Chương 1: Các kiến thức Chƣơng CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 1.1 Ánh sáng 1.1.1 Tính chất vật lý ánh sáng Bằng phương pháp toán học, Macxoen chứng minh điện từ trường điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng điểm sinh lan truyền không gian dạng sóng Sóng gọi sóng điện từ Người ta nói điện tích dao động xạ sóng điện từ Nếu xét theo phương truyền Ox, sóng điện từ sóng ngang có thành phần điện dao động theo phương thẳng đứng thành phần từ dao động theo phương nằm ngang Hình 1.1 Sóng điện từ lan truyền khơng gian Tần số sóng điện từ tần số điện tích dao động vận tốc chân khơng vận tốc ánh sáng chân không Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với luỹ thừa bậc tần số Ngày nay, người ta biết sóng điện từ có đầy đủ tính chất sóng học, sóng học, truyền mơi trường đàn hồi, cịn sóng điện từ tự truyền mà khơng cần nhờ đến biến dạng môi trường đàn hồi cả, truyền chân khơng Ánh sáng khả kiến dùng để xạ điện từ có bước sóng nằm vùng quang phổ nhìn thấy mắt thường (tức từ khoảng 400 nm đến 700 nm) "Ánh sáng lạnh" ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím "Ánh sáng nóng" ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ Ánh sáng có quang phổ trải từ đỏ đến tím ánh sáng trắng, ánh sáng có bước sóng tập trung vùng quang phổ hẹp gọi "ánh sáng đơn sắc" Chương 1: Các kiến thức Hình 1.2 Phân loại Sóng điện từ Ánh sáng tự nhiên ánh sáng nhìn thấy chiếm phần nhỏ phổ sóng điện từ 1.1.2 Bƣớc sóng màu sắc ánh sáng Đo bước sóng ánh sáng đơn sắc khác phương pháp giao thoa, người ta thấy ánh sáng đơn sắc có bước sóng hồn toàn xác định Chẳng hạn:  ánh sáng màu đỏ đầu dải màu liên tục có bước sóng:  ánh sáng màu tím cuối dải màu liên tục có bước sóng:  Ánh sáng vàng đèn natri phát có bước sóng: Như vậy, ánh sáng đơn sắc ánh sáng có bước sóng xác định Màu ứng với ánh sáng gọi màu đơn sắc hay màu quang phổ Thực ra, ánh sáng đơn sắc có bước sóng lân cận gần có màu Vì vậy, người ta phân định quang phổ liên tục vùng màu khác nhau:  Vùng đỏ có bước sóng từ:  Vùng da cam vàng có bước sóng từ: cam Vùng vàng) (Vùng da  Vùng lục có bước sóng từ:  Vùng lam - chàm có bước sóng từ: chàm) (Vùng lam-  Vùng tím có bước sóng từ: Ngồi màu đơn sắc, cịn có màu khơng đơn sắc, hỗn hợp nhiều màu đơn sắc với tỉ lệ khác Chương 1: Các kiến thức Hình 1.3 màu sắc bước sóng ánh sáng Tia hồng ngoại Tia hồng ngoại xạ khơng nhìn thấy dược có bước sóng lớn bước sóng ánh sáng đỏ Tia hồng ngoại có chất sóng điện từ Tia hồng ngoại vật bị nung nóng phát Vật có nhiệt độ thấp phát tia hồng ngoại Chẳng hạn thân thể người nhiệt độ phát tia hồng ngoại mạnh tia có bước sóng vùng Vật có nhiệt độ bắt đầu phát ánh sáng màu đỏ tối mạnh tia hồng ngoại vùng bước sóng Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng 50% lượng chùm sáng thuộc tia hồng ngoại Nguồn phát tia hồng ngoại thường dùng bóng đèn có dây tóc vonfram nóng sáng cơng suất từ 250W đến 1000W Nhiệt độ dây tóc bóng đèn vào khoảng Tác dụng vật tia hồng ngoại tác dụng nhiệt Ngoài ra, tia hồng ngoại có tác dụng lên loại kính ảnh đặc biệt gọi kính ảnh hồng ngoại Nếu chụp ảnh đám mây kính ảnh hồng ngoại ảnh đám mây lên rõ rệt Đó đám mây chứa nước hay nhiều hấp thụ tia hồng ngoại