Het laat je zien of praten met een geliefde in een andere hoek van de wereld, en soms frieten je uit de ruimte — het is elektromagnetische straling. Het is heel handig. Laten we eens kijken naar alle verschillende soorten elektromagnetische straling en waarom ze in feite allemaal hetzelfde zijn.

wanneer geladen deeltjes in de vorm van atomen (ionen) of elementaire deeltjes (elektronen of protonen) voldoende energie ontvangen om te bewegen en te interageren met hun soortgenoten, beginnen ze magnetische en elektrische velden te creëren. Het samenspel tussen deze twee soorten velden genereert (je raadt het nooit) elektromagnetische verschijnselen. Dat is allemaal heel goed nieuws: elektromagnetisme (EM) is een van de fundamentele krachten in de natuur, de set van vier natuurwetten die de leiding namen na de oerknal en ons universum vormden tot wat het nu is.

een bijzonder interessant deel van de EM-taart is elektromagnetische straling. Deze fenomenen hebben momenteel het onbetwiste record voor de snelste dingen ooit. Dus laten we eens kijken naar hen, te beginnen met:

de basis

fotonen zijn waarschijnlijk het best bekend voor hun rol als het licht ‘dragende’ deeltje, maar dat is slechts een deel van hun taak. Deze elementaire deeltjes zijn de energiedragers voor verschillende andere soorten golven, die samen het elektromagnetische radiatieve (EMR) spectrum vormen. Net als elk type golf (Ja, golven op water inbegrepen) worden ze gedeeltelijk gekenmerkt door golflengte en frequentie. In volgorde van toenemende frequentie / afnemende golflengte kunnen zij zijn:

• radiogolven
• microgolven
• infrarode straling
• zichtbaar licht
• ultraviolette straling
• X-stralen
• gammastralen

op het eerste gezicht kunnen zij zeer verschillende dingen lijken. Zoals, X-stralen kunnen worden gebruikt om door de huid te kijken, en ultravioletten geven je een kleurtje en een brandwond als je geen zonnebrandcrème gebruikt. Totaal anders, toch?

nou, niet echt. Denk aan de emectromagnetische straling spectrum als een gitaarsnaar uitgerekt over acht frets. Speel de laagste noot en je krijgt radiogolven, speel de hoogste en je krijgt gammastralen. Op een gitaar geven verschillende trillingspatronen in de snaar verschillende geluiden af in de vorm van noten — onze perceptie van hen varieert, maar ze zijn allemaal in principe hetzelfde ingesteld op verschillende intensiteitsinstellingen. Op dezelfde manier zullen verschillende oscillatiepatronen van magnetische en elektrische velden verschillende soorten EMR genereren. We zien ze als compleet anders (sommige kunnen we helemaal niet direct waarnemen), maar ze zijn allemaal in principe dezelfde fenomenen op verschillende intensiteiten.

een bron genereert EM-straling wanneer er energie in het systeem is omdat dat is wat deeltjes laat trillen. Als vuistregel, warmere lichamen genereren golven met meer vermogen en voornamelijk op hogere frequenties. De frequentie wordt gemeten in hertz (Hz), die wordt gedefinieerd als één cyclus per seconde. Een frequentie van één Hz betekent dat elke seconde één golf wordt gegenereerd, één kHz betekent dat 1.000 golven per seconde worden gegenereerd, en één GHz komt overeen met één miljard per seconde.

golflengte is gelijk aan snelheid over frequentie en wordt meestal genomen om de afstand tussen twee opeenvolgende toppen weer te geven. Technisch gezien kan het echter overal op de Golf gemeten worden.

ten slotte onderscheidt elektromagnetische straling zich van de overige EM-fenomenen in die zin dat het “far-field” – effecten zijn. Deze golven zijn niet beperkt tot interactie met nabije objecten, in tegenstelling tot het elektrostatische effect, bijvoorbeeld. Eenmaal gegenereerd, kunnen de golven ook door de ruimte slingeren (ze’ stralen’, waar de term’ straling ‘ vandaan komt) zonder dat de ladingen die ze gegenereerd hebben nog meer input geven. Dus deze golven blijven doorgaan totdat ze geen energie meer hebben-ofwel omdat ze deeltjes raken waarmee ze kunnen interageren, ofwel omdat ze gewoon uitademen.

