Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN ….…… TIỂU LUẬN MÔN HỌC VẬT LÍ A3 ĐỀ TÀI: GVHD: ThS. Đỗ Quốc Huy SVTH: Hoàng Văn Chuân MSSV: 05120921 TP.Hồ Chí Minh Tháng 5 Năm 2009 Trang 1 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy LỜI NÓI ĐẦU Luôn luôn tồn tại song song với sự sống của con người là các hiện tượng vật lí. Các hiện tượng vật lí lúc nào cũng xảy ra và tồn tại ngay từ khi xuất hiện vật chất nhưng mãi tới thời đại của các nhà khoa học thì người ta mới khám phá ra sự có mặt của chúng. Các nhà khoa học vĩ đại của chúng ta đã tìm ra và ứng dụng các hiện tượng vật lí trong cuộc sống. Từ khi ánh sáng khoa học chiếu rọi vào đời sống của con người thì đời sống của con người đã được bước lên một tầm cao mới. Các hiện tượng vật lý và ứng dụng của nó chính là nguồn phát ra ánh sáng khoa học đó. Ánh sáng hồng ngoại cũng là một trong những đối tượng nghiên cứu của vật lí. Các ứng dụng của nó cũng rất quan trọng trong đời sống của con người. Ánh sáng hồng ngoại là một chủ đề rất lý thú. Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Quốc Huy đã tạo điều kiện cho em được nghiên cứu chủ đề này và đã tận tình giúp đỡ em trong việc hoàn thành đề tài. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! SVTH Hoàng Văn Chuân Trang 2 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy I. GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu chung về bức xạ điện từ Trong lịch sử khoa học: các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các tia truyền thẳng Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là một dòng các hạt rất nhỏ , một số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete. Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết của Maxwell Trang 3 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Như vậy ánh sáng được mô tả theo tính chất tính chất sóng điện từ và theo tính chất hạt. Trong quang phổ học: ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia X, sóng radio… đều được chỉ bằng 1 thuật ngữ chung đó là bức xạ điện từ, chúng chỉ khác nhau về độ dài sóng (bước sóng). Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần. Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình dung như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường M vuông góc với nhau và chuyển động với vận tốc không đổi trong môi trường nhất định. Trang 4 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Trang 5 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Bước sóng λ là khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng kề nhau. Đơn vị hay được sử dụng là nanomet hay đơn vị Angstron 2. Lịch sử của tia hồng ngoại Nhà Thiên văn học, Sir William Herschel đã khám phá ra tia hồng ngoại vào năm 1800. Ông đã tự chế tạo cho mình các kính thiên văn với ống kính và gương. Ông biết rằng ánh nắng mặt trời có thể vẽ nên rất nhiều màu sắc bằng phổ của nó và cũng là nguồn phát nhiệt. Herschel muốn biết cụ thể màu nào phát sinh nhiệt trong chùm ánh sáng mặt trời. Trang 6 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Ông ta đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơn đen để đo lường nhiệt độ từ các màu sắc khác nhau. Herschel quan sát sự gia tăng nhiệt độ khi ông di chuyển nhiệt kế từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng màu đỏ trong cầu vồng tạo ra bởi ánh sáng mặt trời qua lăng kính, ông đã phát hiện ra rằng, điểm nóng nhất thật sự nằm phía trên ánh sáng đỏ. Bức xạ phát nhiệt này không thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn thấy được này là “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại. 3. Khái niệm tia hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng từ 0.86µm đến 0.98µm. Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng . 4. Bản chất và tính chất của tia hồng ngoại Trang 7 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy -Tia hồng ngoại có bản chất sóng điện từ - Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu. Nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể đạt 3 mega bit /s. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà người ta vẫn dùng. - Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khi thu phải đúng hướng. - Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự …). Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất. Có những vật chất ta thấy nó dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt. Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nó vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài Năng lượng hồng ngoại (IR) là một phần của phổ điện từ với các đặc tính nữa tương tự như ánh sáng nhìn thấy được thông thường, chúng có khắp không gian và di chuyển với tốc độ của ánh sáng, chúng có thể được phản xạ, khúc xạ, hấp thu và phát xạ. Trang 8 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Bước sóng của năng lượng IR nằm ở dãi độ lớn trên bước sóng của ánh sáng thông thường, giữa 0.7 và 1000 µm (phần triệu của mét). Các dạng chung khác của bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, tia cực tím và tia X 5. Nguồn phát tia hồng ngoại Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ của chúng. Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay của nguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên tử và phân tử chuyển động càng nhiều, càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại. Năng lượng này sẽ được camera chụp ảnh hồng ngoại phát hiện, camera hồng ngoại không phát hiện nhiệt độ, chúng phát hiện bức xạ nhiệt. Nhiệt độ không (zero) tuyệt đối (-273.16 o C, -459.67 o F), vật liệu sẽ ở trạng thái năng lượng thấp nhất vì vậy phát xạ hồng ngoại sẽ thấp nhất. Trang 9 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy 6. Máy ghi hồng ngoại Từ trái sang phải: ảnh thường, ảnh hồng ngoại đen trắng và ảnh hồng ngoại màu Máy ghi hồng ngoại là một camera chụp và đo bằng tia hồng ngoại để “thấy” và “đo” năng lượng bức xạ nhiệt từ một vật thể. Chụp ảnh hồng ngoại là kỹ thuật tạo ra bức ảnh mắt người thấy được từ việc phát xạ ánh sáng hồng ngoại của vật thể đối với trạng thái nhiệt của chúng. Hầu hết các loại camera hồng ngoại chuẩn giống như máy quay phim thông thường, chúng tạo ra một ảnh trực tiếp trên màn hình của sự bức xạ nhiệt. Một vài loại camera hồng ngoại tinh vi có thể đo nhiệt độ của vật thể hay bề mặt bất kỳ bằng hình ảnh và tạo ra các ảnh màu sai để có thể giải thích rõ hơn về trạng thái nhiệt một cách dễ dàng, ảnh được tạo ra từ camera hồng ngoại được gọi là ảnh hồng ngoại. Nhiệt, hay năng lượng hồng ngoại là một loại ánh sáng không nhìn thấy được do bước sóng của nó quá dài mà mắt người không thể bắt được, đó là phần của phổ điện từ mà chúng ta biết như là nhiệt. Không giống như ánh sáng thường có thể thấy được, trong thế giới hồng ngoại, mọi vật có nhiệt độ trên nhiệt độ không tuyệt đối đều phát xạ nhiệt. thậm chí những vật rất lạnh như băng đá cũng phát ra nhiệt. Nhiệt độ càng cao thì bức xạ nhiệt hồng ngoại càng lớn. Hồng ngoại cho ta thấy cái mà mắt thường chúng ta không nhìn thấy Chúng ta hãy cùng nhìn thế giới thường ngày qua cái nhìn hồng ngoại! Trang 10 [...]... Huy MỤC LỤC TRANG I GIỚI THIỆU 1 1 Giới thiệu chung về bức xạ điện từ 1 2 Lịch sử của tia hồng ngoại 4 3 Khái niệm tia hồng ngoại 5 4 Bản chất và tính chất của tia hồng ngoại 5 Trang 23 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy 5 Nguồn phát tia hồng ngoại 6 6 Máy ghi hồng ngoại 7 II MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI 8 1.Chụp ảnh nhiệt 8 2 Điều khiển từ xa 13 3 sấy bảo quản nông sản 15 TÀI LIỆU... nhiệt thì không bị ảnh hưởng bởi loại ánh sáng này Trang 11 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Chụp ảnh hồng ngoại là một công cụ giá trị và đa năng mà chúng ta không thể liệt kê được tất cả các ứng dụng của nó, công nghệ hồng ngoại với nhiều cách mới và tiên tiến đã và đang được phát triển mỗi ngày Chụp ảnh hồng ngoại có thể được sử dụng trong bất kỳ tình huống nào nơi nảy sinh vấn đề với.. .Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Hãy chú ý sự khác biệt về màu sắc! Dựa vào tính chất này của hồng ngoại mà người ta đã tạo được nhiều ứng dụng trong đời sống II MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TIA HỒNG NGOẠI 1.Chụp ảnh nhiệt Công nghệ mắt nhìn ban đêm (Night Vision Goggles) khuếch đại một lượng nhỏ ánh sáng thông thường (đôi khi ánh sáng này gần với ánh sáng hồng ngoại trong phổ... nhau Kết quả thí nghiệm được trình bày trên hình 4 Trang 21 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy rất dễ dàng hấp thụ tia hồng ngoại vì vậy chúng nhanh chóng bị đốt nóng và chỉ trong vòng 10 phút đầu đã bị chết khoảng 75% Tiếp tục chiếu thêm 5 phút số côn trùng hầu như không còn sống Điều này chứng tỏ ưu thế của bức xạ hồng ngoại vào lĩnh vực loại trừ côn trùng trong quá trình bảo quản lương... khác nhau trên bề mặt của đường và dễ dàng tìm thấy các ổ gà tiềm tàng trước khi chúng xuất hiện Trang 12 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Ví dụ khác được sử dụng trong ngành hàng không Gần đây, hầu hết các cánh phụ của máy bay đều sử dụng vật liệu tổng hợp với độ cứng cao và trọng lượng nhẹ Vật liệu tổng hợp mang tính sống còn đối với các đặc tính và khả năng bay của máy bay Tuy nhiên,... khiển từ xa dùng hồng ngoại như sau: Thiết bị điều khiển (remote) là bộ phận phát tia hồng ngoại truyền tín hiệu hồng ngoại để bộ phận thu (được gắn ở các thiết bị cần điều khiển) là tivi, máy lạnh, đầu đĩa Tia hồng ngoại truyền từ bộ điều khiển đến bộ phận thu lúc này đóng vai trò như một "dây" dẫn để truyền các dữ liệu đã được mã hoá từ bộ chiếc remote đến phần thu tín hiệu hồng ngoại trên thiết... ánh nắng và mưa đá gây nên các va chạm mà mắt thường có thể nhận thấy được Nước thấm vào cấu trúc tổ ong và đọng lại đó, khi máy bay lên một độ cao nhất định, nước sẽ đông lại và giãn nở ra, phá hỏng cấu trúc tổ ông của cánh máy bay Vấn đề này sẽ tiếp tục phát triển như một căn bịnh ung thư theo Trang 13 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy thời gian, hủy hoại mối liên kết cấu trúc và dẫn... nhau về nhiệt độ rất lớn, sử dụng camer hồng ngoại có thể phát hiện được trạng thái của cánh máy bay Camera hồng ngoại bắt độ phát xạ của mục tiêu trong tầm nhìn của nó, độ phát xạ được định nghĩa như là năng lượng hồng ngoại phát ra từ mục tiêu và bị điều biến bởi ảnh hưởng của bầu khí quyển, trong đó bao gồm phát xạ, phản xạ và độ lan truyền của năng lượng hồng ngoại Một mục tiêu mờ (opaque target)... sơn… Danh sách các vật thể có thể chụp được bằng camera hồng ngoại thì rất dài, Tất cả các vấn đề đó đều được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của vật thể mờ (opaque ojects), ở vật thể mờ, hệ số phát xạ và hệ số phản xạ có sự liên quan với Trang 14 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy nhau Hệ số phát xạ càng cao thì độ phản xạ càng thấp và ngược lại Công thức năng lượng chuyển đổi được thể... yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ số phát xạ bao gồm: góc nhìn (viewing angle), bước sóng (wavelength) và nhiệt độ (temperature) Sự phụ thuộc của bước sóng vào hệ số phát xạ có nghĩa là các camera hồng ngoại khác nhau có thể đo được các giá trị khác nhau trên cùng một vật thể Vì Trang 15 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy thế, để phép đo được chính xác, vật thể được đo phải đặt trong các điều . đến 0.98µm. Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng . 4. Bản chất và tính chất của tia hồng ngoại Trang 7 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy -Tia hồng ngoại có bản. phát xạ hồng ngoại sẽ thấp nhất. Trang 9 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy 6. Máy ghi hồng ngoại Từ trái sang phải: ảnh thường, ảnh hồng ngoại đen trắng và ảnh hồng ngoại màu. E và một từ trường M vuông góc với nhau và chuyển động với vận tốc không đổi trong môi trường nhất định. Trang 4 Tia hồng ngoại và ứng dụng GVHD: Th.S Đỗ Quốc Huy Trang 5 Tia hồng ngoại và