Elektromagnetisk stråling

   

To modeller

Elektromagnetisk stråling er overførsel af energi i form af bølger, der både har elektrisk og magnetisk karakter. I forbindelse med den mere energirige del af den elektromagnetiske stråling er der en række forhold, vi kun kan forklare ved at forestille os strålerne som små, masseløs partikler, fotoner.

Vi siger, at der er to modeller for elektromagnetisk stråling. Den ene model er ikke mere rigtig end den anden. I nogle sammenhænge er den ene at foretrække, i andre den anden.

Bølger og fotoner

Elektromagnetiske bølger opfører sig som vandbølger. Fosforeserende tal på et ur udsender lysglimt, fotoner

   
I forbindelse med bølger taler vi om
bulletbølgelængde (l ): Aftanden mellem to bølgetoppe
bulletfrekevens (f): Antal bølger, der passerer pr. sekund (antal svingninger)
bulletudbredelsesretning: Den retning, bølgens energi flytter sig i

Forskellig slags elektromagnetisk stråling

De mest kendte typer elektromagnetisk stråling er radiobølger og lys. Men der er mange andre:

Stråling Bølgelængde (m) Frekvens (Hz)

radiobølger 10 - 106 102 - 107
mikrobølger 10
-3 - 10 107 - 1012
infrarød stråling 10-6 - 10-3 1012 - 1015
synligt lys 10-7 - 10-6 » 1015
ultraviolet stråling 10-10 - 10-7 1015 - 1018
røntgenstråling 10-12 - 10-10 1018 - 1021
gammastråling - 10-12 1021 -

[for at undgå at skrive et utal af nuller skriver vi fx 103 = 1000 (tretallet fortæller, hvor mange nuller, der skal efter éttallet) og 10-4 = 1/10000 (én divideret med et ettal efterfulgt af 4 nuller)]

For alle typer af elektromagnetisk stråling gælder, at

bulletde udbreder sig med lysets hastighed (300.000 km/s)
bulletde opstår, når elektriske ladninger accelereres (ændrer fart eller retning).

Accelerationer forekommer tit i forbindelse med, at elektroner svinger eller foretager pludselige spring, men der kan også være tale om en regulær "opbremsning".

Nedbremsning af elektronerne vil medføre udsendelse af fotoner, "pladen lyser"

Jo kraftigere acceleration desto kortere bølgelængde får strålingen.

Sammenhængen mellem lysets hastighed (c), frekvensen (f) og bølgelængden (l) kan udtrykkes således:

c = l × f

Et regneeksempel:

c = 300.000.000 m/s (man regner helst i m/s og ikke i km/s)

f = 106,5 Mhz = 106.500.000 Hz (Radio Viborg)

Bølgelængden, l = 300.000.000/106.500.000 (m) = 2,82 m

Det kan faktisk være rart at vide, hvis man selv vil lave sig en antenne. Så skal den nemlig helst være enten 2,82/2 = 1,41 m (en halvbølge-antenne) eller 2,82/4 = 0,71 m (en kvartbølge-antenne).

Du har sikkert bemærket, at der på nogle huse sidder antenner med forskellige længder af de tværgående aluminiumsstænger: Nogle er til TV1, nogle til TV2 osv.

Radiobølger bruger vi i forbindelse med radio, TV, mobiltelefon og forskellige alarmer mm. De frembringes kunstigt, ved at vi får elektroner i et elektronisk kredsløb (en svingningskreds) til svinge. De elektromagentiske bølger, der udsendes, formes (moduleres) så af fx lyden fra en mikrofon. En lille brøkdel af den udsendte bølgeenergi opfanges af modtageren og forstærkes op. Derpå "trækkes mikrofonsvingningerne ud" og sendes ind i en højttaler.

Radiobølger breder sig ud som ringe i vandet (dog rumligt som kugleskaller) i alle retninger.

Mikrobølger kender vi bedst fra mikrobølgeovnen, og de anvendes også i radar.

Den høje frekvens er noget sværere at opnå. Der kræves ret specielle svingningskredse (radar) eller særlige vakuumrør (mikrobølgeovnen) for at opnå tilstrækkeligt hurtige svingninger/acceleration af elektroner.

Mikrobølger begynder at ligne lys i deres opførsel. Fx kan de nemmere sendes som "stråler", end radiobølger kan. Det betyder, at man mere præcist kan ramme et mål med dem, og - som i radaren - få præcis tilbagekastning fra genstande.

Infrarødt lys (IR-lys) opstår, ved at molekyler eller atomer i en genstand svinger. Da atomer jo indeholder elektriske partikler, svinger de naturligvis med og vil derfor udsende elektromagnetisk stråling. Jo hurtigere, de svinger, desto højere frekvens får strålingen.

Som bekendt svarer molekyl- eller atomsvingninger til varme. Derfor kaldes infrarødt lys også varmestråling.

Jern er opbygget af atomer i en gitterstruktur.

Når man varmer et stykke jern op, ser man ikke noget særligt ved jernet i begyndelsen. Men tager man det ud af flammen, kan man mærke, der stråler varme fra det: Varmestråling /infrarød stråling. IR-stråling er usynlig.

Fortsætter man opvarmningen, bliver det næst efter "mørkt rødglødende": Nu er der så meget "sving" i atomerne, at der dannes synligt lys.

Bliver man ved længe nok, bliver det hvidglødende: Atomerne svinger nu gennemsnitligt meget hurtigere, men ikke lige hurtigt alle sammen. Derfor udsendes lys af mange bølgelængder blandet sammen, og det opfatter vores øjne/hjerne som hvidt lys. Ligesom med sollys kan vi med et glasprisme eller et optisk gitter påvise, at det hvidglødende jerns lys har mange farver - alle regnbuens, så vi får et spektrum, hvor farverne glider jævnt over i hinanden (kontinuert spektrum).

Alle genstande udsender varmestråling, fx også et opvarmet hus en kold vinterdag. Med særlige kameraer kan man fotografere huset, og på billedet får man et mønster, der viser, hvor huset er varmest, dvs. dårligst isoleret.

Tilsvarende princip bruger man også til at finde utætheder i fjernvarme- og kloaksystemer.

Små lysdioder kan udsende IR-lys. Det bruges til at fjernstyre fx tv med fjernbetjening).

Synligt lys, ultraviolet lys og røntgenstråler opstår normalt, når elektroner foretager et pludseligt spring inde i et atom (for synligt lys har vi dog lige set, at det også kan opstå i forbindelse med svingende molekyler og atomer). Ved sådan et spring udsendes "en portion lysbølger", en foton. Vi er nu kommet i den situation, at vi på én gang må forklare lys både som elektromagnetisk bølger og som partikler (fotoner).

En af de to elektroner i et He-atom er blevet slået ud i en ny bane af en fremmed partikel og falder nu tilbage, hvorved den afgiver en foton, et lysglimt.

I modsætning til de bølger, der udsendes af en varm ting, hvor molekyler og atomer svinger i alle mulige takter, er elektronspringene helt præcist afgrænset, så der udsendes en bestemt bølgelængde stråling ved et bestemt spring.

De største spring giver de mest energirige fotoner (º mest kortbølget stråling).

For at en elektron kan "hoppe nærmere" kernen, skal den først være slået længere ud. Det kan ske på flere måder.

Elektroner kan slås ud i en yderligere liggende bane, ved at man "bombarderer" atomet med andre elektroner (som fx i et lysstofrør), ved at man "sender en fotonstråle" (= lysstråle, bedst UV-stråler, der har stor energi) mod stoffet, ved kemiske processer eller varmepåvirkninger.

Fælles for alle tilfælde: Der skal tilføres energi af en slags for at "løfte elektronerne", de betaler så energien tilbage i form af en foton. Andre energiformer kan på den måde blive til lys.

Synligt lys opstår, når et atoms ydre elektroner slås ud i en bane længere væk fra kernen. De ydre elektroner er ikke så svære at slå ud af kurs, som de indre, fordi de indre er bundet langt stærkere til kernen (større elektrisk tiltrækning mellem protonerne i kernen og elektronen jo nærmere de to modsatte ladninger er hinanden).

Jo mindre energi, der skal til for at "løfte" elektronen ud, desto mindre afgiver den, når den hopper tilbage - og det er jo her lysglimtet (fotonen) udsendes. En energisvag foton er det samme som forholdsvis langbølget elektromagnetisk stråling og dermed synligt lys!

Ultraviolet lys stammer fra elektroner nærmere kernen. Der skal mere energi til for at løfte en elektron ud, og når den falder tilbage afgives ret kortbølget stråling, der er energirigt og derfor kan skade levende væv, bl.a. i menneskers hud og i planter. Det er derfor, vi skal passe på, ozonlaget ikke bliver for tyndt. Det beskytter nemlig mod sollysets UV-stråler.

Røntgenstråling opstår ofte, når elektronerne nærmest kernen slås længere ud og atter falder tilbage i den gamle skure. Her er store kræfter, der skal overvindes, og dermed afgives energirige fotoner ved tilbagefald (º kortbølget lys, røntgenstråler).

Den røntgenstråling, der dannes på denne måde er som regel utilsigtet ( og uønsket), en slags biprodukt af andre processer.

Til røntgenfotografering på sygehuset benyttes et røntgenrør, hvor strålingen opnås ved at sætte meget høj spænding til et udladningsrør, hvor elektroner med stor fart pludselig bremses, idet de rammer anoden ( + ) (dvs farten ændres = negativ acceleration). Er nedbremsningen kraftig nok, udsendes røntgenstråler ved anoden.

Røntgenrør

a: Næsten lufttom glaskolbe
b: glødetråd i hulspejl
d: wolframplade
e: blykappe

Gammastråler (g -stråler) dannes, ved at protoner springer mellem forskellige energiniveauer inde i atomkernen. Da de kræfter, der binder kernen sammen, er meget store, bliver energispringene det også, det er derfor de energirige gamma-fotoner, der kan gå gennem tykke betonmure (beton er "gennemsigtigt" for g-stråler)

De afgives fra atomkerner i forbindelse med kernereaktioner i fx atombomber og på atomkraftværker.

