Nguồn gốc ánh sáng khả kiến

Nguồn phát ánh sáng khả kiến


Ánh sáng khả kiến bao gồm chỉ một phần rất nhỏ của toàn bộ phổ bức xạ điện từ,
nhưng nó chứa vùng tần số duy nhất mà các tế bào hình que và hình nón của mắt
người phản ứng được. Bước sóng mà con người bình thường có thể nhìn thấy được
nằm trong một vùng rất hẹp, khoảng chừng giữa 400 và 700 nanomét. Con người
có thể quan sát và phản ứng lại sự kích thích tạo ra bởi ánh sáng khả kiến là do mắt
người có những đầu dây thần kinh đặc biệt nhạy với vùng tần số này. Tuy nhiên,
phần còn lại của phổ điện từ thì không nhìn thấy được.

Có rất nhiều nguồn phát ra bức xạ điện từ, và người ta thường phân loại theo phổ
bước sóng mà các nguồn phát ra. Các sóng vô tuyến tương đối dài được tạo ra bởi
dòng điện chạy trong các ănten phát thanh truyền hình khổng lồ, còn sóng ánh sáng
khả kiến ngắn hơn nhiều được tạo ra bởi những xáo trộn trạng thái năng lượng của
các electron tích điện âm bên trong nguyên tử. Dạng ngắn nhất của bức xạ điện từ,
sóng gamma, là kết quả của sự phân rã các thành phần hạt nhân ở tâm nguyên tử.
Ánh sáng mà con người có thể nhìn thấy (hình 1) thường là tập hợp nhiều bước
sóng có thành phần thay đổi tùy theo nguồn phát.
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta bị “oanh tạc” dữ dội bởi phổ bức xạ điện từ,
chỉ một phần nhỏ của nó chúng ta mới thực sự “nhìn thấy” dưới dạng ánh sáng khả
kiến. Khi mạo hiểm bước ra ngoài trời thì một lượng khủng khiếp ánh sáng khả
kiến đập vào người chúng ta được phát ra từ Mặt Trời; Mặt Trời cũng tạo ra nhiều
tần số bức xạ khác không rơi vào vùng khả kiến. Còn khi ở trong nhà, chúng ta lại
tắm mình trong ánh sáng khả kiến phát ra từ các nguồn sáng nhân tạo, chủ yếu là
bóng đèn volfram nóng sáng và đèn huỳnh quang.
Ban đêm, ánh sáng tự nhiên được tạo ra bởi các thiên thể, như Mặt Trăng, các hành
tinh và các sao, ngoài ra còn có cực quang định kì (ánh sáng phương Bắc), và thỉnh
thoảng có sao chổi hoặc sao băng. Những nguồn sáng tự nhiên khác gồm có tia
chớp, núi lửa, lửa cháy rừng, cộng với một số nguồn phát sáng hóa sinh (phát
quang sinh học). Các nguồn sáng sinh học gồm có ánh chớp lập lòe của đom đóm

quá đỗi quen thuộc, và lung linh huyền ảo trên biển có các loài phát quang sinh học
như một số vi khuẩn, tảo, trùng roi, sứa, và một số loài cá.

Bảng 1 liệt kê sự phân bố màu sắc rạch ròi được nhận ra bởi con người đối với một
số dải bước sóng hẹp trong phổ ánh sáng khả kiến. Việc liên hệ các màu nhất định
với vùng bước sóng cho phép phân biệt giữa các sắc thái, màu sắc và bóng tối. Có
thể nhiều sự phân bố phổ khác nhau cùng tạo ra cảm giác màu giống nhau (một
hiện tượng được biết với cái tên đồng phân dị vị). Ví dụ, cảm giác màu vàng có thể
gây ra bởi một bước sóng ánh sáng, chẳng hạn 590nm, hoặc có thể là kết quả của
việc nhìn hai lượng ánh sáng bằng nhau có bước sóng riêng, ví dụ 580nm và
600nm. Cũng có thể xem màu vàng là một phân bố hẹp gồm toàn bộ các bước sóng
nằm giữa 580nm và 600nm. Đối với hệ thị giác của con người, bước sóng giữ vai
trò đó cho mọi màu sắc trong phổ khả kiến. Những nghiên cứu gần đây cho thấy
một số loài (nhất là chim chóc) có thể phân biệt giữa các màu nhận được giống như
con người.
Các nguồn nóng sáng
Loài người buổi đầu đã không có các nguồn sáng chắc chắn suốt những đêm
trường, nhưng họ thỉnh thoảng có thể tìm thấy và thu thập những thanh gỗ đang
cháy từ những đống lửa trong bụi rậm và rồi giữ lửa cháy rực trong một trại lửa
trong một thời gian ngắn. Theo tri thức tiến bộ thì loài người đã phát hiện thấy tia
lửa điện, và sau đó là lửa có thể phát ra bằng cách cọ xát những loại đá nhất định
lên nhau (ví dụ như đá lửa và sắt pirit) hoặc bằng cách chà xát linh hoạt gỗ với gỗ.
Một khi đã làm chủ được các kĩ thuật này, người ta có thể tạo ra bất cứ khi nào
người ta muốn.
Khi lửa cháy, năng lượng hóa học được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.
Nhiên liệu cháy, hoặc là cỏ, gỗ, dầu, hoặc là một số chất dễ bắt lửa khác, phát ra
chất khí bị đun nóng bởi năng lượng hóa học khổng lồ phát sinh trong quá trình
cháy, làm cho các nguyên tử trong chất khí rực lên hoặc nóng sáng. Các electron
trong nguyên tử chất khí nhày lên mức năng lượng cao bởi kích thích nhiệt, và ánh
sáng được giải phóng dưới dạng photon khi các electron rơi xuống trạng thái cơ

bản của chúng. Màu của ngọn lửa là một dấu hiệu của nhiệt độ và lượng năng
lượng được giải phóng. Ngọn lửa màu vàng đục thì lạnh hơn nhiều so với ngọn lửa
màu xanh chói, nhưng thậm chí ngọn lửa lạnh nhất thì vẫn còn rất nóng (chừng 350
độ C).

Mặc dù nhựa thuốc lá và giẻ rách được dùng để tạo ra những bó đuốc sơ khai,
nhưng bước tiến thiết thực đầu tiên trong việc điều khiển lửa chỉ xuất hiện khi đèn
dầu được phát minh. Những ngọn đèn sơ khai đã hơn 15.000 năm tuổi (hình 2)
được phát hiện, làm từ đá và mai động vật, chúng đốt cháy mỡ động vật và dầu
thực vật. Trước khi đèn khí được phát minh, có một nhu cầu khủng khiếp về dầu
động vật. Nguồn cấp chủ yếu loại dầu này là mỡ động vật khai thác từ việc nấu sôi
các mô chất béo lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu. Đèn dầu sau
cùng tiến hóa thành những ngọn nến, chế tạo bằng cách đúc mỡ động vật hoặc sáp
ong đông cứng, như minh họa trong hình 2. Những ngọn nến buổi đầu phát ra một
chút khói, nhưng không sáng lắm. Cuối cùng, người ta phát hiện thấy sáp parafin,
khi đổ khuôn thích hợp với một bấc vải dễ thấm, sinh ra ngọn lửa tương đối sáng
mà không có lượng khói đáng kể.
Trong thế kỉ 19, việc thắp đèn khí thiên nhiên trở nên phổ biến ở nhiều đô thị chính
tại châu Âu, châu Á và Mĩ. Những ngọn đèn khí buổi đầu hoạt động bằng cách tạo
ra một dòng khí cháy (một việc làm khá nguy hiểm), còn các mẫu đèn sau này
được lắp thêm măng sông, hoặc một mạng vải mịn đã qua xử lí hóa học, chúng làm
phân tán ngọn lửa và phát ra ánh sáng sáng hơn nhiều.
Các nhà hiển vi học buổi đầu sử dụng nến, đèn dầu, và ánh sáng Mặt Trời tự nhiên
để cung cấp sự chiếu sáng cho các hệ quang cụ tương đối thô trong kính hiển vi
của họ. Các nguồn sáng ban sơ này chiếu sáng không đều, khi lập lòe, khi bùng
phát rực rỡ, và thường tiềm ẩn mối nguy hiểm về lửa. Ngày nay, các bóng đèn
nóng sáng cường độ cao đế bằng volfram là nguồn sáng chủ yếu dùng trong kính
hiển vi hiện đại và chiếm đa số trong các hệ thống chiếu sáng gia đình.

