Widmo fal elektromagnetycznych

Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych.

Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.

Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma.

Fale elektromagnetyczne

Fizyk James Clerk Maxwell prowadził badania nad polem elektrycznym i magnetycznym. W czasie swych obserwacji zauważył, że wokół przewodnika z prądem powstaje pole magnetyczne, czyli zmienne pole elektryczne powoduje powstanie pola magnetycznego. Również odwrotnie w zjawisku indukcji elektromagnetycznej zauważamy, że z kolei zmienne pole magnetyczne wywołuje pole elektryczne. Tak więc istnieje pole - pewna przestrzeń, w której obrębie cząstki oddziałują na siebie elektrycznie i magnetycznie. Maxwell nazwał je polem elektromagnetycznym. (opisał je również wzorami matematycznymi, określanymi jako "równania Maxwella"). Oddziaływani elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań (grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe). Możemy zaobserwować jeszcze jedną ciekawą rzecz, gdy pole elektromagnetyczne jest zmienne, to rozchodzi się w przestrzeni i to z wielką prędkością - 300 000 km/s (w próżni). Ten proces zachodzi falowo i jest określany jako fala elektromagnetyczna. Możemy ją interpretować jako nośnik drgań pola elektromagnetycznego miedzy dwoma punktami przestrzeni. Pod tym względem są one podobne do innych fal, np. mechanicznych. Ale mają też jedną zasadnicza różnicę, która je bardzo wyróżnia. Mianowicie do rozchodzenia się nie potrzebują ośrodka materialnego, gdyż mogą się rozchodzić nawet w próżni.

Fale elektromagnetyczne są wytwarzane albo w sposób naturalny, albo sztuczny przy udziale człowieka. Wszystkie fale elektromagnetyczne niezależnie od swojej długości i częstotliwości mają jednakową prędkość w próżni. Jednak tylko i wyłącznie w próżni. W innym ośrodku, fale różniące się długością, nie będą się rozchodzić z ta samą prędkością. Z kolei różnica częstotliwości fal elektromagnetycznych może być widoczna w czasie wytwarzania lub wykrywania promieniowania elektromagnetycznego. Dlatego też sklasyfikowano fale elektromagnetyczne w zależności głównie od zakresu ich długości w próżni, częstotliwości, właściwości i sposobów wytwarzania bądź detekcji (wykrywania). Kolejne zakresy tych fal tworzą tzw. widmo fal elektromagnetycznych. Jego cechą charakterystyczną są rozmyte granie między poszczególnymi zakresami jak również ograniczenie górne i dolne.

Widmo fal elektromagnetycznych składa się z:

(Kolejność od największej długości do najmniejszej. Pamiętamy również, że im dłuższa fala tym krótsza jej częstotliwość).

• Fale radiowe - długość fali ponad 10^{-4 m (0,1 mm).} Fale te bardzo mają bardzo szeroki zakres w widmie fal elektromagnetycznych. Dlatego podzielono je wewnętrznie na długie, średnie, krótkie i ultrakrótkie. Fale radiowe są nośnikiem dla programów radiowych i telewizyjnych, a także wszelkich innych sygnałów dźwiękowych. Najpierw są one przetwarzane przez nadajnik na odpowiednio modelowane drgania elektronów, które są emitowane przez antenę nadajnika w postaci fali radiowej. Gdy fala ta dotrze do anteny zbiorczej odbiornika, jest ponownie przekształcana na dźwięk lub obraz.

Charakterystyka podstawowych typów fal radiowych:

1. Fale ultradługie -[dł.100 tys. km-10 tys. km] -stosowane w radionawigacji, radiotelegrafii dalekosiężnej.

2. Fale długie [dł. 1 - 10 km] i średnie [dł. 100 - 1000 m] - docierają w najbardziej niedostępne miejsca Dzięki za wszystko temu, ze ulegają dyfrakcji (ugięciu) na najwyższych punktach otoczenia. Stosowane w radiotelegrafii, radiolatarniach, radiofonii i radiokomunikacji lotniczej i morskiej (średnie fale).

3. Fale krótkie [dł. 10 - 100m] - stosowane w radiofonii i radiokomunikacji.

4. Fale ultrakrótkie - UKF [dł. 0,1 - 0,01m]od 1 do kilkunastu metrów] - wykorzystywane do emitowania wysokiej jakości programów stereofonicznych, a także w telewizji, radiofonii, radiokomunikacji i łączności kosmicznej.

5. Fale decymetrowe UHF [dł. 0,1 - 0,01 m] - stosowane w radiolokacji.

• Mikrofale - długość fali od 10^{-4 m do 0,3 m}. Znalazły zastosowanie w radarach [o długości 3 cm], komunikacji satelitarnej, w przesyłaniu sygnałów telefonicznych, a nawet w medycznych zabiegach tzw. diatermii. Jednak najprawdopodobniej pierwsze skojarzenie jakie mamy z mikrofalami, to kuchenka mikrofalowa. Jej nazwa nie jest przypadkowa. Pewien zakres mikrofal jest pochłaniany przez żywność. Fale te niosą ze sobą energię, która zostaje uwolniona i przekazana żywności, do której fale wnikają. W ten sposób wielu z nas podgrzewa sobie np. obiad.

