ELEKTROMAGNETISKT SPEKTRUM: EGENSKAPER, BAND, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Det elektromagnetiska spektrumet består av det ordnade arrangemanget av alla våglängder av elektromagnetiska vågor, som antar något positivt värde utan någon begränsning. Det är uppdelat i 7 sektioner, inklusive synligt ljus.

Vi känner till frekvenserna för synligt ljus när vi ser regnbågen, där varje färg motsvarar en annan våglängd: röd är den längsta och violetta kortast.

Elektromagnetiskt spektrum. Observera att frekvensen (och med den energin) ökar från vänster till höger i detta schema. André Oliva / Public domain

Det synliga ljusområdet upptar bara ett mycket kort område av spektrumet. De andra regionerna, som vi inte kan se, är radiovågor, mikrovågor, infraröd, ultraviolett, röntgenstrålar och gammastrålar.

Regionerna upptäcktes inte samtidigt, men vid olika tidpunkter. Exempelvis förutsades existensen av radiovågor 1867 av James Clerk Maxwell och år senare, 1887, producerade Heinrich Hertz dem för första gången i sitt laboratorium, varför de kallas Hertzianvågor.

Alla kan interagera med materien, men på olika sätt beroende på den energi de bär på. Å andra sidan är de olika regionerna i det elektromagnetiska spektrumet inte tydligt definierade, eftersom faktiskt gränserna är fuzzy.

band

Band av det elektromagnetiska spektrumet. Tatoute and Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Gränserna mellan de olika regionerna i det elektromagnetiska spektrumet är ganska fuzzy. Dessa är inte naturliga uppdelningar, i själva verket är spektrumet ett kontinuum.

Emellertid tjänar separationen till band eller zoner för att bekvämt karakterisera spektrumet enligt dess egenskaper. Vi börjar vår beskrivning med radiovågor, vars våglängder är längre.

Radiovågor

De lägsta frekvenserna har ett intervall runt 10 ⁴ Hz, vilket i sin tur motsvarar de längsta våglängderna, vanligtvis storleken på en byggnad. AM, FM och medborgarebandradio använder vågor inom detta område, liksom VHF- och UHF-tv-sändningar.

För kommunikationsändamål användes radiovågor för första gången omkring 1890, då Guglielmo Marconi uppfann radion.

Eftersom frekvensen för radiovågor är lägre har de inga joniserande effekter på materien. Detta innebär att radiovågorna saknar tillräckligt med energi för att mata ut elektroner från molekyler, men de ökar temperaturen på föremål genom att höja vibrationerna i molekylerna.

Mikrovågsugn

Våglängden för mikrovågor är i storleksordningen centimeter och de upptäcktes också först av Heinrich Hertz.

De har tillräckligt med energi för att värma mat, som i mer eller mindre utsträckning innehåller vatten. Vatten är en polär molekyl, vilket innebär att även om det är elektriskt neutralt, är de negativa och positiva laddningarna separerade något och bildar en elektrisk dipol.

När mikrovågor, som är elektromagnetiska fält, träffar en dipol, producerar de vridmoment som får dem att rotera för att anpassa dem till fältet. Rörelsen översätts till energi som sprids genom maten och har effekten att värma den.

Infraröd

Denna del av det elektromagnetiska spektrumet upptäcktes av William Herschel i början av 1800-talet och har en lägre frekvens än synligt ljus, men högre än mikrovågor.

Våglängden för det infraröda spektrumet (nedan rött) är jämförbart med spetsen på en nål, därför är det en mer energisk strålning än mikrovågor.

Mycket av solstrålningen kommer vid dessa frekvenser. Varje objekt avger en viss mängd infraröd strålning, särskilt om de är heta, till exempel köksbrännare och varmblodiga djur. Det är osynligt för människor, men vissa rovdjur skiljer den infraröda utsläppet från sitt byte, vilket ger dem en fördel i jakt.

