sen avulla voi nähdä tai puhua rakkaalleen toisessa maailmankolkassa, ja joskus se käräyttää ulkoavaruudesta — se on sähkömagneettista säteilyä. Se on todella näppärä juttu. Joten, katsotaanpa kaikkia erilaisia sähkömagneettisia säteilyjä ja miksi ne kaikki ovat, itse asiassa, sama asia.

kun atomien (ionien) tai alkuainehiukkasten (elektronien tai protonien) muotoiset varautuneet hiukkaset saavat tarpeeksi energiaa liikkuakseen ja vuorovaikuttaakseen vertaistensa kanssa, ne alkavat luoda magneetti-ja sähkökenttiä. Näiden kahden tyyppisten kenttien välinen vuorovaikutus tuottaa (et ikinä arvaa) sähkömagneettisia ilmiöitä. Mikä on kaikki erittäin hyvä uutinen: sähkömagnetismi (EM) on yksi luonnon perusvoimista, neljän luonnonlain joukko, jotka ottivat vallan alkuräjähdyksen jälkeen ja muokkasivat universumimme sellaiseksi kuin se on tänään.

yksi erityisen kiinnostava siivu EM-piirakasta on sähkömagneettinen säteily. Nämä ilmiöt pitävät tällä hetkellä hallussaan kiistatonta ennätystä kaikkien aikojen nopeimmista asioista. Tarkastelkaamme siis niitä alkaen:

perusasiat

fotonit tunnetaan ehkä parhaiten roolistaan valoa kantavana hiukkasena, mutta se on vain osa heidän työtään. Nämä alkeishiukkaset toimivat energiakantajina useille muille aalloille, jotka yhdessä muodostavat sähkömagneettisen säteilyspektrin (EMR). Kuten minkä tahansa aallon (Kyllä, aallot veden mukana) niille on ominaista osittain aallonpituus ja taajuus. Suurenevan taajuuden / laskevan aallonpituuden mukaisessa järjestyksessä ne voivat olla:

• radioaallot
• mikroaallot

infrapunasäteily

• näkyvä valo

ultraviolettisäteily

• röntgensäteily
• gammasäteily

ensisilmäyksellä ne voivat näyttää hurjasti erilaisilta asioilta. Röntgenillä voi kurkistaa ihon läpi, ja ultravioletit antavat rusketuksen ja ihon palamisen, jos ei käytä aurinkorasvaa. Täysin erilainen, vai mitä?

No, ei oikeastaan. Ajattele emektromagneettisen säteilyn spektri kuin kitaran kieli venytetty yli kahdeksan nauhat. Kun soitat alinta nuottia, saat radioaaltoja, – soitat korkeinta ja saat gammasäteitä. On kitara, eri vibrational kuvioita merkkijono antaa pois eri ääniä muodossa toteaa – meidän käsitys niistä vaihtelee, mutta ne kaikki pohjimmiltaan sama asia asetettu eri intensiteettiasetuksilla. Samoin erilaiset magneettisten ja sähkökenttien värähtelymallit synnyttävät erilaisia EMR: ää. Havaitsemme ne täysin erilaisina (joitakin emme voi suoraan aistia lainkaan), mutta ne ovat kaikki periaatteessa samoja ilmiöitä eri intensiteeteillä.

lähde synnyttää EM-säteilyä, kun systeemissä on energiaa, koska se saa hiukkaset värähtelemään. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että kuumemmat kappaleet synnyttävät aaltoja, joissa on enemmän voimaa ja pääasiassa korkeammilla taajuuksilla. Taajuus mitataan hertseinä (Hz), joka määritellään yhdeksi sykliksi sekunnissa. Yhden Hz: n taajuus tarkoittaa, että joka sekunti syntyy yksi aalto, yksi kHz tarkoittaa 1 000 aaltoa sekunnissa ja yksi GHz vastaa miljardia sekunnissa.

aallonpituus on yhtä suuri kuin nopeus taajuudella, ja sen katsotaan yleensä kuvaavan kahden peräkkäisen harjan välistä etäisyyttä. Teknisesti se voidaan kuitenkin mitata missä tahansa aallonharjalla.

lopuksi sähkömagneettinen säteily erottuu muista EM-ilmiöistä siinä, että ne ovat ”kaukokenttäefektejä”. Nämä aallot eivät rajoitu vuorovaikutukseen lähekkäisten kappaleiden kanssa, toisin kuin esimerkiksi sähköstaattinen vaikutus. Kun aallot on luotu, ne voivat myös sinkoutua läpi avaruuden (ne’ säteilevät’, mistä termi’ säteily ’ tulee) ilman, että niiden synnyttämät varaukset tulevat enää lainkaan. Nämä aallot siis jatkuvat, kunnes niistä loppuu energia — joko siksi, että ne osuvat joihinkin hiukkasiin, joiden kanssa ne voivat olla vuorovaikutuksessa, tai siksi, että ne yksinkertaisesti poreilevat.

joten nyt meillä on perusidea siitä, miten ne muodostuvat, cool. Käydään läpi jokainen aalto.

radioaallot

radioaalloilla on kaikkien EMR-tyyppien matalimmat taajuudet, ja sen fotoneilla on vähiten energiaa. Yleensä mitä tahansa 3kHz: n ja 300 GHz: n väliltä pidetään radioaaltona, vaikka jotkut määritelmät luokittelevat mikroaalloiksi kaiken yli 1 GHz: n tai 3GHz: n. Tämä tekee radioaalloista EMR: n laiskiaisia. Radioaallon fotonit ovat kaukana toisistaan-3khz, aallonpituus on 100 km (62 mi) pitkä, 1mm (0.039 in) 300 GHz — eli ne kantavat vähemmän energiaa kuin muut er.

niiden vuorovaikutus aineen kanssa rajoittuu pitkälti siihen, että syntyy joukko sähkövarauksia, jotka levittäytyvät lukuisille atomeille — joten jokainen varaus on melko pieni. Se on kuitenkin hyödyllistä, koska tämä leviäminen mahdollistaa johdin sidottu piiri muuttaa radioaallot takaisin joitakin sähköisiä signaaleja. Pari, että niiden nopeus (kaikki EM aallot kulkevat valon nopeudella tyhjiössä), ja ne ovat todella hyviä pitkän kantaman viestinnän.

Vaihtoehtoisesti, jos sinulla on johdin, joka ei ole kytkettynä virtapiiriin, vaikkapa lentokoneeseen lennon aikana, näiden varausten erottaminen synnyttää uusia radioaaltoja — tämä mahdollistaa tutkasignaalien ’heijastumisen’ tavaroista. Radioaaltojen absorptio tai emissio tuottaa aina sähkövirran, lämmön tai molemmat.

mikroaallot

mikroaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka taajuus on 300 MHz (aallonpituus 100 cm) ja 300 GHz (0,1 cm). Lukuun ottamatta hieman energisempiä fotoneja ja lyhyempää aallonpituutta (mikä tarkoittaa enemmän energiatiheyttä), ne ovat tavallaan radioaaltomaisia. Itse asiassa mikroaaltoja käytetään paljon myös viestinnässä, mutta muutamalla keskeisellä erolla radioaaltoihin.

ensinnäkin tarvitaan suora näköyhteys vastaanottimeen, sillä mikroaallot eivät taivu (diffract) kukkuloiden tai vuorten ympäri, ne eivät heijasta takaisin ionosfääristä tai seuraa planeetan kaarevuutta pinta-aaltoina. Mutta ne sisältävät enemmän iskua kuin radioaallot ja voivat lävistää joitakin asioita, joita radio ei voi — kuten paksuja pilviä tai pölyä — niiden korkeamman taajuuden vuoksi.

mikroaaltoja käytetään tiedonsiirtoon langattomissa verkoissa, yhteydenpitoon satelliitin ja avaruusaluksen kanssa, autonomisissa ja klassisissa ajoneuvoissa törmäyksenestojärjestelmiin, joihinkin radioverkkoihin, avaimettomiin sisääntulojärjestelmiin ja autotallin oven kaukosäätimiin.

ne ovat käyttökelpoisia myös uuneissa. Sama prosessi, jonka avulla radioaaltojen absorptio tuottaa lämpöä, tekee 2,45 GHz: n (12cm) mikroaaltouunista erittäin hyvän lämmittämään vettä. Ja koska ruoassa on aina ainakin jonkin verran vettä, se tarkoittaa, että mikroaaltouunit ovat näppärä tapa lämmittää ruokaa.

infrapunasäteily

the sweetheart of cheesy action movies, infrared, or IR. Se tulee vain pitkä näkyvän spektrin, ulottuen 300 GHz (1mm) pienempi näkyvä raja (väri punainen) 430 THz (700 nm). Tämä on spektri, jonka yli useimmat kappaleet ovat vuorovaikutuksessa säteilevän lämmön kanssa. Toisin kuin radio-ja mikroaaltosäteily, infrapunasäteily vuorovaikuttaa dipolien (voimakkaasti polarisoituneiden kemiallisten molekyylien, kuten veden) kanssa, eli se imeytyy monenlaisiin aineisiin — ja lähes kaikkiin orgaanisiin aineisiin — jotka muuttavat sen värähtelyn lämmöksi. Tilanne on kuitenkin myös päinvastainen, mikä tarkoittaa, että irtotavarana olevat aineet säteilevät yleensä jonkin verran IR-arvoa, kun ne vapauttavat lämpöään.

