Sóng di động, Wi-Fi, ánh nắng, tia X trong phòng chụp phim và tia gamma từ chất phóng xạ nghe như những thứ khác nhau, nhưng đều là sóng điện từ: dao động của điện trường và từ trường lan đi với tốc độ ánh sáng, khoảng 300.000 km mỗi giây trong chân không. Điều làm chúng khác nhau chỉ là bước sóng, từ hàng nghìn km tới nhỏ hơn cả hạt nhân nguyên tử. Toàn bộ dải đó được gọi là phổ điện từ.

Ánh sáng còn kéo dài ra ngoài tầm mắt

Năm 1800, William Herschel đặt nhiệt kế dọc dải màu do lăng kính tách ra từ ánh nắng và thấy chỗ nóng nhất nằm ở vùng tối ngay sau màu đỏ. Đó là tia hồng ngoại. Năm sau, Johann Ritter tìm ra những tia vô hình bên kia màu tím làm biến đổi hóa chất, về sau gọi là tia tử ngoại.

Thập niên 1860, nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell viết ra hệ phương trình về điện và từ, dự đoán chúng có thể tạo thành sóng tự lan đi. Từ số liệu đo điện thời đó, ông tính được tốc độ của sóng này khoảng 310.740 km/s, rất gần tốc độ ánh sáng. Trong bài báo năm 1865, Maxwell kết luận ánh sáng chính là sóng điện từ, và phương trình của ông còn cho phép những tần số chưa ai thấy.

Năm 1886, Heinrich Hertz, giáo sư ở Karlsruhe (Đức), dựng một bộ phát dùng tia lửa điện và một vòng dây hở làm bộ thu. Khi bộ phát phóng tia lửa, khe vòng thu cũng lóe sáng dù hai bên không nối dây. Hertz đo được sóng này đi với tốc độ ánh sáng, cũng phản xạ và khúc xạ như ánh sáng. Đó là sóng radio. Ông lại cho rằng thí nghiệm không có ích lợi gì ngoài việc chứng minh Maxwell đúng, và mất năm 1894 khi mới 36 tuổi. Đơn vị tần số hertz (Hz) mang tên ông.

Heinrich Hertz, ảnh của Robert Krewaldt (Bonn). Từ năm 1886 đến 1889, ông tạo ra và thu được sóng radio, chứng minh dự đoán của Maxwell

Một dải phổ, bảy vùng

Phổ điện từ thường được chia thành bảy vùng, từ bước sóng dài tới ngắn, cũng là từ năng lượng thấp tới cao. Bước sóng nhân tần số luôn bằng tốc độ ánh sáng, nên sóng Wi-Fi 2,4 GHz dài khoảng 12,5 cm, còn đài FM 100 MHz dài khoảng 3 m. Các vùng chính gồm:

• Sóng radio và vi ba: từ hàng nghìn km xuống cỡ milimet, xuyên được khí quyển và phần lớn vật liệu xây dựng. Đây là vùng của phát thanh, truyền hình, điện thoại di động, Wi-Fi, radar và lò vi sóng.
• Hồng ngoại: từ khoảng 1 mm xuống 760 nm, dùng trong camera nhiệt và điều khiển TV.
• Ánh sáng nhìn thấy: khoảng 380 đến 760 nm, một khe hẹp trên toàn phổ.
• Tử ngoại (UV): xuống khoảng 10 nm, phần ánh nắng gây cháy da.
• Tia X: từ 10 nm xuống khoảng 10 pm (1 pm bằng một phần nghìn tỷ mét), xuyên qua mô mềm nhưng bị xương chặn lại.
• Tia gamma: ngắn nhất, sinh ra từ phân rã phóng xạ và các hiện tượng năng lượng cao trong vũ trụ.

Sơ đồ minh họa phổ điện từ, từ sóng radio dài hàng km tới tia gamma. Ánh sáng mắt người nhìn thấy chỉ là một khe hẹp ở giữa

Tia X và tia gamma lấp nốt phần cuối

Chiều 8/11/1895, Wilhelm Röntgen ở Đại học Würzburg (Đức) thấy một tấm màn phát quang sáng lên cạnh ống chân không cao áp dù ống đã bọc kín bằng bìa đen. Chưa biết loại tia vô hình này là gì, ông gọi tạm là tia X, theo ký hiệu ẩn số trong toán học. Khoảng sáu tuần sau, ông chụp bàn tay vợ, bà Anna Bertha, thấy rõ xương và chiếc nhẫn. Röntgen nhận giải Nobel Vật lý đầu tiên năm 1901.

Bản in tấm X-quang Röntgen chụp bàn tay trái của vợ cuối năm 1895. Xương và chiếc nhẫn hiện rõ vì chặn tia X nhiều hơn mô mềm

Quảng cáo

Năm 1900, Paul Villard (Pháp) phát hiện trong bức xạ của radium một loại tia xuyên thấu mạnh hơn nhiều tia alpha và beta. Rutherford đặt tên nó là tia gamma năm 1903, và năm 1914 ông cùng Edward Andrade đo được bước sóng của nó, còn ngắn hơn tia X. Phổ điện từ từ đó được lấp đầy từ đầu này sang đầu kia.

Vì sao Wi-Fi không giống tia X

Sóng điện từ mang năng lượng theo từng gói gọi là photon, tần số càng cao thì mỗi photon càng mạnh. Photon của sóng radio, hồng ngoại hay ánh sáng nhìn thấy không đủ sức bứt electron khỏi nguyên tử, nên được gọi là bức xạ không ion hóa và chủ yếu chỉ làm vật nóng lên. Từ phần tử ngoại năng lượng cao trở đi, tới tia X và tia gamma, mỗi photon đủ mạnh để ion hóa nguyên tử và có thể làm hỏng tế bào, ADN. Vì vậy phòng chụp X-quang phải được che chắn.

Theo NASA, khí quyển Trái Đất chặn tia gamma, tia X và một phần tia tử ngoại từ Mặt Trời, trong khi ánh sáng nhìn thấy và một số dải sóng đi qua được, gọi là các "cửa sổ khí quyển". Vì vậy kính thiên văn tia X và gamma phải bay ngoài không gian.

Hơn 150 năm sau Maxwell, phần lớn công nghệ quanh ta là cách khai thác từng khúc của dải phổ này: điện thoại dùng sóng radio, điều khiển TV dùng hồng ngoại, màn hình phát ánh sáng nhìn thấy, bệnh viện dùng tia X.

Nguồn:

Wikipedia: Electromagnetic spectrum

,

NASA Science

,

Wikipedia: James Clerk Maxwell

,

Wikipedia: Heinrich Hertz

,

Wikipedia: Wilhelm Röntgen

,

Wikipedia: Gamma ray

,

Wikipedia: Electromagnetic radiatio

n