1

Promieniowanie elektromagnetyczne

(fala elektromagnetyczna)

Cd

Przypomnienie

Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np.
fotonów, czy elektronów) polegaj

ą

ca na przejawianiu, w zale

ż

no

ś

ci

od sytuacji, wła

ś

ciwo

ś

ci falowych (dyfrakcja, interferencja) lub

korpuskularnych (dobrze okre

ś

lona lokalizacja, p

ę

d).

Więcej na http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=497

Promieniowanie elektromagnetyczne

(fala elektromagnetyczna)

jest to rozchodz

ą

ce si

ę

w przestrzeni zaburzenie pola

elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali
poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna
s

ą

prostopadłe do siebie, a obie s

ą

prostopadłe do

kierunku rozchodzenia si

ę

promieniowania. Oba pola

indukuj

ą

si

ę

wzajemnie – zmieniaj

ą

ce si

ę

pole elektryczne

wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniaj

ą

ce si

ę

pole magnetyczne wytwarzazmienne pole elektryczne.

Ź

ródłem pola EM jest przyspieszaj

ą

cy lub hamuj

ą

cy

ładunek elektryczny. Najcz

ęś

ciej

ź

ródłem tego

promieniowania jest ładunek wykonuj

ą

cy drgania.

l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, a n częstotliwość

Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza

Promieniowanie elektromagnetyczne, cho

ć

jest fal

ą

,

jak wynika z równa

ń

Maxwella, jest równocze

ś

nie

strumieniem kwantów – fotonów.
Im mniejsza długo

ść

fali, tym bardziej ujawnia si

ę

cz

ą

steczkowa natura promieniowania

elektromagnetycznego.

http://www.walter-fendt.de/ph14pl/emwave_pl.htm

2

Własno

ś

ci promieniowania

• Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodz

ą

c si

ę

objawia

swe własno

ś

ci falowe zachowuj

ą

c si

ę

jak ka

ż

da fala, ulega

interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania.

• Rozchodzenie si

ę

fali w o

ś

rodkach silnie zale

ż

y od o

ś

rodków

oraz cz

ę

stotliwo

ś

ci fali. Fala rozchodz

ą

c si

ę

w o

ś

rodku

pobudza do drga

ń

cz

ą

steczki, atomy i elektrony zawarte w

o

ś

rodku, które s

ą ź

ródłami fal wtórnych, zmieniaj

ą

c tym samym

warunki rozchodzenia si

ę

fali w stosunku do pró

ż

ni.

• Powstawanie i pochłanianie promieniowania

elektromagnetycznego wi

ąż

e si

ę

ze zmian

ą

ruchu ładunku

elektrycznego.

• Własno

ś

ci promieniowania elektromagnetycznego silnie zale

żą

od długo

ś

ci fali (cz

ę

stotliwo

ś

ci promieniowania) i dlatego

dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze
wzgl

ę

du na jego cz

ę

stotliwo

ść

.

Granice poszczególnych zakresów promieniowania
elektromagnetycznego są umowne i nieostre. Dlatego
promieniowanie o tej samej długości może być nazywane
falą radiową lub mikrofalą - w zależności od
zastosowania. Graniczne promieniowanie gamma i
promieniowanie rentgenowskie rozróżnia się z kolei ze
względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej
określone są granice dla światła widzialnego. Są one
zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

* Fale radiowe - ze wzgl

ę

du na długo

ść

fali (czy te

ż

cz

ę

stotliwo

ść

) rozró

ż

nia si

ę

:

* fale radiowe ultrakrótkie - o długo

ś

ciach fal od 1 do 10

metrów (te s

ą

głównie stosowane w telewizji i radiofonii)

* fale radiowe - o długo

ś

ciach fal od 10 do nawet 2000

metrów. Mo

ż

na je dodatkowo podzieli

ć

na fale krótkie

(10 - 75 metrów),

ś

rednie (200 - 600 metrów) i długie

(1000 - 2000 metrów).

Natomiast fale, których długo

ść

jest wi

ę

ksza od 2000

metrów nie maj

ą ż

adnego zastosowania.

