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

Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao chúng ta có thể cảm nhận hơi nóng từ ánh nắng mặt trời mà không cần chạm vào? Hay vì sao camera nhiệt có thể "nhìn thấy" con người trong bóng tối? Câu trả lời nằm ở phổ hồng ngoại – một dạng bức xạ điện từ có vai trò quan trọng trong cuộc sống và khoa học công nghệ. Từ y học, quân sự, đến công nghệ vũ trụ, bức xạ hồng ngoại đã tạo ra 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 cùng khám phá phổ hồng ngoại, cách nó hoạt động, các loại phổ hồng ngoại, và những ứng dụng quan trọng nhất. 

1. Phổ hồng ngoại là gì?

Phổ hồng ngoại là một phần của quang phổ điện từ, nằm giữa ánh sáng khả kiến 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 radio.

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

• Mặt trời: Là nguồn bức xạ hồng ngoại mạnh mẽ nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất.
• Cơ thể con người: Phát ra nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại, giúp máy ảnh nhiệt phát hiện và theo dõi con người ngay cả trong bóng tối.
• Thiên thể trong vũ trụ: Các ngôi sao, hành tinh và thiên hà xa xôi phát ra 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 nhận biết ánh sáng khả kiến, trong khi 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 bức xạ hồng ngoại dưới dạng nhiệt.

Ví dụ: Khi đứng gần một bếp lò nóng, bạn cảm nhận được hơi nóng mà không cần chạm vào – đó chính là bức xạ hồng ngoại.

2.2. Khả năng xuyên qua một số vật liệu

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

Hồng ngoại trung (MIR) và xa (FIR) thường bị hấp thụ mạnh bởi nước và kính, điều này ảnh hưởng đến các ứng dụng trong công nghiệp và y học.

2.3. Phản xạ và hấp thụ bức xạ

Kim loại bóng có khả năng phản xạ hồng ngoại rất tốt, được sử dụng trong các bộ phận tản nhiệt.

Vải tối màu và các vật liệu 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 mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 Kelvin (-273,15°C). Nguyên lý phát xạ này được mô tả bởi định luật Planck:

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

Ví dụ:

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

5. Ứng dụng

Trong y học

• Chẩn đoán y khoa: Camera nhiệt giúp phát hiện viêm nhiễm, tắc nghẽn mạch máu.

• Điều trị bằng hồng ngoại: Dùng đèn hồng ngoại để giảm đau cơ, 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 bằng hồng ngoại: Sử dụng trên tên lửa, máy bay không người lái (UAV).

Trong công nghệ không gian

• 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: Được sử dụng trong TV, điều hòa không khí.

• Cảm biến chuyển động: Ứng dụng trong nhà thông minh, bảo mật.

Phổ hồng ngoại có tầm quan trọng 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 tiềm năng ứng dụng trong tương lai.

FAQs - Câu hỏi thường gặp

Bức xạ hồng ngoại có nhìn thấy bằng mắt thường không?

→ Không, nhưng có thể cảm nhận dưới dạng nhiệt.

Camera hồng ngoại hoạt động như thế nào?

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

Hồng ngoại có gây 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.