Elektromagnetski spektar
Kada spomenemo riječ "radijacija", ljudi se pomalo uplaše, jer im odmah pada na pamet pojam poput nuklearnog oružja čije je zračenje štetno po čovjeka. Međutim, nije sva radijacija štetna. Vidljiva svijetlost, ključni element fotosinteze je također vrsta zračenja. Dakle kakav je to fenomen koji daje ali i uzima život ? U zadnjih 100 godina došlo je do prave revolucije po pitanju razumijevanja svijetlosti. Sama bit te revolucije je prepoznavanje svijetlosti koja putuje kao val. Zvuči jednostavno, ali malo tko u našem društvu si ga predočuje u takvom obliku. A upravo nam ono omogućava tehnologije, od radio odašiljača pa do lasera. Uklopilo se je u nove znanstvene teorije, koje su pak dovele do novih tehnologija, uključujući i elektroniku. I pomoglo je astronomiji da postane analitička znanost.
Informacija koja dolazi sa svjetlosnim valom, kazuje nam što su zvijezde. Svijetlost nam pokazuje koliko daleko su zvijezde, koliko se brzo pomiču, koje kemijske elemente sadrže, koliko su masivne i imaju li planete. Jednog dana će nam možda upravo vijest o slabašnoj svijetlosti koja dolazi sa neke planete, dati do znanja da možda i nismo sami u Svemiru. Za nastavnike, jedna od najboljih stvari vezanih uz svijetlo je činjenica da je jeftino. Eksperimenti sa svijetlom se jako jednostavno rade u učionici i mogu se prilagoditi cijelom nizu sposobnosti učenika. Učenici mogu raditi duge. Mogu saznati zašto miješanje crvenog, zelenog i plavog pigmenta daje crnu boju i zašto miješanje crvenog, zelenog i plavog svijetla stvara bijelo svijetlo. Također mogu učiti, ne samo o svijetlu, nego o cijelim metodama nauke.
Uhvatimo val Naš pogled u Svemir je nekada bio samo prozor, dakle jako mala količina valnih duljina (na koje su osjetljive naše oči). U posljednjih 50 godina, novi instrumenti, kao što su radio teleskopi, ultraljubičasti detektori, proširili su znatno naš pogled kroz onaj isti prozor. Tako sada možemo vidjeti nekad nevidljive fenomene kao što su: rođenje zvijezda, žvakanje kanibalskih galaksija, te pozadinsko zračenje Velikog Praska. Široki opseg zračenja nevidljivih i vidljivih valnih duljina kroz koje sada vidimo naš Svemir ima (iako pomalo nespretan) naziv: elektromagnetsko zračenje.
Elektromagnetsko zračenje je jedna od mnogih formi koje energija može zauzeti. Kako ime pokazuje, ta energija ima dvije komponente: električnu i magnetsku. Komponente kao takve su nevidljive; one naime postoje u obliku električnih i magnetskih polja. Ta dva polja su međusobno povezana. Pobuđuju jedno drugo, zračeći ili putujući kroz prostor. Njihova polja variraju po jakosti: slabe, zatim vrate jakost, zatim ponovo slabe i tako dalje. Pri najjačem električnom polju, najjače je i magnetsko. Kada električno polje oslabi, magnetsko polje također oslabi. Kada iskombinirate ove dvije osnovne ideje - kretanje i oscilaciju - dobijete upravo definiciju vala. Postoje i druge vrste valova, kao što su valovi zvuka i vodeni valovi, ali oni su zapravo vibracije fluida (voda, zrak) umjesto vibracija električnog i magnetskog polja. Oscilacija polja se dešava u pravilnim razmacima, poznatijim kao frekvencija. Dok je polje prešlo iz jakog u slabo i natrag, val je prošao određenu udaljenost, poznatu kao valna duljina. Crvena svijetlost, plava svijetlost, infracrvena svijetlost, ultraljubičasta svijetlost, radio valovi, x-zrake (rendgenske zrake), svi se oni sastoje od pokretnog, oscilirajućeg električnog i magnetskog polja. Često mislimo da su radio valovi nešto što mi možemo slušati. Međutim to je tako zbog toga što radio aparat pretvara radio valove u zvučne valove. Radio valovi su u principu ista stvar kao i svjetlost.
Iako su sve te vrste zračenja zapravo elektromagnetske, one različito među djeluju s materijom. Što neku vrstu zračenja čini opasnom, drugu dobrobitnom, a ostale pak indiferentnima ? Usporedite valnu duljinu radio vala sa valnom duljinom x-zrake (rendgenske zrake). Valna duljina jedinstveno označava vrstu zračenja. Radio valovi dugački su između milimetra i stotina kilometara - zbog toga su TV i radio antene toliko velike koliko jesu. X-zrake su primjerice dugačke milijarditi dio metra (1/1,000,000,000 m). Kada bismo nekako mogli stisnuti elektromagnetsku valnu duljinu od 1 metra na 1 milijarditi dio metra, mi bismo tada pretvorili radio zraku u rendgensku x-zraku. Kod vidljivog svijetla, valna duljina određuje boju svijetlosti (vidi sliku 5). Kada bismo kompresirali valnu duljinu crvenog svijetla na pola, dobili bismo plavo svijetlo. (prisjetite se članka "Najbliže zvijezde" gdje se spominju boje zvijezda, op. prev). Dakle, pravo pitanje je: Što čini dužinu vala tako kritičnom ? Kako ona može biti odgovorna za razlike u načinu na koji radijacija među djeluje s materijom ?
Pravljenje valova Kako bismo shvatili to, zamislimo si sljedeći eksperiment. Zamislite da imate 3 metarski konopac i privežete jedan kraj na kvaku od vrata. Sada pomičete drugi kraj konopca gore-dolje, tako da konopac počinje vibrirati i dobivati valni oblik. Mjerite pogledom udaljenost između dvaju vrha kako biste dobili osjećaj za duljinu tog vala. Mislite također na to koliko energije trošite da proizvedete taj val - dakle koliko brzo se umarate. Pretpostavimo da sada umjesto jednog, poželite proizvesti pet vrhova vala, pazeći da održavate istu visinu tog vala - dakle da smanjite valnu duljinu. Pogledajte sada kako se je promijenila količina energije potrebna da proizvedete tih pet vrhova vala. Dakle, koliko se sada umarate kada morate napraviti pet vrhova. Očito je da ste shvatili kako vam je za proizvodnju kraćih valnih duljina potrebno više energije u odnosu na proizvodnju duže valne duljine koja je tražila puno manje energije. Isti koncept važi i za elektromagnetsko zračenje. Energija stavljena u val odgovara energiji koju predaje taj val. Dugačke valne duljine (poput radio valova) predaju manje energije nego kratke valne duljine (poput x-zraka). Tu leži ta velika razlika - u količini energije. Ako se valna duljina mijenja milijardu puta, onda se i energija mijenja milijardu puta. Sada možete shvatiti zašto su x-zrake mnogo opasnije od radio valova. X-zrake imaju jači udar. Također, njihova mala valna duljina omogućuje im da prodiru duboko u ljudsko tijelo. Iz istih razloga, ultraljubičasto zračenje je opasnije od vidljivog svijetla. Različite vrste zračenja se također mogu definirati iz njihove frekvencije. Frekvencija nije ništa drugo do broj valova koji prođu pored nas svake sekunde. Produženjem valne duljine manje valova prolazi svake sekunde, dakle frekvencija pada. U eksperimentu sa konopcem, frekvencija je bila broj koji je označavao koliko puta je naša ruka išla gore-dolje svake sekunde. Da bismo dobili kraće valne duljine morali smo ruku pomicati većom frekvencijom. X-zrake imaju manju valnu duljinu od radio valova, pa otud imaju veću frekvenciju. To je upravo ono što znače frekvencije na vašem radio prijamniku. Kada bismo mogli "okrenuti" naš prijamnik da prima frekvencije do 1 trilijuna megahertza, mogli bismo "slušati" x-zrake. Pri 600 milijuna megahertza, isti prijamnik bi detektirao svijetlost. U zbilji, niti jedan prijamnik ne može detektirati sve frekvencije elektromagnetskog spektra; energije se prostiru na previše širokom području. Radio antena može detektirati ili stvoriti elektromagnetsko zračenje. Antena to radi na način da elektroni jure gore-dolje po anteni (pretpostavljajući da antena stoji vertikalno). To kretanje se događa u određenom vremenskom razdoblju, recimo 1 milijun puta u sekundi, frekvencija jednog megahertza (1 MHz) srednjeg vala radio stanice. Ako antena odašilje, jurenje elektrona gore-dolje stvara elektromagnetske valove iste frekvencije. Energija nošena tim valom dolazi od energije utrošene za tjeranje elektrona gore-dolje. A ta energija dolazi od električne struje i radio odašiljača. Da bismo povećali frekvenciju odašiljanja, moramo povećati frekvenciju pomicanja elektrona (koji se gibaju gore-dolje), a za to nam je potrebna veća količina energije. Iz toga se da zaključiti da bi nam svakako porastao račun za struju.
Brže od metka Bilo da se radi o vidljivom svijetlu koje dolazi sa reflektora ili mikrovalnom zračenju koje grije naš topli obrok, elektromagnetski valovi dijele zajedničko svojstvo: Ako pomnožimo valnu duljinu sa frekvencijom, uvijek dobijemo isti broj. Znadete li koji je to broj ? Poslužite se malim trikom i pogledajte mjerne jedinice koje množite. Valne duljine izražavaju udaljenost, dakle izražavamo ih u metrima. Frekvencija je pak broj valova u sekundi. Dakle, valna duljina pomnožena sa frekvencijom mora imati jedinice koje su izražene u "metrima po sekundi" a to je kako znamo mjerilo za brzinu. Veličina te brzine je brzina svjetlosti: 300 milijuna metara u sekundi. U 19. stoljeću znanstvenici su primijetili da brzina svijetla odgovara brzini elektromagnetskog vala. To je bio dokaz da je svijetlost također oblik elektromagnetskog zračenja. Iz tog odnosa valne duljine, frekvencije i brzine možemo računati valnu duljinu određene frekvencije ili obrnuto. Jednostavno podijelimo frekvenciju brzinom i dobijemo valnu duljinu. Primjerice, FM radio stanica na 106 MHz (106 milijuna valova po sekundi) odašilje valove duljine 3 metra. AM radio stanica (srednjih valova) na 1,000 kilohertza (1,000 tisuća valova u sekundi) odašilje valne dužine dugačke 300 metara. Zbog toga se AM stanice, za razliku od FM stanica, utišaju kada prolazimo ispod mosta: AM val je previše velik da bi stao ispod mosta.
Uspoređivanje brzine svijetlosti sa brzinom elektromagnetskog vala je jedan od mnogih načina na koji su znanstvenici pokušavali saznati tajne zračenja. Kad god govorimo o radijaciji mi smo poput djece koja pokušavaju saznati što se nalazi u dobro zatvorenoj kutiji. Možemo ju primiti, protresti ju i pitati se što je unutra. Nažalost, ne možemo ju otvoriti, jer zračenje nije nešto što možemo staviti na stol i vršiti njegovu detaljnu analizu. U 19. stoljeću znanstvenici su malo protresli "kutiju" elektromagnetskog zračenja i saznali da je svijetlost, obzirom da su njegove najpoznatije valne duljine poznate, zapravo val. Kasnije su znanstvenici protresli kutiju na drugačiji način. Njihovi eksperimenti su pokazali da je elektromagnetsko zračenje zapravo čestica, (poput sitne čestice pijeska). Toj čestici dali su ime: foton. To znači da svijetlost dolazi u malim komadićima. Dakle to nije kontinuiran val, nego serija valova. Svaki od komadića, dakle foton, ima energiju koja ovisi o njegovoj valnoj duljini (dakle frekvenciji). Foton radio vala ima milijarditi dio energije koju ima foton x-zrake. Dakle ako želimo poslati određenu količinu energije, možemo poslati jedan foton x-zraka ili milijardu fotona radio valova.
Flux Elektromagnetsko zračenje koje struji sa Sunca je zapravo oluja (praćena tučom) fotona. X-zrake su tada najveći komadi tuče, veliki kao kugla za kuglanje: jaki, ali srećom rijetki. Radio fotoni su kao najmanji komadi tuče: sitni, i relativno rijetki. Dok su fotoni vidljivog svijetla kao komadi tuče prosječne veličine: nisu ni previše jaki ni slabi, ali svakako najčešći. Fotoni koji padaju na Zemlju daju energiju koja održava planet na životu, snabdijeva sustav vremenskih prilika i grije našu kožu prilikom sunčanog dana. Da bismo sakupili "komade tuče" fotona, potrebna nam je neka vrst vedra. Solarne ćelije su primjer fotonskog "vedra". Teleskop također. Rata kojom se ta "vedra" pune energijom, naziva se flux. Flux se označava kao količina energije u sekundi koja padne po jedinici površine, npr. kvadratnom centimetru. Što se dogodi kada nagnemo to vedro ? Kako to utječe na broj fotona ili komada tuče koji upadaju u njega ? Isprobajte to sa najjednostavnijim kolektorom fotona: vašom rukom. Po sunčanom danu, držite svoje dlanove prema gore. Pričekajte par sekundi dok ne osjetite toplinu sunca. Zatim polagano okrećite ruku tako da dlanovi polagano budu nakošeni u odnosu na dolazeće svijetlo. Trebali biste primijetiti manje topline na dlanovima. To je zbog toga što je pala količina sunčeve energije na vašim dlanovima. Flux ovisi o kutu pod kojim dolazeći fotoni padaju na dlan. Svakako najbolji primjer koji objašnjava koncept fluxa je upotreba solarnih ćelija. Postavimo žaruljicu koju napaja solarna ćelija. Kako okrećemo ćeliju u odnosu na sunce, primjećujemo promjene u intenzitetu sjaja žaruljice. Zanimljivo je i da se biljke prilagođavaju u odnosu na poziciju Sunca, naravno s ciljem da dobiju što više fluxa. Taj proces poznat je kao i fototropija. Pomicanje nagiba "vedra" koje skuplja fotone također se očituje i kroz promjenu godišnjih doba. Kut između sunčeve svijetlosti i površine Zemlje, pa stoga i flux sunčeve svjetlosti, je manji u zimi nego u ljeti. Ovo su dakle tri glavna principa koje učitelji prenose učenicima: svijetlost je potpuno ista vrsta zračenja kao radio, rendgenske x-zrake itd; ono dolazi u malim paketićima čija energija ovisi o valnoj duljini; i sakupljanje mnogo tih paketića daje nam energiju za fotosintezu, klimu, solarne ćelije itd.
Bijelo svijetlo Većina eksperimenata sa elektromagnetskim zračenjem bavi se proučavanjem različitih valnih duljina vidljive svijetlosti. Vidljiva svijetlost proteže se od 400 nanometara (400 milijarditi dio metra, što odgovara ljubičastom svijetlu) do 700 nanometara (crveno svijetlo). Eksperimenti sa ultraljubičastom i infracrvenom svijetlošću podupiru ideju da se elektromagnetsko zračenje proširuje izvan vidljivog dijela valnih duljina. Eksperimenti sa ultraljubičastom svijetlošću znaju biti jako impresivni po pitanju izgleda - oni nam pokazuju kako uz pomoć svijetlosti možemo otkriti strukturu atoma.
Ultraljubičasto svijetlo Svijetlo koje se nalazi odmah iza ljubičastog ruba vidljivog dijela spektra naziva se ultraljubičasto svijetlo. Onaj koji se je opekao na suncu, zna da ultraljubičasti fotoni nose mnogo više energije nego oni vidljivog dijela. Svakako bi trebalo čuvati oči od takvog svijetla, noseći sunčane naočale koje apsorbiraju UV zračenje. Najbolji izvori UV svijetla stvaraju duge valne duljine od 300-400 nm (crno svijetlo) i nešto kraće, ispod 300 nm. Fluorescentni minerali koji apsorbiraju UV svijetlo i emitiraju ga kao vidljivo svijetlo, stvaraju lijepe prizore. Ako prebacite UV svijetlo iz dugih u kratke valne duljine, vidjeti ćete promjene u boji (valnoj duljini) emitiranog svijetla.
Blokiranje UV svijetla Vidljivo svijetlo prolazi kroz čašu. Možemo ga vidjeti! Ali UV svijetlo ne prolazi. Kada se fluorescentni mineral prekrije staklenom čašom i stavi pored izvora UV svjetlosti, ne dolazi do pojave emitiranja svijetlosti od strane minerala. Iz toga možemo zaključiti da je obično staklo zapravo jedna vrst UV filtera. Pitanje je samo koliki postotak želimo filtrirati.
Infracrveno svijetlo Svijetlo koje se nalazi točno iza crvenog ruba vidljivog spektra, naziva se infracrveno svijetlo. Njegovi fotoni nose manje energije nego oni vidljivog svijetla. Naše ruke su bolji detektori infracrvenog svijetla nego naše oči. Predmeti koji emitiraju infracrveno su topli: vatra, električni grijači, žarulje s žarnim nitima. Postoji i jedan jednostavan eksperiment sa prizmom i tri termometra. Rastavimo bijelu svijetlost uz pomoć prizme na njene komponente. Postavimo prvi termometar u područje gdje dominira ljubičasta boja, dugi postavimo u žuto područje, a treći malo ispod crvenog područja. Rezultat: Treći termometar koji nije bio obasjan ni jednom bojom će pokazivati najvišu temperaturu.
Autor
teksta: |