Der kan også opstå g-stråler, når partikler fra verdensrummet (kosmisk stråling) med enorme hastigheder støder sammen med partikler i jordens atmosfære.

Når elektromagnetisk stråling er i stand til at slå elektroner helt ud af et atom, kalder man den inoniserende stråling. Det er kun den mest energirige del, der kan det (g -, røntgen- og UV-stråler).

Fluorescens og fosforescens opstår, når der går nogen tid, før en elektron falder tilbage i sin oprindelige bane, efter at have været slået ud i én længere ude.

Der kan gå sekunder eller minutter, før elektronerne falder tilbage og dermed udsender en foton.

Fluorescerende stof bruges som belægning på indersiden af billedrør, dels for at elektronstrålens energi kan blive til synligt lys, og dels for at forsinke lysudsendelsendelsen efter elektronstålens tur hen over skærmen, så ikke blot et punkt lyser ad gangen, men et lille område.

Fosforescens kender du fra selvlysende genstande. Man lyser på den fosforescerende flade med en lygte, slukker lygten, og genstanden bliver ved med at lyse et minut eller to - svagere og svagere.

Er man meget omhyggelig og opmærksom, kan kan se de enkelte "fotonglimt" i et mikroskop - én foton ad gangen - menneskets øje er så følsomt, at det kan registrere en enkelt foton!

Forskellen mellem fluorescerende og fosforescerende stoffer er den tid, der går, før elektronerne falder tilbage og afgiver lys. Ved fosforescerende stoffer går der længst tid.

Elektromagnetisk strålings vekselvirkning med stof

Hvad sker der, når elektromagnetisk stråling rammer et stof/materiale? Der er tre muligheder - og det almindeligste, en blanding af alle tre:

bulletden reflekteres (kastes tilbage fra overfladen)
bulletden passerer igennem
bulletden opsuges og omdannes til varme (eller først til elektrisk strøm)

Eksempel 1.

Synligt lys rammer en klar glasplade. Det meste går lige gennem, noget reflekteres (spejles) og en lille smule opsuges af glasset og bliver til varme.

Eksempel 2.

Røntgenstråler rammer en hånd. Noget går gennem hud og kød, og kun lidt går gennem knogler. Lidt kastes tilbage, og resten opsuges og bliver til varme.

Eksempel 3.

Radiobølger rammer en metallygtepæl, men på grund af radiobølgers store bølgelængde, "smyger de sig uden om". En lille smule opsuges i lygtepælen og omsættes til strøm, der svinger i takt til radiobølgernes frekvens - pælen virker som antenne.

Hvordan et materiale vekselvirker med elektromagnetisk stråling afhænger af sammenhængen mellem strålinges frekvens og materialets elektriske partikler. Derfor kan fx IR-stråling gå gennem nogle materialer, som synligt lys ikke går gennem. Kik på tv-fjernbetjeningens sende-ende: IR-strålingen går gennem sort plastic (det ses som sort for vore øjne, fordi det opsuger al synligt lys).

Metaloverflader er blanke (de reflekterer synligt lys), fordi der er mange "løsgående" elektroner i alle metaller. Lysets frekvens er lavere end den, der svarer til de løse elektroners, og så reflekteres strålerne. Sender vi derimod

g-stråler, som jo har meget højere frekvens end synligt lys, mod de samme metaller, går de igennem - metaller er gennemsigtige for g-stråler.

Ideer til videre undersøgelser og projekter

Forsøg med svingningskreds/radiosender-modtager

Forsøg med varmestråling (IR-lys, IR-stråling)

1. Opvarm et stort jernsøm over en gasflamme. Konstatér varmestrålingen, ved at holde det varme, men endnu mørke, søm nær bagsiden af hånden.

Opvarm videre, til sømmet bliver hvidglødende. Betragt undervejs det lysende søm igennem et optisk gitter. Er overgangen mellem farverne i spektret glidende (et kontinuert spektrum - som sollysets), eller kommer de i skarpt afgrænsede spring?

2. IR-sender/modtager

Forsøg med opvarmning i mikrobølgeovn

> se mikrobølgeovn

Forsøg med "elektronspring".

Iagttag lysstofrør og udladningsrør gennem optisk gitter eller spektrometer. Hvordan ser spektret ud (sammenlign med sollysets eller lyset fra en alm. glødelampe).

Forsøg med elektromagnetisk strålings vekselvirkning med stof.

Undersøg, hvad IR-lys går gennem (hvad der er gennemsigtigt for IR-lys).

Hvor godt går det fx gennem alm glas, sort plast, papir?

Hvilke overflader opsuger/reflekterer IR-stråling?

Du kan fx bruge en TV-fjernbetjening til dine forsøg.

Lav tilsvarende forsøg med UV-stråling