WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE: CHARAKTERYSTYKA, PASMA, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Widmo elektromagnetyczne składa się uporządkowanym ułożeniem wszystkich długości fali fal elektromagnetycznych, w których zakłada się każdą wartość dodatnią, bez żadnych ograniczeń. Jest podzielony na 7 sekcji, w tym światła widzialnego.

Częstotliwości światła widzialnego są nam znane, gdy widzimy tęczę, w której każdy kolor odpowiada innej długości fali: czerwony jest najdłuższy, a fioletowy najkrótszy.

Widmo elektromagnetyczne. Zauważ, że częstotliwość (a wraz z nią energia) rośnie od lewej do prawej na tym schemacie. André Oliva / domena publiczna

Zakres światła widzialnego zajmuje tylko bardzo krótki obszar widma. Inne obszary, których nie możemy zobaczyć, to fale radiowe, mikrofale, podczerwień, ultrafiolet, promienie rentgenowskie i gamma.

Regiony nie zostały odkryte w tym samym czasie, ale w różnym czasie. Na przykład istnienie fal radiowych przewidział w 1867 r. James Clerk Maxwell, a lata później, w 1887 r., Heinrich Hertz po raz pierwszy wyprodukował je w swoim laboratorium, dlatego nazywa się je falami hercowymi.

Wszystkie są zdolne do interakcji z materią, ale na różne sposoby, w zależności od przenoszonej energii. Z drugiej strony, różne obszary widma elektromagnetycznego nie są ostro zdefiniowane, ponieważ w rzeczywistości granice są rozmyte.

Zespoły

Pasma widma elektromagnetycznego. Tatoute and Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Granice między różnymi regionami widma elektromagnetycznego są raczej rozmyte. To nie są naturalne podziały, w rzeczywistości widmo jest kontinuum.

Jednak rozdzielenie na pasma lub strefy służy do wygodnego scharakteryzowania widma zgodnie z jego właściwościami. Nasz opis zaczniemy od fal radiowych, których fale są dłuższe.

Fale radiowe

Najniższe częstości ma zakres około 10 ⁴ Hz, co z kolei odpowiadają najdłuższej długości fali, zwykle od wielkości obiektu. AM, FM i radio z pasma obywatelskiego wykorzystują fale w tym zakresie, a także programy telewizyjne VHF i UHF.

Do celów komunikacyjnych po raz pierwszy wykorzystano fale radiowe około 1890 roku, kiedy to Guglielmo Marconi wynalazł radio.

Ponieważ częstotliwość fal radiowych jest niższa, nie mają one wpływu jonizującego na materię. Oznacza to, że fale radiowe nie mają wystarczającej energii, aby wyrzucić elektrony z cząsteczek, ale podnoszą temperaturę obiektów, podnosząc wibracje cząsteczek.

Kuchenka mikrofalowa

Długość fali mikrofal jest rzędu centymetrów i zostały one również po raz pierwszy wykryte przez Heinricha Hertza.

Mają wystarczająco dużo energii, aby podgrzać żywność, która w mniejszym lub większym stopniu zawiera wodę. Woda jest cząsteczką polarną, co oznacza, że ​​chociaż jest elektrycznie obojętna, ładunki ujemne i dodatnie są nieco oddzielone, tworząc dipol elektryczny.

Kiedy mikrofale, które są polami elektromagnetycznymi, uderzają w dipol, wytwarzają momenty obrotowe, które powodują ich obrót, aby ustawić je w linii z polem. Ruch przekłada się na energię, która rozchodzi się po żywności i powoduje jej podgrzanie.

Podczerwień

Ta część widma elektromagnetycznego została odkryta przez Williama Herschela na początku XIX wieku i ma niższą częstotliwość niż światło widzialne, ale wyższą niż mikrofale.

Długość fali widma podczerwonego (poniżej czerwieni) jest porównywalna z końcem igły, dlatego jest to promieniowanie bardziej energetyczne niż mikrofale.

Znaczna część promieniowania słonecznego pochodzi z tych częstotliwości. Każdy obiekt emituje pewną ilość promieniowania podczerwonego, zwłaszcza jeśli jest gorący, taki jak palniki kuchenne i zwierzęta ciepłokrwiste. Jest niewidoczny dla ludzi, ale niektóre drapieżniki odróżniają emisję podczerwieni od swojej ofiary, co daje im przewagę w polowaniu.

Widoczny

Jest to część widma, którą możemy wykryć naszymi oczami, o długości fali od 400 do 700 nanometrów (1 nanometr, w skrócie 1 x ^10-9 m).

Białe światło zawiera mieszaninę wszystkich długości fal, które widzimy osobno przechodząc przez pryzmat. Krople deszczu w chmurach zachowują się czasem jak pryzmaty, dzięki czemu możemy zobaczyć kolory tęczy.

Kolory tęczy reprezentują różne długości fal światła widzialnego. Źródło: Pixabay.

Długości fal kolorów, które widzimy, w nanometrach, to:

-Czerwony: 700–620

-Pomarańczowy: 620–600

-Żółty: 600–580

-Zielony: 580–490

-Niebieski: 490–450

-Fioletowy: 450–400

Ultrafioletowy

Jest to obszar bardziej energetyczny niż światło widzialne, o długościach fal poza fioletem, czyli powyżej 450 nm.

Nie możemy tego zobaczyć, ale promieniowanie pochodzące od Słońca jest bardzo obfite. A ponieważ ma wyższą energię niż część widzialna, promieniowanie to oddziałuje znacznie bardziej z materią, powodując uszkodzenia wielu cząsteczek o znaczeniu biologicznym.

Promienie ultrafioletowe zostały odkryte wkrótce po promieniowaniu podczerwonym, choć początkowo nazywano je „promieniami chemicznymi”, ponieważ reagują z takimi substancjami, jak chlorek srebra.

Rentgenowskie

Zostały odkryte przez Wilhelma Roentgena w 1895 roku podczas eksperymentów z przyspieszającymi elektronami (promieniami katodowymi) skierowanymi na cel. Nie będąc w stanie wyjaśnić, skąd pochodzą, nazwał je promieniami rentgenowskimi.

Jest to wysokoenergetyczne promieniowanie o długości fali porównywalnej z rozmiarem atomu, zdolne do przechodzenia przez nieprzezroczyste ciała i generowania obrazów jak w przypadku promieni rentgenowskich.

Zdjęcia rentgenowskie uzyskuje się za pomocą promieni rentgenowskich: Źródło: Pixabay.

Ponieważ mają więcej energii, mogą oddziaływać z materią poprzez wyodrębnianie elektronów z cząsteczek, stąd znane są pod nazwą promieniowania jonizującego.

Promienie gamma

Jest to najbardziej energetyczne promieniowanie ze wszystkich, o długościach fal rzędu jądra atomowego. Występuje często w przyrodzie, ponieważ jest emitowany przez pierwiastki promieniotwórcze, gdy rozpadają się do bardziej stabilnych jąder.

We Wszechświecie istnieją źródła promieniowania gamma w wybuchach supernowych, a także tajemnicze obiekty, wśród których są pulsary, czarne dziury i gwiazdy neutronowe.

Atmosfera ziemska chroni planetę przed tymi silnie jonizującymi promieniami pochodzącymi z wszechświata, a ze względu na wysoką energię mają one szkodliwy wpływ na tkankę biologiczną.

Aplikacje

-Fale radiowe lub częstotliwości radiowe są wykorzystywane w telekomunikacji, ponieważ mogą przenosić informacje. Również w celach terapeutycznych, aby ogrzać tkanki i poprawić strukturę skóry.

-Aby uzyskać obrazy rezonansu magnetycznego, wymagane są również częstotliwości radiowe. W astronomii radioteleskopy wykorzystują je do badania struktury ciał niebieskich.

-Telefony komórkowe i telewizja satelitarna to dwa zastosowania mikrofal. Radar to kolejna ważna aplikacja. Co więcej, cały wszechświat jest zanurzony w tle promieniowania mikrofalowego, pochodzącego z Wielkiego Wybuchu, a wykrycie tego promieniowania tła jest najlepszym dowodem na poparcie tej teorii.

Radar wysyła impuls w kierunku obiektu, który rozprasza energię we wszystkich kierunkach, ale jej część jest odbijana, dostarczając informacji o położeniu obiektu. Źródło: Wikimedia Commons.

-Widzialne światło jest niezbędne, ponieważ pozwala nam efektywnie współdziałać z naszym otoczeniem.

-Promienie rentgenowskie mają wielorakie zastosowanie jako narzędzie diagnostyczne w medycynie, a także na poziomie materiałoznawstwa, do określania właściwości wielu substancji.

- Promieniowanie gamma z różnych źródeł jest stosowane w leczeniu raka, a także do sterylizacji żywności.

Bibliografia

1. Giambattista, A. 2010. Fizyka. Druga edycja. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba.
4. Serway, R. 2019. Fizyka dla nauki i inżynierii. 10. Wydanie. Tom 2. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. Wprowadzenie do nauk fizycznych. Dwunasta edycja. Brooks / Cole, Cengage Editions.