joten se ei ole kovin hyvä pitkän matkan viestinnässä, koska se vain imeytyisi ilmakehässä olevaan veteen. Mutta tv remote voi käyttää IR antaa komentoja lyhyillä etäisyyksillä suurella menestyksellä. IR-ilmaisimet ovat hyödyllisiä, jos yrität nähdä jotain, joka antaa lämpöä — kuten murtovaras keskellä yötä. Infrapunaa käytetään myös tähtitieteessä pölypilvien läpi tähystämiseen planeettoja etsiessä, teollisissa sovelluksissa lämpövuotojen tarkkailuun tai ylikuumenemisen estämiseen, sään ennustamisessa ja eräissä lääketieteellisissä sovelluksissa. Puolustusvoimat on luonnollisesti myös IR: n suuri fani, sillä se käyttää sitä sekä havainnointiin että ammusten ohjaamiseen kohti kohdetta.

ja kuten liskonystävät siellä tietävät, infrapunasäteily on oiva tapa sädettää lämpöä sinne, missä sitä tarvitaan. Itse asiassa, juuri niin ihmiset löysivät IR. Vuonna 1800 Sir William Herschel-niminen tähtitieteilijä kuvaili IR-säteilyä havainnoimalla sen vaikutuksia lämpömittariin.

kuten kaikki muu sähkömagneettinen säteily, IR kuljettaa energiaa ja käyttäytyy sekä Aallon että kvanttihiukkasen, fotonin tavoin. Hieman yli puolet kaikesta maahan saapuvasta aurinkoenergiasta tapahtuu infrapunasäteilynä-siksi auringonvalo tuntuu niin lämpimältä.

näkyvä valo

Tämä on sähkömagneettisen säteilyn intervalli, jonka silmäsi on viritetty poimimaan. Näkyvän valon spektri on 430-770 THz (390-700 nm). Näemme eri värejä, koska tietyt osat tästä spektristä imeytyvät esineisiin, ja loput heijastuvat. Jotta jokin näyttäisi sinusta punaiselta, sen täytyy absorboida aallonpituudet, jotka eivät vastaa väriä ja heijastaa vain punaisia aallonpituuksia silmiesi poimittavaksi.

väri voi kuitenkin syntyä myös siitä, miten valo vuorovaikuttaa tietyn kohteen kanssa. Myös esineen rakenne syntyy pitkälti samalla mekanismilla. Esimerkiksi lumi näyttää olevan valkoista, mattaista ja heijastavaa samaan aikaan — mutta yksittäiset lumikiteet näyttävät lasinpalasilta. Syy löytyy täältä.

ultraviolettisäteily

vähintään 789 terahertsin (THz) taajuudella olevaa EM-spektriä kutsutaan ultravioletiksi. Ultraviolettivalo koostuu todella lyhyistä aalloista, 10 nm: stä 400 nm: iin, ja kuljettaa paljon energiaa. Itse asiassa UV-rajalta alkaen fotonit kuljettavat tarpeeksi energiaa muuttaakseen tiettyjä kemiallisia sidoksia uusiksi asetelmiksi. Mikä on helvetti, jos olet DNA-molekyyli, joka yrittää vain säilyttää tietoa. Vielä pahempaa eläville aineille, tietyt UV-alatyypit, joiden energia ei riitä vahingoittamaan DNA: ta suoraan (kuten alatyyppi A), aiheuttavat silti riskin, koska ne tuottavat kehon sisällä reaktiivisia happilajeja, erittäin reaktiivisia yhdisteitä, jotka kaappaavat kemiallisia sidoksia DNA: ssa.

kaiken kaikkiaan UV-säteily on sen verran energistä, että se alkaa olla todellinen vaara elämälle. Jopa suhteellisen Matalaenerginen UV voi aiheuttaa ikäviä ihon palovammoja, paljon pahempaa kuin pelkästään lämpötilan aiheuttamat (koska ne ovat myös säteily-palovammoja, kuten edellä on selitetty). Altistuminen korkeaenergiselle UV-säteilylle voi johtaa syöpään, sillä aallot tekevät tuhojaan DNA-säikeissä.

tämä kyky vahingoittaa eläviä organismeja on yhteinen piirre tästä eteenpäin luettelossa, sillä esiintymistiheydet vain kasvavat edelleen. UV-spektrin korkeammissa päissä (noin 125 nm tai vähemmän, jota joskus kutsutaan ”äärimmäiseksi UV: ksi”) näiden aaltojen kuljettama energia on niin suuri, että se voi itse asiassa irrottaa elektroneja atomien kuorista fotoionisaatioksi kutsutussa prosessissa.

ottaen huomioon, että UV-säteily muodostaa noin 10% Auringon kokonaisvalotehosta, se aiheuttaisi paljon vaivaa kaikelle maalla elävälle (koska vesi absorboi melko hyvin UV-säteilyä). Onneksi meitä maan asukkaita suojaa otsonikerros ja muu ilmakehä, jotka suodattavat suurimman osan UV-säteilystä ennen kuin ne aiheuttavat todellista vahinkoa.

kaikki ei kuitenkaan ole huonoja uutisia. UV-säteily on avain D-vitamiinin synteesissä useimmilla maalla elävillä selkärankaisilla, myös ihmisillä. UV-säteilyä käytetään myös valokuvauksessa ja tähtitieteessä, tietyissä turvallisuussovelluksissa (laskujen tai luottokorttien todentamiseen), rikosteknisessä tutkimuksessa, sterilointilaitteena ja tietenkin solariumeissa.

röntgensäteily/röntgensäteily

taajuuksilla 30 petahertsin ja 30 eksahertsin välillä (”peta” tarkoittaa 15 Nollaa, ” exa ” tarkoittaa 18 nollaa) ja aallonpituuksilla 0,01-10 nanometriä, röntgensäteet ovat hyvin energisiä. Ne, joiden aallonpituudet ovat alle 0,2–0.1 nm kutsutaan ”koviksi” Röntgensäteiksi. Lääkärit käyttävät niitä nähdäkseen luut kehossa, koska ne ovat niin pieniä ja voimakkaita, että pehmytkudoksemme ovat käytännössä läpinäkyviä niille. Sama pätee matkalaukkuihin lentokentällä-kovat röntgenkuvat näkevät niiden läpi. Niiden aallonpituus on verrattavissa yksittäisten atomien kokoon, minkä vuoksi geologit käyttävät niitä kiderakenteiden määrittämiseen.

röntgensäteet (ja energisemmät gammasäteet) koostuvat fotoneista, joilla kaikilla on pienin ionisoitumisenergia (ne kaikki voivat fotoionisoitua), ja niitä kutsutaan siten ionisoivaksi säteilyksi. Ne voivat aiheuttaa massiivista vahinkoa eliöille ja biomolekyyleille, jotka vaikuttavat usein hyvin syvälle ihon alla oleviin kudoksiin tunkeutuessaan helposti useimpien aineiden läpi.

ne on nimetty saksalaisen tiedemiehen Wilhelm Röntgenin mukaan, joka löysi ne 8.marraskuuta 1895. Röntgen itse kutsui niitä X-säteilyksi, koska se oli siihen aikaan aika mystistä — kukaan ei oikein ymmärtänyt, mitä tämä säteily oli tai mitä se teki.

gammasäteet

nämä ovat EMR: iä, joissa on tuntemamme yksittäiset korkeaenergiaisimmat fotonit. Niiden taajuudet ovat yli 30 eksahertsiä ja aallonpituudet alle 10 picometriä (1 picometri on nanometrin tuhannesosa tai metrin miljardisosa), mikä on pienempi kuin atomin halkaisija. Ne ovat enimmäkseen seurausta radioaktiivisesta hajoamisesta täällä maapallolla (kuten ydinaseet tai Tšernobyl), mutta voivat myös tulla naurettavan voimakkaina gammasäteilypurkauksina, todennäköisesti supernovaksi muuttuvien kuolevien tähtien tai suurempien hypernovien tuotteena ennen kuin ne luhistuvat neutronitähdiksi tai mustiksi aukoiksi. Ne ovat eläville eliöille tappavin yksittäinen EM-säteilylaji. Onneksi maan ilmakehä absorboi ne.

keinotekoisia gammasäteitä käytetään joskus jalokivien ulkonäön muuttamiseen, kuten valkoisen topaasin muuttamiseen siniseksi topaasiksi. Yhdysvallat on myös kokeilla niiden avulla luoda eräänlainen X-ray kone steroideja, jotka voivat skannata jopa 30 kontteja tunnissa. Saadaksemme käsityksen siitä, kuinka naurettavan läpivieviä gammasäteet ovat, tietäkää, että kaivostoiminnassa käytetään gammasädegeneraattoreita tutkimaan valtavia Malmi-kasoja ja valitsemaan rikkaimpia jalostettavaksi. Muita käyttötarkoituksia ovat säteilytys (käytetään steriloimaan lääkinnällisiä laitteita tai elintarvikkeita), tappaa syöpäkasvaimia, ja isotooppilääketieteessä.

lyhyesti sanottuna näitä kategorioita käytämme kuvaamaan sähkömagneettista säteilyä. Heillä on asioita, joista he haluavat kulkea, ja asioita, joista he heijastavat. Ne ovat valoa, jota et näe ja voivat olla miellyttäviä, hyvin vaarallisia ja joskus Mielettömän tappavia.