Ch−¬ng 2
c¬ së vËt lý cña viÔn th¸m
2.1. C¸c nguån n¨ng l−îng vµ c¸c nguyªn lý bøc x¹
2.1.1. TÝnh chÊt sãng cña ¸nh s¸ng
N¨ng l−îng ¸nh s¸ng cã tÝnh chÊt bøc x¹ tù nhiªn víi hai tr−êng ®iÖn vµ tõ cã
h−íng vu«ng gãc víi nhau, chuyÓn ®éng tu©n theo nguyªn lý cña sãng ®iÒu hßa
(h×nh 2.1).
H×nh 2.1: Bøc x¹ ®iÖn tõ víi c¸c tr−êng sãng cña ¸nh s¸ng
H−íng
truyÒn
Tr−êng tõ
Tr−êng ®iÖn
TÝnh chÊt sãng cña ¸nh s¸ng ®−îc thÓ hiÖn qua ph−¬ng tr×nh truyÒn ¸nh s¸ng:
C = √ x λ
trong ®ã: C - h»ng sè tèc ®é ¸nh s¸ng (≈3 x 108 m/s) (coi tèc ®é ¸nh s¸ng trong
kh«ng khÝ gÇn gièng nh− trong m«i tr−êng ch©n kh«ng)
√ - tÇn sè dao ®éng cña ¸nh s¸ng;
λ - b−íc sãng cña ¸nh s¸ng.
Trong viÔn th¸m, c¸c sãng ®iÖn tõ ®−îc sö dông víi c¸c d¶i b−íc sãng cña
quang phæ ®iÖn tõ. §¬n vÞ cña b−íc sãng ®−îc ®o phæ biÕn b»ng micromet
(μm, 1 μm = 10-6 m), hay nanomet ( Nm, 1 Nm= 10-9 m).
Sãng ®iÖn tõ cã c¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n nh− sau:
- Sãng ®iÖn tõ ®−îc truyÒn trong m«i tr−êng ®ång nhÊt theo kiÓu h×nh sin víi
tèc ®é gÇn b»ng 3 x 108 m/s (tèc ®é ¸nh s¸ng).
20
- Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cùc trÞ ®−îc gäi lµ b−íc sãng (λ) víi ®¬n vÞ lµ ®é
dµi. §©y còng chÝnh lµ kho¶ng c¸ch tõ 1 ®iÓm bÊt kú ë chu kú tr−íc ®Õn vÞ trÝ cña
chÝnh nã ë chu kú sau trong ®å thÞ h×nh sin.
- Sè l−îng c¸c cùc trÞ truyÒn qua mét ®iÓm nhÊt ®Þnh trong thêi gian 1 gi©y
®−îc gäi lµ tÇn sè (√) - ®¬n vÞ cña tÇn sè lµ : herzt.
2.1.2. Quang phæ ®iÖn tõ
Quang phæ ®iÖn tõ lµ d¶i liªn tôc cña c¸c tia s¸ng øng víi c¸c b−íc sãng kh¸c
nhau (h×nh 2.2). Sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i phæ liªn quan ®Õn tÝnh chÊt bøc x¹ tù
nhiªn cña c¸c ®èi t−îng, tõ ®ã h×nh thµnh nªn c¸c ph−¬ng ph¸p viÔn th¸m kh¸c
nhau.
• C¸c d¶i sãng cña quang phæ ®iÖn tõ
Quang phæ ®iÖn tõ cã c¸c d¶i sãng chÝnh nh− sau :
- C¸c tia vò trô: lµ c¸c tia s¸ng tõ vò trô cã b−íc sãng v« cïng ng¾n víi
λ<10-6 μm.
