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.