NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ

Đây là bài số 15 phần 1, sách Vật lý trị liệu- Phục hồi chức năng, năm 2010 (bản đầu tiên là 2002).

ĐIỆN TỪ PHỔ

Người ta dùng danh từ “bức xạ điện từ” để chỉ chung các tia có bản chất tương tự như ánh sáng. Đó là ánh sáng thấy được, tia tử ngoại, tIa hồng ngoại, sóng điện từ (sóng Hertz), tia X, tia phóng xạ γ. Các tia này mang bản chất giống nhau, nhưng chỉ khác độ dài bước sóng (λ).
Đại cương ta có thể phân chia các tia theo bước sóng (λ) như sau và được gọi là điện từ phổ.
Có nhiều giả thiết giải thích bản chất của bức xạ điện từ.

Tính sóng

Theo thuyết “điện tử” của J.C. Maxwell thì bức xạ điện từ do sự truyền đi của điện trường và từ trường B thẳng góc nhau và thẳng góc với phương truyền. và B biến đổi theo t bằng những hàm số hình sin. Vận tốc truyền của và B bằng vận tốc ánh sáng và không phụ thuộc tần số của bức xạ điện từ.

Tính hạt

Theo thuyết “lượng tử” của Planck A. Enstein cho rằng bức xạ điện từ tần số được tạo bởi những hạt nhỏ gọi là quang tử (photon) có năng lượng W =hv, với h là hằng số Planck. Các photon khác với hạt vật chất thường, có trọng lượng nghỉ m₀ = 0.

Lưỡng tính sóng và hạt

Theo thuyết “sóng kết hợp” của Louis Victor (bá tước De Broglie) thì bức xạ điện từ có cả hai tính sóng và hạt.

SỰ PHÁT SINH VÀ ĐẶC TÍNH SÓNG CỦA ĐIỆN TỪ

Tất cả sóng điện từ được tạo ra bởi chuyển động của điện tử. Chuyển động các điện tử khác nhau tạo ra những tia có độ dài sóng khác nhau. Các tia di chuyển trong không gian cho đến khi chúng gặp môi trường vật chất và sẽ bị môi trường hấp thụ. Khi bị hấp thụ, năng lượng bức xạ được biến đổi thành các dạng năng lượng khác và những hiệu quả nào đó sẽ được phát sinh.

Sóng vô tuyến (sóng Hertz)

Được sinh ra do những dòng dao động cao tần và có tần số tương ứng với dòng sản sinh ra chúng. Sóng vô tuyến được hấp thụ bởi kim loại. Từ đó màn kim loại được sử dụng để ngăn ngừa sự lan truyền từ những thiết bị cao tần.

Bức xạ hồng ngoại, bức xạ ánh sáng và bức xạ tử ngoại

Được tạo ra từ nhiệt. Khi một chất bị nung nóng, chuyển động của phân tử gia tăng và các điện tử sẽ chuyển từ quỹ đạo của nó đến quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn. Khi điện tử trở về lại quỹ đạo cũ, năng lượng được bức xạ dưới dạng lượng tử gọi là photon có bước sóng λ, phụ thuộc vào số năng lượng giải phóng ra.
Ta có : E = hv hay
Trong đó : h: hằng số Planck
v: tần số sóng
c : vận tốc ánh sáng
λ : bước sóng

Năng lượng của photon càng lớn thì tần số sóng càng lớn hay bước sóng càng nhỏ.

Khi một vật hấp thu nhiệt, nó nóng dần và phát ra tia hồng ngoại. Nếu nhiệt độ gia tăng, vật trở nên nóng đỏ và phát xạ, ngoài tia hồng ngoại còn có tia sáng thấy được. Càng được nung nóng, vật sáng dần, chuyển qua màu trắng và lúc này ngoài bức xạ hồng ngoại và ánh sáng trắng, một ít bức xạ tử ngoại được phát ra.