Bior

ą

c pod uwag

ę ś

rodowisko rozchodzenia si

ę

fali dzieli

si

ę

je na :

•fale przyziemne
•fale troposferyczne
•fale jonosferyczne
•fale w Kosmosie

3

2- Fale długie łatwo ulegają ugięciu czyli dyfrakcji i mogą stanowić falę długą przyziemną
3 – bądź odbijają się od warstwy D i w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego mają
najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia i roku.
4- Fale średnie odbijające się od warstwy E, mają o wiele większy zasięg w nocy, gdyż wtedy
zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane.
1 - Fale krótkie natomiast na Ziemi tworzą fala krótką falę przyziemną i odbijają się od warstw
F1 i F2 (5) oraz od powierzchni Ziemi i dzięki temu są słyszalne na bardzo dużym obszarze,
6 – fale ultrakrótkie i mikrofale nie ulegają odbiciu od jonosfery i uciekają w przestrzeń
kosmiczną.

DOLNA JONOSFERA I JEJ 4 WARSTWY
D (60-90 km), E (około 120 km),
F1 (180-240 km) i F2 (220-300 km)

* Mikrofale - s

ą

to fale o długo

ś

ciach fal od 1 milimetra do

1 metra.

Ź

ródłem takiego promieniowania mog

ą

by

ć

obwody z pr

ą

dem o wysokiej cz

ę

stotliwo

ś

ci. W sposób

celowy mikrofale wytwarzane s

ą

przez klistrony,

magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe

W oparciu o mikrofale działaj

ą

radary i kuchenki

mikrofalowe.
Pole mikrofalowe mo

ż

e w niekorzystny sposób

oddziaływa

ć

n organizmy

ż

ywe. Przede wszystkim

obserwuje si

ę

podwy

ż

szenie temperatury ciała, ogólne

zm

ę

czenie, bóle głowy , zaburzenia pami

ę

ci i apati

ę

. Do

takiej sytuacji mo

ż

e doj

ść

gdy

ś

rednia g

ę

sto

ść

strumienia mocy stacjonarnej mikrofal przekroczy
warto

ść

0,1 W/m . Warto

ść

ta uwa

ż

ana jest za graniczn

ą

dla strefy bezpiecze

ń

stwa.

* Podczerwie

ń

to promieniowanie o długo

ś

ciach fali

od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Dalszy
podział dzieli promieniowanie podczerwone na:

podczerwie

ń

blisk

ą

,

ś

rednia podczerwie

ń

i

dalek

ą

podczerwie

ń

. Promieniowanie to jest emitowane

przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez
lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone
jest odbierane przez narz

ą

dy zmysłów jako ciepło.

Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane s

ą

w

wielu gał

ę

ziach nauki i przemysłu m.in. w analizach

chemicznych. Promieniowanie podczerwone
emitowane przez ciała jest podstawa działalno

ś

ci

noktowizorów.

Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają fale o
długości 19 mm. Ciała o temperaturze do około
400°C wysyłają praktycznie tylko podczerwień.
Promieniowanie

podczerwone

jest

silnie

pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery
np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od
14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie
przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego
rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający
planetę przed zbytnim ochłodzeniem.

4

*

Ś

wiatło widzialne - obejmuje zakres fal o

długo

ś

ciach od 380 do 780 nanometrów.

Promieniowanie to wywołuje w ludzkim
oku wra

ż

enie widzenia. W zakresie tym

wyró

ż

nia si

ę

długo

ś

ci fal odpowiadaj

ą

ce

poszczególnym barwom od czerwieni
przez

pomara

ń

czowy,

ż

ółty,

zielony,

niebieski a

ż

do fioletowego. Dlatego

czasem obszar ten nazywa si

ę

obszarem

t

ę

czy.

A pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe

5

* Ultrafiolet - należą tu fale o długościach od 390 do 10
nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na ultrafiolet
bliski - czyli do około 190 nm i ultrafiolet daleki, który
obejmuj krótsze fale.

Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne.
Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest
zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg
reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym
chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie
ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm, a także powietrze,
które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe w
zakresie ultrafioletu dalekiego.

6

Promieniowanie rentgenowskie
obejmuje fale o długo

ś

ciach z

przedziału od 10 nm do 0.001 nm.
Przedział ten dodatkowo dzieli si

ę

na promieniowanie rentgenowskie
mi

ę

kkie , czyli to o dłu

ż

szych

falach oraz promieniowanie
rentgenowskie twarde, o mniejszej
długo

ś

ci fali. Promieniowanie

twarde cechuje si

ę

wi

ę

ksz

ą

przenikliwo

ś

ci

ą

.

Promieniowanie gamma - obejmuje
promieniowani elektromagnetyczne o
długościach mniejszych od 0.1 nm. Źródłem
tego promieniowania są wzbudzone atomy.

