20121219

Fale elektromagnetyczne




Jak widać na powyższym obrazku (drugim od góry) nasz mózg, nasze oczy są przystosowane do widzenia tylko określonego spektrum fal elektromagnetycznych - nazywamy je światłem. Osobiście dana zależność przypomina mi naszą wiedzę na temat ogólnie całego Wszechświata i całej wiedzy fizycznej - mamy wiedzę na temat 4% Wszechświata (ze względu na to, że ciemna energią i materia tworzą 96%, a nie wiemy czym to jest, nie możemy żadnych pewnych stwierdzeń o nich wypisywać), tytuł tego wykładu jest dosyć... zabawny (chociaż sam wykład dobry, jako podsumowanie wiedzy fizycznej, osobiście polecam laikom i tym, którym wiedzy brakuje, albo dla samych ciekawostek):


Zacznijmy może od wyjaśnienia, czym jest fala? Fala to zaburzenie w strukturze gazu, cieczy lub ciała stałego pod wpływem wyemitowanej energii. Wyobraźmy sobie, że w wannie pełnej wody z kranu co sekundę spada kropla, prosto do wody. Pod jej wpływem tworzy się fala, pod wpływem kolejnej kropli kolejna fala itp.. Jedna kropla na sekundę = jedna fala na sekundę. Odległość pomiędzy kolejnymi grzbietami fal to długość fali. Iloczyn długości fali i jej częstości nazywamy jej prędkością. Częstość światła widzialnego jest bardzo duża: do naszego oka dociera 600 bilionów fal na sekundę, a długość fali światła widzialnego wynosi 0,00005 cm.

Każda fala z wyjątkiem świetlnej (światło przebywa odległość od Słońca do Ziemi w przestrzeni, która jest niemalże idealną próżnią) potrzebuje "nośnika" - fala sama w sobie jest jedynie określeniem odpowiedniego zachowania się (oddziaływania) danego nośnika pod wpływem energii (fale na wodzie pod wpływem rzuconego kamienia, fale w skorupie ziemskiej powstałe od poruszania się ich i zderzania, falujące piersi wprawione w ruch przez rytmiczne wychylenia). Jedyną falą, która nie potrzebuje takiego nośnika w postaci "matrycy" jest fala świetlna (elektromagnetyczna, nie tylko światła widzialnego! umownie nazywam ją falą świetlną, za każdym razem, gdy będzie mi chodziło o światło widzialne, będę to zaznaczać). Nie jest to fala mechaniczna, jak wcześniej wymienione. Ta fala obejmuje zmiany pól magnetycznych i elektrycznych, dlatego nazywamy ją też falami elektromagnetycznymi. Należy zapamiętać, że fotony obejmują fale nie tylko światło widzialne, ale całe spektrum fal: my widzimy tylko fale o odpowiedniej częstotliwości, pewien ograniczony zakres. Fotony po prostu są nośnikami fal elektromagnetycznych (które są wynikiem oddziaływać tychże zjawisk), które jednocześnie poprzez dualizm korpuskularno-falowy same są jednocześnie falą.








 Spektrum fal elektromagnetycznych w formie suwaka

Na powyższych obrazkach widać, jak długość fali wpływa na ich percepcję i (mając odpowiednią wiedzę na temat danych fal) właściwości. Tak, jak z falą dźwiękową (która jest falą, która potrzebuje nośnika gazowego, powietrza w tym przypadku) posiadamy odpowiedni zakres odbioru fal elektromagnetycznych, tak, jak z falą dźwiękową, już w zakresie słyszalnym/widzialnym, odpowiednia długość fali jest odbierana inaczej. Jeśli chodzi o dźwięki to rozróżniamy, w zależności od długości fali dźwiękowej, wysokie dźwięki oznaczają wysoką częstość fali, natomiast w fali elektromagnetycznej częstość fal jest odbierana, jako odmienne kolory (prędkość fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła (lub jest zbliżona do prędkości światła) i zwalnia dramatycznie zwalnia, na przykład, przy przechodzeniu przez słynny pryzmat - wtedy "dokładniej" odbieramy daną falę, jej długość, częstość, dlatego też widzimy kolory w pryzmacie, gdy rozczepia się światło). Kolor czerwony stanowi 460 bilionów fal na sekundę, natomiast fioletowy 710 bilionów fal na sekundę - tyle też trafia do naszego oka. Pomiędzy tymi częstotliwościami występuje widzialne dla nas światło widzialne, kolory. Poza tym zakresem, o jeszcze wyższej częstości jest ultra fiolet, a poniżej najniższej częstości jest podczerwień.




