BIOFIZYKA

WYKŁAD 2

Fale elektromagnetyczne i fale de Broglie'a (fale materii)

Fizycy znają trzy rodzaje fal:

- fale mechaniczne

- fale elektromagnetyczne

- fale materii (de Broglie'a)

Fala elektromagnetyczna jest również zaburzeniem przenoszącym energię, ale przechodzi przez próżnię, a więc nie wymaga obecności materii. Drganiom wokół położeń równowagi podlegają pola elektryczne (E) i magnetyczne (B).

Drgania pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego

są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali czyli fala

elektromagnetyczna jest falą poprzeczną.

Parametry charakteryzujące falę elektromagnetyczną

1. Prędkość rozchodzenia się fali c

Fala elektromagnetyczna przechodzi przez próżnię, nie wymaga obecności materii. Dochodzą do nas fale elektromagnetyczne z całej galaktyki.

C = 300 000 km/s = 3 · 10⁸ m/s

2. Długość fali

λ =

gdzie λ jest częstotliwością fali (ilość drgań na sekundę). Jednostką częstotliwości fali jest 1Hz = 1s^-1.

3. Kwant energii (foton)

Fala elektromagnetyczna, w sensie dualizmu korpuskularno-falowego, jest to zbiór cząstek (fotonów, kwantów energii) o masie zerowej które posiadają energię kinetyczną:

E = hV = h

Gdzie h jest stałą Plancka, h = 6,62 · 10^-34 J·s

Energię fotonu wyraża się zwykle w innych jednostkach energii zwanych elektronowoltami: 1 eV = 1,6· 10^-19 J.

Skala Plancka w tych jednostkach: h = 4,14 · 10^-15 eV · s

4. Masa i pęd fotonu

Równanie Einsteina stawia znak równości pomiędzy masą i energią.

E = mc²

Czyli h
= mc²

a zatem masa fotonu:

m =

pęd jest iloczynem masy i prędkości:

p = mc =

Wielkości kwantów:

1. Fale radiowe (FM) - 10^-7 eV

2. Mikrofale (MW) - 10^-5 eV

3. Podczerwień (IR) - 10^-2 eV

4. Światło (VIS) (1.8 - 2.9) eV

5. Ultrafiolet (UV) (2.9 - 124.2) eV

6. Rentgenowskie (Rg albo X) (124.2 eV - 124.2 keV)

7. Gamma (γ) - (keV - MeV)

Fale elektromagnetyczne różnią się długością fali i częstotliwością:

1. Fale radiowe - to fale metrowe i kilometrowe.

2. Mikrofale - to fale centymetrowe.

3. Podczerwień - to fale z zakresu długości 2mm do 800nm.

Podczerwień dzieli się na trzy podzakresy tj.: podczerwień bliską λ = 740 nm - 0.025 mm, podczerwień średnią λ = 0.0025 mm - 0.05 mm i podczerwień daleką λ = 0.05 - 2 mm.

4. Światło - to fale z zakresu 430 nm do 790 nm.

Czerwona 630 - 780 nm;

Pomarańczowa 590 - 630 nm;

Żółta 560 - 590 nm;

Zielona 490 - 560 nm;

Niebieska 440 - 490 nm;

Fioletowa 380 - 440 nm.

5. Ultrafiolet- to fale w zakresie od 400 nm do 10 nm. Zwykle dzieli się go na cztery zakresy:

UV - A 320 nm - 400 nm

UV - B 320 nm - 280 nm

UV - C 280 nm - 200 nm

UV - D 200 nm - 10 nm

6. Rentgenowskie - to fale o długości 10 nm - 0,1 nm (granice nieostre, zależą od napięcia przyłożonego do lampy).

7. Gamma - najkrótsze odkryte fale elektromagnetyczne.

Nazwa fal	Skrót polski	Częstotliwość	Długość	Skrót angielski
		3 - 30 Hz	10 - 100 tyś. Km	ELF
		30 - 300 Hz	1 - 10 tyś. Km	SLF
		300 Hz - 3 kHz	100 - 1000 km	VF, ULF
Fale myriametrów		3 - 30 kHz	10 - 100 km	VLF
Fale długie	DI, DF, D	30 - 300 kHz	1 -10 km	LF
Fale średnie	Śr, ŚF, Ś	300 kHz - 3 MHz	100 - 1000 m	MF
Fale krótkie	K	3 - 30 MHz	10 - 100 m	HF
Fale ultrakrótkie	UKF	30 - 300 MHz	1 - 10 m	VHF

Nazwa fal	Skrót polski	Częstotliwość	Długość	Skrót angielski
Mikrofale		3 - 30 GHz	1 dcm - 1 cm	SHF

5. Ultrafiolet

Odkryli w 1801 roku J. Ritter i W. H. Wollaston badając rozszczepione w pryzmacie światło słoneczne. Stwierdzili oni że światło słoneczne poza krańcem fioletowym zawiera fale które nie są rejestrowane przez oko ludzkie. Promieniowanie to powodowało zaczernienie chlorku srebra. Jednak dopiero H. Becquerel, który przeprowadził systematyczne badania promieniowania elektromagnetycznego nadał mu nazwę promieniowania elektromagnetycznego ultrafioletowego. Oko ludzkie reaguje na promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fali od 790 nm (czerwień) do 430 nm (fiolet). Promieniowanie o fali krótszej niż 430 nm, niewidzialne dla ludzkiego oka to ultra fiolet.

Źródłem UV jest promieniowanie elektromagnetyczne słońca.

Skład promieniowania słonecznego: UV (ultrafiolet) - 1%

VIS (widzialne) - 54% IR

Podczerwień - 45%

Sztucznym źródłem UV są lampy rtęciowe. Widmo par rtęci oprócz linii spektralnych z zakresu VIS zawiera linie z zakresu UV.

Palące się żelazo wysyła, oprócz promieniowania z zakresu widzialnego również promieniowanie UV.

Temperatura Słońca na powierzchni wynosi około 6000 K. zgodnie z prawem Wiena λ_max = 483 nm, co odpowiada barwie żółtej fal elektromagnetycznych.

---