Elektromagnetyzm

Początkiem drogi prowadzącej do powstania nowego działu fizyki zwanego elektromagnetyzmem, było odkrycie fizyka duńskiego Hansa Oersteda. Doświadczenie Oersteda miało kolosalne znaczenie dla fizyki. Doprowadziło ono do odkrycia prądu przemiennego i fal elektromagnetycznych. Niedługo później, fizyk francuski A. Amper wykazał, że pętla z przewodnika w którym płynie stały prąd, posiada wyraźnie zaznaczone bieguny magnetyczne i stanowi odpowiednik magnesu sztabkowego.

Elektromagnetyzm jest działem fizyki obejmującym zagadnienia współzależności zjawisk magnetycznych i elektrycznych, np. wytwarzanie pola magnetycznego za pomocą prądu elektrycznego. Elektromagnetyzm może być wykorzystany na dwa sposoby. Pierwszy z nich to zjawisko indukcji elektromagnetycznej, która zachodzi wówczas, gdy magnes porusza się wewnątrz zwojnicy, wytwarzając w niej prąd elektryczny. Drugim sposobem jest siła elektrodynamicza. Powstaje wówczas, gdy przewód, w którym płynie prąd, jest umieszczony między biegunami magnesu.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Promieniowanie jest aktem emisji strumieni cząstek (fotonów, elektronów, neutronów) emitowanych przez układy materialne (cząsteczki, atomy, jądra atomowe).
Promieniowanie elektromagnetyczne (fotonowe) jest emitowane wskutek zmian zachodzących wewnątrz jądra atomowego lub poprzez wzbudzone atomy i cząsteczki, w wyniku anihilacji (zamiany) pary elektron-pozyton na kwant pola elektromagnetycznego, w tym wypadku na dwa fotony tegoż promieniowania.

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w postaci fal elektromagnetycznych, których widmo (spectrum) przedstawia rysunek. Nazwy nadane różnym obszarom tego widma związane są z odpowiednimi eksperymentalnymi technikami wytwarzania i wykrywania tych fal.
Zjawiska dyfrakcji i interferencji promieni elektromagnetycznych świadczą o falowym charakterze promieniowania elektromagnetycznego, zaś zjawisko fotoelektryczne przemawia za korpuskularną strukturą promieniowania elektromagnetycznego. W pewnych przypadkach promieniowanie elektromagnetyczne zachowuje się więc jak fala o określonej częstotliwości ν i długości fali λ, a w innych rozchodzi się w postaci fotonów o określonej energii E, pędzie p oraz masie spoczynkowej równej zero. W związku z tymi faktami mówimy o dwoistej naturze lub o dualizmie korpuskularno-falowym promieniowania elektromagnetycznego. Możliwości przejścia między falowym a fotonowym obrazem dostarczają nam wzory

Fala elektromagnetyczna

Fala elektromagnetyczna to wzajemnie przenikające się drgania elektryczne i magnetyczne. Fala taka powstaje np. wtedy, gdy elektron w atomie traci energię i przeskakuje na orbitę bliżej jądra atomu. Powstają przy tym drgania elektryczne, które rozchodzą się w przestrzeni w postaci pola elektrycznego i magnetycznego. Pola te są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali. Pierwszym, który wprowadził pojęcie pola elektromagnetycznego był fizyk James Clerk Maxwell.

Cechą charakterystyczną fal elektromagnetycznych jest ich możliwość rozchodzenia się w próżni, czym w zasadniczy sposób różnią się od fal mechanicznych, które mogą się rozchodzić jedynie w ośrodkach sprężystych. Różni je także olbrzymia prędkość, z jaką się poruszają. Są to fale poprzeczne. Ich długość dana jest wzorem:

Podział fal elektromagnetycznych na poszczególne rodzaje dokonuje się ze względu na sposób ich wytwarzania. Fale radiowe czy mikrofale są wytwarzane sztucznie za pomocą przyrządów elektronicznych. Promieniowanie podczerwone świetlne i ultrafioletowe powstaje wskutek zmian energetycznych, zachodzących w elektronowej powłoce wewnętrznej atomów lub cząsteczek. Promienie X powstają przez hamowanie w polu kulombowskim jąder sztucznie wytworzonej wiązki rozpędzonych elektronów lub wskutek przejść energetycznych, zachodzących w wewnętrznej powłoce elektronowej atomów. Promieniowanie gamma powstaje przy przejściach energetycznych wewnątrz wzbudzonych jąder. Promieniowanie kosmiczne powstaje podczas hamowania elektronów lub innych cząstek elementarnych o dużej energii w kulombowskim polu jąder atomowych.

Wielkości fizyczne fali

Długość fali
Długością fali nazywamy odległość jaką przebywa fala w czasie jednego okresu. Kiedy nadchodzi fala o określonej częstotliwości, jej grzbiety znajdują się w równych odległościach od siebie. Odległość związana z jednym pełnym drganiem to długość fali. Fale o wyższej częstotliwości mają mniejszą długość fali. Fale o niższej częstotliwości mają większą długość fali.

Długość fali oznacza się grecką literą lamba (λ). Długość ta zależy od częstotliwości fali f i prędkości fali V. Zależność pomiędzy tymi wielkościami jest następująca:

gdzie T=1/f jest okresem drgań fali, czyli czasem, w którym podczas przechodzenia przez ośrodek fali sinusoidalnej, dana cząsteczka wykonuje jedno pełne drganie. Jednostką długości fali jest metr, co można łatwo sprawdzić, podstawiając za prędkość V - [m/s], a za częstotliwość f - [1/s].

Amplituda fali

Jest to maksymalne wychylenie cząstki z położenia równowagi. Amplituda fali to wysokość grzbietu lub głębokość doliny fali. Większa amplituda oznacza, że fala niesie więcej energii. Amplitudę zwykle oznaczamy dużą literą A, lub też poprzez zapis y_max .

Częstotliwość fali

Częstotliwość fali mówi o szybkości rozchodzenia się grzbietów fali. Jest to liczba pełnych drgań fali, od grzbietu do grzbietu, na jedną sekundę. Częstotliwość mierzymy w hercach (f=[Hz]=[1/s]). Jeden herc to jedno pełne drganie na sekundę. Dla przykładu fale radiowe UKF rozchodzą się z częstotliwością około 100 milionów herców. Nazwa tej jednostki pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Heinricha Hertza.

Prędkość fali

Prędkość fal elektromagnetycznych (prędkość światła) jest największą prędkością znaną we Wszechświecie i wynosi ona w przybliżeniu około 300,000 km/s. Ta wielkość fizyczna jest bardzo ważna, gdyż świadczy o elektromagnetycznym charakterze danej fali. Po raz pierwszy prędkość światła została wyznaczona w 1673 roku przez Roemera. Korzystając z obserwacji astronomicznych ocenił on prędkość na około 200,000 km/s.
Poniżej przedstawiono schemat pomiaru prędkości światła metodą Michelsona

Wytworzone za pomocą łuku elektrycznego światło biegło pomiędzy dwoma szczytami, Mt. Wilson i Mt. San Antonio w Kalifornii, pokonując odległość L=(35410 ą 3)m. Padając na wirujący układ zwierciadeł, odbijało się od zwierciadła 1, przebywało drogę 2L i po odbiciu od zwierciadła 2, które w tym czasie znalazło się w miejscu zwierciadła 3, docierało do obserwatora. Znając częstotliwość z jaką wirował układ zwierciadeł oraz drogę L można było z dużą dokładnością wyznaczyć prędkość światła. Mierzona wówczas prędkość wyniosła c=(299796 ą 4) km/s.
Według ostatnich bardzo dokładnych, eksperymentalnych pomiarów, prędkość światła jest równa (299792458 ą 1,2) m/s.

Faza fali

Gdy przez pewien punkt przechodzą kolejno grzbiety i doliny fali, jej faza w tym punkcie zmienia się bez przerwy. Jeśli fale się dodają, istotna jest różnica faz. Gdy dwie fale o tej samej częstotliwości są w fazie, ich grzbiety nadchodzą zawsze razem. Powstaje wypadkowa fala o większej amplitudzie. Jest to zasada superpozycji. Jeżeli grzbiety jednej fali nadchodzą zawsze razem z dolinami drugiej, to fale są w przeciwfazie i mogą się wzajemnie całkiem zniwelować. Przy nakładaniu promieni świetlnych dostajemy jasny promień, gdy fale są w fazie i wygaszenie światła, gdy fale są w przeciwfazie. Na tym polega .

Fala czerwona i niebieska dodają się i powstaje fala żółta. Kiedy fale są w fazie, ich interferencja jest konstruktywna. Powstaje fala o wyższych grzbietach i głębszych dolinach. Kiedy dwie o tej samej amplitudzie są w przeciwfazie, ich interferencja jest destruktywna, to znaczy całkowicie się odejmują i nie ma żadnej fali.

Zjawiska falowe

O tym czy dana fala jest falą elektromagnetyczną świadczyć może fakt, jakim dana fala "poddaje" się zjawiskom falowym. W początkach wieku XIX panowała w nauce tzw. korpuskularna teoria światła. Według tej teorii światło polega na ruchu maleńkich ciałek, korpuskuł, wylatujących ze źródła światła i poruszających się po liniach prostych. Korpuskuły te, wpadając do oka, wywołują wrażenie światła. Dzisiaj wiadomo, że światło jest strumieniem małych porcji energii, zwanych fotonami, które zachowują się jednocześnie jak fale i jak cząstki. Jest to rodzaj fali elektromagnetycznej, która ulega zjawiskom dyfrakcji, interferencji i polaryzacji. W związku z tym, należałoby nieco przybliżyć zjawiska jakie charakteryzują także i fale elektromagnetyczne. Zjawiska te przeanalizujemy na przykładzie światła.

Dyfrakcja światła

Jednym ze zjawisk charakterystycznych dla fal jest efekt ugięcia fali (dyfrakcji), który w uproszczony sposób pokazuje rysunek poniżej.

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od pierwotnego kierunku, kiedy przechodzi ono przez niewielkie szczeliny, otwory lub natrafia na przeszkody. Kiedy promienie świetlne przechodzą przez wąską szczelinę, uginają się na boki i wiązka światła się rozszerza. Zjawisko to nazywane jest dyfrakcją i zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. Szerokość szczeliny powinna być mniej więcej taka, jak długość fali. Siatka dyfrakcyjna składa się z szeregu cienkich rowków lub nacięć. Białe światło odbite od siatki lub przechodzące przez nią ugina się tworząc kilka rzędów widma. Interferencja pomiędzy ugiętymi promieniami powoduje powstanie kolorowych pasm. Ich kolejność jest odwrotna niż w widmie otrzymanym za pomocą pryzmatu. Kolory widoczne na płycie kompaktowej to właśnie widmo dyfrakcyjne, które powstaje w wyniku odbicia światła od drobnych nacięć na powierzchni płyty.

Interferencja światła

Ze zjawiskiem interferencji światła spotykamy się, wbrew pozorom, dość często. To właśnie wskutek tego zjawiska mienią się różnymi barwami bańki mydlane i plamy oleju na zmoczonej deszczem ulicy. To dzięki temu zjawisku obserwujemy fioletowe zabarwienie obiektywów aparatów fotograficznych.
Interferencję fal świetlnych najlepiej ilustruje doświadczenie Younga, przedstawione na rysunku poniżej. Silnym źródłem światła oświetlamy, poprzez czerwony filtr, szczelinę o szerokości około 0,2 - 0,3 mm. W tak otrzymanej wiązce światła umieszczamy układ dwu szczelin. Odległość szczelin nie powinna być większa niż 0,2 - 0,3 mm. Szczeliny te służą do wytworzenia dwu identycznych fal (fal spójnych). Efekt interferencji (nakładania się) fal obserwujemy za pomocą lupy lub okularu mikroskopu (15x).

Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. W przypadku światła interferencja powoduje powstawanie na przemian jasnych i ciemnych pasm. Skutkiem tego zjawiska są kolory baniek mydlanych. Białe światło odbija się zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni bańki. Powstają dwa rozszczepione promienie, które interferują ze sobą tak, że niektóre kolory stają się jaśniejsze, inne przygaszone, zależnie od miejsca.

Polaryzacja światła

Zjawiska dyfrakcji i interferencji światła świadczą o falowej naturze światła. Na podstawie tych zjawisk nie możemy jednak stwierdzić, czy fale świetlne są falami poprzecznym czy podłużnymi. Odpowiedzi na to pytanie dostarcza nam doświadczenie polaryzacji światła odkryte w roku 1808 przez E. Malusa, a opracowane teoretycznie w roku 1820 przez A. Fresnela.

Słońce lub żarówka, emituje wiele promieni świetlnych. Każdy promień składa się z drgających pól, elektrycznego i magnetycznego. W zwykłym świetle drgania te zachodzą we wszystkich kierunkach. W świetle spolaryzowanym wszystkie promienie drgają w jednej płaszczyźnie. Polaryzację światła można uzyskać przepuszczając światło przez polaryzujący materiał. Przepuszcza on tylko promienie drgające w określonej płaszczyźnie. Odbite światło od gładkiej powierzchni jest częściowo spolaryzowane. Polaryzujące okulary przeciwsłoneczne są zrobione z materiału polaryzującego, co pozwala wyeliminować światło spolaryzowane, a zatem również połyskujące refleksy.

Zjawisko fotoelektryczne

Za falową naturą światła przemawiała zarówno dyfrakcja, jak i interferencja światła. Istnieją jednak zjawiska, które pozornie przeczą tym faktom. Takim zjawiskiem jest m.in. odkryte przez Heinricha Hertza w 1887 roku zjawisko fotoelektryczne.

Elektroskop oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym traci ładunek ujemny. Elektrony uwalniane z powierzchni substancji przez światło (promieniowanie elektromagnetyczne) nazywamy fotoelektronami, a zjawisko - zjawiskiem fotoelektrycznym lub fotoemisją. Energia elektronów emitowanych podczas naświetlania płytki metalowej nie zależy od natężenia promieniowania a jedynie od długości fal tego promieniowania. Liczba elektronów emitowanych z płytki jest proporcjonalna do natężenia padającego na nią promieniowania. Wnioski te wskazują na to, że w zjawisku fotoelektrycznym światło zachowuje się jak strumień cząstek a nie jak fala.
Właściwą interpretację zjawiska fotoelektrycznego podał Einstein w 1905 roku. Według niego światło to strumień cząstek - fotonów, z których każdy niesie ściśle określoną porcję energii - kwant energii: E=hν=hc/λ .

