Tia hồng ngoại là gì? Đặc điểm, tính chất, cách nhận biết và bài tập

Vì sao camera có thể nhìn thấy vật thể trong bóng tối, hay đứng gần bếp lửa ta cảm thấy nóng dù chưa chạm vào lửa? Cả hai đều hoạt động dựa trên một loại bức xạ điện từ mà mắt không nhìn thấy - tia hồng ngoại. Bài viết này sẽ hệ thống lại khái niệm, đặc điểm, ứng dụng của loại tia này, giúp người học nắm chắc phần kiến thức Vật lý này.

Tia hồng ngoại là gì?

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ mà không nhìn thấy được bằng mắt thường, nằm trên thang sóng điện từ, ngay sau vùng ánh sáng đỏ.[1]

Hồng ngoại, tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy đều là sóng điện từ, nằm liền kề nhau trên thang sóng điện từ và khác nhau về khoảng bước sóng. Ánh sáng nhìn thấy là vùng duy nhất mắt người nhìn thấy được (380nm - 760nm). Hồng ngoại nằm ngay sau vùng ánh sáng đỏ (bước sóng dài hơn 760nm). Tử ngoại nằm ngay trước ánh sáng tím (bước sóng ngắn hơn 380nm). Hai loại tia nằm ở hai phía đối lập của vùng ánh sáng nhìn thấy, không nhìn thấy được bằng mắt thường, có tính chất và ứng dụng khác nhau.

Đặc điểm và tính chất của tia hồng ngoại

Xét về bản chất, vẫn là sóng điện từ, giống với các bức xạ điện từ khác (ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, sóng vô tuyến,…) - điểm khác nhau giữa các loại bức xạ này chỉ nằm ở khoảng bước sóng.

Tia có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng đỏ và ngắn hơn bước sóng của sóng vô tuyến.[1]

Bước sóng và ý nghĩa đối với tính chất bức xạ

Bước sóng nằm trong khoảng từ \(760nm\left(0.76\mu m\right)\) đến khoảng \(1\operatorname{\mathrm{mm}}\).

Ý nghĩa: Bước sóng càng ngắn thì năng lượng photon (\(\varepsilon=h.f=\frac{hc}{\lambda}\)) của bức xạ càng lớn (và ngược lại). Vì vậy, trong dải hồng ngoại, vùng có bước sóng ngắn hơn (gần ánh sáng đỏ) mang năng lượng lớn hơn, có tác dụng nhiệt và khả năng gây phản ứng hoá học rõ rệt hơn; vùng có bước sóng dài hơn mang năng lượng thấp hơn, chủ yếu được dùng để cảm nhận nhiệt độ vật thể.

Ký hiệu và đơn vị:

• Bước sóng \(\lambda\), thường đo bằng \(nm,mm,\mu m\)

  (\(1\mu m=1000nm,1\operatorname{\mathrm{mm}}=1000\mu m\))

• Tần số , đơn vị Hz

• Liên hệ: \(\lambda=\frac{c}{f}\), trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không (\(c=3.10^8\) m/s)

Tính chất của tia hồng ngoại

Tia này mang đầy đủ tính chất chung của sóng điện từ, đồng thời có một số tính chất đặc trưng đáng chú ý như:[1]

• Tác dụng nhiệt rất mạnh - đây là tính chất nổi bật nhất; dễ bị các vật hấp thụ, năng lượng của nó chuyển hoá thành nhiệt năng khiến cho vật nóng lên.

• Gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn.

• Tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt.

• Tuân theo các định luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ như ánh sáng thông thường.

• Có khả năng gây ra một số phản ứng hoá học.

• Có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần.

Tia hồng ngoại xa là gì?

Trong dải hồng ngoại, dựa theo bước sóng, người ta phân chia thành các vùng nhỏ hơn, trong đó phần có bước sóng dài nhất được gọi là hồng ngoại xa, gần với vùng sóng vô tuyến hơn cả.

Các vật có nhiệt độ tương đối thấp (như cơ thể người, các vật ở nhiệt độ phòng) thường phát ra loại tia này, mang năng lượng photon thấp hơn so với vùng hồng ngoại gần. Do đó, các thiết bị cảm biến thân nhiệt, camera nhiệt thường được thiết kế để thu nhận chủ yếu vùng hồng ngoại xa.

Nguồn phát và cách nhận biết tia hồng ngoại

Phần này trình bày các nguồn phát tia hồng ngoại trong tự nhiên, trong đời sống và những cách nhận biết tia này.

