Światło jako fala. Inne rodzaje fal elektromagnetycznych

Ogólnie falą elektromagnetyczną nazywa się rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pole elektrycznego i magnetycznego rozchodzącego się w próżni z prędkością światła.. Proces przenoszenia energii na odległość nazywa się promieniowaniem.

W dziewiętnastym wieku jeden z uczonych, Michael Faraday odkrył, że zmienne pole elektryczne jest źródłem pola magnetycznego i odwrotnie zmienne pole magnetyczne może generować pole elektryczne.

Jednak dokładnego opisu zachowania się fal elektromagnetycznych dokonał dopiero Maxwell. Twierdził on, że fale elektromagnetyczne muszą poruszać się z pewną określoną prędkością zwaną prędkością światła. Równocześnie udowodnił tym, że światło jest także falą elektromagnetyczną. Maxwell przewidział także istnienie fal o znacznie większych długościach określane dzisiaj jako fale radiowe.

Pod pojęciem światła rozumie się promieniowanie elektromagnetyczne, widzialne dla człowieka. Zakres długości fali dla takiego promieniowania wynosi 380 - 750 nm. Od strony krótszych fal zakres widzialny graniczy z ultrafioletem, natomiast od strony dłuższych fal z podczerwienią.

Wiek dwudziesty przyniósł dowody na to, że światło ma dwoistą, korpuskularno - falową naturę. Czyli, że w niektórych warunkach światło może być traktowane jako strumień fotonów niosących energię.

Thomas Young wykonał w roku 1801 doświadczenie, które stało się bezpośrednim dowodem na falowa naturę światła. Polegało ono na oświetleniu światłem słonecznym ekranu z małym otworkiem. Światło padające na ekran przechodziło przez ten otwór i dalej rozchodziło się według zasad dyfrakcji czyli ugięcia fali na przeszkodzie. Następnie fala padała na kolejny ekran , w którym z kolei zrobione były dwa otwory. Ponownie dochodziło do zjawiska dyfrakcji i każdy z otworów stał się źródłem nowej fali kulistej. Te rozchodzące się w przestrzeni fale kuliste uległy nałożeniu. Zaszło więc zjawisko interferencji. Jeżeli teraz w obszarze nakładających się fal zostałby umieszczony ekran to można by obserwować na nim kolejno po sobie następujące ciemne i jasne obszary. Jasne plany reprezentują wypadkowe maksima, a ciemne wypadkowe minima. Są to prążki interferencyjne.

Young obserwował zjawisko interferencji dla fal świetlnych. Należy jednak dodać, że takie same efekty obserwuje się również dla innych fal, również mechanicznych. Wyraźny obraz interferencyjny można obserwować na wodzie, gdy dojdzie do nałożenia się wytworzonych w zsynchronizowany sposób fal kulistych.

Można wyobrazić sobie ekran B, w którym zostały zrobione dwie szczeliny ai a. Na ten ekran zostaje skierowana fala płaska. Za ekranem B , w pewnej odległości znajduje się ekran C. Na tym ekranie zostaje wybrany jeden punkt P i dla niego zostanie określony charakter interferencji. Dwa promienie wydostające się ze szczelin są zgodne w fazie, ponieważ jak zostało wspomniane ich źródłem jest ta sama fala płaska padająca na ekran B. Ponieważ odległość punktu P od szczeliny ajest inna niż odległość punktu od szczeliny adlatego promienie mają do pokonania różne drogi optyczne. Stąd bierze się również różnica faz promieni docierających do punktu P. I teraz aby w punkcie P powstało maksimum interferencyjne to ta różnica dróg optycznych musi zawierać całkowitą liczbę długości fal.

Natomiast , aby w punkcie P utworzyło się minimum interferencyjne to różnica dróg optycznych musi zawierać połówkowa liczbę długości fal.

Aby było możliwe dokładne określenie prążków interferencyjnych na ekranie konieczne jest aby promienie świetlne wychodzące ze szczelin ai acharakteryzowały się określona i stałą w czasie różnicą faz. O takich falach mówi się , że są koherentne czyli spójne.

