Quang học luôn là một ngành nghiên cứu dành được nhiều sự quan tâm của loài người, từ thời cổ đại xa xưa đến thời đại văn minh ngày nay. Từ thời bình minh của nhân loại, con người đã quan tâm đến sự hiện diện của các nguồn sáng, các nhà triết học Hy lạp cổ đại đã bắt đầu nghiên cứu về sự nhìn, về cách mà tia sáng truyền đi trong không gian. Họ quan niệm rằng chúng ta nhìn thấy một vật là do ánh sáng từ mắt ta đến vật đó. Họ cũng cho rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng.

Vào thế kỷ 17, văn minh Trung Đông, Hy lạp đã có rất nhiều ảnh hưởng đến các tư tưởng Châu Âu. Nhiều nhà khoa học Châu Âu lúc bấy giờ đã đưa ra nhiều lý thuyết mới để giải thích bản chất của tia sáng. Một trong những lý thuyết đó là: Tia sáng là một dòng các hạt rất nhỏ. Một trong những nhân vật ủng hộ mạnh mẽ cho lý thuyết này là Newton. Ông đã vận dụng lý thuyết này để giải thích cho sự tán sắc của một chùm sáng trắng qua lăng kính. Các tia đỏ được cấu tạo từ những hạt lớn nên chúng rất khó khăn trong việc đổi hướng, còn tia màu tím được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn nên chúng dễ dàng đổi phương. Kết quả: tia tím lệch nhiều hơn tia đỏ khi truyền qua lăng kính.

Bên cạnh lý thuyết hạt, một lý thuyết khác cũng nhận được sự quan tâm của giới khoa học lúc bấy giờ. Ánh sáng truyền trong không gian là do áp suất của nguồn sáng phát ra và được truyền trong môi trường ête, ánh sáng truyền với vận tốc vô hạn. Bất hạnh thay, rất nhiều thí nghiệm đã được thực hiện nhằm phát hiện sự tồn tại của môi trường ête nhưng đều không phát hiện được ête.

Năm 1862, thông qua nhiều thí nghiệm, Maxwell phát hiện rằng các hiện tượng điện từ có mối quan hệ với ánh sáng. Đồng thời ông cũng nhận thấy, ánh sáng truyền đi với vận tốc gần như của các sóng điện từ trong không gian. Ông tin tưởng mạnh mẽ rằng: ánh sáng có bản chất điện từ.

Sau nhiều thí nghiệm cố gắng phát hiện sự hiện diện của môi trường ête, và các thí nghiệm sóng điện từ. Giới khoa học lúc bấy giờ đồng ý rằng: ánh sáng mang bản chất sóng điện từ. Chúng truyền trong không gian, với các phương dao động của E và H vuông góc với nhau. Chúng truyền trong không gian mà không cần có môi trường vật chất nâng đỡ.

Phổ sóng điện từ là một dãy liên tục các sóng điện từ được sắp xếp dựa vào tần số (bước sóng) của chúng. Vùng ánh sáng mà chúng ta thấy được chỉ chiếm một khoảng rất nhỏ trên dãy phổ điện từ, ngoài vùng đó còn có các tia khác nhau với các đặc tính khác nhau, tùy thuộc vào tần số (bước sóng) của chúng. Có thể liệt kê như sau: Sóng vô tuyến Sóng vi ba Hông ngoại Khả kiến Cực tím Tia X Tia gamma

Tùy vào mỗi tần số khác nhau, các tia có các đặc tính khác nhau. Con người cũng sử dụng các tia với mục đích khác nhau. Trong bài seminar này, chúng ta sẽ tập trung sự chú ý đến các tia hồng ngoại và tia tử ngoại.

Năm 1800, Herschel đã thực hiện một thí nghiệm như sau: Ông muốn đo nhiệt độ ứng với mỗi màu sắc trên quang phổ liên tục của Mặt trời. Ông cho tia sáng MT qua một lăng kính để thu được một phổ liên tục, sau đó dùng một nhiệt kế đã bôi đen ở bầu để vào mỗi màu sắc trên quang phổ. Ông nhận thấy nhiệt độ của nhiệt kế tăng dần từ màu tím sang màu đỏ. Khi ông đặt nhiệt kế ra khỏi vùng nhìn thấy, ngoài vùng đỏ, ông đã nhận thấy nhiệt kế còn chỉ nhiệt độ cao hơn cả màu đỏ. Ông tin tưởng rằng phải có hiện diện một loại tia sáng nằm ngoài vùng màu đỏ mà mắt người không nhìn thấy được tia này.

Thí nghiệm này được thực hiện lại từ thí nghiệm của Herschel tại trang web http://coolcosmos.ipac.caltech.edu.

Nhiệt độ tăng dần theo màu sắc, từ xanh dương đến vùng đỏ. Nhưng bên ngoài vùng đỏ, nhiệt độ còn cao hơn. Ta có thể kết luận rằng: Còn tồn tại một loại ánh sáng mà mắt người không nhận thấy được bên ngoài vùng đỏ. Lưu ý: tại thời điểm chụp hình này, vùng màu đỏ đã hơi lấn vào nhiệt kế bên phải.

Ritter sau khi nghe khám phá của Herschel, đã tự hỏi liệu có tồn tại ánh sáng ở đầu kia của quang phổ không, vượt ngoài vùng tím. Ông đã thí nghiệm với AgCl. Đây là một chất rất dễ bị biến thành màu đen khi bị phơi sáng. Ông đã thử nghiệm tốc độ làm đen AgCl bởi các màu sắc khác nhau. Ông đã cho ánh sáng MT qua một lăng kính để thu được một phổ màu sắc. Qua thử nghiệm, ông đã nhận thấy: màu đỏ làm AgCl biến đổi ít nhất, tăng dần tới màu tím. Nhưng nếu để AgCl vượt ngoài vùng tím thì AgCl còn bị biến thành màu đen nhanh hơn nhiều. Ritter đã kết luận rằng: ngoài vùng tím, còn tồn tại một loại ánh sáng khác mà con người không nhìn thấy được.

Mắt kính của người đàn ông màu đen trong ảnh hồng ngoại cho thấy nó đã hấp thụ hoàn toàn tia hồng ngoại.

Sau khi đi qua, dấu chân hồng ngoại của ta vẫn còn lưu lại do hơi ấm của cơ thể.

Màu đen hấp thụ nhiệt lượng nhiều nhất, màu trắng ít nhất nên màu đen có nhiệt độ cao hơn màu trắng.

Qua ánh sáng khả kiến, ta không thể phát hiện ra các ngôi sao do lớp bụi dày đặc,nhưng qua tia hồng ngoại thì có thể. Nhiệt độ nước biển ở vùng xích đạo cao hơn ở vùng cực.

Ta nghiên cứu động vật thông qua tia hồng ngoại để phát hiện chúng trong đêm tối, đếm số lượng cá thể, nghiên cứu cách động vật giữ ấm bằng lông vũ, nghiên cứu hành vi của chúng mà không quấy rầy, phá rối chúng. Nơi chân phải có vết thương nên máu tụ về làm tăng nhiệt độ tại vết thương. Lúc này, chân bên trái chịu trọng lượng cơ thể nhiều hơn. Ngoài ra tia hồng ngoại còn dùng để phát hiện các bệnh nhân bị cúm khi họ nhập cảnh vào một nước nào đó, giúp chính phủ nước sở tại kiểm soát bệnh cúm.

Lính cứu hỏa, chữa lửa, quân đội có thể dùng các camera hồng ngoại từ trên trực thăng để phát hiện những nơi có nhiệt độ cao, dễ phát lửa. Trong đám cháy với khói bụi dày đặc, trong đêm tối, lực lượng cứu hộ dễ dàng phát hiện nạn nhân.