Foton oddziałując z elektronem znajdującym się na powierzchni płytki metalowej, przekazuje mu całą swą energię. Jeżeli energia wiązania elektronu W równa pracy, jaką należy wykonać, by wyrwać elektron z powierzchni płytki, jest większa od energii fotonu - zjawisko nie zajdzie. W przypadku kiedy energia fotonu stanie się większa niż praca wyjścia W, elektron zostaje wyrwany z powierzchni płytki, a nadmiar energii zamieniony na jego energię kinetyczną: hν=E_k+W, gdzie E_k - energia kinetyczna elektronu, hν - energia fotonu, W - praca wyjścia. Kiedy energia fotonu wystarcza zaledwie na wyrwanie elektronu (E_k=0), mówimy o częstotliwości granicznej lub o długofalowej granicy (λ_max) zjawiska fotoelektrycznego.

Fale radiowe

Z fizycznego punktu widzenia...

Przedział fal elektromagnetycznych o długości od 10 km do 1 mm nosi nazwę fal radiowych. Fale radiowe, a właściwie fale elektromagnetyczne, są wspólnym rozchodzeniem się od źródła oscylujących pól elektrycznego i magnetycznego. Oscylacje obu pól są ze sobą ściśle związane tzn. maksimum pola elektrycznego odpowiada minimum pola magnetycznego i na odwrót. Te fale elektromagnetyczne są nośnikiem energii elektrycznej.

Fale radiowe dzielą się na specjalne ściśle określone zakresy. I tak fale o długości powyżej 20 km (poniżej 15 kHz) to fale bardzo długie. Fale długie to fale o długości od 20 km do 3 km (15 - 100 kHz). Fale średnie zawierają się w granicy od 3000 m do 200 m (100 - 1500 kHz), fale pośrednie od 200 m do 100 m (1.5 - 3 MHz), fale krótkie od 100 m do 10 m (3 - 30 MHz), natomiast fale ultrakrótkie tzw. UKF od 10 m do 1 m (30 - 300 MHz).

Trochę historii

W roku 1888 fizyk niemiecki zauważył, że przeskok dużej iskry spowodował przeskok małej iskry w przerwie uzwojenia cewki z drutu, umieszczonej w pewnej odległości. Nieznane wówczas fale radiowe wywołane przeskokiem iskry wywołały przepływ prądu w uzwojeniu. Hertz bardzo szybko zorientował się, że ma do czynienia z nieznanym rodzajem promieniowania. Był to początek drogi prowadzącej do odkrycia fal radiowych.
Obecność fal radiowych została także wykryta w 1931 roku. Inżynier Karl G. Jansky z Bell Laboratory, badając elektromagnetyczne zakłócenia telefonicznej łączności transoceanicznej, stwierdził obecność pozaziemskich sygnałów o częstościach radiowych. Dwaj inni naukowcy z Bell Laboratory A. Penzias i R. Wilson wykryli promieniowanie elektromagnetyczne pochodzenia pozaziemskiego nie zdając sobie sprawy ze znaczenia tego odkrycia dla kosmologii. Swojego odkrycia dokonali oni podczas badań związanych z problemami łączności satelitarnej.

Źródła i sposoby wytwarzania

Najczęściej źródłami fal radiowych są prądy wielkiej częstotliwości, płynące w antenach urządzeń nadawczych i radioźródła, czyli obiekty wysyłające silne promieniowanie radiowe. W Układzie Słonecznym promieniowanie radiowe wysyłają Słońce Wenus i Jowisz.
W oryginalnym nadajniku radiowym Hertza emisja fal radiowych następowała w chwili, gdy między dwiema kulami przeskakiwała iskra. Między kulami utrzymywano wysoką różnicę potencjałów. Zestaw taki stanowił kondensator, ładowany przez induktor.

Wytwarzanie i detekcja fal radiowych oparte jest na efektach, jakie uzyskujemy w obwodzie zawierającym połączone ze sobą szeregowo kondensator i cewkę indukcyjną.

W obwodzie takim możemy uzyskać prąd periodyczny o częstości zmian zależnej od pojemności kondensatora i współczynnika samoindukcji cewki.
Detekcja fal radiowych oparta jest na działaniu tego samego obwodu LC. Jeżeli częstość zmian pola elektrycznego fali elektromagnetycznej docierającej do obwodu jest równa częstości rezonansowej obwodu, to pole wzbudza w obwodzie prąd o dużym natężeniu. Częstotliwość, przy której amplituda natężenia prądu osiąga maksimum, zwana jest częstotliwością rezonansową (ω_rez). Jeżeli opór przewodników, z których zbudowana jest cewka, jest mały, to możemy go zaniedbać. Wtedy drugie prawo Kirchhoffa daje związek pomiędzy napięciem na kondensatorze i SEM indukowaną w cewce.

Olbrzymia prędkość, z jaką rozchodzą się fale elektromagnetyczne, stwarza możliwość przesyłania za ich pomocą informacji, które przy odległościach, z jakimi mamy do czynienia w naszym układzie planetarnym, docierać będą do adresata niemal natychmiast po ich wysłaniu. Działem techniki, który zajmuje się wykorzystaniem tej możliwości jest radiotechnika. Niestety wiąże się z tym wiele problemów. Taką falę elektromagnetyczną najpierw trzeba wytworzyć. Później przy ich pomocy należy zakodować informację, którą chcemy przesłać. Kolejny etap to odbiór fal i to nie wszystkich, lecz tylko tych, które są dla nas przeznaczone. Następnie trzeba odczytać zawarte w niej informacje, przekształcić na dźwięk lub obraz.

Zdemodulowany sygnał zawiera dodatnią część składowej wysokiej częstotliwości (radiowej fali nośnej) oraz składową niskiej częstotliwości (falę dźwiękową). Sygnał ten dochodzi z kolei do głośnika, podłączonego równolegle do kondensatora. Kondensator stawia mały opór fali radiowej i duży opór sygnałowi dźwiękowemu, którego częstotliwość jest niska. Głośnik stawia duży opór fali radiowej i mały opór fali dźwiękowej. W rezultacie więc głośnik reaguje na falę dźwiękową.

Przeważająca większość źródeł fal radiowych to prądy wielkiej częstotliwości, ale nie tylko. Promieniowanie radiowe wysyłane jest również przez eksplodujące gwiazdy, np. supernowe. Kwazary są bardzo małymi, silnymi i bardzo odległymi źródłami promieniowania radiowego, podobnie jak pulsary, które emitują "błyski" energii radiowej w regularnych odstępach czasu.

