Quang phổ ánh sáng là gì? Ứng dụng của quang phổ trong đời sống

Quang phổ ánh sáng là một hiện tượng vật lý. Nó giúp chúng ta giải đáp các hiện tượng kỳ lạ trong đời sống hằng ngày. Vậy bạn đã biết quang phổ ánh sáng là gì chưa? Nếu chưa thì hãy cùng Mindovermetal đi khám phá chúng qua bài viết sau đây.

Quang phổ ánh sáng là gì?

Quang phổ giống như một tập hợp dải có màu sắc cầu vồng. Chúng ta có thể quan sát được trên màn ảnh khi có hiện tượng tán sắc ánh sáng. Nó được tạo ra bởi sự phát xạ (các vạch sáng); hoặc do sự hấp thu ánh sáng (các vạch tối) trong dải tần hẹp. Ví dụ như: ánh sáng mặt trời; ánh sáng của đèn dây tóc,…

Trong nghiên cứu khoa học, quang phổ được sử dụng để chia ánh sáng thu được bằng kính viễn vọng thành các màu hoặc bước sóng khác nhau của nó. Thường thì người ta sẽ dùng một lăng kính; hoặc lưới nhiễu xạ để ghi lại màu sắc cầu vồng trên phim hoặc bằng điện tử.

Khi đó, người ta sẽ biết được các thành phần của khí ở vùng bên ngoài của các ngôi sao; hoặc những hành tinh đang được kiểm tra thông qua các đường thẳng (sáng hoặc tối) được xuất hiện trong quang phổ.

Lịch sử quang phổ ánh sáng

Bắt đầu từ thế kỷ 13 – 17

Roger Bacon đã đưa ra giả thuyết về quá trình tạo ra cầu vồng giống như ánh sáng đi qua thủy tinh vào thế kỷ 13.

Còn vào thế kỷ 17, Isaac Newton đã khám phá ra và mô tả hiện tượng các lăng kính có khả năng tách và gộp ánh sáng trắng. Ông đã quan sát về một chùm ánh sáng mặt trời hẹp va chạm vào một bề mặt lăng kính thủy tinh. Sau đó, một vài tia phản xạ xuyên vào bên trong và thoát ra khỏi lăng kính tạo thành nhiều kênh màu khác nhau.

Newton đã phát hiện về ánh sáng được tạo thành bởi nhiều hạt với nhiều màu sắc khác nhau. Vì vậy, ánh sáng di chuyển với tốc độ khác nhau trong vật chất trong suốt. Ánh sáng tím sẽ di chuyển chậm hơn ánh sáng đỏ trong thủy tinh. Kết quả là ánh sáng đỏ bị bẻ cong (khúc xạ) ít hơn so với ánh sáng tím khi xuyên qua lăng kính tạo ra quang phổ nhiều màu sắc.

Quang phổ được chia thành 7 màu

Lúc đầu, Newton đã chia quang phổ thành 6 màu: cam, lục, vàng, tím, lam và đỏ. Sau đó, ông đã thêm vào màu chàm là màu số 7. Vì ông tin rằng số 7 là sự liên hệ giữa sắc tố với 7 nốt nhạc; 7 thiên thể đã được biết đến trong hệ mặt trời lúc bấy giờ; và là 7 ngày trong tuần. Điều này bắt nguồn từ những giáo sĩ Hy Lạp cổ đại.

Vì mắt người ít khi nhạy cảm với màu chàm, và một vài người không thể phân biệt được màu chàm với màu lam và tím. Cho nên một vài nhà bình luận trong đó có cả Isaac Asimov, đã đề nghị màu chàm không nên xem là một màu riêng. Mà là một phần giữa màu lam và tím.

Newton đưa ra bằng chứng về “chàm” và “xanh” không khớp với những ý nghĩa về sắc số. Khi hình ảnh màu của quang phổ được nhìn thấy trên lăng kính màu. Cho thấy được “màu chàm” tương đương với màu xanh lam. Trong khi đó “màu xanh lam” được ông diễn tả tương tự với màu xanh lơ.

