ELEKTROMAGNETICKÉ SPEKTRUM: VLASTNOSTI, PÁSMA, APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Elektromagnetické spektrum se skládá z objednaného uspořádání všech vlnových délek elektromagnetických vln, které předpokládají žádný pozitivní hodnotu, a to bez jakéhokoliv omezení. Je rozdělena do 7 sekcí, včetně viditelného světla.

Známe frekvence viditelného světla, když vidíme duhu, ve které každá barva odpovídá jiné vlnové délce: červená je nejdelší a fialová nejkratší.

Elektromagnetické spektrum. Všimněte si, že frekvence (a tím i energie) se v tomto schématu zvyšuje zleva doprava. André Oliva / Public domain

Rozsah viditelného světla zabírá pouze velmi malou oblast spektra. Ostatní oblasti, které nevidíme, jsou rádiové vlny, mikrovlny, infračervené, ultrafialové, rentgenové a gama záření.

Regiony nebyly objeveny současně, ale v různých časech. Například existenci rádiových vln předpověděl v roce 1867 James Clerk Maxwell ao několik let později je v roce 1887 Heinrich Hertz poprvé vyrobil ve své laboratoři, a proto se jim říká Hertzianské vlny.

Všichni jsou schopni interagovat s hmotou, ale různými způsoby, v závislosti na energii, kterou nesou. Na druhé straně různé oblasti elektromagnetického spektra nejsou ostře definovány, protože hranice jsou ve skutečnosti nejasné.

Skupiny

Skupiny elektromagnetického spektra. Tatoute a Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Hranice mezi různými oblastmi elektromagnetického spektra jsou poněkud nejasné. Nejedná se o přirozené divize, ve skutečnosti je spektrum kontinuum.

Rozdělení do pásem nebo zón však slouží k pohodlné charakterizaci spektra podle jeho vlastností. Začneme popisem rádiových vln, jejichž vlnové délky jsou delší.

Rádiové vlny

Nejnižší frekvence mají rozsah kolem 10 ⁴ Hz, což opět odpovídají nejdelší vlnové délky, obvykle o velikosti budovy. AM, FM a občanské pásmo používají vlny v tomto rozsahu, stejně jako televizní vysílání VHF a UHF.

Pro komunikační účely byly poprvé použity rádiové vlny kolem roku 1890, kdy rádio vynalezl Guglielmo Marconi.

Protože je frekvence rádiových vln nižší, nemají na hmotu žádné ionizující účinky. To znamená, že radiové vlny nemají dostatek energie k vysunutí elektronů z molekul, ale zvyšují teplotu objektů zvyšováním vibrací molekul.

Mikrovlnná trouba

Vlnová délka mikrovlny je řádově centimetrů a byly také poprvé detekovány Heinrichem Hertzem.

Mají dostatek energie k ohřevu jídla, které ve větší či menší míře obsahuje vodu. Voda je polární molekula, což znamená, že ačkoli je elektricky neutrální, negativní a pozitivní náboje jsou mírně odděleny a vytvářejí elektrický dipól.

Když mikrovlny, což jsou elektromagnetická pole, udeří do dipólu, vytvoří točivé momenty, díky nimž se otočí, aby je zarovnaly s polem. Pohyb se promítá do energie, která se šíří potravou a má za následek její zahřátí.

Infračervený

Tato část elektromagnetického spektra byla objevena Williamem Herschelem na počátku 19. století a má nižší frekvenci než viditelné světlo, ale vyšší než mikrovlny.

Vlnová délka infračerveného spektra (pod červenou) je srovnatelná se špičkou jehly, je tedy energetičtějším zářením než mikrovlnami.

Většina slunečního záření přichází na tyto frekvence. Jakýkoli předmět emituje určité množství infračerveného záření, zejména pokud jsou horké, jako jsou kuchyňské hořáky a teplokrevná zvířata. To je pro lidi neviditelné, ale někteří predátoři rozlišují infračervené záření od své kořisti, což jim dává výhodu v lovu.

