Tại sao thế giới có màu sắc? – Phần 2

Tại sao những vật nóng có màu? (sự nóng sáng)

NHÌN THẤY NHIỆT

Núi lửa là một thí dụ rực rỡ của đá tan chảy nóng sáng.

Về mặt ngôn ngữ, chúng ta hiểu “nóng trắng” là nóng hơn “nóng đỏ”, còn “xanh” thường đi cùng với mức độ lạnh nào đó, như trong từ “xanh mát” hay “xanh băng”. Theo nhiệt độ thực sự thì “nóng xanh” là nóng hơn “nóng đỏ”.

Nóng sáng là gì?

Sự nóng sáng là sự phát xạ ánh sáng bởi vật rắn bị làm nóng đến khi nó tỏa sáng, hay bức xạ ra ánh sáng. Khi một thanh sắt bị nung đến một nhiệt độ rất cao, ban đầu nó tỏa sáng màu đỏ, sau đó nhiệt độ của nó chuyển dần sang màu trắng. Sự nóng sáng là nhiệt tạo ra sự trông thấy – quá trình biến năng lượng nhiệt thành năng lượng ánh sáng.

Thường ngày, chúng ta sử dụng từ “nóng đỏ”, “nóng trắng”, và vân vân, là một phần của chuỗi màu đen, đỏ, cam, vàng, trắng, và trắng xanh, nhìn thấy khi một vật bị nung nóng đến nhiệt độ mỗi lúc một cao hơn. Ánh sáng sinh ra gồm những photon phát ra khi các nguyên tử và phân tử giải phóng một phần năng lượng dao động nhiệt của chúng.

Ánh sáng nóng sáng được tạo ra khi vật chất nóng giải phóng những phần năng lượng dao động nhiệt của chúng dưới dạng photon. Nhiệt giai Kelvin đo nhiệt độ tuyệt đối (độ biến thiên 1K tương đương với độ biến thiên 1^oC), với 273K tương đương với điểm đông đặc của nước. Ở nhiệt độ trung bình, thí dụ 1073K (800^oC), năng lượng bức xạ bởi một vật đạt cực đại trong vùng hồng ngoại, với cường độ thấp tại đầu đỏ của quang phổ nhìn thấy. Khi nhiệt độ tăng lên, cực đại đó dịch chuyển dần và cuối cùng rơi vào vùng nhìn thấy. Ngưỡng nhiệt độ chúng ta gặp trên trái đất, thường từ 100K đến 2000K, tạo ra năng lượng điện từ chủ yếu trong vùng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy, mang lại cho chúng ta thang nhiệt độ màu tiện dụng.

Nhiệt độ màu là gì?

Người ta nói ánh sáng có thể có một nhiệt độ màu. Nhiệt độ màu là một thang đo liên hệ màu sắc của ánh sáng phát ra bởi một vật với nhiệt độ của nó. Khi nhiệt độ màu tăng lên, thì ánh sáng phát ra bị dịch chuyển về phía đầu màu xanh. Trên thực tế, nhiệt độ thực sự không bằng nhiệt độ màu, đó là lí do người ta sử dụng thêm hệ số hiệu chỉnh.

Thang đo trên sử dụng màu sắc của một vật trừu tượng gọi là vật đen bức xạ, nó hấp thụ và sau đó bức xạ ra toàn bộ năng lượng đi tới nó. Thang đo này có thể áp dụng cho đèn nhiếp ảnh hoặc thậm chí cho mặt trời, nhưng nó còn có thể áp dụng cho mọi nguồn sáng khác, sử dụng các hệ số hiệu chỉnh cho phép những bề mặt thực tế không phải là những vật đen bức xạ hoàn hảo.

Đối với những nguồn sáng không hoạt động trên sự nóng sáng, thí dụ như đèn huỳnh quang, chúng ta sử dụng nhiệt độ màu tương quan (CCT). Những nguồn sáng này sẽ không tạo ra ánh sáng theo kiểu phổ bức xạ vật đen. Thay vào đó, chúng được gán cho một nhiệt độ màu tương quan, dựa trên sự phù hợp giữa sự cảm nhận của con người đối với màu sắc của ánh sáng mà chúng tạo ra và nhiệt độ màu vật đen bức xạ gần nhất.

Dưới đây là nhiệt độ màu của một số nguồn sáng thông dụng:

Khi chúng ta nói ánh sáng xanh là lạnh và ánh sáng đỏ là ấm, chúng ta đang nói tới cái rất khác với nhiệt độ màu. Chúng ta sử dụng những màu này để mô tả sự cảm thụ của chúng ta hoặc để truyền đạt tâm trạng. Thật ra, nóng-xanh là nóng hơn nóng-đỏ.

Bức xạ vật đen

Tại sao người ta sử dụng một vật đen bức xạ làm chuẩn, trong khi một vật như thế hoàn toàn không tồn tại?

Hóa ra thì bức xạ vật đen mang lại cho chúng ta một hệ phát triển rất chính xác liên hệ nhiệt độ của một vật với ánh sáng mà nó phát ra. Xét trên phương diện lí tưởng và sử dụng định luật Planck, chúng ta có thể dự đoán sự phân bố năng lượng trong quang phổ đối với một nhiệt độ cho trước. Công suất phát toàn phần được tính bằng định luật Stefan-Boltzmann. Bước sóng của cực đại phát xạ, và do đó màu sắc lấn át đối với nhiệt độ này, được cho bởi định luật dịch chuyển Wien. Biết được trường hợp lí tưởng cho phép chúng ta dự đoán hoặc tính ra giá trị thực tế bằng cách hiệu chỉnh những khiếm khuyết của những vật nóng thực tế.

Khi nhiệt độ tăng dần, dải màu bức xạ như sau: đen, đỏ, cam, trắng-vàng, trắng-xanh.

Đường cong bức xạ Planck khi nhiệt độ tăng dần. Nghiên cứu của Planck suy ra từ phương trình này đã đưa ông đến với một đột phá trong việc tìm hiểu bản chất lượng tử của vật chất. Những đường cong này còn thể hiện xu hướng dịch chuyển cực đại bước sóng khi nhiệt độ tăng dần, như Wien dự đoán.

Định nghĩa “màu trắng” của chúng ta được suy ra từ sự phát xạ từ nhiệt độ 5800 K ở gần bề mặt mặt trời. Cực đại của nó ở gần 550 nm (2,25 eV) tương ứng với độ nhạy cực đại của mắt chúng ta ở trong vùng này. Người ta thường gán cho đây là sự tiến hóa của chúng ta trong vùng phụ cận của mặt trời. Cho dù nhiệt độ tăng lên bao nhiêu đi nữa, thì màu trắng-xanh là màu nóng nhất mà chúng ta có thể cảm nhận được.

Tại sao thế giới có màu sắc?

Trần Nghiêm dịch từ webexhibits.org
Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp