Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne - zburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c≈3·10⁸m/s. Właściwości, warunku powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równania Maxwella:
gdzie:
Δ – laplasjan,
H – wektor natężenia pola magnetycznego,
E – wektor natężenia pola elektrostatycznego,
c – prędkość fazowa światła
(układ powyższy można zapisać H = 0 i E = 0, gdzie oznacza dalambercjan, lub analogicznie dla potencjałów skalarnego ϕ i wektorowego A: A = 0 i = 0). Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą . W zależności od długości fali, fale elektromagnetyczne określa się mianem fal radiowych (długich, średnich, krótkich, ultrakrótkich i mikrofal), fal świetlnych (podczerwonych, widzialnych i ultrafioletowych), promieni Roentgena (X) i promieniowania gamma.
| Rodzaj fali | Długość fali [m] | Częstotliwość [Hz] |
|---|---|---|
| fale radiowe | > 10⁻⁴ | < 3•10¹² |
| podczerwień | 5·10⁻⁴ 8·10⁻⁷ | 6·10¹¹ 3,7·10¹⁴ |
| światło widzialne | 8·10⁻ 4·10⁻⁷ | 3,7·10¹⁴ 7,5·10¹⁴ |
| ultrafiolet | 4·10⁻⁷ 10⁻⁹ | 7,5·10¹⁴ 3·10¹⁷ |
| promieniowanie X | 10⁻⁹ 6·10⁻¹² | 1,5‧10¹⁷ 5·10¹⁹ |
| promieniowanie gamma | < 10⁻¹⁰ | > 10¹⁸ |
FALE RADIOWE
Fale elektromagnetyczne o częstotliwości mniejszej od 3‧10¹² Hz (długości większej od 0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego). Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp.
PROMIENIOWANIE PODCZERWONE
Promieniowanie podczerwone niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne, formalnie zaliczane do fal świetlnych, o długości fali od 760 nm do 2000 µm. Emitowane jest przez rozgrzane ciała. W technice wytwarzane są przede wszystkim za pomocą specjalnych lamp żarowych, zw. promiennikami podczerwieni. Fale podczerwone, mające najniższą częstotliwość spośród wszystkich fal widzialnych, pobudzają do drgań nie tylko elektrony, ale i całe atomy oraz cząsteczki szkła. Dlatego też fale nazywa się często promieniowaniem ciepłym lub termicznym. Szkło przepuszcza światło widzialne, ale nie przepuszcza nadfioletu i podczerwieni.
Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), a także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe) i w biologii. Promieniowanie podczerwone odkrył w 1800 F.N. Herschel. Dokładne badanie własności fizycznych przeprowadzili później przede wszystkim M. Malloni (1834 – odbicie i załamanie) i K. H. Knoblauch (1864 – dyfrakcja, interfrakcja i pomiar długości fali).
PROMIENIOWANIE GAMMA
Promieniowanie gamma strumień kwantów gamma. W otaczającym nas środowisku istnieje naturalne tło promieniowania gamma, którego źródłem są pierwiastki gamma promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej oraz promieniowanie kosmiczne. Mają najmniejszą długość fali i największą częstotliwość, mogą przenikać przez trzymetrową warstwę betonu. Niszczą wszystkie żywe komórki, także nowotwory.
Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, tj. obserwuje się oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom pozwala indentyfikować promieniującą substancję.
PROMIENIOWANIE ULTRAFIOLETOWE
Promieniowanie ultrafioletowe promieniowanie elektromagnetyczne (świetlne) o częstotliwościach pomiędzy zakresem światła widzialnego (światło, fale elektromagnetyczne) a promieniowaniem rentgenowskim: odpowiada długości fali od 390 do ok. 10 nm (granica pomiędzy promieniowaniem ultrafioletowym a rentgenowskim jest umowna), dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (390-190 nm) i daleki (190-10 nm). Ultrafioletowe promieniowanie, choć niewidzialne, ma silne działanie fotochemiczne - przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych. Znaczne ilości promieniowania ultrafioletowego emituje Słońce - Ziemię chroni przed nim warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 285 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie ultrafioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
PROMIENIOWANIE X
Promieniowanie rentgenowskie jest to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (fale elektromagnetyczne) o długości fali zawartej w przedziale od 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. pomiędzy promieniowaniem gamma i ultrafioletowym, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma - rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania: promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, natomiast promieniowanie gamma w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym.
Promieniowanie rentgenowskie może mieć zarówno widmo liniowe (promieniowanie charakterystyczne, Moseleya prawo, przy czym energia niesiona przez kwant charakterystycznego promieniowania X wyraża się wzorem hν=Ei-Ef, gdzie: h - stała Plancka, Ei, Ef, - odpowiednio energia stanu początkowego i końcowego elektronu w atomie), jak i widmo ciągłe (powstające jako promieniowanie hamowania w procesie oddziaływania cząstki naładowanej z materią, lampa rentgenowska).
Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna, Braggów-Wulfa warunek, lauegram) oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej. Podczas badania rentgenowskiego przez ciało pacjenta przechodzi porcja promieni X. Fale przenikają do głębokości uzależnionej od liczby atomów perwiastka emitującego promieniowanie i gęstość tkanki: część fal przechodzi przez ciało i pada na materiał rejestrujący (zwykle jest nim arkusz błony filmowej), tworząc obraz, na którym zarejestrowane są cienie rzucane przez tkanki twarde w ciele człowieka. Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 W.C. Roentgen.
MIKROFALE
Mikrofale, fale elektromagnetyczne znajdujące się w widmie pomiędzy falami ultrakrótkimi a podczerwienią (długość fali λ od 30 cm do 1 mm). Stosowane w radiolokacji, telekomunikacji satelitarnej i w urządzeniach grzewczych (np. kuchenki mikrofalowe).
Do generacji mikrofal stosuje się specjalne lampy elektronowe (np. magnetron), masery lub generatory półprzewodnikowe (na bazie arsenku galu). W przesyłaniu mikrofal stosuje się falowody. Popularnym sprzętem w gospodarstwie domowym jest kuchenka mikrofalowa. Podstawowym elementem każdej kuchenki jest urządzenie wytwarzające fale elektromagnetyczne o dużej częstotliwości, czyli mikrofale.