Phổ điện từ là phạm vi tần số (quang phổ) của bức xạ điện từ và các bước sóng và năng lượng photon tương ứng của chúng.
Phân loại:
Bức xạ i-ôn hóa
– g (tia Gamma): bước sóng 1-10 pm; tần số 300-30 Ehz; năng lượng mỗi photon 1,24 MeV-124 keV.
– HX (Hard X-rays – tia X cứng ): 10-100 pm; 30-3 Ehz; 124-12,4 keV.
– SX (Soft X-rays – tia X mềm); 100 pm đến 10 nm; 3 Ehz đến 30 PHz; 12,4-124 keV.
– EUV (Extreme ultraviolet – cực tím): 100 nm đến 1 µm; 30-3 PHz; 124-12,4 keV.
– NUV (Near ultraviolet, visible – gần tia cực tím, có thể nhìn thấy); 10 nm; 30 PHz; 124 eV.
– 1 mm 300 THz 1,24 eV.
– NIR (Near infrared – gần hồng ngoại): 10 mm 30THz 124 m eV.
– MIR (Mid infrared – hồng ngoại giữa): 100 mm 3 THz 12,4 meV.
– FIR (Far infrared – hồng ngoại xa): 1mm; 300 GHz; 1,24 meV.
Vi sóng (Micro-waves)
– EHF (Extremely high frequency – tần số cực cao): 1 cm, 30 GHz, 124 μeV.
– SHF (Super high frequency – tần số siêu cao): 1 dm, 3 GHz, 12,4 μeV.
– UHF (Ultra high frequency – tần số siêu cao): 1 m, 300 MHz, 1,24 μeV.
Sóng vô tuyến (Radio waves)
– VHF (Very high frequency – tần số rất cao): 10 m, 30 MHz, 124 neV.
– HF (High frequency – cao tần): 100 m 3 MHz – 12,4 neV.
– MF (Medium frequency – trung tần): 1 km 300 kHz 1,24 neV.
– LF (Low frequency – tần thấp): 10 km 30 kHz 124 peV.
– VLF (Very low frequency – tần số rất thấp): 100 km 3 kHz – 12,4 peV.
– ULF (Ultra low frequency – tần số cực thấp): 1 mm 300 Hz 1,24 peV.
– SLF (Super low frequency – tần số siêu thấp): 10 mm 30 Hz 124 feV.
– ELF (Extremely low frequency – Tần số vô cùng thấp): 100 mm 3 Hz – 12,4 feV.
Phổ điện từ bao gồm các sóng điện từ có tần số từ dưới 1 hertz đến trên 1025 hertz, tương ứng với các bước sóng từ hàng nghìn km xuống đến một phần kích thước của hạt nhân nguyên tử. Dải tần này được chia thành các dải riêng biệt và sóng điện từ trong mỗi dải tần được gọi bằng các tên khác nhau; bắt đầu ở cuối tần số thấp (bước sóng dài) của quang phổ, đó là: sóng vô tuyến, vi sóng, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma ở cuối tần số cao (bước sóng ngắn). Sóng điện từ trong mỗi dải này có các đặc điểm khác nhau, chẳng hạn như cách chúng được tạo ra, cách chúng tương tác với vật chất và các ứng dụng thực tế của chúng. Không có giới hạn đã biết đối với bước sóng dài và ngắn. Tia cực tím, tia X mềm, tia X cứng và tia gamma được phân loại là bức xạ ion hóa vì các photon của chúng có đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử, gây ra các phản ứng hóa học. Bức xạ của ánh sáng khả kiến và bước sóng dài hơn được phân loại là bức xạ không ion hóa vì chúng không có đủ năng lượng để gây ra những hiệu ứng này.
Trong hầu hết các phổ điện từ, quang phổ có thể được sử dụng để tách các sóng có tần số khác nhau, tạo ra phổ gồm các tần số cấu thành. Quang phổ học được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với vật chất.
Lịch sử và khám phá
Con người luôn nhận thức được ánh sáng khả kiến và nhiệt bức xạ nhưng trong phần lớn lịch sử, người ta không biết rằng những hiện tượng này có mối liên hệ với nhau hoặc là đại diện của một nguyên tắc rộng lớn hơn. Người Hy Lạp cổ đại đã nhận ra rằng ánh sáng truyền theo đường thẳng và nghiên cứu một số tính chất của nó, bao gồm phản xạ và khúc xạ. Ánh sáng được nghiên cứu chuyên sâu từ đầu thế kỷ XVII dẫn đến việc phát minh ra các dụng cụ quan trọng như kính viễn vọng và kính hiển vi. Isaac Newton là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ quang phổ cho dải màu mà ánh sáng trắng có thể được phân tách bằng một lăng kính. Bắt đầu từ năm 1666, Newton đã chỉ ra rằng những màu này là bản chất của ánh sáng và có thể kết hợp lại thành ánh sáng trắng. Một cuộc tranh luận nảy sinh về việc liệu ánh sáng có bản chất sóng hay bản chất hạt với René Descartes, Robert Hooke và Christiaan Huygens ủng hộ mô tả sóng và Newton ủng hộ mô tả hạt. Đặc biệt, Huygens đã có một lý thuyết phát triển tốt mà từ đó ông có thể suy ra các định luật phản xạ và khúc xạ. Vào khoảng năm 1801, Thomas Young đã đo bước sóng của chùm ánh sáng bằng thí nghiệm hai khe của mình, do đó chứng minh một cách thuyết phục rằng ánh sáng là sóng.
Năm 1800, William Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại. Ông đang nghiên cứu nhiệt độ của các màu khác nhau bằng cách di chuyển một nhiệt kế qua ánh sáng được phân chia bởi một lăng kính. Ông nhận thấy rằng nhiệt độ cao nhất vượt quá màu đỏ. Ông đưa ra giả thuyết rằng sự thay đổi nhiệt độ này là do “calorific rays” (tia nhiệt lượng) một loại tia sáng không nhìn thấy được. Năm sau, Johann Ritter, làm việc ở đầu kia của quang phổ, nhận thấy cái mà ông gọi là “chemical rays” (tia hóa học – tia sáng vô hình gây ra một số phản ứng hóa học). Chúng hoạt động tương tự như các tia sáng tím nhìn thấy được, nhưng nằm ngoài chúng trong quang phổ. Sau đó chúng được đổi tên thành bức xạ cực tím (ultraviolet radiation).
Nghiên cứu về điện từ bắt đầu vào năm 1820 khi Hans Christian Ørsted phát hiện ra rằng dòng điện tạo ra từ trường (định luật Oersted). Ánh sáng lần đầu tiên được liên kết với điện từ vào năm 1845, khi Michael Faraday nhận thấy rằng sự phân cực của ánh sáng truyền qua một vật liệu trong suốt phản ứng với từ trường. Trong những năm 1860, James Clerk Maxwell đã phát triển bốn phương trình đạo hàm riêng (phương trình Maxwell) cho trường điện từ. Hai trong số các phương trình này dự đoán khả năng và hành vi của sóng trong trường. Phân tích tốc độ của những sóng lý thuyết này, Maxwell nhận ra rằng chúng phải di chuyển với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng đã biết. Sự trùng hợp đáng kinh ngạc về giá trị này đã khiến Maxwell đưa ra kết luận rằng bản thân ánh sáng là một loại sóng điện từ. Các phương trình của Maxwell dự đoán dải tần số vô hạn của sóng điện từ, tất cả đều truyền đi với tốc độ ánh sáng. Đây là dấu hiệu đầu tiên về sự tồn tại của toàn bộ quang phổ điện từ.
Các sóng mà Maxwell dự đoán bao gồm các sóng có tần số rất thấp so với hồng ngoại, mà theo lý thuyết có thể được tạo ra bởi các điện tích dao động trong một mạch điện thông thường thuộc một loại nhất định. Cố gắng chứng minh các phương trình Maxwell và phát hiện bức xạ điện từ tần số thấp như vậy, vào năm 1886, nhà vật lý Heinrich Hertz đã chế tạo một thiết bị để tạo và phát hiện cái mà ngày nay gọi là sóng vô tuyến. Hertz đã tìm ra các sóng và có thể suy ra (bằng cách đo bước sóng của chúng và nhân nó với tần số của chúng) rằng chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng. Hertz cũng chứng minh rằng bức xạ mới có thể vừa bị phản xạ vừa bị khúc xạ bởi các môi trường điện môi khác nhau, theo cách tương tự như ánh sáng. Ví dụ, Hertz có thể tập trung sóng bằng cách sử dụng thấu kính làm bằng nhựa cây. Trong một thí nghiệm sau đó, Hertz cũng tạo ra và đo các tính chất của vi sóng một cách tương tự. Những loại sóng mới này đã mở đường cho những phát minh như điện báo không dây và radio.
Năm 1895, Wilhelm Röntgen nhận thấy một loại bức xạ mới phát ra trong một thí nghiệm với một ống chân không chịu điện áp cao. Ông gọi bức xạ này là “x-rays” (tia X) và thấy rằng chúng có thể đi qua các bộ phận của cơ thể con người nhưng bị phản xạ hoặc chặn lại bởi vật chất đặc hơn như xương. Chẳng bao lâu, nhiều công dụng đã được tìm thấy cho phương pháp chụp X quang này.
