Nhiệt độ không chỉ là một con số miêu tả độ nóng lạnh. Trong vật lý học đặc biệt là vật lý nhiệt và thiên văn học, nhiệt độ có thể tiết lộ cấu trúc với bản chất thậm chí là tuổi đời của một vật thể. Để làm được điều đó, các nhà khoa học phải dựa vào định luật bức xạ nhiệt. Trong số đó, định luật Wien là một trong những nguyên lý nền tảng giúp liên hệ giữa nhiệt độ cùng bước sóng phát xạ của vật thể. Dù ra đời từ cuối thế kỷ 19, định luật này vẫn có sức ảnh hưởng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực hiện đại.
Nội dung định luật Wien
Định luật Wien phát biểu rằng bước sóng tại cực đại của bức xạ nhiệt phát ra từ một vật đen lý tưởng có quan hệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật đó. Nói cách khác khi nhiệt độ của vật tăng bước sóng phát xạ cực đại dịch chuyển về phía ngắn hơn trong phổ điện từ.
Về mặt định tính có nghĩa là vật càng nóng thì phát ra ánh sáng có năng lượng cao hơn, màu sắc sáng hơn thiên về phía tím hay xanh lam. Vật lạnh hơn thì bức xạ chủ yếu nằm ở vùng hồng ngoại hay ánh sáng đỏ.
Giải thích hiện tượng theo định luật Wien
Để dễ hình dung hãy tưởng tượng quá trình nung nóng một thanh sắt. Lúc đầu thanh sắt không phát ra ánh sáng thấy được. Khi nóng dần nó chuyển sang màu đỏ rồi vàng cam sau cùng là trắng sáng. Mỗi giai đoạn tương ứng với một nhiệt độ nhất định với bước sóng ánh sáng cực đại khác nhau. Chính là biểu hiện thực tế của định luật Wien.
Đặc biệt đúng đối với các vật phát xạ gần với vật đen lý tưởng. Vật đen là một mô hình lý tưởng hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ cũng phát xạ tối ưu nhất theo nhiệt độ. Trong thực tế, các vật thể như Mặt Trời, lò nung, bóng đèn dây tóc hay thậm chí là con người đều phát ra bức xạ nhiệt gần giống vật đen tuân theo định luật Wien trong nhiều điều kiện.
Ứng dụng trong thiên văn học
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của định luật Wien là trong việc xác định nhiệt độ bề mặt các ngôi sao. Khi quan sát phổ ánh sáng của một ngôi sao, các nhà thiên văn học có thể xác định bước sóng ánh sáng mạnh nhất mà nó phát ra. Từ đó sử dụng định luật Wien, họ tính được nhiệt độ bề mặt của sao.
Ví dụ Mặt Trời có bước sóng phát xạ cực đại khoảng 500 nanomet nằm trong vùng ánh sáng xanh lục. Từ bước sóng này người ta tính được nhiệt độ bề mặt Mặt Trời khoảng 5778 Kelvin. Một ngôi sao xanh như Sirius có cực đại bức xạ ở bước sóng ngắn hơn cho thấy nhiệt độ bề mặt cao hơn nhiều so với Mặt Trời. Ngược lại các sao đỏ như Betelgeuse có nhiệt độ thấp hơn bức xạ mạnh nhất trong vùng ánh sáng đỏ hay hồng ngoại.
Định luật Wien cũng giúp các nhà khoa học nghiên cứu các vật thể lạnh như hành tinh, đám mây bụi vũ trụ hay các thiên thể phát ra bức xạ chủ yếu ở vùng hồng ngoại. Dù không thấy được bằng mắt thường nhưng nhờ định luật này và các kính thiên văn hồng ngoại chúng ta vẫn có thể khám phá chúng một cách hiệu quả.
Vai trò trong kỹ thuật đời sống
Ngoài thiên văn học định luật Wien còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, công nghệ. Trong lĩnh vực đo nhiệt độ không tiếp xúc, các thiết bị như camera hồng ngoại hay cảm biến nhiệt đều vận hành dựa trên nguyên lý bức xạ nhiệt với định luật Wien. Chúng phân tích phổ phát xạ của vật thể từ đó tính ra nhiệt độ mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Trong công nghệ vật liệu với luyện kim, việc đo nhiệt độ chính xác của kim loại trong lò nung là điều cực kỳ quan trọng. Nhờ định luật Wien các hệ thống đo bằng quang học có thể theo dõi liên tục sự thay đổi nhiệt độ theo màu sắc phát sáng của kim loại.
Đối với khoa học môi trường định luật này cũng giúp đo nhiệt độ của bề mặt Trái Đất, đại dương với băng tuyết thông qua vệ tinh. Từ đó các nhà khoa học có thể giám sát sự nóng lên toàn cầu, sự tan băng cùng các thay đổi khí hậu một cách chính xác.
Hạn chế cùng mối liên hệ với các định luật khác
Dù rất hữu ích định luật Wien có giới hạn nhất định. Nó chỉ mô tả được vị trí bước sóng cực đại chứ không nói rõ cường độ bức xạ tại các bước sóng khác. Để mô tả đầy đủ hơn phổ phát xạ nhiệt, định luật Planck ra đời sau đó đã khắc phục hạn chế này. Tuy nhiên định luật Wien vẫn có lợi thế ở chỗ đơn giản dễ tính toán cung cấp cái nhìn trực quan nhanh chóng.
Nó cũng liên hệ chặt chẽ với định luật Stefan-Boltzmann mô tả tổng năng lượng phát xạ theo nhiệt độ lũy thừa bốn. Trong khi định luật Wien cho biết bức xạ dồn về bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng, định luật Stefan-Boltzmann cho thấy tổng năng lượng phát ra cũng tăng rất mạnh chứng tỏ sự phụ thuộc sâu sắc của bức xạ vào nhiệt độ.
Định luật Wien là một biểu tượng của sự đơn giản hiệu quả trong vật lý. Không chỉ cho ta hiểu về sự phát xạ nhiệt còn mở ra cánh cửa để khám phá vũ trụ chế tạo công nghệ mới với cả ứng dụng vào nhiều lĩnh vực đời sống. Dù đã hơn một thế kỷ trôi qua kể từ khi được phát hiện định luật này vẫn là một trong những viên gạch nền móng vững chắc của vật lý hiện đại.