Pokazy Rezonans elektromagnetyczny Widmo fal

Pokazy
1.
2.
3.
4.
Rezonans fal akustycznych (kamertony).
Rezonans obwodów drgających LC.
Podczerwień — pokazy z użyciem kamery termowizyjnej.
Ultrafiolet — pokazy z użyciem źródeł nadfioletu.
Rezonans elektromagnetyczny
Hertz odkrył fale elektromagnetyczne, wykorzystując zjawisko rezonansu. Zanim opowiem Tobie, jak
przebiegało doświadczenie Hertza, przypomnijmy, na czym polega rezonans. Warunkiem zaistnienia
rezonansu pomiędzy dwoma układami drgającymi jest to, aby miały one jednakowe częstotliwości
własne. Rezonans akustyczny jest możliwy między dwoma kamertonami, które generują dźwięk o
takiej samej częstotliwości. Rezonans akustyczny polega na tym, że jeden z kamertonów pobudzony
do drgań jest źródłem fali akustycznej. Fala ta dociera do drugiego kamertonu i wprawia go w
drgania. Fali akustycznej, która pomiędzy kamertonami rozprzestrzeniała się nie widzieliśmy, ale
dzięki pobudzeniu przez nią drugiego kamertonu, nie mamy wątpliwości co do jej istnienia.
Doświadczenie, które wykonał Hertz było analogiczne. Pomyślał tak: jeśli istnieje fala
elektromagnetyczna wytwarzana przez jeden z drgających układów elektrycznych, to w drugim
takim samym układzie muszą zaistnieć drgania rezonansowe
Pierwszy układ składał się z dwu prętów zakończonych kulkami i podłączonych do induktora —
przyrządu, który zapewniał periodyczne ich ładowanie, drugi był niepełnym pierścieniem z przerwą
zakończoną też dwoma kulkami. W pierwszym obwodzie pomiędzy kulkami przeskakiwała iskra —
istniało tu silne, zmieniające się pole elektryczne. W pewnych położeniach udało się Hertzowi
uzyskać przeskok iskry w drugim obwodzie — tym w kształcie pierścienia. Iskra przeskakiwała w
przerwie między kulkami. To tak, jak byśmy usłyszeli drgania drugiego kamertonu, ustawionego w
pewnej odległości od pierwszego. Podobnie, jak pomiędzy kamertonami zaistniał rezonans
akustyczny, tak pomiędzy obwodami zaistniał rezonans elektromagnetyczny. Pierwszy elektryczny
obwód drgający wyemitował falę elektromagnetyczną, która dotarła do drugiego i wzbudziła w nim
drgania.
Rezonans jest możliwy wtedy, gdy częstotliwość drgań własnych obu układów jest
jednakowa.
Jest to warunek każdego rezonansu, nie tylko elektromagnetycznego.
Widmo fal elektromagnetycznych
Otwarty układ LC połączony z anteną i zasilany z generatora emituje falę elektromagnetyczną, która
charakteryzuje się określoną długością i związaną z nią częstotliwością.
Częstotliwość emitowanej fali jest równa częstotliwości drgań układu LC.
Oznaczając, długość fali oznaczmy jako
jej częstotliwość jako
prędkość rozchodzenia się jako c, a
okres – T, można zapisać
lub
Ponieważ długość emitowanej fali zależy od pojemności i indukcyjności układu, można ją zmieniać. W
próżni prędkość światła jest stała i równa:
Propagacji fali towarzyszy transport energii pola elektrycznego i magnetycznego. Wektory natężenia
pola elektrycznego E i indukcji magnetycznej B są wzajemnie prostopadłe i prostopadłe do kierunku
rozchodzenia się fali. Źródłami fal elektromagnetycznych są: obwody drgające LC, swobodne cząstki
(elektrony) naładowane, poruszające się z przyspieszeniem, wzbudzone atomy i jądra atomowe oraz
drgające atomy w cząsteczkach.
Pomiędzy poszczególnymi zakresami fal, które maja odrębne nazwy nie ma ostrych granic.
Rozróżnienie fal z pogranicza zakresów dokonywane jest na podstawie tego, jakie jest ich źródło.
Promieniowanie gamma
(od granic detekcji — około
— do
)
Źródłem tego niezmiernie przenikliwego promieniowania są wzbudzone jądra atomowe. Jest ono
emitowane podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych. Promieniowanie to
przedostaje się nawet przez bardzo grube przesłony i jest bardzo szkodliwe dla żywych organizmów.
Promieniowanie rentgenowskie
(od około
— do
)
28 grudnia 1895 r. Wilhelm Roentgen podał do publicznej wiadomości, że dokonał odkrycia nowego
rodzaju promieniowania. Nazwał je promieniowaniem X. Było to odkrycie przypadkowe. Roentgen
stwierdził, ze źródłem promieniowania X jest rura próżniowa, w której na jednej z elektrod
hamowane są elektrony. Promieniowanie powodowało świecenie ekranu fluorescencyjnego, a
najbardziej zadziwiające było to, że było ono widoczne mimo stawiania przesłon między źródłem
promieniowania a ekranem. Roentgen zauważył, że promieniowanie może być przez te przesłony
osłabiane (ekran świeci słabiej). Pochłanianie zależało od rodzaju materiału i grubości przeszkody.