dus nu hebben we een basisidee van hoe ze vormen, cool. Laten we door elk type golf gaan.

radiogolven

radiogolven hebben de laagste frequenties van alle soorten EMR, en de fotonen dragen de minste hoeveelheid energie. Meestal wordt alles tussen 3kHz en 300 GHz beschouwd als een radiogolf, hoewel sommige definities iets boven 1 GHz of 3GHz classificeren als microgolven. Dit maakt radiogolven de luiaards van EMR. Radiogolfotonen liggen ver uit elkaar — bij 3khz is de golflengte 100 km lang, 1 mm (0,039 in) bij 300 GHz — wat betekent dat ze minder energie dragen dan andere soorten ER.

hun interactie met materie is grotendeels beperkt tot het creëren van een stel elektrische ladingen verspreid over veel atomen — dus elke lading is vrij klein. Het is echter nuttig, omdat deze verspreiding een geleider die aan een circuit is gebonden toestaat om radiogolven terug te zetten in een aantal elektrische signalen. Koppel dat aan hun snelheid (alle EM-golven reizen met de snelheid van het licht in een vacuüm), en ze zijn echt goed voor lange-afstands communicatie.

als alternatief, als je een geleider hebt die niet aan een circuit gebonden is, bijvoorbeeld een vliegtuig tijdens de vlucht, zal scheiding van die ladingen nieuwe radiogolven genereren — Dit is wat radarsignalen toestaat om van spullen te ‘reflecteren’. De absorptie of emissie van radiogolven produceert altijd een elektrische stroom, warmte, of beide.

microgolven

microgolven zijn elektromagnetische straling met frequenties tussen 300 MHz (golflengte 100 cm) en 300 GHz (0,1 cm). Afgezien van een beetje meer energetische fotonen en een kortere golflengte (wat meer energiedichtheid betekent), zijn ze eigenlijk een beetje-radiogolf-achtig. In feite, worden microgolven uitgebreid gebruikt in communicatie ook, maar met een paar belangrijke verschillen van radiogolven.

ten eerste heb je een directe zichtlijn nodig naar de ontvanger, omdat microgolven niet buigen (diffracteren) rond heuvels of Bergen, ze niet terugkaatsen vanuit de ionosfeer, of de kromming van de planeet volgen als oppervlaktegolven. Maar ze pakken meer een stoot dan radiogolven en kunnen doorboren door sommige van de dingen die radio niet kan-zoals dikke wolken of stof-als gevolg van hun hogere frequentie.

microgolven worden gebruikt om gegevens over draadloze netwerken te verzenden, om te communiceren met satelliet en ruimtevaartuigen, in autonome en klassieke voertuigen voor botsingsvermijdingssystemen, sommige radionetwerken, sleutelloze toegangssystemen en afstandsbedieningen voor garagedeuren.

ze zijn ook nuttig in ovens. Hetzelfde proces dat radiogolfabsorptie toelaat om warmte te genereren maakt een 2,45 GHz (12cm) magnetron zeer goed in het verwarmen van water. En omdat voedsel altijd op zijn minst wat water heeft, betekent het dat magnetrons een handige manier zijn om voedsel op te warmen.

infraroodstraling

het liefje van cheesy actiefilms, infrarood of IR. Het komt net lang van het zichtbare spectrum, variërend van 300 GHz (1mm) tot de onderste zichtbare limiet (de kleur Rood) bij 430 THz (700 nm). Dit is het spectrum waarover de meeste objecten die je interageert warmte uitstralen. In tegenstelling tot radio — en microgolfstraling interageert infraroodstraling met dipolen (sterk Gepolariseerde chemische moleculen zoals water), wat betekent dat het wordt geabsorbeerd door een breed scala aan stoffen — en bijna alle organische stoffen-die zijn vibratie omzetten in warmte. Echter, het omgekeerde is ook waar, wat betekent dat bulk stoffen stralen over het algemeen een aantal niveaus van IR als ze hun warmte vrij te geven.

