Tài liệu: Bản chất của bức xạ điện từ

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Bản chất của bức xạ điện từ

Bản chất của bức xạ điện từ Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens. Bức xạ điện từ, một gia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còn gọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ mênh mông. Cơ chế mà ánh sáng khả kiến được phát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, và cách thức nó tác động lại dưới những điều kiện khác nhau khi truyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ sở cho sự tồn tại của màu sắc trong vũ trụ.
Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ (như đã phân loại trong hình 1), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp. Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà khoa học buổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất. Ánh sáng hồng ngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng “vô hình” đầu tiên của bức xạ điện từ được phát hiện. Nhà khoa học và thiên văn học người Anh William Herschel đã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánh sáng bằng một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhận thấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến. Herschel cho rằng phải có một loại ánh sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìn thấy được.
Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi Wilhelm Ritter, một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên quan đến ánh sáng khả kiến. Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác nhau làm kích thích sự sẫm màu của một tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat, Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác của ánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của quang phổ, có tốc độ này cao nhất. Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự lệch hướng của kim nam châm. Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa học người Pháp Andrie Ampère, chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu giống như tương tác của các cực từ. Trong vài thập niên sau đó, các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo ra những bằng chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi với nhau. Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell đã mở rộng thuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ. Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuất hiện cùng nhau dưới dạng điện từ, và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng. Từ những quan sát này, ông kết luận ánh sáng khả kiến là một dạng của bức xạ điện từ. Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau (như minh họa trên hình 2) và dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học. Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại.
Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, kể cả ánh sáng khả kiến, đều dao động theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, và biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ được biểu diễn trên hình 2, minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian. Để cho tiện, đa số các minh họa biểu diễn bức xạ điện từ thường cố ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là một sóng sin trong hệ tọa độ hai chiều x và y xác định. Người ta quy ước thành phần y của sóng sin biểu diễn biên độ của điện trường, còn thành phần x biểu diễn thời gian, khoảng cách truyền, hay mối quan hệ pha với một sóng sin khác. Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng (trong chân không), thường dùng ở đơn vị nano mét (một phần ngàn của micromet) đối với
phần ánh sáng khả kiến của quang phổ. Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đỉnh (hay hai lõm) sóng liên tiếp của dạng sóng (xem hình 2). Tần số tương ứng của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với bức xạ tần số càng cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps). Hertz được chọn làm đơn vị chuẩn của tần số bức xạ điện từ để ghi nhận kết quả nghiên cứu của nhà vật lí người Đức Heinrich Hertz, người đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này. Các dạng phong phú của bức xạ điện từ có bước sóng và tần số khác nhau, nhưng về cơ bản giống nhau ở chỗ chúng truyền đi với vận tốc như nhau, khoảng chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấp xỉ 300.000 km một giây), một vận tốc thường được biết đến là tốc độ của ánh sáng (và được kí hiệu là c). Bức xạ điện từ (bao gồm cả ánh sáng khả kiến) truyền đi 149 triệu km (93 triệu dặm) từ Mặt Trời tới Trái Đất mất khoảng 8 phút. Trái lại, một ô tô chạy với tốc độ 100 km/h (60 dặm/h) cần đến 177 năm mới đi hết quãng đường trên. Chỉ trong một giây, ánh sáng có thể đi vòng quanh Trái Đất 7 lần. Bước sóng của ánh sáng, và tất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần số bằng một phương trình tương đối đơn giản: n = c/λ
trong đó c là tốc độ ánh sáng (m/s), n là tần số ánh sáng (Hz), λ là bước sóng ánh sáng (m). Từ mối liên hệ này, người ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của nó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong ánh sáng. Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi. Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc xạ (bẻ cong) hoặc phản xạ. Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng. Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.
Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon. Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng. Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình 3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền. Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp. Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân. Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma. Như một quy luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn các dạng bức xạ có năng lượng thấp. Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện từ và tần số của nó được cho bởi phương trình: E = hn = hc/λ trong đó E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định nghĩa ở phần trên. Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ
tỉ lệ trực tiếp với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Như vậy, khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại. Các đặc trưng chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây. Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian. Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ. Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này. Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh sáng khả kiến. Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet. Khi ánh sáng không phân cực (hình 4), các vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số
các nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang, là không phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo chiều đứng. Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép). Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 4). Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian. Ánh sáng kết hợp gồm các bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất. Mặt đầu sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp. laser là nguồn phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp. Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực. Dạng có tổ chức này của ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương đối xa. Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một trạng thái phân cực đã được định rõ. Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng và vuông góc với trục truyền. Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ.