Hấp thụ ánh sáng là gì? Ứng dụng của hấp thụ ánh sáng?

1. Hấp thụ ánh sáng là gì? 

1.1. Khái niệm:

Sự hấp thụ ánh sáng là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực quang học và điện từ học. Nó xảy ra khi sóng điện từ, hay ánh sáng, tương tác với các hạt hay nguyên tử trong chất. Dưới tác động của trường điện từ của ánh sáng, các electron trong nguyên tử hoặc phân tử của chất bắt đầu trở thành nguồn phát sóng thứ cấp, tức là họ phát ra ánh sáng có cùng tần số với ánh sáng gốc.

Hiện tượng này có thể được giải thích theo quan niệm cổ điển về điện từ trường. Khi ánh sáng với tần số (f) tác động lên chất, trường điện từ của sóng ánh sáng này làm các electron trong nguyên tử hoặc phân tử của chất bắt đầu dao động hoặc thay đổi vị trí của họ đối với hạt nhân có tích điện dương. Điều này dẫn đến việc các electron này trở thành nguồn phát sóng thứ cấp, tức là họ phát ra ánh sáng với cùng tần số (f) như ánh sáng ban đầu.

Khi ánh sáng gốc và ánh sáng phát ra từ các electron dao động thứ cấp gặp nhau, chúng tạo ra hiện tượng giao thoa sóng. Kết quả của sự giao thoa này là cường độ của ánh sáng sau khi đi qua môi trường chất sẽ thay đổi. Không phải toàn bộ năng lượng của ánh sáng bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử trong chất, mà có một phần năng lượng bị hao hụt do sự tương tác này.

Sự hấp thụ ánh sáng không chỉ dẫn đến sự mất đi của một phần năng lượng ánh sáng, mà năng lượng này cũng có thể chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn năng lượng nhiệt. Khi năng lượng ánh sáng bị hấp thụ và biến thành nhiệt, chất trong môi trường sẽ trở nên nóng lên.

1.2. Định luật Bouguer:

Định luật Bouguer về sự hấp thụ ánh sáng là một quy tắc quan trọng trong việc nghiên cứu và đo lường sự hấp thụ ánh sáng trong các môi trường khác nhau. Định luật này quy định rằng lượng ánh sáng bị hấp thụ khi đi qua một lớp chất dày (được biểu thị bằng độ dày) tỉ lệ thuận với độ dày đó và tỉ lệ thuận với tăng cường hấp thụ ánh sáng của chất đó. Đây là một quy tắc quan trọng trong việc hiểu và điều chỉnh tương tác của ánh sáng với chất trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

2. Định luật về sự hấp thụ ánh sáng:

Hấp thụ ánh sáng là một hiện tượng phát sinh khi ánh sáng đi qua môi trường vật chất và gây ra sự giảm cường độ của ánh sáng này. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là sự tương tác giữa các photon, hay các hạt ánh sáng, với các nguyên tử và phân tử tạo nên cấu trúc của môi trường đó.

Một trong những quy tắc quan trọng để mô tả sự hấp thụ ánh sáng là Định luật về sự hấp thụ ánh sáng, được biểu thị bằng công thức toán học như sau:

I = I0 * e^(-αd)

Trong đó:

I là cường độ của chùm sáng sau khi đi qua môi trường (đơn vị: W/m^2).

I0 là cường độ ban đầu của chùm sáng trước khi đi vào môi trường (đơn vị: W/m^2).

α là hệ số hấp thụ của môi trường (đơn vị: 1/m).

d là độ dài của đường đi của tia sáng trong môi trường (đơn vị: m).

Theo định luật này, cường độ của ánh sáng giảm theo hàm mũ của độ dài d của đường đi tia sáng trong môi trường. Hệ số α thể hiện mức độ hấp thụ của môi trường đối với ánh sáng, và nó phụ thuộc vào loại môi trường cũng như tần số của ánh sáng.

3. Ứng dụng của hấp thụ ánh sáng:

Hấp thụ ánh sáng là một hiện tượng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của hiện tượng hấp thụ ánh sáng:

– Quang học và công nghệ quang học: Hấp thụ ánh sáng là cơ sở của nhiều công nghệ và thiết bị quang học. Ví dụ, trong máy ảnh và máy quay video, cảm biến hấp thụ ánh sáng để ghi lại hình ảnh và video. Trong công nghiệp quang học, các ứng dụng như máy laser, quang phổ học, và quang điện tử dựa vào hiểu biết về hấp thụ ánh sáng.

– Y học: Trong y học, hiểu biết về hấp thụ ánh sáng rất quan trọng. Ví dụ, trong chẩn đoán hình ảnh y học, tia X được hấp thụ bởi các mô cơ thể và tạo ra hình ảnh chụp X. Các thiết bị quang trị liệu cũng sử dụng ánh sáng để điều trị các bệnh như bệnh da liễu hoặc ung thư da.

– Nghiên cứu môi trường: Trong nghiên cứu môi trường, hấp thụ ánh sáng là cơ sở cho việc đo lượng ánh sáng môi trường. Các thiết bị quan trắc thời tiết, cảm biến ánh sáng tự động, và các hệ thống giám sát môi trường sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để thu thập dữ liệu về ánh sáng môi trường.

