Ánh sáng khả kiến (Visible light)

Đặc điểm

Dải bước sóng: Ánh sáng khả kiến có bước sóng nằm trong khoảng từ 380 nanomet (nm) đến 750 nm. ($380 nm \le \lambda \le 750 nm$).

Tần số: Tần số của ánh sáng khả kiến liên hệ với bước sóng theo công thức: $f = \frac{c}{\lambda}$, trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không ($c \approx 3 \times 10^8 m/s$) và $\lambda$ là bước sóng. Tần số càng cao thì năng lượng của ánh sáng càng lớn.

Màu sắc: Mỗi bước sóng trong dải khả kiến tương ứng với một màu sắc khác nhau. Ví dụ, ánh sáng có bước sóng ngắn nhất (khoảng 380 nm) được cảm nhận là màu tím, trong khi ánh sáng có bước sóng dài nhất (khoảng 750 nm) được cảm nhận là màu đỏ. Giữa hai màu này là các màu khác như xanh lam, lục, vàng, cam. Sự biến đổi liên tục của bước sóng tạo nên sự chuyển đổi mượt mà giữa các màu trong quang phổ.

Năng lượng: Năng lượng của một photon ánh sáng tỉ lệ nghịch với bước sóng của nó. Ánh sáng tím có năng lượng cao nhất trong dải khả kiến, trong khi ánh sáng đỏ có năng lượng thấp nhất. Công thức tính năng lượng của photon là: $E = hf = \frac{hc}{\lambda}$, trong đó $h$ là hằng số Planck ($h \approx 6.626 \times 10^{-34} Js$).

Nguồn sáng khả kiến

Có rất nhiều nguồn sáng khả kiến, cả tự nhiên lẫn nhân tạo. Một số ví dụ tiêu biểu bao gồm:

• Mặt Trời: Nguồn sáng khả kiến tự nhiên quan trọng nhất đối với Trái Đất, cung cấp năng lượng cho hầu hết các quá trình sinh học.
• Đèn sợi đốt: Phát sáng do dây tóc nóng sáng khi có dòng điện chạy qua. Đây là loại đèn phát ra ánh sáng trắng, nhưng cũng tỏa ra nhiều nhiệt.
• Đèn huỳnh quang: Phát sáng do sự phóng điện trong khí, kích thích lớp phủ huỳnh quang bên trong đèn phát ra ánh sáng. Tiết kiệm năng lượng hơn đèn sợi đốt nhưng chứa thủy ngân độc hại.
• Đèn LED (Light Emitting Diode): Phát sáng do sự chuyển động của các electron trong chất bán dẫn. Đèn LED rất tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao và có thể phát ra nhiều màu sắc khác nhau.
• Lửa: Phản ứng hóa học tạo ra nhiệt và ánh sáng. Màu sắc của lửa phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu cháy.
• Phản ứng hóa học phát quang: Một số phản ứng hóa học có thể tạo ra ánh sáng khả kiến mà không cần nhiệt, ví dụ như sự phát quang sinh học ở một số loài sinh vật.

Vai trò của ánh sáng khả kiến

Ánh sáng khả kiến đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người và các sinh vật khác trên Trái Đất:

• Thị giác: Cho phép con người và động vật nhìn thấy thế giới xung quanh. Khả năng cảm nhận ánh sáng giúp định hướng, tìm kiếm thức ăn, nhận biết nguy hiểm và tương tác với môi trường.
• Quang hợp: Cung cấp năng lượng cho cây xanh tổng hợp chất hữu cơ từ nước và carbon dioxide. Quá trình này là nền tảng của chuỗi thức ăn và duy trì sự sống trên Trái Đất.
• Truyền thông: Sử dụng trong cáp quang để truyền tải thông tin với tốc độ cao. Ánh sáng được truyền đi trong sợi cáp quang với sự suy hao rất thấp.
• Y học: Sử dụng trong các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, ví dụ như laser, liệu pháp ánh sáng.
• Nhiếp ảnh: Ghi lại hình ảnh bằng cách sử dụng cảm biến nhạy sáng.

Sự cảm nhận màu sắc

Mắt người cảm nhận màu sắc thông qua các tế bào hình nón nằm trên võng mạc. Có ba loại tế bào hình nón, mỗi loại nhạy cảm với một dải bước sóng khác nhau:

• Tế bào hình nón S (Short): Nhạy cảm với bước sóng ngắn (xanh lam).
• Tế bào hình nón M (Medium): Nhạy cảm với bước sóng trung bình (xanh lục).
• Tế bào hình nón L (Long): Nhạy cảm với bước sóng dài (đỏ).

Sự kết hợp tín hiệu từ ba loại tế bào hình nón này cho phép chúng ta cảm nhận được hàng triệu màu sắc khác nhau. Não bộ xử lý các tín hiệu này để tạo ra trải nghiệm màu sắc mà chúng ta thấy.