yếu hay mạnh khác Ứng dụng quan trọng tia hồng ngoại dùng để sấy sưởi Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để sấy khô sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh v.v…) hoa chuối, nho v.v… Trong y học, người ta dùng đèn hồng ngoại để sưởi ấm ngồi da cho máu lưu thơng tốt Chương 1: Các kiến thức Tia tử ngoại Tia tử ngoại xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn bước sóng ánh sáng tím Tia tử ngoại có chất sóng điện từ Mặt Trời nguồn phát tia tử ngoại mạnh Khoảng 9% công suất chùm ánh sáng mặt trời thuộc tia tử ngoại Các hồ quang điện nguồn phát tia tử ngoại mạnh Trong bệnh viện phịng thí nghiệm, người ta dùng đèn thuỷ ngân làm nguồn phát tia tử ngoại Ngoài vật nung nóng phát tia tử ngoại mạnh Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước v.v… hấp thụ mạnh Thạch anh gần suốt tia tử ngoại có bước sóng nằm vùng từ ( gọi vùng tử ngoại gần ) Tia tử ngoại có tác dụng mạnh lên kính ảnh Nó làm cho số chất phát quang Nó có tác dụng iơn hố khơng khí Ngồi ra, cịn có tác dụng gây số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp v.v… Tia tử ngoại có số tác dụng sinh học Trong công nghiệp, người ta sử dụng tia tử ngoại để phát vết nứt nhỏ, vết xước bề mặt sản phẩm tiện Muốn vậy, người ta xoa bề mặt sản phẩm lớp bột phát quang mịn Bột chui vào khe nứt, vết xước Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, vết sáng lên Trong y học, người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương Tia X Năm 1895, nhà bác học Rơn-ghen (Roentgen), người Đức, nhận thấy cho dòng tia catốt ống tia catốt đập vào miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn bạch kim vonfram từ phát xạ khơng nhìn thấy Bức xạ xun qua thành thuỷ tinh ngồi làm phát quang số chất làm đen phim ảnh Người ta gọi xạ tia X Khi phát hiện, người ta tưởng lầm tia X dịng hạt Tuy nhiên, cho tia X qua điện trường từ trường mạnh khơng bị lệch đường Như vậy, tia X khơng mang điện Tia X loại sóng điện từ có bước sóng ngắn bước sóng tia tử ngoại Bước sóng tia X nằm khoảng từ (tia X mềm) Tia X có tính chất cơng dụng sau Tính chất bật tia X khả đâm xuyên Nó truyền qua vật chắn sáng thơng thường giấy, bìa, gỗ Nó qua kim loại khó khăn Kim loại có khối lượng riêng lớn khả cản tia X Chương 1: Các kiến thức mạnh Chẳng hạn, tia X xuyên qua dễ dàng nhôm dầy vài cm, lại bị lớp chì dầy vài mm cản lại Vì vậy, chì dùng làm chắn bảo vệ kĩ thuật kỹ thuậtRơnghen Nhờ khả đâm xuyên mạnh mà tia X dùng y học để chiếu điện, chụp điện, cơng nghiệp để dị lỗ hổng khuyết tật nằm bên sản phẩm đúc Tia X có tác dụng mạnh lên kính ảnh, nên dùng để chụp điện Tia X có tác dụng làm phát quang số chất Màn huỳnh quang dùng việc chiếu điện có phủ lớp platinocyanua bary Lớp phát quang màu xanh lục tác dụng tia X Tia X có khả ion hoá chất Người ta lợi dụng đặc điểm để làm máy đo liều lượng tia X Tia X có tác dụng sinh lý Nó huỷ hoại tế bào, giết vi khuẩn Vì tia X dùng để chữa ung thư nơng, gần ngồi da Hình 1.4 Ứng dụng sóng điện từ 1.1.3 Các tƣợng quang hình học Ánh sáng nói riêng, xạ điện từ nói chung dù tần số có tốc độ truyền môi trường chân không: 299 792,5 km/s # 300 000 km/s Tuy nhiên, môi trường khác tốc độ truyền ánh sáng thay đổi  Mơi trường chân khơng khơng khí : 300 000 km/s  Môi trường nước : 225 000 km/s  Thuỷ tinh : 200 000 km/s Chương 1: Các kiến thức Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng Hình 1.5 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Khúc xạ thường dùng để tượng ánh sáng đổi hướng qua mặt phân cách hai mơi trường có chiết suất khác Mở rộng ra, tượng đổi hướng đường xạ điện từ, lan truyền môi trường không đồng Hiện tƣợng tán sắc Hình 1.6 Hiện tượng tán sắc Ánh sáng trắng tổng hợp nhiều tia sáng, tia sáng tương ứng với độ dài sóng điện từ khác có màu sắc khác Tia sáng có sóng điện từ ngắn dễ bị khúc xạ Như có nghĩa ánh sáng xanh dễ bị khúc xạ so với ánh sáng đỏ Lăng kính dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ tán xạ ánh sáng sang màu quang phổ (như màu sắc cầu vồng) Lăng kính thường làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy hình tam giác Tia sáng từ môi trường (như mơi trường khơng khí) sang mơi trường khác (như tthuỷtinh lăng kính), bị chậm lại, giống kết quả, bị cong (khúc xạ) bị phản xạ đồng thời xảy hai tượng Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc điểm mà tia sáng vào lăng kính gọi góc tới, góc tạo đầu bên Chương 1: Các kiến thức kia, qua trình khúc xạ gọi góc ló Tương tự, tia sáng vào lăng kính gọi tia tới tia sáng ngồi lăng kính gọi tia ló Các lăng kính phản xạ sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ ống nhịm, vì, nhờ tượng phản xạ tồn phần, chúng dễ dàng sử dụng gương Các lăng kính tán sắc sử dụng để chia ánh sáng thành thành phần quang phổ màu, độ khúc xạ chúng phụ thuộc vào bước sóng tia sáng (hiện tượng tán sắc); tia sáng trắng vào lăng kính, có góc tới xác định, trải qua q trình khúc xạ, phản xạ bên lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, vậy, màu sắc tia sáng ló khác Ánh sáng màu xanh có bước sóng nhỏ ánh sáng màu đỏ cong so với ánh sáng màu đỏ Cũng có loại lăng kính phân cực, chia ánh sáng thành thành phần phân cực khác 1.1.4 Lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng Nguyên tử gồm: Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm:  Proton (p), mp =1,672 10-27 kg, tích điện dương + 1,602 10-19 C  Nơtron(n), mn = 1,675 10-27 kg, không mang điện Hạt nhân nguyên tố bền (trừ nguyên tố phóng xạ) Electron(e) ,me = 9,1 10-31 kg , tích điện âm - 1,602 10-19 C Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = điện tích hạt nhân = số e Hiện tƣợng quang điện Ánh sáng sóng điện từ lan truyền chân không với vận tốc c = 3.108m/s, đặc trưng bước sóng l hay tần số dao động ν = c/l Thuyết sóng ánh sáng giải thích tượng liên quan với truyền sóng giao thoa nhiễu xạ khơng giải thích kiện thực nghiệm hấp thụ phát ánh sáng qua môi trường vật chất Năm 1900, M.Planck đưa giả thuyết: “ Năng lượng ánh sáng khơng có tính chất liên tục mà bao gồm lượng riêng biệt nhỏ gọi lượng tử Một lượng tử ánh sáng (photon) có lượng E=hν Trong  E lượng photon  ν : tần số xạ  h = 6,626 10-34 J.s - số Planck Chương 1: Các kiến thức Năm 1905, Anhstanh dựa vào thuyết lượng tử giải thích thỏa đáng tượng quang điện Bản chất tượng quang điện kim loại kiềm chân không bị, bị chiếu sáng phát electron; lượng electron khơng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng Anhstanh cho chiếu tới bề mặt kim loại, photon với lượng hν truyền lượng cho kim loại Một phần lượng E dùng để làm bật electron khỏi nguyên tử kim loại phần lại trở thành động electron Những xạ có tần số bé tần số giới hạn không gây tượng quang điện Sử dụng công thức ta tính vận tốc electron bật tượng quang điện Mơ hình ngun tử Bohr Trong nguyên tử electron quay xung quanh nhân theo quỹ đạo trịn đồng tâm có bán kính xác định Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng xác định electron Quỹ đạo gần nhân ứng với mức lượng thấp nhất, quỹ đạo xa nhân ứng với mức lượng cao Khi e chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ giải phóng lượng Khi e chuyển từ quỹ đạo có mức lượng thấp sang mức lượng cao hấp thụ lượng Khi electron chuyển từ mức lượng cao sang mức lượng thấp xảy phát xạ lượng Năng lượng xạ hấp thụ giải phóng Electron tồn mức lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngồi, hạt electron nhảy tử mức lượng thấp lên mức Chương 1: Các kiến thức lượng cao hay ngược lại Các q trình tạo hay hấp thụ photon Tập hợp photon tạo ánh sáng 1.7 Minh hoạ tượng trưng photon Bước sóng ( màu sắc) tia sáng phụ thuộc vào chênh lệch lượng mức Lƣỡng tính sóng hạt hạt vi mơ Mơ hình khơng giải thích số vấn đề thực nghiệm đặt Nguyên nhân do: - Khơng đề cập đến tính chất sóng electron - Do coi quỹ đạo chuyển động electron ngun tử quỹ đạo trịn có bán kính xác định Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie đưa giả thuyết: hạt vật chất chuyển động coi q trình sóng đặc trưng bước sóng l tuân theo hệ thức Trong  m - Khối lượng hạt, kg  v - Vận tốc chuyển động hạt , m/s  h - Hằng số Planck, h= 6,63.10-34 J.s Đối với hạt vĩ mô: m lớn (h =const)  l nhỏ -> tính chất sóng bỏ qua Chương 1: Các kiến thức Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const)  l khá lớn -> khơng thể bỏ qua tính chất sóng Ví dụ : Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển động V= 30m/s l hạt là? Giải: Áp dụng hệ thức Louis De Broglie l hạt vơ nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng hạt 10 Chương 1: Các kiến thức  Cung cấp khả nhìn đêm  Cảm nhận độ chói (cườngđộsáng)  Độ phân giải cao Hình 1.10 Độ nhạy sáng tế bào que tế bào nón Tế bào nón có chức xác định rõ màu sắc, độ sắc nét Trong đó, tế bào nón lại phân thành loại, nhận cảm màu sắc ánh sáng tương ứng với vùng quang phổ khác  Có từ 6-7 triệu  Tập trung chủ yếu điểm vàng trung tâm võng mạc  Cảm nhận dải hẹp  Độ phân giải thấp  Có loại tế bào nón cảm nhận tần số cảm nhận màu sắc 460 nm ( xanh lam ), 575 nm ( xanh lục), 625 nm ( đỏ)  Chỉ có khả nhìn ban ngày Có loại tế bào nón cảm nhận vùng quang phổ khác (tức ba màu sắc khác nhau) Sự kết hợp lúc tín hiệu từ loại tế bào tạo nên cảm giác màu sắc Tế bào cảm giác màu đỏ màu lục có phổ hấp thụ gần nhau, mắt người phân biệt nhiều màu nằm màu đỏ lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ) Tế bào cảm giác màu lục màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt màu xanh không tốt Để tạo hình ảnh màu hình, người ta sử dụng loại đèn phát sáng vùng quang phổ nhạy cảm người 14 Chương 1: Các kiến thức Hình 1.11 Các tế bào nón hấp thụ phổ Si(λ) có đỉnh bước sóng 1.2.2 Các thuộc tính mơ tả màu sắc Các màu phân biệt dựa theo thuộc tính: độ sáng, sắc độ, độ bão hịa màu  Độ sáng: đặc trưng cho độ rọi cảm nhận  Đặc trưng màu ( Chrominance ) o Sắc độ( Hue )  Là thuộc tính liên quan tới bước sóng chủ yếu hỗn hợp bước sóng ánh sáng  Đặc trưng cho màu sắc chủ đạo người quan sát cảm nhận o Độ bão hòa ( Saturation )  Đặc trưng cho độ khiết tương đối  Phụ thuộc vào độ rộng phổ ánhsáng  Thẻ lượng màu trắng trộnvới sắc độ o Hue độ bão hòa gọi đặc trưng màu( chromaticity ) 15 Chương 1: Các kiến thức 24-bit RGB color cube RGB safe color cube Hình 1.12 Sự biểu diễn màu sắc Hầu hết mắt sinh vật nhạy cảm với xạ điện từ có bước sóng nằm khoảng từ 300 nm đến 1200 nm Khoảng bước sóng trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh Mặt Trời Các lồi vật Trái Đất tiến hố để thu nhận vùng xạ tự nhiên mạnh đem lại lợi sinh tồn cho chúng 16 Chương 1: Các kiến thức Hình 1.13 Sự cảm nhận sai độ tương phản hình dáng kích thước mắt 17 Chương : Các kiến thức 1.3 Góc khối 1.3.1 Khái niệm góc khối Hình 1.14 Góc khối Đơn vị đo góc khối góc khối trương tâm hình cầu có bán kính r theo phần bề mặt hình cầu có diện tích r² Như ta có 4π Sterađian hình cầu 1.3.2 Góc trơng vật suất phân li mắt Góc trơng vật AB có dạng đoạn thẳng đặt vng góc với trục mắt, góc tạo hai tia sáng từ hai đầu A B vật qua quang tâm O mắt Muốn phân biệt hai điểm A B khơng hai điểm phải nằm giới hạn nhìn rõ mắt, mà góc trơng đoạn AB phải đủ lớn Thực vậy, đoạn AB ngắn lại, góc trơng đoạn AB giảm đi, hai ảnh A’ B’ chúng võng mạc tiến lại gần Khi hai ảnh A’, B’ nằm đầu tế bào nhạy ánh sáng ta khơng phân biệt hai điểm A B Do đó, người ta gọi suất phân li mắt góc trơng nhỏ hai điểm A B mà mắt cịn phân biệt hai điểm Lúc hai ảnh A’ B’ chúng nằm hai tế bào nhạy sáng cạnh võng mạc Năng suất phân li mắt phụ thuộc vào mắt Phép đo đạc thống kê cho ta kết 1.3.3 Sự lƣu ảnh võng mạc Sau tắt ánh sáng kích thích võng mạc, phải khoảng thời gian cỡ 0,1s, võng mạc hồi phục lại cũ Trong khoảng thời gian đó, cảm giác sáng chưa bị người quan sát cịn thấy hình ảnh vật Đó lưu ảnh võng mạc Hiện tượng sử dụng chiếu bóng, vơ tuyến truyền hình 1.4 Trắc quang 18 Chương : Các kiến thức 1.4.1 Quang phổ Quang phổ liên tục Nếu nguồn bóng đèn có dây tóc nóng sáng qua lăng kính ta thấy có dải sáng có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím Đó quang phổ liên tục đèn Các vật rắn, lỏng khí có tỉ khối lớn bị nung nóng phát quang phổ liên tục Mặt Trời khối khí có tỉ khối lớn phát sáng Quang phổ ánh sáng mặt trời quang phổ liên tục Trong quang phổ liên tục vạch màu cạnh nằm sát đến mức chúng nối liền với tạo nên dải màu liên tục Hình 1.15 Bước sóng tia hồng ngoại phát giảm nhiệt độ vật bị nung nóng tăng Một đặc điểm quan trọng quang phổ liên tục khơng phụ thuộc thành phần cấu tạo nguồn sáng, mà phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn sáng Một miếng sắt miến sứ đặt lò, nung đến nhiệt độ cho hai quang phổ liên tục giống Ở nhiệt độ , vật bắt đầu phát sáng đỏ, yếu, nên mắt chưa cảm nhận vật tối Nhiệt độ cao, miền phát sáng vật mở rộng phía ánh sáng có bước sóng ngắn quang phổ liên tục Các dây tóc bóng đèn có nhiệt độ khoảng từ 2500 K đến 3000K phát sáng mạnh vùng ánh sáng nhìn thấy cho quang phổ liên tục có đủ màu sắc từ đỏ đến tím ánh sáng bóng đèn ánh sáng trắng Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 6000K Vùng sáng mạnh quang phổ liên tục Mặt Trời nằm lân cận bước sóng , ánh sáng mặt trời ánh sáng trắng 19 Chương : Các kiến thức Hình 1.16 Phổ mặt trời Trên bầu trời có ngơi màu sáng xanh Nhiệt độ cao nhiệt độ Mặt Trời nhiều Người ta lợi dụng đặc điểm để xác định nhiệt độ vật phát sáng nung nóng nhiệt độ dây tóc bóng đèn, hồ quang, lị cao, Mặt Trời, v.v… Muốn đo nhiệt độ vật bị nung nóng sáng, người ta so sánh độ sáng vật với độ sáng dây tóc bóng đèn vùng bước sóng (thường đỏ) Nhiệt độ dây tóc bóng đèn ứng với độ sáng khác hoàn toàn biết trước Quang phổ vạch phát xạ Chiếu chùm tia sáng đèn phóng điện chứa khí lỗng (đèn thuỷ ngân, đèn hyđrô, đèn natri v.v…) phát vào khe máy quang phổ, ta thu kính buồng ảnh quang phổ phát xạ chất khí kim loại Quang phổ bao gồm hệ thống vạch mầu riêng rẽ nằm tối gọi quang phổ vạch Quang phổ vạch phát xạ khí hay áp suất thấp bị kích thích phát sáng Có thể kích thích cho chất khí phát sáng cách đốt nóng cách phóng tia lửa điện qua đám khí hay v.v… Thực nghiệm cho thấy quang phổ vạch phát xạ nguyên tố khác khác số lượng vạch quang phổ, vị trí vạch, màu sắc vạch độ sáng tỉ đối vạch 20 Chương : Các kiến thức Như vậy, nguyên tố hoá học trạng thái khí hay nóng sáng áp suất thấp cho quang phổ vạch riêng, đặc trưng cho nguyên tố Quang phổ vạch hấp thụ Chiếu chùm sáng trắng đèn có dây tóc nóng sáng phát vào khe máy quang phổ ta thu quang phổ liên tục kính buồng ảnh Nếu đường chùm sáng ta đặt đèn có natri nung nóng quang phổ liên tục nói xuất vạch tối (thực hai vạch tối nằm sát cạnh nhau) vị trí vạch vàng quang phổ phát xạ natri Đó quang phổ hấp thụ natri Nếu thay natri kali quang phổ liên tục xuất vạch tối chỗ vạch màu quang phổ phát xạ kali Đó quang phổ hấp thụ kali Quang phổ Mặt Trời mà ta thu Trái Đất quang phổ hấp thu Bề mặt Mặt Trời (quang cầu) phát quang phổ liên tục ánh sáng từ quang cầu qua lớp khí Mặt Trời đến Trái Đất cho ta quang phổ hấp thụ khí Điều kiện để thu quang phổ hấp thụ nhiệt độ đám khí hay hấp thụ phải thấp nhiệt độ nguồn sáng phát quang phổ liên tục Hiện tƣợng đảo sắc vạch quang phổ Có tượng đặc biệt liên hệ quang phổ vạch hấp thụ quang phổ vạch phát xạ nguyên tố: tượng đảo sắc Hiện tượng xảy sau Giả sử đám hấp thụ thí nghiệm nung nóng đến nhiệt độ mà chúng phát sáng, nhiệt độ thấp nhiệt độ nguồn sáng trắng Trên kính ảnh máy quang phổ, ta thu quang phổ hấp thụ đám Bây ta tắt nguồn sáng trắng Ta thấy biến quang phổ liên tục kính ảnh, đồng thời vạch đen quang phổ hấp thụ trở thành vạch màu quang phổ vạch phát xạ ngun tố Đó tượng đảo sắc vạch quang phổ Thí dụ: quang phổ hấp thụ natri có vạch đen kép nằm vị trí hai vạch vàng natri Vậy, nhiệt độ định, đám có khả phát ánh sáng đơn sắc có khả hấp thụ ánh sáng đơn sắc Quang phổ vạch hấp thụ ngun tố có tính chất đặc trưng riêng cho ngun tố Vì vậy, vào quang phổ vạch hấp 21 Chương : Các kiến thức thụ để nhận biết có mặt nguyên tố hỗn hợp hay hợp chất Đó nội dung phép phân tích quang phổ hấp thụ Nhờ có việc phân tích quang phổ hấp thụ Mặt Trời mà người ta phát hêli Mặt Trời, trước tìm thấy Trái Đất Ngồi người ta cịn thấy có mặt nhiều nguyên tố khí Mặt Trời