SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁ ENÍ Elektromagnetická vlna
Z elekt iny a magnetismu již víte, že v elektrickém obvodu, do kterého je zapojen kondenzátor a cívka, vzniká elektromagnetické kmitání, které lze pomocí dvouvodi ového vedení p enášet, resp. pomocí p lvlnného dipólu p enášet tzv. elektromagnetickým polem. Toto pole se p enáší prost ednictvím elektromagnetických vln. Každá elektromagnetická vlna má dv složky: elektrickou složku, kterou p edstavuje vektor intenzity elektrického pole E, a magnetickou složku, kterou tvo í vektor magnetické indukce B. Ob složky jsou na sebe navzájem kolmé a ješt navíc jsou ob kolmé na sm r ší ení vln ní. To znamená, že každé elektromagnetické vln ní je p í né vln ní. Na obrázku . 1 se elektromagnetická vlna ší í v kladném sm ru osy x, vektor intenzity elektrického pole se promítá do osy y a vektor magnetické indukce do osy z. Navíc platí, že u postupné vlny jsou oba vektory ve fázi – ob veli iny nabývají svých maximálních hodnot ve stejném okamžiku.
Obr. 1: Elektromagnetická vlna Z vlastní zkušenosti a z p edchozích lekcí víte, že krom sv tla existují další druhy elektromagnetických vln: n které p enášejí rozhlasové a televizní vysílání, jiné oh ívají jídlo v mikrovlnné troub , další zp sobují opálení pokožky nebo procházejí p es r zná t lesa a umož ují zkoumat vnit ní složení. Díky dalším elektromagnetickým vlnám m žeme používat mobilní telefony nebo být p ipojeni k internetu, poslouchat kompaktní disky nebo sledovat filmy na DVD nebo ovládat televizor dálkovým ovládáním. Cílem této lekce je vytvo it p ehled elektromagnetických vln ní a jejich nejd ležit jších vlastností. Jednotlivé druhy elektromagnetického vln ní se od sebe liší nap . vlnovou délkou, schopností pronikat látkami nebo vznikem. Mají však také spoustu spole ných vlastností. Všechny se ve vakuu ší í stejnou rychlostí jako sv tlo (tj. 3.108 m.s-1), všechny mají elektrickou i magnetickou složku, které nelze odd lit. Všechny druhy také p i ší ení podléhají ohybu vln ní, interferenci a v neposlední ad také disperzi. Maxwellova duha
První úplné vysv tlení teorie elektromagnetických vln podal v roce 1865 James Clerk Maxwell. Z jeho teorie elektromagnetického vln ní poprvé vyplynulo, že sv tlo je elektromagnetické vln ní. Na jeho po est se íká spektru
elektromagnetických vln se azených podle vlnové délky Maxwellova duha. Je schématicky zazna ena na obr. . 2.
Obr. 2: Maxwellova duha (p evzato z http://praxis.pha.jhu.edu/pictures/emspec.gif) (Pozn. Další povedené zpracování spektra najdete v [2]) Mezi jednotlivými druhy elektromagnetického vln ní není ostrá hranice, jednotlivé druhy se mohou áste n p ekrývat. Technické vlny
Nejv tší vlnovou délku mají tzv. technické vlny, n kdy též ozna ované jako nízkofrekven ní vlny. Jsou to elektromagnetické vlny, které vznikají v r zných technických za ízeních. Jejich vlnová délka dosahuje ádov n kolik desítek až tisícovek kilometr . P edstavte si nap . elektrický obvod p ipojený do b žné rozvodné sít . Frekvence st ídavého proudu je 50 Hz. Ze vztahu mezi frekvencí a vlnovou délkou m žeme ur it jejich vlnovou délku:
c f
3.10 8 m 50
6 000 000 m
Rozhlasové a televizní vlny
Elektromagnetické vlny, které p enášejí rozhlasové a televizní vysílání ozna ujeme jako rozhlasové a televizní vlny. Jejich vlnová délka leží v intervalu 104 m až 10-2 m. Všechny vznikají v tzv. oscila ních obvodech jako d sledek p em ny energie elektrického pole na energii magnetického pole. V tomto rozsahu také leží elektromagnetické vlny, které používají mobilní telefony.