Hình 3 biểu diễn các đường cong phân bố phổ biểu thị năng lượng tương đối theo

bước sóng đối với một vài nguồn khác nhau phát ra ánh sáng trắng (là sự pha trộn
của tất cả hay đa số màu trong phổ khả kiến). Đường cong màu đỏ biểu diễn năng
lượng tương đối của ánh sáng đèn volfram trên toàn bộ phổ khả kiến. Như đã được
chỉ rõ trong hình, năng lượng ánh sáng đèn volfram tăng khi bước sóng tăng. Kết
quả này ảnh hưởng đến nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng thu được, đặc biệt
khi so sánh với nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng Mặt Trời và ánh sáng huỳnh
quang (đèn hơi thủy ngân). Đường cong phổ màu vàng mô tả sự phân bố ánh sáng
khả kiến từ phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên phản xạ bởi Mặt Trăng. Dưới những
điều kiện bình thường, ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều năng lượng nhất, nhưng
đường cong minh họa trong hình 3 đã được làm cho bình thường với phổ đèn
volfram để tiện so sánh. Đường cong màu xanh đậm đặc trưng cho đèn hơi thủy
ngân, và biểu hiện một vài chênh lệch đáng kể với phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên
và đèn volfram. Một số cực đại năng lượng có mặt trong phổ đèn hơi phóng điện
xuất hiện là kết quả của từng đường phổ chồng lên nhau phát sinh từ hơi thủy
ngân.
Phổ ánh sáng khả kiến tạo ra bởi một diode phát quang (LED) phát ra ánh sáng
trắng được biểu diễn bằng đường cong màu xanh lá trong hình 3. Diode phát quang
là dụng cụ vốn dĩ đơn sắc, với màu sắc được xác định bởi dải khe giữa các chất
liệu bán dẫn khác nhau dùng chế tạo nên diode. Diode phát sáng đỏ, xanh lá, vàng
và xanh dương là phổ biến, và được sử dụng rộng rãi làm ánh sáng chỉ báo cho
máy tính và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác, như máy thu radio, máy thu truyền
hình, máy hát đĩa compact, máy ghi đĩa, và máy hát đĩa kĩ thuật số. LED phát ánh
sáng trắng được chế tạo từ diode xanh gallium nitride bằng cách phủ ngoài chất
bán dẫn lớp chất phôtpho, chất này phát ra một phạm vi rộng bước sóng khả kiến
khi bị kích thích bởi ánh sáng phát ta từ diode xanh. Phổ laser, thu được từ laser
diode hoặc laser khí, rất hẹp, thường bao gồm chỉ một hoặc vài ba bước sóng nhất
định. Ví dụ minh họa trong hình 3 (đường cong màu xanh lá mạ) là cho laser diode
bán dẫn dòng điện thấp có ích trong nhiều ứng dụng đa dạng, như đọc mã vạch và
kiểm tra dữ liệu đĩa quang.
Nguồn sáng volfram thường được gọi là nóng sáng, vì chúng phát ra ánh sáng khi

bị đun nóng bởi năng lượng điện. Dây tóc của các bóng đèn hiện đại thường làm
bằng volfram, một kim loại có hiệu suất phát sáng tương đối hiệu quả khi bị đun
nóng điện trở bằng dòng điện. Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ
quang carbon do Humphry Davy phát minh, chúng tạo ra ánh sáng bằng sự phóng
điện hồ quang giữa hai que than (hoặc các điện cực dây tóc) khi thiết đặt một hiệu
điện thế giữa các điện cực. Rốt cuộc, đèn hồ quang carbon đã mang tới những
chiếc đèn đầu tiên sử dụng dây tóc carbon chứa trong một vỏ bao thủy tinh hàn kín.
Dây tóc volfram, được sử dụng trước tiên vào năm 1910 bởi William David
Coolidge, bốc hơi chậm hơn nhiều so với sợi carbon có nguồn gốc cotton khi bị
nung nóng trong chân không của vỏ thủy tinh. Dây tóc hoạt động như một điện trở
đơn giản, và phát ra một lượng đáng kể ánh sáng, ngoài năng lượng nhiệt phát sinh
bởi dòng điện.
Đèn volfram nóng sáng là vật bức xạ nhiệt phát ra phổ ánh sáng liên tục trải rộng
từ khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại.
Cấu trúc, việc chế tạo và hoạt động của chúng rất đơn giản, và có rất nhiều chủng
loại đèn này được dùng làm nguồn nóng sáng. Loại đèn tiêu biểu gồm một bóng
thủy tinh hàn kín (xem hình 4), bên trong chứa đầy một chất khí trơ, và một sợi dây
tóc bằng volfram hoạt động mạnh mẽ khi có dòng điện đi qua. Bóng đèn tạo ra một
lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ chiếm có 5 đến 10% tổng năng
lượng mà chúng phát ra.
Đèn volfram có xu hướng kém tiện lợi, ví dụ như cường độ của nó giảm theo tuổi
thọ và nó làm đen vỏ đựng bên trong do volfram bốc hơi chậm lắng trở lại thủy
tinh. Nhiệt độ màu và độ chói của đèn volfram biến thiên theo hiệu điện thế áp
dụng, nhưng giá trị trung bình cho nhiệt độ màu biến thiên trong khoảng từ 2200K
đến 3400K. Nhiệt độ bề mặt của dây tóc volfram lúc hoạt động rất cao, thường
trung bình khoảng 2550 độ C đối với một bóng đèn thương mại chuẩn 100 watt.
Đôi khi bên trong bóng đèn volfram chứa các chất khí quý tộc như krypton hoặc
xenon (chất khí trơ), chúng là một sự chọn lựa nhằm tạo ra chân không để bảo vệ
dây tóc volfram nóng bỏng. Các chất khí này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng