Sprawna łączność komórkowa, jaskrawe światło słoneczne, szkodliwe promieniowanie radioaktywne, pożyteczny, w niewielkich dawkach, nadfiolet, łagodne ciepło pieca, promieniowanie rentgenowskie, które „widzi na wylot"... Są to fale elektromagnetyczne o wspólnej naturze i rozchodzące się w próżni z jednakową prędkością. Dlaczego ich właściwości są różne? Czy istnieje między nimi zasadnicza różnica? Jak powstają różne rodzaje fal elektromagnetycznych i gdzie je można zastosowywać? Spróbujmy wyjaśnić.
Rozpatrzymy skalę fal elektromagnetycznych
Różne rodzaje fal elektromagnetycznych przede wszystkim różnią się częstotliwością, a więc i długością fali. Właśnie różnicą częstotliwości tłumaczy się to, że niektóre właściwości fal elektromagnetycznych poważnie różnią się. Jeżeli
rozmieścimy wszystkie znane nam fale elektromagnetyczne w kolejności zwiększania się ich częstotliwości (rys. 20.1), to zobaczymy, że częstotliwości mogą różnić się ponad 1016 razy. Jest to wielka różnica! Dlatego łatwo jest wyobrazić sobie, jak bardzo mogą się różnić również i właściwości fal elektromagnetycznych.
Przedstawiona na rys. 20.1 skala fal elektromagnetycznych jest podzielona na odcinki, które odpowiadają różnym zakresom długości i częstotliwości fal elektromagnetycznych (różnym rodzajom fal elektromagnetycznych ). Fale jednego zakresu jednakowo promieniują i mają jednakowe właściwości.
Fale radiowe - od długich, o długości powyżej 10 km, do ultrakrótkich i mikrofal o długości mniejszej niż 0,1 mm — wytwarzane są przez zmienny prąd elektryczny.
Elektromagnetyczne fale zakresu optycznego są promieniowane przez wzbudzone atomy. W tym zakresie rozróżniamy:
• podczerwone (cieplne) promieniowanie (długość fali wynosi od 780 nm do 1-2 mm);
• światło widzialne (długość fali - 400-780 nm);
• promieniowanie nadfioletowe (długość fali 10-400 nm).
Promieniowanie rentgenowskie (długość fali - 0,01-10 nm) powstaje na
skutek szybkiego (uderzeniowego) hamowania elektronów, a także w wyniku procesów zachodzących w środku elektronowych powłok atomów.
y-promieniowanie (długość fali mniejsza niż 0,05 nm) jest promieniowane wzbudzonymi jądrami atomowymi podczas reakcji jądrowych, radioaktywnych przemian jąder atomowych i przemian cząstek elementarnych.
Rozpatrzmy skalę fal elektromagnetycznych (patrz rys. 20.1). Jak uważasz, dlaczego niektóre jej odcinki należą jednocześnie do dwóch różnych rodzajów fal elektromagnetycznych?
Zastosowanie fai radiowych
Elektromagnetyczne fale 0 zakresu fal radiowych są stosowane najczęściej: we współczesnej łączności komórkowej, telewizji, radiu, odkrywaniu, rozpoznawaniu i badaniu różnorodnych obiektów (radiolokacja), określaniu miejsca znajdowania się środków transportu i ludzi (GPS - nawigacja, GPS — monitoring i in.), łączności z aparatami kosmicznymi itp. (rys. 20.2).
Fale radiowe zamieniły życie człowieka na bardziej komfortowe. Nie odczuwamy ich, chociaż wpływają one na ogólny stan ludzi i zwierząt, przy czym im krótsze są fale, tym bardziej reagują na nie organizmy.
Potężne fale elektromagnetyczne negatywnie wpływają na człowieka. Medycy twierdzą, że telefon komórkowy — to niebezpieczne źródło promieniowania elektromagnetycznego, tym bardziej, że często znajduje się w pobliżu mózgu i oczu człowieka. Pochłaniając się tkankami mózgu, zmysłami wzroku i słuchu, fale przekazują im energię. Z czasem to może doprowadzić do zniszczenia układu nerwowego, sercowego i endokrynologicznego.
Z całego widma najbardziej bliskie dla organizmu człowieka jest promieniowanie podczerwone. Fale o długości w przybliżeniu od 7 do 14 pm odpowiadają promieniowaniu ciała człowieka i działają na jego organizm bardzo pożytecznie. Najbardziej znane naturalne źródło takich fal na Ziemi — to Słońce, a wśród sztucznych - piec, i każdy człowiek z pewnością odczuwa na sobie ich pozytywny wpływ.
Badamy promieniowanie podczerwone Pomiędzy falami radiowymi i światłem widzialnym znajduje się promieniowanie podczerwone (cieplne), które w przemyśle jest wykorzystywane do suszenia farbowanych powierzchni, drewna, ziarna i in. Promienie podczerwone są wykorzystywane również w pilotach, układach automatyki, układach alarmowych. Promienie te nie rozpraszają uwagi człowieka, bo są niewidoczne. Jednak istnieją przyrządy, które mogą wyczuwać i przekształcać niewidoczny podczerwony obraz na widoczny. Na takiej zasadzie działają noktowizory -przyrządy, które „widzą” w ciemności i „odczuwają” fale podczerwone o długości 3—15 pm. Takie fale są promieniowane przez ciała o temperaturze od -50 do 500° C.