Górne zdjęcia ukazują kolejno: Jowisz w podczerwieni i ultrafiolecie oraz Wenus w ultrafiolecie i podczerwieni (powierzchnia). Należy pamiętać, że te kolory to nie są "prawdziwe" kolory podczerwieni i ultrafioletu(!), ze względu na to, że nie jesteśmy w stanie zobaczyć tych długości fali. Stworzenie takich zdjęć jest możliwe dzięki odpowiednim filtrom i to zawsze będzie interpretacja, przekonwertowanie z tychże właśnie długości fal na światło widzialne - w zależności od tego, jak dana substancja odbija lub pochłania podczerwień/ultrafiolet/fale radiowe/itp., poprzez właściwe filtry jest możliwość zrobienia tychże fotografii. Nigdy nie będziemy w stanie zobaczyć ultrafioletu, ani podczerwieni, możemy się jedynie domyślać, jak dane fale "wyglądają", tym bardziej, że już nasz sam mózg i oczy odbierać może różnie kolory (ja czasem na jedno oko widzę bardziej niebiesko, a na drugie bardziej czerwono, co sprawia, że jednym okiem widzę wypłowiałą niebieską koszulę (jakby była po kilku praniach), a drugim okiem widzę nową koszulę w mocnym kolorze niebieskim, szafirowym wręcz). Nie wspominam już o tym, że nasz świat na Ziemi, cała Ziemia jest oświetlana światłem słonecznym, które jest BIAŁE ("ponieważ" Słońce jest białe, ze spektrum widzialnego, pamiętajmy, że kolory to jedynie interpretacja wizualna przez nasz mózg fal elektromagnetycznych z danego spektrum), co oznacza, że wszystkie kolory trafiają na Ziemię i substancje, które swoją strukturą odbijają wszystkie fale ze spektrum widzialnego (śnieg, na przykład) są też białe - Co by się stało, gdyby Ziemia oświetlana byłaby innymi kolorami - zakładając, że zakres widzialnych fal elektromagnetycznych nie uległby zmianie(! - odbiór kolorów jest na razie bardzo słabo poznaną dziedziną, nie będę się w nią wgłębiać, skoro tak mało informacji jest na ten temat). Wyobraźcie sobie... niebieskie Słońce (są takie gwiazdy), a co za tym idzie niebieski śnieg (pewnie ludzkie oczy i mózg inaczej by ewoluowały, ale dla uproszczenia pomijam to, poza tym nie o tym teraz się toczą rozważania... przeszło mi przez chwilę do głowy, że może nasz zakres widzialności byłby inny, ale przecież inne fale, których nie widzimy też Ziemię bombardują i ich nie widzimy tak, czy siak)! Czy może istnieć coś fajniejszego, niż niebieski śnieg?! Jakby taki śnieg wyglądał wieczorem, przy zachodzie niebieskiego Słońca?

