tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học '''' thiên văn vô tuyến ''''

Tiểu luận này cung cấp những kiến thức rất sơ đẳng và phổ quát từ nhiều nguồn tài liệu giúp người đọc hiểu biết tổng quan về bức xạ điện từ, bức xạ vũ trụ, ngành thiên văn vật lý, thiên

KHOA VẬT LÝ



Tiểu luận môn

Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học

Tên đề tài:

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng

Nhóm thực hiện: Nguyễn Công Danh

Võ Thị Hoa Nguyễn Thị Phương Thảo (29/01) Lâm Hoàng Minh Tuấn

Nguyễn Thành Trung

MỤC LỤC

Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 6

1.1 James Clerk Maxwell (1831-1879) 6

1.2 Heinrich Hertz (1857-1894) 7

1.3 Thomas Alva Edison (1847-1931) 8

1.4 Sir Oliver J Lodge (1851-1940) 11

1.5 Wilsing and Scheiner (1896) 12

1.6 Charles Nordman (1900) 13

1.7 Max Planck (1858-1947) 14

1.8 Oliver Heaviside (1850-1925) 16

1.9 Guglielmo Marconi (1874-1937) 17

Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? 18

2.1 Sơ lược về Bức xạ điện từ: 18

2.1.1 Nguồn gốc: 18

2.1.2 Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ: 19

Phương trình Maxwell: 26

Năng lượng và xung lượng: 31

2.1.3 Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản: 36

2.1.4 Các loại bức xạ điện từ: 40

2.2 Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý: 51

2.2.1 Sơ lược về bức xạ vũ trụ: 51

2.2.2 Ngành thiên văn vật lý: 57

2.3 Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến: 62

Chương 3: KÍNH THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 64

3.1 Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến: 64

3.2 Đo đạc thiên văn vô tuyến: 70

3.2.1 Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến: 70

3.2.2 Công thức đo đạc vô tuyến: 76

Chương 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 79

4.1 Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang: 79

4.1.1 Lược sử: 79

4.1.2 Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ: 79

4.1.3 Phương pháp nghiên cứu: 80

4.2 Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet: 83

4.2.1 Lược sử: 83

4.2.2 Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro: 83

4.2.3 Cơ chế phát xạ: 84

4.3 Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà 86

4.3.1 Lược sử nghiên cứu nguồn bức xạ synchrotron trong Thiên Hà : 86

4.3.2 Mục đích nghiên cứu : 86

4.3.3 Cơ chế bức xạ synchrontron phi nhiệt : 87

4.3.4 Tần số của bức xạ synchrotron : 89

4.3.5 Cường độ bức xạ : 89

4.4 Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ 90

4.4.2 Mục đích nghiên cứu: 92

4.4.3 Cơ chế bức xạ maser: Quá trình đảo ngược mật độ phân tử 92

4.4.4 Tần số bức xạ maser: 94

4.4.5 Nguồn bức xạ maser: 94

4.5 Săn tìm acid amin: 97

4.5.1 Lược sử nghiên cứu : 97

4.5.2 Mục đích nghiên cứu : 98

4.5.3 Kết quả nghiên cứu: 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

LỜI NÓI ĐẦU

Các bạn đang cầm trên tay cuốn tiểu luận “Thiên văn vô tuyến” nhân dịp thực hành Phương pháp nghiên cứu khoa học của nhóm chúng tôi Xin có đôi dòng

bày tỏ những cảm xúc hãnh diện của chúng tôi về thành quả này! Đó là cả một quá

trình nỗ lực đầy nhiệt huyết của nhóm thực hiện

Từ ý tưởng ban đầu, nghiên cứu về bức xạ điện từ trong thiên văn, nhóm đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu sau cùng là thiên văn vô tuyến Ngành thiên văn vật lý thế giới đang trên đà phát triển với rất nhiều triển vọng Trong đó, thiên văn vô tuyến có một giá trị và vai trò rất lớn đối với tống thể sự phát triển đó Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm không những được rèn luyện phương pháp nghiên cứu khoa học với những kinh nghiệm đáng kể mà còn được mở rộng vốn kiến thức thiên