Từ thế kỷ 18 – 19

Cho đến thế kỷ 18, Johann Wolfgang von Goethe đã viết về phổ quang học trong cuốn sách “Lý thuyết về màu sắc”. Ông đã sử dụng thuật ngữ quang phổ (Spektrum) để ra ám hiệu chỉ dư ảnh quang học ma thuật, như Schopenhauer trong quyển “On Vision and Colors”.

Khi Newton thu hẹp chùm ánh sáng để cô lập hiện tượng. Thì Goethe đã quan sát khẩu độ rộng hơn không tạo ra quang phổ mà tạo ra rìa của màu vàng – đỏ và xanh lơ – lam có màu trắng ở giữa. Quang phổ chỉ hiện ra khi rìa của các màu này đủ gần để chồng lên nhau.

Vào thế kỷ 19, các khái niệm về quang phổ được nhìn thấy rõ ràng hơn và được đặc trưng hóa bởi William Herschel với hồng ngoại và Johann Wilhelm Ritter với cực tím, Thomas Young, Thomas Johann Seebeck, và những người khác. Young đã đo lường những bước sóng của những màu khác nhau vào năm 1802.

Nguyên lý hoạt động của quang phổ

Một quang phổ có thể tách ánh sáng thành những bước sóng thành phần của nó.

Đầu tiên, ánh sáng truyền từ kính thiên văn qua một lỗ nhỏ trong máy quang phổ tới một tấm gương thu thập đường thẳng lên toàn bộ những tia sáng song song với nhau. Tiếp theo, chúng được đặt tới một tấm thủy tinh ghi độ mịn được gọi là độ nhiễu xạ.

Khi ánh sáng chiếu thẳng vào lưới thủy tinh, nhiều bước sóng thành phần của nó đã thay đổi vận tốc và hướng theo màu quang phổ của chúng.

Lưới bẻ cong ánh sáng đỏ với ánh sáng màu da cam, ánh sáng vàng,… theo các cách khác nhau. Đồng thời trải rộng nhiều bước sóng thành phổ cầu vồng. Xoay các điều khiển nhiễu xạ mà các bước sóng ánh sáng chiếu lên một gương khác. Vì vậy, nó tập trung những bước sóng này vào một bộ tách sáng quang. Ví dụ như thiết bị ghép điện tích.

Các nhà khoa học thường dùng máy quang phổ UV-VIS để đo chỉ số quang phổ này trong phòng thí nghiệm.

Các loại dải màu quang phổ

Hiện nay có tổng cộng 3 dải màu quang phổ. Chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu về định nghĩa; cũng như đặc điểm và ứng dụng của từng loại quang phổ thông dụng trong cuộc sống hiện nay.

Quang phổ liên tục

Quang phổ liên tục là dải sáng không có vạch quang phổ. Mà chỉ có dải màu liền nhau và liên tục thay đổi màu (từ đỏ sang tím) mà không bị gián đoạn.

Nguồn phát của quang phổ liên tục

• Vật rắn như dây tóc bóng đèn.
• Chất lỏng như kim loại nóng chảy.
• Chất khí áp suất thấp như mặt trời.

Với điều kiện tất cả phải được nung nóng. Sử dụng tia lửa điện để kích thích đến khi phát sáng.

Đặc điểm của quang phổ liên tục

• Chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát sáng. Không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo nên nguồn sáng.
• Vật phát sáng có nhiệt độ càng cao, quang phổ liên tục càng mờ dần về phía tím.
• Nếu các chất khác nhau của quang phổ liên tục ở cùng một nhiệt độ, thì sẽ ra kết quả giống nhau.

Ứng dụng của quang phổ liên tục

• Dùng để xác định nhiệt độ của các vật thể ở xa. Ví dụ như: thiên thể; hành tinh khác,…
• Xác định các vật thể có nhiệt độ rất cao mà con người không thể thực hiện được. Ví dụ như: lò luyện kim, mặt trời,…

Quang phổ vạch phát xạ

Quang phổ vạch phát xạ chỉ các vạch màu (vạch sáng) riêng lẽ hay bị đứt quãng ở trên một nền tối. Nó phát ra từ vật thể chứa nhiều nguồn năng lượng để mô tả các bước sóng của phổ điện từ.

