Phổ điện từ – Wikipedia tiếng Việt

Phổ điện từ, hay còn được gọi là quang phổ, là dải tất cả các tần số có thể có của bức xạ điện từ.[1] “Phổ điện từ” của một đối tượng là phân bố đặc trưng của bức xạ điện từ phát ra hoặc hấp thụ bởi các đối tượng cụ thể.

Phổ điện từ lê dài từ tần số thấp dùng cho liên lạc vô tuyến văn minh tới bức xạ gamma ở cuối bước sóng ngắn ( tần số cao ), do đó phổ điện từ bao trùm những bước sóng từ hàng ngàn km đến một phần kích cỡ của một nguyên tử. Lý do cho điều này là vì phổ điện từ được nghiên cứu và điều tra rất nhiều dùng cho kính quang phổ dùng để nghiên cứu và phân tích vật chất. [ 2 ] Giới hạn của bước sóng dài là size của bản thân ngoài hành tinh, trong khi số lượng giới hạn của bước sóng ngắn là trong vùng lân cận của độ dài Planck, [ 3 ] mặc dầu về nguyên tắc phổ là vô hạn và liên tục .

Trong lịch sử, ánh sáng chỉ được biết đến là một phần của phổ điện từ. Người Hy Lạp cổ đại công nhận ánh sáng truyền theo đường thẳng và nghiên cứu một số thuộc tính của nó, bao gồm cả phản xạ và khúc xạ. Qua nhiều năm nghiên cứu liên tục về ánh sáng và trong thế kỷ 16, 17 đã có những lý thuyết mâu thuẫn coi ánh sáng có tính chất sóng hay hạt. Ánh sáng lần đầu tiên được liên kết với điện từ vào năm 1845 khi Michael Faraday nhận thấy ánh sáng phản ứng với từ trường. Phát hiện đầu tiên về tính chất sóng điện từ của ánh sáng là vào năm 1800, khi William Herschel phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại. Ông đã nghiên cứu nhiệt độ màu sắc khác nhau bằng cách di chuyển một nhiệt kế qua ánh sáng bị chia qua một lăng kính. Ông nhận thấy rằng nhiệt độ cao nhất là khi vượt quá màu đỏ. Ông đưa ra giả thuyết có ‘ánh sáng’ mà mắt người không thể nhìn thấy. Năm 1801, Johann Ritter nghiên cứu ở phía đầu kia của quang phổ và thấy rằng có ‘các tia hóa học’ cũng có hành vi tương tự, nhưng xa hơn nữa, tia sáng có thể nhìn thấy màu cực tím. Sau đó họ đổi tên thành bức xạ cực tím. Trong thập niên 1860 James Maxwell nghiên cứu trường điện từ và phát hiện chúng truyền ở gần vận tốc ánh sáng. Ông đã đưa ra 4 phương trình vi phân để giải thích mối tương quan này. Những phương trình này dự đoán nhiều tần số của sóng điện từ truyền với vận tốc ánh sáng. Để chứng minh các phương trình của Maxwell, năm 1886 Heinrich Hertz đã chế tạo một cỗ máy để tạo và phát hiện sóng vô tuyến. Ông có thể quan sát thấy chúng truyền ở vận tốc ánh sáng và có thể bị phản xạ và khúc xạ. Trong một thí nghiệm sau đó, ông đã tạo ra và đo được vi sóng. Những sóng mới này đã mở đường cho các phát minh như điện báo không dây và vô tuyến. Năm 1895 Wilhelm Röntgen phát hiện một loại bức xạ mới khi đang làm một thí nghiệm. Ông gọi đó tia X và nhận thấy chúng có thể truyền xuyên qua cơ thể người, nhưng lại bị các vật chất đặc phản xạ, ví dụ như xương. Sau này tia X được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực y học. Phần cuối cùng của phổ điện từ được điền đầy với việc phát hiện ra tia gamma. Năm 1900 Paul Villard nghiên cứu phóng xạ. Đầu tiên ông nghĩ rằng chúng là các hạt tương tự như các hạt alpha và beta. Tuy nhiên, năm 1910 Ernest Rutherford đo bước sóng của chúng và thấy rằng chúng là sóng điện từ.

