Phổ điện từ là gì?

Phổ điện từ, hay còn gọi là quang phổ, bao gồm toàn bộ dải tần số của bức xạ điện từ. 'Phổ điện từ' của một đối tượng mô tả sự phân bố đặc trưng của bức xạ điện từ phát ra hoặc hấp thụ bởi đối tượng đó.

Phổ điện từ kéo dài từ tần số thấp dùng cho liên lạc vô tuyến đến bức xạ gamma ở tần số cao, bao phủ các bước sóng từ hàng ngàn km đến kích thước của nguyên tử. Phổ điện từ được nghiên cứu nhiều bằng kính quang phổ để phân tích vật chất. Giới hạn bước sóng dài nhất là kích thước của vũ trụ, trong khi giới hạn bước sóng ngắn nhất là gần với độ dài Planck. Dù vậy, về lý thuyết, phổ điện từ là vô hạn và liên tục.

Lịch sử của phổ điện từ

Lịch sử nghiên cứu ánh sáng chỉ ra rằng ánh sáng được hiểu như một phần của phổ điện từ. Các nhà khoa học Hy Lạp cổ đại đã nhận ra rằng ánh sáng di chuyển theo đường thẳng và nghiên cứu các đặc tính như phản xạ và khúc xạ của nó. Vào thế kỷ 16 và 17, có những tranh luận về bản chất sóng hay hạt của ánh sáng. Vào năm 1845, Michael Faraday phát hiện ánh sáng có phản ứng với từ trường, đánh dấu sự liên kết đầu tiên giữa ánh sáng và điện từ. Tính chất sóng của ánh sáng được phát hiện vào năm 1800 bởi William Herschel khi ông phát hiện ánh sáng hồng ngoại qua thí nghiệm nhiệt độ màu sắc. Ông nhận thấy rằng nhiệt độ cao nhất xuất hiện khi ánh sáng vượt qua màu đỏ, từ đó suy đoán về 'ánh sáng' không thể thấy bằng mắt. Johann Ritter vào năm 1801 đã nghiên cứu các tia hóa học ở phía cực tím của quang phổ. Đến thập niên 1860, James Maxwell nghiên cứu trường điện từ và phát hiện chúng truyền với vận tốc ánh sáng, đưa ra 4 phương trình để giải thích điều này. Heinrich Hertz vào năm 1886 đã chế tạo thiết bị để phát hiện sóng vô tuyến, chứng minh rằng chúng truyền với vận tốc ánh sáng và có thể bị phản xạ và khúc xạ. Năm 1895, Wilhelm Röntgen phát hiện tia X có khả năng xuyên qua cơ thể người và ứng dụng trong y học. Cuối cùng, vào năm 1900, Paul Villard phát hiện ra tia gamma trong nghiên cứu phóng xạ và Ernest Rutherford vào năm 1910 xác định chúng là sóng điện từ.

Dải phổ điện từ

Sóng điện từ được đặc trưng bởi ba yếu tố chính: tần số f, bước sóng λ, hoặc năng lượng photon E. Dải tần số trải từ 24×10 Hz (1 GeV tia gamma) đến tần số plasma cục bộ khoảng ~1 kHz. Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số; tia gamma có bước sóng rất ngắn, chỉ bằng một phần nhỏ kích thước nguyên tử, trong khi sóng có thể có bước sóng dài bằng kích thước 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) còn sóng vô tuyến có năng lượng thấp (khoảng một femtô electronvolt). Các mối quan hệ này được thể hiện qua các phương trình sau:

tại đây:

• c = 299792458 m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.
• h = 662606896(33)×10 J s = 413566733(10)×10 eV s là hằng số Planck.

Khi sóng điện từ đi qua môi trường vật chất, bước sóng của chúng sẽ giảm. Để so sánh, bước sóng của bức xạ điện từ thường được tham chiếu theo bước sóng trong chân không, mặc dù điều này không phải lúc nào cũng là quy định chuẩn.

Bức xạ điện từ thường được phân loại theo bước sóng thành các loại như sóng vô tuyến, vi sóng, bức xạ terahertz (hoặc dưới mm), hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma. Loại bức xạ EM này phụ thuộc vào bước sóng của nó và khi tương tác với nguyên tử hoặc phân tử, hành vi của nó còn tùy thuộc vào năng lượng của mỗi photon.

