Bức xạ điện từ và sóng điện vô tuyến
- Nội dung phát hiện: tất cả sóng năng lượng điện và từ đều là một phần của phổ sóng điện từ và tuân theo một nguyên lý toán học đơn giản.
- Người phát hiện: James Clerk Maxwell.
Tại sao bức xạ điện từ và sóng điện vô tuyến lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?
Suốt phần lớn thời gian của thế kỷ XIX, người ta vẫn cho rằng khái niệm điện, từ ánh sáng là tồn tại độc lập và không có liên quan gì đến nhau. Và những công trình nghiên cứu thời đó đều dựa trên cơ sở của sự suy đoán này. Sau đó, Maxwell đã phát hiện ra sự tương đồng giữa ba khái niệm, thực chất chúng ta là bức xạ điện từ có hình thức khác nhau.
Phát hiện vĩ đại này của ông đã gây chấn động toàn thế giới, nó được coi là phát hiện vật lý vĩ đại nhất của thết kỷ XIX. Maxwell đã làm theo Newton, nghiên cứu về vạn vật hấp dẫn, ông cũng dùng phương pháp toán học để hiểu thị bức xạ điện từ với mục đích là giúp cho mọi người có thể dễ dàng hiểu và tận dụng loại lực tự nhiên này.
Maxwell đã thống nhất năng lượng từ và năng lượng điện, sáng tạo ra thuật ngữ “bức xạ điện từ” đồng thời ông đã phát hiện ra bốn phương trình đơn giản chi phối hoạt động của điện từ trường.
Trong quá trình phát triển những phương trình này, Maxwell còn phát hiện ra ánh sáng là một phần trong phổ sóng điện từ, đồng thời ông còn phán đoán được sự tồn tại của tia X và tia gamma.
Bức xạ điện từ và sóng điện vô tuyến đã được phát hiện ra như thế nào?
James Clerk sinh năm 1831 tại Edinburgh, Scotland. Đó gia đình đã đặt thêm cho ông cái tên Maxwell.Vào đại học, James học tập rất xuất sắc, thành tích luôn dẫn đầu. Sau đó ông đã đảm nhận công việc giảng dạy trong lĩnh vực toán học và vật lý.
Maxwell đã vận dụng những phương trình toán học để khám phá thế giới và vũ trụ. Ông đã chọn quầng sáng quanh sao Thổ để làm đối tượng nghiên cứu đầu tiên của mình. Maxwell đã chứng minh vòng tròn sáng này không phải là một đĩa tròn cứng, cũng không phải do các chất khí tạo thành. Phương trình của ông đã cho thấy quầng sáng đó do vô số những hạt cứng nhỏ li ti cấu tạo nên. Và một thế kỷ sau, các nhà thiên văn học đã chứng minh lý luận của Maxwell là chính xác.
Maxwell tiếp tục tập trung nghiên cứu về các chất khí, nghiên cứu về mối liên hệ toán học chi phối sự vận động của các hạt chất khí chuyển động với tốc độ cao. Và kết quả nghiên cứu của Maxwell đã là thay đổi triệt để phương pháp khoa học nghiên cứu về mối liên hệ của sự vận động giữa chất khí và sức nóng (nhiệt độ).
Năm 1860, ông lại chuyển hướng tập trung vào nghiên cứu điện học trước đó của Michael Faraday. Faraday đã phát hiện ra rằng sự chuyển động tròn của các đĩa kim loại trong từ trường sẽ sinh ra dòng điện, mà dòng điện không ngừng biến đổi này có thể thay đổi từ trường và dẫn đến sự vận động vật lý. Faraday đã phát minh ra động cơ điện dựa trên nguyên lý đó.
Maxwell quyết định vận dụng toán học để khám phá điện, từ và mối quan hệ giữa “đường lực điện và đường lực từ” do Faraday phát hiện ra.
Maxwell đã ra sức tìm kiếm mối liên hệ toán học của điện và từ trên tất cả các phương diện, ông tiến hành thí nghiệm tính toán và kiểm chứng từng kết quả thu được . Đến năm 1864, ông đã thu được bốn phương trình đơn giản dùng để miêu tả hoạt động của điện trường dao động hay biến đổi (dòng điện trong đó liên tục thay đổi qua lại với tốc độ cao) sẽ tạo ra từ trường và ngược lại.
Hai dạng năng lượng này có quan hệ mật thiết với nhau. Maxwell đã phát hiện ra điện và từ chẳng qua là hai hình thức của cùng một dòng năng lượng, do đó ông đặt tên cho nó là năng lượng điện từ. Maxwell đã công bố phát hiện này cùng những phương trình trong một tác phẩm xuất bản năm 1864 của ông, các nhà vật lý học ngay lập tức nhận thấy giá trị cùng ý nghĩa to lớn của bốn loại phương trình này.
Maxwell tiếp tục tiến hành nghiên cứu trên cơ sở những phương trình đó, và kết quả cho thấy: Chỉ cần nguồn điện dao động với một tần suất đủ cao thì sóng năng lượng điện từ do nó sản sinh ra có thể bay lượn trong không khí mà không cần dây dẫn điện, đây chính là những phán đoán đầu tiên về sự tồn tại của sóng điện vô tuyến.
Maxwell còn tính ra được tốc độ truyền đi của sóng điện từ, phát hiện ra vận tốc đó hoàn toàn trùng khớp với vận tốc ánh sáng nhanh nhất đo được thời bấy giờ. Do vậy, Maxwell nhận định bản chất của ánh sáng chẳng qua chỉ là một hình thức khác của bức xạ điện từ. Do dòng điện có thể dao động ở bất cứ tần suất nào nên Maxwell nhận định ánh sáng là một phần vô cùng nhỏ trong phổ sóng bao la và liên tục của bức xạ điện từ.
Maxwell đã dự đoán rằng các hình thức khác của bức xạ điện từ trong phổ sóng này sớm muộn sẽ được khám phá ra. Và đúng như sự dự đoán của ông, năm 1896, Wilhelm Roentgen đã phát hiện ra tia X. Tám năm trước đó, Heinrich Hertz đã dùng phương trình của Maxwell để kiểm chứng xem bức xạ điện từ có thể bay lượn trong không trung được không (một hình thức truyền phát trong không trung dựa vào năng lượng sóng). Và Hertz đã dễ dàng tạo ra và đo được sóng điện vô tuyến, đồng thời đã kiểm chứng được tính chính xác trong phương trình cũng như dự đoán của Maxwell.