văn vốn là khoa học lí thú và luôn mới lạ

Tiểu luận này cung cấp những kiến thức rất sơ đẳng và phổ quát từ nhiều nguồn tài liệu giúp người đọc hiểu biết tổng quan về bức xạ điện từ, bức xạ vũ trụ, ngành thiên văn vật lý, thiên văn vô thuyến, kính thiên văn vô tuyến với cách thức hoạt động và giới thiệu một số công trình nghiên cứu trong thiên văn vô tuyến như bức

xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ Maser, Synchrotron… Đặc biệt, tuy có phần hạn chế nhưng cũng là một ưu điểm của tiểu luận này là những thông tin phong phú được dịch thuật và chọn lọc từ những nguồn tài liệu tiếng Anh trên internet Đây cũng chính là một kinh nghiệm đáng khích lệ trong quá trình làm việc của nhóm

Do hạn chế về hiểu biết cũng như trình độ ngoại ngữ nên trong khi thực hiện tiểu luận này không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng tôi rất mong người đọc thông cảm

và nhiệt tình đóng góp ý kiến để lần thực hiện sau nếu có thể dược tốt hơn

Chân thành cảm ơn!

Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN

Tiên đoán của Maxwell về sóng điện từ và chứng minh của Hertz về sự tồn tại thực của chúng đã dẫn đường cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu về những thiên thể như mặt trời và các vì sao có khả năng phát ra sóng vô tuyến Các nhà khoa học

sau đây đã đặt cơ sở cho sự khám phá về sau của thiên văn vô tuyến

1.1 James Clerk Maxwell (1831-1879)

Trong những năm 1860 và 1870 James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết

về năng lượng điện và năng lượng từ, và ông đã tóm tắt trong 4 phương trình nổi tiếng của mình (hình 1.1) Những phương trình này tóm lược tất cả những khám phá

về điện và từ trong những thí nghiệm đã được làm trước đó vài trăm năm bởi

Faraday, Volta và nhiều người khác

Hình 1.1 Phương trình Maxwell

Họ chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một năng lượng Những phương trình cũng dự báo rằng có một dạng bức xạ mà người ta gọi nó là bức xạ điện từ Maxwell nhận ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ

Những phương trình này dự báo rằng bức xạ điện từ có thể tồn tại ở bất kì bước sóng nào Những màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng ngắn hơn một phần ngàn mm

1.2 Heinrich Hertz (1857-1894)

Năm 1888, Heinrich Hertz đã xây dựng một bộ máy có thể phát và nhận sóng điện từ ở khoảng cách chừng 5m (hình 1.2) Ông đã sử dụng một cuộn dây điện để phát ra một tia điện có điện áp cao giữa 2 điện cực đóng vai trò như một vật phát Máy dò là một cuộn dây kim loại có một khe hở nhỏ Một tia điện tại vật phát sản sinh ra những sóng điện từ đi tới máy dò, tạo ra một tia điện trong khe hở Ông chỉ

Hình 1.2 Bộ máy thu phát sóng điện từ của của Hertz năm 1888

Hertz 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

1.3 Thomas Alva Edison (1847-1931)

Một lần nữa Hertz đã chứng minh sự tồn tại của bức xạ điện từ, nhiều nhà khoa học đã nghĩ đến khả năng thu nhận những bức xạ này từ những thiên thể trên bầu trời

Edison dường như là người đầu tiên được ghi trong sổ sách đã đưa ra thí nghiệm để phát hiện ra sóng vô tuyến từ mặt trời Bằng chứng của điều này là một

lá thư đã được gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly, người làm việc trong phòng thí nghiệm của Edison (hình 1.3) Nó miêu tả cách làm một máy dò bởi một vài sợi dây cáp cuốn quanh một khối kim loại Không có tài liệu nào cho thấy thí nghiệm này đã được công bố

Tuy nhiên, dù nhận thức muộn, bộ máy được đưa ra có thể là do vô tình và có thể chỉ nhận ra được những bước sóng rất dài Tầng điện ly có thể ngăn chặn những sóng dài này chiếu tới bề mặt trái đất (Sự dự báo về một lớp phản xạ ở phần trên của khí quyển, tầng điện ly, đã được đưa ra bởi Kennelly và Heaviside năm 1902)