Tia hồng ngoại được tạo ra nhiệt khi được hấp thụ. Tia sáng thấy được chỉ đi qua những vật trong suốt. Khi chúng được hấp thụ bởi võng mạc, chúng sẽ tạo ra cảm quan thị giác và màu sắc tuỳ thuộc vào bước sóng. Tia đỏ có bước sóng lớn nhất, rồi đến màu cam, vàng, lục (xanh lá cây), lam (xanh da trời), chàm và tia tím có bước sóng ngắn nhất.

Bức xạ tử ngoại được hấp thụ phần lớn bởi khí quyển và chủ yếu là tầng ozon. Bức xạ tử ngoại nhờ được hấp thụ sẽ tạo nên những phản ứng hoá học như làm phai màu thuốc nhuộm, phản ứng trên phim ảnh và tại da nó biến 7 dehydrocholesterol thành vitamin D.

Tia X

Được tạo ra trong một ống chân không có hiệu điện thế rất cao giữa hai cực. Dưới ảnh hưởng của điện áp này, chùm điện tử phát ra từ tim đèn sẽ chuyển động rất nhanh để đến đập vào đối âm cực và sinh ra tia X. Tia X tạo ra do thay đối cấu trúc hạt nhân của những chất phóng xạ.

Hai loại bức xạ này có tác dụng đâm xuyên rất mạnh và khi chúng bị hấp thụ sẽ tạo ra các phản ứng hoá học như tác dụng trên phim ảnh. Các phản ứng này cũng có thể gây huỷ hoại tế bào cơ thể.

CÁC ĐỊNH LUẬT BỨC XẠ

Tia hồng ngoại, tia sáng thấy được và tia tử ngoại tuân theo các định luật của quang hình học, nghĩa là :

(1) Các tia lan truyền theo đường thẳng.

(2) Phản xạ là khi một tia tiếp xúc với một mặt phẳng trơn láng, nó phản chiếu lại môi trường cũ theo định luật :

• Góc tới bằng góc tia phản xạ.
• Tia tới, pháp tuyến và tia phản xạ cùng nằm trong một mặt phẳng.

Nều chùm tia gặp mặt phăng gồ ghề, nó sẽ tạo ra hiện tượng khuếch tán hay tán xạ.

(3) Khúc xạ: khi tia sáng truyền từ một môi trường vào một môi trường khác không cùng đặc tính quang học thì nó bị thay đổi đột ngột phương truyền, gọi là khúc xạ.

• Định luật khúc xạ được phát biểu như sau:
• Tia sáng trùng với pháp tuyến sẽ đi thắng.
• Khi bị khúc xạ, tia sáng đi gần pháp tuyến nếu môi trường thứ hai có mật độ quang học lớn hơn và ngược lại.
• Tý lệ sin góc tia tới / sin góc tia khúc xạ gọi là chiết suất.
• Các tia có bước sóng khác nhau, thì khúc xạ khác nhau. Sự khúc xạ càng lớn (lệch khỏi phương truyền cũ) nếu bước sóng càng nhỏ. Do đó khi một chùm tia sáng trắng đi qua một lăng kính, nó sẽ được phân thành các màu riêng biệt tạo thành quang phổ. Hiện tượng này gọi là tán sắc ánh sáng.

(4) Hấp thụ

Khi một tia sáng tiếp xúc với môi trường mới, nó có thể bị hấp thụ. Tỷ lệ sự hấp thụ các tia phụ thuộc vào cấu trúc môi trường, bước sóng của tia và góc tới.

Sự phụ thuộc góc tới tuân theo định luật Cosin. Định luật này phát biểu như sau: sự hấp thụ tia tỷ lệ thuận với cosin của góc tới.

Cần nhớ rằng góc tới là góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến; vậy cosin càng giảm nếu góc càng tăng.
Ta có : cos 0° = 1; cos 60° = 1/2; cos 90°= 0
Do đó, khi tia tới chiếu thắng góc với bể mặt (góc tới bằng 0) thì sự hấp thụ sẽ tối đa.

(5) Định luật bình phương nghịch đảo: Cường độ bức xạ từ một nguồn điểm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa nguồn điểm và mặt tiếp xúc.

Xem bản gốc ở dưới