Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens. Bức xạ điện từ, một gia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còn gọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ mênh mông. Cơ chế mà ánh sáng khả kiến được phát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, và cách thức nó tác động lại dưới những điều kiện khác nhau khi truyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ sở cho sự tồn tại của màu sắc trong vũ trụ.
Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ (như đã phân loại trong hình 1), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp.
Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà khoa học buổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất. Ánh sáng hồng ngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng “vô hình” đầu tiên của bức xạ điện từ được phát hiện. Nhà khoa học và thiên văn học người Anh William Herschel đã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánh sáng bằng một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhận thấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến. Herschel cho rằng phải có một loại ánh sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìn thấy được.
Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi Wilhelm Ritter, một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên quan đến ánh sáng khả kiến. Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác nhau làm kích thích sự sẫm màu của một tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat, Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác của ánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của quang phổ, có tốc độ này cao nhất.
Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự lệch hướng của kim nam châm. Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa học người Pháp Andrie Ampère, chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu giống như tương tác của các cực từ. Trong vài thập niên sau đó, các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo ra những bằng chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi với nhau.
Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell đã mở rộng thuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ. Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuất hiện cùng nhau dưới dạng điện từ, và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng. Từ những quan sát này, ông kết luận ánh sáng khả kiến là một dạng của bức xạ điện từ.
Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau (như minh họa trên hình 2) và dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học. Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại.
Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, kể cả ánh sáng khả kiến, đều dao động theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, và biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ.
Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ được biểu diễn trên hình 2, minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian. Để cho tiện, đa số các minh họa biểu diễn bức xạ điện từ thường cố ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là một sóng sin trong hệ tọa độ hai chiều x và y xác định. Người ta quy ước thành phần y của sóng sin biểu diễn biên độ của điện trường, còn thành phần x biểu diễn thời gian, khoảng cách truyền, hay mối quan hệ pha với một sóng sin khác.
Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng (trong chân không), thường dùng ở đơn vị nano mét (một phần ngàn của micromet) đối với phần ánh sáng khả kiến của quang phổ. Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đỉnh (hay hai lõm) sóng liên tiếp của dạng sóng (xem hình 2). Tần số tương ứng của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với bức xạ tần số càng cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps).
Hertz được chọn làm đơn vị chuẩn của tần số bức xạ điện từ để ghi nhận kết quả nghiên cứu của nhà vật lí người Đức Heinrich Hertz, người đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này.
Các dạng phong phú của bức xạ điện từ có bước sóng và tần số khác nhau, nhưng về cơ bản giống nhau ở chỗ chúng truyền đi với vận tốc như nhau, khoảng chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấp xỉ 300.000 km một giây), một vận tốc thường được biết đến là tốc độ của ánh sáng (và được kí hiệu là c). Bức xạ điện từ (bao gồm cả ánh sáng khả kiến) truyền đi 149 triệu km (93 triệu dặm) từ Mặt Trời tới Trái Đất mất khoảng 8 phút. Trái lại, một ô tô chạy với tốc độ 100 km/h (60 dặm/h) cần đến 177 năm mới đi hết quãng đường trên. Chỉ trong một giây, ánh sáng có thể đi vòng quanh Trái Đất 7 lần.
Bước sóng của ánh sáng, và tất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần số bằng một phương trình tương đối đơn giản:
n = c/λ
trong đó c là tốc độ ánh sáng (m/s), n là tần số ánh sáng (Hz), λ là bước sóng ánh sáng (m). Từ mối liên hệ này, người ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của nó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong ánh sáng. Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi.
Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc xạ (bẻ cong) hoặc phản xạ. Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng. Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.
Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon. Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng. Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình 3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền.
Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp.
Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân. Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma. Như một quy luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn các dạng bức xạ có năng lượng thấp. Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện từ và tần số của nó được cho bởi phương trình:
E = hn = hc/λ
trong đó E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định nghĩa ở phần trên. Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Như vậy, khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại. Các đặc trưng chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây.
Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian. Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ. Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này. Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh sáng khả kiến. Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet.
Khi ánh sáng không phân cực (hình 4), các vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số các nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang, là không phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo chiều đứng. Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép).
Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 4). Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian. Ánh sáng kết hợp gồm các bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất. Mặt đầu sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp. Laser là nguồn phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp.
Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực. Dạng có tổ chức này của ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương đối xa. Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một trạng thái phân cực đã được định rõ. Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng và vuông góc với trục truyền. Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ.
Tia gamma – Là bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (và bước sóng ngắn nhất), tia gamma được phát ra do sự chuyển trạng thái bên trong hạt nhân nguyên tử, bao gồm hạt nhân của những chất phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) nhất định. Sóng gamma cũng phát ra từ các vụ nổ hạt nhân và các nguồn đa dạng khác trong không gian vũ trụ. Những tia uy mãnh này có khả năng đâm xuyên khủng khiếp và được báo cáo là có thể truyền qua 3 mét bêtông ! Mỗi photon tia gamma giàu năng lượng đến mức chúng dễ dàng được nhận ra, nhưng bước sóng cực kì nhỏ của chúng đã hạn chế các quan sát thực nghiệm về những tính chất sóng. Tia gamma phát ra từ những vùng nóng nhất của vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, sao neutron, pulsar và lỗ đen, truyền qua khoảng cách bao la trong không gian để đến Trái Đất. Dạng bức xạ năng lượng cao này có bước sóng ngắn hơn một phần trăm của nanomet (10 picomet), năng lượng photon lớn hơn 500 kiloelectron-volt (keV) và tần số mở rộng tới 300 exahertz (EHz).
Việc phơi ra trước tia gamma có thể gây ra các đột biến, các sai lạc nhiễm sắc thể, và còn hủy hoại tế bào, như thường quan sát thấy ở một số dạng bức xạ gây nhiễm độc khác. Tuy nhiên, bằng việc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia tia X có thể làm chủ các mức năng lượng cao để chiến đấu với bệnh tật và giúp điều trị một số dạng ung thư. Thiên văn học tia X là một ngành tương đối mới có nhiệm vụ thu thập các sóng năng lượng cao này để lập bản đồ vũ trụ như minh họa trên hình 5. Kĩ thuật này cho các nhà khoa học cơ hội quan sát các hiện tượng thiên thể ở xa trong cuộc tìm kiếm những khái niệm vật lí mới, và kiểm tra những lí thuyết không thể thử thách bằng những thí nghiệm thực hiện trên Trái Đất này.
Tia X – Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưng thấp hơn tia gamma) được phân loại là tia X, và đủ uy mãnh để xuyên qua nhiều vật liệu, như các mô mềm của động vật. Tính đâm xuyên cao của các sóng uy mãnh này, cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật. Giống như với tia gamma năng lượng cao, việc phơi ra không có điều khiển trước tia X có thể dẫn tới đột biến, sai lệch nhiễm sắc thể, và một số dạng hủy hoại tế bào khác. Phương pháp chụp ảnh vô tuyến truyền thống về cơ bản không gì hơn là thu lấy cái bóng của vật liệu đặc, chứ không phải chụp chi tiết hình ảnh. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia X bằng gương đã mang lại những hình ảnh chi tiết hơn nhiều của các đối tượng đa dạng bằng việc sử dụng kính thiên văn tia X, kính hiển vi tia X và giao thoa kế tia X.
Các chất khí khí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rất mạnh, chúng được các nhà thiên văn học sử dụng để thu thập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng của các vùng nằm giữa các vì sao của vũ trụ. Nhiều thiên thể cực kì nóng, như Mặt Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trong vùng phổ tia X và là đối tượng nghiên cứu của thiên văn học tia X. Phổ tần số của tia X kéo dài ra một vùng rất rộng, với bước sóng ngắn nhất đạt tới đường kính của nguyên tử. Tuy nhiên, toàn bộ vùng phổ tia X nằm trên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét. Vùng bước sóng này khiến cho bức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất và hóa học trong việc mô tả tính chất của các chất kết tinh, chúng có đặc điểm cấu trúc tuần hoàn trên cỡ độ dài tương đương với bước sóng tia X.
Ánh sáng tử ngoại – Thường được viết tắt (uv - ultraviolet), bức xạ tử ngoại truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tím trong phổ ánh sáng khả kiến. Mặc dù đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử ngoại ở đầu tần số cao trong ngưỡng tần số của chúng có đủ năng lượng để giết chết tế bào, và tạo ra sự phá hủy mô nghiêm trọng. Mặt Trời là một nguồn phát bức xạ tử ngoại không đổi, nhưng bầu khí quyển của Trái Đất (chủ yếu là các phân tử ozon) đã ngăn chặn có hiệu quả phần lớn các bước sóng ngắn của dòng bức xạ có khả năng gây chết chóc này, do đó tạo được môi trường sống thích hợp cho cây cối và động vật. Năng lượng photon trong tia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử từ một số phân tử khí trong khí quyển, và đây là quá trình mà tầng điện li được tạo ra và duy trì liên tục. Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng có năng lượng tương đối cao này có thể xúc tiến việc tổng hợp vitamin D trong cơ thể, và ít làm sạm da, nhưng quá nhiều bức xạ tử ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêm trọng, làm hỏng võng mạc vĩnh viễn, và gây ra ung thư da.
Ánh sáng tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khoa học để khảo sát tính chất của những hệ hóa học và sinh học phong phú, và nó cũng quan trọng trong các quan trắc thiên văn về hệ Mặt Trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ. Các vì sao và những thiên thể nóng khác là những nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại. Phổ bước sóng tử ngoại trải từ khoảng 10 đến xấp xỉ 400 nanomét, có năng lượng photon từ 3,2 đến 100 eV. Loại bức xạ này có ứng dụng trong việc xử lí nước và thực phẩm, là tác nhân diệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trong điều trị y khoa. Hoạt động sát trùng của ánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóng dưới 290 nanomét. Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành cho da, kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trước ánh sáng tử ngoại đến từ Mặt Trời.
Một số côn trùng (nhất là ong mật) và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng tử ngoại để phản ứng lại những bước sóng dài, và có thể dựa vào khả năng này để điều hướng. Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, do giác mạc hấp thụ các bước sóng ngắn, và thủy tinh thể của mắt hấp thụ mạnh các bước sóng dài hơn 300 nanomét.
Ánh sáng khả kiến – Các màu cầu vồng liên quan đến phổ ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho khoảng 2,5% của toàn bộ phổ điện từ, và gồm các photon có năng lượng từ xấp xỉ 1,6 đến 3,2 eV. Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người. Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trong một dải tần số hẹp, từ xấp xỉ 384 đến 769 terahertz (THz) và được nhận biết dưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước sóng 780nm) đến màu tím đậm (400nm).
Màu đỏ năng lượng thấp, bước sóng dài (622 – 780nm) theo sau trong chuỗi màu là màu cam (597 – 622nm), vàng (577 – 597nm), lục (492 – 577nm), lam (455 – 492nm), và cuối cùng là màu tím năng lượng tương đối cao, bước sóng ngắn (từ 455nm trở xuống). Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tần số) của các màu trong phổ ánh sáng khả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” [ở những nước sử dụng tiếng Anh, họ dùng các từ viết tắt ROY G BIV (Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh trong các nhà trường trong một thế kỉ qua (mặc dù một số nhà khoa học không còn coi màu chàm là một màu cơ bản nữa).
Việc phân chia phổ ánh sáng khả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất vật lí là dễ hiểu, nhưng cách mà màu sắc được cảm nhận thì không rõ ràng được như vậy. Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của hệ cảm giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó. Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”.
Ánh sáng khả kiến là cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nó được bắt bởi những nhà máy nguyên thủy hay các sinh vật tự dưỡng, như cây xanh chẳng hạn. Những thành viên cơ sở này của chuỗi thức ăn sinh vật khai thác ánh sáng Mặt Trời như một nguồn năng lượng dùng cho việc sản xuất thức ăn riêng và những viên gạch cấu trúc sinh hóa của chúng. Đáp lại, các sinh vật tự dưỡng giải phóng sản phẩm là khí oxi, thứ chất khí mà mọi động vật đều cần đến.
Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến. Ánh sáng phát ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng. Phổ phát xạ rộng của các nguồn thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt. Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn. Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại của một loại thuốc nhuộm tổng hợp phổ biến, Iris Blue B, được minh họa trong hình 6. Dung dịch phân tử hữu cơ có màu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trong cả vùng khả kiến và tử ngoại của quang phổ, và xuất hiện trước đa số mọi người dưới màu xanh vừa phải.
Bức xạ hồng ngoại – Thường được viết tắt là IR (Infrared Radiation), dải bước sóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến (khoảng 700 – 780nm) đến bước sóng khoảng 1mm. Với năng lượng photon từ xấp xỉ 1,2 milielectron-volt (meV) đến dưới 1,7 eV một chút. Sóng hồng ngoại có tần số tương ứng từ 300 gigahertz (GHz) đến xấp xỉ 400 terahertz (THz). Loại bức xạ này liên quan đến vùng nhiệt, nơi ánh sáng khả kiến không nhất thiết phải có mặt. Ví dụ, cơ thể người không phát ra ánh sáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể được cảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt. Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng 3000 nanomét và trải ra ngoài vùng hồng ngoại xa, đạt cực đại tại xấp xỉ 10.000 nanomét.
Phân tử của tất cả các đối tượng tồn tại trên không độ tuyệt đối (- 273 độ Celsius) đều phát ra tia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung là tăng theo nhiệt độ. Khoảng chừng phân nửa năng lượng điện từ của Mặt Trời được phát ra trong vùng hồng ngoại, và các thiết bị trong nhà như bếp lò và bóng đèn cũng phát ra lượng lớn tia hồng ngoại. Bóng đèn dây tóc volfram nóng sáng là thiết bị phát sáng không hiệu quả lắm, thực ra chúng phát nhiều sóng hồng ngoại hơn sóng khả kiến.
Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồng ngoại là các kính nhìn đêm, các máy dò điện tử, các bộ cảm biến trên vệ tinh và trên máy bay, và những thiết bị thiên văn. Cái gọi là tên lửa tầm nhiệt do quân đội sử dụng được dẫn đường bằng máy dò hồng ngoại. Trong vũ trụ, các bước sóng bức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụi thiên thể giữa các sao, như được chứng minh bằng mảng tối lớn nhìn thấy từ Trái Đất khi quan sát Dải Ngân hà. Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc khi sẩy khô quần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của những cánh cửa đóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà.
Việc chụp ảnh hồng ngoại khai thác trong vùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình trên những tấm phim đặc biệt, có ích trong ngành pháp lí, cảm biến từ xa (khảo sát rừng chẳng hạn), phục hồi tranh vẽ, chụp ảnh qua vệ tinh, và các ứng dụng theo dõi quân sự. Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học khác có phủ chất lọc ánh sáng tử ngoại và khả kiến hiện ra trong suốt, và để lộ đôi mắt phía sau thấu kính có vẻ mờ đục. Phim chụp ảnh hồng ngoại không ghi lại sự phân bố bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với những bức xạ có bước sóng dài (hồng ngoại xa). Trên hình 7 là một vài hình chụp qua vệ tinh cảm biến hồng ngoại của hai thành phố ở Mĩ và ngọn núi Vesuvius ở Italia.
Sóng vi ba – Hiện nay là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn, phổ bước sóng vi ba trải từ xấp xỉ 1mm đến 30cm. Sự hấp dẫn của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do trường hợp ngẫu nhiên mà các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng quay nằm trong vùng vi sóng. Ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,2cm), các phân tử nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt (hồng ngoại). Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăn trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng vẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể của việc nấu nướng bằng vi sóng.
Sóng vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác. Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, nó được xem là giải phỏng bởi Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ. Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở cho kĩ thuật radar, viết tắt của cụm từ RAdio Detecting And Ranging (Dò và tầm vô tuyến), kĩ thuật phát và thu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thước lớn và tính toán vận tốc và khoảng cách của chúng. Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác. Một lượng đáng kể thông tin thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt (21cm, hoặc 1420 MHz) của các nguyên tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong không gian.
Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình. Thật ngạc nhiên, một số thí nghiệm điện từ đầu tiên sắp đặt bởi Heinrich Hertz, Jagadis Chandra Bosevà Guglielmo Marconi (cha đẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại) được thực hiện bằng bức xạ nằm trong hoặc gần vùng vi sóng. Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các vi sóng có khả năng hội tụ, chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn. Có một số tranh cãi trong cộng đồng khoa học về khả năng gây hại cho sức khỏe, như gây ung thư, phá hủy mô, liên quan tới bức xạ vi sóng liên tục và lũy tích lâu ngày phát ra từ các tháp điện thoại, rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở vị trí gần não trong lúc sử dụng.
Sóng vô tuyến – Phần tần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ gồm các bước sóng từ khoảng 30cm đến hàng nghìn kilomét. Bức xạ trong vùng này chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz) xảy ra tại cuối dải tần, nơi phát chương trình vô tuyến và truyền hình bị hạn chế. Tại những tần số thấp như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bức xạ không biểu kiến, và sóng có vẻ truyền năng lượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giới hạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóng của bức xạ tần số vô tuyến. Ví dụ, dòng điện biến thiên tần số thấp (60Hz) mang bởi dây dẫn có bước sóng khoảng 5 triệu mét (hay tương đương 3000 dặm). Sóng vô tuyến dùng trong truyền thông được điều biến theo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến biên độ (AM) làm thay đổi biên độ sóng, và điều biến tần số (FM, xem hình 8) làm thay đổi tần số sóng. Sóng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, truyền thông, y khoa, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).
Phần âm thanh và hình ảnh động của truyền hình truyền đi qua bầu khí quyển bằng các sóng vô tuyến ngắn có bước sóng dưới 1m, được điều biến giống hệt như phát thanh FM. Sóng vô tuyến cũng được tạo ra bởi các ngôi sao trong những thiên hà xa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò ra chúng bằng những chiếc kính thiên văn vô tuyến chuyên dụng. Những sóng dài, bước sóng vài triệu dặm, được phát hiện đang phát về phía Trái Đất từ không gian sâu thẳm. Do tín hiệu quá yếu, nên các kính thiên văn vô tuyến thường được sắp thành dãy song song gồm nhiều ănten thu khổng lồ.
Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian) và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ. Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng lồ. Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến có bước sóng tương ứng dài hơn và năng lượng thấp hơn. Mặc dù phổ điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ.
Tác giả: Mortimer Abramowitz, Thomas J. Fellers và Michael W. Davidson