Fale radiowe mogą rozchodzić się w przestrzeni w sposób swobodny lub być prowadzone w falowodach. Rozchodząc się ulegają odbiciu, załamaniu, ugięciu, rozproszeniu i pochłanianiu. Na propagację (rozchodzenie się) fal radiowych w warunkach ziemskich mają wpływ powierzchnia ziemi, troposfera i jonosfera. Ze względu na sposób propagacji rozróżnia się fale: przyziemne (rozchodzące się w pobliżu powierzchni ziemi jako fale powierzchniowe oraz nad powierzchnią ziemi jako fale nadziemne), troposferyczne (rozchodzące się w troposferze), jonosferyczne (odbite od jonosfery). Propagacja fal radiowych powierzchniowych zależy od częstotliwości fal oraz od parametrów elektrycznych powierzchni ziemi, jako fale powierzchniowe rozprzestrzeniają się głównie fale długie. Propagacja fal radiowych nadziemnych zależy w dużym stopniu od parametrów elektrycznych troposfery. Jako fale nadziemne rozprzestrzeniają się głównie fale ultrakrótkie (w zasięgu bezpośredniej widoczności między anteną nadawczą a odbiorczą) i fale średnie. Propagacja fal radiowych jonosferycznych ma duże znaczenie w łączności radiowej w zakresie fal krótkich; fale te po wielokrotnym odbiciu od jonosfery i powierzchni ziemi mogą nawet okrążyć Ziemię.

Natura i własności

Podstawowym ośrodkiem w którym praktykuje się radiokomunikację jest atmosfera, która ma ogromny wpływ na rozchodzenie się fal radiowych. Wyróżnić w niej można dwie istotne dla radiokomunikacji warstwy: troposferę i jonosferę. Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości około 15 km nad Ziemią. Jonosfera jest mocno zjonizowaną przez promieniowanie słoneczne częścią atmosfery, znajdującą się powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi. Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery. Jednakże wiry i wiatry jonosferyczne, związane z oddziaływaniem mas Słońca i Księżyca, powodują dodatkowo rozproszenie fal.

Fale radiowe długie, wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie oraz dużej dyfrakcji, rozchodzą się w postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości. Jednakże już w odległości 1000 - 2000 km od nadajnika natężenie pola fali jonosferycznej przewyższa natężenie pola fali powierzchniowej. Dlatego też w dalekosiężnej komunikacji na falach długich wykorzystuje się falę jonosferyczną. Zasięg łączności na falach długich wzrasta w nocy, co wynika z faktu, że tłumienie tych fal przez warstwę jonosfery jest mniejsze niż tłumienie ich przez warstwę, która w nocy zanika.

O zasięgu na falach średnich w dzień decyduje fala powierzchniowa. Dzieje się tak, ponieważ warstwa jonosfery nie odbija fal średnich, lecz je tłumi. Z zapadnięciem zmroku warstwa jonosfery zanika, wskutek czego w ciągu nocy o zasięgu fal średnich decyduje fala jonosferyczna. Wtedy silne radiostacje średniofalowe są słyszalne na odległość powyżej 3000 km. W nocy na falach średnich zdarza się czasem tzw. "efekt luksemburski", nazwany tak od miejsca, gdzie został zaobserwowany po raz pierwszy. Na skutek tak zwanych zjawisk nieliniowych w jonosferze jedna fala przejmuje modulację innej, w rezultacie czego jej modulacja staje się mieszanką obu, niekiedy z przewagą tej przechwyconej. Zasięg łączności na fali powierzchniowej maleje wraz z długością fali. Rozchodzenie się fali powierzchniowej jest też silnie uzależnione od rodzaju powierzchni Ziemi. Największy zasięg uzyskuje się nad morzem, a najmniejszy - nad terenem suchym.

Właściwości propagacyjne fal pośrednich mają charakter przejściowy pomiędzy typowymi właściwościami fal średnich a właściwościami fal krótkich. O przewadze jednych lub drugich właściwości decyduje częstotliwość, aktualny stan jonosfery i rodzaj terenu. W zakresie częstotliwości powyżej 1,5 MHz fale powierzchniowe są silnie tłumione, szczególnie nad terenem suchym. Natomiast fale jonosferyczne w dzień nie są całkowicie wytłumione przez jonosferę. Pod tym względem warunki propagacji w jonosferze są w tym zakresie korzystniejsze niż dla fal średnich. W nocy krótsze fale pośrednie ulegają odbiciu tylko w przypadku wypromieniowania pod bardzo małym kątem do powierzchni jonosfery. Zasięg fali odbitej wynosi na ogół do kilku tysięcy kilometrów. Ze względu na silne tłumienie fali powierzchniowej na terenach lądowych, fale pośrednie są używane raczej do radiokomunikacji i radionawigacji morskiej.

Innym efektem charakterystycznym dla fal krótkich jest zjawisko echa. Fala z nadajnika może docierać do odbiornika zarówno najkrótszą drogą jako sygnał bezpośredni, albo jako sygnał pośredni po okrążeniu Ziemi. Zjawisko echa występuje najczęściej gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w strefie zmiany pory doby. Dla radiokomunikacji fonicznej zjawisko echa jest dość szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału.

Fale ultrakrótkie rozchodzą się prostoliniowo, podobnie jak światło widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości, oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach. W praktyce zasięg łączności na falach ultrakrótkich można określić według uproszczonego wzoru:

gdzie h to wysokość anteny nadawczej, zaś H to wysokość anteny odbiorczej. Tłumienie jest spowodowane głównie obecnością opadów deszczu czy śniegu. Intensywność tłumienia zależy od długości fali. Zakres fal ultrakrótkich jest chyba najintensywniej wykorzystywanym zakresem radiowym, głównie dzięki temu że zakłócenia są tu o wiele mniejsze niż na innych zakresach.

Zastosowanie

Własności fal radiowych pozwalają wykorzystać ten rodzaj promieniowania elektromagnetycznego we wszelkiego rodzaju sztucznych satelitach Ziemi. Satelity te obiegają Ziemię po orbitach, utrzymując łączność ze stacjami naziemnymi za pośrednictwem fal radiowych. Satelity komunikacyjne odbierają sygnały telewizyjne lub telefoniczne z jednego kontynentu i przekazują na inny. Wojska poszczególnych państw wykorzystują promienie radiowe do komunikacji między określonymi sztabami dowodzenia. Systemy zdalnego naprowadzania rakiet również wykorzystują własności fal radiowych. Nauka i technika zaszły już tak daleko, że powoli każde nowoczesne urządzenie techniczne działa wykorzystując radiowe fale elektromagnetyczne.

Mikrofale

Z fizycznego punktu widzenia...

Mikrofale to fale elektromagnetyczne o małej długości fali zawierającej się w granicach od 1 m do około 1 mm. Jest to rodzaj promieniowania, które rozchodzi się w postaci wzajemnie przenikających się drgań elektrycznych i magnetycznych. Są to najkrótsze fale spośród fal radiowych.

Granice zakresu mikrofal od strony mniejszych długości stanowią fale podczerwone, od strony większych wyznaczają możliwości techniki generacji i przesyłania związane z koniecznością stosowania specjalnych lamp i linii przesyłowych.

Trochę historii

Epoka mikrofal pojawiła się praktycznie w momencie odkrycia fal radiowych. Stało się to w roku 1888, kiedy to fizyk niemiecki Heinrich Hertz zauważył, że przeskok dużej iskry spowodował przeskok małej iskry w przerwie uzwojenia cewki z drutu, umieszczonej w pewnej odległości. Doświadczenie to doprowadziło do odkrycia fal radiowych, a tym samym mikrofal, będących niewielką częścią zakresu promieniowania radiowego. Pierwsze urządzenie potrafiące generować promieniowanie mikrofalowe skonstruowano w Anglii w czasie II wojny światowej jako część urządzeń radarowych do wykrywania ruchów wojsk niemieckich. Także wtedy stwierdzono znaczący wpływ tego rodzaju promieniowania na ogrzewanie substancji takich jak woda.

Źródła i sposoby wytwarzania

Źródłami promieniowania mikrofalowego są najczęściej prądy wielkiej częstotliwości, płynące w antenach urządzeń nadawczych. Mikrofale powstają podobnie jak fale radiowe, ale mają wyższą częstotliwość. W technice mikrofalowej przesyłanie fal elektromagnetycznych wymaga rozwiązania problemu zakodowania informacji w postaci zmodulowanej amplitudy fali nośnej. Propagacja mikrofal jest w zasadzie ograniczona do zasięgu bezpośredniej widoczności, gdyż w bardzo małym stopniu ulegają one ugięciom i odbiciom od jonosfery.

Natura i własności

Promieniowanie mikrofalowe podlega wszystkim prawom znanym na przykład w promieniowaniu ultrafioletowym, podczerwonym czy innych. W odróżnieniu od innych rodzajów fal elektromagnetycznych promieniowanie mikrofalowe powoduje tylko rotację molekuł w zmiennym polu elektrycznym bez naruszania trwałości wiązań chemicznych w nich istniejących. Energia transportowana poprzez promieniowanie mikrofalowe jest znacznie mniejsza niż energia dysocjacji wiązania chemicznego, nawet tak słabego jak wiązanie wodorowe. Za efekt ogrzewania mikrofalowego odpowiedzialne jest zjawisko polaryzacji dielektrycznej. Wynika ono z polaryzacji cząsteczek związków chemicznych przez pole elektryczne.
Mikrofale oddziałują na organizmy żywe. U ludzi mogą spowodować zwiększenie temperatury organizmu, uczucie zmęczenia, senności lub zdenerwowania, bóle głowy, uczucie apatii, zaburzenia pamięci, zmiany metabolizmu. Za sferę bezpieczną uważa się obszar, w którym średnia gęstość strumienia mocy stacjonarnej mikrofal jest mniejsza niż 0,1 W/m². Strefa o gęstości przekraczającej 100 W/m² jest bardzo niebezpieczna i nie wolno w niej przebywać ludziom.

Zastosowanie

Promieniowanie mikrofalowe znajduje szerokie zastosowanie w telekomunikacji, meteorologii, chemii oraz gospodarstwach domowych. Zastosowania militarne i telekomunikacyjne powodują jednak wydzielenie dla pozostałych zastosowań kilku dostępnych częstotliwości pracy urządzeń mikrofalowych. Najczęściej jest to częstotliwość 2,45 GHz, chociaż ostatnio dopuszcza się do zastosowań przemysłowych urządzenia pracujące w zakresie 0,915 GHz - 18 GHz. Mikrofale znajdują zastosowanie w radiolokacji, radiokomunikacji (łącza radiowe, telewizyjne, telefoniczne), łączności satelitarnej, telewizji (kanały w paśmie fal decymetrowych), fizyce cząstek elementarnych, spektroskopii, radioastronomii, grzejnictwie elektrycznym, a także w medycynie (diagnostyka i terapia). Trwają badania nad przesyłaniem energii za pomocą mikrofal.

Fale podczerwone

Z fizycznego punktu widzenia...

Promieniowanie podczerwone jest termicznym promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali z zakresu od 1 mm do 800 nm. Emitowane jest przez wzbudzone atomy przy przejściach między bliskimi poziomami elektronowymi. Podczerwień dzieli się na trzy podzakresy tj.: podczerwień bliską λ = 0,74 - 2,5 μm, podczerwień średnią λ = 2,5 - 50 μm i podczerwień daleką λ = 50 - 2000 μm.

Trochę historii

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte przez angielskiego astronoma Herschela. W trakcie badań światła słonecznego, uczony postanowił sprawdzić, w jaki sposób różne barwy rozszczepionego przez pryzmat światła ogrzewają jednakowe termometry.

Okazało się, że temperatura termometru umieszczonego przypadkowo poniżej barwy czerwonej wzrasta szybciej niż dla czerwieni i innych barw. Na termometr musiało padać jakieś niewidoczne promieniowanie powodujące wzrost temperatury. Ten nowy rodzaj promieniowania został nazwany podczerwonym.

Źródła i sposoby wytwarzania

Promieniowanie podczerwone jest niewidzialne dla oka, jest jednak odczuwalne w postaci ciepła. Naturalnymi źródłami promieniowania podczerwonego są wszystkie ciała ogrzane, także ciało człowieka czy Słońce. Kiedy ciepłe i gorące przedmioty oddają ciepło przez promieniowanie, wysyłają promienie podczerwone. Pilot do zdalnego sterowania magnetowidem i telewizorem używa słabej wiązki promieni podczerwonych do przekazywania sygnałów sterujących zestawem. Ponadto źródłami promieniowania podczerwonego są także lampy żarowe wysokiej mocy, czy kwarcowe wysokociśnieniowe lampy rtęciowe. Podczerwień wysyła także nagrzana ziemia.

Natura i własności

Promieniowanie podczerwone zachowuje się jak promieniowanie świetlne. Rozchodzi się w próżni, może być rejestrowane za pomocą aparatu fotograficznego, można je skupić za pomocą zwierciadeł. Promieniowanie podczerwone, tak jak światło, wychodzi z ogniska zwierciadła, odbija się od niego i biegnie równoległą wiązką, by po powtórnym odbiciu od drugiego zwierciadła znowu skupić się w jego ognisku. Podczerwień jest mało rozpraszana i absorbowana przez mgłę, ponieważ posiada większą długość fal niż promienie świetlne. Zdjęcia wykonane za pomocą podczerwonych filtrów, na specjalnych błonach fotograficznych, pokazują wiele niewidocznych dla oka szczegółów zamglonego krajobrazu. Atmosfera ziemska przepuszcza podczerwień w zakresie 400-700 nm. Promienie podczerwone są silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery (para wodna i dwutlenek węgla).
Promieniowanie podczerwone załamuje się w pryzmacie słabiej niż światło czerwone, widoczne przy rozszczepieniu światła białego w pryzmacie. Widma emisyjne par i gazów jednoatomowych mają linie widmowe w części podczerwonej, tak samo jak widmo wodoru.

Zastosowanie

Detektory piroelektryczne będące świetnym czujnikiem ruch wykorzystuje się do budowy systemów alarmowych i przekaźnikowych umożliwiając np. włączanie oświetlenia tylko w momencie wykrycia ruchu. W dziedzinie informatyczno - telekomunikacyjnej zastosowanie odbiorników i nadajników IR umożliwia transfery danych bez konieczności połączenia kablowego. Termometry IR (wirometry) pozwalają mierzyć temperaturę bez bezpośredniego kontaktu z przedmiotem. W technice kryminalistyki fale podczerwone wykrywają fałszywe dokumenty i dzieła sztuki. Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest przy robieniu zdjęć astronomicznych, gdyż podczerwień doznaje mniejszego osłabienia niż widmo widzialne przy przechodzeniu przez warstwę chmur.

Do wykrywania promieniowania podczerwonego służą detektory podczerwieni (termiczne, radiacyjne, bolometry, detektory piroelektryczne, detektory pneumatyczne, i fotonowe). Badanie widm promieniowania podczerwonego znajduje zastosowanie przy określaniu struktury cząsteczek i analizie chemicznej. Ponadto promieniowanie podczerwone wykorzystuje się w celach leczniczych (diatermia krótkofalowa), w biologii (mikroskopia w podczerwieni), w termolokacji, do obserwacji w ciemności (noktowizor), do suszenia, ogrzewania, fotografowania m.in. w astrofizyce, także do fotografii lotniczej. Promieniowanie podczerwone doznaje mniejszego osłabienia niż widzialne przy przechodzeniu przez warstwę chmur i mgłę, co pozwala na fotografowanie przedmiotów położonych w znacznej odległości. Na wykorzystaniu promieniowania podczerwonego oparte jest działanie kamery termowizyjnej.

Fale widzialne

Z fizycznego punktu widzenia...

Z fizycznego punktu widzenia fale widzialne są strumieniem małych porcji energii, zwanych fotonami. Promieniowanie to rozchodzi się w postaci fali elektromagnetycznej o długości zawierającej się w granicach od 800 nm do 400 nm.

Fale widzialne to nic innego jak światło. Nazywamy je światłem widzialnym, bo przechodzi przez soczewki naszych oczu. Jest to jedna z form energii. Podobnie jak inne rodzaje promieniowania rozchodzi się w postaci fal o największej prędkości znanej we Wszechświecie. Jest to rodzaj promieniowania odbieranego przez oko.

Trochę historii

Osobą, która jako pierwsza sformułowała tezę, że światło jest promieniowaniem rozchodzącym się w postaci fali był holenderski uczony Christiaan Huygens. Wedle tej teorii, sformułowanej w 1678 roku, światło jest falą, a nie strumieniem cząstek. Wszystkie punkty czoła fali można uważać za źródła nowych fal kulistych. Położenie czoła fali po czasie t będzie dane przez powierzchnię styczną do tych fal kulistych.
Zasada Huygensa oddała ogromne usługi, będąc przez wiele lat motorem wielu doświadczeń. Nie można jednak oczekiwać, że da ona takie samo bogactwo informacji, jakie daje pełniejsza, elektromagnetyczna teoria Maxwella.
Decydującą rolę w utwierdzeniu falowej teorii światła odegrał na początku XIX wieku A. Fresnel. Przyczynił się on w szczególności do wyjaśnienia dyfrakcji światła oraz do opracowania metod ilościowego jej obliczania. Udało mu się także wykazać, że prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła jest rozwiązaniem ogólnego problemu dyfrakcji fal świetlnych.

Źródła i sposoby wytwarzania

Innego typu źródłem światła są np. lampy neonowe. Barwa światła takiej lampy zależy od gazu, który jest wewnątrz. Kiedy między elektrodami takiej lampy płynie prąd elektryczny, następuje świecenie lampy światłem o odpowiednim kolorze.
We wszystkich źródłach światło powstaje kosztem jakiejś energii czy to chemicznej, cieplnej czy elektrycznej. Większość źródeł światła jakie wytwarza człowiek przetwarza na światło tylko część dostarczonej energii. Tak np. w żarówkach tylko 2% energii elektrycznej zamienia się na światło, w świetlówkach około 10%.

Wszystkie źródła światła różnią się miedzy sobą kształtem i wielkością oraz ilością światła wysyłanego w określonym czasie w określonym kierunku. Do wielkości, które charakteryzują dane źródło światła, należą natężenie źródła światła oraz strumień światła wysyłany ze źródła w określonym kierunku. Jednostką natężenia źródła światła jest kandela. Jest to natężenie źródła światła, jakim jest powierzchnia 1/60 cm² ciała doskonale czarnego, promieniującego w temperaturze krzepnięcia platyny, pod ciśnieniem jednej atmosfery fizycznej w kierunku prostopadłym do tej powierzchni. "Ciało doskonale czarne" to ciało, które pochłania całkowicie padające nań promieniowanie, promieniuje najintensywniej spośród wszystkich ciał fizycznych. Takie ciało nie istnieje, tak jak nie istnieje gaz doskonały. Jednostką strumienia światła jest lumen. Jest to strumień świetlny płynący ze źródła punktowego o natężeniu 1 kandeli w obrębie kąta bryłowego równego 1 steradianowi.

Natura i własności

Bez światła nie byłoby życia na Ziemi. Jest najbardziej potrzebną nam do życia formą energii. Fale świetlne są szczególnym przypadkiem fal elektromagnetycznych. Rozchodzą się z prędkością około 300 000 km/s i mogą przemieszczać się w próżni, czym w zasadniczy sposób różnią się od fal mechanicznych. Jest to promieniowanie dla nas najważniejsze, bo jakże wiele informacji o otaczającym nas świecie otrzymujemy za pomocą tego tak bardzo wąskiego pasma fal elektromagnetycznych, pasma światła widzialnego. Jedną z właściwości, przemawiającą za tym, że fale te są falami elektromagnetycznymi, jest możliwość rozchodzenia się w próżni. Inna cecha to prędkość światła w próżni.

Zjawiskami, świadczącymi o falowym charakterze promieni widzialnych jest dyfrakcja i interferencja. Zjawisko dyfrakcji polega na nieznacznej zmianie kierunku rozchodzenia się światła wtedy, gdy przechodzi ono przez niewielkie otwory lub obok przeszkód. Szczególnie piękny obraz dyfrakcyjny można uzyskać na włosie. Ze zjawiskiem interferencji światła spotykamy się dość często. To właśnie wskutek tego zjawiska mienią się różnymi barwami bańki mydlane i plamy oleju na zmoczonej deszczem ulicy. To dzięki temu zjawisku obserwujemy fioletowe zabarwienie obiektywów aparatów fotograficznych.

Zastosowanie

Rozgrzana substancja zaczyna świecić, ponieważ zawarte w niej pierwiastki wysyłają światło o określonej długości fali. Na przykład, sól świeci na żółto, ponieważ zawiera pierwiastek sód. W spektroskopie znajduje się pryzmat lub siatka dyfrakcyjna, która rozszczepia wysyłane światło na widmo złożone z kolorowych pasm.
Energia promieni widzialnych wykorzystywana jest ponadto w bateriach słonecznych. Gdy na ogniwo baterii słonecznej pada światło, następuje uwolnienie elektronów, co w konsekwencji prowadzi do przepływu prądu elektrycznego. Satelity wyposaża się w wielkie zespoły takich baterii, aby zapewnić zasilanie w czasie przebywania w przestrzeni kosmicznej.

Promienie X

Z fizycznego punktu widzenia...

Promieniowanie X (rentgenowskie) jest strumieniem kwantów promieniowania elektromagnetycznego, powstającym w wyniku oddziaływania (hamowania) strumienia elektronów z jądrami atomów materii. Promieniowanie to rozchodzi się w postaci fali elektromagnetycznej, której długość zawiera się w granicach od 10 nm do 0,001 nm.

Trochę historii

W roku 1895 niemiecki uczony Wilhelm Roentgen, badając własności promieni katodowych dostrzegł, że leżący w pobliżu rury katodowej ekran pokryty platynocyjankiem baru świecił wtedy, gdy rura katodowa była czynna. Zjawisko świecenia widoczne w ciemnym pokoju nie znikało, gdy rura była osłonięta czarnym papierem. Łatwo się można było przekonać, że owinięta w czarny papier klisza fotograficzna umieszczona w pobliżu rury katodowej uległa prześwietleniu. Roentgen doszedł do wniosku, że widocznie podczas wyładowań elektrycznych wydobywało się z rury jakieś niewidzialne dla oka promieniowanie, które wywołało zaczernienie kliszy i fluorescencję ekranu. Promieniowanie to przechodziło przez szkło, czarny papier i jak się później okazało, przez wiele ciał, które są nieprzezroczyste dla światła. To nieznane wówczas promieniowanie Roentgen nazwał promieniami X.

Źródła i sposoby wytwarzania

Do wyjaśnienia mechanizmu wytwarzania promieni X wykorzystamy powszechnie stosowany aparat rentgenowski. Po załączeniu lampy rentgenowskiej, elektrony z ujemnie naładowanej katody bombardują wolframową antykatodę, umieszczoną w dodatnio naładowanej miedzianej anodzie. Te elektrony wytwarzają promienie X dwoma sposobami.

Elektron może być wyhamowany i odbity przez atom wolframu, emitując przy tym energię w postaci promieniowania rentgenowskiego. Elektron może też wybić z wewnętrznej orbity atomu wolframu jeden z jego elektronów. Wówczas promieniowanie rentgenowskie powstaje wskutek przejścia elektronu z orbity zewnętrznej na miejsce wybitego wcześniej elektronu.
Elektron bombardujący atom wolframu posiada bardzo dużą prędkość (około 0,1 prędkości światła) i dzięki temu wnika do wnętrza atomu pierwiastka, z którego jest sporządzona antykatoda lampy rentgenowskiej. Elektron przechodząc w pobliżu jądra atomu jest przez jądro przyciągany, przez co doznaje zmiany prędkości, np. z V na V', a jego energia kinetyczna zmniejsza się nagle o wartość ½mV² - ½mV'². Energia ta jest emitowana w postaci fali elektromagnetycznej. Pozostała część energii elektronu (½mV'²) zamienia się w ciepło. Prawie 99% energii elektronów bombardujących antykatodę zamienia się w ciepło. Tylko około 1% zamienia się na promieniowanie rentgenowskie.

Wiadomo, że fala elektromagnetyczna o częstotliwości ν, polega na rozchodzeniu się fotonów o energii hν. Z prawa zachowania energii wynika więc równość:

Z równości tej widać, że częstotliwość i energia emitowanego fotonu jest tym większa im silniej jest hamowany elektron, tzn. im bardziej elektron zbliża się do jądra. Szczególny przypadek zachodzi, gdy elektron zostaje całkowicie przez jądro zahamowany (V'=0). Cała jego energia zamienia się wówczas na promieniowanie, zaś częstotliwość fali elektromagnetycznej jest największa.

Natura i własności

Natura promieni Roentgena przez długi czas była nie zbadana. Nie można ich było zaliczyć do promieni korpuskularnych, a uzyskanie interferencji fal tego promieniowania za pomocą siatki dyfrakcyjnej było niemożliwe. Dopiero w roku 1912 udało się uzyskać interferencję promieni Roentgena wykorzystując jako siatkę dyfrakcyjną naturalny układ atomów w sieci krystalicznej kryształów.
Dzisiaj wiadomo, że ogólnie znane i powszechnie stosowane promienie Roentgena, rozchodzą się w postaci niewidzialnych fal elektromagnetycznych, których długości zawierają się w przedziale od 1*10^-8m do 1*10^-12m. Ale żeby dowiedzieć się czegoś więcej o własnościach promieniowania X, posłużymy się prostym doświadczeniem.

Lampa rentgenowska jest zasilana bardzo wysokim, stałym napięciem (rzędu kilkudziesięciu tysięcy woltów). Przed lampą znajduje się ekran pokryty substancją fluoryzującą (platynocyjanek baru). Po włączeniu zasilania obserwujemy świecenie ekranu. Zjawisko to nie znika, gdy ekran odgrodzimy od lampy czarnym papierem. Ten sam ekran ustawiony po drugiej stronie lampy nie fluoryzuje. Następnie wprowadzamy między lampę a ekran płytkę metalową. Wówczas na ekranie zaobserwujemy cień geometryczny płytki. Jest to dowód na to, że promieniowanie rozchodzi się prostoliniowo. Jeśli ustawimy w pobliżu włączonej lampy rentgenowskiej naładowany elektroskop, to zauważymy, że bardzo szybko straci on swój ładunek. Zjawisko to jest dowodem na to, że powietrze wokół elektroskopu jest zjonizowane. Oznacza to, że promieniowanie rentgenowskie wywołuje jonizację powietrza.

Na podstawie badań i pomiarów wywnioskowano, że promienie X są bardziej pochłaniane przez pierwiastki o większej liczbie porządkowej. Dlatego wykonując zdjęcie rentgenowskie wyraźnie widać zarys kości a nie widać mięśni. Spowodowane jest to tym, że tkanka mięśni słabo pochłania promienie Roentgena, a tkanka kości silnie, wskutek obecności w nich wapnia o stosunkowo dużej liczbie atomowej. Promieniowanie X rozchodzi się w próżni z tą samą prędkością co światło i inne fale elektromagnetyczne oraz ulega polaryzacji. Promienie Roentgena posiadają jeszcze jedną bardzo ważną własność. Tak jak promienie widzialne, podczerwone i ultrafioletowe, nie ulegają odchyleniu ani w polu magnetycznym, ani w polu elektrycznym.

Zastosowanie

Promienie X znajdują duże zastosowanie w technice i w przemyśle. W rentgenodefektoskopii służą do badania uszkodzeń, defektów, do kontroli materiałów, do sprawdzania izolacji i uszczelnień, do wykrywania skaz złącz spawanych. Jest to szczególnie ważne przy budowie np. samolotów, gdzie zastosowanie źle spawanych złącz grozi katastrofą. Promienie X łatwo przenikają przez powietrze i inne gazy wypełniające niepożądane szczeliny czy skazy i dają na klisze silnie zaczernione obrazy defektów. Dzięki temu, że długości fal promieni X są porównywalne z odległościami miedzyatomowymi ciał stałych, stosuje się je do badania struktury tych ciał (rentgenografia). Bakteriobójcze działanie promieni X jest wykorzystywane do badania i konserwacji artykułów spożywczych.

Promienie gamma

Z fizycznego punktu widzenia...

Promieniowanie gamma jest strumieniem cząstek pierwiastków promieniotwórczych. Są to kwanty promieniowania elektromagnetycznego o długość fali zawierającej się w granicach od ok. 1*10^-12 m do 1*10^-15 m.

Trochę historii

Promieniowanie gamma zostało odkryte w 1902 roku przez niemieckiego uczonego Otto Walkhoff. Stwierdził on, iż pochodzące od radu promieniowanie radioaktywne może niszczyć tkanki. Okazało się, że rad emituje promieniowanie alfa, które bardzo trudno odchyla się w polu magnetycznym i jest absorbowane przez ciała stałe, promieniowanie beta, które posiada charakter zbliżony do promieniowania rentgenowskiego, ale jest bardziej przenikliwe i promieniowanie gamma. To ostatnie przenikało nawet przez płytą stalową o grubości 10 cm.