• Promieniowanie podczerwone (cieplne) - długość fali od 7x10^{-7 m do 2x10-3}m. Nosi ono drugą nazwę cieplne (termiczne), ze względu na to, że jest ono emitowane przez ciała stałe rozgrzane do temperatury poniżej 5000⁰C. Do wykrywania promieniowania podczerwonego używa się specjalnych detektorów, w których zmiana właściwości zastosowanej substancji (np. ciśnienia gazu) pod wpływem promieniowania podczerwonego, sygnalizowana jest np. dźwiękiem. Promieniowanie podczerwone wywołują drgania cząsteczek. Wraz ze wzrostem ich temperatury, drgają one coraz mocniej, a obrazujące to fale podczerwone stają się coraz krótsze. W rzeczywistości prawie wszystkie ciała wysyłają trochę podczerwieni. Natomiast gdy ciało jest rozgrzane "do czerwoności", niektóre fale są już tak krótkie, że mogą być zarejestrowane przez ludzkie oko.

• Promieniowanie świetlne - widzialne dla człowieka- długość fali od około 4x10^{-7 m do około 7x10-7 m.} Promieniowanie to jest dostrzegane przez ludzkie oko i umożliwia widzenie otoczenia. Zwierzęta najczęściej mają nieco poszerzony zakres fal, które rejestruje ich oczy, np. pszczoły widzą nadfiolet. Widmo światła białego jest wielobarwne - od fioletu, przez zieleń, żółć i pomarańcz, aż do czerwieni. Najlepiej widzimy w pasie barw żółto-zielonych. Źródłami naturalnymi promieniowania świetlnego są ciała rozgrzane powyżej temp. 700⁰C. Wzbudzone wysoką temperaturą elektrony, emitują kwanty energii w czasie powrotu na niższy stan energetyczny (przykładowo w żarówce). Można również pobudzać do świecenia atomy niektórych substancji, poprzez przepływ prądu w gazach (przykładowo w świetlówkach i żarówkach energooszczędnych).

• Promieniowanie nadfioletowe (ultrafiolet - UV) - długość fali od 4x10^-7m do 10^-8m. Z nadfioletem graniczą bezpośrednio najkrótsze fale świetlne - fioletowe. Głównym źródłem nadfioletu jest dla nas promieniowanie słoneczne. Nie jest ono widoczne "gołym okiem", ale jego skutki można odczuć, czasami nawet bardzo dotkliwie w postaci opalenizny, a nawet poparzeń skóry, czy uszkodzeń oczu. Nasza skóra opala się pod wpływem nadfioletu, natomiast niektóre substancje po napromieniowaniu nim świecą , co nazywamy fluorescencją. Zjawisko to daje nam złudne wrażenie tzw. "bielszej bieli" - w wielu proszkach do prania stosuje się substancje, które pochłaniają nadfiolet z promieni słonecznych w czasie suszenia, a potem świecą, sprawiając, że pranie wygląda o wiele jaśniej i czyściej

• Promieniowaniem rentgenowskie - X - długości fali od 10^-13m do około 5x10^-8m, (zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z tzw. miękkim promieniowaniem gamma). Zostało odkryte w 1895 roku przez W.C. Roentgen'a. Promieniowanie to wytwarza się w tzw. lampach rentgenowskich - najpierw przyspiesza się w polu elektrycznym elektrony, które następnie są gwałtownie wyhamowywane przez anodę umieszczoną w lampie. Powoduje to wypromieniowanie przez elektrony tzw. energii hamowania. Towarzyszy temu dodatkowe zjawisko - hamujące elektrony wybijają z materiału anody jej wewnętrzne elektrony. Jednak "dziury", które się w ten sposób tworzą nie pozostają puste. Na miejsce wybitych elektronów przeskakują elektrony z zewnętrznej powłoki anody, co objawia się wyemitowaniem tzw. promieniowania charakterystycznego - o długości fali ściśle uzależnionej od rodzaju materiału anody. Dzięki tym zjawiskom, zastosowanie promieni rentgenowskich jest bardzo szerokie i przynosi wiele korzyści. Wykorzystuje się go między innymi w:

• w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii, w badaniu pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Najbardziej znane zastosowanie promieni rentgenowskich dotyczy diagnostyki medycznej (do prześwietleń, potocznie nazywanych "rentgenem"). Na fotograficznym zapisie prześwietlenia mięśnie są niewidoczne, gdyż przepuszczają promienie rentgenowskie, natomiast widoczne są kości, które je pochłaniają.

• Promieniowanie gamma (przenikliwe) - długość fali poniżej 10^{-10 m.}

Jego źródłem są reakcje zachodzące w jądrach atomowych - rozpad pierwiastków promieniotwórczych, reakcje jądrowe, promieniowanie kosmiczne pochodzące z procesów jądrowych gwiazd. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych (dyskretne) obserwujemy w postaci osobnych linii widmowych. Niezmiernie istotne jest to, że każdej tej linii odpowiada pewien poziom energetyczny i Dzięki za wszystko temu możemy identyfikować promieniującą substancję. Druga nazwa promieniowania gamma - "przenikliwe" - podkreśla, że wnika ono w materię, proporcjonalnie do jej liczby atomowej. Dlatego też schrony przed promieniowaniem buduje się głównie z ołowiu i betonu. Niestety promieniowanie rentgenowskie niszczy wszystkie żywe komórki. Mimo, iż ludzkość kilkukrotnie już użyła tej śmiercionośnej siły jako broni, siejąc spustoszenie wśród wszelkich istot żywych, to jednak człowiek potrafił również znaleźć dobroczynny wpływ i zastosowanie tych niebezpiecznych promieni. Chodzi tu głównie o medycynę, gdyż promieniowanie to niszczy również komórki rakowe - przez tzw. naświetlania. Inne korzyści z promieniowania gamma, to konserwowanie żywności (bomba kobaltowa) oraz wykrywanie wad materiałów (defektoskopia).

Widmo fal elektromagnetycznych