Źródła promieniowania gamma:
Reakcja rozpadu - jądra atomowe izotopów
promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co powoduje emisję
fotonu gamma.
Reakcja syntezy - dwa jądra atomowe zderzają się tworząc
nowe jądro i emitując foton gamma.
Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np elektronu i
pozytonu powoduje anihilację obu tych cząstek i emisję
dwóch fotonów gamma.
Kosmos (minimalne)

Promienie gamma mog

ą

słu

ż

y

ć

do sterylizacji sprz

ę

tu

medycznego, jak równie

ż

produktów spo

ż

ywczych. W

medycynie u

ż

ywa si

ę

ich w radioterapii (tzw. bomba

kobaltowa) do leczenia raka, oraz w diagnostyce np.
pozytonowa

emisyjna

tomografia

komputerowa.

Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w
przemy

ś

le oraz nauce, np. pomiar grubo

ś

ci gor

ą

cych

blach stalowych, pomiar grubo

ś

ci papieru, wysoko

ś

ci

ciekłego szkła w wannach hutniczych, w geologii
otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w
badaniach procesów przemysłowych (np. przeróbki
rudy miedzi).

7

Do powierzchni Ziemi dociera tylko światło widzialne z niewielkim marginesem promieniowania
nadfioletowego i podczerwonego oraz fale radiowe. Ponieważ odbiornik fal powinien mieć rozmiary
tego samego rzędu, co długość fali, ze zrozumiałych względów nie możemy być wyposażeni w
detektor fal radiowych. Nic dziwnego, że w toku ewolucji wykształciły się oczy odbierające ten
właśnie zakres. W pozostałych zakresach na powierzchni Ziemi panuje bowiem ciemność.

Krzywe spektralne i wykorzystanie w
praktyce

to, jaka cz

ęść

promieniowania ulega odbiciu, jaka

absorpcji, a jaka transmisji zale

ż

y od wła

ś

ciwo

ś

ci obiektu

i długo

ś

ci fali promieniowania. Charakterystyka

współczynnika odbicia w zale

ż

no

ś

ci od długo

ś

ci fali

stanowi tzw. krzyw

ą

spektraln

ą

.

http://home.agh.edu.pl/~awrobel

8

Oko jako spektrofotometr

Źródło :www.atm.edu.pl

Każdy przedmiot w otaczającym nas świecie w charakterystyczny dla siebie
sposób oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Oznacza to, że w
specyficzny sposób pochłania, rozprasza, odbija lub przepuszcza to
promieniowanie elektromagnetyczne. Można więc każdy z tych przedmiotów
opisać w sposób graficzny odpowiednim widmem spektralnym, które jest
wyjątkową cechą, podobnie jak linie papilarne u człowieka. Jako przykład warto
tutaj przedstawić widma odbiciowe czerwonego jabłka

Źródło :www.atm.edu.pl

Oko jako spektrometr

Różne źródła światła

Źródło :www.atm.edu.pl

Zakres przydatno

ś

ci (spektrometr)

http://home.agh.edu.pl/~awrobel

9

spektrometr

http://home.agh.edu.pl/~awrobel

http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect13/Sect13_4.html

Różnice krzywej spektralnej gleby spowodowane różnym stopniem jej uwilgocenia

http://home.agh.edu.pl/~awrobel

Obraz taki możemy nazwać obrazem wielospektralnym.

Nazwa ta oznacza, i składa się on z wielu obrazów

składowych zarejestrowanych w różnych fragmentach

spektrum elektromagnetycznego.

10

Przekształcenia zwane indeksami wegetacji.

Opierają się one na wielkości odbicia spektralnego w kanałach czerwonym i

podczerwonym. W tych dwóch kanałach następuje szczególne oddziaływanie

pomiędzy wegetacją a promieniowaniem elektromagnetycznym.

Odbicie w kanale czerwonym jest niskie ze względu na absorpcję

promieniowania w cząsteczkach chlorofilu. W kanale podczerwonym

natomiast warto współczynnika odbicia jest wysoka, ze wzglądu na strukturę

liści.

Jednym z najczęściej stosowanych indeksów wegetacji jest NDVI
(Normalized Difference Vegetation Index – Znormalizowany Rónicowy
Indeks Wegetacji).
Posiada on następującą postać:
NDVI = (NIR-RED)/(NIR+RED),
gdzie
NIR – kanał podczerwony,
RED – kanał czerwony.

http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect3/Sect3_2.html

www.fas.org

11