Quang phổ có khả năng phát hiện một phạm vi rộng lớn hơn so với dải ánh sáng nhìn thấy từ 400 nm đến 700 nm. Một quang phổ kế thông thường có thể đo bước sóng từ 2 nm đến 2500 nm. Thiết bị này cung cấp thông tin chi tiết về các thuộc tính vật lý của đối tượng, khí hoặc ngôi sao. Kính quang phổ rất quan trọng trong nghiên cứu thiên văn học; ví dụ, nguyên tử hydro phát ra photon sóng vô tuyến với bước sóng 21,12 cm. Các tần số 30 Hz và thấp hơn là quan trọng trong nghiên cứu các sao tinh vân, trong khi tần số cao như 29×10 Hz đã được phát hiện từ các nguồn vật lý thiên văn.

Cơ sở lý thuyết

Bức xạ điện từ tương tác với vật chất theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào từng phần của phổ. Các kiểu tương tác này có thể dẫn đến việc phân loại bức xạ thành nhiều loại khác nhau. Tuy nhiên, vẫn có một sự liên tục trong tất cả các loại bức xạ điện từ. Vì vậy, mặc dù chúng ta có thể phân chia phổ theo các kiểu bức xạ khác nhau, sự phân chia này phụ thuộc vào cách bức xạ tương tác với vật chất.

Loại bức xạ

Các loại bức xạ điện từ được phân loại thành các nhóm sau đây:

Sự phân loại này được thực hiện theo thứ tự bước sóng tăng dần, đặc trưng cho từng loại bức xạ. Mặc dù biểu đồ phân loại thường là chính xác, trên thực tế có thể có sự chồng chéo giữa các loại bức xạ gần kề. Ví dụ, sóng vô tuyến tần số thấp (SLF) ở 60 Hz có thể được các nhà thiên văn học nghiên cứu hoặc có thể xuất hiện như dòng điện trong dây dẫn. Sự phân biệt giữa tia X và tia gamma thường dựa trên nguồn gốc của bức xạ: tia gamma phát sinh từ các quá trình phân rã hạt nhân hoặc các quá trình hạt/nguyên tử khác, trong khi tia X xuất phát từ các quá trình chuyển đổi điện tử bên trong nguyên tử. Thường thì các chuyển đổi hạt nhân mang năng lượng lớn hơn so với các chuyển đổi điện tử, vì vậy tia gamma có năng lượng cao hơn tia X, nhưng cũng có những trường hợp ngoại lệ. Tương tự, một số chuyển đổi hạt nhân có thể tạo ra tia X với năng lượng vượt quá 6 MeV (0,96 pJ), trong khi nhiều chuyển đổi hạt nhân khác (77 chuyển đổi có năng lượng 10 keV (1,6 fJ)) có năng lượng thấp hơn nhiều (ví dụ: chuyển đổi hạt nhân của thorium-229 tạo ra năng lượng 7,6 eV (1,22 aJ)), và các photon này vẫn được gọi là tia gamma do nguồn gốc hạt nhân của chúng.

Các vùng quang phổ của bức xạ điện từ có thể thay đổi tùy thuộc vào hệ quy chiếu do hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng. Do đó, bức xạ EM mà một quan sát viên thấy trong một phần của phổ có thể xuất hiện khác biệt với một quan sát viên chuyển động với vận tốc gần tốc độ ánh sáng so với quan sát đầu tiên. Ví dụ, bức xạ phông vi sóng vũ trụ, vốn được sinh ra từ việc kích thích nguyên tử hydro tới trạng thái cơ bản, ban đầu nằm trong vùng tia cực tím của phổ điện từ. Khi bức xạ này trải qua dịch chuyển đỏ vũ trụ, nó chuyển sang vùng vi sóng của phổ. Đối với các hạt chuyển động gần tốc độ ánh sáng, bức xạ này sẽ có hiện tượng dịch chuyển xanh trong phần còn lại của phổ. Các proton vũ trụ năng lượng cao di chuyển có thể làm dịch chuyển bức xạ thành tia gamma năng lượng cao, tương tác với proton để tạo ra cặp quark-phản quark (pion), đây là giới hạn GZK.

Tần số vô tuyến

Sóng vô tuyến thường sử dụng các anten có kích thước phù hợp, với bước sóng từ hàng trăm mét đến khoảng 1 mm. Chúng được ứng dụng trong truyền dữ liệu qua điều chế. Sóng vô tuyến là cơ sở cho các dịch vụ truyền hình, điện thoại di động, mạng không dây và vô tuyến nghiệp dư. Việc phân bổ tần số trong phổ vô tuyến được quản lý bởi các cơ quan chính phủ.

