SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁENÍ

Transkript

1 SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁENÍ Elektromagnetická vlna Z elektiny a magnetismu již víte, že v elektrickém obvodu, do kterého je zapojen kondenzátor a cívka, vzniká elektromagnetické kmitání, které lze pomocí dvouvodiového vedení penášet, resp. pomocí plvlnného dipólu penášet tzv. elektromagnetickým polem. Toto pole se penáší prostednictvím elektromagnetických vln. Každá elektromagnetická vlna má dv složky: elektrickou složku, kterou pedstavuje vektor intenzity elektrického pole E, a magnetickou složku, kterou tvoí vektor magnetické indukce B. Ob složky jsou na sebe navzájem kolmé a ješt navíc jsou ob kolmé na smr šíení vlnní. To znamená, že každé elektromagnetické vlnní je píné vlnní. Na obrázku. 1 se elektromagnetická vlna šíí v kladném smru 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 veliiny nabývají svých maximálních hodnot ve stejném okamžiku. Obr. 1: Elektromagnetická vlna Z vlastní zkušenosti a z pedchozích lekcí víte, že krom svtla existují další druhy elektromagnetických vln: nkteré penášejí rozhlasové a televizní vysílání, jiné ohívají jídlo v mikrovlnné troub, další zpsobují opálení pokožky nebo procházejí pes rzná tlesa a umožují zkoumat vnitní složení. Díky dalším elektromagnetickým vlnám mžeme používat mobilní telefony nebo být pipojeni k internetu, poslouchat kompaktní disky nebo sledovat filmy na DVD nebo ovládat televizor dálkovým ovládáním. Cílem této lekce je vytvoit pehled elektromagnetických vlnní a jejich nejdležitjších vlastností. Jednotlivé druhy elektromagnetického vlnní se od sebe liší nap. vlnovou délkou, schopností pronikat látkami nebo vznikem. Mají však také spoustu spolených vlastností. Všechny se ve vakuu šíí stejnou rychlostí jako svtlo (tj m.s -1 ), všechny mají elektrickou i magnetickou složku, které nelze oddlit. Všechny druhy také pi šíení podléhají ohybu vlnní, interferenci a v neposlední ad také disperzi. Maxwellova duha První úplné vysvtlení teorie elektromagnetických vln podal v roce 1865 James Clerk Maxwell. Z jeho teorie elektromagnetického vlnní poprvé vyplynulo, že svtlo je elektromagnetické vlnní. Na jeho poest se íká spektru

2 elektromagnetických vln seazených podle vlnové délky Maxwellova duha. Je schématicky zaznaena na obr.. 2. Obr. 2: Maxwellova duha (pevzato z (Pozn. Další povedené zpracování spektra najdete v [2]) Mezi jednotlivými druhy elektromagnetického vlnní není ostrá hranice, jednotlivé druhy se mohou ásten pekrývat. Technické vlny Nejvtší vlnovou délku mají tzv. technické vlny, nkdy též oznaované jako nízkofrekvenní vlny. Jsou to elektromagnetické vlny, které vznikají v rzných technických zaízeních. Jejich vlnová délka dosahuje ádov nkolik desítek až tisícovek kilometr. Pedstavte si nap. elektrický obvod pipojený do bžné rozvodné sít. Frekvence stídavého proudu je 50 Hz. Ze vztahu mezi frekvencí a vlnovou délkou mžeme urit jejich vlnovou délku: f c m m Rozhlasové a televizní vlny Elektromagnetické vlny, které penášejí rozhlasové a televizní vysílání oznaujeme jako rozhlasové a televizní vlny. Jejich vlnová délka leží v intervalu 10 4 m až 10-2 m. Všechny vznikají v tzv. oscilaních obvodech jako dsledek pemny 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 zjišování polohy a vzdálenosti letících tles, v moderní komunikaní technice se používají k bezdrátovému propojení poíta. Své místo našly také v kuchyni jejich psobení na molekuly vody se využívá k ohevu pokrm v mikrovlnné troub (tato vlastnost byla objevena náhodou pracovníkovi radarové stanice se v blízkosti zdroje mikrovlnného záení rozpustila okoláda). Jak vlastn funguje mikrovlnná trouba se mžete podívat na sérii navazujících java aplet na stránkách Coloradské univerzity, resp. na stránkách NASA. Infraervené záení V roce 1800 provádl jeden z nejvýznamnjších astronom všech dob, William Herschel, sérii pokus, pi kterých studoval teplotní úinky jednotlivých ástí sluneního záení. Zjistil, že teplota v oblasti, kde dopadá modré svtlo, je menší než teplota v oblasti, kam dopadá svtlo ervené, a dokonce že v oblasti tsn za