Nguồn phát của quang phổ vạch phát xạ

• Phát ra từ các chất khí ở áp suất thấp được kích thích phát sáng bằng cách đốt nóng ở nhiệt độ cao hay phóng tia lửa điện.
• Kim loại nóng chảy, bay hơi.

Đặc điểm của quang phổ vạch phát xạ

• Các nguyên tố của quang phổ vạch phát xạ khác nhau thì màu sắc của các vạch cũng khác nhau.
• Người ta có thể phân biệt các chất hóa học có trong hợp chất nhờ vào đặc trưng của mỗi nguyên tố.

Ứng dụng của quang phổ vạch phát xạ

• Dùng để nghiên cứu và phân tích vị trí của các vạch màu để xác định các nguyên tố hóa học.
• Quang phổ vạch phát xạ được dùng trong y học để đo phổ phát xạ của nguyên tử.
• Trong thiên văn học, khi cần xác định một số ngôi sao; tinh vân hoặc hành tinh,… đều cần dựa vào quang phổ vạch phát xạ.

Quang phổ hấp thụ

Quang phổ hấp thụ có thể hiểu là các vạch tối trên dải quang phổ liên tục.

Nguồn phát của quang phổ hấp thụ

Quang phổ hấp thụ xảy ra khi ánh sáng trắng được chiếu qua khí hoặc hơi bị đốt nóng (với điều kiện nhiệt độ của khí hoặc hơi phải thấp hơn nhiệt độ của ánh sáng trắng).

Đặc điểm của quang phổ hấp thụ

• Mỗi nguyên tố hóa học đều có quang phổ hấp thụ đặc trưng riêng của nó.
• Quang phổ hấp thụ sẽ hấp thụ bất cứ khí hơi nào có khả năng phát xạ ra những ánh sáng đơn sắc.
• Quang phổ hấp thụ có cơ chế ngược lại với quang phổ vạch phát xạ.
• Nếu tắt nguồn sáng trắng khi quang phổ đang hấp thụ một đám khí bay hơi. Thì nền của quang phổ vạch liên tục sẽ biến mất. Khi đó, những vạch đen của quang phổ vạch hấp thụ sẽ trở thành những vạch màu của quang phổ vạch phát xạ.
• Quang phổ chứa các vạch quang phổ được gọi là quang phổ vạch.
• Quang phổ hấp thụ chỉ phụ thuộc vào bản chất hóa học của nguyên tố hóa học.

Ứng dụng của quang phổ hấp thụ

• Phân tích các vị trí vạch tối để xác định được các nguyên tố hóa học có trong các hợp chất dựa trên nguyên tắc xác định các vạch hấp thụ.
• Xác định thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao. Nhờ vào quang phổ của mặt trời là quang phổ hấp thụ.

Ứng dụng của quang phổ ánh sáng trong đời sống

Quang phổ rất quan trọng trong điều tra và nghiên cứu thực tiễn. Người ta sử dụng quang phổ liên tục để đo nhiệt độ của những vật thể có khoảng cách rất xa; hoặc các vật thể có nhiệt độ cao.

Quang phổ vạch phát xạ hoặc quang phổ hấp thụ được ứng dụng để nhận biết các nguyên tố hóa học có trong hỗn hợp. Hơn nữa, nó còn được áp dụng trong y học để theo dõi các đặc tính của hemoclialialyis dễ dàng hơn trong việc hỗ trợ điều trị.

Với bài viết này đã giúp bạn hiểu về quang phổ ánh sáng là gì? Cũng như cách ứng dụng quang phổ ánh sáng trong đời sống. Hy vọng các bạn sẽ có thêm được nhiều kiến thức mới. Đừng quên theo dõi Mindovermetal để biết thêm nhiều nội dung tin tức thú vị khác.