Hấp thụ photon là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hấp thụ photon

Hấp thụ photon là quá trình trong đó năng lượng của một photon được chuyển giao cho vật chất, khiến hệ vật lý (nguyên tử, phân tử, mạng tinh thể) chuyển từ trạng thái năng lượng thấp hơn lên trạng thái năng lượng cao hơn. Về bản chất, đây là cơ chế vi mô định lượng, trong đó điều kiện cộng hưởng năng lượng phải thỏa mãn để xảy ra chuyển tiếp điện tử, dao động hoặc quay. Các mô tả nền tảng về hấp thụ ánh sáng và trạng thái lượng tử có thể tham khảo ở tài liệu bách khoa và chuyên khảo uy tín như Encyclopaedia Britannica và các giáo trình quang học chất rắn Britannica, Oxford University Press.

Khái niệm này là nền tảng cho quang phổ học, năng lượng mặt trời, cảm biến quang và sinh học quang học. Khi photon bị hấp thụ, hệ có thể giải phóng năng lượng về sau qua phát xạ (huỳnh quang, lân quang), chuyển hóa nhiệt hoặc tạo điện tích tự do (quang dẫn). Mỗi kênh thoái hóa này mang thông tin về cấu trúc và động học của hệ, cho phép thiết kế thiết bị tối ưu theo mục tiêu ứng dụng (chẳng hạn tăng hiệu suất tế bào quang điện hoặc tối ưu độ nhạy cảm biến).

• Đặc trưng cơ bản: chọn lọc theo bước sóng, phụ thuộc cấu trúc mức năng lượng.
• Hệ quả thực nghiệm: phổ hấp thụ có “vạch/hố” tại những năng lượng cho phép.
• Ứng dụng cốt lõi: định tính/định lượng vật chất, chuyển đổi quang–điện, chuẩn đo nồng độ.

Cơ chế vật lý ở cấp vi mô

Ở cấp độ lượng tử, hấp thụ xảy ra khi năng lượng photon khớp chênh lệch mức năng lượng của hệ: $\Delta E = E_f - E_i = h \nu = \frac{hc}{\lambda}$. Với nguyên tử và phân tử, các mức năng lượng là rời rạc; với chất rắn, hấp thụ gắn với đường bao dải năng lượng (band structure) và hệ số mật độ trạng thái. Quy tắc chọn lọc (selection rules) chi phối xác suất chuyển tiếp, dẫn tới cường độ hấp thụ khác nhau ở từng bước sóng.

Ma trận chuyển tiếp lưỡng cực điện tử quyết định độ mạnh hấp thụ; khi phần tử ma trận khác 0, chuyển tiếp được phép và biểu hiện rõ trên phổ. Trong chất rắn bán dẫn, hấp thụ tại mép vùng cấm liên quan đến tạo cặp điện tử–lỗ trống; trong phân tử, chuyển tiếp π→π* hoặc n→π* là điển hình. Các cơ chế ghép spin–quỹ đạo, tương tác vibronic (điện tử–dao động) và môi trường (dung môi, mạng tinh thể) làm “nhoè” phổ, tạo băng hấp thụ rộng thay vì vạch sắc nét.

Thông số động học hấp thụ được mô tả qua tiết diện hấp thụ $\sigma(\nu)$ và hệ số hấp thụ $\alpha(\nu)$. Mối liên hệ thực nghiệm trong môi trường loãng được nêu bởi định luật Beer–Lambert với hệ số tắt mol: $A(\lambda) = \varepsilon(\lambda)\, c\, l = \log_{10}\!\left(\frac{I_0}{I}\right)$. Các hướng dẫn thực hành và giới hạn áp dụng có thể xem tại Chemguide và các tài liệu đo quang phổ UV–Vis Chemguide, NIST.

Phân loại hiện tượng hấp thụ

Phân loại theo bản chất mức năng lượng cho phép phân rã quang phổ học thành các miền bước sóng với cơ chế chi phối khác nhau. Ở vùng tử ngoại–khả kiến, hấp thụ chủ yếu do chuyển tiếp điện tử; ở hồng ngoại trung bình, do chuyển mức dao động; ở vi sóng, do chuyển mức quay phân tử. Trong vật liệu rắn, ngoài các chuyển tiếp nội dải và liên dải, còn có hấp thụ do tạp, exciton, plasmon và phonon–polaritons.

Miền phổ	Cơ chế trội	Ví dụ điển hình	Ứng dụng
UV–Vis (200–800 nm)	Điện tử ($\pi\to\pi^*,\, n\to\pi^*$; liên dải)	Phân tử hữu cơ màu, mép vùng cấm bán dẫn	Định lượng UV–Vis, pin mặt trời
IR (2.5–25 μm)	Dao động nội/phân tử	Dao động C=O, O–H, N–H	Định danh nhóm chức (FTIR)
Vi sóng (mm–cm)	Quay phân tử	Quay H2O, NH3	Quan trắc khí quyển, thiên văn
THz/Phonon	Dao động mạng, phonon	Phonon tinh thể ion	Quang phổ vật liệu, an ninh

Trong hệ đa photon hoặc cường độ trường mạnh, hấp thụ có thể phi tuyến: hai hoặc nhiều photon đồng thời cung cấp năng lượng cần thiết cho chuyển tiếp (two-photon absorption). Hiệu ứng này cho phép kích thích ở bước sóng dài hơn, tăng độ xuyên thấu trong mô sinh học, và là nền tảng của hiển vi hai photon cũng như ghi khắc quang phi tuyến trong vật liệu Optica.

Đặc trưng quang học kèm theo hấp thụ

Độ hấp thụ thực nghiệm được biểu diễn qua truyền qua $T = I/I_0$, hệ số suy hao và chiết suất phức $\tilde{n} = n + i\kappa$, trong đó $\alpha = 4\pi\kappa/\lambda$. Ở cấp vật liệu, phổ hấp thụ là “dấu vân tay” cấu trúc, dùng để suy ra khe năng lượng hiệu dụng, mật độ trạng thái và các tham số ghép dao động–điện tử. Trong dung dịch loãng, định luật Beer–Lambert hợp lệ trong phạm vi nồng độ mà không có tán xạ đáng kể; ở nồng độ cao hoặc môi trường đục, tán xạ và tương tác giữa phân tử khiến A lệch tuyến tính, đòi hỏi hiệu chỉnh hoặc kỹ thuật đo thay thế.

Thực hành đo quang phổ yêu cầu hiệu chuẩn đường nền, kiểm soát chiều dày cuvet, bù tán xạ và lựa chọn cửa sổ phổ phù hợp. Các sai số hệ thống thường gặp gồm trôi nguồn sáng, nhiễu detector, ánh sáng ký sinh và lỗi căn chỉnh. Những yếu tố này phải được kiểm soát để mô hình hóa chính xác hằng số quang học và chuyển đổi sang tham số vật lý có ý nghĩa.

Ký hiệu	Đại lượng	Định nghĩa	Lưu ý đo lường
$A$	Độ hấp thụ	$A=\log_{10}(I_0/I)$	Yêu cầu đường nền và cuvet chuẩn
$\varepsilon$	Hệ số tắt mol	$A=\varepsilon c l$	Phụ thuộc bước sóng và môi trường
$\alpha$	Hệ số hấp thụ	$I=I_0 e^{-\alpha l}$	Liên hệ với $\kappa$ và $\lambda$
$\sigma$	Tiết diện hấp thụ	Xác suất vi mô hấp thụ	Liên quan nồng độ tâm hấp thụ

Ứng dụng trong công nghệ và nghiên cứu

Hấp thụ photon là cơ sở vận hành của hàng loạt thiết bị và kỹ thuật phân tích trong khoa học, công nghệ và y học. Trong năng lượng mặt trời, quá trình này là bước khởi đầu để chuyển đổi năng lượng bức xạ thành dòng điện. Photon bị hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tạo ra cặp điện tử – lỗ trống; dưới tác dụng của điện trường bên trong hoặc mạch ngoài, các điện tích này được tách và thu dòng điện. Hiệu suất hấp thụ phụ thuộc vào khe năng lượng (bandgap) và hệ số hấp thụ quang của vật liệu, ví dụ silicon đơn tinh thể, perovskite hay chất bán dẫn hữu cơ.

Trong công nghệ cảm biến quang, hấp thụ photon được khai thác để phát hiện sự hiện diện hoặc nồng độ chất. Cảm biến UV-Vis dùng trong phân tích hóa học dựa vào định luật Beer–Lambert để xác định nồng độ chất tan từ độ hấp thụ tại bước sóng đặc trưng. Các cảm biến hồng ngoại hấp thụ (IR sensors) phát hiện khí nhà kính hoặc hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dựa vào vạch hấp thụ dao động–quay đặc trưng của từng phân tử.

Trong y sinh học, kỹ thuật quang phổ hấp thụ được ứng dụng để đo nồng độ oxy trong máu (pulse oximetry), định lượng hemoglobin, và theo dõi phản ứng quang động (photodynamic therapy). Trong kỹ thuật hình ảnh, hấp thụ photon cũng là nguyên tắc vận hành của chụp cắt lớp quang học (OCT), nơi ánh sáng hồng ngoại gần bị hấp thụ và tán xạ trong mô sinh học để tái tạo hình ảnh cắt lớp.

Ưu điểm và hạn chế của cơ chế hấp thụ photon

Ưu điểm nổi bật của phép đo hấp thụ photon là tính không phá hủy mẫu, độ nhạy cao và khả năng chọn lọc bước sóng. Phương pháp quang phổ hấp thụ có thể cung cấp thông tin định tính (xác định cấu trúc hóa học, nhóm chức) và định lượng (nồng độ chất) với độ chính xác cao khi điều kiện đo được kiểm soát tốt. Bên cạnh đó, thiết bị đo thường gọn nhẹ, thời gian phân tích nhanh và có thể tự động hóa.

Tuy nhiên, cơ chế hấp thụ photon cũng có các hạn chế. Trong môi trường đục hoặc có tán xạ mạnh, ánh sáng bị suy giảm không chỉ do hấp thụ mà còn do tán xạ, gây sai lệch phép đo. Ở nồng độ cao, hiệu ứng “tự lọc” (self-absorption) làm định luật Beer–Lambert mất tính tuyến tính. Ngoài ra, khi phổ hấp thụ của các thành phần trong mẫu chồng lấn nhau, cần áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu hoặc phương pháp tách chọn lọc để phân giải đóng góp của từng chất.

• Ưu điểm: không phá hủy, độ nhạy cao, thiết bị đơn giản, có thể áp dụng tại chỗ.
• Hạn chế: ảnh hưởng bởi tán xạ, giới hạn nồng độ, phổ chồng lấn cần xử lý bổ sung.

Hiện tượng liên quan và tác động của môi trường

Quá trình hấp thụ photon thường song song với các cơ chế quang học khác như tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, phát xạ huỳnh quang và lân quang. Trong một số vật liệu, cạnh hấp thụ có thể bị dịch chuyển do nhiệt độ (bandgap shrinkage), áp suất, hoặc môi trường hóa học. Sự tương tác với dung môi, đặc biệt trong hệ phân tử, dẫn tới dịch chuyển đỏ (red shift) hoặc dịch chuyển xanh (blue shift) trong phổ hấp thụ.

Trong hệ có mật độ photon cao, các hiệu ứng phi tuyến như bão hòa hấp thụ (saturable absorption) xuất hiện, trong đó độ hấp thụ giảm khi cường độ ánh sáng tăng vượt ngưỡng. Hiệu ứng này được khai thác trong tạo xung ngắn laser (mode-locking) với các vật liệu như graphene hoặc các chấm lượng tử (quantum dots).

Mô hình hóa và tính toán hấp thụ

Việc mô hình hóa quá trình hấp thụ photon đòi hỏi kết hợp lý thuyết lượng tử và quang học cổ điển. Mức độ hấp thụ có thể tính từ phương trình sóng điện từ trong môi trường hấp thụ (Maxwell equations với chiết suất phức) hoặc từ nguyên lý Fermi's Golden Rule cho xác suất chuyển tiếp lượng tử. Tiết diện hấp thụ $\sigma$ liên hệ với hệ số hấp thụ qua $\alpha = N \sigma$, với N là mật độ tâm hấp thụ.

Trong vật liệu bán dẫn, hệ số hấp thụ α(E) được mô tả bằng mô hình Tauc cho vùng cấm gián tiếp và trực tiếp: $(\alpha h\nu)^{1/n} \propto (h\nu - E_g)$, với n = 2 cho vùng cấm gián tiếp và n = 1/2 cho vùng cấm trực tiếp. Việc trích xuất E_g từ đồ thị Tauc là phương pháp phổ biến trong nghiên cứu quang học chất rắn.

Tiêu chuẩn và quy trình đo lường

Để đảm bảo kết quả đo hấp thụ photon đáng tin cậy, các tổ chức như ISO và NIST đã ban hành tiêu chuẩn và hướng dẫn. Các quy trình này bao gồm chuẩn hóa nguồn sáng, detector, cuvet, và xử lý dữ liệu. Đối với phép đo trong môi trường công nghiệp hoặc nghiên cứu, việc ghi nhận điều kiện đo (nhiệt độ, áp suất, bước sóng, cấu hình quang học) là bắt buộc để so sánh kết quả giữa các phòng thí nghiệm.

Danh mục tài liệu tham khảo

• Encyclopaedia Britannica – “Absorption of light” Link.
• Chemguide – “The Beer-Lambert Law” Link.
• Fox, M. – Optical Properties of Solids, Oxford University Press, 2nd ed., 2010.
• Saleh, B.E.A., Teich, M.C. – Fundamentals of Photonics, Wiley, 3rd ed., 2019.
• NIST – “Optical Properties” Link.
• Boyd, R.W. – Nonlinear Optics, Academic Press, 4th ed., 2020.