Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ (hay còn gọi là sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng điện từ cũng có thể được lượng tử hóa thành các 'đợt sóng' có đặc tính như hạt gọi là photon.

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin. Sóng điện từ có bước sóng từ 380 nm đến 760 nm có thể nhìn thấy bằng mắt người và được gọi là ánh sáng. Môn vật lý nghiên cứu sóng điện từ là điện động lực học, một chuyên ngành của điện từ học.

Nhà toán học người Scotland, James Clerk Maxwell (1831-1879), đã mở rộng công trình của Michael Faraday và phát hiện rằng mối liên hệ chặt chẽ giữa điện và từ là điều kiện để sóng này tồn tại. Các tính toán của ông cho thấy sóng điện từ có thể truyền với vận tốc ánh sáng, và điều này khiến ông nghi ngờ ánh sáng cũng là một loại sóng điện từ. Vào năm 1888, Heinrich Hertz đã phát ra sóng có đặc tính giống ánh sáng và xác nhận các ý tưởng của Faraday và Maxwell.

Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ nhờ vào sự dao động nhiệt của các phân tử, nguyên tử, hoặc các hạt cấu thành chúng. Năng lượng và cường độ của bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể, tương tự như bức xạ của vật đen. Sự bức xạ này làm giảm nhiệt năng của vật thể. Đồng thời, các vật thể cũng có thể hấp thụ bức xạ từ các vật thể khác, và quá trình phát xạ và hấp thụ bức xạ là một phương thức trao đổi nhiệt.

Phân loại

Sóng điện từ được phân loại dựa trên bước sóng, từ dài đến ngắn:

Tính chất

• Trong sóng điện từ, dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn đồng pha với nhau.
• Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, và khúc xạ.
• Sóng điện từ cũng tuân theo các quy luật giao thoa và nhiễu xạ.
• Trong quá trình truyền đi, sóng điện từ mang theo năng lượng.

Vận tốc trong chân không

Trong chân không, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng các bức xạ điện từ di chuyển với một vận tốc cố định, thường được ký hiệu là c=299.792.458 m/s, và không phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Phát hiện này đã làm thay đổi nhiều quan điểm về cơ học cổ điển của Isaac Newton và đã thúc đẩy Albert Einstein phát triển lý thuyết tương đối.

Sóng ngang

Sóng điện từ là một dạng sóng ngang, tức là nó lan truyền bằng cách dao động theo các phương có hướng (cụ thể là cường độ điện trường và từ trường) mà các dao động này vuông góc với hướng lan truyền của sóng.

Giống như nhiều loại sóng ngang khác, sóng điện từ cũng có hiện tượng phân cực.

Năng lượng

Năng lượng của một photon có bước sóng λ được tính bằng công thức hc/λ, trong đó h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Do đó, photon có bước sóng dài sẽ có năng lượng thấp hơn.

Tương tác với vật chất

Khi tương tác với nguyên tử, phân tử và các hạt cơ bản, các đặc tính của sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng (hoặc năng lượng của photon). Dưới đây là một số ví dụ. Để biết thêm chi tiết, hãy tham khảo các trang liên quan đến từng loại sóng điện từ cụ thể.

Radio ít tương tác với vật chất vì năng lượng của photon trong sóng radio rất thấp. Điều này cho phép sóng radio truyền đi một khoảng cách dài mà không mất nhiều năng lượng, vì thế nó được sử dụng rộng rãi trong truyền thông, chẳng hạn như trong kỹ thuật truyền thanh.

Khi thu sóng radio bằng ăng-ten, người ta khai thác sự tương tác giữa điện trường của sóng với các vật dẫn điện. Các dòng điện trong vật dẫn điện sẽ dao động theo sự thay đổi của điện trường trong sóng radio.

Vi sóng có tần số dao động phù hợp với tần số cộng hưởng của nhiều phân tử hữu cơ trong sinh vật và thực phẩm. Do đó, vi sóng bị hấp thụ mạnh bởi các phân tử hữu cơ và chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng nhiệt, làm nóng chúng. Chính tính chất này được ứng dụng trong lò vi sóng.

Điều này cũng có nghĩa là khi sử dụng lò vi sóng, nên đứng xa vùng phát sóng, ít nhất 1 mét, vì các màn chắn không thể ngăn hoàn toàn sóng. Vi sóng có thể ảnh hưởng đến mô của cơ thể theo hai mức độ:

• Mức nhẹ gây ra biến tính nhẹ cho một số phân tử protein trong tế bào, làm thay đổi một phần cấu trúc phân tử. Mặc dù các phân tử này không bị 'chết' và vẫn có thể tham gia vào các hoạt động sống, nếu biến tính xảy ra ở phân tử DNA chứa mã di truyền, thì gọi là biến dị, dẫn đến sự phân bào tạo ra các tế bào di truyền lỗi. Nếu hệ bạch huyết không đủ mạnh để loại bỏ những tế bào này, chúng có thể phát triển thành ung thư.
• Mức nặng gây biến tính mạnh, làm cho phân tử không còn tham gia vào hoạt động sống nữa. Nếu số lượng phân tử bị biến tính nhiều, tế bào có thể bị chết.

Khi có nhiều tế bào chết, hiện tượng này được gọi là 'bỏng vi sóng'. Các tế bào chết nằm xen kẽ với các tế bào sống và giảm dần từ bề mặt da vào sâu hơn, với sóng 2450 MHz có thể ảnh hưởng đến độ sâu lên đến 17 mm. Hiện tượng này có thể xảy ra khi đặt laptop lên đùi do gần vi sóng dư từ laptop. Tổn thương do vi sóng không tạo thành vùng rõ rệt như bỏng nhiệt thông thường, do đó nhiều người không nhận ra. Thường thì bạch cầu sẽ loại bỏ các tế bào chết, nhưng khả năng loại bỏ các tế bào di truyền lỗi phụ thuộc vào hệ thống bạch huyết của từng người, từ đó có nguy cơ phát sinh ung thư.

Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh mẽ đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có ba loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt, mỗi loại cảm nhận một vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết hợp của tín hiệu từ ba loại tế bào này tạo ra dải màu sắc phong phú. Để hiển thị màu sắc trên màn hình, người ta sử dụng ba loại đèn phát sáng ở ba vùng quang phổ nhạy cảm của mắt người.

Sóng vô tuyến

Các sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km, được sử dụng trong truyền thông vô tuyến, được gọi là sóng vô tuyến. Chúng được phân loại thành: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung, và sóng dài.

Lý thuyết

Theo lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell, sóng điện từ xuất hiện khi có sự thay đổi về vận tốc của điện tích (tăng tốc hoặc giảm tốc) hoặc khi từ trường thay đổi. Khi điện trường hoặc từ trường biến đổi tại một điểm trong không gian, các điểm xung quanh cũng sẽ bị ảnh hưởng theo, và sự thay đổi này sẽ lan truyền ra xa với vận tốc ánh sáng.

Mô tả toán học về từ trường và điện trường phát sinh từ một nguồn biến đổi bao gồm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng những phần này xuất hiện muộn hơn so với tại nguồn. Đây là mô tả toán học về bức xạ điện từ. Dù các phương trình Maxwell cho thấy bức xạ điện từ có tính chất sóng với vận tốc, bước sóng (hoặc tần số), nhưng theo thuyết lượng tử, bức xạ điện từ cũng có tính chất hạt, với năng lượng liên hệ với bước sóng như đã đề cập trong các tính chất.

Phương trình Maxwell

Các phương trình Maxwell có thể chứng minh rằng dao động điện từ lan truyền dưới dạng sóng trong không gian.