Viditelné

Je to část spektra, kterou můžeme pomocí našich očí detekovat, mezi 400 a 700 nanometry (1 nanometr, zkrácená nm je 1 × 10 - ⁹ m) vlnové délky.

Bílé světlo obsahuje směs všech vlnových délek, které můžeme vidět samostatně při průchodu hranolem. Dešťové kapky v oblacích se někdy chovají jako hranoly, takže můžeme vidět barvy duhy.

Barvy duhy představují různé vlnové délky viditelného světla. Zdroj: Pixabay.

Vlnové délky barev, které vidíme v nanometrech, jsou:

-Červená: 700–620

-Orange: 620–600

-Jedno: 600–580

-Green: 580–490

-Blue: 490–450

-Violet: 450–400

Ultrafialový

Je to energetičtější oblast než viditelné světlo, s vlnovými délkami nad fialovou, tj. Větší než 450 nm.

To nevidíme, ale záření vycházející ze Slunce je velmi hojné. A protože má vyšší energii než viditelná část, interaguje toto záření mnohem více s hmotou a způsobuje poškození mnoha molekul biologického významu.

Ultrafialové paprsky byly objeveny krátce po infračervených paprskách, ačkoli zpočátku byly označovány jako „chemické paprsky“, protože reagují s látkami, jako je chlorid stříbrný.

Rentgenové paprsky

Byli objeveni Wilhelmem Roentgenem v roce 1895 při experimentech s urychlujícími elektrony (katodovými paprsky) zaměřenými na cíl. Nemohl vysvětlit jejich původ, říkal jim rentgen.

Je to vysoce energetické záření s vlnovou délkou srovnatelnou s velikostí atomu, schopné projít neprůhlednými těly a vytvářet obrazy jako v rentgenovém záření.

Rentgenové snímky jsou získávány rentgenovým paprskem: Zdroj: Pixabay.

Protože mají více energie, mohou interagovat s hmotou extrakcí elektronů z molekul, proto jsou známy pod názvem ionizujícího záření.

Gama paprsky

Toto je nejenergičtější záření ze všech, s vlnovými délkami v řádu atomového jádra. Vyskytuje se často v přírodě, protože je emitována radioaktivními prvky, protože se rozkládají na stabilnější jádra.

Ve vesmíru existují zdroje gama paprsků při výbuchu supernovy a také tajemné objekty, mezi nimiž jsou pulzary, černé díry a neutronové hvězdy.

Atmosféra Země chrání planetu před těmito vysoce ionizujícími paprsky, které přicházejí z vesmíru, a díky své vysoké energii mají škodlivý účinek na biologickou tkáň.

Aplikace

- Rádiové vlny nebo rádiové frekvence se používají v telekomunikacích, protože jsou schopny přenášet informace. Také pro terapeutické účely zahřívání tkání a zlepšení textury kůže.

- Pro získání snímků magnetické rezonance jsou také vyžadovány radiofrekvence. V astronomii je používají radioteleskopy ke studiu struktury nebeských objektů.

- Mobilní telefony a satelitní televize jsou dvě aplikace mikrovln. Radar je další důležitá aplikace. Kromě toho je celý vesmír ponořen do pozadí mikrovlnného záření vycházejícího z Velkého třesku, přičemž detekce uvedeného záření pozadí je nejlepším důkazem ve prospěch této teorie.

Radar vysílá impuls směrem k objektu, který rozptyluje energii ve všech směrech, ale její část se odráží a přináší informace o poloze objektu. Zdroj: Wikimedia Commons.

-Viditelné světlo je nezbytné, protože nám umožňuje účinně spolupracovat s naším prostředím.

- rentgenové paprsky mají více aplikací jako diagnostický nástroj v medicíně a také na úrovni vědy o materiálech pro stanovení charakteristik mnoha látek.

-Gama záření z různých zdrojů se používá k léčbě rakoviny a ke sterilizaci potravin.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fyzika. Druhé vydání. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6. Ed Prentice Hall.
3. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
4. Serway, R. 2019. Fyzika pro vědu a techniku. 10. Edice. Svazek 2. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzikální vědy. Dvanácté vydání. Brooks / Cole, vydání Cengage.