- C¸c tia gamma (γ) cã λ tõ 10
-
6 – 10
-
4 μm
- D¶i c¸c tia x (X) cã
λ
tõ 10
-4
- 10
-1
μm (hay 0,1) μm. - 0,4 μm, th−êng ®−îc
sö dông trong y häc. Riªng d¶i tõ 0,3-0,4 μm gäi lµ vïng cùc tÝm t¹o ¶nh, cã thÓ sö
dông trong viÔn th¸m tia cùc tÝm
- D¶i tia nh×n thÊy cã λ tõ 0,4 – 0,7 μm lµ d¶i phæ cña ¸nh s¸ng tr¾ng.Trong
d¶i nh×n thÊy cã chia nhá thµnh c¸c d¶i ¸nh s¸ng ®¬n s¾c:
* Blue (xanh l¬-lam): 0,4 - 0,5 μm
* Green (xanh l¸ c©y – lôc ): 0,5 - 0,6 μm
* Red (®á) : 0,6 - 0,7 μm.
- Sau vïng ®á lµ d¶i hång ngo¹i (infrared): tõ 0,7-14 μm,trong ®ã l¹i chia
thµnh c¸c vïng :
* Hång ngo¹i ph¶n x¹: 0,7-3 μm
* Hång ngo¹i trung ( gi÷a ) : 3- 7μm
* Hång ngo¹i nhiÖt ( xa ) : 7- 14μm.
- Vïng sãng Radar hay vi sãng (vi sãng - microwave): lµ c¸c vïng cã b−íc
sãng dµi h¬n nhiÒu so víi vïng hång ngo¹i, ®é dµi sãng tõ 1mm ®Õn 1m.
- Sau vïng Radar lµ sãng radio cã b−íc sãng > 30 cm.
21
H×nh 2.2: Sù ph©n bè c¸c d¶i sãng trong quang phæ ®iÖn tõ
L−u ý chung :
- Trong h×nh vÏ, c¸c tªn cña tõng d¶i sãng ®−îc nªu râ (vÝ dô sãng cùc tÝm
hoÆc sãng cùc ng¾n,...), sù ph©n chia ®ã chØ ®Ó cho tiÖn sö dông cßn trong
thùc tÕ
kh«ng cã sù ph©n biÖt mét c¸ch râ rµng gi÷a c¸c vïng sãng ®−îc ®Æt tªn vµ sù ph©n
chia thµnh c¸c d¶i sãng víi c¸c ranh giíi nªu ë trªn chØ lµ t−¬ng ®èi.
- Tªn cña c¸c vïng sãng ®−îc ®Æt t−¬ng øng víi c¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu
vµ sè l−îng c¸c vïng ®ã th−êng nhiÒu h¬n sù ph©n chia th«ng dông.
- Vïng nh×n thÊy chØ lµ vïng cùc nhá trong toµn bé quang phæ ®iÖn tõ (tõ 0,4 -
0,7 μm) song trong ®ã vÉn ®−îc chia nhá h¬n thµnh c¸c tia ®¬n s¾c:
- Sãng cùc tÝm nèi liÒn víi phÇn mµu xanh l¬ (Blue) cña vïng nh×n thÊy. Nèi
tiÕp víi phÇn mµu ®á lµ vïng hång ngo¹i (infrared).
- Vïng hång ngo¹i ®−îc chia ra 3 d¶i, song chØ cã hång ngo¹i nhiÖt míi liªn
quan trùc tiÕp ®Õn sù nh¹y c¶m vÒ ®é nãng.
- Vïng vi sãng (microwave) lµ c¸c vïng cã b−íc sãng dµi h¬n nhiÒu so víi
hång ngo¹i (tõ 1mm ®Õn 1m) vµ cßn ®−¬c gäi lµ sãng Radar. Vïng Radar còng ®−îc
chia nhá thµnh nhiÒu vïng nhá víi nh÷ng ®Æc tÝnh riªng biÖt .
- Vïng cã b−íc sãng dµi nhÊt, tiÕp tôc cña sãng radar lµ sãng Radio.
