Quang phổ

"Quang phổ" là phần mềm minh hoạ các đặc tính bức xạ nhiệt của các vật bị nung nóng. Không những thế, đây còn là thư viện các loại quang phổ của những loại nguồn sáng thông dụng. Nhờ phần mềm này chúng ta dễ dàng so sánh và rút ra được ưu nhược điểm của các loại đèn chiếu sáng dựa trên quang phổ của chúng.

Tải chương trình:

Quang phổ

Lưu ý: chương trình chạy trên nền java

Video minh hoạ

Cách sử dụng phần mềm

Sau khi tải file nén "Quang pho 2018.zip" về và giải nén, ta có được thư mục "Quang pho", trong đó chứa tập tin thực thi "Quang-pho.jar". Tập thực thi này cần mở bằng java. Các file đuôi .txt còn lại là dữ liệu, không can thiệp sửa đổi.

Giao diện chương trình khá đơn giản và rất dễ sử dụng qua hệ thống nút lựa chọn. Chỉ một điểm cần lưu ý là nhiệt độ của vật bị nung nóng được điều chỉnh trực tiếp qua tương tác chuột, tại vị trí thanh ngang như hình 1. Thanh ngang ấy cũng trỏ sang cột màu, biểu thị màu biểu kiến của vật ở nhiệt độ đang lựa chọn.

Hình 1

Khi nhấp chuột trái vào vị trí bất kì trên khung hình, con dấu chữ thập sẽ xuất hiện đánh dấu bước sóng tương ứng tại vị trí đó.

Hệ thống nút lựa chọn phân ra thành ba chủ đề chính: phổ Mặt trời, phổ đèn chiếu sáng và phổ hấp thụ của diệp lục. Phạm vi khảo sát phổ Mặt trời kéo dài từ 0 đến 3\mu m. Hai loại phổ còn lại, chương trình mặc định phạm vi khảo sát từ 0.35\mu m đến 0.75\mu m.

Định luật Planck về bức xạ nhiệt

Lý thuyết về bức xạ nhiệt đề cập trực tiếp đến một đối tượng khá trừu tượng: vật đen tuyệt đối. Đó là vật có khả năng hấp thụ mọi tia bức xạ chiếu đến nó. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về vật đen tuyệt đối lại hết sức gần gũi với kĩ thuật và đời sống, bởi vì hầu hết các vật rắn, nơi có sự phân bố vật chất đậm đặc, đều có tính chất phát xạ rất gần với vật đen tuyệt đối.

Nghiên cứu của Boltzmann và Stefan chỉ ra rằng, vật bị nung nóng bức xạ ra môi trường các sóng điện từ có năng lượng tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối:

\begin{equation}
E=\sigma T^4,
\label{stefan_boltzmann}
\end{equation}

với hệ số tỉ lệ \sigma=5.67036713\cdot 10^{-8}\mathrm{Wm^{-2}K^{-4}}, còn được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann. Định luật Stefan-Boltzmann \eqref{stefan_boltzmann} có ý nghĩa rất thực tế: vật càng bị nung nóng, nó càng phát xạ rực rỡ!

Nghiên cứu của Planck đưa ra một kết luận toàn diện về phổ bức xạ nhiệt:

\begin{equation}
B_\lambda(\lambda,T)=\frac{2hc^2}{\lambda^5}\frac{1}{e^\frac{hc}{\lambda kT}-1},
\label{planck}
\end{equation}

trong đó công suất bức xạ phân bố theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào bước sóng \lambda. Trên hình 2 chỉ ra phổ bức xạ của một vật có nhiệt độ tầm 5700 Kelvin, đồng thời đưa ra so sánh với phổ bức xạ Mặt trời bên ngoài khí quyển.

Hình 2

Dù phổ Mặt trời thu được khi thiết bị đo đặt bên ngoài tầng khí quyển của Trái đất, phổ đó vẫn bị chút biến dạng do khí quyển của Mặt trời. Nhưng chúng ta vẫn thấy rất rõ sự trùng khớp giữa hai phổ. Điều đó chứng tỏ bề mặt Mặt trời phải có mức nhiệt độ tương đương với nhiệt độ của một vật rắn nằm trên Trái đất nung nóng ở 5700 Kelvin!

Khi đặt thiết bị đo phổ Mặt trời nằm sâu trong khí quyển Trái đất, ta thấy phổ bức xạ Mặt trời bị hấp thụ ở một số vị trí nhất định (hình 1). Điều này có thể giải thích bởi sự hiện diện của các loại phân tử điển hình trong khí quyển như \mathrm{O_2,H_2O,CO_2\ldots}.

Màu sắc của vật thể nung nóng

Khi ở nhiệt độ thấp, tầm nhiệt độ phòng, vật thể rắn chỉ phát ra tia hồng ngoại, mắt thường không thấy được. Cho nên trong phòng kín, ta không thể nhìn thấy vật nếu không dùng nguồn sáng khác rọi vào. Nhưng khi nung nóng vật lên, vật bắt đầu phát xạ ra các tia điện từ thuộc phổ nhìn thấy. Ban đầu vật có màu đỏ sẫm mờ, sau sáng dần, chuyển dần sang cam, vàng...

Ta có thể lý giải hiện tượng trên qua phần mềm "Quang phổ". Đầu tiên chúng ta dễ dàng kiểm chứng được quy luật dịch chuyển Wien: khi nhiệt độ càng cao, đỉnh đồ thị bức xạ càng dịch chuyển về phía bước sóng ngắn

\begin{equation}
\lambda_{max}=\frac{b}{T},
\label{wien}
\end{equation}

với b=2.897772917\cdot 10^{-3}\mathrm{m\cdot K} - hằng số dịch chuyển Wien. Khi nhiệt độ tăng, đỉnh đồ thị bức xạ dịch dần về bên trái, ăn vào phần bước sóng nhìn thấy, vật bắt đầu phát sáng. Lúc này những tia màu đỏ chiếm tỉ lệ nhiều hơn các màu khác nên vật mới có màu đỏ, cam. Để vật có thể bức xạ nhiệt ra ánh sáng trắng, nhiệt độ cần phải đạt đến 5500-6000 Kelvin. Đó là khi các màu có tỉ lệ cân xứng. Nếu tăng cao nhiệt độ quá 6000-7000 Kelvin, phổ màu sẽ nghiêng về phía xanh, làm cho màu tổng thể của vật có màu xanh.

Hình 3

Các sinh vật sống trên Trái đất thích nghi với điều kiện chiếu sáng Mặt trời, do đó tự cân bằng phổ bức xạ của Mặt trời lúc giữa trưa, tương đương với vật nóng sáng 5500-6000 Kelvin là có màu trắng. Những ngôi sao có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Mặt trời sẽ có màu đỏ cam, còn những ngôi sao có nhiệt độ cao hơn Mặt trời sẽ nghiêng về màu xanh (hình 3). Vào đầu thế kỉ 20, nhà thiên văn Annie Jump Cannon phân loại bầu trời theo cấp sao dựa trên sự liên hệ với quang phổ và nhiệt độ của chúng.

Hình 4

Đèn điện dây tóc hoạt động trên nguyên lý bức xạ của vật nóng sáng. Người ta cố tình chọn Wolfram, nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy đến 3500 làm vật liệu chế dây tóc. Dễ hiểu rằng tại sao bóng đèn dây tóc chỉ có thể cho ra ánh sáng vàng. Ngoài nhược điểm trên, đèn dây tóc có phổ phát xạ mở rộng ra cả vùng tử ngoại, có thể gây hại cho mắt nếu không dùng chụp đèn. Trên hết, phần lớn năng lượng cấp cho dây tóc hoá thành bức xạ hồng ngoại, không có tác dụng chiếu sáng mà chỉ gây tốn điện năng và toả nhiệt.

Quang phổ một số nguồn sáng thông dụng

Dùng phần mềm "Quang phổ", chúng ta có thể quan sát phổ của một số loại đèn thông dụng và rút ra được ưu nhược điểm của mỗi loại. Hình 5 đưa ra phổ của đèn huỳnh quang, với ba bó vạch nổi bật ở vùng xanh dương, xanh lá và đỏ tạo nên một tổng hoà màu trắng. Đèn huỳnh quang là loại đèn được đánh giá cho ra ánh sáng trắng khá gần với ánh sáng tự nhiên.

Hình 5: Quang phổ đèn huỳnh quang

Hình 6 biểu diễn phổ đèn LED trắng. Đây là loại đèn dựa trên nền tảng của LED xanh dương. Các tia xanh dương tạo phản ứng kích thích lớp huỳnh quang, làm phát xạ ra dải phổ có năng lượng thấp hơn ở xanh lá, vàng, đỏ, hợp lại thành ánh sáng trắng. Vì thế ta thấy có một mũi nhọn ở vùng xanh dương trong phổ của đèn LED trắng.

Hình 6: Quang phổ đèn LED trắng

Từ hình 7 đến hình 9 biểu diễn phổ của các loại LED "đơn sắc" thông dụng. Phổ của chúng không hoàn toàn đơn sắc, nhưng vẫn thu lại trong một phạm vi khá hẹp.

Hình 7: Quang phổ LED xanh dương
Hình 8: Quang phổ LED xanh lá
Hình 9: Quang phổ LED đỏ

Một loại đèn có ứng dụng dân dụng rất cao là đèn natri áp suất thấp, có phổ trình bày trên hình 10. Loại đèn này cực kì tiết kiệm năng lượng do phổ của nó chỉ tập trung đúng vào bước sóng 589 nm, với một ánh sáng vàng rất đặc trưng. Vì chỉ phát ra đúng một vạch màu nên rất khó phân biệt màu sắc khi chiếu sáng bằng đèn natri. Tuy nhiên, loại đèn vàng này được sử dụng rộng rãi để làm đèn đường do ưu điểm tiết kiệm điện của nó.

Hình 10: Quang phổ đèn natri áp suất thấp

Khả năng phân biệt màu sắc khi dùng đèn natri được cải thiện ở loại đèn natri áp suất cao, với phổ trình bày trên hình 11.

Hình 11: Quang phổ đèn natri áp suất cao

Quang phổ hấp thụ của diệp lục

Quan sát quang phổ hấp thụ của hai loại diệp lục chính, ta có thể giải thích được nguyên nhân tạo ra màu xanh lá cây ở thực vật. Lá cây ưa hấp thụ dải ánh sáng đỏ và xanh tím. Đó chính là cơ sở để ta lựa chọn loại đèn chiếu sáng thích hợp trong nông nghiệp. Các loại đèn chuyên dụng cho nông nghiệp là những loại LED chỉ phát ra đúng dải màu cây ưa thích, rất tiết kiệm năng lượng, mang lại hiệu suất cao về sản lượng lẫn kinh tế.

Hình 12: Quang phổ hấp thụ diệp lục loại A
Hình 13: Quang phổ hấp thụ của diệp lục loại B