Ciekawe jest to, że wiele przedstawicieli fauny ma swoje żywe „przyrządy nocnego widzenia”, które posiadają zdolność przyjmowania promieni podczerwonych (rys. 20.3, 20.4).
Dowiadujemy się o promieniowaniu nadfioletowym
Promieniowanie nadfioletowe w odróżnieniu od światła widzialnego i promieniowania podczerwonego ma wysoką aktywność chemiczną, dlatego jest stosowane do odkażania powietrza w szpitalach i miejscach dużego skupiska ludzi.
Głównym źródłem naturalnego promieniowania nadfioletowego jest Słońce. Atmosfera Ziemi częściowo zatrzymuje fale nadfioletowe: krótsze niż 290 nm (silny nadfiolet) zatrzymywane są w górnych warstwach atmosfery przez warstwę ozonową a o długości 290-400 nm (słaby nadfiolet) są pochłaniane przez dwutlenek węgla, parę wodną i ozon.
W dużych dawkach promieniowanie nadfioletowe jest szkodliwe dla człowieka (rys. 20.5). W celu zmniejszenia ryzyka oparzenia promieniami słonecznymi i powstawania chorób skórnych lekarze radzą nie przebywać latem na słońcu pomiędzy 10 a 13 godziną gdy promieniowanie słoneczne jest najbardziej intensywne. Jednocześnie w małych ilościach nadfiolet dobrze wpływa na człowieka, przecież sprzyja wyrabianiu witaminy D, wzmacnia układ odpornościowy, stymuluje szereg ważnych życiowych funkcji w organizmie.
Rentgenowskie i y-promieniowanie
Rentgenowskie promieniowanie najbardziej jest stosowane w medycynie, o ile może ono przechodzić przez nieprzeźroczyste przedmioty (na przykład ciało człowieka). Tkanka kostna jest mniej przeźroczysta dla promieniowania rentgenowskiego, niż inne tkanki organizmu człowieka, dlatego kości są wyraźnie widoczne na zdjęciach rentgenowskich. Zdjęcia rentgenowskie również są wykorzystywane w przemyśle (do wykrywania defektów), w chemii (do analizy roztworów), w fizyce (do badania budowy kryształów).
Promieniowanie rentgenowskie niszczy komórki organizmu, dlatego stosować go należy bardzo ostrożnie.
y-promieniowanie ma jeszcze większą zdolność przenikającą, stosuje się je w defektoskopii (w celu wykrycia defektów wewnątrz detali); rolnictwie i przemyśle spożywczym (dla sterylizacji
produktów). Na organizm człowieka γ-promieniowanie wywiera bardzo szkodliwy wpływ, jednocześnie precyzyjnie skierowane i dawkowane γ-promieniowanie jest stosowane przy leczeniu chorób onkologicznych do niszczenia komórek raka (terapia promieniowa).
Podsumowanie
Widmo (skala) fal elektromagnetycznych jest to ciągła kolejność częstotliwości i długości fal elektromagnetycznych istniejących w przyrodzie.
Według sposobu promieniowania rozróżniamy: fale radiowe (wytwarzane przez zmienny prąd elektryczny); elektromagnetyczne fale optycznego zakresu (podczerwone promieniowanie, światło widzialne, nadfioletowe promieniowanie; promieniowane przez wzbudzone atomy); promieniowanie rentgenowskie, wytwarzane podczas szybkiego hamowania elektronów; γ-promieniowanie wysyłane przez wzbudzone jądra atomów. Fale elektromagnetyczne różnych zakresów maja różne właściwości, dlatego mają różny wpływ na człowieka i mają różne zastosowanie.
Wszystkie rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się w próżni z jednakową prędkością. Wraz ze zwiększeniem częstotliwości fali (ze zmniejszeniem jej długości) zwiększa się zdolność przenikająca i aktywność chemiczna promieniowania elektromagnetycznego.
Pytania kontrolne
1. Podaj rodzaje fal elektromagnetycznych. 2. Co wspólnego mają wszystkie fale elektromagnetyczne? Czym się różnią? 3. W jaki sposób zmieniają się właściwości fal elektromagnetycznych wraz ze zwiększeniem ich częstotliwości? 4. Podaj przykłady stosowania różnych rodzajów fal elektromagnetycznych. 5. Jak można zabezpieczyć się przed negatywnym wpływem na zdrowie człowieka niektórych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego?
Ćwiczenie nr 20
1. Rozmieść fale elektromagnetyczne w kolejności zwiększania się ich długości: 1) światło widzialne; 2) promieniowanie nadfioletowe; 3) fale radiowe; 4) promieniowanie rentgenowskie.
2. Ustal zależność między źródłem i falami elektromagnetycznymi, które ono promieniuje.
1 Telefon komórkowy
2 Kaloryfer
3 Robaczek świętojański
4 Próbka radioaktywna
A γ-promieniowanie B Promieniowanie rentgenowskie C Promieniowanie podczerwone D Światło widzialne E Fale radiowe
3. Długość fali światła żółtego w próżni wynosi - 570 nm. Jaka jest częstotliwość tej fali?
4 Oblicz długość fali elektromagnetycznej w próżni, jeżeli jej częstotliwość równa się 3 1012 Hz? Do jakiego zakresu należy ta fala?
5. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o historii wynalezienia dowolnego urządzenia, podstawą działania którego jest promieniowanie elektromagnetyczne.
6. Odległość do przeszkody odbijającej dźwięk wynosi 68 m. Po jakim czasie człowiek usłyszy echo, jeżeli fala dźwiękowa rozchodzi się w powietrzu?
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar