Fale elektromagnetyczne

własności i zastosowania poszczególnych rodzajów fal

Każdy rodzaj fal ma swoją specyfikę, mimo cech wspólnych charakteryzujących wszystkie fale. Specyficzną cechą fal elektromagnetycznych, w odróżnieniu od fal sprężystych, jest to, że rozchodzą się w próżni (nie potrzebują ośrodka). Ponadto obejmują bardzo szeroki zakres częstości i długości fal. Fale elektromagnetyczne różniące się znacznie częstością i długością mają różne własności. Dlatego z falami elektromagnetycznymi związana jest duża różnorodność zjawisk fizycznych wykorzystywanych w różnych obszarach działalności człowieka. Najdłuższe fale (o najmniejszej częstości) służą do przesyłania audycji radiowych na duże odległości, krótsze fale są wykorzystywane w komunikacji telewizyjnej i satelitarnej. Wąski zakres stosunkowo krótkich fal elektromagnetycznych wykorzystują nasze oczy i dzięki temu możemy widzieć. Specyfika tych fal jest ujęta w oddzielnym dziale fizyki - optyce. Współczesna technika laserowa wykorzystuje fale z okolic tego zakresu. Jeszcze krótsze fale - promienie Rentgena wykorzystujemy w wielu dziedzinach, a przede wszystkim w medycynie. Najkrótsze fale - promieniowanie gamma charakteryzują się m. in. niezwykłą przenikliwością. W obszarze tych niezwykle krótkich fal ujawnia się wyraźnie nowa cecha: dualizm falowo-korpuskulamy, trudne do pojęcia zjawisko charakterystyczne dla mikromaterii .

Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali poniżej 10 pm. Fale elektromagnetyczne większej długości fali to promieniowania X. Zgodnie z teorią fotonową można obliczyć, że foton promieniowania gamma ma energię większą niż 100 keV. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ. Rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach a nie na długości fali.

Źródła promieniowania gamma:
· Reakcja rozpadu - jądra atomowe izotopów promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co powoduje emisję fotonu gamma.
· Reakcja syntezy - dwa jądra atomowe zderzają się tworząc nowe jądro i emitując foton gamma.
· Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np elektronu i pozytronu powoduje anihilację obu tych cząstek i emisję dwóch fotonów gamma.

Promienie gamma w wojnie atomowej
Ogromna skuteczność ataku atomowego nie wynika tylko ze zniszczeń. Wybuch powoduje emisję promieniowania gamma, które jest bardzo przenikliwe. Aby zredukować natężenie promieniowania o połowę potrzeba warstwy ołowiu o grubości 1 cm albo warstwy betonu o grubości 6 cm. Ściany domów ani normalne budynki nie dają ochrony przed napromieniowaniem, co powoduje, że wszystkie osoby przebywające blisko punktu eksplozji umrą na chorobę popromienną. Grzyb atomowy zawiera ogromne ilości radioaktywnych pyłów. Powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma przenika z tych produktów do wnętrza ciał ludzi i powoduje wzrost dawki promieniowania. Dzięki temu miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia.

Zastosowania:
Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji wyposażenia medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka.

Ultrafiolet
Ultrafiolet (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X. Oznacza to zakres długości od 10 nm do 380 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.

Zakresy promieniowania ultrafioletowego
Wyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy:
· techniczny
o daleki ultrafiolet - długość 10-200 nm
o bliski ultrafiolet - długość 200-380 nm
· ze względu na działanie na człowieka
o UV-C - długość 10-280nm
o UV-B - długość 280-315nm
o UV-A - długość 315-380nm

Słońce i atmosfera Ziemi
Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A oraz UV-B, ale ziemska atmosfera pochłania część tego promieniowania w warstwie ozonowej. W efekcie 99% ultrafioletu, który dociera do powierzchni, to UV-A.

Wpływ na zdrowie
Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe, ale powoduje oparzenia słoneczne po zbyt długim opalaniu. Silne dawki UV-B są niebezpieczne dla oka i mogą powodować zaćmę. Promieniowanie UV-B i UV-C uszkadza włókna kolagenowe w skórze, co przyspiesza starzenie się. Długie wystawienie na działanie UV-B ma związek z czerniakiem. Promieniowanie prowadzi do uszkodzenia łańcuchów DNA. W komórkach dochodzi do szeregu mutacji. Jeżeli człowiek posiada odpowiednie dziedziczne predyspozycje, może to spowodować powstanie zmiany rakowej.