Mặt trời phát ra rất nhiều tia tử ngoại (9% quang phổ). Dùng tia tử ngoại có thể nghiên cứu sự hình thành và vận động của các ngôi sao trong các thiên hà. Trong hình màu tím xanh là ảnh chụp UV, cho thấy các ngôi sao trẻ, có khối lượng và nhiệt độ rất lớn. Trong hình màu đỏ vàng bên dưới là hình chụp vùng khả kiến, cho thấy các ngôi sao già, nhiệt độ thấp hơn. Nhờ nghiên cứu những thông tin này, các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu sự ra đời, cấu tạo và vận động của các thiên hà.

Một số loại đá sẽ phát quang khi bị chiếu tia UV. Bệnh còi xương do thiếu vitamin D (do trong khẩu phần ăn thiếu hay không được phơi nắng). Bệnh còi xương làm xương xốp và dễ biến dạng.

Loại bột này khi dính vào tay, quần áo hay người tên tội phạm sẽ phát sáng khi bị chiếu tia tử ngoại. Tờ tiền thật sẽ có đường chỉ phát sáng khi chiếu dưới tia UV.

Tàn nhang không dẫn đến ung thư da.

Tia hồng ngoại & Tia tử ngoại Infrared – Ultraviolet ThS. Trương Tinh Hà Khoa Vật Lý - Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM Website: tinhha.centea.org Email: ttinhha@yahoo.com

Nội dung trình bày Ánh sáng dưới góc nhìn của thuyết sóng điện-từ Phổ sóng điện từ Lịch sử phát hiện ra tia hồng ngoại (IR) và tử ngoại (UV) Các đặc tính của IR và UV “Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Các ứng dụng của IR và UV Sự nguy hiểm của tia UV

Nội dung trình bày (bổ sung) Củng cố SGK Vật lý 12. Hiệu ứng nhà kính (Greenhouse effect) Tầng ozon (Ozone layer)

Ánh sáng dưới góc nhìn của lý thuyết sóng điện-từ Các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các tia truyền thẳng!

Ánh sáng dưới góc nhìn của lý thuyết sóng điện-từ Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là một dòng các hạt rất nhỏ.

Ánh sáng dưới góc nhìn của lý thuyết sóng điện-từ Một số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ête.

Ánh sáng dưới góc nhìn của lý thuyết sóng điện-từ Năm 1862, Maxwell phát hiện rằng: vận tốc ánh sáng truyền đi trong không gian gần bằng vận tốc của sóng điện từ. Maxwell kết luận: Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ

Ánh sáng là sóng điện từ “This velocity is so nearly that of light that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat and other radiations) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws” Maxwell (1864)

Phổ sóng điện từ (electromagnetic spectrum) Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy chỉ chiếm một vùng rất nhỏ trong phổ sóng điện từ, bên ngoài vùng nhìn thấy còn có nhiều tia khác.

Phổ sóng điện từ

Lịch sử phát hiện ra tia hồng ngoại Năm 1800, William Herschel đã phát hiện sự hiện diện của một loại tia nằm ngoài vùng màu đỏ của ánh sáng khả kiến, mắt người không nhìn thấy nhưng chúng có hiện diện. Ngày nay, tia này được gọi là tia hồng ngoại.

Lịch sử phát hiện ra tia hồng ngoại Thí nghiệm phát hiện được thực hiện tương tự như sau: Cho ánh sáng mặt trời đi qua một lăng kính. Phía sau lăng kính đặt các nhiệt kế đã bôi đen để hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời.

Lịch sử phát hiện ra tia hồng ngoại Điều chỉnh nhiệt kế để vùng quang phổ chiếu lên bầu của mỗi nhiệt kế. Tại vùng tím-xanh: 1 nhiệt kế Vùng vàng: 1 nhiệt kế Ngoài vùng đỏ: 1 nhiệt kế. Sau thời gian từ 1 đến 3 phút ta sẽ nhận được kết quả như hình dưới

Lịch sử phát hiện ra tia hồng ngoại Kết quả là: Khi để trong bóng râm, nhiệt độ của cả 3 nhiệt kế là 76oF. Sau 3 phút: Nhiệt kế trái: 80oF Nhiệt kế giữa:83oF Nhiệt kế phải: 86oF Kết luận: Phải có một loại ánh sáng tồn tại ngoài vùng đỏ mà chúng ta không thấy chúng

Lịch sử phát hiện ra tia tử ngoại Năm 1801, Johann Wilhelm Ritter nhờ vào các phản ứng hóa học đã khám phá ra một loại ánh sáng nằm ngoài vùng màu tím của quang phổ mặt trời. Ngày nay, tia này được gọi là tia tử ngoại.