Okazuje się , że wykorzystując zjawisko interferencji fal można mierzyć długości lub ich zmiany z dużą dokładnością. Wykorzystywany jest do tego przyrząd zwany interferometrem. Został skonstruowany przez Michelsona.

Długością fali nazywa się stosunek prędkości fazowej fali do częstotliwości.

Promieniowanie świetlne o jednej, konkretnej długości fali nosi nazwę światła monochromatycznego. Natomiast jeśli stanowi mieszaninę fal charakteryzujących się różnymi długościami to takie światło nazywa się niemonochromatycznym.

Jeżeli zostanie wykonane doświadczenie polegające na tym, że światło wysyłane przez żarówkę padnie na wąską szczelinę a następnie na siatkę dyfrakcyjną to nie zaobserwuje się poszczególnych linii ale jasne pasmo. Jedna barwa będzie płynni przechodzić w drugą. Wniosek z tego jest taki, że światło żarówki to mieszanina fal o wszystkich możliwych długościach. Taki przykład widma nosi nazwę widma ciągłego. Ponieważ światło kąt ugięcia światła fioletowego będzie obserwowany jako najmniejszy stąd można wywnioskować, że ma ono najmniejszą długość fali. Odwrotnie będzie dla światła czerwonego. W tym największy kąt ugięcia świadczy o najdłuższej fali. Każdej barwie odpowiada inny zakres długości fali.

Światło białe jest więc w rzeczywistości mieszaniną fal o różnych długościach.

Jednak światło to nie jedyny rodzaj promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali z zakresu od metra to promieniowanie gamma. Energia kwantów takiego promieniowania zawiera się w przedziale od 10 MeV do 10 keV.

Promieniowanie gamma charakteryzuje się bardzo dużą przenikliwością i dlatego przypomina twarde promieniowanie rentgenowskie. I tak np. promienie gamma mogą przenikać warstwy ołowiu o grubości 5 centymetrów, a w powietrzu mogą przemieszczać się nawet na odległości setek metrów . Również ludzkie ciało nie stanowi dla fotonów gamma żadnej przeszkody. Promieniowanie gamma może oddziaływać zarówno z elektronami silnie związanymi w atomach czyli elektronami na wewnętrznych powłokach elektronowych jak i z elektronami walencyjnymi. Mogą także oddziaływać z jądrami atomowymi oraz z polem elektrycznym jąder i elektronów. Skutkiem oddziaływań fotonów z materią mogą zatem być: rozpraszanie fotonów lub ich absorpcja.

Promieniowanie gamma może być emitowane przez wzbudzone jądra atomowe podczas ich przechodzenia do stanu o niższej energii.

Promieniowanie to znalazło szereg zastosowań zarówno w nauce jak i technice. Jedno z zastosowań kwantów gamma polega na wykorzystaniu ich w teleskopach. Powszechne stało się także używanie promieniowania gamma w medycynie zarówno do celów diagnostycznych jak i terapeutycznych.

Przykładem zastosowania promieniowania gamma w przemyśle może być defektoskopia. Dzięki nim można więc badać uszkodzenia rozmaitych urządzeń, wady konstrukcyjne czy też nieszczelności.

Innym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego jest promieniowanie mikrofalowe. Zakres ten obejmuje fale o długościach od 1metra do 1 milimetra.

Znany jest wpływ promieniowania mikrofalowego na organizmy ludzkie. Wiadomo, że przebywanie w polu mikrofalowym może spowodować wzrost temperatury ciała, a także ogólne zmęczenie, senność, apatie i bóle głowy. Wszystko oczywiście zależy od gęstości strumienia mocy mikrofalowej. I tak za przestrzeń bezpieczna dla człowieka uważa się obszar, w którym wielkość ta nie przekracza wartości 0,1 W/m^2.

Natomiast za obszar szczególnie niebezpieczny uważa się taki , w którym ta gęstość mocy przekracza 100 W/m²

Na promieniowaniu mikrofalowym opiera się działanie radarów, powszechnie wykorzystywanych w astronomii czy meteorologii . Znane jest także zastosowanie mikrofal w radiokomunikacji, radiolokacji oraz w medycynie.