Tìm hiểu về phổ hồng ngoại | Đặc điểm, Phân loại, Nguyên lý hoạt động

Chu Văn An

Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao chúng ta có thể cảm nhận được sức nóng từ mặt trời mà không cần chạm vào nó? Hay tại sao camera nhiệt có thể “nhìn” được người trong bóng tối? Câu trả lời nằm ở phổ hồng ngoại – một dạng bức xạ điện từ có vai trò quan trọng trong đời sống và khoa học công nghệ. Từ y học, quân sự, đến công nghệ vũ trụ, bức xạ hồng ngoại đã có những bước tiến vượt bậc, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và cải tiến công nghệ hiện đại. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá phổ hồng ngoại, cách thức hoạt động, các loại phổ hồng ngoại và các ứng dụng quan trọng nhất.

1. Phổ hồng ngoại là gì?

Phổ hồng ngoại là một phần của phổ điện từ, nằm giữa ánh sáng nhìn thấy và sóng vô tuyến. Nó có bước sóng từ 700 nm đến 1 mm, dài hơn ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy nhưng ngắn hơn sóng vô tuyến.

Trong tự nhiên, mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 Kelvin (-273,15°C) đều phát ra bức xạ hồng ngoại. Một số ví dụ điển hình:

• Mặt trời: Là nguồn bức xạ hồng ngoại mạnh nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên Trái đất.
• Cơ thể con người: Tỏa nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại, giúp camera nhiệt phát hiện và theo dõi con người ngay cả trong bóng tối.
• Các thiên thể trong không gian: Các ngôi sao, hành tinh và thiên hà ở xa phát ra tia hồng ngoại, giúp các nhà khoa học nghiên cứu không gian.

Bức xạ hồng ngoại không chỉ liên quan đến nhiệt mà còn có nhiều ứng dụng trong công nghệ y tế, quân sự, viễn thông, công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Phổ hồng ngoại của ethanol

2. Đặc điểm của phổ hồng ngoại

2.1. Không thể nhìn thấy bằng mắt thường

Mắt người chỉ có thể cảm nhận được ánh sáng khả kiến, còn bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài hơn nên không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Tuy nhiên, chúng ta có thể cảm nhận được bức xạ hồng ngoại dưới dạng nhiệt.

Ví dụ: Khi đứng gần bếp nóng, bạn cảm thấy hơi nóng mà không chạm vào – đó là bức xạ hồng ngoại.

2.2. Khả năng xuyên qua một số vật liệu

Tia hồng ngoại gần (NIR) có thể truyền qua nhựa mỏng và một số loại thủy tinh.

Hồng ngoại giữa (MIR) và hồng ngoại xa (FIR) thường bị nước và thủy tinh hấp thụ mạnh, ảnh hưởng đến các ứng dụng công nghiệp và y tế.

2.3. Phản xạ và hấp thụ bức xạ

Kim loại được đánh bóng có khả năng phản xạ tia hồng ngoại rất tốt và được sử dụng trong tản nhiệt.

Các loại vải và chất liệu tối màu hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại, giúp giữ nhiệt hiệu quả hơn.

3. Phân loại phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại được chia thành ba vùng chính dựa trên bước sóng và ứng dụng:

4. Nguyên lý hoạt động của phổ hồng ngoại

Bức xạ hồng ngoại được phát ra bởi bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ cao hơn 0 Kelvin (-273,15°C). Nguyên lý phát xạ này được mô tả bởi định luật Planck:

• Vật càng nóng thì bức xạ phát ra càng nhiều.
• Bước sóng bức xạ thay đổi theo nhiệt độ:
• Vật lạnh → phát ra tia hồng ngoại xa (FIR).
• Vật nóng hơn → phát ra tia hồng ngoại trung (MIR) hoặc cận hồng ngoại (NIR).

Ví dụ:

• Một thanh sắt nóng đỏ phát ra ánh sáng nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại mạnh.
• Một con người ở nhiệt độ trung bình 37°C phát ra bức xạ hồng ngoại xa, bức xạ này có thể được phát hiện bằng camera nhiệt.

5. Ứng dụng

Trong y học

• Chẩn đoán y tế: Camera nhiệt giúp phát hiện tình trạng viêm và tắc nghẽn mạch máu.

• Điều trị bằng tia hồng ngoại: Sử dụng đèn hồng ngoại để giảm đau cơ và tăng cường lưu thông máu.

Trong công nghệ quân sự

• Kính nhìn đêm: Giúp phát hiện mục tiêu trong bóng tối.

• Hệ thống dẫn đường hồng ngoại: Được sử dụng trên tên lửa và máy bay không người lái (UAV).

Trong công nghệ vũ trụ

• Viễn thám: Giúp quan sát Trái đất và nghiên cứu môi trường.

• Thiên văn học: Kính viễn vọng hồng ngoại giúp quan sát vũ trụ.

Trong công nghệ dân dụng

• Điều khiển từ xa: Dùng trong tivi, điều hòa.

• Cảm biến chuyển động: Ứng dụng gia đình thông minh, an toàn.

Phổ hồng ngoại có tầm quan trọng rất lớn trong khoa học, công nghệ và đời sống. Từ y học, quân sự đến công nghiệp và dân dụng, công nghệ hồng ngoại ngày càng phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp – Câu hỏi thường gặp

Tia hồng ngoại có nhìn thấy được bằng mắt thường không?

→ Không, nhưng có thể cảm nhận được nó như hơi nóng.

Camera hồng ngoại hoạt động như thế nào?

→ Ghi lại bức xạ nhiệt của vật thể, tạo ra ảnh nhiệt.

Tia hồng ngoại có hại không?

→ Ở mức độ thấp thì không, nhưng tiếp xúc lâu dài với cường độ cao có thể gây hại cho da và mắt.