Hình 1.3 Thư gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly

(Letter reproduced from "The Evolution of Radio Astronomy", by J.S.Hey, Science History Publications, 1973 See also: C.D.Shane, Pub.Astron Soc Pacific 70,303, 1958)

bày trí của Edison là ghép trên các cực bao quanh phần lõi quặng một cáp gồm 7 dây kim loại cách điện cẩn thận với các đầu cáp sẽ được nối với máy điện thoại hoặc các dụng cụ thí nghiệm khác Sau đó có khả năng các tạp âm lớn trong khí quyển Mặt trời làm nhiễu loạn cả dòng năng lượng điện từ thông thường mà chúng ta nhận lẫn sự phân bố bình thường của lực từ trên hành tinh này…

1.4 Sir Oliver J Lodge (1851-1940)

Lodge đã tạo nên rất nhiều sự đổi mới trong buổi đầu của kỹ thuật bức xạ khi phát minh ra một máy dò bức xạ tốt hơn, giới thiệu cách sử dụng những bảng mạch

đã được điều chỉnh và phát minh ra loa Khoảng năm 1897- 1900, Lodge đã thử dò sóng bức xạ từ mặt trời

Hình 1.4 Đây là bài viết mô tả về thí nghiệm của Lodge

(Letter reproduced from "Classics in Radio Astronomy", by W.T.Sullivan,

Reidel, 1982 Original in Lodge: "Signalling across space without wires", The

Electrician Publ.Co., London, 1900)

“ Vết của ánh sáng” – Lodge đề cập đến một dụng cụ đo điện có tính phản xạ

…Tôi đã cố gắng thu lấy bức xạ sóng dài từ Mặt trời, lọc những sóng thường được biết đến nhiều bởi một bảng đen hoặc bề mặt tối thích hợp khác Tôi đã không thành công, vì cô-hê-rơ nhạy cảm ở gần phía ngoài kho chứa không được bảo vệ bởi các bức tường dày…quá nhiều nguồn nhiễu loạn trên mặt đất ở trong thành phố…

xuyên qua tầng điện ly Khi đó bộ máy của ông hoàn toàn không đủ nhạy để nhận ra mặt trời Trong bất cứ trường hợp nào, đã có quá nhiều nguồn bức xạ giao thoa trong Liverpool để thí nghiệm đi đến thành công

1.5 Wilsing and Scheiner (1896)

Johannes Wilsing (1856-1943) và Julius Scheiner (1858-1913) là những nhà thiên văn vật lý học, những người đầu tiên xuất sắc để tường thuật và công bố những nỗ lực của họ trong việc bắt bức xạ vô tuyến từ mặt trời

(Ann.Phys.Chem.59,782, 1896, ở Đức)

Hình 1.5 Mô hình của Wilsing and Scheiner năm 1896

Mô hình thí nghiệm của họ ở hình 1.5 là từ “ thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T Sullivan, Reidel, 1982 Họ tiến hành thí nghiệm trong 8 ngày và không thể bắt được bất cứ tín hiệu nào phát ra từ mặt trời Họ nghĩ rằng nguyên nhân có lẽ là do sóng vô tuyến bị hấp thụ trong khí quyển ( và họ đã sai)

Hình 1.6 Thí nghiệm của Nordman

(Thí nghiệm của Nordman đã được công bố trong Comptes Rendus Acad.Sci., vol.134, page 273, 1902 Tái bản tiếng Anh trong “Thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T Sullivan, Reidel, 1982)

Bây giờ chúng ta biết rằng nếu được tiến hành đúng cách thì ăngten có thể nhạy với sự xuất hiện sóng vô tuyến tần số thấp từ mặt trời và có khả năng bắt đựợc chúng Những sự xuất hiện này thường xảy ra hầu hết ở những điểm cực viễn thuộc

Hệ Mặt Trời, nhưng không may là mặt trời ở tại điểm cực cận vào năm 1900 Một

thí nghiệm chựng lại và phải chờ đến bước phát triển thuần lý thuyết của Planck và Heaviside