2.2. TÝnh chÊt h¹t vµ sù truyÒn n¨ng l−îng cña ¸nh s¸ng
Ngoµi tÝnh chÊt sãng th× ¸nh s¸ng cßn cã tÝnh chÊt h¹t. ¸nh s¸ng bao gåm rÊt
nhiÒu ph©n tö nhá riªng biÖt ®−îc gäi lµ c¸c photon hay l−îng tö (quanta). N¨ng
l−îng cña mçi l−îng tö ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:
Q = h x v
trong ®ã: Q - n¨ng l−îng cña mçi l−îng tö (tÝnh b»ng Jun - J);
22
h - h»ng sè plank (h = 6,626 x 10-34 J/s);
v- tÇn sè (Hz).
NÕu gi¶i hai ph−¬ng tr×nh trªn, ta cã:
v = C / λ
Q = h x C / λ.
C«ng thøc nµy thÓ hiÖn sù liªn quan gi÷a Q vµ λ. Khi h vµ C lµ c¸c h»ng sè, sù
liªn quan ®ã thÓ hiÖn lµ khi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng dµi h¬n th× n¨ng l−îng cña nã sÏ
nhá ®i (t−¬ng quan tØ lÖ nghÞch). §iÒu nµy cã ý nghÜa quan träng trong viÔn th¸m.
Trong ¸p dông, viÖc thu nhËn bøc x¹ truyÒn ®i cña mét ®èi t−îng ë vïng sãng dµi lµ
khã h¬n nhiÒu so víi c¸c bøc x¹ ë vïng sãng ng¾n (vÝ dô viÖc thu tÝn hiÖu sãng cùc
ng¾n ph¸t ra tõ ®èi t−îng lµ khã h¬n nhiÒu so víi viÖc thu bøc x¹ nhiÖt cña ®èi
t−îng). Do n¨ng l−îng ë vïng sãng dµi thÊp nªn trong viÔn th¸m, hÖ thèng thu nhËn
tÝn hiÖu bøc x¹ ®iÖn tõ víi b−íc
sãng dµi th−êng ph¶i cã tr−êng nh×n réng nh»m thu
®−îc nh÷ng tÝn hiÖu bøc x¹ ®ã.
MÆt trêi th−êng lµ nguån n¨ng l−îng bøc x¹ ®iÖn tõ ®iÓn h×nh trong viÔn th¸m.
TÊt nhiªn, toµn bé c¸c vËt chÊt cã nhiÖt ®é lín h¬n nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (K hay – 2730
C) ®Òu th−êng xuyªn ph¸t x¹ bøc x¹ ®iÖn tõ. Nh− vËy c¸c ®èi t−îng trªn tr¸i ®Êt ®Òu
lµ nh÷ng nguån bøc x¹ tù nhiªn, mÆc dï chóng d−êng nh− cã nh÷ng sù kh¸c biÖt vÒ
biªn ®é vµ thµnh phÇn phæ so víi mÆt trêi.
Cã thÓ tÝnh to¸n n¨ng l−îng bøc x¹ ph¸t ra tõ bÒ mÆt mét ®èi t−îng theo quy
luËt Stefan - Bolzman:
M = δ. T 4
trong ®ã:
M- tæng n¨ng l−îng bøc x¹ truyÒn ®i tõ bÒ mÆt ®èi t−îng (W/ m
2
);
δ - hÖ sè Stefan - Bolzman (δ = 5,6697 x 10 -12 W/ m2.K4);
T - nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (K) cña vËt chÊt ph¸t x¹.
C¸c ®¬n vÞ tÝnh ë trong c«ng thøc lµ khã nhí song ®iÒu quan träng cÇn l−u ý lµ
n¨ng l−îng ph¸t ra tØ lÖ víi T 4, nghÜa lµ nÕu nhiÖt ®é t¨ng lªn th× n¨ng l−îng ph¸t ra
sÏ nhanh chãng t¨ng lªn theo c¬ chÕ luü thõa bËc 4, còng cã thÓ hiÓu n¨ng l−îng
ph¸t ra lµ hµm nguyªn thñy cña nhiÖt ®é ®èi t−îng.
Mét kh¸i niÖm ®−îc ®−a ra lµ vËt ®en tuyÖt ®èi. §ã lµ mét vËt lý t−ëng, lµ vËt
mµ cã thÓ hÊp thô vµ t¸i ph¸t ra toµn bé n¨ng l−îng r¬i vµo nã.
Bøc x¹ nhiÖt, cã mét sè tÝnh chÊt sau:
- Khi nhiÖt ®é bøc x¹ cao h¬n th× tæng n¨ng l−îng ph¸t ra còng cao h¬n.
- NhiÖt ®é cùc ®¹i khi vËt ®en bøc x¹ chuyÓn dÇn vÒ phÝa cã b−íc sãng ng¾n h¬n.
23
- Cùc trÞ cña ®−êng cong bøc x¹ tu©n theo quy luËt chuyÓn dÞch cña Vien
(Wien’s displacement Law), néi dung cña quy luËt nµy lµ khi nhiÖt ®é cña vËt t¨ng
lªn th× cùc trÞ bøc x¹ cña vËt chuyÓn dÞch vÒ phÝ cã b−íc sãng ng¾n h¬n (h×nh 2.3):
λ m = A / T
trong ®ã: λ m - b−íc sãng mµ ë ®ã cã sù ph¸t x¹ cùc ®¹i ( μm);
A = 2.898 μmK;
T - nhiÖt ®é K.
H×nh 2.3:
Sù thay ®æi cùc trÞ cña ®−êng cong bøc x¹ nhiÖt cña vËt chÊt ë
To¶ nhiÖt cña vËt ®en
NhiÖt ®é cña MÆt Trêi
NhiÖt ®é ®èt ch¸y
NhiÖt ®é ®Ìn s¸ng
NhiÖt ®éTr¸i §Êt
Sù to bøc x
¹
phæ
B−íc sãng
μ
M
nhiÖt ®é kh¸c nhau
.
MÆt trêi cã bøc x¹ gièng nh− cña vËt ®en tuyÖt ®èi khi nhiÖt ®é cña vËt ®en
lªn tíi 6.000 K, c¸c bãng ®Ìn sîi ®èt th−êng cã nhiÖt ®é kho¶ng 3.000 K. KÕt qu¶ lµ
bãng ®Ìn sîi ®èt th−êng ph¸t ra ¸nh s¸ng mµu xanh víi n¨ng l−îng thÊp vµ kh«ng
gièng nh− cÊu thµnh trong d¶i phæ cña mÆt trêi.
Ta cã thÓ quan s¸t thÊy hiÖn t−îng nµy khi mét mÈu thÐp ®−îc nung nãng ®á.
Khi nhiÖt ®é t¨ng dÇn lªn th× mµu cña mÈu thÐp chuyÓn tõ mµu ®á sang da cam,
vµng vµ cuèi cïng lµ mµu tr¾ng. Nh− vËy khi nhiÖt ®é cña vËt t¨ng lªn , cùc trÞ bøc
x¹ chuyÓn dÇn tõ vïng sãng dµi – kh«ng nh×n thÊy, sang vïng sãng ng¾n – nh×n
thÊy. Khi b−íc sãng ph¸t x¹ cµng dµi th× nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en cµng thÊp .
Trong kü thuËt lµm phim ¶nh, ng−êi ta chÕ t¹o ra c¸c lo¹i phim cã sù nh¹y c¶m
¸nh s¸ng kh¸c nhau víi c¸c ®iÒu kiÖn chiÕu s¸ng kh¸c nhau, khi cöa më th× phim
nh¹y c¶m víi ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng cña bªn ngoµi, nÕu ë trong phßng ta dïng ¸nh s¸ng
24