Promieniowanie elektromagnetyczne

Z encyklopediafantastyki.pl
(Przekierowano z Promieniowanie podczerwone)
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
LEKSYKON FANTASTYKI
science
Widmo fal elektromagnetycznych.

Promieniowaniem elektromagnetycznym (falą elektromagnetyczną) nazywamy rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie i kierunku ruchu, nawzajem się przekształcają. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Źródłem pola EM jest drgający lub przyspieszany ładunek elektryczny.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą sie w przestrzeni zawsze z taka samą prędkością, równą prędkości światła w danym ośrodku. (W próżni prędkość światła c=299 792 458 m/s).

fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pola elektrycznego (E) oraz magnetycznego (H).

Dualizm korpuskularno-falowy sprawia, że w opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali, przy czym energia rośnie gdy długośc fali maleje (energia rosnie gdy rosnie częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej)

Spis treści

Fale radiowe

Uznaje się, że falami radiowymi są fale o częstotliwości 3 kHz – 3 THz (3·103 – 3·1012 Hz). Wg literatury zachodniej zakres częstotliwości obejmuje fale od 3 Hz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Źródła fal radiowych:

naturalne: wyładowania atmosferyczne, zjawiska geologiczne we wnętrzu Ziemi, zorze polarne, gwiazdy, radiogalaktyki

sztuczne zamierzone: nadajnik radiowy,

zakłócenia/szumy: silniki komutatorowe, instalacje prądu przemiennego (50/60 Hz; 400 Hz), styczniki, komputery, kuchenki mikrofalowe, przetwornice zasilające, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne i łukowe, spawarki, zapłon elektryczny (iskrowy) silników cieplnych, lampy wyładowcze, eksplozje nuklearne (impuls elektromagnetyczny).

Mikrofale

W różnych opracowaniach spotyka się różne zakresy promieniowania uznawanego za promieniowanie mikrofalowe, przykładowo od 1 mm (częstotliwość 300 GHz) do 30 cm (1 G[[Hz[[), częstotliwość = 3·109 ÷ 3·1012 Hz, a długości λ = 10−4 ÷ 0,1 m [2]. Ten zakres pokrywa również pasma UHF oraz EHF (fale milimetrowe).

Podstawowe zastosowania mikrofal to radar i łączność.

  • radary mikrofalowe od 300 MHz do setek GHz: do wykrywania, namierzania, rozpoznania, identyfikacji, (systemy IFF); w zastosowaniach militarnych i cywilnych, na lądzie, wodzie, w powietrzu i w przestrzeni kosmicznej
  • łączność radioliniowa punkt-punkt, łączność satelitarna
  • radioastronomia – badanie kosmosu w zakresie mikrofalowym przy pomocy radioteleskopów, np. badanie mikrofalowego promieniowania tła jest podstawą teorii Wielkiego Wybuchu
  • kuchenka mikrofalowa do rozmrażania, podgrzewania i gotowania żywności
  • telefony komórkowe: standardu GSM pracują w częstotliwościach 870–960 MHz, DCS 1710–1880 MHz oraz UMTS 2,1 GHz
  • nawigacja: system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o częstotliwości L1 1575,42 , L2 1267, L3 1173 MHz ; inne systemy nawigacyjne: rosyjski GLONASS, europejski Galileo
  • bezprzewodowe sieci komputerowe: (WLAN) jak np. IEEE 802.11 używają mikrofal w zakresie 2,4 GHz bądź 5 GHz (w przypadku 802.11a); sieci WiMax; łączność pomiędzy urządzeniami bluetooth używają mikrofal w zakresie 2,4 GHz
  • energetyka prowadzone są badania nad przekazywaniem energii elektrycznej przy pomocy mikrofal na duże odległości np z orbity na ziemię

Podczerwień (IR)

Podczerwienią określamy promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Oznacza to zakres od 780 nm do 1 mm.

Obraz termiczny wykonany w zakresie fal podczerwonych. Żródło: Internet.

Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne. Już w temperaturze kilku kelwinów ciała emitują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie dalekiej podczerwieni, ciała o temperaturze pokojowej emitują najwięcej promieniowania o długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty cieplejsze emitują więcej promieniowania i o mniejszej długości.

