Tia hồng ngoại là ánh sáng có bước sóng dài hơn màu đỏ, từ khoảng 0,75 micromet đến 1 milimet, mắt người không thấy nhưng da cảm nhận được dưới dạng hơi ấm. Nhà thiên văn William Herschel phát hiện ra nó năm 1800 bằng một thí nghiệm rất giản dị: đặt nhiệt kế vào từng màu của dải quang phổ Mặt Trời và thấy nhiệt độ tiếp tục tăng ở vùng tối ngay ngoài màu đỏ. Hôm nay, hồng ngoại có mặt trong điều khiển tivi, nhiệt kế đo trán, cáp quang, vệ tinh thời tiết và kính thiên văn James Webb.
William Herschel: nhà soạn nhạc thành nhà thiên văn
Friedrich Wilhelm Herschel sinh năm 1738 ở Hannover (nay thuộc Đức), sang Anh lập nghiệp bằng nghề nhạc công, nhà soạn nhạc, rồi say mê thiên văn và tự mài gương làm kính thiên văn. Năm 1781, ông phát hiện ra Sao Thiên Vương — hành tinh đầu tiên được tìm thấy bằng kính thiên văn — và trở thành nhà thiên văn của vua George III. Em gái ông, Caroline Herschel, cũng là nhà thiên văn tài năng, phát hiện nhiều sao chổi.
Herschel quan sát Mặt Trời thường xuyên và cần kính lọc để khỏi hại mắt. Ông nhận thấy các kính lọc màu khác nhau để lọt qua lượng nhiệt khác nhau: có tấm làm mắt thấy dịu mà vẫn nóng, có tấm ngược lại. Từ đó nảy ra câu hỏi: mỗi màu trong ánh sáng Mặt Trời mang bao nhiêu nhiệt?
Thí nghiệm năm 1800
Herschel cho ánh sáng Mặt Trời qua một lăng kính thuỷ tinh, tạo dải quang phổ trên mặt bàn. Ông dùng các nhiệt kế thuỷ ngân có bầu được bôi đen để hấp thụ tốt hơn. Một nhiệt kế đặt vào từng màu, các nhiệt kế khác đặt bên cạnh, ngoài vùng sáng, để làm mốc so sánh nhiệt độ phòng.
- Từ tím đến đỏ, nhiệt độ đo được tăng dần. Tím ấm ít nhất, đỏ ấm nhất.
- Herschel đặt nhiệt kế vào vùng ngoài màu đỏ, nơi mắt không còn thấy ánh sáng. Lẽ ra nhiệt kế này đóng vai trò đối chứng.
- Nhưng nhiệt kế ở vùng tối ấy lại chỉ nhiệt độ cao hơn cả vùng đỏ.
Ông kết luận có một loại "tia" không nhìn thấy nằm ngoài màu đỏ, mang nhiệt. Ông gọi nó là "tia nhiệt" (calorific rays) và công bố kết quả trong tạp chí Philosophical Transactions của Hội Hoàng gia London năm 1800. Về sau, tên gọi "hồng ngoại" (infrared — dưới màu đỏ) mới trở nên phổ biến.
Một chi tiết đáng nói: Herschel ban đầu nghiêng về ý tưởng tia nhiệt và ánh sáng là hai thứ khác nhau. Phải mất vài chục năm, qua các thí nghiệm của Macedonio Melloni và những người khác, giới khoa học mới đồng ý rằng hồng ngoại cùng bản chất với ánh sáng, chỉ khác bước sóng.
Một năm sau: đầu bên kia của quang phổ
Nghe tin về phát hiện của Herschel, nhà vật lý Đức Johann Wilhelm Ritter tự hỏi: nếu bên ngoài màu đỏ có tia vô hình, liệu bên ngoài màu tím có không? Năm 1801, ông dùng bạc clorua — chất bị ánh sáng làm sẫm màu — và thấy nó sẫm nhanh nhất ở vùng tối ngoài màu tím. Đó là tia tử ngoại. Chỉ trong hai năm, quang phổ ánh sáng đã được nới rộng ra hai phía, sang những vùng mắt người không thấy.
Dòng thời gian của tia hồng ngoại
| Năm | Sự kiện |
|---|---|
| 1800 | William Herschel phát hiện "tia nhiệt" ngoài màu đỏ |
| 1801 | Johann Ritter phát hiện tia tử ngoại ngoài màu tím |
| Thập niên 1830 | Macedonio Melloni phát hiện muối mỏ (natri clorua) để hồng ngoại lọt qua tốt hơn thuỷ tinh, đo hồng ngoại chính xác hơn |
| 1859 | John Tyndall đo được hơi nước và khí cacbonic hấp thụ bức xạ nhiệt — nền tảng hiểu hiệu ứng nhà kính |
| Khoảng 1880 | Samuel Langley chế tạo nhiệt kế điện trở (bolometer) đo hồng ngoại rất nhạy |
| 1900 | Max Planck đưa ra định luật bức xạ vật đen, giải thích vật nóng phát hồng ngoại thế nào |
| Từ thập niên 1960 | Vệ tinh thời tiết dùng kênh hồng ngoại để chụp mây cả ngày lẫn đêm |
| 2021 | Kính thiên văn không gian James Webb, chuyên quan sát hồng ngoại, được phóng ngày 25/12 |
Hồng ngoại quanh ta hôm nay
Hồng ngoại gần: gần màu đỏ
- Điều khiển tivi, máy lạnh: đèn LED ở đầu điều khiển phát hồng ngoại khoảng 940 nanomet, nhấp nháy theo mã.
- Cáp quang: Internet chạy trong sợi thuỷ tinh bằng ánh sáng hồng ngoại, phổ biến ở bước sóng quanh 1.310 và 1.550 nanomet, nơi thuỷ tinh hao ít nhất.
- Camera an ninh ban đêm và cảm biến khuôn mặt trên điện thoại chiếu chấm hồng ngoại để đo chiều sâu.
Hồng ngoại xa: bức xạ nhiệt
- Nhiệt kế đo trán, đo tai: đo hồng ngoại cơ thể phát ra, không cần chạm vào da.
- Camera ảnh nhiệt: dựng hình theo nhiệt độ (có bài riêng trong danh mục Khoa học tàng hình).
- Đèn sưởi hồng ngoại trong phòng tắm: phát nhiều hồng ngoại, sưởi ấm da trực tiếp.
Hồng ngoại trên trời
- Vệ tinh thời tiết: ảnh mây hồng ngoại cho biết nhiệt độ đỉnh mây; đỉnh mây càng lạnh thường càng cao, báo hiệu đám mây dông mạnh hoặc bão.
- Thiên văn: bụi vũ trụ chặn ánh sáng nhìn thấy nhưng để hồng ngoại đi qua, nên kính hồng ngoại nhìn được vào lòng tinh vân nơi sao đang hình thành. Ánh sáng từ những thiên hà xa nhất bị vũ trụ giãn nở kéo dài sang hồng ngoại — đó là lý do kính James Webb được thiết kế cho hồng ngoại.
Có "thấy" được hồng ngoại không
Mắt người gần như không thấy. Tuy vậy có hai cách đơn giản:
- Dùng camera điện thoại nhìn đầu điều khiển tivi khi bấm nút. Nhiều camera (thường là camera trước) không có lớp lọc hồng ngoại mạnh nên bắt được ánh sáng nhấp nháy màu tím trắng.
- Đặt tay gần bóng đèn sợi đốt hay bếp than: hơi ấm cảm nhận được chủ yếu là hồng ngoại xa.
Một số thí nghiệm khoa học cho thấy trong điều kiện đặc biệt (xung laser hồng ngoại cực mạnh), mắt người có thể cảm nhận một chút ánh sáng khi hai photon hồng ngoại cùng bị hấp thụ. Đây là hiện tượng phòng thí nghiệm, không phải thị lực thường ngày, và không ai nên thử với laser.
Góc nhìn hôm nay: tự làm lại thí nghiệm Herschel
Thí nghiệm năm 1800 có thể làm lại ở trường hoặc ở nhà với vài dụng cụ: một lăng kính thuỷ tinh, ba nhiệt kế nhỏ có bầu tô đen bằng sơn hoặc bút dạ, một hộp giấy để che gió, và một ngày nắng. Đặt dải quang phổ trên đáy hộp, một nhiệt kế ở màu lam, một ở màu đỏ, một ngay ngoài màu đỏ; đợi vài phút và ghi số. NASA có hướng dẫn chi tiết cho lớp học về thí nghiệm này. Lưu ý không bao giờ nhìn thẳng vào Mặt Trời hay vào ánh sáng hội tụ qua lăng kính.
Người muốn tìm hiểu thêm về chính Herschel có thể tìm đọc về Bảo tàng Thiên văn Herschel ở Bath (Anh), đặt trong ngôi nhà nơi ông phát hiện Sao Thiên Vương.
Câu hỏi thường gặp
Ai phát hiện ra tia hồng ngoại?
Nhà thiên văn William Herschel phát hiện năm 1800. Ông đặt nhiệt kế vào các màu của quang phổ Mặt Trời và thấy vùng tối ngoài màu đỏ còn nóng hơn cả màu đỏ.
Tia hồng ngoại là gì?
Là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ, từ khoảng 0,75 micromet đến 1 milimet. Mắt người không thấy, nhưng da cảm nhận phần hồng ngoại xa dưới dạng hơi ấm.
Tia hồng ngoại được dùng để làm gì?
Trong điều khiển từ xa, cáp quang, camera ban đêm, nhiệt kế đo trán, đèn sưởi, camera ảnh nhiệt, vệ tinh thời tiết và kính thiên văn như James Webb.
Tia hồng ngoại và tử ngoại khác nhau thế nào?
Hồng ngoại có bước sóng dài hơn màu đỏ, năng lượng thấp, gắn với nhiệt. Tử ngoại có bước sóng ngắn hơn màu tím, năng lượng cao hơn, gây cháy nắng; Johann Ritter phát hiện năm 1801.
Vì sao kính James Webb quan sát bằng hồng ngoại?
Vì hồng ngoại xuyên qua bụi vũ trụ tốt hơn ánh sáng nhìn thấy, và ánh sáng từ các thiên hà rất xa bị vũ trụ giãn nở kéo dài sang vùng hồng ngoại.
