Vào những ngày trời quang, khi ngẩng đầu lên, chúng ta luôn thấy bầu trời xanh. Nhưng ánh nắng là ánh sáng trắng pha trộn nhiều màu, còn không khí lại trong suốt, vậy tại sao riêng bầu trời lại có màu xanh? Chúng ta cũng tò mò vì sao chính bầu trời ấy lại nhuốm đỏ lúc hoàng hôn. Hiện tượng vật lý giải thích đồng thời cả hai khung cảnh này chính là “tán xạ Rayleigh (Rayleigh Scattering)”.
Nói một cách đơn giản, tán xạ Rayleigh là “hiện tượng ánh sáng gặp những hạt nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của nó, đặc biệt là các phân tử nitơ và oxy trong không khí, rồi bị phân tán ra mọi hướng”. Điểm cốt lõi ở đây là ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị tán xạ mạnh hơn nhiều. Hiện tượng này được đặt tên sau khi nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh, tên thật là John William Strutt, mô tả mối quan hệ ấy bằng toán học vào năm 1871.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu ý nghĩa và quá trình phát hiện tán xạ Rayleigh, nguyên lý khiến mức độ tán xạ thay đổi theo bước sóng, những ví dụ dễ hiểu qua hoàng hôn và mây, cùng các ứng dụng trong đời sống và công nghệ.
Nguyên lý ánh sáng gặp các phân tử không khí rồi bị tán xạ
Tán xạ Rayleigh là gì?
Khi ánh sáng đi qua vật chất, một phần ánh sáng lệch khỏi hướng ban đầu và lan ra nhiều hướng. Hiện tượng này được gọi là tán xạ. Đặc điểm của tán xạ thay đổi đáng kể tùy theo mối quan hệ giữa bước sóng ánh sáng và kích thước hạt; trường hợp xảy ra khi hạt nhỏ hơn khoảng 1/10 bước sóng được gọi là tán xạ Rayleigh.
- Tán xạ (Scattering): Là hiện tượng ánh sáng gặp các hạt, thay đổi hướng truyền và phân tán ra mọi hướng. Khác với hấp thụ, năng lượng ánh sáng không mất đi mà chỉ thay đổi hướng.
- Hạt tán xạ (Scattering Particle): Trong tán xạ Rayleigh, vai trò này chủ yếu do các phân tử nitơ và oxy cấu thành không khí đảm nhiệm. Kích thước phân tử nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến, khoảng 380–750 nm.
Manh mối dẫn đến phát hiện này xuất phát từ phòng thí nghiệm. Năm 1869, John Tyndall quan sát thấy rằng khi chiếu ánh sáng mạnh vào không khí có những hạt rất nhỏ lơ lửng, ánh sáng tán xạ có sắc xanh. Sau đó 2 năm, Rayleigh giải thích hiện tượng này bằng công thức toán học, và đến năm 1899, ông xây dựng cơ sở giải thích rằng chính các phân tử không khí, chứ không phải bụi, khiến bầu trời có màu xanh.
Vì sao lũy thừa bậc bốn của bước sóng quyết định sự khác biệt giữa các màu
Tính chất quan trọng nhất của tán xạ Rayleigh là cường độ ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng. Khi bước sóng giảm còn một nửa, mức độ tán xạ tăng lên 2 mũ bốn, tức 16 lần. Vì vậy, ngay trong cùng một chùm ánh nắng, mức độ tán xạ của từng màu cũng khác nhau rất lớn.
(1) Bước sóng càng ngắn, ánh sáng càng bị tán xạ mạnh
Ánh sáng xanh lam, khoảng 450 nm, có bước sóng ngắn hơn ánh sáng đỏ, khoảng 700 nm, nên bị tán xạ mạnh hơn khoảng 6 lần. Ánh sáng tím, khoảng 400 nm, bị tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ khoảng 9 lần.
(2) Ánh sáng xanh lam bị tán xạ phủ khắp bầu trời
Trong lúc ánh nắng đi qua khí quyển, ánh sáng xanh lam liên tục gặp các phân tử không khí và lan ra mọi hướng. Dù nhìn về phía nào trên bầu trời ngoài phía Mặt Trời, ánh sáng xanh lam tán xạ từ hướng đó đều đi vào mắt chúng ta, khiến cả bầu trời trông có màu xanh.
(3) Cũng có lý do khiến bầu trời không mang màu tím
Có lý do khiến bầu trời không trông có màu tím dù ánh sáng tím bị tán xạ mạnh hơn. Ngay từ đầu, ánh nắng đã chứa ít ánh sáng tím hơn ánh sáng xanh lam, và mắt người cũng nhạy với ánh sáng xanh lam hơn ánh sáng tím.