Funkcjonuje kilka podziałów podczerwieni na pasma, używanym w Polsce jest:

  • bliska podczerwień (ang. near infrared, NIR), 0,7−5 μm
  • średnia podczerwień (ang. mid infrared, MIR), 5−30 μm
  • daleka podczerwień (ang. far infrared, FIR), 30−1000 μm

Zastosowania podczerwieni:

  • Noktowizja bierna i czynna;
  • pomiar odległości – dalmierze podczerwone w zakresie 0,25-1,5 μm;
  • przekaz danych w światłowodzie – przepustowość kanału powyżej 1 Gb/s (gigabita na sekundę);
  • przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota, w tym komunikacja w standardzie IrDA;
  • obserwacje kosmosu w podczerwieni;

Zakres widzialny

Światło widzialne to część promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje siatkówka oka człowieka w procesie widzenia.

Dla człowieka promieniowanie to zawiera się w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm, dla różnych zwierząt zakres ten bywa nieco odmienny i może być przesuniety nieco w stronę podczerwieni lub ultrafioletu.

Światło ma bardzo duże znaczenie w nauce i wiele zastosowań w technice. Dziedziny nauki i techniki zajmujące się światłem noszą nazwę optyki.

Ultrafiolet (UV)

Nadfiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, ultrafiolet) – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X. Oznacza to zakres długości fali od 10 nm do 400 nm. Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym. Dawniej było nazywane promieniowaniem "pozafiołkowym".

Zarówno zakres całego ultrafioletu, jak i podziały na podzakresy mają charakter umowny. Do celów spektroskopii stosuje się podział na ultrafiolet:

  • skrajny – długość fali: 10-121 nm
  • daleki – długość fali: 122-200 nm
  • pośredni – długość fali: 200-300 nm
  • bliski – długość fali 300-400 nm

Ze względu na skutki działania promieniowania ultrafioletowego na organizmy żywe wyróżnia się:

  • UV-C – długość fali 100-280 nm
  • UV-B – długość fali 280-315 nm
  • UV-A – długość fali 315-400 nm


Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A, UV-B i UV-C, ale ziemska atmosfera pochłania całkowicie UV-C oraz część UV-B w warstwie ozonowej. W efekcie ok. 97% ultrafioletu, który dociera do powierzchni Ziemi, to UV-A. Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe niż promieniowanie z pozostałych zakresów, ale uszkadza włókna kolagenowe w skórze, co przyspiesza procesy starzenia. Promieniowanie UV-B powoduje wytwarzanie witaminy D w skórze, przeciwdziałając w ten sposób powstawaniu krzywicy. Aby proces ten mógł zachodzić, potrzebna jest pewna minimalna dawka promieniowania. Promieniowanie w tym zakresie może powodować rumień skóry oraz objawy alergiczne. Promieniowanie UV-C, a także UV-B może prowadzić do uszkodzenia łańcuchów DNA, w wyniku czego dochodzi do mutacji. W warunkach prawidłowych większość uszkodzeń DNA jest usuwana przez systemy naprawcze. Osoby obarczone wadami tych systemów naprawy bardzo często chorują na nowotwory skóry.

Obraz galaktyki M31 (Wielka Galaktyka Andromedy) obserwowany w ultrafioletowym zakresie promieniowania elektromagnetycznego, wykonane przez satelitą Swift. Żródło: NASA.

Zastosowania promieniowania zakresie UV:

  • W lampie jarzeniowej ultrafiolet wytwarzany jest z użyciem rozprężonych par rtęci, przez które płynie prąd elektryczny. Luminofor pochłania to promieniowanie i emituje światło białe.
  • Lampa kwarcowa emituje promieniowanie ultrafioletowe, które wykorzystuje się w solarium do sztucznego opalania.
  • Ultrafiolet powoduje świecenie (fluorescencję) wielu substancji chemicznych.
  • Ultrafiolet C ma własności bakteriobójcze.
  • Promieniowanie ultrafioletowe pozwala na wykonanie w technice fotolitografii elementów półprzewodnikowych.
  • Rośliny mają specjalne receptory, które reagują na ultrafiolet.
  • Pozaatmosferyczne obserwatoria prowadza badania Kosmosu w tym zakresie fal.

Promieniowanie X (Roentgena)

Promieniowanie X (rentgenowskie, Roentgena lub promienie X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów. Długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg.

8 listopada 1895 roku Wilhelm Röntgen rozpoczął obserwacje promieni katodowych podczas eksperymentów z lampami próżniowymi. 28 grudnia 1895 roku opublikował on wyniki swoich badań w czasopiśmie Würzburgskiego Towarzystwa Fizyczno-Medycznego. Było to pierwsze publiczne ogłoszenie istnienia promieni rentgenowskich, dla których Röntgen zaproponował nazwę promieni X, obowiązującą do chwili obecnej w większości krajów.

promieniowanie X dzielimy na 2 zakresy:

  • twarde promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 5 pm do 100 pm
  • miękkie promieniowanie rentgenowskie – długość fali od 0,1 nm do 10 nm

Ze względu na częściowe pokrywanie się zakresów promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma, obecnie jako kryterium klasyfikujące przyjmuje się źródło promieniowania: promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas hamowania wolnych elektronów, a promieniowanie gamma z tego zakresu w wyniku rozpadu promieniotwórczego jąder pierwiastków.

promienie X wykorzystywane są głównie:

  • w medycynie do:

przeswietleń

w tomografii

w radioterapii

  • w nauce (np. w obserwacjach obiektów astrofizycznych)

Promieniowanie Gamma

Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego (rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali). Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Promieniowania gamma oznacza się grecką literą γ, analogicznie do korpuskularnego promieniowania alfa (α) i beta (β).

Do typowych źródeł promieniowania γ należą:

  • Reakcje jądrowe – jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.
  • Nukleosynteza – dwa jądra atomowe zderzają się tworząc nowe jądro czemu może towarzyszyć emisja jednego lub wielu kwantów gamma.
  • Anihilacja – zderzenie cząstki i antycząstki,które powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję fotonów gamma.
  • Rozpady cząstek elementarnych – fotony gamma mogą być produktami rozpadu wielu nietrwałych cząstek elementarnych, np. neutralny pion rozpada się najczęściej na dwa fotony.
  • Promieniowanie hamowania i promieniowanie synchrotronowe – wysokoenergetyczne cząstki naładowane (najczęściej elektrony) poruszające się w silnym polu elektrycznym, np. jąder atomowych, lub polu magnetycznym mogą emitować fotony promieniowania gamma.
  • Odwrotne rozpraszanie Comptona – wysokoenergetyczne elektrony mogą zderzać się z niskoenergetycznymi fotonami (np. promieniowania tła) i przekazywać im energię, zmieniając je w kwanty gamma.

Przepuszczalnośc atmosferyczna

Ilustracja obrazująca przepuszczalnosc ziemskiej atmosfery fal elektromagnetycznych o róznej długości.

Atmosfera ziemska jest nieprzezroczysta dla fotonów bardziej energetycznych niż widzialne , w szczególności do powierzchni Ziemi nie dociera promieniowanie nadfioletowe, rentgenowskie i gamma, które byłoby szkodliwe dla zdrowia. Promieniowanie nadfioletowe jest pochłaniane przede wszystkim przez ozon, promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przede wszystkim przez atomy węgla i azotu. Z kolei promieniowanie w zakresie dalekiej podczerwieni jest przede wszystkim pochłaniane przez parę wodną, dlatego możliwość prowadzenia obserwacji naziemnych radiowych przy użyciu najkrótszych fal (centymetrowych) wymaga umiejscowienia radioteleskopu w bardzo dobrych warunkach klimatycznych.

Z kolei długie fale radiowe nie docierają do powierzchni Ziemi ze względu na oddziaływanie w jonosferze.

W związku z tymi własnościami atmosfery obserwacje w zakresie nadfioletowym, rentgenowskim i gamma, a także w zakresie dalekiej podczerwieni i mikrofalowym, wykonuje się przy użyciu satelitów. W zakresie optycznym atmosfera także trochę przeszkadza i wygodniej prowadzić obserwacje przez satelitę, ale z drugiej strony znaczny koszt badań satelitarnych i ograniczenia na rozmiar lustra powodują, że opłacalne jest rozwijanie technik naziemnych pozwalających kompensować efekt atmosfery, takich jak optyka aktywna.

Osobiste
Przestrzenie nazw
Warianty
Działania
Nawigacja
Narzędzia
Pomoc
Szablony