Sóng điện từ thường được mô tả bởi ba tính chất vật lý bất kỳ sau: tần số f, bước sóng λ, hoặc năng lượng photon E. Dải tần số từ 24×1023 Hz (1 GeV tia gamma) xuống tần số plasma cục bộ của môi trường giữa các nguyên tử bị ion hóa (~1 kHz). Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số,[2] do đó tia gamma có bước sóng rất ngắn là phân số của kích thước nguyên tử, trong khi các bước sóng có thể dài bằng vũ trụ. Năng lượng photon tỉ lệ thuận với tần số sóng, do đó tia gamma có năng lượng cao nhất (khoảng một tỉ electronvolt) và sóng vô tuyến có năng lượng rất thấp (khoảng một femtô electronvolt). Các mối quan hệ được minh họa bằng các phương trình sau:

f = c λ, or f = E h, or E = h c λ, { \ displaystyle f = { \ frac { c } { \ lambda } }, \ quad { \ text { or } } \ quad f = { \ frac { E } { h } }, \ quad { \ text { or } } \ quad E = { \ frac { hc } { \ lambda } }, }

ở đây :

• c =

  299792458 m/s

  là vận tốc ánh sáng trong chân không

• h =

  662606896(33)×10−34 J s

  =

  413566733(10)

  ×

  Xem thêm: 6.2 Nguyên tử hidro trường hợp tổng quát – Vật lý mô phỏng

  10−15 eV s

  là hằng số Planck.[7]

Bất cứ khi nào sóng điện từ tồn tại trong một môi trường vật chất, thì bước sóng của chúng sẽ giảm. Bước sóng của bức xạ điện từ, không bị ảnh hưởng bởi môi trường mà chúng truyền qua, thường được trích dẫn về mặt bước sóng chân không, mặc dù điều này không phải lực nào cũng quy định rõ ràng.

Nói chung, bức xạ điện từ được phân loại thành những bước sóng với : sóng vô tuyến, vi ba, bức xạ terahertz ( hay dưới mm ), hồng ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, cực tím, tia X và tia gamma. Việc bức xạ EM phụ thuộc vào vào bước sóng của nó. Khi bức xạ EM tương tác với một nguyên tử và phân tử, hành vi của nó cũng phụ thuộc vào vào năng lượng trên mỗi lượng tử ( photon ) mà nó mang theo .Quang phổ hoàn toàn có thể phát hiện một vùng lớn phổ EM hơn dải ánh sáng nhìn thấy từ 400 nm đến 700 nm. Một phòng thí nghiệm quang phổ thông thường hoàn toàn có thể phát hiện bước sóng từ 2 nm tới 2500 nm. tin tức cụ thể về đặc thù vật lý của đối tượng người tiêu dùng, khí hay thậm chí còn ngôi sao 5 cánh cũng hoàn toàn có thể thu được nhờ loại thiết bị này. Kính quang phổ được dùng thoáng rộng trong vật lý học thiên thể. Ví dụ, rất nhiều nguyên tử hydro phát ra một photon sóng vô tuyến có bước sóng 21,12 cm. Ngoài ra, tần số 30 Hz và thấp hơn hoàn toàn có thể tạo ra và rất quan trọng trong điều tra và nghiên cứu những sao tinh vân nhất định [ 8 ] và tần số cao như 29 × 1027 Hz đã được phát hiện từ những nguồn vật lý thiên văn. [ 9 ]

Cơ sở lý luận[sửa|sửa mã nguồn]

Bức xạ điện từ tương tác với vật chất theo những cách khác nhau trong những phần khác nhau của phổ. Các kiểu tương tác hoàn toàn có thể khác nhau mà nó có vẻ như là hài hòa và hợp lý để tham chiếu tới những kiểu bức xạ khác nhau. Đồng thời, có một sự liên tục gồm toàn bộ những ” loại khác nhau ” của bức xạ điện từ. Vì vậy tất cả chúng ta xem xét phổ, nhưng phân loại dựa trên sự tương tác với vật chất khác nhau .

Các kiểu bức xạ[sửa|sửa mã nguồn]

Phổ điện từCác kiểu bức xạ điện từ được sắp xếp thành những lớp sau : [ 2 ]
Sự phân loại này theo thứ tự tăng dần của bước sóng, đó là đặc trưng của kiểu bức xạ. [ 2 ] Trong khi đó nói chung, điểu đồ phân loại là đúng chuẩn, trong thực tiễn thường có 1 số ít chồng chéo giữa những kiểu năng lượng điện từ lân cận. Ví dụ, sóng vô tuyến SLF ở tần số 60 Hz hoàn toàn có thể thu được và điều tra và nghiên cứu bởi những nhà thiên văn học, hoặc hoàn toàn có thể đưa vào dây như dòng điện. Phân biệt tia X và tia gamma dựa vào nguồn bức xạ : tia gamma được tạo ra từ sự phân rã hạt nhân hoặc hạt nhân khác và những quy trình hạt / dưới hạt nhân, trong khi tia X được tạo bởi quy trình chuyển đổi điện tử tương quan đến những electron bên trong nguyên tử có năng lượng cao. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Nói chung, quy đổi hạt nhân có nhiều năng lượng hơn chuyển đổi điện tử, tia gamma có nhiều năng lượng hơn tia X, nhưng có những trường hợp ngoại lệ vẫn sống sót. Bằng cách tựa như với chuyển đổi điện tử, quy đổi hạt nhân ngoại lai cũng tạo ra tia X, dù năng lượng của chúng hoàn toàn có thể vượt quá 6 mêga electronvôn ( 0,96 pJ ), [ 14 ] trong khi nhiều quy đổi hạt nhân khác ( 77 quy đổi có năng lượng 10 keV ( 1,6 fJ ) ) lại có năng lượng thấp ( ví dụ quy đổi hạt nhân của thorium – 229 sinh ra năng lượng là 7,6 eV ( 1,22 aJ ) ) và năng lượng ít hơn 1 triệu lần so với tia X ngoại lai, những photon phát ra vẫn được gọi là tia gamma do nguồn gốc hạt nhân của chúng. [ 15 ]Ngoài ra những vùng quang phổ của bức xạ điện từ đơn cử phụ thuộc vào hệ quy chiếu ( do hiệu ứng Doppler so với ánh sáng ), nên bức xạ EM mà một quan sát nằm trong một vùng của quang phổ hoàn toàn có thể Open tới một quan sát hoạt động với một phần đáng kể tốc độ ánh sáng so với quan sát tiên phong cũng là một phần khác của quang phổ. Ví dụ, hãy xem xét bức xạ phông vi sóng ngoài hành tinh. Nó được tạo ra khi vật chất và bức xạ tách riêng, bằng cách kích thích nguyên tử hydro tới trạng thái cơ bản. Những photon từ quy đổi chuỗi Lyman, được đặt trong phần tia cực tím ( UV ) của phổ điện từ. Bây giờ bức xạ này đi qua đủ di dời đỏ ngoài hành tinh để đưa nó vào vùng vi ba của quan phổ, rồi quan sát hoạt động chậm ( so với tốc độ ánh sáng ) so với ngoài hành tinh. Tuy nhiên, với những hạt hoạt động cận tốc độ ánh sáng, bức xạ này sẽ có vận động và di chuyển xanh trong phần còn lại. Các proton tia vũ trụ năng lượng cao nhất chuyển dời như vậy, trong phần còn lại của hệ quy chiếu, bức xạ này được di dời xanh thành tia gamma năng lượng cao, tương tác với proton để tạo ra cặp ràng buộc quark-phản quark ( pion ). Đây là số lượng giới hạn GZK .

Tần số vô tuyến[sửa|sửa mã nguồn]

Sóng vô tuyến thường dùng những anten có size thích hợp ( nguyên nguyên tắc cộng hướng ), với bước sóng khác nhau, từ hàng trăm mét tới khoảng chừng 1 mm. Chúng được dùng để truyền tài liệu, qua điều chế. Truyền hình, điện thoại di động, mạng không dây và vô tuyến nghiệp dư đều dùng sóng vô tuyến. Việc dùng phổ vô tuyến được lao lý bởi những chính phủ nước nhà trải qua việc phân chia tần số .Sóng vô tuyến hoàn toàn có thể được tạo ra để mang thông tin bằng cách biến hóa một sự tích hợp của biên độ, tần số và pha của sóng với một dải tần số. Khi bức xạ EM có tác động ảnh hưởng tới một dây dẫn, nó ghép thành cặp với dây dẫn, truyền đi cùng dây dẫn và gây ra một dòng điện cảm ứng trên mặt phẳng của dây dẫn đó bằng cách kích thích những điện tử của vật tư dây dẫn. Hiệu ứng này được sử dụng trong những anten ( hiệu ứng mặt phẳng ) .
Hệ số truyền khí quyển Trái Đất ( hay độ chắn ) với những bước sóng khác nhau của bức xạ điện từ .Tần số siêu cao ( SHF ) và tần số cực kỳ cao ( EHF ) của vi ba nằm phía sau sóng vô tuyến. Vi ba là sóng thường là ngắn để để sử dụng những ống dẫn sóng kim loại hình ống có đường kính hài hòa và hợp lý. Năng lượng vi ba được tạo ra với những đèn klystron và magnetron, và bằng điốt bán dẫn như những điốt Gunn và IMPATT. Vi ba được hấp thụ bởi những phân tử có mô-men lưỡng cực trong chất lỏng. Trong một số ít lò vi sóng, hiệu ứng này giúp cho thức ăn nóng lên. Bức xạ vi ba cường độ thấp dùng trong Wi-Fi .

