TT&HĐ V - 47/g

 

Sóng điện từ - Mối nguy tiềm ẩn

Với các tác động khác như ánh sáng, tiếng động, mùi vị, nhiệt độ, thì chúng ta có thể cảm nhận được, nhưng với sóng điện từ, thì ngay cả khi ta đứng trong trường bức xạ, các giác quan đều vô cảm và do đó cơ thể không thể phát sinh các phản ứng tự vệ, hơn nữa những tác hại do ô nhiễm điện từ gây ra lại xuất hiện âm thầm sau một thời gian khá dài nên con người hầu như không biết đến điều đó….. và đây cũng chính là mối hiểm nguy tiềm ẩn trong cuộc sống hiện đại.

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 

"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 

 

"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey

"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 

"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 

Albert Einstein

 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".

Albert Einstein

      

“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.

Albert Einstein

“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

Upanishad       

CHƯƠNG VIII (XXXXVII): NÓNG – LẠNH

“Nhiệt thể hiện ở chuyển động của các hạt vật chất.”

M.V. Lômônôxốp

 

“Tính chất kỳ lạ nhất của năng lượng là khả năng biến đổi của nó. Một trong những dạng phổ biến nhất của năng lượng trong tự nhiên là năng lượng chuyển động hay động năng. Năng lượng nhiệt là nguồn dự trữ động năng của các phân tử hoặc nguyên tử chuyển động hỗn loạn và liên tục.”

K.A Gladkov

 

"Tôi thích sự ngu dốt nhiệt tình hơn là sự thông thái thờ ơ".

Anatole France

 

"Trong sâu thẳm mùa đông, cuối cùng tôi cũng hiểu được trong tôi có mùa hè bất diệt".

Albert Camus

 

" Phần lớn con người sống cuộc đời tuyệt vọng trong im lặng, và rồi xuống mồ khi trong mình vẫn còn vang điệu nhạc".

Henry David Thoreau

 

"Không có đam mê, bạn không có năng lượng; không có năng lượng, bạn không có cái gì. Không có gì tuyệt vời trên thế giới được làm xong mà không có đam mê trong đó".

Donald Trump

 

"Hãy nuôi dưỡng hy vọng vì không có hy vọng sẽ không có nhiệt huyết. Nhiều khi chỉ cần một tia hy vọng cũng làm rực sáng cả bầu nhiệt huyết trong lòng người, soi rọi những thành quả lớn lao".

NTT

 

"Không thể tưởng tượng ra một Vũ Trụ vô tỉ! Chỉ khi nào vật lý học thừa nhận rằng các hằng số Vũ Trụ phải là những con số xác định (không vô tỉ), thì lúc đó nó mới có khả năng nhận thức được chân xác Vũ Trụ".

NTT  
 

 

(Còn tiếp)

Cũng có thể xác định năng suất bức xạ ứng với một bước sóng nào đó và có được đại lượng được gọi là “năng suất bức xạ riêng phần”, ký hiệu: . Mối liên hệ giữa E_T và  được biểu diễn bằng biểu thức:

Nếu năng suất bức xạ riêng phần tính theo tần số thì ký hiệu: , và như vậy cũng có:

Vì  và vận tốc ánh sáng được xác định là  nên có thể suy ra:

hay:

Giả sử một diện tích  nào đó của bề mặt vật bị một công suất bức xạ chiếu đến từ mọi phương trong góc khối mà vật chỉ hấp thụ được một phần năng lượng đó bằng thì tỷ số:

được gọi là “hệ số hấp thụ” của vật ở bước sóng . Chỉ số T nói lên hệ số hấp thụ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Từ đây, xuất hiện thêm một khái niệm mới, đó là “vật đen tuyệt đối”. Vật đen tuyệt đối là vật có   với mọi bức xạ và ở mọi nhiệt độ.

Thực tế chỉ ra rằng khi một vật có nhiệt độ đủ cao, vượt qua một ngưỡng giới hạn nào đó thì nó trở thành vật phát bức xạ nhiệt. Vật lý học định nghĩa: bức xạ nhiệt là quá trình trong đó vật bức xạ đơn thuần do được nung nóng lên nhiệt độ cao. (Như vậy, một cách tương đối, các quá trình hóa phát quang, điện phát quang, quang phát quang đều không được coi là bức xạ nhiệt. Theo chúng ta quan niệm: thu - phát bức xạ là hiện tượng mang tính thường xuyên phổ biến toàn Vũ Trụ, vì vậy mọi vật trong bất cứ tình trạng nào cũng đều thu - phát bức xạ ở một mức độ nào đó mà có tính nổi trội hay không nổi trội, đột biến hay không đột biến, hơn nữa, bức xạ nào, không nhiều thì ít, cũng gây ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật hấp thụ chúng). Trong quá trình bức xạ nhiệt, vật nhận nhiệt lượng của môi trường xung quanh rồi lại bức xạ vào môi trường ấy và trạng thái của vật trong quá trình bức xạ là không đổi (thực ra không phải lúc nào cũng như vậy, đây là một quan niệm sai lầm dựa trên cơ sở cho rằng nhiệt, cũng như năng lượng, có thể tồn tại độc lập!).

Cũng theo vật lý học, bức xạ nhiệt có những đặc điểm:

- Trạng thái bức xạ (thành phần phổ và cường độ bức xạ) phụ thuộc nhiệt độ của vật.

- Trạng thái bức xạ phụ thuộc bản chất của vật. Năm 1809, Prêvô (Prevost) phát biểu thành qui luật: “Nếu hai vật hấp thụ những năng lượng khác nhau thì sự bức xạ của chúng cũng khác nhau”.

- Bức xạ nhiệt là bức xạ cân bằng. Các nhà vật lý cho rằng đây là đặc điểm quan trọng nhất của bức xạ nhiệt, dựa vào nó để phân biệt với các loại bức xạ khác. Giả sử có một vật bức xạ được đặt trong một bình chân không, có vỏ phản xạ lý tưởng, không thấu nhiệt (không hấp thụ nhiệt). Như vậy, bức xạ do vật phát ra được vỏ bình phản xạ lại toàn bộ và vật phát bức xạ lại thu được một phần bức xạ mà chính nó phát ra trước đó. Vì năng lượng toàn phần của hệ - gồm các bức xạ của trường bức xạ và bản thân nội năng của vật bức xạ - luôn không đổi nên đến một lúc nào đó, mức độ thu và phát bức xạ của vật sẽ bằng nhau, nói cách khác, giữa vật và trường bức xạ do nó tạo ra thiết lập được một sự cân bằng động bền vững, lúc đó nhiệt độ trong toàn hệ trở nên ổn định. (Đây là một hình dung đúng đắn dù dựa trên quan niệm sai lầm. Nó gợi ra những ý dẫn tới quan niệm hợp lý hơn về nhiệt cũng như nhiệt độ).

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho quá trình bức xạ và hấp thụ nhiệt trong nghiên cứu về sự bức xạ cân bằng nhiệt, năm 1859, Kiếcsốp (Kirchhoff, 1824-1887) đã rút ra định luật: “Tỷ số giữa năng suất bức xạ và hệ số hấp thụ của một vật không phụ thuộc vào bản chất của vật mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng”.

Gustav Robert Kirchhoff
Gustav Kirchhoff
Sinh	12 tháng 3, 1824 Königsberg, Đông Prussia
Mất	17 tháng 10, 1887 (63 tuổi) Berlin, Đức
Nơi cư trú	Đức
Ngành	Nhà vật lý
Nổi tiếng vì	Định luật mạch Kirchhoff Định luật Kirchhoff cho bức xạ nhiệt Định luật Kirchhoff cho Phổ học
Giải thưởng	Huy chương Rumford

Ký hiệu hệ số tỷ lệ (còn được gọi là mật độ thông lượng riêng của trường bức xạ hay năng suất bức xạ riêng phần của vật đen) là  thì biểu diễn toán học của định luật là:

Có ba hệ quả được rút ra từ định luật Kiếcsốp:

Mật độ thông lượng riêng của trường bức xạ cân bằng chính bằng năng suất bức xạ riêng của vật đen tuyệt đối.

Ở cùng nhiệt độ và ứng với cùng bước sóng, vật nào hấp thu mạnh hơn thì cũng bức xạ mạnh hơn. (Đây là định luật Prêvô đã được chính xác hóa).

Năng suất bức xạ của một vật không đen bằng hệ số hấp thụ của nó nhân với năng suất bức xạ của vật đen.

Kiếcsốp thiết lập định luật trên hoàn toàn dựa vào các lập luận về quá trình cân bằng nhiệt động theo các nguyên lý của nhiệt động học. Vì vậy, năng suất bức xạ riêng phần của vật đen, hàm , trở thành trung tâm chú ý của các nhà vật lý cuối thế kỷ XIX. Việc xác định chính xác dạng của hàm đó là yêu cầu chính yếu của nghiên cứu bức xạ nhiệt.

Đó là một nhiệm vụ không dễ dàng chút nào. Phải ròng rã sau 40 năm lao tâm khổ tứ, các nhà vật lý mới hoàn thành được. Sau này, vào năm 1913, trong cuốn “Vật lý và hiện thực”, Anhxtanh có viết: “Nếu có thể đặt lên bàn cân toàn bộ chất não mà các nhà vật lý đã hiến tế cho tế đàn của hàm số phổ biến này, ta sẽ có được một bức tranh hùng tráng và mới thấy hết được sự hy sinh cay nghiệt! Hơn nữa, cả cơ học cổ điển cũng làm vật hy sinh cho nó, và cũng không thể nhìn thấy trước các phương trình Mắcxoen có qua nổi sự khủng hoảng do hàm số này tạo ra hay không”. Sau này, vào năm 1913, Anhxtanh có ví von mức độ khó khăn gian khổ trong công cuộc đi định dạng chính xác hàm như sau: “Thật là một điều cao quí nếu chúng ta đặt lên được một bàn cân chất liệu của các bộ óc đã được các nhà vật lý tế thần trên bàn thờ của hàm số phổ quát  này!”.

Trong một thời gian dài, các nhà vật lý cũng chỉ tiếp cận được đến việc xác định qui luật biến đổi đối với năng suất bức xạ của vật đen. Năm 1879. dựa trên các phép đo của mình và cả của một số người khác, Stêphan đã đi đến kết luận: năng suất bức xạ toàn phần của vật tăng tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. Sau đó, các phép đo chỉ ra rằng phát biểu này chỉ đúng với vật đen tuyệt đối. Đến năm 1884, Bônzman đã dựa trên các quan điểm nhiệt động học và xuất phát từ ý tưởng về sự tồn tại của một số áp suất bức xạ, chứng minh được bằng lý thuyết kết luận của Stêphan và nêu lên thành định luật (sau này có tên là Stêphan-Bônzman): năng suất bức xạ toàn phần của vật đen phải tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ, tức là:

với a là hằng sốStêphan-Bônzman, được xác định bằng thực nghiệm.

Định luật Stêphan-Bônzman được kiểm nghiệm nhiều lần từ nhiệt độ 100^oC đến nhiệt độ cao nhất có thể thực hiện và đo được.

Có thể thấy rằng mãi đến năm 1893 mới có bước đột phá thực sự trong công cuộc đi tìm dạng chính xác của hàm . Đó là năm Viên (Wilhelm Wien, 1864-1928), xuất phát từ lý thuyết nhiệt động lực học trong nghiên cứu lý thuyết quá trình nén đoạn nhiệt bức xạ, đã tìm được hàm dưới dạng:

hay:

với c là vận tốc truyền sáng trong chân không.

Dù vẫn chưa tường minh thì dạng trên đã cho thấy được qui luật phân bố của theo và T (hay của  theo và T). Từ đó, Viên rút ra định luật sau này gọi là “định luật dịch chuyển Viên”: “Bước sóng ứng với cực đại của năng suất bức xạ () biến thiên tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật đen”.

Ludwig Boltzmann
Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906)
Sinh	20 tháng 2, 1844 Viên, Đế quốc Áo
Mất	5 tháng 9, 1906 (62 tuổi) Duino, Ý
Nơi cư trú	Áo, Đức
Ngành	Vật lý
Nổi tiếng vì	Hằng số Boltzmann Phương trình Boltzmann Phân bố Boltzmann Định luật Stefan-Boltzmann

Wilhelm Wien
Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien
Sinh	13 tháng 1, 1864 Fischhausen, Phổ
Mất	30 tháng 8, 1928 (64 tuổi) München, Đức
Nơi cư trú	Đức
Ngành	Nhà vật lý
Nổi tiếng vì	Bức xạ vật đen
Giải thưởng	Giải thưởng Nobel vật lý (1911)
Vợ/chồng	Luise Mehler (1898)

Biểu diễn toán học của định luật:

với b là hằng số không phụ thuộc nhiệt độ.

Định luật dịch chuyển Viên được thực nghiệm hoàn toàn xác nhận và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Chẳng hạn, dựa vào nó người ta biết được nhiệt độ lớp quang cầu của Mặt Trời bằng 6150 ^oK. Bức xạ ở nhiệt độ đó của Mặt Trời khi đến Trái Đất, và bị khí quyển làm sai lệch, có cực đại rơi đúng vào vùng màu lục (). Quá trình tiến hóa thích nghi đã làm cho mắt người nhạy nhất với bức xạ này. Hay nhờ định luật dịch chuyển mà người ta thấy rằng đối với các nguồn sáng nhiệt thông dụng, nhiệt độ nằm trong khoảng 2000 ^oK (đèn dầu hỏa) đến 2500 ^oK (đèn dây tóc), do đó cực đại bức xạ rơi vào miền hồng ngoại (khoảng 1,2 đến 1,5 ), làm cho phần lớn năng lượng bị phát tán, chỉ còn từ 2% đến 3% năng lượng có ý nghĩa thắp sáng.

Năm 1896, Viên đưa ra một công thức về sự phân bố năng lượng trong phổ của vật đen tuyệt đối. Trong một thời gian khá lâu, áp dụng trong miền tần số cao, nó tỏ ra phù hợp với thực nghiệm. Nhưng sau đó, khi thực nghiệm ở miền tần số thấp, kết quả tính toán theo công thức đó không còn ăn khớp nữa và nghiêm trọng hơn, năng lượng bức xạ có xu hướng tiến tới lớn vô cùng khi tần số tiến tới 0. Đó là một điều vô lý.

Từ đó cho tới năm 1900, nhiều nhà vật lý tiếp tục nỗ lực trong nghiên cứu bức xạ nhiệt và đề xuất thêm một số công thức nữa. Đáng chú ý nhất là công thức của Rêlây. Sau đó Ginxơ, bằng một con đường khác, cũng đi đến được công thức này, do đó nó được gọi là “công thức Rêlây-Ginxơ”.

Rêlây coi vật đen tuyệt đối là một hốc kín chứa đầy sóng đứng điện từ (sóng đứng là sóng được hợp thành từ 2 sóng phẳng có cùng biên độ, truyền cùng phương nhưng ngược chiều) của các dao động tử điều hòa. Mật độ sóng đứng (số lượng sóng trong một đơn vị thể tích) trong hốc có tần số trong khoảng từ đến là . Hồi đó, mọi nhà vật lý đều quan niệm năng lượng có tính liên tục và như vậy mỗi sóng đúng có thể có năng lượng bất kỳ trong khoảng từ 0 đến . Tuân theo phân bố thống kê Bônzman, năng lượng trung bình ứng với một sóng đứng là:

              

Với k là hằng số Bônzman, nó được xác định: 

                

Trên cơ sở đó, Rêlây thiết lập được:

 

Sau đó Ginxơ, bằng một con đường khác cũng đến được công thức này nên nó được gọi là “công thức Rêlây-Ginxơ”. Công thức này cũng không được thực nghiệm chấp nhận. Điều đáng chú ý là nếu công thức Viên tỏ ra phù hợp với thực nghiệm ở miền tần số cao và tỏ ra phi lý ở miền tần số thấp, thì công thức Rêlây-Ginxơ lại phù hợp với thực nghiệm ở miền tần số thấp nhưng phi lý ở miền tần số cao. Hơn nữa, đối với công thức Rêlây-Ginxơ, khi tính năng suất bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối thì dẫn đến một kết quả kỳ quặc, trái với thực tế: năng suất bức xạ toàn phần của vật đen ở mọi nhiệt độ đều lớn vô cùng!

Công thức Rêlây-Ginxơ làm choáng váng các nhà vật lý để rồi họ phải gọi nó bằng những cái tên đáng sợ như: “Tai biến tử ngoại”, “Thảm họa tử ngoại”, “Khủng hoảng tử ngoại”. Có tình hình đó là bởi vì các đường cong thực nghiệm hoàn toàn chính xác, đáng tin cậy và đã có ứng dụng thực tế quan trọng, nhưng công thức Rêlây-Ginxơ cũng tỏ ra hoàn toàn hợp lý về mặt lý thuyết, có lập luận chặt chẽ không thể phủ nhận được và dựa trên những định luật nhiệt động lực học đã được thực nghiệm kiểm chứng kỹ càng và cũng qua thử thách lâu dài trong ứng dụng thực tiễn. Vậy mà thực nghiệm và lý thuyết lại mâu thuẫn nhau gay gắt đến mức không thể dung hòa được. Nhưng nếu không khắc phục được sự bất hòa ấy thì vì thực tiễn có tính rõ ràng hơn, chân thực hơn, có sức thuyết phục hơn, cho nên chỉ còn cách phải xem xét lại lý thuyết, nghĩa là phải rà soát lại những khái niệm và suy lý của tư duy khoa học, hoặc chí ít cũng phải vượt qua định kiến thời đại để điều chỉnh lý thuyết sao cho phù hợp với thực nghiệm. Nói cách khác: nhiệm vụ của lý thuyết là giải thích đúng đắn thực tiễn chứ không phải bắt thực tiễn phục tùng nó, cho nên một khi lý thuyết mâu thuẫn với thực tiễn thì nó phải vừa xem xét lại thực tiễn vừa tích cực tư duy sáng tạo để tự sửa mình cho phù hợp. Chúng ta cho rằng đó là phương hướng mang tính tất yếu của mọi nghiên cứu, nhận thức khoa học. Chính vì thế mà có thể nói công thức Rêlây-Ginxơ đến như một tiếng pháo báo hiệu tình huống đã chín muồi cho hàm (hay ) xuất hiện dưới dạng đích đáng nhất của nó.
(Còn tiếp)
-----------------------------------------------------------------