Phần cuối cùng của quang phổ điện từ được lấp đầy bằng việc phát hiện ra tia gamma. Năm 1900, Paul Villard đang nghiên cứu sự phát xạ phóng xạ của radium khi ông xác định được một loại bức xạ mới mà lúc đầu ông nghĩ bao gồm các hạt tương tự như các hạt alpha và beta đã biết, nhưng có khả năng đâm xuyên sâu hơn cả hai loại này. Tuy nhiên, vào năm 1910, nhà vật lý người Anh William Henry Bragg đã chứng minh rằng tia gamma là bức xạ điện từ, không phải là hạt, và vào năm 1914, Ernest Rutherford (người đã đặt tên cho chúng là tia gamma vào năm 1903 khi ông nhận ra rằng chúng khác về cơ bản với các hạt alpha và beta tích điện). Và Edward Andrade đã đo bước sóng của chúng và phát hiện ra rằng tia gamma tương tự như tia X nhưng có bước sóng ngắn hơn.
Cuộc tranh luận về sóng-hạt được khơi lại vào năm 1901 khi Max Planck phát hiện ra rằng ánh sáng chỉ bị hấp thụ trong các “quanta” (lượng tử) rời rạc, ngày nay được gọi là photon, ngụ ý rằng ánh sáng có bản chất hạt. Ý tưởng này được Albert Einstein đưa ra rõ ràng vào năm 1905, nhưng chưa bao giờ được Planck và nhiều người đương thời khác chấp nhận. Quan điểm hiện đại của khoa học là bức xạ điện từ có cả bản chất sóng và hạt, lưỡng tính sóng-hạt. Những mâu thuẫn phát sinh từ vị trí này vẫn đang được tranh luận bởi các nhà khoa học và triết gia.
Phạm vi
Sóng điện từ thường được mô tả bởi một trong ba tính chất vật lý sau: tần số f, bước sóng λ hoặc năng lượng photon E. Các tần số quan sát được trong phạm vi thiên văn học từ 2,4 × 1023 Hz (tia gamma 1 GeV) cho đến tần số plasma cục bộ của môi trường giữa các vì sao bị ion hóa (~1 kHz). Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số sóng nên tia gamma có bước sóng rất ngắn bằng một phần kích thước của nguyên tử, trong khi các bước sóng ở đầu đối diện của quang phổ có thể dài vô tận. Năng lượng của photon tỷ lệ thuận với tần số sóng, vì vậy các photon tia gamma có năng lượng cao nhất (khoảng một tỷ electron vôn), trong khi các photon sóng vô tuyến có năng lượng rất thấp (khoảng một femtoelectronvolt). Các mối quan hệ này được minh họa bằng các phương trình sau:
f = c/l, hoặc f = E/h, hoặc E = hc/l
Trong đó:
c = 299.792.458 m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.
h = 6.62607015×10-34 J·s = 4.13566733(10)×10-15 eV·s là hằng số Planck.
Mỗi khi sóng điện từ truyền trong môi trường có vật chất thì bước sóng của chúng giảm đi. Bước sóng của bức xạ điện từ, bất kể môi trường nào chúng truyền qua, thường được trích dẫn dưới dạng bước sóng chân không, mặc dù điều này không phải lúc nào cũng được nêu rõ ràng.
Nói chung, bức xạ điện từ được phân loại theo bước sóng thành sóng vô tuyến, vi sóng, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma. Hành vi của bức xạ EM phụ thuộc vào bước sóng của nó. Khi bức xạ EM tương tác với các nguyên tử và phân tử đơn lẻ, hành vi của nó cũng phụ thuộc vào lượng năng lượng trên mỗi lượng tử (photon) mà nó mang theo.
Quang phổ có thể phát hiện vùng phổ EM rộng hơn nhiều so với dải bước sóng khả kiến từ 400 nm đến 700 nm trong chân không. Một máy quang phổ thông thường trong phòng thí nghiệm có thể phát hiện các bước sóng từ 2 nm đến 2500 nm. Thông tin chi tiết về tính chất vật lý của các vật thể, chất khí hoặc thậm chí cả các ngôi sao có thể thu được từ loại thiết bị này. Máy quang phổ được sử dụng rộng rãi trong vật lý thiên văn. Ví dụ, nhiều nguyên tử hydro phát ra một photon sóng vô tuyến có bước sóng 21,12 cm. Ngoài ra, tần số 30 Hz và bên dưới có thể được tạo ra bởi và rất quan trọng trong nghiên cứu về một số tinh vân sao nhất định và tần số cao tới 2,9 × 1027 Hz đã được phát hiện từ các nguồn vật lý thiên văn.