3 ervenou hranou spektra (mimo oblast viditelného záení) je teplota ješt vyšší. Toto nov objevené záení dostalo oznaení infraervené záení (= záení, které leží pod ervenou oblastí; zkrácen jej oznaujeme jako IR záení z anglického infra red). Herschel také pozdji dokázal, že pro toto záení platí zákon odrazu vlnní a lomu vlnní. Dnes již víme, že zdrojem infraerveného záení jsou tlesa s vysokou teplotou, pípadn speciální výbojky i diody. Infraervené záení vysílají prakticky všechna tlesa. Této vlastnosti tles se používá v dalekohledech pro noní pozorování nebo v tzv. termovizi. Také podstatn lépe než svtlo prochází zakalenými prostedími (nap. mlha, ), což našlo uplatnní v meteorologii nebo ve vojenské technice (letecká technika tepeln navádné ízené stely, pístroje pro noní létání). Velmi rozsáhlé použití našlo v elektronice veškerá dálková ovládání v sob obsahují diodu, která vyzauje v infraervené oblasti pokyny nap. pro zmnu programu, snížení hlasitosti, atd. S dalším využitím infraerveného záení se mžete seznámit zde. Tamtéž také najdete nkteré snímky vyfotografované v infraervené oblasti. Svtlo Svtlo je elektromagnetické vlnní vnímatelné lidským okem. Jeho vlnové délky leží v intervalu 390 nm 790 nm. Podrobnji jsou jeho vlastnosti popsány v lekci Úvod do optiky. Ultrafialové záení Ultrafialové záení bylo objeveno pouze rok (1861) po objevu infraerveného záení. Nmecký fyzik Johann Wilhelm Ritter zkoumal, jestli existuje neviditelné záení také za modrým koncem spektra. Pi experimentu, pi kterém studoval rozklad chloridu stíbrného vlivem sluneního svtla v rzných ástech sluneního spektra (rozkládá se na chlor a tmavé stíbro). Zjistil, že nejrychleji reakce probhne až za modrým koncem spektra, kde není oima nic viditelné. Nové záení se pvodn jmenovalo chemické, dnes jej oznaujeme jako ultrafialové záení (= za fialovou; zkrácen jej oznaujeme jako UV záení z anglického ultra violet). Vlnové délky ultrafialového záení leží v intervalu 400 nm 10 nm. Podle vlnové délky dále rozlišujeme ti typy ultrafialového záení: 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 záení jsou tlesa s vysokou teplotou (nap. Slunce, další hvzdy nebo elektrický oblouk) nebo speciální výbojky (nap. výbojka plnná párami rtuti, která se používá jako horské slunce). Neprochází obyejným sklem, proto je nutné pi výrob speciálních výbojek používat zvláštní druh skla tzv. kemenné sklo. Zpsobuje ionizaci vzdušného kyslíku ( podílí se na tvorb ozónu), má chemické úinky (zernání fotocitlivé vrstvy), biologické úinky (zhndnutí pokožky, ve velkých dávkách mže vyvolat rakovinu kže). Opt se mžete podívat na stránky NASA vnované ultrafialovému záení.

4 Rentgenové záení Rentgenové záení objevil v roce 1895 nmecký fyzik Willhelm Conrad Röntgen, když zkoumal vlastnosti katodového záení (= záení tvoené svazkem urychlených elektron). Toto záení po dopadu na kovovou elektrodu vyvolává vznik nového elektromagnetického záení, které Röntgen oznail jako paprsky X (toto oznaení se stále ješt používá v anglicky mluvících zemích X rays). Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také neprhlednými pedmty. Rentgenové záení je tedy záení s vlnovými délkami 10 nm až 1 pm které vzniká ve speciálních výbojových trubicích rentgenkách viz obr.. 3. Její hlavní souást tvoí žhavená katoda, ze které v dsledku termoemise vyletují elektrony. Tyto elektrony jsou urychlovány elektrickým naptím a dopadají na anodu (vtšinou vyrobenou z wolframu). Elektrony na anod zabrzdí a pedají svou kinetickou energii atomm, které tvoí látku anody. V dsledku toho se anoda zahívá a je teba ji chladit (vodou, otáením kolem její osy). Tímto zpsobem vzniká spojité (= brzdné = bílé) rentgenové záení. Na energii rentgenového záení se pemní pouze velmi malá ást (1 % - 2 %) energie dopadajících elektron. Vlnová délka vzniklého rentgenového záení závisí na energii letících elektron, tj. na urychlovacím naptí. ím je urychlovací naptí vtší, tím je vlnová délka rentgenové záení kratší. Velikost elektrického proudu v rentgence ovlivuje intenzitu rentgenového záení. Pozn.: Vznik rentgenového záení je inverzním jevem k fotoelektrickému jevu, kdy dopadající záení uvoluje z kovu elektrony. Obr. 3: Rentgenka (pevzato z: Rozlišujeme dva základní druhy rentgenového záení: 1. spojité závisí pouze na urychlovacím naptí, nezávisí na materiálu, z nhož je anoda vyrobena; rozložení intenzity rentgenového záení v závislosti na vlnové délce je zachyceno na obr. 4: z nj vyplývá, že existuje pro každou hodnotu

