Název: Druhy elektromagnetického záření Autor: Mgr. Lucia Klimková Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika (Biologie, Chemie) Tematický celek: Optika Ročník: 5. (3. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák si upevní základní rozdělení a vlastnosti elektromagnetického záření. Žák se seznámí s praktickým využitím elektromagnetického záření. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Úkol Seznámit se s různými druhy elektromagnetického vlnění a jejich použitím a odpovědět na kontrolní otázky. Teorie Výukové materiály Když v polovině 19. století James Clerk Maxwell a Heinrich Hertz formulovali své teorie o podstatě elektromagnetických vln, byl to první krok k pochopení a následnému využívání různých vlnových délek elektromagnetického záření. Názorné shrnutí, kde všude se s elektromagnetickým zářením potkáváme, je popsáno v [1] : Hlavním zdrojem záření je pro nás Slunce; to určujícím způsobem ovlivňuje prostředí, ve kterém jsme se vyvinuli a kterému jsme přizpůsobeni. Jsme též stále skrz naskrz pronikáni rádiovými a televizními signály. Zasahují nás mikrovlny radarových systémů a telefonních spojů. Jsou zde i elektromagnetické vlny od světelných zdrojů, od elektrických strojů a aut, od rentgenových přístrojů a radioaktivních materiálů. Kromě toho k nám zasahuje kosmické záření - záření hvězd a dalších objektů z naší Galaxie i z jiných galaxií. Každý druh elektromagnetického záření je charakterizován frekvencí f a vlnovou délkou λ, kde: λ= c f. Ve vakuu se šíří rychlostí c = 3.108 m.s -1. Má elektrickou i magnetickou složku, které nelze oddělit. Při šíření podléhá ohybu, interferenci a disperzi. Spektrum elektromagnetických vln uvádí graficky [1]. Jednotlivé druhy elektromagnetických vln se navzájem liší svými vlastnostmi. Lidé využívají různé frekvence v různých odvětvích vědy a techniky. Vlny s nejnižší frekvencí, obecně rádiové vlny (f = 3 khz 300 GHz), se využívají hlavně pro přenosy signálů různých vlastností. Velmi dlouhé vlny (f = 3 khz 30 khz) se používají hlavně pro celosvětové navigační soustavy, pro námořní a leteckou dopravu. Dlouhé vlny (f = 30 khz 300 khz) se používají pro radiokomunikaci, meteorologii a pro rozhlas na dlouhých vlnách (AM využívá se kódování signálu pomocí amplitudové modulace). Tato nosná frekvence je výhodná na přenos na dlouhé vzdálenosti. Střední vlny (f = 300 khz 3 MHz) se užívají pro radionavigaci, pro sdělovací služby a pro rozhlas na středních vlnách. Krátké vlny (f = 3 MHz 30 MHz) jsou vhodné pro radiokomunikaci na střední a velké vzdálenosti, rozhlasové vysílání. Velmi krátké vlny (f = 30 MHz 300 MHz) a ultra krátké vlny (f = 300 MHz 3 GHz) nalezly uplatnění pro přenos signálu rozhlasu (FM využívá se kódování pomocí frekvenční modulace) a televizi. Dále jsou vhodné pro sdělovací služby omezeného dosahu sanitní služba, hasiči, policie, dopravní pohotovost, radionavigace, nebo i družicové spojení. Mobilní operátoři mají přidělené frekvence