Vùng
Quang phổ Điện từ
Phổ điện từ
Sơ đồ phổ điện từ, hiển thị các thuộc tính khác nhau trên dải tần số và bước sóng
Các loại bức xạ điện từ được phân loại rộng rãi thành các loại sau (vùng, dải hoặc loại):
1. Bức xạ gamma.
2. Bức xạ tia X.
3. Tia cực tím.
4. Ánh sáng nhìn thấy được.
5. Bức xạ hồng ngoại.
6. Bức xạ vi sóng.
7. Sóng radio.
Sự phân loại này đi theo thứ tự bước sóng tăng dần, đặc trưng cho loại bức xạ.
Không có ranh giới được xác định chính xác giữa các dải phổ điện từ; đúng hơn là chúng mờ dần vào nhau giống như các dải trong cầu vồng (là quang phổ phụ của ánh sáng nhìn thấy được). Bức xạ của từng tần số và bước sóng (hoặc trong từng dải) có sự kết hợp các tính chất của hai vùng quang phổ liên kết với nó. Ví dụ, ánh sáng đỏ giống bức xạ hồng ngoại ở chỗ nó có thể kích thích và bổ sung năng lượng cho một số liên kết hóa học và thực sự phải làm như vậy để cung cấp năng lượng cho các cơ chế hóa học chịu trách nhiệm cho quá trình quang hợp và hoạt động của hệ thống thị giác.
Sự khác biệt giữa tia X và tia gamma một phần dựa trên các nguồn: các photon được tạo ra từ quá trình phân rã hạt nhân hoặc hạt nhân và hạt nhân/hạt nhân khác luôn được gọi là tia gamma, trong khi tia X được tạo ra bởi sự chuyển đổi điện tử liên quan đến các electron nguyên tử năng lượng cao bên trong. Nói chung, quá trình chuyển đổi hạt nhân có nhiều năng lượng hơn nhiều so với quá trình chuyển đổi điện tử, do đó tia gamma có nhiều năng lượng hơn tia X, nhưng vẫn tồn tại các trường hợp ngoại lệ. Tương tự như sự chuyển đổi điện tử, sự chuyển đổi nguyên tử muon (muonic atom) cũng được cho là tạo ra tia X, mặc dù năng lượng của chúng có thể vượt quá 6 megaelectronvolt (0,96 pJ), trong khi có rất nhiều (77 được biết là nhỏ hơn 10 keV (1,6 fJ)) chuyển đổi hạt nhân năng lượng thấp (ví dụ: chuyển đổi hạt nhân 7,6 eV (1,22 aJ) của thorium-229m), và, mặc dù năng lượng thấp hơn một triệu lần so với một số tia X muon, các photon phát ra vẫn được gọi là tia gamma do nguồn gốc hạt nhân của chúng.
Tuy nhiên, quy ước rằng bức xạ EM được biết là phát ra từ hạt nhân luôn được gọi là bức xạ “tia gamma” là quy ước duy nhất được mọi người tôn trọng. Nhiều nguồn tia gamma thiên văn (chẳng hạn như các vụ nổ tia gamma) được biết là quá năng lượng (cả về cường độ và bước sóng) để có nguồn gốc hạt nhân. Khá thường xuyên, trong vật lý năng lượng cao và trong xạ trị y tế, EMR năng lượng rất cao (trong vùng > 10 MeV) – có năng lượng cao hơn bất kỳ tia gamma hạt nhân nào – không được gọi là tia X hay tia gamma, mà thay vào đó là tia X thuật ngữ chung của “high-energy photons” (photon năng lượng cao).
Vùng của quang phổ nơi một bức xạ điện từ cụ thể được quan sát rơi xuống phụ thuộc vào khung tham chiếu (do sự dịch chuyển Doppler đối với ánh sáng), do đó, bức xạ EM mà một người quan sát sẽ nói là nằm trong một vùng của quang phổ có thể xuất hiện đối với một người quan sát đang di chuyển với tốc độ phần đáng kể của tốc độ ánh sáng so với phần đầu tiên nằm trong phần khác của quang phổ. Ví dụ, hãy xem xét nền vi sóng vũ trụ. Nó được tạo ra khi vật chất và bức xạ tách rời nhau, bằng cách khử các nguyên tử hydro về trạng thái cơ bản. Những photon này thuộc chuỗi Lyman chuyển tiếp, đưa chúng vào phần cực tím (UV) của quang phổ điện từ. Bây giờ bức xạ này đã trải qua đủ sự dịch chuyển đỏ vũ trụ để đưa nó vào vùng vi sóng của quang phổ đối với những người quan sát chuyển động chậm (so với tốc độ ánh sáng) đối với vũ trụ.
Lý do đặt tên
Bức xạ điện từ tương tác với vật chất theo những cách khác nhau trên quang phổ. Các loại tương tác này khác nhau đến mức các tên khác nhau trong lịch sử đã được áp dụng cho các phần khác nhau của quang phổ, như thể đây là các loại bức xạ khác nhau. Do đó, mặc dù các “loại” bức xạ điện từ này tạo thành phổ tần số và bước sóng liên tục về mặt định lượng, nhưng phổ vẫn bị phân chia vì những lý do thực tế phát sinh từ những khác biệt tương tác định tính này.
– Sóng vô tuyến (radio): Dao động tập thể của các hạt mang điện trong vật chất rời (dao động plasma). Một ví dụ sẽ là hành trình dao động của các electron trong một ăng-ten.
– Vi sóng thông qua tia hồng ngoại xa: Dao động plasma, quay phân tử.
– Hồng ngoại gần: Rung động phân tử, dao động plasma (chỉ trong kim loại).
– Nhìn thấy được: Kích thích điện tử phân tử (bao gồm các phân tử sắc tố được tìm thấy trong võng mạc của con người), dao động plasma (chỉ trong kim loại).
– Cực tím: Kích thích các electron hóa trị phân tử và nguyên tử, bao gồm cả sự phóng ra các electron (hiệu ứng quang điện).
– Tia X: Kích thích và phóng ra các electron nguyên tử lõi, tán xạ Compton (đối với số nguyên tử thấp).
– Tia gamma: Phóng năng lượng của các electron lõi trong các nguyên tố nặng, tán xạ Compton (đối với tất cả các số nguyên tử), kích thích hạt nhân nguyên tử, bao gồm cả sự phân ly hạt nhân.
– Tia gamma năng lượng cao: Tạo ra các cặp hạt-phản hạt. Ở năng lượng rất cao, một photon đơn lẻ có thể tạo ra một trận mưa hạt và phản hạt năng lượng cao khi tương tác với vật chất.
Các loại bức xạ
Sóng vô tuyến (radio)
Sóng vô tuyến được phát và thu bởi ăng-ten, bao gồm các dây dẫn như bộ cộng hưởng thanh kim loại. Trong quá trình tạo sóng vô tuyến nhân tạo, một thiết bị điện tử được gọi là máy phát tạo ra dòng điện xoay chiều được đưa vào ăng-ten. Các electron dao động trong ăng-ten tạo ra điện trường và từ trường dao động tỏa ra khỏi ăng-ten dưới dạng sóng vô tuyến. Khi thu sóng vô tuyến, điện trường và từ trường dao động của sóng vô tuyến kết hợp với các electron trong ăng-ten, đẩy chúng qua lại, tạo ra dòng điện dao động được áp dụng cho máy thu vô tuyến. Bầu khí quyển của Trái đất chủ yếu trong suốt đối với sóng vô tuyến, ngoại trừ các lớp hạt tích điện trong tầng điện ly có thể phản xạ các tần số nhất định.
Sóng vô tuyến được sử dụng cực kỳ rộng rãi để truyền thông tin qua khoảng cách xa trong các hệ thống liên lạc vô tuyến như phát thanh, truyền hình, radio hai chiều, điện thoại di động, vệ tinh liên lạc và mạng không dây. Trong một hệ thống liên lạc vô tuyến, một dòng tần số vô tuyến được điều chế với tín hiệu mang thông tin trong máy phát bằng cách thay đổi biên độ, tần số hoặc pha và áp dụng cho ăng-ten. Sóng vô tuyến mang thông tin xuyên không gian đến máy thu, nơi chúng được ăng-ten nhận và thông tin được trích xuất bằng cách giải điều chế trong máy thu. Sóng vô tuyến cũng được sử dụng để điều hướng trong các hệ thống như Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và đèn hiệu điều hướng cũng như định vị các vật thể ở xa trong định vị vô tuyến và radar. Chúng cũng được sử dụng để điều khiển từ xa và sưởi ấm công nghiệp.
Việc sử dụng phổ vô tuyến được quy định chặt chẽ bởi các chính phủ, được điều phối bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), tổ chức phân bổ tần số cho những người dùng khác nhau cho các mục đích sử dụng khác nhau.