- Sự phụ thuộc vào bước sóng (Wavelength Dependence): Là tính chất cường độ tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng, đồng thời là đặc trưng rõ rệt nhất giúp phân biệt tán xạ Rayleigh với các dạng tán xạ khác.
- Tán xạ Mie (Mie Scattering): Là tán xạ xảy ra khi các hạt có kích thước tương đương hoặc lớn hơn bước sóng ánh sáng; do hầu như không có sự khác biệt theo màu sắc, ánh sáng tán xạ gần với màu trắng.
Màu sắc bầu trời qua những ví dụ dễ hiểu
Khi hiểu tán xạ Rayleigh, chúng ta có thể lý giải màu sắc bầu trời thay đổi trong ngày bằng một nguyên lý duy nhất. Yếu tố cốt lõi là độ dày của lớp không khí mà ánh nắng phải đi qua trước khi đến mắt chúng ta.
[Ví dụ 1] Hoàng hôn nhuốm đỏ
Khi Mặt Trời hạ xuống gần đường chân trời, ánh nắng phải đi xiên qua một lớp không khí dày hơn rất nhiều so với giữa trưa. Trong hành trình dài ấy, gần như toàn bộ ánh sáng xanh lam đã bị tán xạ sang các phía, chỉ còn ánh sáng cam và đỏ ít bị tán xạ đi đến mắt chúng ta. Có thể nói màu đỏ của hoàng hôn là kết quả của việc ánh sáng xanh lam đã biến mất.
[Ví dụ 2] Những đám mây trông có màu trắng
Các giọt nước tạo thành mây lớn hơn rất nhiều so với phân tử không khí và có kích thước tương đương hoặc lớn hơn bước sóng ánh sáng. Khi đó, tán xạ Mie xảy ra thay cho tán xạ Rayleigh, khiến mọi màu bị tán xạ ở mức tương tự nhau nên mây trông có màu trắng. Khi các giọt nước tích tụ thành lớp dày khiến ánh sáng khó xuyên qua, chúng trở thành những đám mây đen có màu xám.
(1) Không có khí quyển thì bầu trời cũng không xanh
Trên Mặt Trăng, nơi gần như không có không khí, không có các phân tử để tán xạ ánh sáng nên bầu trời trông đen ngay cả giữa trưa. Suy cho cùng, màu xanh của bầu trời là màu do khí quyển bao quanh chúng ta tạo ra.
Dấu ấn của tán xạ Rayleigh trong đời sống và công nghệ
Tán xạ Rayleigh không chỉ giải thích màu sắc bầu trời. Những tính chất độc đáo của ánh sáng tán xạ còn được ứng dụng trong nhiếp ảnh, quan sát tự nhiên và nghiên cứu khoa học.
(1) Dùng kính lọc phân cực để chụp bầu trời xanh đậm hơn
Ánh sáng từ bầu trời bị tán xạ Rayleigh trở thành ánh sáng phân cực, dao động theo một hướng nhất định. Đặc biệt, sự phân cực mạnh nhất ở vùng trời theo hướng vuông góc với hướng Mặt Trời. Việc các nhiếp ảnh gia xoay kính lọc phân cực để ghi lại bầu trời xanh đậm hơn cũng là tận dụng tính chất này.
(2) Ong mật tìm đường nhờ ánh sáng bầu trời
Ong mật được biết đến với khả năng cảm nhận các hình thái phân cực của ánh sáng bầu trời mà mắt người không nhìn thấy, nhờ đó xác định phương hướng ngay cả khi Mặt Trời bị mây che khuất. Có thể nói cả bầu trời đóng vai trò như một chiếc la bàn tự nhiên.
(3) Tán xạ ánh sáng trở thành công cụ nghiên cứu
Đo cường độ ánh sáng tán xạ giúp xác định tính chất của các hạt nhỏ và phân tử trong chất khí hoặc chất lỏng. Các phương pháp đo tán xạ ánh sáng chính xác cũng được sử dụng rộng rãi trong quan trắc khí quyển và phân tích hóa học.
Tán xạ Rayleigh cho chúng ta biết rằng những hạt nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt, như các phân tử không khí, tán xạ ánh nắng và tô màu cho bầu trời.
Lần tới, khi ngắm bầu trời xanh hoặc hoàng hôn đỏ, hãy nghĩ đến việc màu sắc ấy là kết quả của sự gặp gỡ giữa ánh sáng và không khí; đó chính là bước đầu tiên trong việc tìm hiểu vật lý qua đời sống thường ngày.
