Bóc cuộn băng dính hay cắn vỡ viên kẹo đường trong phòng tối mà thấy loé xanh là nhờ phát quang do ma sát (triboluminescence): khi vật liệu bị xé, bẻ, nghiền, hai mặt vừa tách mang điện tích trái dấu, và điện tích phóng qua khe hở nhỏ xíu làm khí nitơ trong không khí phát sáng. Ánh sáng này không do nhiệt, vật vẫn nguội. Nó yếu, phải tắt đèn và chờ mắt quen bóng tối mới thấy rõ.
Những cảnh bạn có thể đã gặp mà không để ý
- Kéo mạnh cuộn băng dính trong, băng keo đóng thùng trong phòng tối: dọc mép bóc có vệt sáng xanh tím chạy theo.
- Bóc lớp giấy che keo của phong bì tự dính, miếng dán, băng vệ sinh: chớp xanh mờ.
- Cắn hoặc đập vỡ cục đường phèn, viên kẹo cứng làm từ đường: loé sáng xanh trắng trong miệng hoặc dưới cối.
- Xé dải băng dính gai (khoá dán) trên áo khoác: vài đốm sáng li ti.
- Cọ mạnh hai viên đá thạch anh (sỏi trắng ở bờ suối) trong bóng tối: đốm sáng màu cam vàng ở chỗ cọ.
Đã có người quay được những cảnh này bằng máy ảnh phơi sáng lâu, nhưng mắt thường cũng đủ thấy nếu làm đúng cách. Hướng dẫn ở mục cuối bài.
Cơ chế: tách điện tích rồi phóng điện tí hon
Với phần lớn các trường hợp quen thuộc, lời giải thích được chấp nhận rộng rãi gồm ba bước:
- Tách: khi tinh thể nứt hoặc lớp keo bị bóc khỏi bề mặt, hai mặt vừa rời nhau không chia đều điện tích. Một mặt giữ dư electron, mặt kia thiếu. Với tinh thể đường, cấu trúc của nó không đối xứng, nên khi bị bẻ, mỗi mảnh vỡ mang sẵn một dấu điện tích khác nhau.
- Điện trường cực mạnh: khe hở giữa hai mặt chỉ rộng cỡ phần nghìn milimét trong khoảnh khắc đầu, nên dù lượng điện tích nhỏ, điện trường trong khe vẫn đủ lớn để xé không khí.
- Phóng điện: electron lao qua khe, va vào phân tử nitơ, đẩy chúng lên trạng thái kích thích. Khi rơi về, nitơ nhả ánh sáng tím và tử ngoại gần. Mắt ta thấy phần tím xanh.
Đây cũng là cơ chế của tia tĩnh điện khi cởi áo len hay lửa thánh Elmo, chỉ khác ở chỗ điện tích sinh ra ngay tại vết nứt. Không phải mọi trường hợp phát quang do ma sát đều đi theo đúng ba bước này: với một số tinh thể, ánh sáng đến từ chính vật liệu bị kích thích chứ không chỉ từ khí xung quanh. Giới nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu chi tiết cho từng loại.
Kẹo bạc hà: chất huỳnh quang "đổi màu" ánh sáng
Có một loại kẹo bạc hà vị lộc đề xanh (wintergreen) nổi tiếng ở Mỹ vì cắn trong tối loé sáng rõ hơn hẳn kẹo đường thường. Lý do là hương liệu của nó, methyl salicylate, là chất huỳnh quang. Phóng điện nitơ phát nhiều tử ngoại, mắt không thấy được; methyl salicylate hấp thụ phần tử ngoại đó rồi phát lại thành ánh sáng xanh lam mà mắt thấy rõ. Kẹo đường phèn bình thường thì chỉ cho ánh xanh tím mờ hơn.
Băng dính trong chân không phát ra tia X
Năm 2008, một nhóm nghiên cứu ở Đại học California, Los Angeles (UCLA) công bố trên tạp chí Nature rằng khi bóc cuộn băng dính trong buồng hút chân không, các electron được tăng tốc qua khe bóc mạnh đến mức va vào băng dính phát ra tia X, đủ để chụp ảnh xương ngón tay trong thí nghiệm của họ. Trong không khí bình thường thì không có chuyện đó: không khí làm phóng điện xảy ra sớm, ở điện áp thấp, nên chỉ có ánh sáng xanh. Bạn bóc băng dính ở nhà hoàn toàn an toàn.
Phân biệt các kiểu "phát sáng mà không nóng"
Tiếng Việt hay gọi chung là "phát quang", nhưng nguồn năng lượng mỗi loại một khác:
| Tên | Năng lượng lấy từ đâu | Ví dụ quen |
|---|---|---|
| Phát quang do ma sát | Cơ học: bẻ, xé, nghiền, cọ | Băng dính, đường phèn, thạch anh |
| Huỳnh quang | Hấp thụ ánh sáng (thường tử ngoại), phát lại ngay | Áo trắng sáng xanh dưới đèn tím, bút dạ quang |
| Lân quang | Hấp thụ ánh sáng, nhả dần trong nhiều phút, nhiều giờ | Sao dạ quang dán trần, kim đồng hồ dạ quang |
| Phát quang hoá học | Phản ứng hoá học | Que phát sáng dùng trong lễ hội, đi câu đêm |
| Phát quang sinh học | Phản ứng hoá học trong sinh vật | Đom đóm, sinh vật phù du làm biển sáng |
| Bức xạ nhiệt (không phải phát quang) | Vật nóng lên | Dây tóc bóng đèn, than hồng, sắt nung đỏ |
Chỉ dòng cuối là cần nhiệt độ cao. Năm dòng trên đều là "ánh sáng lạnh". Hai viên thạch anh cọ vào nhau là trường hợp lẫn lộn: một phần ánh sáng là phát quang do ma sát, một phần do chỗ cọ nóng lên cục bộ rất nhanh.