Mikrovlny
Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny, jejichž vlnová délka leží v rozmezí 10-2 m až 10-4 m. Našly rozsáhlé využití v technické praxi: používají se v radarové technice ke zjiš ování polohy a vzdálenosti letících t les, v moderní komunika ní technice se používají k bezdrátovému propojení po íta . Své místo našly také v kuchyni – jejich p sobení na molekuly vody se využívá k oh evu pokrm v mikrovlnné troub (tato vlastnost byla objevena náhodou – pracovníkovi radarové stanice se v blízkosti zdroje mikrovlnného zá ení rozpustila okoláda). Jak vlastn funguje mikrovlnná trouba se m žete podívat na sérii navazujících java aplet na stránkách Coloradské univerzity, resp. na stránkách NASA.
Infra ervené zá ení
V roce 1800 provád l jeden z nejvýznamn jších astronom všech dob, William Herschel, sérii pokus , p i kterých studoval teplotní ú inky jednotlivých ástí slune ního zá ení. Zjistil, že teplota v oblasti, kde dopadá modré sv tlo, je menší než teplota v oblasti, kam dopadá sv tlo ervené, a dokonce že v oblasti t sn za
ervenou hranou spektra (mimo oblast viditelného zá ení) je teplota ješt vyšší. Toto nov objevené zá ení dostalo ozna ení infra ervené zá ení (= zá ení, které leží pod ervenou oblastí; zkrácen jej ozna ujeme jako IR zá ení z anglického infra red). Herschel také pozd ji dokázal, že pro toto zá ení platí zákon odrazu vln ní a lomu vln ní. Dnes již víme, že zdrojem infra erveného zá ení jsou t lesa s vysokou teplotou, p ípadn speciální výbojky i diody. Infra ervené zá ení vysílají prakticky všechna t lesa. Této vlastnosti t les se používá v dalekohledech pro no ní pozorování nebo v tzv. termovizi. Také podstatn lépe než sv tlo prochází zakalenými prost edími (nap . mlha, …), což našlo uplatn ní v meteorologii nebo ve vojenské technice (letecká technika – tepeln navád né ízené st ely, p ístroje pro no ní létání). Velmi rozsáhlé použití našlo v elektronice – veškerá dálková ovládání v sob obsahují diodu, která vyza uje v infra ervené oblasti pokyny nap . pro zm nu programu, snížení hlasitosti, atd. S dalším využitím infra erveného zá ení se m žete seznámit zde. Tamtéž také najdete n které snímky vyfotografované v infra ervené oblasti. Sv tlo
Sv tlo je elektromagnetické vln ní vnímatelné lidským okem. Jeho vlnové délky leží v intervalu 390 nm – 790 nm. Podrobn ji jsou jeho vlastnosti popsány v lekci Úvod do optiky.
Ultrafialové zá ení
Ultrafialové zá ení bylo objeveno pouze rok (1861) po objevu infra erveného zá ení. N mecký fyzik Johann Wilhelm Ritter zkoumal, jestli existuje neviditelné zá ení také za modrým koncem spektra. P i experimentu, p i kterém studoval rozklad chloridu st íbrného vlivem slune ního sv tla v r zných ástech slune ního spektra (rozkládá se na chlor a tmavé st íbro). Zjistil, že nejrychleji reakce prob hne až za modrým koncem spektra, kde není o ima nic viditelné. Nové zá ení se p vodn jmenovalo chemické, dnes jej ozna ujeme jako ultrafialové zá ení (= za fialovou; zkrácen jej ozna ujeme jako UV zá ení z anglického ultra violet). Vlnové délky ultrafialového zá ení leží v intervalu 400 nm – 10 nm. Podle vlnové délky dále rozlišujeme t i typy ultrafialového zá ení: UV A (vlnové délky od 390 nm do 320 nm), UV B (vlnové délky od 320 nm do 280 nm), a UV C (vlnové délky od 280 nm do 10 nm). Zdrojem UV zá ení jsou t lesa s vysokou teplotou (nap . Slunce, další hv zdy nebo elektrický oblouk) nebo speciální výbojky (nap . výbojka pln ná párami rtuti, která se používá jako horské slunce). Neprochází oby ejným sklem, proto je nutné p i výrob speciálních výbojek používat zvláštní druh skla – tzv. k emenné sklo. Zp sobuje ionizaci vzdušného kyslíku ( podílí se na tvorb ozónu), má chemické ú inky (z ernání fotocitlivé vrstvy), biologické ú inky (zhn dnutí pokožky, ve velkých dávkách m že vyvolat rakovinu k že). Op t se m žete podívat na stránky NASA v nované ultrafialovému zá ení.
Rentgenové zá ení
Rentgenové zá ení objevil v roce 1895 n mecký fyzik Willhelm Conrad Röntgen, když zkoumal vlastnosti katodového zá ení (= zá ení tvo ené svazkem urychlených elektron ). Toto zá ení po dopadu na kovovou elektrodu vyvolává vznik nového elektromagnetického zá ení, které Röntgen ozna il jako paprsky X (toto ozna ení se stále ješt používá v anglicky mluvících zemích – X rays). Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také nepr hlednými p edm ty. Rentgenové zá ení je tedy zá ení s vlnovými délkami 10 nm až 1 pm které vzniká ve speciálních výbojových trubicích – rentgenkách – viz obr. . 3. Její hlavní sou ást tvo í žhavená katoda, ze které v d sledku termoemise vyletují elektrony. Tyto elektrony jsou urychlovány elektrickým nap tím a dopadají na anodu (v tšinou vyrobenou z wolframu). Elektrony na anod „zabrzdí“ a p edají svou kinetickou energii atom m, které tvo í látku anody. V d sledku toho se anoda zah ívá a je t eba ji chladit (vodou, otá ením kolem její osy). Tímto zp sobem vzniká spojité (= brzdné = bílé) rentgenové zá ení. Na energii rentgenového zá ení se p em ní pouze velmi malá ást (1 % - 2 %) energie dopadajících elektron . Vlnová délka vzniklého rentgenového zá ení závisí na energii letících elektron , tj. na urychlovacím nap tí. ím je urychlovací nap tí v tší, tím je vlnová délka rentgenové zá ení kratší. Velikost elektrického proudu v rentgence ovliv uje intenzitu rentgenového zá ení. Pozn.: Vznik rentgenového zá ení je inverzním jevem k fotoelektrickému jevu, kdy dopadající zá ení uvol uje z kovu elektrony.