Bức xạ terahertz[sửa|sửa mã nguồn]

Bức xạ terahertz là một vùng của phổ giữa vi ba và hồng ngoại xa. Cho đến gần đây, những điều tra và nghiên cứu về bức xạ này mới được triển khai nhiều, ứng dụng cho hình ảnh và thông tin liên lạc. Các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ tiên tiến terahertz cho quân đội, sóng tần số cao được dùng để vô hiệu hóa thiết bị điện tử của đối phương. [ 16 ]

Bức xạ hồng ngoại[sửa|sửa mã nguồn]

Phần hồng ngoại của phổ điện từ nằm trong dải tần 300 GHz ( 1 mm ) tới 400 THz ( 750 nm ). Nó hoàn toàn có thể được chia thành 3 phần nhỏ : [ 2 ]

• Hồng ngoại xa, từ 300 GHz (1 mm) tới 30 THz (10 μm). Phần thấp hơn của dải tần này có thể được gọi là vi ba. Bức xạ này thường bị hấp thụ bởi chế độ quay trong các phân tử khí, chuyển động phân tử trong chất lỏng và bởi phonon trong chất rắn. Nước trong khí quyển Trái Đất cũng hất thụ rất mạnh dải tần này. Tuy nhiên vẫn có một vài bước sóng nhất định trong dải tần này dùng cho thiên văn học. Dải bước sóng khoảng 200 μm tới vài mm thường được gọi là hạ-mm trong thiên văn học, nên hồng ngoại xa được đặt vào bước sóng dưới 200 μm.
• Hồng ngoại giữa, từ 30 tới 120 THz (10 tới 2,5 μm). Các vật thể nóng (bức xạ vật thể đen) có thể bức xạ mạnh trong dải tần này. Nó bị hấp thụ bởi các dao động phân tử.
• Hồng ngoại gần, từ 120 tới 400 THz (2.500 tới 750 nm). Quá trình vật lý có liên quan cho dải tần này tương tự như ánh sáng nhìn thấy.

Bức xạ nhìn thấy ( ánh sáng )[sửa|sửa mã nguồn]

Trên tần số hồng ngoại là ánh sáng nhìn thấy được. Đây là dải tần mà mặt trời và những ngôi sao 5 cánh khác phát ra bức xạ của húng và quang phổ và mắt người nhạy cảm nhất. Ánh sáng nhìn thấy được ( và ánh sạng cận hồng ngoại ) thường bị hấp thụ và phát ra bởi những điện tử trong phân tử và nguyên tử chuyển dời từ một mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Ánh sáng nhìn thấy với mắt của tất cả chúng ta thực sự là một phần rất nhỏ của phổ điện từ. Một cầu vồng cho thấy phần nhìn thấy được của phổ điện từ ; tia hồng ngoại nằm ở ngay dưới màu đỏ còn tia cực tím nằm ở ngoài màu tím .

Ánh sáng cực tím[sửa|sửa mã nguồn]

Số lượng xâm nhập của tia UV tương quan tới độ cao của tầng ozone của Trái ĐấtTiếp theo trong dải tần số là tia cực tím ( UV ). Bức sóng của tia UV ngắn hơn so với màu tim trong phổ nhìn thấy được nhưng dài hơn nhiều so với tia X .

Sau UV là tới tia X, giống như dải trên của UV, nó cũng có tính ion hóa. Tuy nhiên, do năng lượng cao hơn, tia X có thể tác động tới vật chất nhờ hiệu ứng Compton.

Tia gamma nằm sau tia X, do Paul Villard phát hiện vào năm 1900. Đây là những hạt photon nhiều năng lượng nhất. Dùng nhiều trong thiên văn học .

Tha m khảo[sửa|sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

Source: https://mix166.vn
Category: Công Nghệ