Ứng dụng của ánh sáng khả kiến

Ngoài những ứng dụng đã được đề cập ở trên, ánh sáng khả kiến còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

• Thiên văn học: Nghiên cứu các thiên thể bằng cách phân tích ánh sáng khả kiến mà chúng phát ra. Quang phổ của ánh sáng từ các ngôi sao cho phép các nhà khoa học xác định thành phần, nhiệt độ và các đặc tính khác của chúng.
• Phân tích quang phổ: Xác định thành phần của một chất bằng cách phân tích quang phổ của nó. Mỗi nguyên tố hóa học có một quang phổ riêng biệt, như một “dấu vân tay” nguyên tử.
• Hiển thị: Sử dụng trong màn hình máy tính, điện thoại, tivi, v.v. Các pixel trên màn hình phát ra ánh sáng với các màu sắc khác nhau để tạo thành hình ảnh.
• Nghệ thuật: Ánh sáng khả kiến là yếu tố quan trọng trong hội họa, nhiếp ảnh và các loại hình nghệ thuật khác. Việc sử dụng ánh sáng và bóng tối tạo nên chiều sâu và cảm xúc cho tác phẩm.
• Kiến trúc: Ánh sáng tự nhiên và nhân tạo được sử dụng để tạo ra không gian sống và làm việc thoải mái và hiệu quả. Thiết kế ánh sáng tốt giúp cải thiện tâm trạng, tăng năng suất và tiết kiệm năng lượng.

Tương tác của ánh sáng khả kiến với vật chất

Khi ánh sáng khả kiến tương tác với vật chất, nó có thể bị hấp thụ, phản xạ, khúc xạ hoặc tán xạ. Những hiện tượng này phụ thuộc vào tính chất của vật chất và bước sóng của ánh sáng. Ví dụ:

• Hấp thụ: Một vật có màu đỏ vì nó hấp thụ tất cả các bước sóng khác trừ bước sóng tương ứng với màu đỏ, bước sóng này được phản xạ lại. Năng lượng của ánh sáng bị hấp thụ có thể làm nóng vật thể.
• Phản xạ: Gương phản xạ hầu hết ánh sáng khả kiến chiếu vào nó. Góc phản xạ bằng góc tới.
• Khúc xạ: Ánh sáng bị bẻ cong khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau. Hiện tượng này giải thích tại sao vật thể nhìn thấy được qua nước hoặc lăng kính có vẻ bị lệch.
• Tán xạ: Ánh sáng bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau khi gặp các hạt nhỏ trong không khí. Tán xạ Rayleigh giải thích tại sao bầu trời có màu xanh.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Pedrotti, F. L., Pedrotti, L. S., & Pedrotti, L. M. (2017). Introduction to optics. Pearson Education.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2019). University Physics with Modern Physics. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao bầu trời lại có màu xanh vào ban ngày và chuyển sang màu đỏ hoặc cam khi hoàng hôn và bình minh?

Trả lời: Màu xanh của bầu trời vào ban ngày là do hiện tượng tán xạ Rayleigh. Ánh sáng xanh (bước sóng ngắn) bị tán xạ mạnh hơn bởi các phân tử không khí so với ánh sáng đỏ (bước sóng dài). Khi Mặt Trời mọc hoặc lặn, ánh sáng phải đi qua một lớp khí quyển dày hơn. Điều này làm cho ánh sáng xanh bị tán xạ nhiều hơn nữa, và ánh sáng đỏ và cam (bước sóng dài hơn) còn lại đến mắt chúng ta, tạo ra màu sắc hoàng hôn và bình minh.

Ngoài ba loại tế bào hình nón (S, M, L), mắt người còn có loại tế bào cảm thụ ánh sáng nào khác và chức năng của chúng là gì?

Trả lời: Ngoài tế bào hình nón, mắt người còn có tế bào hình que. Tế bào hình que nhạy cảm với ánh sáng yếu và chủ yếu chịu trách nhiệm về thị giác trong điều kiện ánh sáng mờ. Chúng không phân biệt màu sắc tốt như tế bào hình nón.

Ánh sáng trắng là gì và nó được tạo thành như thế nào?

Trả lời: Ánh sáng trắng là sự kết hợp của tất cả các màu sắc trong phổ khả kiến. Khi tất cả các bước sóng ánh sáng khả kiến được trộn lẫn với nhau với cường độ bằng nhau, chúng ta cảm nhận được ánh sáng trắng. Ví dụ, ánh sáng mặt trời được coi là ánh sáng trắng.

Làm thế nào để tính năng lượng của một photon ánh sáng xanh lục có bước sóng 550 nm?

Trả lời: Năng lượng của một photon ánh sáng được tính bằng công thức $E = \frac{hc}{\lambda}$, với $h \approx 6.626 \times 10^{-34} Js$ (hằng số Planck), $c \approx 3 \times 10^8 m/s$ (tốc độ ánh sáng) và $\lambda$ là bước sóng. Với $\lambda = 550 nm = 550 \times 10^{-9} m$, ta có:
$E = \frac{(6.626 \times 10^{-34} Js)(3 \times 10^8 m/s)}{550 \times 10^{-9} m} \approx 3.61 \times 10^{-19} J$.

Ứng dụng của tia laser trong đời sống hiện đại là gì?

Trả lời: Tia laser là một nguồn sáng đặc biệt có tính kết hợp cao, nghĩa là các photon ánh sáng phát ra có cùng bước sóng và pha. Tia laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm: đọc mã vạch, máy in laser, phẫu thuật y học, cắt kim loại, truyền thông quang, nghiên cứu khoa học, v.v.