Bước sóng là gì?
Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha hay khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (điểm mà sóng đạt giá trị lớn nhất). Hoặc nó cũng có thể diễn tả là khoảng cách giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng. Bước sóng được viết tắt bằng chữ Hy Lạp lamda (λ).
Các cách tính bước sóng
Dưới đây là một số cách tính bước sóng mà bạn có thể tham khảo:
Tính bước sóng qua chu kỳ
Trước hết chúng ta hãy cùng tìm hiểu khái niệm chu kỳ. Chu kỳ là thời gian ngắn nhất mà một cấu trúc sóng lắp lại tại một điểm, đơn vị là T.
Công thức tính bước sóng qua chu kỳ:
λ = v T = v/f
Tính bước sóng dựa vào tần số
Tần số ký hiệu là f, hay chính là số đỉnh sóng đi qua một điểm trong một đơn vị thời gian, nghịch đảo của chu kỳ sóng. Qua đó ta có công sức:
λ = v/f
Với sóng điện tử (radio, vi sóng) liên hệ này là: Bước sóng (đo bằng mét) = 300/tần số (đo bằng MHz).
Tính bước sóng trong quang hình
Sóng ánh sáng và một số loại sóng điện tử khác khi đi vào các môi trường (không phải là chân không) thì bước sóng của nó sẽ bị giảm do vận tốc giảm, tuy tần số của sóng không đổi.
Trong nhiều môi trường truyền ánh sáng, vận tốc giảm n lần với n chiết suất của môi trường. Do đó ta có công thức:
λ = λ0/n
Trong đó:
- λ0 là bước sóng trong chân không.
- Khi không được nói cụ thể, bước sóng của bức xạ điện từ thường được hiểu là bước sóng trong chân không.
Tính bước sóng với sóng hạt
Nhà vật lý người Pháp Louis-Victor de Broglie đã khám ra rằng mọi hạt với động lượng p đều có thể coi như một “chùm sóng”, còn gọi là sóng de Broglie, với bước sóng:
λ = h/p
Trong đó:
- h: Hằng số Planck
- Dựa trên công thức này ta có bước sóng càng ngắn có động lượng và do đó năng lượng càng cao.
Các loại bước sóng ánh sáng con người có thể nhìn thấy
Trong phổ bức xạ điện tử, ánh sáng khả biến chỉ có một phần rất nhỏ, nhưng nó lại là vùng tần số duy nhất mà mắt chúng ta có thể phản ứng được. Trong vùng quang phổ mắt thường của con người có thể thấy được ánh sáng có bước sóng nằm trong khoảng 380nm - 700 nm. Hay chính là dải ánh sáng từ tím sang đỏ.
- Ánh sáng tím: 380nm - 440nm
- Ánh sáng chàm: 430nm - 460nm
- Ánh sáng lam: 450nm - 510nm
- Ánh sáng lục : 500nm - 575nm
- Ánh sáng vàng : 570nm - 600nm
- Ánh sáng cam : 590nm - 650nm
- Ánh sáng đỏ : 640nm - 760nm
Đối với những bước sóng ngắn nhỏ hơn 380nm, bên ngoài vùng ánh sáng tím như tia cực tím, tia X, tia Gamma thì mắt chúng ta sẽ không nhìn thấy được bởi nó có năng lượng cao. Đặc biệt những bước sóng này sẽ gây hại đến mắt nếu như nhìn trực tiếp. Các bước sóng ngắn thường xuất hiện trong y học như chụp X-quang.
Còn với những bước sóng dài lớn hơn 760nm, nằm ngoài vùng ánh sáng đỏ có năng lượng thấp như tia hồng ngoại, Viba, Radio thì mắt chúng ta sẽ không phản ứng được.
Phương trình sóng
Bên cạnh nội dung bước sóng là gì, chúng ta hãy cùng tìm hiểu phương trình của bước sóng:
Ta xét một sóng hình sin đang lan truyền trong một môi trường theo trục x, sóng này phát ra từ một nguồn đặt tại điểm O (như hình bên dưới). Chọn gốc tọa độ tại O và chọn gốc thời gian sao cho phương trình dao động tại O là:
Trong đó Uo là li độ tại O vào thời điểm t, còn t là thời gian dao động của nguồn.
Sau một khoảng thời gian t, dao động từ O truyền đến M cách O một khoảng x=vΔt làm phần tử M dao động tại O một khoảng thời Δt nên dao động tại M vào thời điểm t giống như dao động tại O vào thời điểm t1=t-Δt trước đó. Vì thế phương trình dao động tại M là:
Thay Δt=x/v và λ=vΔt vào phương trình trên ta được:
Trên đây là phương trình của một sóng hình sin truyền theo trục x. Nó sẽ cho biết li độ u của phần tử có tọa độ x vào thời điểm t.
Cứ sau một chu kỳ T, dao động tại điểm trên trục x lại lặp lại giống như trước.
=> Phương trình trên tuần hoàn theo thời gian.
Cứ cách nhau một bước sóng λ thì các điểm lại dao động cùng pha
=> Phương trình trên tuần hoàn theo không gian
Vai trò của bước sóng trong thực tế
Bước sóng là thuật ngữ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống, cụ thể như:
Đối với bước sóng có độ dài khác nhau sẽ có mức công suất khác nhau nhằm dễ dàng thay đổi linh hoạt, phù hợp với yêu cầu của từng công việc. Ví dụ như sử dụng tia laser với bước sóng có suất cao 10,6 um hay 355 nm để khắc thủy tinh. Bởi vật liệu này có độ cứng cao và dễ vỡ.
Bước sóng có ảnh hưởng đến màu sắc mà con người có thể cảm nhận được. Do đó người ta thường ứng dụng chúng đến với công việc có đặc trưng riêng như như xây dựng, xưởng, để có thể dễ dàng hình dung, cân đo, đong đếm sao cho hiệu quả tốt nhất.
Ví dụ: Máy đo khoảng cách hay máy cân bằng laser có bước sóng đỏ (630 - 750nm) hay màu xanh lục (490 - 570 nm) giúp các kỹ sư có thể định hướng trong không gian tốt hơn.
Hướng dẫn cách tính bước sóng khi biết năng lượng Photon
Công thức năng lượng có phụ thuộc vào bước sóng là:
E = hc/ λ
Trong đó:
- E: Năng lượng của hệ tính bằng Joule (J)
- h: Hằng số Planck: 6,626 x 10-34 Joule giây (J s)
- c: Là vận tốc ánh sáng truyền trong chân không: 3,0 x 10⁸ mét trên giây (m/s)
- λ: Bước sóng tính theo mét (m)⁶