Astronomia
Astronomia przez długi czas nie mogła być rozwijana w oparciu o obserwacje w ultrafiolecie. Atmosfera Ziemi zbyt silnie pochłania to promieniowanie. Dopiero wyniesienie ponad nią teleskopu Hubble'a pozwoliło na obserwację ciał niebieskich wysyłających ultrafiolet.
Zastosowania:
Lampa jarzeniowa produkuje ultrafiolet z użyciem rozprężonych par rtęci, przez które płynie stały 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. Można go wykorzystać do analizy zabezpieczonych przed podrobieniem banknotów albo w oględzinach miejsca zbrodni. Fluorescencyjne znacznik mogą służyć do oznaczania badanych substancji organicznych, dzięki czemu można łatwo obserwować ich przemiany w organizmach żywych. Ultrafiolet ma własność bakteriobójcze. Promieniowanie ultrafioletowe pozwala na wykonanie w technice fotolitografii elementów półprzewodnikowych. Można uzyskać rozdzielczości wzorów rzędu 90 nm (procesor Intel Pentium IV.) Niektóre owady, np. pszczoły widzą promieniowanie ultrafioletowe. Wiele kwiatów ma specjalne barwniki, które reagują na ultrafiolet.

Promieniowanie X
Promieniowanie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 5 pm do 10 nm. Promieniowanie X znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma.
Zakresy promieniowania X:
· twarde promieniowanie X - długość od 5 pm do 100 pm
· miękkie promieniowanie X - długość od 0,1 nm do 10 nm

Źródła promieniowania
Promieniowanie X jest wytwarzane przez rozpędzone elektrony, które uderzają w elektrody w lampie rentgenowskiej.

Promieniowanie i medycyna
Promieniowanie X jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają na diagnostykę złamań kości. Naświetlanie promieniami X zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania X może powodować oparzenia i chorobę popromienną.

Podczerwień
Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 700nm do 1 mm.
Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 - 1000 µm), ale są to tylko umowne granice. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości.

Zastosowania:
Są dwa sposoby wykorzystania podczerwieni. Można zbudować bierny detektor, który odbiera to promieniowanie i na jego podstawie zbiera informacje o temperaturze emitujących je przedmiotów. Zasada ta umożliwia zbudowanie noktowizora, który pozwala widzieć w ciemności obiekty cieplejsze od otoczenia. Inne zastosowanie to pirometr służący do zdalnego pomiaru temperatury.
Druga metoda wykorzystania podczerwieni polega na sztucznej emisji tego promieniowania i obserwacji zwróconego z detektora sygnału. Najpopularniejszym źródłem podczerwieni jest fotodiodaLED, ale czasami wykorzystuje się też półprzewodnikowe lasery podczerwone. Oto kilka przykładów zastosowania:
· odczyt płyt CD laserem o długościach 650 - 790nm,
· pomiar odległości - dalmierz podczerwony w zakresie 0,25 -1,5 m
· przekaz danych w światłowodzie - prędkości powyżej 1 Gb/s
· przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota
komunikacja w standardzie IrDA

Światło widzialne
Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego. Zawiera się ona w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm.
Światło widzialne wraz z sąsiednimi zakresami, czyli ultrafioletem (o długościach mniejszych od światła widzialnego), oraz podczerwienią (o długościach większych) zalicza się z fizycznego punktu widzenia do światła.


Czułość widmowa oka.Współczynnik K podaje jak odbieramy fale o poszczególnych długościach w stosunku do wartości maksymalnej. Linią przerywaną zaznaczono czułość pręcików, a ciągłą wypadkową czułość czopków

Fale radiowe
Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz (3*103 - 3*1012 Hz). Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.
Żródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.


Długość fali[m] Częstotliwość [MHz] Uwagi dotyczące propagacji fali na Ziemi Zastosowanie
100000 - 10 000 0.003 - 0.03 słabo tłumiona fala powierzchniowa i fale jonosferyczne radionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna
10 000 - 1 000 0.03 - 0.3 fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferyczna radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia
1000 - 75 0.3 - 4 zależność od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencji radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska
75 - 10 4 - 30 dominuje fala jonosferyczna, wielokrotnie odbita radiofonia i radiokomunikacja
10-0.3 30 - 1000 fala nadziemna, głównie w obszarze widoczności nadajnika telewizja, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna
0.3 - 0.0001 1 000 -3 000 000 fala troposferyczna radiolokacja, łączność kosmiczna

Mikrofale
Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 GHz). Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku.

Zastosowania:
· kuchenka mikrofalowa używa magnetronu do wytwarzania fal o częstotliwości ok 2,4 GHz, co pozwala na gotowanie jedzenia; taki rodzaj promieniowania działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać wytwarzając przez to ciepło.
· maser to urządzenie podobne do lasera, tyle że działa w zakresie mikrofalowym
· mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, bo nie są pochłaniane przez atmosferę
· radar
· telefony komórkowe standardu GSM pracują w częstotliwościach 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz
· system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o częstotliwości 1575 MHz
· bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) albo bluetooth użwaja mikrofal w zakresie 2,4 GHz
· transmisja danych w telewizji kablowej albo poprzez
internetowe modemy kablowe (DSL) odbywa się w tym samym zakresie, tyle że medium jest kabel, a nie powietrze

Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz