Sách vật lý/Ứng dụng ánh sáng

Viễn vọng kính

Kính viễn vọng khúc xạ

Sơ đồ một kính viễn vọng khúc xạ.[1]

Sơ đồ một kính viễn vọng khúc xạ.

Kính viễn vọng khúc xạ là loại kính viễn vọng dùng các thấu kính để thay đổi đường truyền của các bức xạ điện từ, thông qua hiện tượng khúc xạ, tạo ra ảnh rõ nét của vật thể ở xa.

Một trong các kính viễn vọng khúc xạ đầu tiên do Galileo (1564–1642) chế tạo, sử dụng một vật kính, là thấu kính hội tụ để gom các tia sáng vào một mặt phẳng cách thấu kính hội tụ một khoảng được gọi là tiêu cự. Ánh sáng bị khúc xạ tạo ra một ảnh rất nhỏ của một vì sao hay hành tinh. Kế tiếp, ảnh đi qua thị kính, trong kính của Galileo là thấu kính phân kì. Hiện nay, ảnh đi qua vật kính còn được phóng đại qua thị kính là một thấu kính hội tụ.

Kính viễn vọng khúc xạ có trở ngại chính là sự tán sắc. Vì thủy tinh hay các vật liệu làm thấu kính có chiết suất khác nhau cho các bước sóng bức xạ điện từ khác nhau. Ví dụ, trong kính viễn vọng quang học hoạt động với cơ chế khúc xạ, điều này khiến hình ảnh vật ở xa, ví dụ một vì sao hoặc một hành tinh, được bao quanh bởi những vòng tròn có màu sắc khác nhau.

Kính viễn vọng phản xạ

Sơ đồ một kiểu kính viễn vọng phản xạ quang học

Kính viễn vọng phản xạ hoạt động dựa trên sự tảo ảnh của vật ở xa bằng các gương, thông qua hiện tượng phản xạ các bức xạ điện từ.

Một trong các kính viễn vọng phản xạ đầu tiên do nhà thiên văn người Scotland James Gregory phát minh năm 1663, dùng một mặt gương lõm hội tụ thay vì thấu kính hội tụ để thu gom ánh sáng tới tạo ảnh. Ảnh có thể được thu thập hay được phóng đại thêm qua các gương phụ trợ.

Kính viễn vọng phản xạ có ưu điểm lớn là tránh hiện tượng tán sắc.

Với mọi kính viễn vọng, số photon thu được tỷ lệ thuận với diện tích phần thu (gương đối với kính viễn vọng phản xạ và thấu kính với kính viễn vọng khúc xạ). Đồng thời độ phân giải tỷ lệ với đường kính của phần thu. Ví dụ, khi dùng gương có bán kính gấp đôi, khả năng thu gom ánh sáng lên gấp bốn lần và độ phân giải tăng hai lần. Việc tăng kích thước gương có thể được thực hiện dễ dàng hơn so với tăng kích thước thấu kính. Đây cũng là ưu điểm của kính viễn vọng phản xạ.

Đa số các kính viễn vọng ngày nay, có đường kính cỡ từ vài chục xentimét trở lên, phục vụ cho quan sát thiên văn, đều là kính viễn vọng phản xạ.

Kính viễn vọng quang phổ

Quang phổ học (spectroscopy) là môn nghiên cứu các phổ (spectrum, số nhiều spectra) của vật chất, dựa trên cơ sở là mỗi nguyên tố hóa học có một phổ đặc trưng. Điều này có thể quan sát được qua hệ thống kính quang phổ, trong đó các tia sáng đi qua một khe hẹp, đến thấu kính chuẩn trực (collimating lens) được chỉnh thành những tia sáng song song, đi qua một lăng kính (prism), sau đó được phân tích và qua một kính lấy nét (focusing lens) ở thị kính. Qua kính quang phổ, có thể thấy một chuỗi những hình ảnh, mỗi hình ảnh có một màu khác nhau, vì ánh sáng đã được phân tích qua những phổ màu khác nhau.

Kính quang phổ thường tách ánh sáng thành những dải màu tiếp nối nhau, với nhiều đường sậm chạy ngang được gọi là đường Fraunhofer. Mỗi tổ hợp các đường sậm tương ứng với một nguyên tố của vì sao đã hấp thụ những màu bị mất đi. Ví dụ: nguyên tố H cho một đường đỏ sậm, Na cho một cặp đường vàng sậm, Fe cho những đường của hầu hết các màu. Mỗi nguyên tố trong tầng khí quanh vì sao tạo nên những đường phổ đậm đặc trưng, tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí. Vì thế, có thể quan sát những phổ của hàng trăm ngàn vì sao.

Phân tích quang phổ của ánh sáng chiếu từ một vì sao cho phép phân tích thành phần hóa học của vì sao này. Ví dụ: nguyên tố helium được khám phá trên Mặt Trời nhiều năm trước khi được tìm thấy trên Trái Đất. Gần đây, nghiên cứu quang phổ của Mặt Trời cho thấy chứng cứ vững chắc về sự hiện diện của ion hydrogen âm. Vì thế, nghiên cứu quang phổ của các vì sao đã cung cấp nhiều tư liệu quý giá. Ví dụ, các tinh vân (nebula) cho thấy một nguyên tố mới, tạm thời được đặt tên là nebulium, không có trên Trái Đất. Sau đó vào năm 1927, vạch quang phổ này đã được xác định là của ion Oxy dương 2. Cũng nhờ nghiên cứu quang phổ các vòng quanh Sao Thổ, được biết các vòng này chủ yếu tạo thành bởi những mảnh băng ammonia. Quang phổ học cũng đã được ứng dụng để phân tích thành phần hóa học khí quyển của Mộc Tinh sau khi sao chổi Shoemaker-Levy 9 va đập vào.

Quang phổ học cũng giúp khám phá những thiên thể ở rất xa. Ví dụ: các phổ của một vài vì sao ở xa thỉnh thoảng bị tách rời nhau, rồi sau đó hợp lại. Hiệu ứng này là do sự hiện diện của vì sao đôi, quay gần nhau đến đỗi một kính viễn vọng thông thường không thể phân biệt được.

Các đường phổ dịch chuyển vị trí khi nguồn ánh sáng di chuyển tiến gần hoặc rời xa thiết bị quan sát. Sự dịch chuyển này giúp tính toán khá chính xác vận tốc tương đối của bất kỳ nguồn phát xạ nào. Nói chung, nếu mọi đường phổ của một vì sao dịch chuyển về phía màu đỏ, vì sao đó đang rời xa Trái Đất, và vận tốc có thể được tính toán từ mức độ dịch chuyển. Ngược lại, khi vì sao đang tiến gần Trái Đất, phổ dịch chuyển về phía màu tím. Qua cách này, có kết luận dẫn đến thuyết vũ trụ giãn nở.

Ống dòm

Ống nhòm, còn gọi là ống ngắm hay con mắt xa, là một hệ hai kính viễn vọng quang học được gắn cạnh nhau và cùng hướng, cho phép người quan sát đặt cả hai mắt để quan sát các vật ở xa. Cấu tạo gồm vật kính, thị kính và thường có thêm hệ thống lăng kính. Vật kính bao gồm một thấu kính hội tụ, thị kính là thấu kính hội tụ có tiêu cự nhỏ nhất nhưng sẽ làm hình ảnh bị ngược nên cần thêm lăng kính đảo ảnh, còn đơn giản hơn là thị kính làm từ thấu kính phân kì có kích thước nhỏ nhất để làm thị kính mà không bị đảo ảnh với chi phí thấp. Có nhiều loại ống nhòm được dùng phổ biến trong thiên văn, trong săn bắn, quân sự và đời sống.

Cấu tạo

Kính lúp

Kính lúp, hay kiếng lúp, là một thấu kính hội tụ thường được dùng để khuếch đại hình ảnh. Nó có đường kính từ vài cm đến khoảng vài chục cm, thường được bảo vệ bởi một khung, có thể có thêm tay cầm. Nó là dạng đơn giản nhất của kính hiển vi.

Tập tin:Kính lúp.JPG

Kính lúp hoạt động nhờ tạo ra một ảnh ảo nằm đằng sau kính, cùng phía với vật thể cần phóng đại. Để thực hiện được điều này, kính phải đặt đủ gần vật thể, để khoảng cách giữa vật và kính nhỏ hơn tiêu cự của kính.

Một số kính có tấm bảo vệ gập lại được khi không dùng, tránh việc xây xước mặt kính. Một số kính được chế tạo giống như thấu kính Fresnel, để giảm độ dày xuống như một miếng thẻ, gọi là thẻ lúp.

Kính lúp thường phục vụ trong việc đọc chữ hay quan sát các vật thể nhỏ, và dùng trong một số thí nghiệm khoa học đơn giản ở các trường học. Nó cũng từng là biểu tượng cho các chuyên gia trinh thám, khi họ dùng kính lúp để quan sát dấu vết tội phạm.

Kính hiển vi

Kính hiển vi là một thiết bị dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra các hình ảnh phóng đại của vật thể đó. Kính hiển vi có thể gấp độ phóng đại bình thường lên từ 40 - 3000 lần. Kỹ thuật quan sát và ghi nhận hình ảnh bằng các kính hiển vi được gọi là kỹ thuật hiển vi (microscopy). Ngày nay, kính hiển vi có thể bao gồm nhiều loại từ các kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến, cho đến các kính hiển vi điện tử, hay các kính hiển vi quét đầu dò, hoặc các kính hiển vi phát xạ quang... Kính hiển vi được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như vật lý, hóa học, sinh học, khoa học vật liệu, y học và được phát triển không chỉ là công cụ quan sát mà còn là một công cụ phân tích mạnh.