Warto przeczytać

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością c = 3·10Indeks górny 8⁸$\frac{m}{s}$. Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość νnu, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• okres zmienności T, zdefiniowany jako odwrotność częstotliwości: $T=1/\nu$, czyli czas, w którym nastąpi powrót do tej samej fazyfazafazy pola elektrycznego i magnetycznego,

• długość fali λlambda, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać również jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła c. Energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali i wynosi:

Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość.

Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od częstotliwości (lub długości fali). Sposoby wytwarzania i odbierania (detekcji) fal w różnych zakresach częstotliwości różnią się znacznie i to jest podstawą klasyfikacji fal.

Wszystkie fale można uszeregować według ich częstotliwości lub długości fali. Taką klasyfikację fal elektromagnetycznych nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Na Rys. 1. pokazane jest widmo fal elektromagnetycznych w funkcji częstotliwości i długości fali. Widmo nie ma ograniczenia z obu końców, gdyż długości fali elektromagnetycznej mogą być dowolnie małe lub dowolnie duże.

Promieniowaniem elektromagnetycznym o największej długości fali są fale radiowe, kolejne zakresy o coraz mniejszej długości fali, a większej częstotliwości to: mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

RuTkZoY8vElgq

Rys. 1. Na rysunku znajdują się dwie poziome osie. Na dolnej osi, skierowanej w prawo odłożono częstotliwość fal elektromagnetycznych w skali logarytmicznej w zakresie od 10 do potęgi czwartej do 10 do potęgi dwudziestej herca. Górna oś skierowana jest w lewo i odłożono na niej długość fal w skali logarytmicznej w zakresie od 10 do potęgi minus szesnastej do 3 razy 10 do potęgi czwartej metrów. Między osiami narysowana jest fala o zmieniającej się długości. Z lewej strony długość fali jest największa. W prawą stronę długość fali stopniowo się zmniejsza i przy lewej krawędzi staje się bardzo mała. Poziomymi odcinkami zaznaczone są zakresy fal elektromagnetycznych. Od lewej strony, dla największych długości fal i najmniejszych częstotliwości, jest zakres fal radiowych. Dalej na prawo od zakresu fal radiowych znajduje się zakres mikrofal. Kolejny zakres fal to podczerwień. Następny bardzo wąski zakres to zakres światła widzialnego. Ten zakres wyróżniony jest barwnym, pionowym paskiem w kolorach tęczy: od lewej jest barwa czerwona, dalej żółta, zielona, niebieska i od prawej strony barwa fioletowa. Kolejny zakres fal na prawo od światła widzialnego to zakres nadfioletu, dalej jest zakres promieniowania Roentgena i ostatni zakres promieniowania gamma. Zakresy fal elektromagnetycznych nieco zachodzą na siebie. Nie ma wyraźnej granicy między jednym zakresem i następnym.

Widzimy, że poszczególne zakresy fal zachodzą częściowo na siebie, granice są nieostre i umowne.

Fale radiowe to fale o długości mierzonej w metrach, a nawet w kilometrach. Źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Naturalne źródła fal radiowych to między innymi wyładowania atmosferyczne, zorze polarne, radiogalaktyki.

Mikrofale to fale elektromagnetyczne, których długość wynosi od 10Indeks górny -4^-4 m do 0,3 m (0,1 mm do 30 cm). Znamy je z popularnych kuchenek mikrofalowych, ale ich zastosowanie jest o wiele szersze: od telefonów komórkowych do radarów i nawigacji GPS. Promieniowanie mikrofalowe wypełniające Wszechświat, tak zwane promieniowanie reliktowe, jest jednym z dowodów teorii powstania Wszechświata w Wielkim Wybuchu (ang. Big Bang).

Promieniowanie podczerwone w zakresie od 7·10Indeks górny -7^-7 m do 2·10Indeks górny -3^-3 m emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku ruchów termicznych cząsteczek wewnątrz substancji. Nazywamy je również promieniowaniem termicznym. Im niższa temperatura ciała tym mniejsze natężenie promieniowania i większa długość fali. Ciała o temperaturze do około 400°C wysyłają praktycznie tylko promieniowanie podczerwone.

Światło widzialne to bardzo wąski zakres długości fal od 3,8·10Indeks górny -7^-7 m do 7,5·10Indeks górny -7^-7 m (od 380 do 750 nm). Światło o największej długości fali widzimy jako czerwone, a o najmniejszej – fioletowe. Zakres światła widzialnego ma najdokładniej określone granice, wyznacza je bowiem fizjologia ludzkiego oka. Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C.

Promieniowanie nadfioletowe (ultrafioletowe) obejmuje zakres długości fal od 10Indeks górny -8^-8 m do 3,8·10Indeks górny -7  Indeks górny koniec^-7 m (od 10 do 380 nm). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne, czyli może inicjować reakcje chemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych.

Promieniowanie rentgenowskie emitowane jest, gdy elektrony z wewnętrznych powłok elektronowych atomów wybijane są przez przyspieszone silnym polem elektrycznym cząstki naładowane. Również podczas hamowania swobodnych elektronów przyspieszonych do dużych prędkości, emitowane jest promieniowanie z zakresu rentgenowskiego. Promieniowanie rentgenowskie należy do promieniowania jonizującego. Jest ono bardzo przenikliwe, przechodzi przez wiele substancji i dlatego może być stosowane w medycynie do prześwietlania ciała.

Źródłem promieniowania gamma o długości fali mniejszej od 10Indeks górny -11^-11 m są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad jąder pierwiastków promieniotwórczych lub reakcje jądrowe). Promieniowanie to powstaje również podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach. Obserwowane jest w promieniowaniu kosmicznym, docierającym do atmosfery ziemskiej z kosmosu. Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne o największej energii. Energia fotonu gamma $E=h\nu$ przekracza 0,1 MeV, a może też osiągać wartości wielu gigaelektronowoltówelektronowolt (eV)gigaelektronowoltów GeV, czyli miliardy razy więcej niż energia fotonu światła widzialnego. Promieniowanie gamma ma bardzo dużą zdolność przenikania przez materię oraz jej jonizacjijonizacjajonizacji.

Najważniejszym źródłem promieniowania elektromagnetycznego docierającego do naszej planety jest Słońce. Do zewnętrznych warstw atmosfery dochodzi promieniowanie z całego widma. Jednak do powierzchni Ziemi dociera tylko jego niewielka część. Większość promieniowania pochłania atmosfera.

Popatrz na Rys. 2. pokazujący, na jaką wysokość nad poziomem morza dociera promieniowanie elektromagnetyczne w różnych zakresach. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie tylko w dwóch głównych zakresach, nazywanych oknami atmosferycznymi:

• Okno optyczne obejmujące fale o długościach od 300 nm do 1100 nm (od bliskiego nadfioletu, poprzez zakres widzialny, do bliskiej podczerwieni).

• Okno radiowe obejmujące fale od około 1 cm do kilkunastu metrów.

Analiza Rys. 2 pomaga zrozumieć, dlaczego nasze oczy przystosowane są do detekcji fal elektromagnetycznych w zakresie prawie dokładnie pokrywającym się z zakresem okna optycznego. Gdyby nasze oczy odbierały inne długości fal, pogrążeni bylibyśmy w ciemnościach, bo fale te pochłaniane są przez atmosferę. Oczywiście wyjątkiem są fale radiowe, ale z uwagi na to, że rozmiary detektora fal muszą być w podobnej skali, co długość fali, rejestracja fal radiowych przez istoty żywe nie jest możliwa – „oczy” musiały by mieć rozmiary dużych anten.

R1NILAU7XCGHx

Rys. 2. Rysunek pokazuje na jaką wysokość w atmosferze docierają różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Z lewej strony znajduje się pionowa oś skierowana w górę na której odłożono wysokość nad powierzchnią Ziemi w zakresie od zera do 200 kilometrów. Od lewej do prawej strony rysunku zaznaczono kolejne zakresy fal elektromagnetycznych – od promieniowania gamma do fal radiowych. Od górnej krawędzi rysunku narysowane są strzałki skierowane w dół, które wskazują, jak głęboko dane promieniowanie wnika do atmosfery. Promieniowanie gamma dociera na wysokość około 20 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Promieniowanie rentgenowskie dociera na wysokość od około 25 do około 100 kilometrów. Ultrafiolet dociera na wysokość około 100 - 120 kilometrów. Światło widzialne dochodzi do powierzchni Ziemi. Podczerwień dociera na wysokość od około 3 do około 25 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Mikrofale docierają na wysokość kilkunastu kilometrów. Fale radiowe docierają do powierzchni Ziemi.

Słowniczek