Bản chất của bức xạ điện từ ppsx

Bản chất củabức xạ điện từ Tia gamma – Làbức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (vàbước sóng ngắn nhất), tiagamma được phát ra do sự chuyển trạng tháibên trong hạt nhân nguyêntử, bao gồm hạt nhân của những chấtphóng xạ (tự nhiên vànhân tạo) nhất định. Sóng gammacũng phát ra từ các vụ nổ hạt nhân và cácnguồn đa dạng khác trong không gian vũ trụ. Nhữngtia uy mãnh này cókhả năngđâm xuyên khủng khiếpvà được báo cáo là có thể truyền qua3 mét bêtông! Mỗi photon tiagamma giàunăng lượng đến mứcchúng dễ dàngđược nhậnra, nhưngbước sóngcực kì nhỏ của chúng đã hạn chế các quansát thựcnghiệm về những tính chất sóng.Tia gammaphát ra từ những vùng nóng nhấtcủa vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, saoneutron, pulsar và lỗ đen, truyền quakhoảng cách bao la trong không gian để đến Trái Đất. Dạng bức xạ năng lượngcao này cóbước sóngngắn hơnmột phần trăm củananomet(10 picomet), nănglượng photonlớn hơn500 kiloelectron-volt(keV) và tần số mở rộngtới 300exahertz (EHz). Việc phơi ratrước tia gammacó thể gây ra các độtbiến, các sailạc nhiễmsắc thể, vàcòn hủy hoại tế bào,như thường quansát thấyở một số dạng bức xạ gây nhiễmđộc khác. Tuy nhiên, bằngviệc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia tiaX có thể làm chủ các mức năng lượng caođể chiến đấuvới bệnh tậtvà giúp điều trị một số dạng ung thư. Thiên văn học tiaX là một ngành tươngđối mới có nhiệmvụ thuthập các sóng năng lượngcao này để lập bản đồ vũ trụ như minhhọa trên hình5. Kĩ thuật này chocác nhà khoahọc cơ hội quan sát các hiện tượngthiên thể ở xatrong cuộc tìm kiếm những khái niệm vật lí mới, vàkiểm tranhững lí thuyết khôngthể thử thách bằngnhững thí nghiệmthực hiệntrên Trái Đất này. Tia X – Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưngthấp hơn tia gamma)được phân loại là tia X,và đủ uymãnhđể xuyên qua nhiều vật liệu, như các mô mềm củađộng vật. Tính đâm xuyên cao của các sóng uymãnh này,cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếpảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trongy học, để nghiêncứucấu trúc cơ thể người, và trongmột số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật. Giốngnhư với tia gammanăng lượngcao, việcphơi ra không cóđiều khiển trước tia Xcó thể dẫn tới đột biến,sai lệch nhiễm sắc thể,và một số dạng hủy hoạitế bàokhác. Phươngpháp chụp ảnh vôtuyến truyền thống về cơ bản không gì hơnlà thu lấy cái bóngcủa vật liệu đặc,chứ không phải chụp chitiết hình ảnh.Tuy nhiên, nhữngtiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia X bằng gương đã mang lại những hình ảnhchi tiết hơn nhiều củacác đốitượng đa dạng bằngviệc sử dụng kínhthiên văn tia X,kính hiển vi tiaX và giao thoa kế tia X. Các chất khíkhí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rấtmạnh, chúng đượccác nhà thiên văn học sử dụngđể thuthập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng của các vùngnằm giữa các vì sao củavũ trụ. Nhiều thiênthể cực kì nóng, như Mặt Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trongvùng phổ tia X vàlà đối tượng nghiêncứu của thiên văn họctia X. Phổ tần số của tia X kéo dài ra mộtvùng rất rộng, với bướcsóngngắn nhất đạt tới đườngkính củanguyên tử. Tuynhiên, toàn bộ vùngphổ tia X nằmtrên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét. Vùng bướcsóng này khiến chobức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất vàhóa học trong việcmô tả tínhchất củacác chất kết tinh,chúng cóđặc điểm cấu trúctuần hoàntrên cỡ độ dài tương đương với bước sóngtia X. Ánh sáng tử ngoại – Thườngđược viếttắt(uv - ultraviolet),bức xạ tử ngoại truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tímtrong phổ ánh sáng khả kiến. Mặcdù đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử ngoại ở đầu tầnsố cao trong ngưỡng tần số của chúngcó đủ năng lượng để giết chếttế bào, và tạo rasự pháhủy mônghiêm trọng. Mặt Trời là một nguồnphát bức xạ tử ngoại khôngđổi, nhưng bầu khí quyển của TráiĐất (chủ yếu là các phân tử ozon) đã ngăn chặn cóhiệu quả phầnlớn các bước sóngngắn của dòngbức xạ cókhả năng gây chết chóc này, do đó tạo được môi trườngsống thích hợp chocây cối và động vật.Năng lượng photon trongtia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử từ mộtsố phân tử khí trong khí quyển, và đây là quátrình mà tầng điện li đượctạo ra và duy trì liên tục. Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng cónăng lượng tươngđối cao này có thể xúc tiến việc tổng hợp vitaminD trong cơ thể, vàít làm sạm da, nhưngquá nhiều bức xạ tử ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêmtrọng, làm hỏngvõng mạc vĩnhviễn, và gây ra ungthư da. Ánh sángtử ngoại được sử dụngrộng rãi trong cácthiết bị khoa học để khảo sát tínhchất của những hệ hóa học vàsinh học phong phú, và nócũng quantrọng trong các quantrắc thiênvăn vềhệ mặt trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ. Các vì saovà nhữngthiên thể nóng khác lànhững nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại.Phổ bướcsóng tử ngoại trải từ khoảng10 đến xấp xỉ 400 nanomét, cónăng lượng photon từ 3,2đến 100 eV.Loại bức xạ này cóứng dụng trong việc xử lí nước và thực phẩm,là tác nhândiệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trongđiều trị y khoa.Hoạt động sát trùng củaánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóngdưới 290nanomét.Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành choda, kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trướcánhsáng tử ngoại đến từ Mặt Trời. Một số côn trùng (nhấtlà ong mật)và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng tử ngoại để phảnứng lại những bướcsóng dài,và có thể dựa vào khả năng này để điều hướng.Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, dogiác mạc hấp thụ các bướcsóng ngắn, vàthủy tinhthể của mắthấp thụ mạnh cácbước sóng dài hơn 300nanomét. Ánh sáng khả kiến – Các màucầu vồng liên quanđến phổ ánhsángkhả kiến chỉ đại diện cho khoảng 2,5%của toànbộ phổ điện từ,và gồm các photon có năng lượng từ xấp xỉ 1,6đến 3,2 eV.Màu sắc tự nó không phải làtính chất củaánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy raqua phảnứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não– mắt người.Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trongmột dải tần số hẹp, từ xấpxỉ 384đến 769terahertz (THz)và đượcnhận biếtdưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước sóng780nm) đến màu tím đậm(400nm). Màu đỏ năng lượng thấp,bước sóngdài (622 –780nm) theo sau trongchuỗi màu là màu cam(597 – 622nm), vàng (577– 597nm), lục (492– 577nm),lam (455 – 492nm), vàcuối cùng là màu tímnăng lượng tương đối cao,bước sóngngắn (từ 455nmtrở xuống). Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tầnsố) của các màu trongphổ ánh sángkhả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng,lục, lam,chàm, tím” [ở nhữngnước sử dụng tiếng Anh,họ dùngcác từ viếttắtROY G BIV (Red,Orange,Yellow,Green, Blue, Indigo,Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh trongcác nhà trường trong một thế kỉ qua(mặc dù một số nhà khoa họckhông còn coimàuchàm là mộtmàu cơ bản nữa). Việc phân chia phổ ánhsángkhả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất vật lí làdễ hiểu, nhưng cáchmà màu sắc đượccảm nhậnthì khôngrõ ràng được như vậy. Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mangtính chủ quan của hệ cảm giác của con người với những vùngtần số phongphú của phổ khả kiến, và những kết hợp đa dạngcủa các tần số ánhsángcó thể tạo ra cùng mộtphản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó. Ví dụ, con người cóthể cảm nhận được màu lục, khi phản ứngvới sự kết hợp củaánhsáng cóvài màu sắc khácnhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”. Ánh sángkhả kiếnlà cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nóđược bắt bởi những nhà máynguyên thủy haycác sinh vậttự dưỡng,như cây xanh chẳng hạn. Những thànhviên cơ sở này của chuỗi thức ănsinh vật khai thác ánh sáng Mặt Trời như một nguồnnăng lượng dùngcho việc sản xuấtthức ănriêng và những viên gạch cấutrúc sinh hóacủa chúng. Đáp lại, các sinhvật tự dưỡng giảiphóng sản phẩm làkhí oxi, thứ chất khí mà mọi độngvật đềucần đến. Vào năm1672, ngài Isaac Newtonđã nghiên cứu tươngtác của ánhsáng khả kiếnvới lăng kínhthủy tinhvà lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắngthật ra là hỗn hợp củacác ánhsáng khác nhauđại diệncho toàn bộ phổ ánh sángkhả kiến. Ánh sáng phát ratừ các nguồn nóngsáng tự nhiên vànhân tạo phongphú như Mặt Trời, các phản ứnghóa học (như lửa), vàcácdây tóc volfram nóng sáng. Phổ phát xạ rộng củacác nguồn thuộcloại nàythường được gọi là bức xạ nhiệt. Các nguồn phát ánh