Khi những vật thể có khối lượng rất lớn bị đốt nóng tới nhiệt độ cao thì chúng

sẽ bức xạ năng lượng và đồ thị của cường độ bức xạ đối với bước sóng đi theo một đường cong như hình minh họa Nhiệt độ càng cao, bước sóng tại đỉnh của đường cong càng ngắn

Hình 1.7 Đồ thị cường độ bức xạ của vật thể bị đốt nóng Planck đã thành công trong việc lý giải nguồn gốc của đường cong bức xạ nhiệt từ một thuyết về sự hấp thụ và sự phát ra bức của vật chất Lý thuyết cho rằng năng lượng phải được phát ra hoặc hấp thụ từng lượng nhỏ hay lượng tử năng lượng Đây là một phát hiện mang tính quyết định trong vật lý và lý giải tất cả các hiện tượng điện- từ

Quang phổ của ánh sáng từ mặt trời rất giống với một đường cong bức xạ nhiệt Nếu áp dụng lý thuyết của Planck để dự báo lượng bức xạ có thể nhận được

từ Mặt trời trong vùng vô tuyến của quang phổ (bước sóng từ 10 đến 100cm), bức

xạ có thể rất yếu, quá yếu để có thể được dò thấy bởi bất cứ máy dò nào có được ở năm 1900

Nếu sóng vô tuyến bật lên khỏi tầng điện ly thì khi đó nó cũng phải bật ra bên ngoài Vì thế bất cứ sóng vô tuyến nào bên ngoài trái đất cũng không thể đi xuyên qua để đến mặt đất, chúng có lẽ bật trở lại vào không gian

Những dự báo của Heaviside kết hợp với thuyết bức xạ của Planck đã làm chán nản những cố gắng xa hơn trong việc dò sóng vô tuyến từ mặt trời và những vật thể khác trên bầu trời Cho dù vì bất cứ lý do nào, đã không có thêm sự nỗ lực nào trong suốt 30 năm sau đó cho đến khi có một khám phá tình cờ của Jansky vào năm 1932

Sau đó người ta đã hiểu ra rằng sự phản xạ ở tầng điện ly phụ thuộc nhiều vào tần số (hay bước sóng) Nó phản xạ hầu hết bức xạ nhỏ hơn khoảng 20MHz Nhưng tầng điện ly không phải là một rào cản đối với tần số trên 50 MHz Thiên văn học sóng vô tuyến phải chờ sự phát triển của những máy dò sóng vô tuyến tần số cao

1.9 Guglielmo Marconi (1874-1937)

Marconi đã cải thiện thiết kế của máy phát và nhận sóng vô tuyến và phát triển những hệ thống trên thực tế đầu tiên cho việc truyền thông tin trên sóng vô tuyến ở khoảng cách lớn Năm 1901, ông là người đầu tiên đã gửi và nhận những tín hiệu vượt đại dương, từ Newfoundland tới Cornwall Kết quả của những cố gắng mang tính mở đường của ông, dịch vụ thương mại máy điện thoại radio trở nên sẵn có trong những năm sau đó Trong thập niên 1930 công ty Bell Telephone đã không ngừng cải thiện dịch vụ điện thoại vượt Đại Tây Dương của mình khi họ đã ủy nhiệm cho Karl Jansky nghiên cứu những nguồn sóng vô tuyến tĩnh, dẫn đến những khám phá của ông về sóng vô tuyến từ dải ngân hà

Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ?

