ELEKTROMAGNĒTISKAIS SPEKTRS: RAKSTURLIELUMI, JOSLAS, PIELIETOJUMI - FIZISKĀ - 2025

Elektromagnētiskais spektrs sastāv no pasūtītās vienošanās visu viļņa garumu elektromagnētisko viļņu, kas uzņemas jebkuru pozitīvu vērtību, bez jebkādiem ierobežojumiem. Tas ir sadalīts 7 daļās, ieskaitot redzamo gaismu.

Mēs esam pazīstami ar redzamās gaismas frekvencēm, kad redzam varavīksni, kurā katra krāsa atbilst atšķirīgam viļņa garumam: sarkans ir garākais un violets īsākais.

Elektromagnētiskais spektrs. Ņemiet vērā, ka šajā shēmā frekvence (un līdz ar to enerģija) palielinās no kreisās uz labo pusi. André Oliva / Publiskais īpašums

Redzamās gaismas diapazons aizņem tikai ļoti īsu spektra laukumu. Pārējie reģioni, kurus mēs nevaram redzēt, ir radioviļņi, mikroviļņi, infrasarkanie, ultravioletie, rentgena un gamma stari.

Reģioni netika atklāti vienlaikus, bet dažādos laikos. Piemēram, radioviļņu esamību 1867. gadā paredzēja Džeimss Klerks Maksvels, un gadus vēlāk, 1887. gadā, Heinrihs Hercs tos pirmo reizi ražoja savā laboratorijā, tāpēc tos sauc par Hertzijas viļņiem.

Visi ir spējīgi mijiedarboties ar matēriju, taču dažādos veidos, atkarībā no enerģijas, kuru tie nes. No otras puses, dažādi elektromagnētiskā spektra reģioni nav asi definēti, jo patiesībā robežas ir izplūdušas.

Grupas

Elektromagnētiskā spektra joslas. Tatoute un Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Robežas starp dažādiem elektromagnētiskā spektra reģioniem ir diezgan izplūdušas. Tie nav dabiski dalījumi, faktiski spektrs ir nepārtraukts.

Tomēr sadalīšana joslās vai zonās kalpo, lai ērti raksturotu spektru pēc tā īpašībām. Mēs sāksim mūsu aprakstu ar radioviļņiem, kuru viļņu garumi ir garāki.

Radioviļņi

Zemāko frekvenču diapazons ir ap 10 ⁴ Hz, kas savukārt atbilst garākajiem viļņu garumiem, parasti ēkas lielumam. AM, FM un pilsoņu grupas radio izmanto viļņus šajā diapazonā, kā arī VHF un UHF televīzijas pārraides.

Komunikācijas nolūkos radioviļņi pirmo reizi tika izmantoti ap 1890. gadu, kad Guglielmo Marconi izgudroja radio.

Tā kā radioviļņu frekvence ir zemāka, tiem nav jonizējošas ietekmes uz matēriju. Tas nozīmē, ka radioviļņiem trūkst pietiekami daudz enerģijas, lai elektronus izmestu no molekulām, bet tie palielina objektu temperatūru, paaugstinot molekulu vibrāciju.

Mikroviļņu krāsns

Mikroviļņu viļņa garums ir pēc centimetru lieluma, un tos vispirms atklāja arī Heinrihs Hercss.

Viņiem ir pietiekami daudz enerģijas, lai sildītu pārtiku, kas lielākā vai mazākā mērā satur ūdeni. Ūdens ir polārā molekula, kas nozīmē, ka, lai arī tā ir elektriski neitrāla, negatīvie un pozitīvie lādiņi ir nedaudz atdalīti, veidojot elektrisko dipolu.

Kad mikroviļņi, kas ir elektromagnētiskie lauki, sit pret dipolu, tie rada griezes momentus, kas liek tiem griezties, lai tos saskaņotu ar lauku. Kustība pārvēršas enerģijā, kas izplatās caur ēdienu un to silda.

Infrasarkanais

Šo elektromagnētiskā spektra daļu 19. gadsimta sākumā atklāja Viljams Heršels, un tai ir zemāka frekvence nekā redzamajai gaismai, bet augstāka nekā mikroviļņiem.

Infrasarkanā spektra viļņa garums (zem sarkanā) ir salīdzināms ar adatas galu, tāpēc tas ir enerģētiskāks starojums nekā mikroviļņi.

Šajās frekvencēs nonāk liela daļa saules starojuma. Jebkurš priekšmets izstaro noteiktu daudzumu infrasarkanā starojuma, īpaši, ja tie ir karsti, piemēram, virtuves degļi un siltasiņu dzīvnieki. Cilvēkiem tas nav pamanāms, taču daži plēsoņas infrasarkano starojumu atšķir no viņu laupījuma, dodot viņiem priekšrocības medībās.