Źródła i sposoby wytwarzania

Promienie gamma powstają w wyniku anihilacji elektronów ujemnych i pozytonów, a także z rozpadu mezonów, stąd ich obecność w promieniowaniu kosmicznym. Anihilacja par polega na zamianie pary cząstka-antycząstka na inne cząstki będące kwantami pola elektromagnetycznego. Np.: w wyniku anihilacji pary pozyton-negaton powstają 2 kwanty pola elektromagnetycznego (foton), pary proton-antyproton - kwanty pola sił jądrowych (mezony p). Emisja promieniowania gamma może zaistnieć w wyniku rozpadu β. Emitując ten rodzaj promieniowania, nie ulegając przemianie, jądro wyrzuca na zewnątrz nadmiar energii.

Natura i własności

Fale gamma są jednymi z najbardziej przenikliwych promieni elektromagnetycznych. Promienie gamma jako kwanty o energii E=hf rzędu 1 MeV podobne są do bardzo twardych promieni rentgenowskich. Zasadnicza różnica polega na tym, że źródłem promieni gamma jest jądro atomu przechodzące ze stanu wzbudzonego do stanu normalnego. Przenikliwość promieni gamma w ołowiu sięga 5 cm, w powietrzu nawet setki metrów, ciało ludzkie przenikają z łatwością. Promienie gamma wykazują najmniejszą zdolność jonizacji. Ich oddziaływanie z materią uwidacznia się np. w fotoemisji, czyli wybijaniu elektronów z ciał. Wówczas energia fotonu zużyta zostaje na uwolnienie i nadanie energii kinetycznej wylatującemu elektronowi.

Zastosowanie

Promieniowanie gamma jest stosowane do celów badawczych np.: teleskopy. NASA opracowuje teleskop o nazwie Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), opierający swoje działanie właśnie na tych promieniach. Służy on głównie do obserwacji gwiazd i czarnych dziur. Wystrzelenie na orbitę około ziemską planuje się ok. 2005 roku. Promieniowanie gamma jest także stosowane w medycynie, głównie do zwalczania nowotworów np. w scyntygrafach - urządzeniach służący do pomiaru rozkładu radioaktywności w organiźmie człowieka.

Promienie kosmiczne

Z fizycznego punktu widzenia...

Promieniowanie kosmiczne, jak sama nazwa wskazuje, jest promieniowaniem, które dociera do nas z przestrzeni pozaziemskiej. Jest to strumień cząstek naładowanych o wielkiej energii - głównie protonów, charakteryzujący się najmniejszą ze wszystkich fal elektromagnetycznych długością fali (poniżej 1*10^-15 m).

Trochę historii

Źródła i sposoby wytwarzania

Nie potrafimy dziś odpowiedzieć na pytanie, gdzie we Wszechświecie znajdują się obiekty zdolne wysyłać i przyspieszać cząstki do tak gigantycznych energii i jaki proces fizyczny jest za to odpowiedzialny.
Istnieje kilka różnych teorii co do pochodzenia pierwotnego promieniowania kosmicznego. Pewne jest to, że dochodzi ono do górnych granic atmosfery z przestrzeni międzyplanetarnej i, że składa się z cząstek naładowanych dodatnio. Cząstki te lecą w różnych kierunkach po liniach prostych z bardzo dużymi prędkościami, zbliżonymi do prędkości światła; ich energie sięgają do 10¹⁹eV. W pobliżu Ziemi cząstki działa na nie pole magnetyczne ziemskie, które odchyla je ku biegunom. Wskutek tego natężenie promieni kosmicznych jest w pobliżu równika nieco mniejsze niż w większych szerokościach geograficznych i właśnie mniejsze natężenie tych promieni jest odpowiedzialne za powstawanie zorzy polarnej.

W roku 1947 Anglicy Rochester i Butler odkryli w promieniowaniu kosmicznym cząstki o masie większej niż masa protonu. Cząstki te zostały nazwane hiperonami i są oznaczone literami Λ, Σ, Ξ. Badania nad oddziaływaniem promieniowania kosmicznego z materią dostarczyły bardzo dużo wiadomości o budowie jądra i wykazały istnienie wielu nowych cząstek, jak pozyton, mezony, hiperony, neutrino.

Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego są promienie pochodzące ze Słońca. Słońce często przyśpiesza cząstki nawet do energii kilku GeV. Przyśpieszanie to następuje w okresach wzmożonej aktywności słonecznej, kiedy na Słońcu następują wielkie wybuchy, podczas których wielkie masy zjonizowanego gazu zostają wyrzucone w przestrzeń międzyplanetarną. Innym źródłem promieniowania kosmicznego są obiekty niebieskie, będące źródłami szumów radiowych. W szczególności mgławice gazowe, stanowiące pozostałości po wybuchach supernowych.

Natura i własności

Promieniowanie kosmiczne jest bardzo przenikliwe. Dochodzi ono nie tylko do powierzchni Ziemi, ale przenika grube warstwy wody i można je wykryć na dużych głębokościach pod ziemią. Promienie kosmiczne mają naturę korpuskularną. Są to cząsteczki naładowane, lecące po liniach prostych z dużymi prędkościami ku Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnych. Natężenie promieniowania kosmicznego początkowo szybko wzrasta z wysokością, przy 16 do 20 km nad Ziemią maleje, a następnie od wysokości 50 km nad Ziemią ustala się. Fakt ten tłumaczy podział promieniowania kosmicznego na pierwotne i wtórne. Wiadomo też, że cząstki promieniowania kosmicznego mają bardzo wysokie energie, co oznacza , że poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Niektóre z nich stanowią najbardziej energetyczne cząstki obserwowane w przyrodzie. Cząstki najwyższej energii wchodzące w skład promieniowania kosmicznego mają energie ponad 100 milionów razy wyższe, niż energie osiągnięte w największych akceleratorach cząstek na Ziemi.

Zastosowanie

Z zastosowaniem promieni kosmicznych jest pewien problem, ponieważ tak naprawdę niewiele jest dziedzin, gdzie promieniowanie to jest wykorzystywane. Jedno jest pewne. Promieniowanie kosmiczne jest chyba najbardziej niezbadanym rodzajem promieniowania z całego spectrum falowego. Jest ono ciągłym przedmiotem badań uczonych na całym świecie. Coraz lepsze metody detekcji promieni kosmicznych, a co za tym idzie - pełniejsza znajomość widma energetycznego, jak również zależność składu chemicznego promieni kosmicznych od ich energii ma zasadnicze znaczenie dla zrozumienia procesów akceleracji i propagacji promieni kosmicznych we Wszechświecie. Promienie kosmiczne dostarczają dodatkowych informacji o procesach ewolucji gwiazd, a także o własnościach przestrzeni międzygwiazdowej. W przeszłości promieniowanie kosmiczne było jedynym źródłem cząstek o wysokich energiach, umożliwiając badanie cząstek i ich oddziaływań. Większość początkowych odkryć w fizyce cząstek została dokonana przy użyciu promieni kosmicznych. Obecnie badania w zakresie fizyki cząstek są prowadzone głównie przy użyciu akceleratorów, aczkolwiek promieniowanie kosmiczne wciąż dostarcza cząstek o energiach wyższych niż osiągane w akceleratorach.