2.1 Sơ lược về Bức xạ điện từ:

2.1.1 Nguồn gốc:

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 (hình 2.1) Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài, kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền

Hình 2.1 Mật độ xác xuất tìm thấy điện tử trong nguyên tử Hydrogen

Hàm sóng của một điện tử của nguyên tử hydrogen có các mức năng lượng xác định (tăng dần từ trên xuống n = 1, 2, 3, ) và mô men xung lượng (tăng dần từ trái sang s, p, d, ) Vùng sáng tương ứng với vùng có mật độ xác suất tìm thấy điện tử cao, vùng tối tương ứng với vùng có mật độ xác suất thấp Mô men xung lượng và năng lượng bị lượng tử hóa nên chỉ có các giá trị rời rạc như thấy trong hình 2.1

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 (hình 2.2)

Hình 2.2 Sự hấp thụ và phát bức xạ

2.1.2 Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ:

Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia

Trong lịch sử khoa học, các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các tia truyền thẳng

Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là một dòng các hạt rất nhỏ (trường phái Isaac Newton), một số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete

(trường phái Christiaan Huygens)

Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865 khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết Maxwell

Hình 2.3 Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến

Ngày nay các nhà vật lý chấp nhận rằng ánh sáng vừa là hạt, vừa là sóng Khi cần giải thích các hiện tượng như giao thoa hay nhiễu xạ, chúng ta coi ánh sáng là sóng, còn khi cần giải thích các hiện tượng quang điện hay tán xạ Compton, chúng

ta lại coi ánh sáng như các hạt photon Nói cách khác, ánh sáng hay bức xạ điện từ

có lưỡng tính sóng-hạt

Bảng 2.1 Lý thuyết và thực nghiệm chọn lọc chứng tỏ bản chất sóng – hạt của ánh sáng:

Bằng chứng

chọn lọc Bản chất

Hình 2.4 Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ

Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng gọi là Sóng điện từ có thể được hình dung như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường B vuông góc với nhau, dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học và chuyển động với vận tốc

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 Biểu đồ hình 2.4 minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian

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, đều dao động tuần hoàn, 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

Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong 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 khác, nó đổi hướng qua sự khúc xạ hoặc phản xạ Cường

độ 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 tán xạ tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng 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

Hình 2.5 Sự khúc xạ của sóng ánh sáng

Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens

Theo nguyên lí Huygens, mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng, từ đó giải thích hiện tượng khúc xạ của sóng Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới Phần này bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng chuyển động chậm hơn

do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn Do mặt sóng truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền

Hình 2.6 Thí nghiệm giao thoa hai khe Young

Các tính chất đặc trưng khác của bức xạ điện từ cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian Hình 2.7 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 (hình 2.7 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ của ánh sáng khả kiến để minh họa)

Hệ vân giao thoa

Hình 2.7 Các dạng sóng của ánh sáng Kính phân cực có cấu trúc phân tử đặc biệt chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng, giống như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực (hình 2.8)

Hình 2.8 Sóng ánh sáng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc

Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực thứ nhất, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính

thứ hai Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào truyền qua kính thứ hai Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực dẫn đến khái niệm ánh sáng gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởi một loại kính phân cực Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại

Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell

Maxwell phát hiện ra tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và

truyền qua chân không với cùng tốc độ 186000 dặm một giây Lý thuyết điện từ của ông khẳng định tính chất sóng của ánh sáng

Sự xuất hiện của sóng điện từ được giải thích như sau: Mọi điện tích khi gia tốc, hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ Khi từ trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ phương trình Maxwell, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến đổi chứa thêm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời gian chậm hơn so với tại nguồn Đó chính là mô tả toán học của bức xạ điện từ Trong các phương trình Maxwell, bức xạ điện từ hoàn toàn có tính chất sóng, đặc trưng bởi vận tốc, bước sóng (hoặc tần số)

Phương trình Maxwell:

4 phương trình Maxwell dùng để mô tả trường điện từ cũng như những tương tác của chúng đối với vật chất , đây cũng chính là nội dung của thuyết điện từ học Maxwell:

Bảng 2.2 Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân và tích phân:

Các đại lượng D và B liên hệ với E và H bởi :

χe là hệ số cảm ứng điện của môi trường,

χm là hệ số cảm ứng từ của môi trường,

ε là hằng số điện môi của môi trường, và

µ là hằng số từ môi của môi trường

Tên phương trình Dạng vi phân Dạng tích phân

Đinh luật Gauss cho từ trường

(sự không tồn tại của từ tích):

(với sự bổ sung của Maxwell,

dòng điện tạo ra từ trường):

