Sähkömagneettinen säteily
Energiaa, joka siirtyy eli säteilee avaruuden läpi sähkö- ja magneettikenttien jaksollisten värähtelyjen muodossa, kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi. (Kuva \(\PageIndex{2}\)). Joitakin sähkömagneettisen säteilyn muotoja on esitetty kuvassa \(\PageIndex{4}\). Tyhjiössä kaikki sähkömagneettisen säteilyn muodot – olivatpa ne sitten mikroaaltoja, näkyvää valoa tai gammasäteilyä – kulkevat valonnopeudella (c), joka on nopeus, jolla kaikki sähkömagneettisen säteilyn muodot kulkevat tyhjiössä, fysikaalinen perusvakio, jonka arvo on 2,99792458 × 108 m/s (eli noin 3,00 × 108 m/s tai 1,86 × 105 mi/s). Tämä on noin miljoona kertaa nopeampi kuin äänen nopeus.
Koska kaikilla sähkömagneettisen säteilyn eri muodoilla on sama nopeus (c), ne eroavat toisistaan vain aallonpituuden ja taajuuden suhteen. Kuten kuvasta \(\PageIndex{3}\) ja taulukosta \(\PageIndex{1}\) käy ilmi, tutun sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudet vaihtelevat radioaaltojen 101 metristä 10-12 metriin gammasäteilylle, jota syntyy ydinreaktioissa. Tarkastelemalla alla olevaa yhtälöä voimme nähdä, kuinka sähkömagneettisen säteilyn taajuus on kääntäen verrannollinen sen aallonpituuteen:
\
Radioaaltojen taajuus on esimerkiksi noin 108 Hz, kun taas gammasäteiden taajuus on noin 1020 Hz. Näkyvän valon, joka on sähkömagneettista säteilyä, jonka ihmissilmä voi havaita, aallonpituus on noin 7 × 10-7 m (700 nm eli 4,3 × 1014 Hz) ja 4 × 10-7 m (400 nm eli 7,5 × 1014 Hz) välillä. Huomaa, että kun taajuus kasvaa, aallonpituus pienenee; c on vakio ja pysyy samana. Vastaavasti kun taajuus pienenee, aallonpituus kasvaa.
Pitäkää muistissa yhtälö 5.2.1 ja valon nopeus (yksikköineen). Lisäksi on tärkeää tietää, mikä puoli sähkömagneettisesta spektristä on tappava.
| Yksikkö | Symboli | Aallonpituus (m) | Säteilyn tyyppi |
|---|---|---|---|
| pikometri | pm | 10-12 | gammasäteily |
| nanometri | nm | 10-9 | x-ray |
| mikrometri | μm | 10-6 | infrapuna |
| millimetri | mm | 10-3 | infrapuna |
| senttimetri | cm | 10-2 | mikroaalto |
| metri | m | 100 | radiomittari |
Valokin käyttäytyy energiapakettina. Osoittautuu, että valon kohdalla energian ”paketin” energia on verrannollinen sen taajuuteen.
\
\
Siinä missä näkyvä valo on periaatteessa vaaratonta ihollemme, ultraviolettivalossa, jonka aallonpituus on ≤ 400 nm, on riittävästi energiaa aiheuttamaan ihollemme vakavia vaurioita auringonpolttamisen muodossa. Koska otsonikerros absorboi auringonvaloa, jonka aallonpituus on alle 350 nm, se suojaa meitä erittäin energisen ultraviolettisäteilyn vahingollisilta vaikutuksilta.
Tällä kurssilla emme tee energialaskelmia. Sinun tulisi tuntea taajuuden ja energian välinen suhde. Näytät myös ymmärtävän, että lyhyen aallonpituuden säteilyyn liittyy suuri energia.
Sähkömagneettisen säteilyn energia kasvaa taajuuden kasvaessa ja aallonpituuden pienentyessä.
Esimerkki \(\PageIndex{1}\)
Mikä on valon taajuus, jos sen aallonpituus on 5,55 × 10-7 m?
Ratkaisu
Käytämme yhtälöä, joka liittää valon aallonpituuden ja taajuuden sen nopeuteen. Meillä on
\
Jakaamme yhtälön molemmat puolet 5,55 × 10-7 m:llä ja saamme
\
Huomaa, kuinka m:n yksiköt kumoutuvat, jolloin nimittäjään jää s. Yksikkö nimittäjässä merkitään -1 potenssilla-s-1-ja luetaan ”sekunnissa.”
Harjoitus \(\PageIndex{1}\)
Mikä on valon aallonpituus (millimetreinä), jos sen taajuus on 1.55 × 1010 s-1?
Vastaus
Harjoitus \(\PageIndex{2}\)
Lasketaan säteilyn taajuus, jos sen aallonpituus on 988 nm. Missä tämä säteily esiintyy sähkömagneettisessa spektrissä?
Vastaus