Redzams

Tā ir tā spektra daļa, ko mēs varam noteikt ar acīm, ar viļņa garumu no 400 līdz 700 nanometriem (1 nanometrs, saīsināti nm ir 1 × 10 ^-9 m).

Baltā gaisma satur visu viļņu garumu sajaukumu, ko mēs varam redzēt atsevišķi, kad to izlaiž caur prizmu. Lietus pilieni mākoņos dažreiz uzvedas kā prizmas, tāpēc mēs varam redzēt varavīksnes krāsas.

Varavīksnes krāsas apzīmē dažādus redzamās gaismas viļņu garumus. Avots: Pixabay.

Krāsu viļņu garums, ko mēs redzam, nanometros, ir:

-Red: 700–620

-Orange: 620–600

-Dzeltens: 600–580

-Zaļš: 580–490

-Zilais: 490–450

-Violets: 450–400

Ultravioletais

Tas ir enerģētiskāks reģions nekā redzamā gaisma, un viļņu garums pārsniedz violetu, tas ir, ir lielāks par 450 nm.

Mēs to nevaram redzēt, bet starojums, kas nāk no Saules, ir ļoti bagātīgs. Un tā kā tam ir lielāka enerģija nekā redzamajai daļai, šis starojums daudz vairāk mijiedarbojas ar matēriju, nodarot kaitējumu daudzām bioloģiski nozīmīgām molekulām.

Ultravioletie stari tika atklāti neilgi pēc infrasarkanajiem stariem, lai gan sākumā tos sauca par “ķīmiskajiem stariem”, jo tie reaģē ar tādām vielām kā sudraba hlorīds.

Rentgenstari

Tos atklāja Vilhelms Rentēns 1895. gadā, eksperimentējot ar paātrinātiem elektroniem (katoda stariem), kas vērsti uz mērķi. Nespēdams izskaidrot, no kurienes viņi nāca, viņš tos sauca par rentgena stariem.

Tas ir ļoti enerģētisks starojums, kura viļņa garums ir salīdzināms ar atoma lielumu, kas spēj iziet cauri necaurspīdīgiem ķermeņiem un radīt attēlus kā rentgena staros.

Radiogrāfus iegūst, izmantojot rentgena starus: Avots: Pixabay.

Tā kā viņiem ir vairāk enerģijas, tie var mijiedarboties ar matēriju, ekstrahējot elektronus no molekulām, tāpēc tos pazīst ar jonizējošā starojuma nosaukumu.

Gamma stari

Tas ir visenerģiskākais starojums no visiem, un viļņu garums ir atkarīgs no atoma kodola. Dabā tas notiek bieži, jo to izstaro radioaktīvie elementi, sabrūkot stabilākiem kodoliem.

Visumā supernovas sprādzienos ir gamma staru avoti, kā arī noslēpumaini objekti, starp kuriem ir pulsāri, melnie caurumi un neitronu zvaigznes.

Zemes atmosfēra aizsargā planētu no šiem ļoti jonizējošajiem starojumiem, kas nāk no Visuma, un lielās enerģijas dēļ tie kaitīgi ietekmē bioloģiskos audus.

Lietojumprogrammas

-Radio viļņus vai radio frekvences izmanto telekomunikācijās, jo tie spēj pārvadāt informāciju. Arī terapeitiskiem nolūkiem, lai sasildītu audus un uzlabotu ādas struktūru.

-Lai iegūtu magnētiskās rezonanses attēlus, nepieciešami arī radiofrekvences. Astronomijā radioteleskopi tos izmanto, lai izpētītu debess objektu struktūru.

-Cellu telefoni un satelīttelevīzija ir divi mikroviļņu pielietojumi. Radars ir vēl viens svarīgs lietojums. Turklāt viss Visums ir iegremdēts mikroviļņu starojuma fonā, kas nāk no lielā sprādziena, un šī fona starojuma noteikšana ir labākais pierādījums šīs teorijas atbalstam.

Radars izstaro impulsu objekta virzienā, kas izkliedē enerģiju visos virzienos, bet daļa no tā tiek atspoguļota, sniedzot informāciju par objekta atrašanās vietu. Avots: Wikimedia Commons.

- Nepieciešams ievērojams apgaismojums, jo tas ļauj mums efektīvi mijiedarboties ar vidi.

Rentgena stariem kā diagnostikas rīkam medicīnā un arī materiālu zinātnes līmenī ir daudz pielietojumu, lai noteiktu daudzu vielu īpašības.

-Gammas starojums no dažādiem avotiem tiek izmantots vēža ārstēšanai, kā arī pārtikas sterilizēšanai.

Atsauces

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. Otrais izdevums. Makgreiva kalns.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eds Prentice Hall.
3. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
4. Serway, R. 2019. Fizika zinātnei un inženierijai. 10. Izdevums. 2. sējums. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. Ievads fizikālajās zinātnēs. Divpadsmitais izdevums. Brooks / Kols, Cengage izdevumi.