Lịch sử phát hiện ra tia tử ngoại Lắp đặt một hộp bìa carton, một lăng kính, một tờ giấy trắng để bên dưới hộp như trong hình Điều chỉnh lăng kính sau cho được một quang phổ rõ, đẹp và rộng nhất.

Lịch sử phát hiện ra tia tử ngoại Cẩn thận đặt dưới đáy hộp một tờ giấy blueprint với mặt có màu quay lên. Không để tờ giấy blueprint bị phơi sáng Dùng bút đánh dấu vị trí vùng quang phổ, ký hiệu vùng đỏ và tím.

Lịch sử phát hiện ra tia tử ngoại Phơi tờ giấy blueprint trong vòng 30 giây rồi đem vào trong mát (trong lúc lấy tờ giấy ra khỏi hộp, tránh để nó bị phơi sáng). Đem tờ giấy vào trong mát và hơ mặt phía không bị phơi sáng vào dung dịch amoniac (tránh hít khói amoniac). Ta sẽ được kết quả như hình bên. Hãy nhận xét

Đặc tính của tia hồng ngoại và tia tử ngoại Tia hồng ngoại là sóng điện từ có bước sóng từ: 0,76.10-6m ÷ 10-3m (0,76m ÷ 1mm) Tia tử ngoại là sóng điện từ có bước sóng từ: 150.10-10m ÷ 0,4.10-6m (150Ao ÷ 4000Ao) Ánh sáng Mặt trời tới Trái đất dưới 3 dạng: tia hồng ngoại (nhiệt), ánh sáng khả kiến, tia tử ngoại.

Đặc tính của tia hồng ngoại (1) Tác dụng nổi bật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt (tia nhiệt). Mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 K đều bức xạ tia hồng ngoại: cơ thể người, bóng đèn dây tóc nóng sáng, Mặt trời, vật có nhiệt độ,… Độ dài sóng (tần số) bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Để phát hiện ra tia hồng ngoại người ta dùng các loại phim hồng ngoại, camera hồng ngoại.

Đặc tính của tia hồng ngoại (2) Phần lớn vật liệu ngăn cản tia sáng thường thì cũng ngăn được tia hồng ngoại: gỗ, giấy, kim loại,… Nhưng cũng có một số vật liệu ngăn được tia sáng thường nhưng không ngăn được tia hồng ngoại và ngược lại như: thủy tinh, GaAs,… Ánh sáng thường không thể xuyên qua các lớp sương mù, khói, mây dày đặc nhưng tia hồng ngoại có thể. Tia hồng ngoại đóng vai trò lớn trong hiệu ứng nhà kính.

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Chúng ta hãy cùng nhìn thế giới thường ngày qua cái nhìn hồng ngoại! Hãy chú ý sự khác biệt về màu sắc!

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Cốc nào chứa nước nóng, cốc nào chứa nước lạnh?

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Hình chụp hồng ngoại của một chú chó. Hãy chú ý những nơi có màu sáng

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Hình chụp hồng ngoại một con mèo, một con gà và một con heo. Hãy chú ý những nơi có màu sáng

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Hình chụp hồng ngoại một con cá sấu và một người đang giữ nó. Bạn có nhận xét gì về sự khác biệt giữa hình chụp con cá sấu và người đang giữ nó? Câu trả lời: động vật máu lạnh và động vật máu nóng!

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Hình chụp hồng ngoại một con tắc kè! Sự khác biệt giữa động vật máu lạnh và động vật máu nóng thể hiện rõ nét thông qua hai hình bên dưới!

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Hình chụp hồng ngoại một người đàn ông với một cánh tay giấu trong một túi nylon đen. Hãy chú ý đến cánh tay và đôi mắt kính trong ảnh hồng ngoại.

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” “Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy”!

“Nhìn thấy” thông qua cái “không nhìn thấy” Các màu sắc khác nhau thì hấp thụ lượng nhiệt khác nhau. Hãy chú ý đến màu đen và màu trắng! Bạn đã biết lý do người ta thường mặc đồ màu sáng khi trời nắng ? Các bộ tộc ở sa mạc thường hay mặc đồ màu trắng!

Các ứng dụng của tia hồng ngoại (1) Tia hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau: Thiên văn học, hải dương học, nghiên cứu khí hậu,…

Các ứng dụng của tia hồng ngoại (2) Nghiên cứu động vật, y học,…

Các ứng dụng của tia hồng ngoại (3) Tìm kiếm, cứu nạn, chữa cháy, dẫn đường, quân sự, công nghệ thực phẩm, cơ khí kỹ thuật, …

Đặc tính của tia tử ngoại (1) Thông thường, người ta chia làm 3 vùng tử ngoại: UV-A: (3150 ÷ 4000Ao): gây cháy nắng,.. UV-B: (2800 ÷ 3150Ao): gây ung thư da,… UV-C: (150 ÷ 2800 Ao): bị hấp thụ bởi bầu khí quyển,… Mặt trời, các vì sao có nhiệt độ cao, các đèn thủy ngân, hồ quang điện đều là các nguồn phát tia tử ngoại thường gặp. Tia tử ngoại bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thường nhưng không bị hấp thụ bởi thạch anh.

Đặc tính của tia tử ngoại (2) Tia tử ngoại có thể làm ion hóa chất khí, làm phát quang một số chất (khoáng thạch, thuốc nhuộm, vitamin,…), diệt vi khuẩn, thúc đẩy các phản ứng quang hợp, quang hóa,… Các loài chim, ong, côn trùng, bướm có thể nhìn thấy tia tử ngoại. Phần lớn tia tử ngoại đến từ Mặt trời bị chặn lại bởi bầu khí quyển của Trái đất, nhưng hiện nay con người đang làm thủng tấm lá chắn này (lổ thủng tầng ozon).

Các ứng dụng của tia tử ngoại (1) Tia tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong đời sống và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực thiên văn học:

Các ứng dụng của tia tử ngoại (2) Trong y học, khử trùng các dụng cụ y tế, nước, không khí, chữa bệnh, nghiên cứu khoáng thạch,…

Các ứng dụng của tia tử ngoại (3) Trong công nghệ thực phẩm, phòng chống tội phạm, phát hiện các khiếm khuyết trên sản phẩm, trong công nghệ sản xuất mạch in, chế tạo đèn huỳnh quang,……

Sự nguy hiểm của tia tử ngoại Mặc dù phần lớn tia tử ngoại đã bị hấp thụ bởi bầu khí quyển của Trái đất nhưng vẫn có tia tới được bề mặt Trái đất. Các tia này sẽ gây ra những nguy hiểm cho sức khỏe con người như cháy nắng, tàn nhang, ung thư da, mù mắt, thay đổi cấu trúc ADN,… Tuyết phản xạ 90% tia UV, cát phản xạ 20% tia UV-B bạn sẽ bị nguy hiểm hơn trong những ngày trượt tuyết hay phơi nắng ở bãi biển Hãy sử dụng mắt kính và kem chống nắng.

Củng cố SGK Vật lý 12 Vì sao thân thể người ở nhiệt độ 37oC phát ra các tia hồng ngoại mạnh nhất có bước sóng ở vùng 9μm? Vật có nhiệt độ 500oC phát xạ mạnh nhất ở vùng 3,7μm?

Tài liệu tham khảo Quang học-Nguyễn Trần Trác-Diệp Ngọc Anh Sách giáo khoa Vật lý 12 Atlas de la Physique-La Pochothèque Microsoft Encarta Reference Library -2004 Websites: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu www.howstuffworks.com http://imagers.gsfc.nasa.gov http://www.smgaels.org/physics/uv_1.htm