– Công nghiệp và sản xuất: Trong công nghiệp, hấp thụ ánh sáng có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm hoặc quá trình sản xuất. Ví dụ, kiểm tra sự hấp thụ ánh sáng của một mẫu để đánh giá chất lượng vật liệu hoặc kiểm tra độ trong suốt của sản phẩm kính.

– Công nghệ màn hình: Công nghệ màn hình, chẳng hạn như màn hình LCD (Liquid Crystal Display) và màn hình OLED (Organic Light-Emitting Diode), sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để tạo ra hình ảnh trên màn hình. Sự điều khiển của môi trường về hấp thụ ánh sáng có thể điều chỉnh để tạo ra màu sắc và độ sáng khác nhau trên màn hình.

– Công nghệ năng lượng mặt trời: Các tấm pin mặt trời sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Các tế bào quang điện tử trong tấm pin mặt trời hấp thụ ánh sáng và tạo ra dòng điện liên tục.

– Công nghệ chẩn đoán: Trong phân tích y học và phân tích hóa học, hấp thụ ánh sáng được sử dụng để xác định thành phần và tính chất của các mẫu thử nghiệm. Các máy quang phổ và máy phân tích quang phổ sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để phân tích mẫu.

– Công nghệ truyền thông: Các tín hiệu quang học và viễn thị dựa vào hiện tượng hấp thụ ánh sáng để truyền thông và truyền dẫn dữ liệu.

– Công nghệ mắt kính: Trong ngành sản xuất mắt kính, sự hấp thụ ánh sáng được sử dụng để làm cho mắt kính trở nên mờ hoặc đen trong các điều kiện ánh sáng mạnh, giúp bảo vệ mắt khỏi tác động của ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng chói.

– Công nghệ in ấn và in 3D: Trong ngành in ấn và in 3D, sự hấp thụ ánh sáng được sử dụng để kiểm soát quá trình in và tạo ra các sản phẩm in với chất lượng cao và chi tiết.

– Công nghệ quyền riêng tư: Màn hình chống nhìn (privacy screen) sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để làm cho màn hình chỉ hiển thị thông tin cho người nhìn trực diện, ngăn người xung quanh không thể nhìn thấy thông tin trên màn hình.

– Công nghệ thiết bị di động: Trong thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng, các cảm biến ánh sáng được sử dụng để điều chỉnh độ sáng của màn hình tự động dựa vào mức ánh sáng xung quanh, giúp tiết kiệm pin và tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.

– Công nghệ màn hình cảm ứng: Màn hình cảm ứng dựa vào nguyên tắc hấp thụ ánh sáng để xác định vị trí chạm trên màn hình, cho phép người dùng tương tác với các thiết bị điện tử bằng cách chạm hoặc vuốt trên màn hình.

– Công nghệ chẩn đoán bệnh: Trong lĩnh vực y học, các máy chẩn đoán hình ảnh sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để tạo ra hình ảnh chụp X, MRI (Magnetic Resonance Imaging) và CT (Computed Tomography) để chẩn đoán và theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân.

– Công nghệ màn hình đèn LED: Màn hình đèn LED sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng để tạo ra các điểm sáng trên màn hình, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hiển thị như TV, màn hình máy tính, biển quảng cáo ngoài trời và nhiều ứng dụng khác.

Như vậy, hiện tượng hấp thụ ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống và công nghệ, từ việc bảo vệ mắt đến tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và cải thiện quyền riêng tư, đến các ứng dụng trong y học và công nghiệp.

4. Bài tập về hấp thụ ánh sáng:

Bài C1 (trang 242 SGK Vật Lý 12 nâng cao): Khi cho chùm sáng trắng đi qua ống thủy tinh chứa khí Hiđrô nung nóng và vào máy quang phổ, quang phổ thu được sẽ là quang phổ hấp thụ của khí Hiđrô ở các vị trí tương ứng với các vạch phát xạ của nó. Quang phổ hấp thụ của Hiđrô gồm 4 vạch màu chính là Hα, Hβ, Hγ, và Hδ, nằm trong vùng nhìn thấy được. Khi ánh sáng trắng đi qua khí Hiđrô nóng, khí Hiđrô sẽ hấp thụ ánh sáng tại những vị trí này, tạo ra các đường vạch tối trên nền quang phổ liên tục của ánh sáng trắng.

Bài C2 (trang 243 SGK Vật Lý 12 nâng cao): Khi nhìn Mặt Trời qua tấm kính đỏ (kính lọc sắc đỏ), ta thấy tấm kính có màu đỏ do tấm kính lọc sắc đỏ hấp thu các màu đỏ trong quang phổ ánh sáng Mặt Trời. Tấm kính lọc sắc đỏ làm giảm cường độ của ánh sáng Mặt Trời và chỉ cho phép màu đỏ đi qua, trong khi các màu khác bị hấp thụ hoặc tán ra. Do đó, khi nhìn vào Mặt Trời qua tấm kính đỏ, chúng ta thấy tấm kính có màu đỏ.