ÁNH SÁNG VÀ BỨC XẠ

Lý thuyết sóng điện từ

Định nghĩa về ánh sáng được đưa ra bởi Maxwell, cho rằng ánh sáng là bức xạ điện từ bao gồm các sóng truyền từ nguồn của nó theo mọi hướng. Sóng ánh sáng không bao gồm các hạt vật chất là sóng trường. Không giống như âm thanh, trong đó dao động của hạt phù hợp với hướng di chuyển, ánh sáng là dao động ngang vuông góc với hướng di chuyển. Sóng điện và sóng từ truyền theo phương vuông góc với nhau. Và chỉ có ánh sáng mới có thể truyền qua chân không bởi ánh sáng không bao gồm các hạt nên trái ngược với sóng âm thanh, chúng có thể di chuyển trong chân không, điều mà sóng âm thanh không thực hiện được. Thử tưởng tượng nếu sóng âm thanh cũng truyền được trong chân không, nó sẽ nguy hiểm như thế nào, vì âm thanh từ những vụ nổ từ ngoài vũ trụ sẽ đều được truyền đến tai chúng ta và khiến chúng ta bị điếc bởi bước sóng quá lớn.

Dao động ngang được thể hiện dễ dàng nhất bằng cách ném một viên đá vào một vũng nước và chúng ta có thể quan sát thấy những chuyển động của bước sóng khi viên đá đi qua.

Đặc điểm của sóng điện từ

Khoảng cách giữa đỉnh sóng này đến đỉnh sóng kế tiếp được gọi là bước sóng (λ). Nhiều tính chất khác nhau của bức xạ điện từ được giải thích bằng sự chênh lệch nhiệt trong bước sóng

Số lượng dao động mỗi giây được gọi là tần số (f). Tần số được biểu thị bằng Hertz (Hz) hoặc chu kỳ trên giây. Tồn tại mối quan hệ trực tiếp giữa tần số và bước sóng của sóng điện từ thông qua công thức:

c = λ . f

Trong thuyết tương đối của mình, Albert Einstein phát hiện ra rằng tốc độ của bức xạ điện từ, nói cách khác là tốc độ của ánh sáng, trong chân không không chỉ là vận tốc cao nhất có thể, mà còn là hằng số thực duy nhất trong vũ trụ. Tốc độ ánh sáng rơi vào khoảng 300.000 km một giây.

Quang phổ của điện từ

Quang phổ của bức xạ điện từ rất rộng. Phạm vi từ bước sóng của sóng dài (lên đến 2.000 mét) của sóng vô tuyến đến sóng radio AM và sóng ngắn như FM, kênh truyền hình vi ba và sóng truyền ra đa (bước sóng từ 1 mét trở xuống). Sau đó, đến bước sóng nhiệt, hay bức xạ hồng ngoại, ở bước sóng nhỏ hơn một phần nghìn milimet. Bây giờ, chúng ta còn phát hiện ra có radiaton với bước sóng từ 780 đến 380 nanomet (phần triệu milimet), là phần có thể nhìn thấy được của quang phổ điện từ.

Các bước sóng khác nhau trong phần nhìn thấy của quang phổ dẫn đến hiển thị màu khác nhau khi bước sóng giảm. Ở bước sóng ngắn hơn, chúng ta có vùng cực tím: các bước sóng dài hơn trong dải UV này là một phần của bức xạ mà chúng ta nhận được từ mặt trời và được coi là tia cực tím (UVA). Chúng dẫn đến việc da bị rám nắng. Mặt khác, bức xạ cực tím từ bước sóng ngắn hơn (UVB) có khả năng gây nguy hiểm cho da và mắt mặc dù chúng ta cần nó với số lượng nhỏ vì UVB tạo ra vitamin D. Bức xạ cực tím ngắn nhất (UVC) được sử dụng làm chất khử trùng vì chúng tiêu diệt vi khuẩn. Dù vậy, những bước sóng ngắn hơn vẫn đưa chúng ta đến tia X, tia này xuyên qua cơ thể, sau đó đến tia gamma rất nặng, được phát ra do sự phân hủy hạt nhân. Cuối cùng, chúng ta đến với các tia vũ trụ, là kết quả của sự va chạm giữa các hạt chuyển động cực nhanh di chuyển từ các tiền đồn của vũ trụ. Tia vũ trụ có bước sóng xuống tới 10-18  mét.

Ánh sáng trắng, do mặt trời hoặc đèn sợi đốt phát ra, là hỗn hợp của tất cả các bước sóng trong quang phổ. Quang phổ của nó cũng chứa bức xạ từ vùng hồng ngoại và vùng cực tím lân cận. Quá trình phân tách ánh sáng trắng thành các bước sóng thành phần của nó là bằng lăng kính. Quang phổ thu được theo cách này thể hiện các màu gamilic của cầu vồng, tím, lam, lục, vàng, cam và đỏ.

Các bước sóng tương ứng là:

Không phải tất cả các bước sóng đều tạo ra màu sắc giống nhau đối với mắt người. Độ nhạy cao nhất của mắt nằm ở vùng màu xanh lục ở bước sóng 555 nm. Hiện tượng này đã được lý giải một cách chi tiết trong chaper 4 “Đại lượng và đơn vị”, hãy đọc đó nếu bạn muốn tìm hiểu kĩ hơn.

Sử dụng kỹ thuật sóng điện từ, có thể tính toán và dự đoán không chỉ tốc độ ánh sáng mà còn các khía cạnh như phản xạ, hấp thụ, truyền, phản ứng lại, giao thoa và phân cực của ánh sáng. Tuy nhiên, việc tính toán năng lượng của bức xạ cho các bước sóng khác nhau là không thể với lý thuyết sóng. Với mục đích này, chúng ta phải áp dụng lý thuyết trong đó ánh sáng được xem như một hiện tượng lượng tử hoặc photon.

2. Lý thuyết phonton lượng tử

Năm 1990, Max planck đã giả định rằng năng lượng của bức xạ được phát ra dưới dạng các phần rời rạc không thể phân chia được, mà ông gọi là lượng tử. Đối với bức xạ nhìn thấy được (ánh sáng), ông gọi nó là photon, thuật ngữ photon cũng từ đó mà ra đời. Cụ thể, Max planck đã chứng minh giả thuyết của mình bằng công thức:

E = h.f or E = h.c/λ

Trong đó:

E là Năng lượng

Flà Tần số (Hz)

H là Plack’s constan (6.626 x 10-34  J.sec)

C là Tốc độ ánh sáng tính bằng cacuum2.998 x 108   m/sec)

λ  là Bước sóng (m)

Vì vậy, từ lý thuyết lượng tử của Max Planck, chúng ta biết rằng bước sóng càng ngắn thì năng lượng của bức xạ càng cao. Điều này giải thích tại sao chúng ta không gặp vấn đề gì với sóng vô tuyến bởi chúng có bước sóng dài và do đó năng lượng thấp. Nó cũng giải thích tại sao chúng ta phải hết sức cẩn thận với các bước sóng ngắn mạnh mẽ (giàu năng lượng) của tia UV, tia X và tia gamma.

#highlights #ibssaigon