Znane są zdjęcia rentgenowskie wykonywane dla celów medycznych. Ich niebywałą wręcz
przydatność zauważono zaraz po odkryciu. Roentgen podejrzewał, że są to fale elektromagnetyczne,
krótsze od nadfioletowych, ale nie był tego pewien. Falowej natury promieniowania X dowiodło
odkrycie ich dyfrakcji na kryształach, zaobserwowane w 1912 r. przez Maxa Lauego oraz Henry'ego i
Lawrence'a Braggów — ojca i syna. Atomy ułożone w równych rzędach w kryształach stanowią dla
promieniowania rentgenowskiego naturalną, bo stworzoną przez przyrodę, siatkę dyfrakcyjną. Stała
tej „siatki" jest równa odstępowi atomów w krysztale, czyli wynosi około
i jest
porównywalna z długością fali promieniowania X. Źródłem promieniowania rentgenowskiego
używanego do celów medycznych i badawczych są specjalnie konstruowane lampy. Promieniowania
dociera do Ziemi również z Kosmosu.
Ciekawa jest interpretacja powstawania promieniowania X przez hamowanie elektronów. Otóż
strumień elektronów w rurze próżniowej, to prąd elektryczny o stałym natężeniu. Jest on źródłem
stałego pola magnetycznego. W momencie zderzenia elektronów z elektrodą lampy rentgenowskiej
następuje zmiana natężenia prądu, które maleje do zera — elektrony zatrzymują się. Pociąga to za
sobą zmianę pola magnetycznego i związana z nią zmianę pola elektrycznego. Te zmiany to nic
innego, jak fala elektromagnetyczna.
Nadfiolet
Promieniowanie to zostało wykryte w 1801 r. przez Johanna Rittera, który badał działanie chemiczne
światła o różnych barwach na związki srebra. Zauważył on, że za barwą fioletową w widmie jest
jeszcze „coś", co, tak jak światło, zaczernia emulsję fotograficzną. Źródłem promieniowania
nadfioletowego, podobnie jak widzialnego, są wzbudzone atomy i tak jak światło, dochodzi ono do
nas ze Słońca. Chociaż Słońce emituje wszystkie długości fal nadfioletu, to do powierzchni Ziemi
dociera tylko część. Fale o długości mniejszej niż
są pochłaniane przez atmosferę.
Właśnie na nadfiolet reaguje nasza skóra, co daje efekt opalenizny. Promieniowanie nadfioletowe o
małej długości fali (tak zwany daleki nadfiolet) jest szkodliwe dla żywych organizmów. Bakterie
wręcz zabija.
Światło widzialne
Zakres długości fal, na które wrażliwe jest nasze oko, jest bardzo mały. A przecież w nim właśnie
mieszczą się wszystkie barwy zachodu słońca, odcienie błękitu i zieleń drzew!
Podczerwień
Promieniowanie podczerwone zostało odkryte przez Williama Herschela w 1800 r. Wykonał on
genialne w swej prostocie doświadczenie. Rozszczepił w pryzmacie światło i badał bardzo czułym
termometrem, czy każdej barwie rozszczepionego światła odpowiada taka sama temperatura.
Okazało się, że nie. Najwyższa temperatura odpowiadała barwie żółto- pomarańczowej, a
najdziwniejsze było to, że za czerwienią temperatura nie spadała do zera. Świadczyło to o tym, że
Słońce emituje jeszcze jakieś promieniowanie, które jest niewidoczne dla oczu, ale wyczuwalne przez
termometr. Jest to podczerwień, zwana również promieniowaniem cieplnym, bo reagują na nią
receptory ciepła w naszej skórze. Źródłem tego promieniowania są wszystkie promienniki ciepła.
Mikrofale i fale radiowe
Źródłem fal radiowych i mikrofal są obwody drgające. Po raz pierwszy wytworzył je Hertz. Bardzo
szybko rozwinęła się technika wytwarzania fal radiowych o różnej długości, a później wykorzystania
ich do przesyłania sygnałów dźwiękowych i obrazu na duże odległości. W 1932 r. zarejestrowano po
raz pierwszy sygnały o długości fali kilku metrów dochodzące z Kosmosu. Ten fakt uważa się za
początek nowej gałęzi nauki — radioastronomii. Fale radiowe nie są sygnałami jakichś
pozaziemskich cywilizacji, ale mogą pochodzić od różnych obiektów astronomicznych. Wysyłają je
galaktyki, eksplodujące gwiazdy, czy też obszary zjonizowanego wodoru.
Śledząc daty odkryć poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego, można
zauważyć, że były one bardzo różne. Odkrywcy badając je, nie podejrzewali, ze ma ono tę samą
naturę, co światło. Tak jak światło, promieniowanie elektromagnetyczne niewidzialne podlega
wszystkim zjawiskom falowym.