáng truyền qua sẽ phản xạ từ mặt thứ hai của kính và quay trở lại. Nếu các tia không tới theo phương vuông góc mà dưới một góc, chúng phản xạ tốt hơn (hình 1). Ở $60^\circ$, không phải 4,3% mà 9% phản xạ từ kính; ở $80^\circ$ đã là 39%. Khi góc tới gần $90^\circ$ — tia lướt,— gần như toàn bộ ánh sáng bị phản xạ (hệ số phản xạ tiến tới 100%). Khi đó cả những vật rất đen, như than chì, bồ hóng, nhung, cũng bắt đầu lấp lánh nếu nhìn chúng dưới một góc nhỏ so với bề mặt.

Khi ánh sáng tới vuông góc với một tấm kính, phần năng lượng phản xạ gần bằng 8,6%. Như vậy là ít hay nhiều? Hóa ra là ít. Tuyết mới phản xạ 80—85% ánh sáng tới, mây cũng phản xạ bấy nhiêu.

Tuy nhiên, một mảnh kính trên tuyết dễ nhận thấy, cũng như những ánh lóe của các bông tuyết riêng lẻ. Điều này được giải thích không nhiều bởi tính chất phản xạ của tấm kính, mà bởi tính song song của các tia Mặt Trời — ánh sáng tán

22

Hình 3. Phản xạ từ bọt khí.

khác nhau về hướng. Ngoại lệ là các tia “lướt”. Khi đó ánh lấp lánh là hệ quả của sự phản xạ gần 100% ánh sáng tới. Tình huống tương tự được quan sát khi tia tới mặt phân cách của hai môi trường từ môi trường đặc hơn. Nếu ánh sáng tới vuông góc, thì phần năng lượng ánh sáng phản xạ được xác định bởi cùng công thức như trước. Đối với nước, điều này có nghĩa là 98% ánh sáng đi ra không khí. Khi góc tới β tăng, cường độ của tia khúc xạ giảm, và khi $\sin \beta = \frac{1}{n}$ tia khúc xạ biến mất. Khi đó toàn bộ ánh sáng tới phản xạ từ mặt phân cách — xảy ra cái gọi là phản xạ toàn phần bên trong. Đối với thủy tinh $n = 1,52$, vì vậy tia tới dưới góc so với pháp tuyến $\beta \ge 36^\circ$, không đi ra ngoài. Đối với nước $n = 1,33$, vì vậy cá chỉ có thể nhìn thấy bầu trời qua một “cửa sổ” có góc mở khoảng 45°

Hình 4. Đường đi của các tia trong giọt nước.

(hình 2). Phần còn lại của mặt nước (theo quan điểm của cá) lấp lánh và chỉ phản xạ đáy hồ chứa. Mặt phân cách khi có phản xạ toàn phần bên trong là một chiếc gương lý tưởng.

Một ứng dụng thú vị khác của hiệu ứng này là các ống dẫn sáng. Nếu cho một tia sáng đi vào bên trong sợi thủy tinh, thì sau đó có thể uốn cong trơn tru các sợi này, thậm chí thắt nút chúng, và tia sáng sẽ ngoan ngoãn uốn theo, tuân theo định luật phản xạ toàn phần.

Hãy nhúng một chiếc lá liễu bạc vào nước. Mặt sau của lá, phủ đầy những bọt khí, bắt đầu ánh bạc. Chắc hẳn bạn cũng đã từng thấy giọt sương lấp lánh. Trong cả hai trường hợp, nguyên nhân là phản xạ toàn phần: trong trường hợp thứ nhất — ở mặt ngoài, trong trường hợp thứ hai — ở mặt trong của bọt khí hoặc giọt sương (hình 3, 4). Góc giữa tia đi vào giọt và tia đi ra dễ xác định, nếu chú ý rằng bán kính vuông góc với bề mặt hình cầu. Góc này $\varphi = 4\gamma - 2\alpha$. Descartes là người đầu tiên thực hiện phép tính như vậy. Khó hơn là phân tích sự phụ thuộc của góc lệch φ vào tham số ngắm $d$.

Nếu các tia tới song song, thì sau khi đi qua giọt, chúng bắt đầu phân kỳ. Tuy nhiên, tồn tại một góc lệch nhỏ nhất. Nó gần bằng 42°. Gần hướng này, các tia khúc xạ đi dày đặc hơn, nghĩa là phần chủ yếu các tia khúc xạ đi đúng theo hướng này. Giọt sương quan sát dưới góc này lấp lánh đặc biệt rực rỡ. Cầu vồng cũng nhìn thấy dưới góc này đối với các tia Mặt Trời.

Dù nguồn sáng mạnh ở đâu (Mặt Trời, bầu trời sáng), bạn luôn có thể quan sát trong giọt sương tia lấp lánh-hình ảnh của nó (hình 5). Các tia phản xạ từ bề mặt giọt có thể lọt vào mắt, ngay cả khi góc $\alpha$ gần bằng 180°. Theo nghĩa này, trong giọt nước phản xạ thực sự rất lớn.

Nói về ánh lấp lánh, không thể không nhớ đến đá quý. Thông thường