Obr. 3: Rentgenka (p evzato z: http://www.rentgen.cz/) Rozlišujeme dva základní druhy rentgenového zá ení: 1. spojité závisí pouze na urychlovacím nap tí, nezávisí na materiálu, z n hož je anoda vyrobena; rozložení intenzity rentgenového zá ení v závislosti na vlnové délce je zachyceno na obr. 4: z n j vyplývá, že existuje pro každou hodnotu
urychlovacího nap tí existuje minimální vlnová délka rentgenového zá ení; tuto nejkratší vlnovou délku ozna ujeme jako krátkovlnná mez spojitého zá ení. M žeme ji vypo ítat na základ zákona zachování energie: energie dopadajícího elektronu se všechna p em ní na energii fotonu rentgenového zá ení. Platí:
E
eU
hf
hc 0 0
hc . eU
Po dosazení íselných hodnot získáme vztah mezi krátkovlnnou mezí a urychlovacím nap tím: 1234,5 nm. 0 U
Obr. 4: Rozložení intenzity spojitého RTG zá ení podle vlnové délky (p evzato z [3]) Pozn.: Všimn te si, že se tvar t chto k ivek mírn liší od k ivky popisující zá ení absolutn erného t lesa – u erného t lesa existovala nenulová pravd podobnost, že se vyzá í foton s libovolnou vlnovou délkou. U spojitého RTG zá ení se m že p i daném nap tí vyzá it s nejkratší vlnovou délkou 0, protože jinak by byl porušen zákon zachování energie (vznikající foton by m l v tší energii než elektron, který jeho vznik zp sobil) 2. charakteristické závisí na vlastnostech látky, z níž je vyrobena anoda; na rozdíl od spojitého zá ení má výrazné árové spektrum vzniká p i interakci elektronu (vyletivšího ze žhavené katody) s elektronem ve vnit ních slupkách elektronového obalu – tento elektron je vyražen z atomu a na jeho místo sestupují elektrony z vyšších slupek; p i tom se vyzá í charakteristická série ar. rozložení intenzity podle vlnové délky Rentgenové zá ení op t našlo velmi rozsáhlé použití v praxi. Nej ast ji se s ním setkáte v léka ství (každý z vás už ur it n kdy byl na „rentgenu“ – prohlédn te si
hezký java aplet, který simuluje vznik rentgenového snímku ruky; krom klasického rentgenového vyšet ení se v posledních letech hodn za íná využívat po íta ové tomografie (CT z anglického Computer Tomography) – její princip m žete najít t eba v [5]. Díky velmi krátké vlnové délce rentenového zá ení m žeme pozorovat jeho ohyb na krystalických látkách ( tzv. rentgenová strukturní analýza). Další využití rentgenového zá ení v pr myslu a v léka ství najdete zde. Stejn jako ultrafialové zá ení je rentgenové zá ení ve velkých dávkách škodlivé, a proto je t eba se p ed ním chránit. Gama zá ení
Zá ení gama objevil roku 1900 Paul Villard. Na rozdíl od rentgenového zá ení, které vzniká jako d sledek energetických p em n v elektronovém obalu atomu, vzniká gama zá ení v atomovém jád e p i d jích, které doprovázejí vznik zá ení alfa nebo beta. Je vysoce pronikavé, do materiál proniká lepe než zá ení alfa nebo zá ení beta. Na pohlcení zá ení je t eba velké masy materiálu. Vhodn jší jsou materiály s vyšším atomovým íslem a hustotou. Používá se nap . p i sterilizaci nástroj , p i ošet ování jídla, hlavn masa a zeleniny (aby z staly déle erstvé). P estože m že samo zp sobovat rakovinu, používá se p i jejím lé ení (tzv. Leksel v gama n ž využívá n kolika paprsk zá ení zam ených na místo nádoru, aby zabil rakovinou zasažené bu ky; v ostatních místech prochází jen jeden paprsek, a proto jsou zdravé bu ky mén poškozené a p ežijí). Stránky NASA v nované gama zá ení.
Použitá literatura:
[1] BARTUŠKA, K. Sbírka ešených úloh z fyziky IV. 1. vyd. Praha: Prometheus 2000 [2] HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J.: Fyzika. 1. vyd. Brno: VUTIUM, 2000 [3] HORÁK, Z., KRUPKA, F.: Fyzika. 2. vyd. Praha: SNTL, 1976 [4] JAVORSKIJ, B. M., SELEZN V, J. A. P ehled elementární fyziky. 1. vyd., Praha: SNTL, 1989 [5] LEPIL, O. Fyzika pro gymnázia – Optika. 3. vyd. Praha: Prometheus, 2002 [6] PIŠÚT, J. a kol. Fyzika pro IV. ro ník gymnázií. 1. vyd. Praha: SPN, 1987 [7] VON LAUE, M. D jiny fyziky. 1. vyd. Praha: Orbis, 1958