Vì sao không thấy được ban ngày
Lượng ánh sáng phát ra cực ít. Trong phòng có đèn, mắt ta đang ở chế độ ban ngày, dùng tế bào nón, kém nhạy. Sau khoảng 10–20 phút trong bóng tối, mắt chuyển dần sang dùng tế bào que, nhạy hơn rất nhiều, và những chớp sáng yếu mới hiện ra. Đó là lý do bạn cần tắt đèn và kiên nhẫn chờ.
Cũng vì cường độ thấp, độ ẩm có ảnh hưởng. Ngày nồm, lớp ẩm trên bề mặt làm điện tích rò bớt trước khi kịp phóng, ánh sáng yếu đi. Ngày hanh khô là lúc dễ thấy nhất, giống như với tĩnh điện.
Ứng dụng và nghiên cứu
Hiện tượng này không chỉ là chuyện tò mò. Các nhà nghiên cứu vật liệu đang thử những lớp phủ phát quang khi bị va đập hoặc nứt, để làm cảm biến báo hư hỏng cho cầu, cánh máy bay, đường ống: chỗ nào nứt thì chỗ đó loé sáng. Hướng này vẫn chủ yếu ở phòng thí nghiệm. Ở chiều ngược lại, trong nhà máy xay bột, nghiền đường, người ta phải kiểm soát tĩnh điện và tia lửa nói chung vì bụi mịn lơ lửng có thể bắt lửa.
Hiểu lầm thường gặp
- "Đường phát sáng vì có phốt pho." Đường không chứa phốt pho. Ánh sáng chủ yếu đến từ khí nitơ trong không khí xung quanh vết nứt.
- "Loé sáng nghĩa là có lửa, có nhiệt." Phát quang do ma sát gần như không làm nóng vật. Băng dính, đường vẫn nguội.
- "Chỉ băng dính đắt tiền mới loé." Băng dính trong loại thường, băng keo đóng thùng đều loé. Quan trọng là bóc nhanh và đủ tối.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Chuẩn bị: một căn phòng tối hẳn (phòng tắm không cửa sổ là lý tưởng), một cuộn băng dính trong hoặc băng keo đóng thùng, vài cục đường phèn, một chiếc thìa inox, một túi nilon dày, một chiếc gương.
- Tắt đèn, ngồi yên trong bóng tối ít nhất 10 phút. Không nhìn điện thoại: một lần màn hình sáng là mắt phải thích nghi lại từ đầu.
- Băng dính: cầm cuộn băng dính sát mặt, bóc thật nhanh một đoạn dài. Nhìn vào chỗ băng rời khỏi cuộn. Bạn sẽ thấy vệt sáng xanh tím chạy dọc mép.
- Đường phèn: cho vài cục vào túi nilon, đặt trên bàn, dùng mặt lưng thìa ấn mạnh và miết để nghiền. Nhìn vào chỗ ấn. Mỗi lần tinh thể vỡ là một chớp sáng.
- Cắn kẹo trước gương: nếu muốn, có thể cắn một viên kẹo cứng làm từ đường, há miệng trước gương. Đừng dùng răng cắn đường phèn cục to hoặc đá: dễ mẻ răng.
- So sánh: làm lại các bước trên một ngày ẩm ướt và ghi lại xem ánh sáng mạnh hay yếu hơn.
Không đập đá thạch anh bằng búa trong nhà: mảnh đá văng rất sắc, dễ vào mắt. Nếu muốn thử thạch anh, cọ hai viên sỏi trắng vào nhau thật mạnh trong bóng tối, đeo kính bảo hộ hoặc kính mắt thường.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bóc băng dính trong tối lại thấy ánh sáng xanh?
Khi băng dính bị bóc, lớp keo và mặt dưới tách nhau mang điện tích trái dấu. Điện tích phóng qua khe hở cực nhỏ, làm khí nitơ trong không khí phát sáng màu xanh tím. Hiện tượng gọi là phát quang do ma sát.
Phát quang do ma sát là gì?
Là hiện tượng vật liệu phát sáng khi bị bẻ, xé, nghiền hoặc cọ xát, mà không cần nóng lên. Năng lượng đến từ tác động cơ học, thường thông qua sự tách điện tích ở vết nứt. Ví dụ quen nhất là băng dính, đường phèn và thạch anh.
Vì sao kẹo bạc hà cắn trong tối phát sáng rõ hơn kẹo thường?
Loại kẹo vị lộc đề xanh có hương liệu methyl salicylate là chất huỳnh quang. Nó hấp thụ phần tia tử ngoại mắt không thấy được trong phóng điện và phát lại thành ánh sáng xanh lam, nên ánh loé sáng rõ hơn hẳn.
Bóc băng dính có phát ra tia X nguy hiểm không?
Không. Thí nghiệm năm 2008 ở UCLA chỉ đo được tia X khi bóc băng dính trong buồng chân không. Trong không khí bình thường, phóng điện xảy ra ở điện áp thấp nên chỉ có ánh sáng nhìn thấy.
Phát quang do ma sát khác lân quang thế nào?
Phát quang do ma sát lấy năng lượng từ việc bẻ, xé vật liệu và chỉ loé trong khoảnh khắc đó. Lân quang thì hấp thụ ánh sáng trước rồi nhả dần trong nhiều phút hoặc nhiều giờ, như sao dạ quang dán trần nhà.