Vi sóng (Sóng vi-ba)
Sóng vi-ba là sóng vô tuyến có bước sóng ngắn, từ khoảng 10 cm đến 1 mm, trong dải tần số SHF và EHF. Năng lượng vi sóng được tạo ra với các ống klystron và magnetron, và với các thiết bị trạng thái rắn như đi-ốt Gunn và IMPATT. Mặc dù chúng được phát ra và hấp thụ bởi các ăng-ten ngắn, nhưng chúng cũng được hấp thụ bởi các phân tử cực, khớp với các chế độ rung và quay, dẫn đến sự nóng lên của khối. Không giống như sóng tần số cao hơn như tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy được hấp thụ chủ yếu ở bề mặt, vi sóng có thể xâm nhập vào vật liệu và tích tụ năng lượng của chúng bên dưới bề mặt. Hiệu ứng này được sử dụng để hâm nóng thức ăn trong lò vi sóng, sưởi ấm công nghiệp và điện nhiệt y tế. Vi sóng là bước sóng chính được sử dụng trong radar và được sử dụng cho truyền thông vệ tinh và các công nghệ mạng không dây như Wi-Fi. Cáp đồng (đường truyền) được sử dụng để mang sóng vô tuyến tần số thấp hơn đến ăng-ten bị tổn thất điện năng quá mức ở tần số vi sóng và các ống kim loại được gọi là ống dẫn sóng được sử dụng để mang chúng. Mặc dù ở đầu dưới của dải, bầu khí quyển chủ yếu trong suốt, nhưng ở đầu trên của dải, sự hấp thụ vi sóng bởi các khí trong khí quyển giới hạn khoảng cách lan truyền thực tế ở mức vài km.
Bức xạ terahertz hoặc bức xạ dưới milimet là một vùng phổ từ khoảng 100 GHz đến 30 terahertz (THz) giữa vi sóng và tia hồng ngoại xa có thể được coi là thuộc về một trong hai dải. Cho đến gần đây, phạm vi này hiếm khi được nghiên cứu và có rất ít nguồn năng lượng vi sóng tồn tại trong cái gọi là khoảng cách terahertz, nhưng các ứng dụng như hình ảnh và truyền thông hiện đang xuất hiện. Các nhà khoa học cũng đang tìm cách áp dụng công nghệ terahertz trong lực lượng vũ trang, nơi sóng tần số cao có thể hướng vào quân địch để vô hiệu hóa thiết bị điện tử của họ. Bức xạ terahertz bị hấp thụ mạnh bởi các khí trong khí quyển, khiến dải tần số này trở nên vô dụng đối với liên lạc đường dài.
Bức xạ hồng ngoại
Phần hồng ngoại của phổ điện từ bao gồm dải tần từ khoảng 300 GHz đến 400 THz (1 mm – 750 nm). Nó có thể được chia thành ba phần:
– Hồng ngoại xa (Far-infrared), từ 300 GHz đến 30 THz (1 mm – 10 μm). Phần dưới của phạm vi này cũng có thể được gọi là sóng vi-ba hoặc sóng terahertz. Bức xạ này thường được hấp thụ bởi cái gọi là chế độ quay trong các phân tử pha khí, bởi các chuyển động phân tử trong chất lỏng và bởi các phonon trong chất rắn. Nước trong bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ mạnh trong phạm vi này đến mức nó làm cho bầu khí quyển trở nên mờ đục. Tuy nhiên, có một số phạm vi bước sóng nhất định (“cửa sổ”) trong phạm vi mờ cho phép truyền một phần và có thể được sử dụng cho thiên văn học. Phạm vi bước sóng từ xấp xỉ 200 μm đến vài mm thường được gọi là Thiên văn học dưới milimet, dành tia hồng ngoại xa cho các bước sóng dưới 200 μm.
– Hồng ngoại trung (Mid-infrared), từ 30 đến 120 THz (10-2,5 μm). Các vật thể nóng (bộ tản nhiệt vật đen) có thể bức xạ mạnh trong phạm vi này và da người ở nhiệt độ cơ thể bình thường bức xạ mạnh ở đầu dưới của vùng này. Bức xạ này được hấp thụ bởi các dao động phân tử, trong đó các nguyên tử khác nhau trong một phân tử dao động xung quanh vị trí cân bằng của chúng. Phạm vi này đôi khi được gọi là vùng vân tay, vì phổ hấp thụ giữa hồng ngoại của một hợp chất rất đặc trưng cho hợp chất đó.
– Cận hồng ngoại (Near-infrared), từ 120 đến 400 THz (2.500-750 nm). Các quy trình vật lý phù hợp với phạm vi này tương tự như các quy trình đối với ánh sáng khả kiến. Các tần số cao nhất trong vùng này có thể được phát hiện trực tiếp bởi một số loại phim ảnh và bởi nhiều loại cảm biến hình ảnh trạng thái rắn để chụp ảnh và quay phim hồng ngoại.