Sóng vô tuyến có thể mang thông tin bằng cách thay đổi biên độ, tần số và pha của sóng. Khi bức xạ EM tác động vào một dây dẫn, nó tương tác với dây dẫn, truyền đi cùng dây và tạo ra một dòng điện cảm ứng trên bề mặt dây dẫn bằng cách kích thích các điện tử trong dây. Hiệu ứng này được sử dụng trong các anten (hiệu ứng bề mặt).

Vi sóng

Các tần số siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF) của vi sóng nằm sau sóng vô tuyến trong phổ. Vi sóng thường có bước sóng ngắn, đòi hỏi sử dụng các ống dẫn sóng kim loại có kích thước hợp lý. Năng lượng vi sóng được sinh ra từ các đèn klystron, magnetron, và các điốt bán dẫn như điốt Gunn và IMPATT. Vi sóng được hấp thụ bởi các phân tử có mô-men lưỡng cực trong chất lỏng, hiện tượng này giúp làm nóng thức ăn trong lò vi sóng. Bức xạ vi sóng cường độ thấp cũng được sử dụng trong các ứng dụng Wi-Fi.

Bức xạ terahertz

Bức xạ terahertz nằm giữa vi sóng và hồng ngoại xa trong phổ bức xạ. Gần đây, nghiên cứu về bức xạ terahertz đã được mở rộng, với các ứng dụng trong hình ảnh và thông tin liên lạc. Công nghệ terahertz đã được áp dụng trong quân đội, sử dụng sóng tần số cao để vô hiệu hóa thiết bị điện tử của đối phương.

Bức xạ hồng ngoại

Phần hồng ngoại của phổ điện từ trải dài từ 300 GHz (1 mm) đến 400 THz (750 nm). Nó có thể được phân chia thành ba khu vực chính:

• Hồng ngoại xa, nằm trong dải tần từ 300 GHz (1 mm) đến 30 THz (10 μm). Phần thấp hơn trong dải này có thể được gọi là vi sóng. Bức xạ này thường bị hấp thụ bởi chuyển động quay trong phân tử khí, chuyển động phân tử trong chất lỏng và bởi phonon trong chất rắn. Nước trong khí quyển Trái Đất cũng hấp thụ mạnh dải tần này. Tuy nhiên, vẫn có một số bước sóng trong dải này được sử dụng trong thiên văn học. Dải bước sóng từ khoảng 200 μm đến vài mm thường được gọi là hạ-mm trong thiên văn học, vì vậy hồng ngoại xa thường chỉ các bước sóng dưới 200 μm.
• Hồng ngoại giữa, từ 30 THz đến 120 THz (10 μm đến 2,5 μm). Các vật thể nóng (bức xạ vật thể đen) có thể phát ra mạnh mẽ trong dải này. Nó bị hấp thụ bởi các dao động phân tử.
• Hồng ngoại gần, từ 120 THz đến 400 THz (2.500 nm đến 750 nm). Các quá trình vật lý liên quan đến dải tần này tương tự như ánh sáng nhìn thấy.

Bức xạ nhìn thấy (ánh sáng)

Trên dải hồng ngoại là ánh sáng nhìn thấy, phần phổ mà mặt trời và các ngôi sao khác phát ra nhiều nhất, và cũng là dải mà mắt người nhạy cảm nhất. Ánh sáng nhìn thấy (và ánh sáng cận hồng ngoại) thường bị hấp thụ và phát ra bởi các điện tử trong phân tử và nguyên tử khi chúng chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Ánh sáng nhìn thấy thực sự chỉ là một phần rất nhỏ trong phổ điện từ. Cầu vồng thể hiện phần nhìn thấy được của phổ điện từ; tia hồng ngoại nằm ngay dưới màu đỏ còn tia cực tím nằm ngoài màu tím.

Ánh sáng cực tím

Tiếp theo trong dải tần là tia cực tím (UV). Bước sóng của tia UV ngắn hơn so với ánh sáng tím trong phổ nhìn thấy, nhưng vẫn dài hơn nhiều so với tia X.

Tia X

Sau tia UV là tia X, với đặc điểm tương tự như tia UV ở dải trên, tia X cũng có khả năng ion hóa. Tuy nhiên, với năng lượng cao hơn, tia X có thể tương tác với vật chất thông qua hiệu ứng Compton.

Tia gamma

Tia gamma đứng sau tia X trong dải phổ, được Paul Villard phát hiện vào năm 1900. Đây là loại photon có năng lượng cao nhất và thường được ứng dụng trong thiên văn học.