hiđrơ, natri, canxi, sắt v.v… Phép phân tích quang phổ tiện lợi phép phân tích quang phổ Phép phân tích thành phần cấu tạo chất dựa vào việc nghiên cứu quang phổ gọi phép phân tích quang phổ Trong phép phân tích quang phổ định tính, người ta cần biết có mặt thành phần khác mẫu mà người ta cần nghiên cứu Phép phân tích quang phổ định tính đơn giản cho kết nhanh phép phân tích hố học Trong phép phân tích quang phổ định lượng, người ta cần biết nồng độ thành phần mẫu Phép phân tích quang phổ nhạy Người ta phát nồng độ nhỏ chất mẫu (thường vào khoảng 0,002%) Nhờ phép phân tích quang phổ mà người ta biết thành phần cấu tạo nhiệt độ vật xa Mặt Trời 1.4.2 Khái niệm quang trắc Các hệ đo ánh sáng dựa sở mô đáp ứng mắt người với ánh sáng Trắc quang phép đo đại lượng liên quan với ánh sáng vùng 400-700 nm Phép trắc quang quang kế sử dụng đại lượng đơn vị khác với xạ kế Các hệ trắc quang dựa sở thu có đáp ứng với lượng xạ theo kiểu đáp ứng mắt người Người ta dùng số lớn liệu thống kê để tạo đường cong chuẩn mô tả đáp ứng phổ mắt, gọi đường quan sát chuẩn (hay đường đặc trưng cho quan sát chuẩn) (Standard observer curve hay Luminosity curve for the Standard observer) hay gọi đường cong CIE (“Commision International de l’Eclairage” Hội đồng “International Commision on Illumination”) 22 Chương : Các kiến thức Hình 1.17 đường quan sát chuẩn Lưu ý đồ thị đường cong chuẩn (độ trưng tương đối phụ thuộc bước sóng) Bước sóng 555nm sáng Một nguồn xạ lượng xạ 555nm 610nm, có độ sáng 0,5 hoạt động 610nm so với độ sáng hoạt động 555 nm BẢNG ĐỘ TRƢNG TƢƠNG ĐỐI η (η = Tại bƣớc sóng 555 nm) Bƣớc sóng (nm) 410 420 430 443 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 Độ trƣng tƣơng đối 0,001 0,004 0.012 0,023 0,038 0,060 0,091 0,193 0,208 0,323 0,503 0,710 0,862 0,954 0,995 0,995 Bƣớc sóng (nm) 570 585 595 600 610 621 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 23 Độ trƣng tƣơng đối 0,952 0,870 0,757 0,631 0,503 0,381 0,265 0,175 0,107 0,061 0,032 0,017 0,008 0,004 0,002 0,001 Chương : Các kiến thức Dịng cơng suất quang đo theo Lumen ký hiệu FV Lumen có nghĩa tương tự đơn vị công suất Watt dùng vùng bước sóng khả kiến Quan hệ dịng cơng suất xạ dịng cơng suất quang FV = 683[lm/W].Φe η Với  FV : Dòng quang (lumen)  Φe : Dòng xạ (Watt)  683 lm/W : Hằng số vật lý  η : Độ trưng tương đối bước sóng xét Các đặc trƣng bản:  Năng lượng quang trưng (Luminous Energy): Qv lumen.second (lm.s)  Dòng quang trưng: lumen (lm) Fv = dQv/dt  Mật độ dòng quang trưng chiếu xạ : Ev = dFv/dA lm/m  Kích thích quang trưng: Mv = dFv/dA lm/m  Cường độ sáng): Iv = dFv/dω =Ev.R  2 ω góc đặc ( góc khối) lm/sr Sr (SteRadian)  Độ quang trưng-Luminance Lv = dFv/ (dω.dA.cosθ) lm/sr.m Độ quang trưng-Luminance Lv nguồn có cường độ I(θ) vị trí đầu thu Lv = I (θ)/atcosθ I (θ) : Cường độ xạ, hàm số theo θ (góc tia tới pháp tuyến diện tích bị chiếu xạ) at : Diện tích nguồn xạ 1.4.3 Các đơn vị đo xạ Các khái niệm 24 Chương : Các kiến thức Radiant energy (năng lượng xạ) (J) Radiant Flux (dòng xạ) (W) Qe Joule Φe = (dQe/dt)|qua diện tích dA Watt Flux density (mật độ dòng quang tới /đvdt) gọi irradiance (độ rọi lượng): He = d Φe/dA (W/m ) Radiant Emittance (độ trưng lượng) mật độ dịng kích thích bề mặt nguồn kiểm tra: Me = d Φe/dA Ie = d Φe/dω Radiant Intensity (cường độ xạ) (W/m ) (W/sr) với dω = dA/R Steradian (sr) Chú ý trường hợp nguồn điểm đẳng hướng Ie = Φe/4π = HeR Radiance (công suất xạ đơn vị góc đặc đơn vị diện tích) Lλ = (W/sr.m2) d Φe/dωdAcosθ Spectral Radiant Power (cơng suất xạ đơn vị bước sóng): Φλ = dQe/dλ (W/nm) Spectral Emittance (phổ kích thích, độ rọi phổ) Wλ = dMe/ dλ (W/m2.nm) Spectral Radiant Intensity: (W/sr.nm) Iλ = dIe/ dλ Spectral Radiance Lλ = dLe/ dλ Đơn vị ánh sáng xạ điện từ có liên quan lượng xạ jun J 1J = 1N.1m = 1m2.kg.s-2 25 (W/sr.m nm) Chương : Các kiến thức 1W = 1J/1s = 1m2.kg.s-3 cơng suất xạ (thơng lượng xạ) ốt cường độ xạ oát W/sr sterad ian Oát steradian cường độ xạ nguồn điểm phát thơng lượng xạ ốt góc khối steradian 1W/sr = 1m2.kg.s-3 độ chói lượng ốt W/(sr m2) sterad ian mét g t steradian mét vng độ chói lượng theo hướng cho điểm bề mặt có cường độ xạ phân tố bề mặt oát steradian diện tích hình chiếu phân tố lên mặt phẳng vng góc với hướng mét vng 1W/(sr.m2) = 1kg.s-3 suất xạ oát mét vuôn g W/m2 Oát mét vuông suất xạ điểm bề mặt có thơng lượng xạ từ phân tố diện tích mét vng bề mặt ốt 1W/m2=1kg.s-3 độ rọi lượng ốt mét g W/m2 Oát mét vuông độ rọi lượng điểm bề mặt có thơng lượng xạ ốt chiếu lên phân tố diện tích mét vng bề mặt 1W/m2=1kg.s-3 cường độ sáng cande cd la W Candela cường độ sáng theo phương xác định nguồn phát xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 héc có cường độ xạ theo phương 1/683 oát steradian (CGPM lần thứ 16, 1979) Đơn vị 26 Chương : Các kiến thức độ chói cande cd/m2 la mét g Canđela mét vng độ chói nguồn phẳng mét vng có cường độ sáng candela đo theo phương vng góc với nguồn 1cd/m2 = 1m-2.cd quang thông lume n Lumen quang thông nguồn sáng điểm cường độ candela phát góc khối steradian 1lm = 1cd.1sr = 1cd 10 lượng sáng lume lm.s n giây lume n lm Lumen giây lượng sáng quang thơng lumen tính thời gian giây 1lm.s = 1cd.s lm.h 1lm.h = 600 lm.s 11 suất phát sáng (độ trưng) lume lm/m2 n mét vuôn g Lumen mét vuông suất phát sáng nguồn hình cầu có diện tích mặt ngồi mét vng phát quang thơng lumen phân bố theo phương 1lm/m2 = 1m-2.cd 12 độ rọi lux lx Lux độ rọi mặt phẳng nhận quang thông lumen phân bố diện tích mét vng mặt 1lx = 1lm/1m2 = 1m-2.cd 13 lượng rọi lux giây lx.s Lux giây lượng rọi ứng với độ rọi lux thời gian giây 1lx.s = 1m-2.s.cd lux lx.h mét m-1 14 độ tụ (quang lực) 1lx.h = 600 lx.s Một mét độ tụ hệ quang có tiêu cự mét môi trường chiết suất 1m-1 = 1m-1 27 Chương : Các kiến thức điôp dp Điôp tên gọi khác đơn vị mét 1dp = 1m-1 28 ... rọi lux thời gian giây 1lx.s = 1m-2.s.cd lux lx.h mét m -1 14 độ tụ (quang lực) 1lx.h = 600 lx.s Một mét độ tụ hệ quang có tiêu cự mét môi trường chiết suất 1m -1 = 1m -1 27 Chương : Các kiến thức... cực khác 1. 1.4 Lƣỡng tính sóng hạt ánh sáng Nguyên tử gồm: Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm:  Proton (p), mp =1, 672 1 0-2 7 kg, tích điện dương + 1, 602 1 0 -1 9 C  Nơtron(n), mn = 1, 675 1 0-2 7 kg, không... tồn cho chúng 16 Chương 1: Các kiến thức Hình 1. 13 Sự cảm nhận sai độ tương phản hình dáng kích thước mắt 17 Chương : Các kiến thức 1. 3 Góc khối 1. 3 .1 Khái niệm góc khối Hình 1. 14 Góc khối Đơn