sáng khả kiếnkhác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánhsáng trong ngưỡngtần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với mộtmàu) phụ thuộc vào sự chuyển mứcnăng lượngđặc biệttrong cácnguyên tử chất nguồn. Sự cảm nhậnmạnh mẽ về một màu nàođó cũng là do sự hấpthụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến– tử ngoại củamột loại thuốcnhuộm tổng hợpphổ biến, Iris BlueB, được minh họa tronghình 6. Dungdịch phântử hữucơ cómàu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trongcả vùng khả kiến và tử ngoại của quang phổ, và xuất hiện trướcđa số mọi người dưới màu xanh vừa phải. Bức xạ hồng ngoại –Thường được viết tắt làIR (Infrared Radiation),dải bướcsóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánhsáng khả kiến (khoảng700 –780nm)đến bướcsóng khoảng 1mm. Với năng lượng photontừ xấp xỉ 1,2 milielectron-volt (meV)đến dưới 1,7 eVmột chút. Sónghồng ngoại có tần số tươngứng từ 300gigahertz (GHz)đến xấp xỉ 400 terahertz(THz). Loại bức xạ này liênquan đến vùng nhiệt, nơi ánh sángkhả kiến không nhấtthiết phải có mặt.Ví dụ, cơ thể người khôngphát ra ánhsáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể đượccảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt. Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng3000 nanomét vàtrải ra ngoài vùng hồngngoại xa,đạt cựcđại tại xấp xỉ 10.000nanomét. Phân tử của tất cả các đối tượngtồn tại trên khôngđộ tuyệt đối (- 273độ Celsius)đều phát ratia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung làtăng theo nhiệt độ. Khoảng chừng phânnửa năng lượng điện từ của Mặt Trờiđược phát ra trong vùng hồng ngoại, và các thiếtbị trong nhà như bếp lò vàbóng đèn cũng phátra lượng lớn tia hồng ngoại. Bóng đèn dây tóc volframnóngsáng là thiết bị phátsáng khônghiệu quả lắm, thực ra chúngphát nhiềusóng hồng ngoại hơnsóng khả kiến. Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồngngoại là các kính nhìn đêm, các máy dò điện tử,các bộ cảm biếntrên vệ tinh và trên máy bay, vànhững thiếtbị thiên văn. Cáigọi là tên lửatầm nhiệt do quân đội sử dụng đượcdẫn đường bằng máy dò hồng ngoại. Trongvũ trụ, các bước sóngbức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụithiên thể giữa các sao,như đượcchứngminh bằngmảng tối lớn nhìnthấy từ Trái Đấtkhi quansát Dải Ngân hà. Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc khi sẩy khôquần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của nhữngcánh cửađóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà. Việc chụp ảnhhồng ngoại khai thác trongvùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình trên những tấmphim đặc biệt, cóích trong ngành pháp lí,cảm biến từ xa (khảo sát rừngchẳng hạn),phục hồi tranhvẽ, chụp ảnh quavệ tinh, vàcác ứng dụng theo dõi quân sự.Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học khác có phủ chất lọc ánh sángtử ngoại và khả kiến hiện ratrong suốt, và để lộ đôi mắtphía sauthấu kínhcó vẻ mờ đục. Phim chụp ảnhhồng ngoại khôngghi lại sự phân bố bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với nhữngbức xạ có bước sóngdài (hồngngoại xa). Trên hình7 là một vài hình chụp quavệ tinh cảm biến hồng ngoại của haithành phố ở Mĩ và ngọn núi Vesuviusở Italia. Sóng vi ba – Hiện nay làcơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệuhộ giađìnhđể đunnấu thứcăn, phổ bước sóng vi batrải từ xấp xỉ 1mmđến 30cm.Sự hấpdẫn của việc sử dụng vi sóngđun nấu thức ăn làdo trường hợp ngẫu nhiênmà các phân tử nước cómặt trongđa số loại thực phẩmcó tần số cộng hưởngquay nằm trong vùng vi sóng.Ở tầnsố 2,45 GHz(bước sóng 12,2cm),các phân tử nước hấp thụ hiệu quả nănglượngvi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt (hồng ngoại). Nếu sử dụng bìnhlàm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăntrong lò visóng, thì chúngvẫn có xu hướngvẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đángkể của việc nấunướng bằng vi sóng. Sóng viba được tạo thành từ các sóngvô tuyến tần số cao nhất, đượcphát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bayvà những đối tượng kích thướclớn khác. Ngoài ra, bức xạ vi ba mứcthấp tràn ngập khônggian, nó đượcxem là giải phỏng bởi Big Bangkhikhai sinh ra vũ trụ. Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở chokĩ thuật radar, viết tắtcủa cụm từ RAdioDetectingAnd Ranging(Dò và tầm vôtuyến), kĩ thuật phát vàthu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thướclớn và tính toán vận tốcvà khoảng cáchcủa chúng. Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi bangoài Trái Đấtđể nghiên cứu DảiNgân hàvà nhữngthiên hà lâncận khác. Một lượng đáng kể thông tinthiên văncó nguồn gốc từ việc nghiên cứumột bướcsóng phát xạ đặc biệt (21cm,hoặc 1420 MHz)của các nguyên tử hydrogenkhông tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong khônggian. Sóng viba cũng được dùng trong truyền phát thông tintừ Trái Đấtlên vệ tinh nhân tạo trong cácmạng viễnthông rộnglớn, chuyển tiếp thôngtin từ các trạmphát mặt đất đi những khoảngcách xa,và lập bản đồ địa hình. Thật ngạc nhiên,một số thí nghiệm điệntừ đầu tiên sắp đặtbởiHeinrich Hertz, Jagadis ChandraBosevà GuglielmoMarconi (chađẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại)được thực hiện bằngbức xạ nằm tronghoặc gần vùng visóng. Những ứng dụngquân sự ban đầu sử dụngmột băngthônghẹp và tăngcường điều biến băng thông bằng các vi sóngcó khả nănghội tụ, chúngkhó bị ngănchặn và chứamột lượng thông tin tương đối lớn.Có một số tranh cãi trong cộngđồng khoa học về khả năng gâyhại cho sứckhỏe, như gây ungthư, phá hủy mô, liên quan tớibức xạ vi sóng liên tục và lũy tíchlâu ngày phát ratừ các tháp điện thoại,rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở vị trí gần não tronglúc sử dụng. Sóng vô tuyến – Phầntần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ gồm cácbước sóng từ khoảng 30cm đến hàngnghìn kilomét. Bức xạ trongvùng này chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz)xảy ra tại cuối dải tần, nơi phát chương trìnhvô tuyến và truyền hình bị hạn chế.Tạinhững tần số thấp như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bứcxạ khôngbiểu kiến,và sóng có vẻ truyền nănglượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giớihạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóngcủa bức xạ tần số vôtuyến. Vídụ, dòng điện biếnthiên tần số thấp (60Hz)mang bởidây dẫn cóbước sóngkhoảng 5 triệu mét (haytươngđương 3000 dặm). Sóngvô tuyến dùng trong truyền thông đượcđiều biếntheo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến biên độ (AM) làm thayđổi biên độ sóng,và điều biến tần số (FM,xem hình 8)làm thay đổi tần số sóng. Sóng vô tuyến đóng vaitrò quan trọng trong côngnghiệp, truyền thông, y khoa,và chụp ảnh cộnghưởng từ (MRI). Phần âm thanhvà hình ảnhđộng củatruyền hìnhtruyền đi qua bầu khí quyển bằng các sóng vôtuyến ngắn có bướcsóng dưới 1m,được điều biến giống hệt như phát thanhFM. Sóngvô tuyến cũng được tạo rabởi các ngôi sao trong những thiên hàxa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò rachúng bằng những chiếc kính thiên vănvô tuyến chuyên dụng. Những sóng dài, bước sóngvài triệu dặm, được phát hiện đang phát về phía Trái Đấttừ không gian sâu thẳm. Dotín hiệu quá yếu, nên các kính thiên văn vôtuyến thường đượcsắp thànhdãy song song gồm nhiều ănten thukhổng lồ. Bản chất củamốiliênhệ giữa tầnsố (số daođộngtrongmột đơnvị thờigian) và bước sóng(chiều dàicủa mỗidaođộng) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiêncứu phạm virộng phổ bức xạ điện từ. Cácbức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma,tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bướcsóng rất ngắnvà lượng năng lượng khổnglồ. Mặt khác,các bứcxạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến,hồng ngoại, sóng viba và sóngvô tuyến cóbước sóng tương ứngdài hơn và năng lượng thấp hơn. Mặcdù phổ điện từ thườngđược mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bướcsóng, nhưng thực sự khôngcó giớihạn trên haygiới hạndưới nào đối với bướcsóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ. . daođộngtrongmột đơnvị thờigian) và bước sóng(chiều dàicủa mỗidaođộng) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiêncứu phạm virộng phổ bức xạ điện từ. Cácbức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma,tia X, và. Bản chất củabức xạ điện từ Tia gamma – L bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (vàbước sóng ngắn nhất), tiagamma được. đặc trưng của bứcxạ khôngbiểu kiến,và sóng có vẻ truyền nănglượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giớihạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóngcủa bức xạ tần số vôtuyến. Vídụ, dòng điện biếnthiên