Spektrum fal elektromagnetycznych

Spektrum fal elektromagnetycznych to inaczej ich widmo. Widmo to jest przedstawieniem fal ze względu na ich częstotliwość, lub długość fali. Widmo fal elektromagnetycznych obejmuje takie fale jak fale radiowe, mikrofale, promieniowanie widzialne, promieniowanie podczerwone, ultrafioletowe, promieniowanie gamma, czy promieniowanie rentgenowskie. Fale te zróżnicowano głównie na podstawie ich częstotliwości, jednak nie ma pomiędzy nimi wyraźnej granicy, a czasami nawet zdarza się że niektóre fale elektromagnetyczne mają taką samą częstotliwość, jednak nie są tym samym rodzajem promieniowania. Sytuację takiego zachodzenia na siebie fal elektromagnetycznych można zaobserwować dla przypadku promieniowania podczerwonego, ultrafioletowego, rentgenowskiego, czy radiowego. Fale elektromagnetyczne wypełniają praktycznie całą przestrzeń nas otaczającą. Jednak nasz organizm jest w stanie rejestrować tylko niewielkich ich wycinek - promieniowanie widzialne. Promieniowanie to rejestrują nasze oczy, dzięki czemu jesteśmy w stanie widzieć otaczający nas świat.

Promieniowanie radiowe

Oprócz promieniowania widzialnego, najbardziej powszechnymi falami które otaczają nas, są fale radiowe. Zostały one odkryte doświadczalnie przez Heinriche'a Hertza. Fale radiowe można podzielić na kilka rodzajów ze względu na ich długość. I tak rozróżniamy fale ultrakrótkie, fale krótkie, średnie i długie. Znalazły one olbrzymie zastosowanie w przekazie informacji i praktycznie nie sposób wyobrazić sobie dzisiejszego świata bez nich. To dzięki nim działają telewizja, radio, satelity, czy telefony komórkowe.

Przypomnijmy jednak kim był ten genialny naukowiec, dzięki któremu dzisiaj możemy otrzymywać informacje z całego świata i nie tylko. Otóż Heinrich Hertz przyszedł na świat w 1857 roku w Hamburgu. Od najmłodszych lat wykazywał się szczególnymi zdolnościami, min. w szkole był jednym z najlepszych uczniów. Oprócz fizyki i matematyki wykazywał także uzdolnienia w zakresie także przedmiotów humanistycznych. Hertz oprócz nauki lubił także pracować w warsztacie szkolnym gdzie zajmował się takimi czynnościami jak obróbka drewna i metali. Skończył studia w zakresie fizyki, pod kierunkiem wybitnego uczonego Hermanna Helmholtza.

Promieniowanie mikrofalowe - mikrofale

Do fal radiowych zalicza się także mikrofale. Wykorzystuje się je głównie w komunikacji satelitarnej, urządzeniach lokalizacyjnych (takich jak radar), czy w kuchence mikrofalowej. Zakres ich częstotliwości zawiera się pomiędzy falami radiowymi ultrakrótkimi, a promieniowaniem podczerwonym. Co ciekawe nie zostają one odbite przez jonosferę.

Dzięki mikrofalom istnieje telewizja satelitarna, bowiem to za pośrednictwem nich satelity przekazują pomiędzy sobą i na Ziemię sygnał telewizyjny.

Oprócz komunikacji satelitarnej mikrofale wykorzystywane są także w telefonii komórkowej. W technice tej wykorzystuje się podział obszaru działania na tzw. komórki (stąd właśnie wzięła się nazwa "telefon komórkowy"). W każdym takim obszarze znajduje się przekaźnik radiowy, który zapewnia użytkownikom znajdującym się w jego zasięgu odpowiednią komunikację. Każda rozmowa prowadzona przez telefon komórkowy jest przekazywana przez centralę znajdującą się na danym obszarze, a stamtąd kierowana do satelity komunikacyjnego.

Bardzo ciekawym wykorzystaniem mikrofal jest kuchenka mikrofalowa. W urządzeniu tym, mikrofale wytwarza się za pomocą tzw. magnetronu, który składa się z katody otoczonej przez anodę, oraz z dwóch magnesów. Katoda może poruszać się dookoła anody i w wyniku takiego ruchu emituje elektrony. Elektrony te poruszają się wokół anody w zmiennym polu elektrycznym i magnetycznym. Anoda połączona jest z obwodem rezonansowym, który to powoduje powstanie drgającego pola elektromagnetycznego, które emituje energię w postaci promieniowania mikrofalowego. Tak powstałe mikrofale prowadzone są do wnętrza kuchenki za pomocą falowodu.

Jednak mikrofale te nie mają byle jakiej częstotliwości, ale tak szczególnie dobraną, aby cząsteczki wody mogły pochłaniać ich energię. Dzięki temu cząsteczki wody zaczynają drgać i obracać się, zderzając się przy tym z innymi cząsteczkami, przekazując im w ten sposób energię. W ten sposób potrawa znajdująca się w kuchence mikrofalowej zostaje podgrzana.

Promieniowanie podczerwone

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 roku przez Williama Herschela. Odkrył je gdy badał rozszczepienie światła białego w pryzmacie i zauważył wzrost temperatury na termometrze w pobliżu barwy czerwonej. Jest to promieniowanie które jest emitowane przez wszystkie ciała obdarzone temperaturą. Jego źródłem są wzbudzenia cieplne elektronów znajdujących się wewnątrz danej substancji. Im dana substancja ma niższą temperaturę, tym natężenie emitowanego promieniowania jest mniejsze i większa jest jego długość fali. Ciała, które mają temperaturę pokojową emitują promieniowanie o długości ok. 19 mm. Ciała które mają temperaturę ok. 400⁰C, praktycznie emitują tylko promieniowanie podczerwone. Nasza planeta także emituje promieniowanie podczerwone, które jest zatrzymywane przez gazy znajdujące się w atmosferze. Zapobiega to nadmiernemu ochładzaniu się naszej planety. Jednak w chwili obecnej w wyniku nadmiernej emisji dwutlenku węgla do atmosfery, który silnie pochłania promieniowanie podczerwone, zbyt duża ilość tego promieniowania jest zatrzymywana, co przyczynia się do wzmocnienia efektu cieplarnianego. Promieniowanie podczerwone jest szeroko wykorzystywane w lecznictwie, w spektroskopii nad badaniami struktury żywych organizmów, a także do możliwości obserwacji otoczenia w ciemności - noktowizory. Używa się go także w diagnostyce medycznej, gdzie fotografując pacjenta w zakresie podczerwieni można określić miejsca, gdzie występują stany zapalne.

Promieniowanie ultrafioletowe

Zostało ono odkryte przez Wilhelma Rittera w tym samy roku co promieniowanie podczerwone. Promieniowanie ultrafioletowe, które bywa także określane jako nadfioletowe, czy ultrafiolet to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal z zakresu od 400 nm. do 10 nm. Promieniowanie to dzieli się z kolei na ultrafiolet bliski o długościach fal z zakresu od 400 nm. do 190 nm. i na ultrafiolet daleki - 190 nm. - 10 nm. Jest ono emitowane przez ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Już ciała o temperaturze 3000 K wysyłają pewne niewielkie ilości tego promieniowania, a im temperatura wyższa tym natężenie wzrasta. Głównym źródłem promieniowania ultrafioletowego jakie znamy jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000 K. Jednak w dzisiejszych czasach znamy już wiele urządzeń technicznych które także są w stanie emitować promieniowanie nadfioletowe. Przykładami takich urządzeń są różnego rodzaju lampy - lampy wyładowcze i tzw. kwarcówki.

Promieniowanie Rontgena

Jako pierwszy odkrył je W.C. Roentgen w 1895 roku. Za swoje odkrycie dostał on Nagrodę Nobla, która to była pierwszą przyznaną Nagrodą Nobla. Zakres długości fal promieniowanie rentgenowskiego po części pokrywa się z zakresem promieniowania gamma (tzw. miękkiego promieniowania gamma). Różnice wynikają z różnych mechanizmów powstawania promieniowania. Otóż promieniowanie gamma jest emitowane w wyniku przejść energetycznych w jądrach atomów. Natomiast promieniowanie rentgenowskie jest inaczej wytwarzane. Wytwarza się je w specjalnych urządzeniach tzw. lampach rentgenowskich, które składają się głównie z elektrod wytwarzających pole elektryczne. Elektrony uwalniane z jednej elektrody pędzą w kierunku drugiej, a gdy do niej docierają wyhamowują. Energia, którą wtedy tracą jest emitowana w postaci fotonów - tzw. promieniowanie hamowania. Widmo tego promieniowania jest ograniczone napięciem doprowadzonym do elektrod. Jednak na tym nie koniec. Elektron po dotarciu do anody może wybić z niej inny elektron (jonizacja), w wyniku, czego w atomie powstaje wolne miejsce, które natychmiast jest zajmowane przez elektron z zewnętrznej powłoki. Energia powstała przy takim przejściu jest emitowana w postaci fotonu o ściśle określonej długości fali - jest to tzw. promieniowanie charakterystyczne. Oba te promieniowanie - promieniowanie hamowania i promieniowanie charakterystyczne składają się na promieniowanie rentgenowskie. Obecnie promieniowanie rentgenowskie oprócz tego, że jest szeroko wykorzystywane w medycynie, to także znalazło zastosowanie w badaniach nad strukturą materii - tzw. rentgenowska analiza strukturalna, oraz w badaniach dotyczących pierwiastkowego składu chemicznego substancji - tzw. rentgenowska analiza widmowa.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma jest emitowane w różnego rodzaju rozpadach promieniotwórczych, np. rozpadach pierwiastków które znajdują się w naszej planecie, lub w reakcjach jądrowych. Źródłem promieniowania gamma jest także promieniowanie kosmiczne, którego istnienie wynika z nieustannie zachodzących procesów jądrowych w gwiazdach i galaktykach. Bardzo silnymi źródłami promieniowania gamma dochodzącymi z kosmosu są tzw. błyski gamma. Widmo promieniowania gamma, które emitują pierwiastki promieniotwórcze ma charakter dyskretny, czyli możliwe jest oddzielenie poszczególnych linii widma od siebie. Analizując takie widmo można określić energię odpowiadającą danej linii widmowej, a co za tym idzie także substancję która emitowała dane promieniowanie. Promieniowanie gamma bywa także określane jako promieniowanie przenikliwe, ponieważ stosunkowo łatwo przechodzi ono przez materię i trzeba grubych ołowianych osłon aby je zatrzymać.