Ánh sáng nhìn thấy được
– Tím (violet): bước sóng 380-450 nm; tần số 670-790 THz; năng lượng photon 2.75-3.26 eV.
– Xanh da trời (blue): 450-485; 620-670; 2,56-2,75.
– Lục lam (cyan): 485-500; 600-620; 2,48-2,56.
– Xanh lá (green): 500-565; 530-600; 2,19-2,48.
– Vàng (yellow): 565-590; 510-530; 2,10-2,19.
– Cam (orange): 590-625; 480-510; 1,98-2,10.
– Đỏ (red): 625-750; 400-480; 1,65-1,98.
Trên tần số hồng ngoại là ánh sáng nhìn thấy được. Mặt trời phát ra công suất cực đại trong vùng khả kiến, mặc dù việc tích hợp toàn bộ phổ năng lượng phát xạ qua tất cả các bước sóng cho thấy Mặt trời phát ra tia hồng ngoại nhiều hơn một chút so với ánh sáng khả kiến. Theo định nghĩa, ánh sáng khả kiến là một phần của quang phổ EM mà mắt người nhạy cảm nhất. Ánh sáng khả kiến (và ánh sáng cận hồng ngoại) thường được hấp thụ và phát ra bởi các electron trong phân tử và nguyên tử di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Hành động này cho phép các cơ chế hóa học làm nền tảng cho tầm nhìn của con người và quá trình quang hợp của thực vật. Ánh sáng kích thích hệ thống thị giác của con người là một phần rất nhỏ của quang phổ điện từ. Cầu vồng hiển thị phần quang học (có thể nhìn thấy) của phổ điện từ; tia hồng ngoại (nếu có thể nhìn thấy) sẽ nằm ngay bên ngoài phía màu đỏ của cầu vồng trong khi tia cực tím sẽ xuất hiện ngay bên ngoài đầu màu tím đối diện.
Bức xạ điện từ có bước sóng từ 380 nm đến 760 nm (400-790 terahertz) được mắt người phát hiện và coi là ánh sáng nhìn thấy được. Các bước sóng khác, đặc biệt là tia hồng ngoại gần (dài hơn 760 nm) và tia cực tím (ngắn hơn 380 nm) đôi khi cũng được gọi là ánh sáng, đặc biệt khi tầm nhìn của con người không liên quan. Ánh sáng trắng là sự kết hợp của các ánh sáng có bước sóng khác nhau trong quang phổ khả kiến. Cho ánh sáng trắng đi qua một lăng kính sẽ phân tách nó thành nhiều màu ánh sáng quan sát được trong quang phổ khả kiến giữa 400 nm và 780 nm.
Nếu bức xạ có tần số trong vùng khả kiến của phổ EM phản xạ khỏi một vật thể, chẳng hạn như một bát trái cây, rồi đập vào mắt, điều này dẫn đến nhận thức trực quan về cảnh. Hệ thống thị giác của não xử lý vô số tần số phản xạ thành các sắc thái và sắc thái khác nhau, và thông qua hiện tượng tâm sinh lý chưa được hiểu đầy đủ này, hầu hết mọi người cảm nhận được một bát trái cây.
Tuy nhiên, ở hầu hết các bước sóng, thông tin do bức xạ điện từ mang theo không được các giác quan của con người phát hiện trực tiếp. Các nguồn tự nhiên tạo ra bức xạ EM trên toàn phổ và công nghệ cũng có thể điều khiển một loạt các bước sóng. Sợi quang truyền ánh sáng, mặc dù không nhất thiết phải ở phần nhìn thấy của quang phổ (thường là tia hồng ngoại), có thể mang thông tin. Điều chế tương tự như điều chế được sử dụng với sóng vô tuyến.
Tia cực tím
Tiếp theo về tần số là tia cực tím (UV). Bước sóng của tia UV ngắn hơn đầu tím của quang phổ khả kiến nhưng dài hơn tia X.
UV là bức xạ có bước sóng dài nhất mà các photon của nó đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử, tách các electron ra khỏi chúng và do đó gây ra các phản ứng hóa học. Tia cực tím bước sóng ngắn và bức xạ bước sóng ngắn hơn phía trên nó (tia X và tia gamma) được gọi là bức xạ ion hóa và việc tiếp xúc với chúng có thể làm hỏng mô sống, khiến chúng trở thành mối nguy hiểm cho sức khỏe. UV cũng có thể làm cho nhiều chất phát sáng với ánh sáng khả kiến; điều này được gọi là huỳnh quang.
Ở dải giữa của tia cực tím, tia UV không thể ion hóa nhưng có thể phá vỡ các liên kết hóa học, khiến các phân tử phản ứng bất thường. Ví dụ, cháy nắng là do tác động gián đoạn của bức xạ tia cực tím tầm trung lên tế bào da, đây là nguyên nhân chính gây ung thư da. Các tia UV ở dải trung bình có thể gây tổn hại không thể khắc phục được đối với các phân tử DNA phức tạp trong các tế bào tạo ra các chất làm mờ thymine khiến nó trở thành một tác nhân gây đột biến rất mạnh.
Mặt trời phát ra bức xạ tia cực tím (khoảng 10% tổng năng lượng của nó), bao gồm tia cực tím bước sóng cực ngắn có khả năng tiêu diệt hầu hết sự sống trên đất liền (nước biển sẽ bảo vệ sự sống ở đó). Tuy nhiên, hầu hết các bước sóng tia cực tím gây hại của Mặt trời đều bị khí quyển hấp thụ trước khi chúng chạm tới bề mặt. Dải năng lượng cao hơn (bước sóng ngắn nhất) của tia cực tím (được gọi là “UV chân không”) được hấp thụ bởi nitơ và ở bước sóng dài hơn, bởi oxy diatomic đơn giản trong không khí. Hầu hết tia cực tím ở dải năng lượng trung bình bị chặn bởi tầng ô-zôn, lớp này hấp thụ mạnh ở dải 200-315 nm quan trọng, phần năng lượng thấp hơn quá dài đối với dioxygen thông thường trong không khí để hấp thụ. Điều này để lại ít hơn 3% ánh sáng mặt trời ở mực nước biển trong tia cực tím, với tất cả phần còn lại này ở năng lượng thấp hơn. Phần còn lại là UV-A, cùng với một số UV-B. Dải năng lượng thấp nhất của tia cực tím nằm trong khoảng 315 nm và ánh sáng khả kiến (được gọi là UV-A) không bị khí quyển chặn lại, nhưng không gây cháy nắng và ít tổn thương sinh học hơn. Tuy nhiên, nó không vô hại và tạo ra các gốc oxy, đột biến và tổn thương da.
Tia X
Sau tia cực tím đến tia X, giống như các dải trên của tia cực tím cũng bị ion hóa. Tuy nhiên, do năng lượng cao hơn, tia X cũng có thể tương tác với vật chất bằng hiệu ứng Compton. Tia X cứng có bước sóng ngắn hơn tia X mềm và vì chúng có thể đi qua nhiều chất với ít hấp thụ, chúng có thể được sử dụng để “nhìn xuyên” các vật thể có “độ dày” nhỏ hơn tương đương với vài mét nước. Một ứng dụng đáng chú ý là chẩn đoán hình ảnh tia X trong y học (một quá trình được gọi là chụp X quang). Tia X rất hữu ích làm đầu dò trong vật lý năng lượng cao. Trong thiên văn học, các đĩa bồi tụ xung quanh sao neutron và lỗ đen phát ra tia X, cho phép nghiên cứu các hiện tượng này. Tia X cũng được phát ra bởi vành nhật hoa sao và được phát ra mạnh bởi một số loại tinh vân. Tuy nhiên, các kính viễn vọng tia X phải được đặt bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất để quan sát tia X thiên văn, vì độ sâu lớn của bầu khí quyển Trái đất không cho tia X (với mật độ diện tích là 1000 g/cm2), tương đương với 10 độ dày mét của nước. Đây là một lượng đủ để chặn gần như tất cả các tia X thiên văn (và cả tia gamma thiên văn).
Tia gamma
Sau tia X cứng là tia gamma, được phát hiện bởi Paul Ulrich Villard vào năm 1900. Đây là những photon năng lượng cao nhất, không có giới hạn dưới xác định đối với bước sóng của chúng. Trong thiên văn học, chúng rất có giá trị để nghiên cứu các vật thể hoặc vùng năng lượng cao, tuy nhiên với tia X, điều này chỉ có thể thực hiện được với các kính viễn vọng bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất. Tia gamma được các nhà vật lý sử dụng trong thực nghiệm vì khả năng xuyên thấu của chúng và được tạo ra bởi một số đồng vị phóng xạ. Chúng được sử dụng để chiếu xạ thực phẩm và hạt để khử trùng, và trong y học, chúng thỉnh thoảng được sử dụng trong xạ trị ung thư. Phổ biến hơn, tia gamma được sử dụng để chẩn đoán hình ảnh trong y học hạt nhân, ví dụ như quét PET. Bước sóng của tia gamma có thể được đo với độ chính xác cao thông qua hiệu ứng tán xạ Compton./.