Bảng 2.3.1 Các đại lượng trong hệ đo lường SI :

2

, Wb/m2

dA Vectơ vi phân diện tích A, hướng vuông góc với mặt S m2

dV Vi phân của thể tích V được bao bọc bởi diện tích S m3

dl Vectơ vi phân của đường cong, tiếp tuyến với đường kính C

(div) ·  Toán Tử tính suất tiêu tán: ax ay az

(rot)   Toán tử tính độ xoáy cuộn của trường vectơ m-1

Có thể chứng minh dao động điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng bằng các phương trình Maxwell

Xét trường điện từ biến đổi trong chân không (không tồn tại dòng điện hay điện tích tự do trong không gian đang xét), 4 phương trình Maxwell rút gọn thành:

0 0

1

c 

 ò (2.9)

Bảng 2.3.2 Các đại lượng trong hệ đo lường SI:

Kí hiệu Tên Giá trị Đơn vị trong hệ SI

Với E0 là một hằng số véc tơ đóng vai trò như biên độ của dao động điện

trường, f là hàm khả vi bậc hai bất kỳ, k là véc tơ đơn vị theo phương lan truyền

của sóng, và x là tọa độ của điểm đang xét Để thỏa mãn tất cả các phương trình

Maxwell, cần có thêm ràng buộc:

Một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ lan truyền theo phương z, gọi là

sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ dao động theo phương y, E =

(0, A ysin[k(z-c0t)], 0), còn từ trường chỉ dao động điều hòa theo phương x, B = (0,

A xsin[k(z-c0t)], 0) = (0, [A y /c]sin[k(z-c0t)], 0)

Hình 2.9 Sóng điện từ phẳng (2.11.2) suy ra điện trường phải luôn vuông góc với hướng lan truyền của sóng

và (2.11.4) cho thấy từ trường thì vuông góc với cả điện trường và hướng lan

truyền; đồng thời E0 = c0 B0 Nghiệm này của phương trình Maxwell chính là sóng điện từ phẳng

Năng lượng và xung lượng:

Mật độ năng lượng của trường điện từ nói chung:

Tính chất hạt được mô tả dưới dạng những đơn vị năng lượng mang tên

photon Năng lượng của bức xạ điện từ không liên tục, chúng hấp thụ hay phát xạ

một cách gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng hay

photon (những thực thể có năng lượng và xung lượng nhưng không có khối lượng)

Vì phân tử hấp thụ từng lượng tử năng lượng nên biến thiên năng lượng cũng

được tính tương tự:  E  h   hc

Như vậy, năng lượng của bức xạ điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số ν của nó và tỉ

lệ nghịch với bước sóng λ, khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng bức xạ điện từ tăng, và ngược lại

Xung lượng của photon: p  h

Tương tác của bức xạ điện từ với một chất có thể được biểu hiện một cách đại cương ở hai quá trình:

- Quá trình hấp thụ, trong trường hợp bức xạ điện từ tới từ nguồn bị chất nghiên cứu hấp thụ và cường độ bức xạ giảm đi Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái năng lượng điện tử thấp nhất (trạng thái cơ bản) nên có khả năng hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ

- Quá trình phát xạ, trong trường hợp chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện

từ và vì vậy sẽ làm tăng cường độ bức xạ phát ra từ nguồn Có nghĩa những phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái kích thích và khi những phân tử này trở lại trạng thái

cơ bản sẽ làm phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên trong quá trình phát xạ

Ta có thể coi những tác dụng sau đây là những biểu hiện của tính chất hạt: khả năng đâm xuyên (hình 2.10), tác dụng quang điện (hình 2.11), tác dụng iôn hoá (hình 2.12), tác dụng phát quang (hình 2.13)

Hình 2.10 Ảnh chụp những bông hoa bằng tia X

Hình 2.11 Hiệu ứng quang điện

Thiên Hồng

Hình 2.12 Tác dụng ion hóa của các photon trong y học

Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục MeV (trong xạ trị) Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình

Hình 2.13 Kim cương phát quang màu xanh lơ dưới tia cực tím sóng dài

de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ

điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính sóng hạt

Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ được tổng kết bằng nguyên lí bổ sung của