Synlig

Det är den del av spektrumet som vi kan upptäcka med våra ögon, mellan 400 och 700 nanometer (1 nanometer, förkortat nm är 1 × ^10-9 m) våglängd.

Vitt ljus innehåller en blandning av alla våglängder, som vi kan se separat när de passeras genom ett prisma. Regndroppar i moln uppträder ibland som prismor, så vi kan se regnbågens färger.

Regnbågens färger representerar olika våglängder för synligt ljus. Källa: Pixabay.

Våglängderna för färgerna vi ser i nanometer är:

-Röd: 700–620

-Orange: 620–600

-Gul: 600–580

-Grön: 580–490

-Blue: 490–450

-Violet: 450–400

Ultraviolett

Det är ett mer energiskt område än synligt ljus, med våglängder utöver violet, det vill säga mer än 450 nm.

Vi kan inte se det, men strålningen som kommer från solen är mycket riklig. Och eftersom den har högre energi än den synliga delen samverkar denna strålning mycket mer med materien och orsakar skador på många molekyler av biologisk betydelse.

Ultravioletta strålar upptäcktes strax efter infraröda strålar, även om de till en början kallades "kemiska strålar" eftersom de reagerar med ämnen som silverklorid.

Röntgenstrålar

De upptäcktes av Wilhelm Roentgen 1895 medan de experimenterade med accelererande elektroner (katodstrålar) riktade mot ett mål. Han kunde inte förklara var de kom ifrån och kallade dem röntgenstrålar.

Det är en mycket energisk strålning med en våglängd som är jämförbar med storleken på atomen, som kan passera genom ogenomskinliga kroppar och producera bilder som i röntgenstrålar.

Radiografer erhålls med hjälp av röntgenstrålar: Källa: Pixabay.

När de har mer energi kan de interagera med materien genom att extrahera elektroner från molekyler, varför de är kända under namnet joniserande strålning.

Gamma-strålar

Detta är den mest energiska strålningen av alla, med våglängder i storleksordningen av en atomkärna. Det förekommer ofta i naturen, eftersom det släpps ut av radioaktiva element när de sönderfaller till mer stabila kärnor.

I universum finns källor till gammastrålar i supernovaexplosioner, såväl som mystiska föremål som pulsars, svarta hål och neutronstjärnor är.

Jordens atmosfär skyddar planeten från dessa mycket joniserande strålningar som kommer från universum, och på grund av deras höga energi har de en skadlig effekt på biologisk vävnad.

tillämpningar

-Radiovågor eller radiofrekvenser används i telekommunikation, eftersom de kan transportera information. Även för terapeutiska ändamål för att värma vävnader och förbättra hudens struktur.

-För att få magnetisk resonansbilder krävs också radiofrekvenser. I astronomi använder radioteleskop dem för att studera himmelobjekternas struktur.

-Cell-telefoner och satellit-tv är två applikationer av mikrovågor. Radar är en annan viktig applikation. Dessutom är hela universum nedsänkt i en mikrovågsstrålningsbakgrund, som kommer från Big Bang, varvid detekteringen av nämnda bakgrundsstrålning är det bästa beviset för denna teori.

Radaren avger en puls mot ett objekt, som sprider energin i alla riktningar, men en del av det reflekteras, vilket ger information om objektets plats. Källa: Wikimedia Commons.

-Synligt ljus är nödvändigt eftersom det gör att vi kan interagera effektivt med vår miljö.

-X-strålar har flera tillämpningar som ett diagnostiskt verktyg inom medicin och även på materialvetenskaplig nivå för att bestämma egenskaperna hos många ämnen.

-Gammastrålning från olika källor används som behandling för cancer, samt för att sterilisera mat.

referenser

1. Giambattista, A. 2010. Fysik. Andra upplagan. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6:e. Ed Prentice Hall.
3. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
4. Serway, R. 2019. Fysik för vetenskap och teknik. 10:e. Utgåva. Volym 2. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. En introduktion till fysikalisk vetenskap. Tolfte upplagan. Brooks / Cole, Cengage Editions.