Tại sao phát hiện hồng ngoại và tia tử ngoại lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Bức xạ hồng ngoại và bức xạ tử ngoại là phát hiện quan trọng của phát triển khoa học suốt 200 năm nay. Tuy nhiên, cho đến thế kỷ XVIII, không ai có thể nghĩ rằng bức xạ còn tồn tại bên ngoài bước sóng hẹp mà con người hoàn toàn có thể nhìn thấy bằng mắt thường . Sự phát hiện ra tia hồng ngoại và tia tử ngoại đã mở mang tầm nhìn của giới khoa học đi từ ánh sáng nhìn thấy được đến quang phổ bức xạ, từ sóng điện vô tuyến đến tia gamma.

Bức xạ hồng ngoại (IR) luôn có vai trò then chốt trong phát hiện thiên văn. Bên cạnh đó các nhà khoa học địa cầu sử dụng bức xạ hồng ngoại để đo nhiệt lượng khi tiến hành nghiên cứu về nhiệt độ nước biển và trạng thái sức khỏe của rừng. Tia hồng ngoại còn được ứng dụng trong các thiết bị báo động chống trộm, máy báo hỏa hoạn, các loại máy đo hỏa hoạn chuyên dụng hoặc sử dụng trang bị cho cảnh sát. Các nhà sinh vật học đã phát hiện ra mắt của rất nhiều các loại chim và côn trùng đều có thể nhận ra tia hồng ngoại. Tia tử ngoại (còn gọi là tia cực tím hay tia UV) có thể giúp con người hiểu rõ hơn về bức xạ của mặt trời và bộ phận có năng lượng cao quang phổ, bao gồm cả tia X, tia viba và gamma.

Tia hồng ngoại và tia tử ngoại đã được tìm ra như thế nào?

Frederick Herschel sinh năm 1738 tại Hanover của nước Đức. Ngay từ thời thanh niên, Herschel đã là một nhà thiên văn học, một nhạc sĩ tài hoa. Năm 1781, Herschel phát hiện ra Thiên Vương tinh và đây là một ngôi sao mới đầu tiên được phát hiện ra trong gần 2000 năm của lịch sử.

Cuối năm 1799, Herschel bắt đầu nghiên cứu ánh sáng mặt trời, ông thường xuyên sử dụng một thiết bị lọc màu sắc để tách một bộ phận ánh sáng ra khỏi quang phổ. Ông phát hiện ra bộ lọc ánh sáng đôi lúc nóng hơn những cái khác. Herschel vô cùng tò mò về nhiệt lượng bên trong bức xạ mặt trời: lẽ nào có một số màu lại có thể mang nhiều nhiệt lượng hơn các màu khác hay sao?

Để kiểm chứng suy đoán này, Herschel đã chế tạo ra một chiếc lăng kính lớn. Trong một căn phòng tối, ông chiếu quang phổ đủ mọi màu sắc qua lăng kính lên một vách tường xa, sau đó ông cẩn thận tiến hành đo nhiệt độ của mỗi chùm ánh sáng có màu riêng biệt.

Kết quả thu được khiến cho Herschel vô cùng bất ngờ: nhiệt độ tăng dần theo thứ tự thấp nhất là màu tím và cao nhất là màu đỏ. Trong lúc bất ngờ đó ông đã đặt ôn kế vào chỗ tối bên cạnh ánh sáng màu đỏ và cũng là phía ngoài của quang phổ.

Theo lý thuyết, thông thường thì ôn kế phải giữ nguyên mức nhiệt độ bời vì nó không đặt trong luồng ánh sáng chiếu thẳng. Nhưng hoàn toàn ngược lại, trên bề mặt ôn kế lại cho hiển thị mức nhiệt độ cao nhất.

Herschel càng ngạc nhiên hơn, ông đoán rằng mặt trời ngoài bức xạ sóng ánh sáng, còn bức xạ cả sóng nhiệt, hơn nữa những tia sáng phát nhiệt không nhìn thấy được này khi đi qua lăng kính lại chiết xạ kém hơn một chút so với ánh sáng thông thường. Trong suốt vài tuần sau đó, Herschel đã phát hiện ra loại tia sáng phát nhiệt này có khả năng sinh ra chiếu xạ và phản xạ giống như ánh sáng. Bởi vì loại tia sáng phát nhiệt này xuất hiện ở ngoài ánh sáng màu đỏ và thế là Herschel đã đặt tên cho nó là tia hồng ngoại.

Jonhann Ritter sinh ra ở Đức vào năm 1776, ông là một nhà triết học tự nhiên, ông luôn tin rằng giới tự nhiên tồn tại đơn nhất và cân đối, tất cả những sức mạnh của tự nhiên đều có thể được tìm về một sức mạnh chủ yếu là sức mạnh tự nhiên nguyên thủy.

Năm 1801, Ritter đọc được thông tin Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại. Ritter đã từng nghiên cứu về ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đối với phản ứng hóa học và cũng đã nhờ đến sự hỗ trợ của điện hóa học (ảnh hưởng của dòng điện đối với sản phẩm hóa học và phản ứng hóa học). Trong quá trình nghiên cứu, ông đã tìm ra tác dụng của ánh sáng đối với bạc clorua, khi có ánh sáng chiếu vào thì bạc clorua sẽ tự động chuyển sang màu đên, phát hiện này của Ritter sau này đã trở thành cơ sở kĩ thuật nhiếp ảnh.

Ritter quyết định làm lại thí nghiệm của Herschel, tuy nhiên mục đích chính của ông là quan sát xem tốc độ làm cho bạc clorua chuyển màu của tất cả các ánh sáng có giống nhau hay không. Ông phết dung dịch bạc clorua lên một miếng giấy, sau đó mang vào trong phòng tối và tiến hành thí nghiệm giống như Herschel. Ông tiến hành đo nhiệt độ của các dải sáng nhiều màu sắc được chiếu lên tường mà ông đo xem mỗi loại màu ánh sáng phải mất bao nhiêu thời gian để làm cho miếng giấy quét bạc clorua chuyển sang màu đen.

Ritter phát hiện ra tia hồng ngoại gần như không thể làm cho giấy chuyển màu và tia có ánh sáng màu tím làm cho giấy chuyển màu với tốc độ nhanh nhất.

Ritter mô phỏng theo thí nghiệm của Herschel, ông đặt miếng giấy bạc clorua ra bên ngoài dải sóng ánh sáng màu tím, miếng giấy lập tức chuyển màu, tốc độ của nó mới là nhanh nhất! Mặc dù nó không bị ánh sáng nhìn thấy được chiếu vào, nhưng một loại bức xạ nào đó đã tác động lên chất hóa học trên đó và làm nó chuyển sang màu đen.

Herschel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ ở bên ngoài vùng ánh sáng màu đỏ của quang phổ có thể thấy bằng mắt đó là tia hồng ngoại, tương tự như vậy Ritter cũng đã tìm ra bức xạ bên ngoài vùng ánh sáng màu tím và đó chính là tia tử ngoại.

schoolnet@