5 urychlovacího naptí existuje minimální vlnová délka rentgenového záení; tuto nejkratší vlnovou délku oznaujeme jako krátkovlnná mez spojitého záení. Mžeme ji vypoítat na základ zákona zachování energie: energie dopadajícího elektronu se všechna pemní na energii fotonu rentgenového záení. Platí: E eu hf hc hc 0. 0 eu Po dosazení íselných hodnot získáme vztah mezi krátkovlnnou mezí a urychlovacím naptím: 1234,5 0 U nm. Obr. 4: Rozložení intenzity spojitého RTG záení podle vlnové délky (pevzato z [3]) Pozn.: Všimnte si, že se tvar tchto kivek mírn liší od kivky popisující záení absolutn erného tlesa u erného tlesa existovala nenulová pravdpodobnost, že se vyzáí foton s libovolnou vlnovou délkou. U spojitého RTG záení se mže pi daném naptí vyzáit s nejkratší vlnovou délkou 0, protože jinak by byl porušen zákon zachování energie (vznikající foton by ml vtší energii než elektron, který jeho vznik zpsobil) 2. charakteristické závisí na vlastnostech látky, z níž je vyrobena anoda; na rozdíl od spojitého záení má výrazné árové spektrum vzniká pi interakci elektronu (vyletivšího ze žhavené katody) s elektronem ve vnitních slupkách elektronového obalu tento elektron je vyražen z atomu a na jeho místo sestupují elektrony z vyšších slupek; pi tom se vyzáí charakteristická série ar. rozložení intenzity podle vlnové délky Rentgenové záení opt našlo velmi rozsáhlé použití v praxi. Nejastji se s ním setkáte v lékaství (každý z vás už urit nkdy byl na rentgenu prohlédnte si

6 hezký java aplet, který simuluje vznik rentgenového snímku ruky; krom klasického rentgenového vyšetení se v posledních letech hodn zaíná využívat poítaové tomografie (CT z anglického Computer Tomography) její princip mžete najít teba v [5]. Díky velmi krátké vlnové délce rentenového záení mžeme pozorovat jeho ohyb na krystalických látkách ( tzv. rentgenová strukturní analýza). Další využití rentgenového záení v prmyslu a v lékaství najdete zde. Stejn jako ultrafialové záení je rentgenové záení ve velkých dávkách škodlivé, a proto je teba se ped ním chránit. Gama záení Záení gama objevil roku 1900 Paul Villard. Na rozdíl od rentgenového záení, které vzniká jako dsledek energetických pemn v elektronovém obalu atomu, vzniká gama záení v atomovém jáde pi djích, které doprovázejí vznik záení alfa nebo beta. Je vysoce pronikavé, do materiál proniká lepe než záení alfa nebo záení beta. Na pohlcení záení je teba velké masy materiálu. Vhodnjší jsou materiály s vyšším atomovým íslem a hustotou. Používá se nap. pi sterilizaci nástroj, pi ošetování jídla, hlavn masa a zeleniny (aby zstaly déle erstvé). Pestože mže samo zpsobovat rakovinu, používá se pi jejím léení (tzv. Lekselv gama nž využívá nkolika paprsk záení zamených na místo nádoru, aby zabil rakovinou zasažené buky; v ostatních místech prochází jen jeden paprsek, a proto jsou zdravé buky mén poškozené a pežijí). Stránky NASA vnované gama záení. 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. Pehled 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. roník gymnázií. 1. vyd. Praha: SPN, 1987 [7] VON LAUE, M. Djiny fyziky. 1. vyd. Praha: Orbis, 1958