Českým telekomunikačním úřadem, a to v pásmu 890 MHz 960 MHz a pak v rozšířeném pásmu 1800 MHz 1900 MHz. Tyto vlny vznikají v tzv. oscilačních obvodech (LC oscilátor). Ve vhodně napájeném oscilačním obvodu dochází k periodické přeměně energie elektrického pole na energii magnetického pole a naopak. Do prostoru jsou pak vyzařovány anténami. Bezdrátová síť Wi-Fi pracuje v pásmu 2,4 GHz. Centimetrové vlny a kratší (řádově f = 3 GHz 300 GHz) jsou využívané nejenom k navigaci a spojení s družicemi, ale jsou známé i jako mikrovlny. V mikrovlnné troubě jsou mikrovlny řádově o vlnové délce 12 cm (2,5 GHz) a mají frekvenci blízkou rezonanční frekvenci molekul vody. Mikrovlny jsou známé pro své využití při vysoušení knih, tkanin, nebo i restaurováni uměleckých děl. Zdrojem infračerveného záření (f = 10 10 Hz 4 10 14 Hz) jsou všechna tělesa zahřátá na určitou teplotu. Jejich technické využití lze nalézt v dálkových ovladačích, v kamerách pro noční vidění, v IRDA portech (bezdrátová komunikace pomocí infračerveného záření). Lépe než světlo prochází zakalenými prostředími, což je praktické v meteorologii nebo ve vojenské technice (tepelně naváděné řízené střely, přístroje pro noční létání). Hranice viditelné oblasti (f = 4 10 14 Hz 7 10 14 Hz) nejsou přesně definovány. Hranicím, kdy citlivost oka klesne na 1% své maximální hodnoty, odpovídá interval asi 430 nm až 690 nm. Lidské oko ovšem může vnímat i vlnové délky za těmito hranicemi, pokud je intenzita světla dosti velká. Existuje několik nezvratných faktů, proč je naše oko nejcitlivější právě v tomto intervalu vlnových délek. Bylo zjištěno, že v oblasti viditelného světla nejvíce svítí Slunce a v této oblasti je zemská atmosféra dobře průhledná. Taky se ukazuje, že světlo má dostatečně krátkou vlnovou délku, aby ohyb neznemožnil ostré vidění. Existuje i řada teorii ohledně chemické a fyziologické konstrukce našeho oka, která právě umožňuje reagovat na tyto vlnové délky. Zdrojem ultrafialového záření (f = 7 10 14 Hz 10 16 Hz) jsou tělesa zahřátá na vysokou teplotu (Slunce, další hvězdy, elektrický oblouk, horské slunce). Ničí choroboplodné zárodky, bakterie a používá se i na sterilizaci prostředí. Působí škodlivě na lidské oko a ozáření pokožky způsobí vznik ochranného pigmentu. Při opalování se lidská pokožka zbarvuje do zhnědnutí, ale vysoké dávky způsobují změny funkce buněk (rakovina kůže). Atmosféra ve velké míře toto záření pohlcuje, stejně tak i obyčejné sklo. Zajímavé využití UV záření je například při scanu některých dokladů a cenin. Rentgenové záření (f = 10 16 Hz 10 19 Hz) objevil v roce 1895 německý fyzik Willhelm Conrad Röntgen, když zkoumal vlastnosti katodového záření (záření tvořené svazkem urychlených elektronů). Toto záření po dopadu na kovovou elektrodu vyvolává vznik nového elektromagnetického záření, které Röntgen označil jako paprsky X. Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také neprůhlednými předměty. Různé látky ho pohlcují různě a to se využívá v lékařství, diagnostice, nebo v tzv. rentgenové defektoskopii. Pro člověka je neškodné pouze v malých dávkách. Toto záření ionizuje vzduch a způsobuje fluorescenci.