Nguồn phát tia hồng ngoại

Về lí thuyết, mọi vật có nhiệt độ cao hơn 0K đều phát ra tia này. Môi trường xung quanh, do có nhiệt độ cũng cao hơn 0K nên cũng phát ra tia hồng ngoại. Do vậy, để phân biệt được tia do vật phát ra, vật phải có nhiệt độ cao hơn môi trường.[1]

Tia được phát ra từ nhiều nguồn khác nhau, cả tự nhiên và nhân tạo:

• Nguồn phát tự nhiên: Mặt trời, vật thể nóng (ngôi sao, hành tinh,…), động vật và con người,…

• Nguồn phát nhân tạo: Bóng đèn dây tóc, bếp lửa, thiết bị sưởi,…

Cách nhận biết tia hồng ngoại

Vì mắt thường không thể nhìn thấy tia này, để nhận biết sự tồn tại của nó, thường dùng các thiết bị chuyên dụng như cảm biến hồng ngoại, camera ảnh nhiệt.

Trong thực hành và đời sống, có một số cách để nhận biết:

• Dùng camera điện thoại: Hướng phần đầu đèn của điều khiển vào ống kính camera điện thoại, sau đó bấm một nút bất kỳ trên điều khiển. Nhìn trên màn hình điện thoại, sẽ thấy một đốm sáng nhỏ màu tím hoặc hồng đang nhấp nháy. Camera điện thoại bắt được tia và hiển thị nó thành màu sắc nhìn thấy được.

• Cảm nhận qua tác dụng nhiệt: Tia này mang theo năng lượng nhiệt, nên khi đứng gần các nguồn nhiệt như bóng đèn sưởi, bếp hồng ngoại, lò nướng sẽ cảm thấy hơi nóng phả vào da ngay khi đứng gần, dù chưa chạm tay vào vật. Đó là do da hấp thụ năng lượng từ tia.

Tác dụng và ứng dụng của tia hồng ngoại

Các tác dụng của tia hồng ngoại là cơ sở cho những ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật.

Các nhóm tác dụng chính

Tác dụng có thể được chia thành ba nhóm chính:

• Tác dụng nhiệt trong thực tiễn: ứng dụng trong sấy khô, sưởi ấm.

• Tác dụng trong thiết bị công nghệ: truyền tín hiệu trong điều khiển từ xa, cảm biến tự động.

• Tác dụng hỗ trợ quan sát và đo đạc: chụp ảnh nhiệt, đo nhiệt độ không tiếp xúc, quan sát trong bóng tối.

Trong ba nhóm tác dụng trên, tác dụng nhiệt được xem là tác dụng quan trọng nhất và được khai thác nhiều nhất trong thực tế. Lý do là vì hầu hết các vật đều hấp thụ tia hồng ngoại tốt và chuyển hóa thành nhiệt năng, khả năng truyền truyền nhiệt sâu và không cần môi trường, nên phần lớn ứng dụng phổ biến (sấy, sưởi, cảm biến nhiệt, camera ảnh nhiệt) đều khai thác trực tiếp cơ chế này.

Ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật

Với các tính chất trên, tia được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kĩ thuật:

• Điều khiển từ xa: hầu hết các thiết bị điện tử gia dụng (tivi, quạt, điều hoà,…) sử dụng để truyền tín hiệu điều khiển.

• Cảm biến và tự động hoá: cảm biến chuyển động, cảm biến khoảng cách trong robot, cửa tự động.

• Chụp ảnh nhiệt, đo nhiệt độ không tiếp xúc: dùng nhiều trong y tế (đo thân nhiệt), công nghiệp (kiểm tra thiết bị quá nhiệt), và an ninh (camera quan sát ban đêm).

• Đun nấu, sấy khô, sưởi ấm: đèn hồng ngoại dùng trong sấy nông sản, sơn công nghiệp (ô tô,…), sưởi ấm trong y học (vật lý trị liệu).

Tác hại của tia hồng ngoại và lưu ý khi sử dụng

Việc tiếp xúc với tia cường độ lớn trong một thời gian dài, sẽ gây ra một số tác hại:

• Tác hại lên mắt: tiếp xúc trực tiếp với nguồn hồng ngoại mạnh (lò luyện kim, đèn sưởi công suất cao) có thể làm khô giác mạc, tổn thương võng mạc, hoặc đục thuỷ tinh thể.

• Tác hại lên da: cường độ hồng ngoại cao tạo ra nhiệt lượng lớn gây bỏng da, làm mất nước, khô da.

