Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 50)

Chương 14

CÁC TIA VÔ HÌNH

Sự phát triển và sử dụng radio và radar trong chiến tranh

Bức xạ điện từ đã giữ một vai trò lớn trong chiến tranh kể từ Thế chiến I, đặc biệt là dùng trong radar, radio, và laser. Tuy nhiên, để hiểu được những công nghệ này, chúng ta phải lùi lại vài năm trước khi nổ ra Thế chiến I.

SỰ SẢN SINH VÀ DÒ TÌM SÓNG ĐIỆN TỪ

James Clerk Maxwell được nhiều người xem là một trong những nhà vật lí vĩ đại nhất từng tại thế. Dự đoán của ông về sự tồn tại của sóng điện từ đã đưa tới những tiến bộ trọng yếu trong khoa học và đồng thời đưa tới những thay đổi quan trọng trong cuộc sống thường ngày.1

Vào giữa thế kỉ mười chín, người ta biết bốn điều cơ bản sau đây về hiện tượng điện và hiện tượng từ:

  • Mọi điện tích đều được vây quanh bởi một điện trường. Điện trường có chiều sao cho các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau và các điện tích trái dấu thì hút nhau.
  • Tồn tại hai loại cực từ, gọi là bắc và nam, và chúng luôn tồn tại cùng nhau.
  • Một điện trường (hay điện tích) biến thiên làm sinh ra một từ trường.
  • Một từ trường biến thiên sinh ra một điện trường.

Những thực tế này đã được biết tới trước thời Maxwell. Đóng góp của ông là đặt chúng vào dạng thức toán học và chỉ ra rằng hiện tượng điện và hiện tượng từ vốn liên hệ mật thiết, cùng nhau tạo nên cái chúng ta gọi là trường điện từ. Đặc biệt, các điện tích dao động tạo ra một trường điện từ lan tỏa từ điện tích đó, và các sóng được tạo ra vừa có điện trường vừa có từ trường gắn liền với chúng. Đặc biệt quan trọng, Maxell tìm thấy rằng sóng điện từ lan truyền ở tốc độ ánh sáng, và ông đề xuất rằng bản thân ánh sáng chính là một sóng điện từ. Hơn nữa, ông chỉ ra rằng các sóng điện từ có tần số cao hơn và thấp hơn (tần số mà điện tích đang dao động) có khả năng sẽ nằm vượt ngoài tần số ánh sáng. Nói cách khác, phải có một dải sóng điện từ thuộc mọi tần số. Và quả vậy, ngày nay chúng ta biết rằng điều này đúng.

Dự đoán của ông được nêu ra vào thập niên 1860, và chẳng bao lâu thì sóng điện từ được dò thấy trực tiếp. Vào tháng Tám 1879, nhà vật lí Đức Heinrich Hertz chế tạo được một dụng cụ đơn giản trong phòng lab của ông mà ông tin rằng có thể dùng nó để dò các sóng của Maxwell. Nó gồm một vòng dây với một khe trống tại đó gắn các quả nắm nhỏ bằng đồng thau. Vòng dây được nối với một cuộn cảm cho một tia lửa phát ra nhảy qua khe trống đó. Sau đó ông chế một vòng dây thứ hai với một cuộn dây cảm ứng tác dụng như một detector. Khi vòng dây thứ nhất được nối với cuộn cảm, thì một tia lửa nhảy qua khe trống, gửi ra một “tín hiệu”. Tín hiệu này được phát hiện bởi vòng dây thứ hai (máy thu) đặt gần đó. Hertz đã có thể chỉ ra rằng tín hiệu ấy biểu hiện tính chất sóng, và nó có một bước sóng, hay tần số, nhất định, vì vậy đây phải là một sóng điện từ khác. Hơn nữa, ông còn có thể tính được tốc độ của nó, cho thấy rằng nó bằng với tốc độ ánh sáng. Ông công bố khám phá của mình vào năm 1887, khẳng định nó là một xác thực cho dự đoán của Maxwell.

