FizykaII OO/Źródła i widmo fal elektromagnetycznych

Pokazy

1. Rezonans fal akustycznych (kamertony).
2. Rezonans obwodów drgających LC.
3. Podczerwień — pokazy z użyciem kamery termowizyjnej.
4. Ultrafiolet — pokazy z użyciem źródeł nadfioletu.

Rezonans elektromagnetyczny

Hertz odkrył fale elektromagnetyczne, wykorzystując zjawisko rezonansu. Zanim opowiem Tobie, jak przebiegało doświadczenie Hertza, przypomnijmy, na czym polega rezonans. Warunkiem zaistnienia rezonansu pomiędzy dwoma układami drgającymi jest to, aby miały one jednakowe częstotliwości własne. Rezonans akustyczny jest możliwy między dwoma kamertonami, które generują dźwięk o takiej samej częstotliwości. Rezonans akustyczny polega na tym, że jeden z kamertonów pobudzony do drgań jest źródłem fali akustycznej. Fala ta dociera do drugiego kamertonu i wprawia go w drgania. Fali akustycznej, która pomiędzy kamertonami rozprzestrzeniała się nie widzieliśmy, ale dzięki pobudzeniu przez nią drugiego kamertonu, nie mamy wątpliwości co do jej istnienia.

Doświadczenie, które wykonał Hertz było analogiczne. Pomyślał tak: jeśli istnieje fala elektromagnetyczna wytwarzana przez jeden z drgających układów elektrycznych, to w drugim takim samym układzie muszą zaistnieć drgania rezonansowe

Pierwszy układ składał się z dwu prętów zakończonych kulkami i podłączonych do induktora — przyrządu, który zapewniał periodyczne ich ładowanie, drugi był niepełnym pierścieniem z przerwą zakończoną też dwoma kulkami. W pierwszym obwodzie pomiędzy kulkami przeskakiwała iskra — istniało tu silne, zmieniające się pole elektryczne. W pewnych położe­niach udało się Hertzowi uzyskać przeskok iskry w drugim obwodzie — tym w kształcie pierścienia. Iskra przeskakiwała w przerwie między kulkami. To tak, jak byśmy usłyszeli drgania drugiego kamertonu, ustawionego w pew­nej odległości od pierwszego. Podobnie, jak pomiędzy kamertonami zaistniał rezonans akustyczny, tak pomiędzy obwodami zaistniał rezonans elektromagnetyczny. Pierwszy elektryczny obwód drgający wyemitował falę elektromag­netyczną, która dotarła do drugiego i wzbudziła w nim drgania.

Rezonans jest możliwy wtedy, gdy częstotliwość drgań własnych obu układów jest jednakowa.

Jest to warunek każdego rezonansu, nie tylko elektromagnetycznego.

Widmo fal elektromagnetycznych

Otwarty układ LC połączony z anteną i zasilany z generatora emituje falę elektromagnetyczną, która charakteryzuje się określoną długością i związaną z nią częstotliwością.

Częstotliwość emitowanej fali jest równa częstotliwości drgań układu LC.

Oznaczając, długość fali oznaczmy jako [math]\lambda[/math] jej częstotliwość jako [math]\nu[/math] prędkość rozchodzenia się jako c, a okres – T, można zapisać

[math]\lambda=cT =c2\pi\sqrt{LC}[/math]

lub

[math]\nu = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}.[/math]

Ponieważ długość emitowanej fali zależy od pojemności i indukcyjności układu, można ją zmieniać. W próżni prędkość światła jest stała i równa:

[math]x = \unit{2,99792458\cdot 10^8}{\nicefrac{m}{s}}.[/math]

Propagacji fali towarzyszy transport energii pola elektrycznego i magnetycznego. Wektory natężenia pola elektrycznego E i indukcji magnetycznej B są wzajemnie prostopadłe i prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Źródłami fal elektromagnetycznych są: obwody drgające LC, swobodne cząstki (elektrony) naładowane, poruszające się z przyspieszeniem, wzbudzone atomy i jądra atomowe oraz drgające atomy w cząsteczkach.

Pomiędzy poszczególnymi zakresami fal, które maja odrębne nazwy nie ma ostrych granic. Rozróżnienie fal z pogranicza zakresów dokonywane jest na podstawie tego, jakie jest ich źródło.

Promieniowanie gamma

(od granic detekcji — około [math]\unit{10^{-15}}{m}[/math] — do [math]\unit{10^{-11}}{m}[/math])

Źródłem tego niezmiernie przenikliwego promieniowania są wzbudzone jądra atomo­we. Jest ono emitowane podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych. Promieniowanie to przedostaje się nawet przez bardzo grube przesłony i jest bardzo szkodliwe dla żywych organizmów.