Khi xem xét trường hợp điện trường và/hoặc từ trường thay đổi trong chân không, và không có dòng điện hay điện tích tự do trong không gian, các phương trình Maxwell sẽ được rút gọn thành:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->E=0\left(1\right)$

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->E=-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}B\left(2\right)$

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->B=0\left(3\right)$

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->B={\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_0\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}E\left(4\right)$

Nghiệm cơ bản của hệ phương trình trên là:

$E=$

B = 0 {\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} } ,

Để tìm các nghiệm không tầm thường, ta có thể áp dụng đẳng thức giải tích véc tơ như sau:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->A\right)=\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->A\right)-<!--\; -\; -->{\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}A$

Bằng cách áp dụng phép toán rôta lên hai vế của phương trình (2), ta có:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->E\right)=\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->\left(-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}B}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}\right)\left(5\right)$

Tiếp theo, ta đơn giản hóa vế trái của phương trình này bằng cách sử dụng phương trình (1) trong quá trình đơn giản hóa:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->E\right)=\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->E\right)-<!--\; -\; -->{\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}E=-<!--\; -\; -->{\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}E\left(6\right)$

Tiếp theo, chúng ta đơn giản hóa vế phải của phương trình bằng cách áp dụng phương trình (4):

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->\left(-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}B}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}\right)=-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}\left(\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->B\right)=-<!--\; -\; -->{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_0\frac{{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}^2}{{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}^{2}t}E\left(7\right)$

So sánh hai vế của phương trình (6) và (7) để thiết lập phương trình vi phân cho điện trường:

${\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}E={\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_0\frac{{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}^2}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}{t}^2}E$

Có thể áp dụng quy trình tương tự để xác định phương trình vi phân cho từ trường:

${\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}B={\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_0\frac{{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}^2}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}{t}^2}B$.

Phương trình vi phân trên chính là dạng tổng quát của phương trình sóng:

${\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}}^{2}f=\frac{1}{{c_0}^2}\frac{{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}^{2}f}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}{t}^2}$

Trong đó, c₀ đại diện cho tốc độ lan truyền của sóng, còn f mô tả sự dao động của sóng theo thời gian và không gian. Đối với các phương trình sóng liên quan đến điện trường và từ trường, nghiệm của phương trình cho thấy điện trường và từ trường biến đổi như sóng với tốc độ:

$c_0=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0{\mathrm{ϵ<!--\; ϵ\; -->}}_0}}$

Đây chính là tốc độ ánh sáng trong chân không. Nghiệm của phương trình sóng cho điện trường có dạng:

$E=E_{0}f\left(\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\cdot <!--\; \cdot \; -->x-<!--\; -\; -->c_{0}t\right)$

Trong đó, E₀ là véc tơ biên độ của dao động điện trường, và f là một hàm khả vi bậc hai tùy ý. $\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}$ là véc tơ đơn vị theo phương lan truyền sóng, còn x là tọa độ điểm đang xét. Để nghiệm này thỏa mãn tất cả các phương trình Maxwell, cần thêm điều kiện:

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->E=\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\cdot <!--\; \cdot \; -->E_0{f}^{\prime }\left(\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\cdot <!--\; \cdot \; -->x-<!--\; -\; -->c_{0}t\right)=0$

$E\cdot <!--\; \cdot \; -->\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}=0\left(8\right)$

$\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\times <!--\; \times \; -->E=\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\times <!--\; \times \; -->E_0{f}^{\prime }\left(\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\cdot <!--\; \cdot \; -->x-<!--\; -\; -->c_{0}t\right)=-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}B$

$B=\frac{1}{c_0}\stackrel{^<!--\; ^\; -->}{k}\times <!--\; \times \; -->E\left(9\right)$

(8) Điện trường luôn vuông góc với hướng lan truyền sóng, và (9) từ trường cũng vuông góc với cả điện trường và hướng lan truyền. Đồng thời, E₀ = c₀ B₀. Đây chính là nghiệm của phương trình Maxwell, biểu thị cho sóng điện từ phẳng.

Năng lượng và xung lượng

Mật độ năng lượng của trường điện từ trong tổng quát là:

u = (E.D + B.H)/2

Trong môi trường chân không:

u = (ε₀|E| + μ₀|H|)/2

Khi sóng điện từ phẳng tuân theo phương trình (9) đã nêu, ta thấy năng lượng điện bằng với năng lượng từ, và:

u = ε₀|E| = μ₀|H|

• Phương trình truyền sóng
• Phổ sóng điện từ
• Nguy cơ từ sóng điện từ
• Ánh sáng

Liên kết bên ngoài

• Bức xạ điện từ (vật lý) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Bức xạ trong Từ điển bách khoa Việt Nam