Bản chất của bức xạ điện từ ppt

Bản chất củabức xạ điện từ Ánh sángkhả kiến làmột hiện tượng phứctạp được giải thíchkinh điển bằngmột mô hình đơn giản dựatrên các tia truyền và mặt đầu sóng, kháiniệm được nêu ra lần đầu tiên vàocuối những năm 1600bởi nhà vậtlí người Hà Lan ChristiaanHuygens.Bức xạ điện từ, mộtgia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểusóng mà ánhsáng khả kiến thuộcvề nó(cũng còngọi là nănglượng bức xạ),là phương tiện truyền năng lượngchủ yếu trongvũ trụ mênh mông. Cơ chế mà ánh sáng khả kiến đượcphát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, vàcách thức nó tác động lại dưới những điều kiệnkhác nhau khitruyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ sở cho sự tồn tại của màu sắctrong vũ trụ. Thuật ngữ bức xạ điện từ, doJames Clerk Maxwellđặt ra, xuấtphát từ những tính chất điện vàtừ đặctrưng chungcho tất cả các dạng của loạinăng lượng giống sóng này, như đượcbiểu lộ bởi sự phátsinh cả trường dao động điệnvà từ khi sóng truyền trongkhônggian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện chomột phần nhỏ của phổ bức xạ điệntừ (như đã phân loại trong hình 1),trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, quatia X, ánh sáng cựctím, bức xạ hồng ngoại, và viba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp. Mốiliên hệ giữaánh sáng,điện và từ không rõ ràng ngaytrước mắt những nhà khoahọc buổiđầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánhsáng và vật chất. Ánh sáng hồng ngoại, có bướcsóng dàihơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến,làdạng “vô hình”đầu tiên của bứcxạ điệntừ được phát hiện.Nhà khoa học và thiên văn họcngười Anh WilliamHerschelđã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánhsáng bằng một nhiệt kế vàmột lăngkính khiông nhận thấy nhiệt độ đạttới cao nhất trongvùngnằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến. Herschelcho rằng phải có một loại ánhsáng khác trong vùng nàymà mắt người không nhìn thấy được. Bứcxạ cực tím, nằm ở phía bên kia củaphổ khả kiến,được pháthiện bởi WilhelmRitter, một trong những nhà khoahọc đầu tiên nghiên cứunăng lượng liên quanđến ánh sáng khả kiến. Bằngcách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác nhaulàm kích thích sự sẫm màucủa mộttờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat,Ritter pháthiện thấy một dạngvô hình kháccủa ánh sáng, nằm ngoài đầu xanhcủa quang phổ,có tốc độ này caonhất. Điện và từ được liên hệ với nhaulần đầu tiên vàonăm 1820, khinhà vậtlí người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòngđiện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự lệch hướngcủa kimnam châm.Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa họcngười Pháp AndrieAmpère,chứng minh được hai dây dẫnmang dòng điện cóthể hút hoặc đẩy lẫn nhautheo kiểu giống như tương táccủa các cực từ. Trongvài thập niên sau đó,các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo ra những bằng chứngcho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi vớinhau. Cuối cùng, vào năm 1865,nhà khoa học người Scotland, JamesClerk Maxwellđã mở rộngthuyết động họcchất khícủa ôngvề mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ.Maxwell chorằng hai hiện tượng quanhệ gần gũi đó thườngxuất hiện cùng nhaudưới dạngđiện từ, vàôngphát hiện thấy dòngđiện biến thiên sẽ tạo racác sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng. Từ những quan sát này, ôngkết luận ánh sáng khả kiếnlà một dạng của bức xạ điện từ. Sóng điện từ dichuyển haytruyền theohướng vuông góc với hướngdao độngcủa cả vectơ điện trường (E)và từ trường (B),mang năng lượngtừ nguồn bức xạ đếnđích ở xavô hạn. Haitrường nănglượng daođộng vuông góc với nhau (như minh họa trênhình 2) vàdao động cùngpha theo dạng sóngsin toán học. Các vectơ điện trườngvà từ trường không chỉ vuônggóc với nhaumà cònvuông góc với phươngtruyền sóng. Để đơngiản hóa minhhọa, người ta thường quyước bỏ qua các vectơ biểudiễn điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại. Dù làtín hiệu truyền radio phát đitừ mộtđài phát thanh, nhiệtphát ra từ một lòlửa, tia Xcủa nhasĩ dùng để chụp hình răng, hay ánhsáng khả kiến và cực tím phátra từ Mặt Trời, các dạngkhác nhaunày của bứcxạ điện từ đều có những tính chất sóngcơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điệntừ, kể cả ánhsángkhả kiến,đều daođộng theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, vàbiểu lộ một biên độ,bước sóng,và tần số đặctrưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóngđiện từ được biểu diễn trên hình 2, minh họa tính chất sincủa các thành phần vectơ dao động điện và từ khichúng truyền trong không gian.Để chotiện, đa số các minh họa biểu diễn bứcxạ điệntừ thường cố ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là mộtsóng sin trong hệ tọa độ hai chiềux và y xác định.Người ta quyước thànhphần y củasóng sin biểu diễnbiên độ của điệntrường, còn thành phần xbiểu diễn thời gian, khoảng cách truyền,hay mối quan hệ pha với mộtsóng sinkhác. Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điệntừ là độ lớn của bước sóng(trong chân không), thường dùng ở đơn vị nanomét (một phần ngàncủa micromet) đốivới phần ánhsáng khả kiến của quangphổ.Bước sóng được địnhnghĩa là khoảng cách giữahai đỉnh(hay hai lõm)sóng liên tiếpcủa dạng sóng (xem hình2). Tần số tương ứng của một sóngphát ra,là số chu kì sin (số dao động, haysố bước sóng) đi quamột điểm chotrước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bướcsóng càngdài ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóngcàng ngắn ứng với bức xạ tần số càngcao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơnvị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps). Hertzđược chọn làm đơnvị chuẩn của tần số bức xạ điệntừ để ghi nhận kết quả nghiên cứu của nhàvật língườiĐức HeinrichHertz, người đã thành công trong việc tự tạora và thực hiệnthành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khiMaxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng(gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phânvào nhómtần số vô tuyến. David Hughes,một nhà khoahọc sinhquán London,người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự lànhà nghiên cứuđầu tiên thành côngtrong việc truyềnsóng vô tuyến (năm 1879), nhưngsau khi thuyết phục HộiHoàng gia không thành, ôngquyết định không công bố nghiêncứucủa mình, và cũng không aibiết đến mãi cho tới nhiều nămsau này. Các dạng phongphú củabức xạ điện từ có bướcsóng và tần số khác nhau, nhưng về cơ bản giống nhauở chỗ chúngtruyền đi vớivận tốc như nhau,khoảng chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấpxỉ 300.000km mộtgiây), mộtvận tốc thường đượcbiết đến là tốc độ của ánhsáng (vàđược kí hiệulà c). Bức xạ điện từ (baogồmcả ánh sángkhả 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 tốcđộ 100 km/h(60 dặm/h) cần đến 177 năm mới đi hếtquãng đường trên. Chỉ trong một giây, ánh sáng có thể đi vòngquanh TráiĐất 7 lần. Bướcsóng của ánhsáng, vàtất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần số bằngmột 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 bướcsóng ánh sáng (m).Từ mối liênhệ này,người tacó thể kết luậnbước sóng ánhsáng tỉ lệ nghịch với tầnsố củanó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tươngứng bước sóng ánh sáng,với mộtđộ tăng tươngứng dưới dạngnăng lượng của các photon có trongánh sáng. Khi đivào một môi trườngmới (như từ không khí đi vàothủy tinh hoặc nước), tốcđộ và bước sóngánhsáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn khôngthay đổi. Dưới những điều kiện bình thường, khitruyền trongmột môitrường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác vớimôi trườnghoặc vật liệu kháckhiến nó đổi hướng, qua sự khúcxạ (bẻ cong) hoặc phản xạ. Cường độ ánh sáng cũnggiảm do sự hấpthụ bởi môitrường.Nếu sóng ánh sáng truyềnqua một khehẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hìnhảnh nhiễu xạ đặc trưng. Phù hợp với định luật nghịch đảo bìnhphương nổi tiếng, cườngđộ (hayđộ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch vớibình phương khoảng cách màchúng truyền đi.Như vậy, saukhi ánhsáng truyềnđi hai lần mộtkhoảng cách chotrước, thì cường độ của nógiảm đi bốn lần. Ánh sángkhả kiến biểu hiện nhữngtính chấtsóng kinhđiển, nhưngđồng thời cũng bộc lộ những tínhchất cóxu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua nhữngthực thể có nănglượng và xunglượng (nhưngkhông có khối lượng), và được gọi là photon.Nguyên tử là nguồnphát ra mọi bức xạ điện từ, dù làloại nhìn thấy hay khôngnhìn thấy. Các dạngbức xạ nănglượngcao, như sóng gammavà tia X, sinh ra donhững sự kiện xảyra làm phá vỡ trạngthái cân bằng hạt nhân củanguyên tử. Bức xạ cónăng lượng thấp, như ánhsáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyếnvà vi ba, phát ra từ những đámmây electronbao quanhhạt nhânhoặc do tươngtác của một nguyên tử vớinguyên tử khác. Nhữngdạngbức xạ này xảyra do thực tế cácelectron chuyển độngtrong những quỹ đạoxung quanh hạt nhân nguyêntử sắpxếp vào nhữngmức năng lượng khác nhautrong hàm phân bố xácsuất của chúng.Nhiều electroncó thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điệntừ bên ngoài (xemhình 3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượngcaohơn vốn dĩ không bền. Cuối cùng, electron“bị kích thích” giải phóngnăng lượng thừa bằng cách phátra bức xạ điệntừ cónăng lượng thấp hơn, và đồng thờirơi trở lạimức năng lượng bền trướcđó của nó. Năng lượng củabức xạ phát ra bằngvới năng lượng ban đầu electronhấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát quamột số quá trìnhthứ cấp. Các mức nănglượng bứcxạ điệntừ cóthể thayđổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượngcủa nguồn electron hoặc hạt nhân.Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơnnhiều so vớisóng vi ba,tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả cácsóng này lạichứa ít nănglượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X vàsóng gamma.Như mộtquy luật, các năng lượngbức xạ điện từ cao liên quanđến các bướcsóng ngắn nhiều hơn các dạngbức xạ có năng lượngthấp. Mốiliên hệ giữa năng lượngcủa mộtsóng điệntừ và tầnsố của nó đượccho bởi phương trình: E = hn = hc/λ trong đó E là nănglượng (kJ/mol),h là hằng số Planck, và các biếnkhác đã được định nghĩa ở phần trên. Theo phươngtrình này,năng lượng của sóngđiện từ tỉ lệ trựctiếp với tần số của nó vàtỉ lệ nghịch vớibước sóng.Như vậy,khi tần số tăng (với sự giảm bước sóngtương ứng),thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại. Các đặc trưngchọn lọccủa các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bướcsóng, tầnsố và cácmức nănglượng của nó, sẽ lần lượt đượctrình bày trong phần sau đây. Mặcdù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng,nhưngnhững tính chấtđặc trưng khác cũng quantrọng khixem xét cách thức sóngtruyền trong không gian. Hình 4 biểu diễn các dạngsóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng tháiphổ biến thường được dùng để môtả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ.Do ánh sángkhả kiếnlà loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh họatrong hình4 miêu tả các bướcsóng trong vùng phổ này. Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng cócùng bướcsóng và tần số,hay ở cấp độ vĩ mô, cócùngmàu trong ánhsáng khả kiến. Trái lại, ánh sáng khả kiếnđa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánhsáng trắng dosự đóng góp củahỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằmtrong vùngphổ từ 400 đến 700 nanomet. Khi ánhsáng khôngphân cực(hình4),các vectơ điện trường daođộng trong mọimặt phẳngnằm vuông gócvới hướng truyền sóng. Ánhsáng phảnxạ từ một bề mặt phẳng tại góctới hạn,hoặc truyền qua các bộ lọc phâncực, sẽ địnhhướng theo mặt phẳngphân cực, với tất cả các vectơ điện trườngdaođộng trong một mặt phẳng vuông góc với hướngtruyền sóng. Ánh sáng phátra từ Mặt Trời, và đa số các nguồnphát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đènnóng sáng hoặchuỳnh quang,là không phân cực,còn ánh sáng nhìn quacác thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theochiều đứng. Trongmột số trườnghợp, ánh sáng cóthể bị phân cựcelip hoặc phâncực tròn khi truyềnqua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chấtkhúc xạ kép). Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhântạo phát raánh sáng khôngkết hợp, thể hiệnnhiều mối quanhệ phagiữa các bước sóng có mặt trongquang phổ (hình 4). Trongtrườnghợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái daođộng trongtừng sóng không đồng bộ với nhau trongkhông gianhoặc thời gian. Ánhsáng kết hợp gồm cácbước sóngđồng pha với nhau,và hành xử theo kiểu rất khácvới ánh sáng khôngkết hợp đối với các tính chất quanghọc và tươngtác vớivật chất. Mặtđầu sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao độngđỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và thườnggồmánhsángđơn sắc hoặccác bước sóng có độ phân bố hẹp. laserlà nguồnphổ biến phát ra ánh sáng kếthợp. Những sóng ánhsáng có đường đi đồng trục, tươngđối không phânkì khi truyền trong không gianđược gọi là chuẩn trực. Dạng có tổ chức này của ánhsáng khôngtrải ra, haykhông phân kì, mộtmức độ đángkể trên nhữngkhoảngcách tương đối xa. Ánh sáng chuẩntrực tạo ra chùmtia rất sít sao, nhưngkhông cần thiết phải có dải bướcsóng hẹp (không cần phảiđơn sắc), mộtmối quan hệ pha chung, hoặcmột trạng tháiphân cựcđã đượcđịnhrõ. Mặt đầu sóng củaánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng vàvuông góc với trục truyền. Trái lại,ánhsángphân kì, hay không chuẩntrực, lại trải ra mộtmức độ rộng khi truyền trongkhông gian, và phải chođi qua mộtthấu kínhhoặc một lỗ nhỏ mới làm chonó chuẩn trực, hoặc hội tụ. . ánhsáng khả kiến và cực tím phátra từ Mặt Trời, các dạngkhác nhaunày của bứcxạ điện từ đều có những tính chất sóngcơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điệntừ, kể cả ánhsángkhả kiến,đều daođộng. sáng. Từ những quan sát này, ôngkết luận ánh sáng khả kiếnlà một dạng của bức xạ điện từ. Sóng điện từ dichuyển haytruyền theohướng vuông góc với hướngdao độngcủa cả vectơ điện trường (E)và từ trường. năng lượng và cường độ của bức xạ. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóngđiện từ được biểu diễn trên hình 2, minh họa tính chất sincủa các thành phần vectơ dao động điện và từ khichúng truyền