Promieniowanie rentgenowskie

(od około [math]\unit{10^{-12}}{m}[/math] — do [math]\unit{10^{-8}}{m}[/math])

28 grudnia 1895 r. Wilhelm Roentgen podał do publicznej wiadomości, że dokonał odkrycia nowego rodzaju promieniowania. Nazwał je promieniowaniem X. Było to odkrycie przypadkowe. Roentgen stwierdził, ze źródłem promieniowania X jest rura próżniowa, w której na jednej z elektrod hamowane są elektrony. Promieniowanie powodowało świecenie ekranu fluorescencyjnego, a najbardziej zadziwiające było to, że było ono widoczne mimo stawiania przesłon między źródłem promieniowania a ekranem. Roentgen zauważył, że promieniowanie może być przez te przesłony osłabiane (ekran świeci słabiej). Pochłanianie zależało od rodzaju materiału i grubości przeszkody. Znane są zdjęcia rentgenowskie wykonywane dla celów medycznych. Ich niebywałą wręcz przydatność zauważono zaraz po odkryciu. Roentgen podejrzewał, że są to fale elektro­magnetyczne, krótsze od nadfioletowych, ale nie był tego pewien. Falowej natury promieniowania X dowiodło odkrycie ich dyfrakcji na kryształach, zaobserwowane w 1912 r. przez Maxa Lauego oraz Henry'ego i Lawrence'a Braggów — ojca i syna. Atomy ułożone w równych rzędach w kryształach stanowią dla promieniowania rent­genowskiego naturalną, bo stworzoną przez przyrodę, siatkę dyfrakcyjną. Stała tej „siatki" jest równa odstępowi atomów w krysztale, czyli wynosi około [math]\unit{10^{- 10}}{m}[/math] i jest porównywalna z długością fali promieniowania X. Źródłem promieniowania rentgenowskiego używanego do celów medycznych i badawczych są specjalnie konstruowane lampy. Promieniowania dociera do Ziemi również z Kosmosu.

Ciekawa jest interpretacja powstawania promieniowania X przez hamowanie elektronów. Otóż strumień elektronów w rurze próżniowej, to prąd elektryczny o stałym natężeniu. Jest on źródłem stałego pola magnetycznego. W momencie zderzenia elektronów z elektrodą lampy rentgenowskiej następuje zmiana natężenia prądu, które maleje do zera — elektrony zatrzymują się. Pociąga to za sobą zmianę pola magnetycznego i związana z nią zmianę pola elektrycznego. Te zmiany to nic innego, jak fala elektromagnetyczna.

Nadfiolet

[math]\left( \unit{10^{-8}}{m}\ - \ \unit{0,38\cdot 10^{-6}}{m}\right)[/math]

Promieniowanie to zostało wykryte w 1801 r. przez Johanna Rittera, który badał działanie chemiczne światła o różnych barwach na związki srebra. Zauważył on, że za barwą fioletową w widmie jest jeszcze „coś", co, tak jak światło, zaczernia emulsję fotograficzną. Źródłem promieniowania nadfioletowego, podobnie jak widzialnego, są wzbudzone atomy i tak jak światło, dochodzi ono do nas ze Słońca. Chociaż Słońce emituje wszystkie długości fal nadfioletu, to do powierzchni Ziemi dociera tylko część. Fale o długości mniejszej niż [math] \unit{0,285 \cdot 10^{- 6}}{ m}[/math] są pochłaniane przez atmosferę. Właśnie na nadfiolet reaguje nasza skóra, co daje efekt opalenizny. Promieniowanie nadfioletowe o małej długości fali (tak zwany daleki nadfiolet) jest szkodliwe dla żywych organizmów. Bakterie wręcz zabija.

Światło widzialne

[math]\left( \unit{0,38\cdot 10^{-6}}{m}\ - \ \unit{0,76\cdot 10^{-6}}{m}\right)[/math]

Zakres długości fal, na które wrażliwe jest nasze oko, jest bardzo mały. A przecież w nim właśnie mieszczą się wszystkie barwy zachodu słońca, odcienie błękitu i zieleń drzew!

Podczerwień

[math]\left( \unit{0,76\cdot 10^{-6}}{m}\ - \ \unit{10^{-3}}{m}\right)[/math]

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte przez Williama Herschela w 1800 r. Wykonał on genialne w swej prostocie doświadczenie. Rozszczepił w pryzmacie światło i badał bardzo czułym termometrem, czy każdej barwie rozszczepionego światła odpowiada taka sama temperatura. Okazało się, że nie. Najwyższa temperatura odpowiadała barwie żółto- pomarańczowej, a najdziwniejsze było to, że za czerwienią temperatura nie spadała do zera. Świadczyło to o tym, że Słońce emituje jeszcze jakieś promieniowanie, które jest niewidoczne dla oczu, ale wyczuwalne przez termometr. Jest to podczerwień, zwana również promieniowaniem cieplnym, bo reagują na nią receptory ciepła w naszej skórze. Źródłem tego promieniowania są wszystkie promienniki ciepła.

Mikrofale i fale radiowe

[math]\left( \unit{10^{-3}}{m}\ - \ \unit{10^{6}}{m}\right)[/math]

Źródłem fal radiowych i mikrofal są obwody drgające. Po raz pierwszy wytworzył je Hertz. Bardzo szybko rozwinęła się technika wytwarzania fal radiowych o różnej długości, a później wykorzystania ich do przesyłania sygnałów dźwiękowych i obrazu na duże odległości. W 1932 r. zarejestrowano po raz pierwszy sygnały o długości fali kilku metrów dochodzące z Kosmosu. Ten fakt uważa się za początek nowej gałęzi nauki — radioastronomii. Fale radiowe nie są sygnałami jakichś pozaziemskich cywilizacji, ale mogą pochodzić od różnych obiektów astronomicznych. Wysyłają je galaktyki, eksplodujące gwiazdy, czy też obszary zjonizowanego wodoru.

Śledząc daty odkryć poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego, można zauważyć, że były one bardzo różne. Odkrywcy badając je, nie podejrzewali, ze ma ono tę samą naturę, co światło. Tak jak światło, promieniowanie elektromagnetyczne niewidzialne podlega wszystkim zjawiskom falowym.