Thiết bị của Hertz

Thiết bị của Hertz dùng để dò sóng điện từ.

PHỔ ĐIỆN TỪ

Hertz đã đúng: quả thật có một phổ rộng sóng điện từ. Ngày nay chúng ta biết rằng chúng biến thiên từ tia gamma bước sóng rất ngắn (tần số cao) cho đến sóng vô tuyến bước sóng rất dài (tần số thấp). Ở giữa hai thái cực này là tia X, ánh sáng tử ngoại (UV), ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại và vi sóng. Ngoài ra, tất cả các sóng này đều mang năng lượng, hay chính xác hơn, chúng là một dạng năng lượng, và biên độ năng lượng của chúng phụ thuộc vào tần số (số dao động trên giây) của chúng.2

Phổ điện từ

Phổ điện từ

Một số loại bức xạ này đã được phát hiện trước đó. Vào năm 1800, nhà thiên văn gốc Đức William Herschel đang nghiên cứu nhiệt độ của các màu sắc khác nhau bằng cách di chuyển một nhiệt kế dọc theo phổ màu sắc do một lăng kính tạo ra thì ông để ý thấy nhiệt độ cao nhất thật ra nằm ngoài đầu màu đỏ, nó nằm tại rìa đầu quang phổ. Ông kết luận rằng ánh sáng mặt trời có chứa một bức xạ kiểu nhiệt không thể nhìn thấy được. Ngày nay chúng ta biết đây là bức xạ hồng ngoại. Bạn có thể dễ dàng phát hiện ra nó khi bật lò sưởi điện. Bạn cảm thấy sức nóng từ lâu trước khi lò chuyển sang màu đỏ.

Vào năm sau đó, Johann Ritter nhìn vào đầu kia của phần quang phổ nhìn thấy thì ông phát hiện thấy những tia vô hình giống với tia màu tím, nhưng nằm ngoài đầu tím trong quang phổ. Ông gọi chúng là “tia hóa học”, nhưng tên gọi của chúng sau này được đổi thành tia tử ngoại.

Ngoài ra, nhiều năm trước đó, năm 1895, Wilhelm Röntgen ở Đức đã chú ý tới một kiểu bức xạ năng lượng cao được tạo ra khi một ống hút chân không được thiết lập điện áp cao. Ông gọi các sóng ấy là tia X. Và Hertz, trong một số thí nghiệm trước đó của ông, đã phát hiện ra vi sóng và sóng vô tuyến. Cuối cùng, vào năm 1910 nhà vật lí Anh William Bragg chỉ ra rằng có các sóng năng lượng rất cao, cao hơn cả tia X. Các sóng này được gọi là tia gamma.

Hãy trở lại thời đại ngày nay và xem xét tỉ mĩ cách chúng ta nhận dạng mỗi loại bức xạ này. Như chúng ta vừa nói, chúng khác nhau về tốc độ dao động, hay tần số của chúng. Và bởi vì tần số liên hệ với bước sóng (khoảng cách giữa các điểm bằng nhau trên phương sóng lan truyền), nên chúng cũng khác nhau về bước sóng. Ngoài ra, chúng còn khác nhau về mức năng lượng mà chúng có (chúng ta sẽ nói nhiều hơn về vấn đề này ở phần sau). Nói chung, chúng ta sẽ nhận dạng chúng bằng tần số của chúng. Đơn vị đo cho tần số là Hertz (Hz), đó là số dao động mỗi giây. Tuy nhiên, phạm vi tần số quá rộng nên thỉnh thoảng chúng ta phải dùng các đơn vị như megahertz (MHz), đó là một triệu Hertz. Chẳng hạn, ánh sáng hồng ngoại có tần số lên tới xấp xỉ 100.000 MHz. Các vi sóng mà bạn quen thuộc khi sử dụng lò vi sóng có tần số từ 1.000 đến 100.000 MHz. Và sóng vô tuyến chạy từ 1.000 MHz đến 50 MHz. Với bức xạ có tần số cao hơn nữa, chúng ta phải dùng gigahertz (HGz), đó là một tỉ Hertz. Bức xạ hồng ngoại nằm trong vùng này. Và cuối cùng, vượt khỏi tia hồng ngoại, qua miền ánh sáng nhìn thấy và tia tử ngoại, người ta sử dụng một đơn vị gọi là terahertz (THz), hay một nghìn tỉ Hertz.

bước sóng và biên độ

Hình vẽ một sóng cho thấy bước sóng và biên độ.

Hầu như mỗi kiểu bức xạ này đều có ứng dụng quan trọng đối với chiến tranh. Sóng vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong truyền thông, và, như chúng ta sẽ thấy, radar giữ một vai trò trọng yếu trong Thế chiến II, và nó vẫn được sử dụng rộng khắp. Chúng ta cũng sẽ bàn về laser; đa số laser sử dụng ánh sáng nhìn thấy, song các tần số bức xạ khác ngày nay cũng được sử dụng để tạo ra các kiểu laser khác, và laser giữ một vai trò quan trọng trong quân sự. Bức xạ hồng ngoại cũng có ứng dụng quan trọng trong quân sự với các dụng cụ đa dạng hỗ trợ nhìn đêm. Và cuối cùng, tất nhiên, tia X rất quan trọng trong việc chữa trị cho binh lính bị thương.

SÓNG VÔ TUYẾN

Sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ, và chẳng bao lâu sau khám phá của Hertz thì các nhà khoa học bắt đầu làm thí nghiệm với chúng. Một trong những người đầu tiên làm thế là Guglielmo Marconi (1874-1937) người Italy. Khi Hertz qua đời vào năm 1894, đã có một niềm hứng thú hồi sinh bất ngờ với các khám phá của ông và nhiều tờ báo đã công bố các bài báo về chúng. Công trình của Hertz đã thu hút sự chú ý của Marconi, lúc ấy ông chỉ mới hai mươi tuổi. Ông cam chắc rằng các sóng mà Hertz khám phá có thể dùng để tạo ra một hệ thống điện báo không dây, nói cách khác, một hệ thống điện báo có thể gửi đi các thông điệp mà không cần dây dẫn. Bởi thế, ông đã thiết lập một hệ thống đơn giản nhằm kiểm tra xem điều này khả thi hay không. Hệ thống của ông gồm một dao động tử đơn giản (một máy phát vô tuyến tạo ra tia lửa điện) và một máy thu “coherer”, đó là một cải tiến của một dụng cụ thu trước đây. Ông dùng một khóa điện báo điều khiển máy phát để nó gửi đi một dải các xung dài và ngắn (các chấm và gạch); một máy thu điện báo được kích hoạt bởi coherer.3

Vào hè năm 1895, ông đã có thể cho truyền nhận thông điệp trên cự li một dặm rưỡi. Lúc ấy ông quả quyết rằng ông cần tài trợ để cải tiến dụng cụ. Chẳng tìm được mấy ai ở Italy quan tâm, nên ông cùng mẹ đi sang Anh, tại đó ông đã trình diễn dụng cụ của mình trước William Preece, trưởng kĩ sư điện của Tổng Bưu điện Anh. Sau đó là một loạt các buổi trình diễn trước các viên chức chính phủ, và với sự hậu thuẫn của họ, vào tháng Ba 1897, Marconi đã có thể gửi một thông điệp đi xa 3,7 dặm.

Marconi và các thí nghiệm của ông bắt đầu thu hút sự chú ý quốc tế. Vào năm 1899, ông cho bố trí thiết bị ở hai bờ Eo biển Anh và gửi một thông điệp từ Pháp sang Anh. Không lâu sau đó, ông lên tàu sang Mĩ theo lời mời của tờ New York Herald. Trong năm sau đó, ông bắt đầu nghiên cứu thiết bị gửi một thông điệp xuyên Đại Tây Dương, và vào ngày 12 tháng Mười Hai 1901 ông khẳng định đã hoàn thành mục tiêu này. Tuy nhiên, vẫn có một số người hoài nghi, vì thế vào tháng Hai 1902, ông cho bố trí một thiết bị tân tiến hơn và chứng minh các chỉ trích là sai lầm. Rõ ràng ông đã hoàn thành mục tiêu của mình.

Một trong những trở ngại ban đầu trong việc truyền tải vô tuyến đường xa, hay ít nhất là những trở ngại được dự tính, là độ cong của Trái Đất. Vì sóng vô tuyến truyền đi theo đường thẳng, nên người ta nghĩ độ cong này sẽ làm chặn mất tín hiệu. Marconi hả dạ khi thấy điều này đã không xảy ra. Nguyên do là vì sóng vô tuyến bị phản xạ tới lui do sự có mặt của các hạt tích điện trong khí quyển.

Marconi tiếp tục nghiên cứu về dụng cụ của ông trong nhiều năm, nhưng ông sớm phát hiện rằng ông có đối thủ cạnh tranh. Các thông điệp của ông sử dụng một dải chấm và gạch (mã Morse), nhưng vào đầu thập niên 1900, ống chân không đầu tiên được phát minh, và do đó, việc truyền giọng nói không dây trở nên có thể. Phát triển mới này nhanh chóng làm lu mờ sự truyền tải điện báo.

Tuy nhiên, điều đặc biệt là bộ chiến tranh ở cả hai bờ Đại Tây Dương đều sớm quan tâm đến dụng cụ của Marconi. Bộ chiến tranh Anh quốc là một trong những khách hàng đầu tiên của Marconi; và chẳng bao lâu sau đó thì các hãng điện báo lớn của Đức bắt đầu mua các sản phẩm của ông; ông thành lập một công ty ở Đức để bắt đầu bán chúng vào khoảng năm 1900.

Radio sớm bắt đầu giữ một vai trò quan trọng trong chiến tranh. Trong vài năm sau đó, các máy phát và máy thu đã được cải tiến rất nhiều và radio trở thành phương tiện truyền thông chính trong chiến tranh. Nó bắt đầu được sử dụng bởi cả hai phe trong Thế chiến I, và tất nhiên nó được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến II.

TIA X

Một kiểu bức xạ điện từ khác thiết yếu trong chiến tranh là tia X, và việc sử dụng nó chủ yếu để cứu mạng người chứ không phải tiêu diệt họ. Sự ra đời của công nghệ tia X có lịch sử lùi ngược xa hơn cả công nghệ vô tuyến. Tia X được khám phá bởi nhà vật lí Đức Wilhelm Röntgen.4 Lúc ấy, thế giới khoa học đang bị thu hút bởi một khám phá mới được lập mấy năm trước đó. Dòng điện cao áp chạy trong một ống hàn kín chứa chất khí hiếm tạo ra cái gọi là tia cathode. Chúng đã thu hút rất nhiều chú ý, và Röntgen bắt đầu làm thí nghiệm với chúng. Vào đêm ngày 8 tháng Mười Một 1895, ông phát hiện thấy thứ kì lạ. Ông đặc biệt quan tâm đến ánh sáng chói, gọi là sự phát quang, xảy ra trong những hóa chất nhất định, và ông muốn tìm hiểu xem tia cathode có gây ra sự phát quang hay không. Khi làm việc trong một căn phòng tối, ông để ý thấy tờ giấy ông bọc platinocyanide đang phát sáng. Điều này thật lạ bởi lẽ tia cathode đâu có đập thẳng vào nó; thật vậy, chúng đã bị chặn mất rồi, thế nhưng khi ông tắt ống tia cathode đi thì ánh sáng kia biến mất. Chẳng mấy chốc ông nhận ra rằng ống tia cathode đang phát ra một loại bức xạ nào đó, nhưng nó vô hình, và ông phát hiện thấy nó đang phát ra từ chỗ tia cathode đập trúng thủy tinh. Kiểm tra thêm, ông tìm thấy bức xạ mới này có tính đâm xuyên cao. Nó không những đi qua được gỗ và những tấm kim loại mỏng; mà nó còn hoàn toàn xuyên qua bàn tay ông. Hơn nữa, dùng nó ông đã chụp ảnh xương bàn tay mình. Ông lập tức biết rằng kiểu bức xạ mới này sẽ có ứng dụng y khoa quan trọng, đặc biệt với trường hợp gãy xương, và có lẽ còn định vị được viên đạn và những thứ linh tinh bên trong cơ thể người. Ông không biết nên gọi các sóng ấy là gì, nên ông đặt tên cho chúng là tia X, và tên gọi được dùng luôn kể từ đó. Trong một thời gian ngắn (1900), ông được trao Giải Nobel đầu tiên cho khám phá này.

Quả thật, tia X đã trở thành một công cụ quan trọng đối với chiến tranh. Trong Thế chiến I, trang thiết bị tia X đã trở thành một bộ phận quan trọng của nhiều trạm cứu hộ và bệnh viện gần nơi chiến sự. Madam Curie là một trong những người đầu tiên khuyến khích sử dụng tia X điều trị cho binh lính bị thương trong Thế chiến I. Theo năm tháng, thiết bị tia X đã được cải tiến rất nhiều, và ngày nay nó là một công cụ trọng yếu trong chiến tranh.

ÁNH SÁNG VÀ TIA HỒNG NGOẠI

Nghe có vẻ lạ khi mà ánh sáng bình thường là một sóng điện từ, nhưng đúng là như thế. Điều này có nghĩa là tia X và ánh sáng về cơ bản là như nhau; khác biệt duy nhất giữa chúng là tần số của chúng. Và, như chúng ta đã thấy, tần số liên quan trực tiếp với năng lượng. Tần số của tia X cao hơn nhiều so với của ánh sáng, vì thế tia X có năng lượng cao hơn nhiều. Điều đó giải thích vì sao chúng dễ dàng đâm xuyên qua cơ thể bạn và có thể nguy hiểm.

Chúng ta cũng có thể nói rằng ánh sáng bình thường là một vũ khí quan trọng của chiến tranh bởi lẽ kính viễn vọng và ống nhòm có một vai trò quan trọng trong chiến tranh kể từ khi các thấu kính phóng đại được phát minh ra. Kính viễn vọng thực tế đầu tiên được phát minh bởi người thợ kính Hà Lan Hans Lippershey vào năm 1604, nhưng ông giữ nó bí mật trong mấy năm trời. Tuy nhiên, 5 năm sau đó, Galileo đã nghe nói tới khám phá này và tự tay chế tạo một chiếc kính viễn vọng.

Kính viễn vọng đơn giản có hai thấu kính chính: một thấu kính hội tụ tương đối lớn (cong lồi ra ở cả hai mặt) gọi là vật kính, và một thấu kính nhỏ hơn gọi là thị kính. Những dụng cụ như vậy được gọi là kính viễn vọng khúc xạ. Một loại kính viễn vọng khác, gọi là kính viễn vọng phản xạ, sử dụng một cái gương thay cho thấu kính hội tụ lớn. Kính viễn vọng phản xạ được Newton phát minh, và nó chủ yếu được dùng trong thiên văn học. Kính viễn vọng khúc xạ được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh ngày xưa, và chúng vẫn được sử dụng ngày nay. Hans Lippershey còn chế tạo một phiên bản kiểu ống nhòm của chiếc kính viễn vọng của ông vào năm 1608, với hai kính viễn vọng được gắn sát bên nhau, nhưng nó khá thô kệch. Kính viễn vọng kiểu ống nhòm hình hộp dùng trên mặt đất được chế tạo vào nửa sau của thế kỉ mười bảy và nửa đầu thế kỉ mười tám bởi một số người, nhưng chúng vẫn khá thô kệch.

Ống nhòm hiện đại sử dụng một hệ thống lăng kính được khám phá vào năm 1854 bởi Ignazio Porro người Italy. Các hệ thống khác cũng được sử dụng. Một số thấu kính, ngoài vật kính và thị kính, được sử dụng trong các ống nhòm hiện đại.

Bây giờ nói sang bức xạ hồng ngoại, chúng ta tìm thấy một trong những ứng dụng quân sự hữu ích nhất là sử dụng tia hồng ngoại để tăng cường sự nhìn ban đêm. Những loại kính mắt hồng ngoại đặc biệt cho phép người ta nhìn thấy tốt hơn vào ban đêm. Có hai kiểu dụng cụ được sử dụng. Kiểu thứ nhất sử dụng các bước sóng hồng ngoại gần nhất với ánh sáng khả kiến để tăng độ nét hình ảnh, sử dụng một ống đặc biệt, gọi là ống tăng cường ảnh, để thu gom và khuếch đại ánh sáng hồng ngoại trong vùng này. (Nó còn thu gom một phần ánh sáng khả kiến.) Một thấu kính thông thường thu lấy ánh sáng này và gửi nó đến ống tăng cường ảnh, bộ phận này biến đổi tín hiệu ánh sáng thành các electron có phân bố giống như vậy. Sau đó một ống nhân electron làm tăng cường chùm tia, giữ nguyên kiểu phân bố cũ. Rồi các electron này đập vào một màn hình phủ phosphor, làm cho chúng phát ra ánh sáng có cùng phân bố như hình ảnh ban đầu, nhưng độ nét được tăng lên.

Dụng cụ thứ hai sử dụng chụp ảnh nhiệt. Nó tập trung vào vùng hồng ngoại xa ánh sáng khả kiến nhất. Trong trường hợp này một phân bố nhiệt gọi là bản đồ nhiệt (thermogram) được tạo ra. Bản đồ nhiệt này sau đó được biến đổi thành các xung điện, và các xung này được gửi đến một đơn vị gọi là đơn vị xử lí tín hiệu, nó phiên dịch chúng thành một dạng thức thích hợp cho hiển thị.

Các thấu kính nhìn đêm như trên được quân đội sử dụng rộng rãi để định vị mục tiêu vào ban đêm. Chúng còn được sử dụng để do thám và dẫn đường.

Laser, một khám phá quan trọng khác, cũng sử dụng ánh sáng trong vùng này, nhưng chúng sẽ được bàn tới trong một chương sau.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Hiệu ứng Hall tiếp tục hé lộ những bí mật của nó trước các nhà toán học và nhà vật lí
11/08/2020
Một thí nghiệm đang mang lại những nhận thức tươi mới sau 40 năm khám phá hiệu ứng – và làm sôi động những hợp tác liên
Giải chi tiết mã đề 206 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020
10/08/2020
Cuộc chiến chống phe Trái đất phẳng
31/07/2020
Các nhà vật lí sẽ cảm thấy sốc, nhưng có rất nhiều người trên khắp thế giới vẫn đinh ninh rằng Trái đất là phẳng. Bài
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 94)
29/07/2020
Rầm chữ I 1844 Richard Turner (khoảng 1798–1881), Decimus Burton (1800–1881) Có bao giờ bạn tự hỏi vì sao trong xây dựng người ta
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 93)
29/07/2020
Bảo toàn năng lượng 1843 James Prescott Joule (1818-1889)   “Định luật bảo toàn năng lượng đem lại… thứ gì đó để
Hàng trăm hadron
28/07/2020
Hadron bao gồm proton và neutron quen thuộc cấu tạo nên các nguyên tử của chúng ta, nhưng số lượng chúng còn đông hơn thế
Thí nghiệm LHCb tìm thấy một loại tetraquark mới
24/07/2020
Lần đầu tiên, nhóm hợp tác LHCb tại CERN quan sát thấy một hạt mới lạ được cấu tạo bởi bốn quark duyên (charm
Tìm kiếm một hằng số thích hợp
23/07/2020
Bằng cách đo phông nền vi sóng vũ trụ, sứ mệnh Planck đem lại cho chúng ta giá trị chính xác nhất từ trước đến nay của

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com