Ánh sáng dưới dạng sóng điện từ
Ánh sáng, một trong những hiện tượng tự nhiên kỳ diệu, thực chất là một dạng sóng điện từ. Bài viết này sẽ đưa bạn khám phá những đặc tính cơ bản của sóng điện từ và ánh sáng, cùng với tác động của chúng đối với môi trường và con người trong cuộc sống hàng ngày.
Lần trước, chúng ta đã giải thích rằng ánh sáng là một dạng sóng điện từ, và khái niệm về ánh sáng, vốn dựa trên cảm giác của con người, đã được mở rộng ra để bao gồm các dạng sóng điện từ khác như tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại. Những khái niệm này đã trở thành năng lượng vật lý của sóng điện từ. Lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về những tính chất cơ bản của sóng điện từ và những đặc điểm chung của ánh sáng.
Sóng điện từ được hình thành từ đâu?
Sóng điện từ là một hiện tượng vật lý khi năng lượng dao động giữa trường điện và trường từ. Chúng bao gồm những bước sóng ngắn hơn ánh sáng rất nhiều, như tia gamma (γ) và tia X, cũng như những bước sóng dài hơn như sóng vi ba và sóng radio. Những sóng điện từ này có rất nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
- Sóng radio: các loại sóng ngắn, trung và dài được sử dụng trong phát sóng radio và truyền hình.
- Sóng vi ba: được dùng trong lò vi sóng.
- Ánh sáng: bao gồm tia cực tím, ánh sáng trực diện và tia hồng ngoại.
- Tia X: được sử dụng trong chẩn đoán y tế.
Hình 1. Sóng điện từ được hình thành từ đâu?
Sóng điện từ dưới dạng sóng và hạt
Tất cả các sóng điện từ đều được tạo thành từ photon. Photon là đơn vị nhỏ nhất của bức xạ điện từ, là phần tử cơ bản của tất cả các loại ánh sáng.
Sóng điện từ có cả đặc tính sóng và đặc tính hạt, được minh họa qua các ví dụ dưới đây. Đây là một trong những nguyên lý trung tâm của cơ học lượng tử hiện đại.
Khi một viên sỏi được ném xuống ao, nó tạo ra sóng gợn. Một vật thể nổi trên mặt nước dao động lên xuống theo sóng gợn nhưng vẫn đứng yên (trừ khi bị tác động bởi một lực bên ngoài như gió). Năng lượng sóng lan tỏa ra xung quanh theo sóng gợn.
Hình 2. Viên sỏi tạo ra sóng gợn khi được ném xuống ao
Sóng gợn trên mặt nước sẽ phản xạ theo hướng ngược lại khi va phải bờ. Sóng tới và sóng ngược giao thoa với nhau, có thể làm tăng hoặc giảm lẫn nhau. Đây gọi là hiện tượng giao thoa sóng. Vật thể nổi trên nước dao động bất thường lên xuống tùy vào sự giao thoa của sóng.
Hình 3. Hiện tượng giao thoa sóng
Một hiện tượng khác gọi là sự nhiễu xạ sóng xảy ra khi sóng gặp phải một vật cản và uốn cong xung quanh vật đó. Càng có bước sóng dài, độ uốn cong xung quanh vật cản càng lớn.
Hình 4. Hiện tượng nhiễu xạ sóng
Sóng điện từ cũng có những đặc điểm tương tự nhờ hiện tượng gợn sóng của chúng, nhờ tính chất sóng của chúng. Ví dụ, sóng điện từ thể hiện rõ hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, hiện tượng này càng rõ ràng hơn khi bước sóng dài ra. Sóng radio và truyền hình từ các trạm phát sóng có thể được nhận ngay cả khi ở trong bóng tối của các tòa nhà hoặc bên trong nhà, vì bước sóng dài của chúng gây ra nhiễu xạ mạnh mẽ hơn.
Khi bước sóng ngắn lại, tính chất sóng trở nên ít rõ ràng hơn, và sóng điện từ sẽ di chuyển thẳng với ít nhiễu xạ, cư xử giống như hạt. Điều này có thể thấy rõ với ánh sáng nhìn thấy. Dù ánh sáng có cả tính chất sóng và hạt, nhưng bước sóng ngắn của nó khiến ánh sáng di chuyển theo đường thẳng và tạo ra bóng tối. Tuy nhiên, hiệu ứng nhiễu xạ của ánh sáng có thể quan sát được khi sử dụng một số thiết bị thí nghiệm.
Bước sóng ngắn tương ứng với năng lượng lớn hơn
Năng lượng của photon tỉ lệ nghịch với bước sóng. Photon có năng lượng cao hơn khi bước sóng trở nên ngắn hơn.
Hình 5. Bước sóng ngắn tương ứng với năng lượng lớn hơn
Mỗi photon mang năng lượng và va chạm với các vật thể khác nhau, bao gồm cả mắt và da của con người. Photon có năng lượng cao có thể thay đổi hoặc phá hủy cấu trúc phân tử của vật thể. Đó là lý do tại sao những bước sóng ngắn như tia γ (gamma) và tia X có hại và gây tổn thương nghiêm trọng cho mô sống của con người và động vật. Đối với những vật thể vô sinh như giấy hoặc vải, chúng có thể gây hư hại hoặc làm mất màu.
Mặc dù năng lượng của một photon là rất nhỏ và con người không thể cảm nhận được, nhưng hàng triệu photon tụ lại với nhau (trong dải bước sóng nhìn thấy) cho phép con người cảm nhận được “độ sáng”.
Sóng điện từ và môi trường bên ngoài
Mặt trời phát ra nhiều loại sóng điện từ khác nhau. Những sóng có bước sóng ngắn hơn 280 nm (như tia γ (gamma), tia X, tia UV-C) không thể tới được bề mặt Trái Đất vì chúng chủ yếu bị hấp thụ bởi lớp khí quyển phía trên. Một trong những lý do các phi hành gia mặc bộ đồ vũ trụ ngoài không gian là để bảo vệ cơ thể khỏi các sóng điện từ có hại như tia gamma, tia X và tia UV trên tầng khí quyển.
Hình 6. Các loại sóng điện từ từ mặt trời
Khoảng 0,5% tia UV-B (280-315 nm) và 5% tia UV-A (315-380 nm) có thể đến bề mặt Trái Đất tùy theo mùa và điều kiện thời tiết. Một ngoại lệ là lỗ thủng tầng ozone ở khu vực Nam Cực. Đây được xem là một vấn đề môi trường nghiêm trọng vì tia cực tím (UV), vốn được hấp thụ trong lớp ozone, lại xuyên qua lỗ thủng và đến bề mặt Trái Đất.
Ngược lại, phần lớn ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại có thể đến được Trái Đất sau khi bị hấp thụ một phần bởi hơi nước trong khí quyển. Cuộc sống trên Trái Đất có thể tồn tại nhờ vào năng lượng mặt trời từ dải ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, trong khi lớp khí quyển ngăn chặn các bước sóng ngắn có hại cho cơ thể.
Phổ điện từ và con người
Sóng điện từ có bước sóng trong phạm vi UV-C là rất nguy hiểm đối với sinh vật sống. Hơn nữa, tia UV-B và UV-A, mặc dù chỉ một phần đến Trái Đất, vẫn không hoàn toàn an toàn.
Tia UV-B là nguyên nhân chính gây tổn thương khi tiếp xúc kéo dài với ánh sáng mặt trời mạnh, bao gồm cháy nắng, ung thư da, thậm chí là hư hại DNA. Nó cũng gây ra một dạng viêm mắt gọi là mù tuyết, khi tia UV phản chiếu từ tuyết gây cháy nắng cho mắt. Mặc dù tia UV-A ít nguy hiểm hơn UV-B, nhưng chúng có thể xuyên sâu vào da, làm biến tính collagen trong mô da, thúc đẩy lão hóa da như đốm và tàn nhang.
Ngay cả những bước sóng dài hơn UV cũng có thể gây hại. Ánh sáng xanh mạnh hoặc tiếp xúc quá mức với nó có thể gây tổn thương võng mạc khi nhìn trực tiếp vào.
Chụp ảnh bằng tia X thường không gây hại cho con người vì tia X chỉ chiếu trong một thời gian ngắn, nhưng đối với các kỹ thuật viên tia X, những người tiếp xúc lặp đi lặp lại, nguy cơ lại rất cao, vì vậy họ phải chụp ảnh từ phòng riêng biệt.
Ánh sáng mặt trời có thể làm giấy trắng chuyển sang màu vàng theo thời gian vì năng lượng photon từ các bước sóng ngắn làm hư hại cấu trúc phân tử của giấy. Sự hư hại này khiến giấy khó phản xạ lại những bước sóng ngắn trong dải ánh sáng nhìn thấy, từ đó làm thay đổi màu sắc của nó.
Hình 7. Ánh sáng mặt trời có thể làm giấy trắng chuyển sang màu vàng theo thời gian
Những sóng điện từ có bước sóng dài (như tia hồng ngoại hay sóng radio) mang ít năng lượng photon hơn, điều này khiến chúng ít gây hại cho cơ thể, nhưng không có nghĩa là không có nguy hiểm. Ví dụ, thợ làm kính có thể bị đục thủy tinh thể theo thời gian do bức xạ hồng ngoại từ việc nung nóng kính. Tất cả những ví dụ trên về tác hại đối với cơ thể sống và vật thể đều liên quan đến sự phụ thuộc vào bước sóng và cường độ năng lượng điện từ.
Ánh sáng cũng là một dạng sóng điện từ. Khi sử dụng ánh sáng trong thị giác máy móc, bước sóng và năng lượng photon tương ứng là những yếu tố quan trọng cần xem xét. Các hiện tượng ánh sáng khác nhau sẽ xảy ra tùy vào bước sóng, điều này giúp làm nổi bật và thu thập thông tin mục tiêu. Bạn nên tránh nhìn trực tiếp vào nguồn sáng càng nhiều càng tốt khi sử dụng ánh sáng, đặc biệt là khi sử dụng tia cực tím (UV) và ánh sáng nhìn thấy có bước sóng ngắn (tím, xanh, v.v.).