dus het is niet erg goed voor lange-afstands communicatie, omdat het gewoon zou worden geabsorbeerd door het water in de atmosfeer. Maar uw tv-afstandsbediening kan IR gebruiken om commando ‘ s over korte afstanden met groot succes uit te geven. IR-detectoren zijn handig als u iets probeert te zien dat warmte afgeeft — zoals een inbreker in het midden van de nacht. Infrarood wordt ook gebruikt in de astronomie om door stofwolken te kijken op zoek naar planeten, in industriële toepassingen om warmtelekken te controleren of oververhitting te voorkomen, in weersvoorspellingen en in bepaalde medicinale toepassingen. Het leger is natuurlijk ook een grote fan van IR, die het zowel gebruikt voor observaties als om munitie naar een doel te leiden.

en zoals hagedissenliefhebbers weten, is infraroodstraling een geweldige manier om warmte te stralen waar dat nodig is. In feite is dat precies hoe mensen IR ontdekten. Terug in 1800, een astronoom met de naam van Sir William Herschel voor het eerst beschreven IR-straling door het observeren van de effecten op een thermometer.

net als alle andere elektromagnetische straling, draagt IR energie en gedraagt zich zowel als een golf als als een kwantumdeeltje, het foton. Iets meer dan de helft van alle zonne — energie die de aarde bereikt, doet dat als infrarode straling-daarom voelt zonlicht zo warm aan.

zichtbaar licht

Dit is het interval van elektromagnetische straling dat uw ogen zijn afgestemd om op te vangen. Zichtbaar licht overspant het spectrum van 430-770 THz (390 tot 700 nm). We zien verschillende kleuren omdat bepaalde stukjes van dit spectrum worden geabsorbeerd door objecten, en de rest wordt gereflecteerd. Om iets rood voor je te laten lijken, moet het de golflengten absorberen die niet overeenkomen met de kleur en alleen rode golflengten reflecteren die je ogen kunnen opnemen.

kleur kan echter ook ontstaan door de manier waarop licht interageert met een bepaald object. De textuur van een object wordt ook gecreëerd door vrijwel hetzelfde mechanisme. Sneeuw, bijvoorbeeld, lijkt wit, mat en reflecterend te zijn op hetzelfde moment — maar individuele sneeuwkristallen lijken op stukjes glas. U kunt hier ontdekken waarom.

ultraviolette straling

Het EM-spectrum over de frequentie van 789 terahertz (THz) of meer wordt ultraviolet genoemd. Ultraviolet licht is samengesteld uit zeer korte golven, van 10 nm tot 400 nm, en dragen veel energie. In feite, vanaf de UV-grens, dragen fotonen genoeg energie om bepaalde chemische bindingen te veranderen in nieuwe arrangementen. Wat een hel is als je een DNA-molecuul bent die informatie probeert te bewaren. Nog erger voor levende dingen, bepaalde UV-subtypes die niet genoeg energie hebben om DNA direct te beschadigen (zoals subtype A) vormen nog steeds een risico omdat ze reactieve zuurstofsoorten in het lichaam produceren, zeer reactieve verbindingen die chemische bindingen in DNA kapen.

over het algemeen is UV-straling energiek genoeg om een reëel gevaar voor het leven te worden. Zelfs relatief lage-energie UV kan vervelende huid brandwonden veroorzaken, veel erger dan die veroorzaakt gewoon door de temperatuur (omdat ze ook straling-brandwonden, zoals hierboven uitgelegd). Blootstelling aan hoger-energie UV kan tot kanker leiden, aangezien de golven ravage aanrichten op de bundels van DNA.

dit vermogen om levende organismen te beschadigen zal een gemeenschappelijk kenmerk zijn vanaf nu op de lijst, aangezien de frequenties ALLEEN verder zullen toenemen. Aan de hogere uiteinden van het UV-spectrum (ongeveer 125 nm of minder, soms “extreem UV” genoemd), is de energie die door deze golven wordt gedragen zo hoog dat het eigenlijk elektronen uit atomen’ schillen kan strippen in een proces dat foto-ionisatie wordt genoemd.

aangezien UV-straling ongeveer 10% van de totale lichtopbrengst van de zon uitmaakt, zou dit veel problemen veroorzaken voor alles wat op het land leeft (aangezien water best goed UV absorbeert). Gelukkig voor ons aardbewoners, worden we beschermd door de ozonlaag en de rest van de atmosfeer, die de meeste UV-stralen filteren voordat ze echte schade veroorzaken.

Het is echter niet allemaal slecht nieuws. UV-straling is de sleutel tot de synthese van vitamine D in de meeste gewervelde landdieren, met inbegrip van de mens. UV-stralen worden ook gebruikt in fotografie en astronomie, in bepaalde beveiligingstoepassingen (om rekeningen of creditcards te verifiëren), in forensisch onderzoek, als sterilisator en natuurlijk op zonnebanken.

X-stralen / röntgenstraling

met frequenties variërend van 30 petahertz tot 30 exahertz (‘peta’ betekent 15 nullen, ‘exa’ betekent 18 nullen) en golflengten van 0,01 tot 10 nanometer, zijn röntgenstralen zeer energetisch. Die met golflengten onder 0.2-0.1 nm worden ‘harde’ röntgenstralen genoemd. Artsen gebruiken ze om de botten in het lichaam te zien omdat ze zo klein en krachtig zijn dat onze zachte weefsels er vrijwel transparant voor zijn. Hetzelfde geldt voor bagage op het vliegveld-harde röntgenfoto ‘ s kunnen er dwars doorheen kijken. Hun golflengte is vergelijkbaar met de grootte van individuele atomen, dat is waarom geologen ze gebruiken om kristalstructuren te bepalen.

X-stralen (en de meer energetische gammastralen) bestaan uit fotonen die allemaal een minimale ionisatie-energie dragen (ze kunnen allemaal foto-ioniseren), en worden dus ioniserende straling genoemd. Zij kunnen massale schade toebrengen aan organismen en biomoleculen, vaak die weefsels zeer diep onder de huid beà nvloeden aangezien zij gemakkelijk door de meeste materie doordringen.ze zijn vernoemd naar Wilhelm Röntgen, de Duitse wetenschapper die ze op 8 November 1895 ontdekte. Röntgen zelf noemde ze X-straling omdat het op dat moment nogal mysterieus was — niemand begreep echt wat deze straling was of wat het deed.

gammastraling

Dit zijn de EMR ‘ s met de hoogste energie fotonen die we kennen. Ze hebben frequenties van meer dan 30 exahertz, en golflengten van minder dan 10 picometers (1 picometer is een duizendste van een nanometer of een duizendste van een miljardste van een meter), wat kleiner is dan de diameter van een atoom. Ze zijn meestal het gevolg van radioactief verval hier op aarde (zoals kernbommen of Tsjernobyl), maar kunnen ook komen in belachelijk krachtige gammastraaluitbarstingen, waarschijnlijk het product van stervende sterren die supernova of de grotere hypernova worden voordat ze instorten tot neutronensterren of zwarte gaten. Ze zijn de meest dodelijke vorm van EM-straling voor levende organismen. Gelukkig worden ze grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde.

kunstmatige gammastralen worden soms gebruikt om het uiterlijk van edelstenen te veranderen, zoals het veranderen van witte topaas in blauwe topaas. De VS experimenteert ook met het gebruik ervan om een soort X-ray machine te maken op steroïden die tot 30 containers per uur kunnen scannen. Om een idee te krijgen van hoe belachelijk penetrerende gammastralen zijn, weet dat mijnbouwactiviteiten gammastraal generatoren gebruiken om door enorme stapels erts te kijken en de rijkste te selecteren voor verwerking. Andere toepassingen zijn bestraling (gebruikt om medische apparatuur of voedingsmiddelen te steriliseren), om kankertumoren te doden, en in de nucleaire geneeskunde.

Kortom, dit zijn de categorieën die we gebruiken om elektromagnetische straling te beschrijven. Ze hebben dingen waar ze graag doorheen gaan, en dingen waar ze uit reflecteren. Zij zijn het licht dat je niet kunt zien en kan aangenaam zijn, zeer gevaarlijk, en soms waanzinnig dodelijk.