Gama záření (f = 10 19 Hz 10 24 Hz) objevil roku 1900 Paul Villard. Na rozdíl od rentgenového záření, které vzniká jako důsledek energetických přeměn v elektronovém obalu atomu, vzniká gama záření v atomovém jádře při dějích, které doprovázejí vznik záření alfa nebo beta. Je vyzařováno některými radioaktivními látkami (například uranem). Má velmi pronikavé účinky. Může například procházet betonem, olovem. Používá se např. při sterilizaci nástrojů, při ošetřování jídla, hlavně masa a zeleniny (aby zůstaly déle čerstvé). Pro člověka je nebezpečné, poškozuje buňky. Dá se ale například využít na ozařování nádorů. Lekselův gama nůž mají v Praze v Nemocnici na Homolce a ozařují jím především nádory v hlavě. Applety Elektromagnetické vlnění - aplet simulující vznik elektromagnetického vlnění a přenos elektromagnetické energie v prostoru - http://phet.colorado.edu/sims/radiowaves/radio-waves.jnlp Mikrovlny - http://www.colorado.edu/physics/2000/microwaves/mwintro.html Rentgenové záření - http://www.colorado.edu/physics/2000/xray/ Kontrolní otázky: 1. Radiový signál ze sondy Voyager 1, vypuštěné v roce 1977, by doletěl na Zemi za 16 hodin. Jak daleko je tato sonda od Země? 8 10 s = c t = 3.10 3,6 16 km = 1,728.10 ( ) km 2. Seřaďte jednotlivé druhy elektromagnetického záření podle vlnové délky (vzestupně). Gama záření, rentgenové záření, UV záření, viditelné světlo, IR záření, rádiové vlny 3. Elektromagnetické vlny mají frekvenci 80 MHz. Určete jejich vlnovou délku. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte příklad využití tohoto druhu vlnění. 8 c 3.10 λ = = m = 3,75m - VKV vlny, pro přenos signálu rozhlasu a televize 6 f 80.10 4. Elektromagnetické vlny mají vlnovou délku 200 nm. Určete jejich frekvenci. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte tři příklady, kde se toto záření využívá. 8 c 3.10 15 f = = Hz = 1,5.10 Hz 9 λ 200.10 UV záření, sterilizace, scan cenin, podíl na tvorbě vitaminu D v kůži, terapie lupénky 5. Pokud na vás dopadají sluneční paprsky přes okenní sklo, zahřejí vás, ale neopálí. Proč nás zahřejí? Proč nás neopálí?
Viditelné světlo i infračervené záření přes sklo prochází a zahřívá nás. UV záření je naopak sklem pohlcováno a tím pádem nás nemůže ani opálit. 6. Jaká je fyzikální podstata ochranné funkce ozónové vrstvy (před čím a jak nás chrání)? Ozónová vrstva pohlcuje velkou část pro člověka nebezpečného záření (UV záření). 7. Elektromagnetické vlny mají vlnovou délku 0,1 nm. Určete jejich frekvenci. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte tři příklady, kde se toto záření využívá. 8 c 3.10 18 f = = Hz = 3.10 Hz 9 λ 0,1.10 RTG záření, diagnostika, terapie, fluorescence, ionizace vzduchu, defektoskopie Literatura [1] HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER J. Fyzika, Vysoké učení technické v Brně Nakladatelství PROMETHEUS Praha, 2000 ISBN 81-7196-214-7 [2] LEPIL, O. Fyzika pro gymnázia Optika. 3. vyd. Praha: Prometheus, 2002
Laboratorní práce č. Třída, školní rok: Úkol Druhy elektromagnetického záření Vypracoval: Pracovní list pro žáka Seznámit se s různými druhy elektromagnetického vlnění a jejich použitím a odpovědět na kontrolní otázky. Teorie Když v polovině 19. století James Clerk Maxwell a Heinrich Hertz formulovali své teorie o podstatě elektromagnetických vln, byl to první krok k pochopení a následnému využívání různých vlnových délek elektromagnetického záření. Názorné shrnutí, kde všude se s elektromagnetickým zářením potkáváme, je popsáno v [1] : Hlavním zdrojem záření je pro nás Slunce; to určujícím způsobem ovlivňuje prostředí, ve kterém jsme se vyvinuli a kterému jsme přizpůsobeni. Jsme též stále skrz naskrz pronikáni rádiovými a televizními signály. Zasahují nás mikrovlny radarových systémů a telefonních spojů. Jsou zde i elektromagnetické vlny od světelných zdrojů, od elektrických strojů a aut, od rentgenových přístrojů a radioaktivních materiálů. Kromě toho k nám zasahuje kosmické záření - záření hvězd a dalších objektů z naší Galaxie i z jiných galaxií. Každý druh elektromagnetického záření je charakterizován frekvencí f a vlnovou délkou λ, kde: λ= c f. Ve vakuu se šíří rychlostí c = 3.108 m.s -1. Má elektrickou i magnetickou složku, které nelze oddělit. Při šíření podléhá ohybu, interferenci a disperzi. Spektrum elektromagnetických vln uvádí graficky [1]. Jednotlivé druhy elektromagnetických vln se navzájem liší svými vlastnostmi. Lidé využívají různé frekvence v různých odvětvích vědy a techniky. Vlny s nejnižší frekvencí, obecně rádiové vlny (f = 3 khz 300 GHz), se využívají hlavně pro přenosy signálů různých vlastností. Velmi dlouhé vlny (f = 3 khz 30 khz) se používají hlavně pro celosvětové navigační soustavy, pro námořní a leteckou dopravu. Dlouhé vlny (f = 30 khz 300 khz) se používají pro radiokomunikaci, meteorologii a pro rozhlas na dlouhých vlnách (AM využívá se kódování signálu pomocí amplitudové modulace). Tato nosná frekvence je výhodná na přenos na dlouhé vzdálenosti. Střední vlny (f = 300 khz 3 MHz) se užívají pro radionavigaci, pro sdělovací služby a pro rozhlas na středních vlnách. Krátké vlny (f = 3 MHz 30 MHz) jsou vhodné pro radiokomunikaci na střední a velké vzdálenosti, rozhlasové vysílání.
Velmi krátké vlny (f = 30 MHz 300 MHz) a ultra krátké vlny (f = 300 MHz 3 GHz) nalezly uplatnění pro přenos signálu rozhlasu (FM využívá se kódování pomocí frekvenční modulace) a televizi. Dále jsou vhodné pro sdělovací služby omezeného dosahu sanitní služba, hasiči, policie, dopravní pohotovost, radionavigace, nebo i družicové spojení. Mobilní operátoři mají přidělené frekvence Českým telekomunikačním úřadem, a to v pásmu 890 MHz 960 MHz a pak v rozšířeném pásmu 1800 MHz 1900 MHz. Tyto vlny vznikají v tzv. oscilačních obvodech (LC oscilátor). Ve vhodně napájeném oscilačním obvodu dochází k periodické přeměně energie elektrického pole na energii magnetického pole a naopak. Do prostoru jsou pak vyzařovány anténami. Bezdrátová síť Wi-Fi pracuje v pásmu 2,4 GHz. Centimetrové vlny a kratší (řádově f = 3 GHz 300 GHz) jsou využívané nejenom k navigaci a spojení s družicemi, ale jsou známé i jako mikrovlny. V mikrovlnné troubě jsou mikrovlny řádově o vlnové délce 12 cm (2,5 GHz) a mají frekvenci blízkou rezonanční frekvenci molekul vody. Mikrovlny jsou známé pro své využití při vysoušení knih, tkanin, nebo i restaurováni uměleckých děl. Zdrojem infračerveného záření (f = 10 10 Hz 4 10 14 Hz) jsou všechna tělesa zahřátá na určitou teplotu. Jejich technické využití lze nalézt v dálkových ovladačích, v kamerách pro noční vidění, v IRDA portech (bezdrátová komunikace pomocí infračerveného záření). Lépe než světlo prochází zakalenými prostředími, což je praktické v meteorologii nebo ve vojenské technice (tepelně naváděné řízené střely, přístroje pro noční létání). Hranice viditelné oblasti (f = 4 10 14 Hz 7 10 14 Hz) nejsou přesně definovány. Hranicím, kdy citlivost oka klesne na 1% své maximální hodnoty, odpovídá interval asi 430 nm až 690 nm. Lidské oko ovšem může vnímat i vlnové délky za těmito hranicemi, pokud je intenzita světla dosti velká. Existuje několik nezvratných faktů, proč je naše oko nejcitlivější právě v tomto intervalu