• Gây kiệt sức, sốc nhiệt: tiếp xúc liên tục sẽ làm tăng nhiệt độ cơ thể, dẫn đến mất nước, chóng mặt, hoặc thậm chí là sốc nhiệt.

Vì vậy, khi sử dụng các thiết bị phát tia có công suất lớn, cần giữ khoảng cách an toàn và tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất, tránh tiếp xúc trực tiếp trong thời gian dài.

Bài tập vận dụng về tia hồng ngoại

Ví dụ 1. Các nhận định dưới đây đúng hay sai?

Hướng dẫn giải.

Ví dụ 2. Hiện tượng nào sau đây chứng tỏ tia hồng ngoại có tác dụng nhiệt?

A. Làm phát quang một số chất.

B. Làm đen kính ảnh hồng ngoại.

C. Làm nhiệt độ của nhiệt kế tăng lên khi đặt trong vùng dải hồng ngoại.

D. Gây ra hiện tượng quang điện ngoài ở một số kim loại.

Hướng dẫn giải.

Đáp án C

Khi chiếu bức xạ vào nhiệt kế, nhiệt kế hấp thụ năng lượng và nóng lên, làm cho cột thủy ngân dâng cao (hoặc kim điện kế lệch).

Ví dụ 3. Vật chỉ phát ra tia hồng ngoại mà không phát ánh sáng đỏ là

A. Vật có nhiệt độ nhỏ hơn \(500^{o}C\)

B. Vật có nhiệt độ lớn hơn \(500^{o}C\) và nhỏ hơn \(2500^{o}C\)

C. Vật có nhiệt độ lớn hơn \(2500^{o}C\)

D. Mọi vật được nung nóng.

Hướng dẫn giải.

Đáp án A

• Mọi vật có nhiệt độ hơn 0K đều phát ra tia hồng ngoại.

• Ở nhiệt độ dưới \(500^{o}C\), vật chỉ phát ra tia hồng ngoại (chưa phát ra ánh sáng nhìn thấy).

• Ở nhiệt độ từ \(500^{o}C\) trở lên, vật bắt đầu phát ra ánh sáng nhìn thấy.

Lưu ý: Ngoài nhiệt độ \(500^{o}C\) ra còn có các nhiệt độ \(427^{o}C\), \(525^{o}C\). Sự khác biệt giữa các con số này xuất phát từ điều kiện quan sát thực tế.

• \(525^{o}C\) (Điểm Draper): mốc chuẩn vật lý. Tại nhiệt độ này, mọi chất rắn đều phát ra ánh sáng đỏ mà mắt người có thể nhìn thấy trong điều kiện ánh sáng yếu.

• \(427^{o}C\): Mắt người phải thích nghi với bóng tối một lúc lâu mới có thể nhận ra ánh sáng đỏ cực kì yếu ở rìa.

• \(500^{o}C\): Là con số làm tròn, thường dùng trong kĩ thuật để dễ ghi nhớ khi quan sát bằng mắt thường.

Ví dụ 4. Ứng dụng nào sau đây không dựa trên tác dụng của bức xạ nhiệt hồng ngoại?

A. Sấy khô nông sản, thực phẩm.

B. Điều khiển từ xa (Remote) của tivi, điều hòa.

C. Tiệt trùng dụng cụ y tế và thực phẩm.

D. Chụp ảnh bề mặt Trái Đất từ vệ tinh vào ban đêm.

Hướng dẫn giải.

Đáp án C

Tiệt trùng là ứng dụng của tia tử ngoại UV.

Ví dụ 5. Trong quân sự và đời sống, camera ban đêm có thể phát hiện người hoặc xe cộ chuyển động trong bóng tối nhờ thu nhận:

A. Ánh sáng tím phát ra từ cơ thể người.

B. Bức xạ hồng ngoại do cơ thể người hay động cơ tỏa nhiệt tự phát ra.

C. Sóng vô tuyến phản xạ từ vật thể.

D. Tia X do xương người phát ra.

Hướng dẫn giải.

Đáp án B

Kết luận

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ không nhìn thấy được, có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ, được phát ra bởi mọi vật có nhiệt độ cao hơn 0K. Với tác dụng nhiệt nổi bật, tia được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kĩ thuật, đời sống, y tế. Nắm chắc, vận dụng kiến thức, ví dụ vào quan sát ở thực tế sẽ giúp người đọc hiểu rõ và sâu sắc hơn kiến thức này, giúp đạt kết quả cao trong chương trình Vật lí lớp 11.