Bohr: Các phương diện sóng và hạt của một thực thể lượng tử, cả hai đều cần thiết

để mô tả đầy đủ Tuy nhiên, cả hai phương diện đó không bộc lộ đồng thời trong một thí nghiệm đơn nhất Khía cạnh nào được bộc lộ là do bản chất của thí nghiệm quyết định Thí nghiệm về các vân giao thoa hai khe cho thấy bản chất sóng của chùm tia tới, mọi tác động nhằm chứng minh bản chất hạt hơn lại làm các vân giao thoa biến mất và ngược lại khi tác động nhằm chứng minh bản chứng minh bản chất sóng hơn thì các dấu hiệu về bản chất hạt lại biến mất

Hình 2.14 Minh họa nguyên lý bổ sung của Bohr về bản chất sóng hạt của ánh sáng

Bức xạ điện từ có bước sóng càng ngắn thì có năng lượng phôtôn càng lớn Thực nghiệm cho thấy khi đó tính chất hạt của chúng thể hiện đậm nét, tính chất sóng ít thể hiện Ngược lại, những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì có năng lượng phôtôn càng nhỏ, tính chất hạt khó thể hiện, tính chất sóng bộc lộ rõ nét

2.1.3 Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản:

2.1.3.1 Phổ điện từ: (Electromagnetic Spectrum)

Phân bố bức xạ điện từ theo tần số hoặc theo bước sóng (trong chân không), trong đó toàn bộ các dải sóng (dải tần số) của bức xạ được chia thành các vùng phổ khác nhau, được gọi là phổ điện từ

Bức xạ điện từ bao gồm một dải bước sóng biến đổi trong khoảng rộng: cỡ m (sóng radio) tới cỡ Angstron (tia X) Thang bước sóng hay tần số trong phổ điện từ được chia sao cho mỗi vạch trên thang biểu diễn một sự thay đổi bước sóng (tần số)

10 lần Phổ điện từ được mở ở hai đầu, bước sóng của bức xạ điện từ không có giới hạn trên và giới hạn dưới

Trong mỗi vùng phổ này với khoa học công nghệ phát triển phát triển người ta tách được những bước sóng chỉ sai khác nhau cỡ 1-0,1nm nhờ các công cụ đặc biệt như cách tử, lăng kính và gọi là bức xạ đơn sắc Theo thuyết hạt, bức xạ đơn sắc chỉ bao gồm 1 loại photon có năng lượng như nhau; còn bức xạ đa sắc bao gồm các loại photon có năng lượng khác nhau

Hình 2.15 Phổ điện từ Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian)

và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng lồ Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại,

hơn Mặc dù phổ điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ

2.1.3.2 Bước sóng: ( )

Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ

là độ lớn của bước sóng 0 (trong chân không)

Trong môi trường nhất định, bước sóng  của

bức xạ điện từ là khoảng cách giữa hai đỉnh

sóng kề nhau (đỉnh sóng là những điểm tại đó

biên độ sóng đạt cực đại), hoặc tổng quát là

giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời

điểm nhất định

Để biểu thị độ dài sóng ở vùng radio người ta hay dùng thứ nguyên là m hoặc cm; ở vùng hồng ngoại dùng micromet (m); ở vùng tử ngoại, khả kiến dùng nanomet (nm); ở vùng Rongen dùng Angstron(Å)…

Sự liên hệ các đơn vị đó như sau: 8 7 4



Như vậy đơn vị đo tần số v  c

 là nghịch đảo đơn vị đo thời gian Trong hệ

đo lường quốc tế, đơn vị này là Hz đặt tên theo nhà vật lý Đức, Heinrich Rudolf Hertz 1 Hz cho biết tần số lặp lại của sự việc đúng bằng 1 lần trong mỗi giây: 1Hz=1/s

Từ (2.12) và (2.13), 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

2.1.3.4 Số sóng:

Số sóng là số nghịch đảo của bước sóng, tỷ lệ thuận với tần số và được dùng

để có những số đo nhỏ hơn số đo tần số