vlnových délek. Bylo zjištěno, že v oblasti viditelného světla nejvíce svítí Slunce a v této oblasti je zemská atmosféra dobře průhledná. Taky se ukazuje, že světlo má dostatečně krátkou vlnovou délku, aby ohyb neznemožnil ostré vidění. Existuje i řada teorii ohledně chemické a fyziologické konstrukce našeho oka, která právě umožňuje reagovat na tyto vlnové délky. Zdrojem ultrafialového záření (f = 7 10 14 Hz 10 16 Hz) jsou tělesa zahřátá na vysokou teplotu (Slunce, další hvězdy, elektrický oblouk, horské slunce). Ničí choroboplodné zárodky, bakterie a používá se i na sterilizaci prostředí. Působí škodlivě na lidské oko a ozáření pokožky způsobí vznik ochranného pigmentu. Při opalování se lidská pokožka zbarvuje do zhnědnutí, ale vysoké dávky způsobují změny funkce buněk (rakovina kůže). Atmosféra ve velké míře toto záření pohlcuje, stejně tak i obyčejné sklo. Zajímavé využití UV záření je například při scanu některých dokladů a cenin. Rentgenové záření (f = 10 16 Hz 10 19 Hz) objevil v roce 1895 německý fyzik Willhelm Conrad Röntgen, když zkoumal vlastnosti katodového záření (záření tvořené svazkem urychlených elektronů). Toto záření po dopadu na kovovou elektrodu vyvolává vznik nového elektromagnetického záření, které Röntgen označil jako paprsky X. Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také
neprůhlednými předměty. Různé látky ho pohlcují různě a to se využívá v lékařství, diagnostice, nebo v tzv. rentgenové defektoskopii. Pro člověka je neškodné pouze v malých dávkách. Toto záření ionizuje vzduch a způsobuje fluorescenci. Gama záření (f = 10 19 Hz 10 24 Hz) objevil roku 1900 Paul Villard. Na rozdíl od rentgenového záření, které vzniká jako důsledek energetických přeměn v elektronovém obalu atomu, vzniká gama záření v atomovém jádře při dějích, které doprovázejí vznik záření alfa nebo beta. Je vyzařováno některými radioaktivními látkami (například uranem). Má velmi pronikavé účinky. Může například procházet betonem, olovem. Používá se např. při sterilizaci nástrojů, při ošetřování jídla, hlavně masa a zeleniny (aby zůstaly déle čerstvé). Pro člověka je nebezpečné, poškozuje buňky. Dá se ale například využít na ozařování nádorů. Lekselův gama nůž mají v Praze v Nemocnici na Homolce a ozařují jím především nádory v hlavě. Applety Elektromagnetické vlnění - aplet simulující vznik elektromagnetického vlnění a přenos elektromagnetické energie v prostoru - http://phet.colorado.edu/sims/radiowaves/radio-waves.jnlp Mikrovlny - http://www.colorado.edu/physics/2000/microwaves/mwintro.html Röntgenové záření - http://www.colorado.edu/physics/2000/xray/
Kontrolní otázky: Pracovní list pro žáka 1. Radiový signál ze sondy Voyager 1, vypuštěné v roce 1977, by doletěl na Zemi za 16 hodin. Jak daleko je tato sonda od Země? 2. Seřaďte jednotlivé druhy elektromagnetického záření podle vlnové délky (vzestupně). 3. Elektromagnetické vlny mají frekvenci 80 MHz. Určete jejich vlnovou délku. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte příklad využití tohoto druhu vlnění. 4. Elektromagnetické vlny mají vlnovou délku 200 nm. Určete jejich frekvenci. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte tři příklady, kde se toto záření využívá. 5. Pokud na vás dopadají sluneční paprsky přes okenní sklo, zahřejí vás, ale neopálí. Proč nás zahřejí? Proč nás neopálí? 6. Jaká je fyzikální podstata ochranné funkce ozónové vrstvy (před čím a jak nás chrání)? 7. Elektromagnetické vlny mají vlnovou délku 0,1 nm. Určete jejich frekvenci. Jaký název se používá pro tyto vlny? Uveďte tři příklady, kde se toto záření využívá.