Ok, wróćmy do fizyki. Co powoduje powstanie fali elektromagnetycznej? Jakie dokładnie oddziaływania powodują powstanie danego rodzaju fali elektromagnetycznej? Zacznijmy od tego, że istnieją różne rodzaje fali świetlnej, wszystkie rozchodzą się w próżni osiągając prędkość światła, lub bliskiej jej. Z fizycznego punktu widzenia są to takie same rodzaje światła, jak to, które widzimy. Począwszy od tych o najdłuższych długościach fal wyróżniamy: fale radiowe, podczerwone, widzialne, ultrafioletowe, promieniowanie X, promieniowanie gamma. Każda fala "nosi" ze sobą inną energię: im dłuższa fala, tym mniejsza energia. Można przyjąć dla uproszczenia, że fale gamma to fale wysoko energetyczne, natomiast fale radiowe są nisko energetyczne. Dlaczego tak? Dlaczego nie na odwrót?

Mechanizm powstawania fal wysoko- i nisko energetycznych.

Co wydziela światło widzialne, co wydziela fotony, co wydziela fale gamma? Odpowiedź brzmi: wszystko, co ma energię i w zależności od energii (szczególności cieplne i właściwie tutaj ona jest najważniejsza, termodynamika, a wiadomo, że ciepło też się bierze z jakiejś energii, krótko mówiąc chodzi o zamianę energii) wydziela odpowiednie długości fal. Biorą się one z drgających atomów, które drgają tym bardziej, im większą posiadają temperaturę - widać to doskonale (drgające cząsteczki rzecz jasna, nie temperaturę) na symulacji w linku, którą można się pobawić (w której z resztą są wyszczególnione elektrony i protony, ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, natomiast protony dodatni, tak więc wzajemnie się one przyciągają... dlatego istnieją atomy!). Dana fala to "lina" łącząca dwie cząsteczki, to swoiste przyciąganie, którego częstotliwość fali zależy od częstotliwości drgań: im więcej energii (ciepła) posiada cząsteczka, tym częściej drga, im częściej drga, tym krótszej długości fala. Stąd biorą się fale wysoko energetyczne i nisko energetyczne. W każdym ciele stałym cząsteczki lekko drgają - stół wytwarza promieniowanie o bardzo niskiej energii, ze spektrum niewidzialnego dla naszego oka. Ciało człowieka wydziela promieniowanie podczerwone (niewidzialnego, dlatego nie widzimy, jak ludzie świecą się). Za doskonały przykład może posłużyć rozgrzane żelazo: gdy podgrzewamy ten metal na początku się nie świeci, wydziela fale podczerwone o niskiej częstotliwości, dopiero z czasem, z odpowiednim podgrzaniem i dostarczeniem odpowiedniej ilości ciepła zaczyna ono wydzielać promieniowanie widzialne dla naszego oka (światło widzialne, dlatego się żelazo rozgrzane świeci!), im więcej ciepła dostarczymy tym bardziej się świeci. Należy zauważyć, że substancji/ciał, z których wydobywa się światło widzialne jest niezwykle mało - właściwie przez wieki jedynym źródłem światła, energii na Ziemi, a jednocześnie źródłem życia na Ziemi jest światło (fotony) emitowane przez Słońce (zakres widzialny, promieniowanie podczerwone i radiowe dociera do Ziemi, reszta jest pochłaniana przez atmosferę). W Słońcu, które należy do gwiazd ciągu głównego, syntezy termojądrowe emitują wysoko energetyczne promieniowanie gamma. Fotony "gamma" wydostając się powoli na powierzchnię Słońca, wędrując od jądra (w którym to te procesy termojądrowe zachodzą) tracą swoją energię i w ten sposób Słońce emituje głównie fale ultrafioletowe, fale, które nazywamy światłem widzialnym, oraz podczerwień. Tym, którym chciało się kliknąć i dowiedzieć, co to są gwiazdy ciągu głównego, zauważyli, że najcieplejsze gwiazdy świecą na niebiesko, natomiast te zimniejsze na czerwono. Tak, dlatego, że niebieski kolor to interpretacja wizualna przez nasz mózg fali elektromagnetyczna o wysokiej energii, a czerwień to interpretacja wizualna przez nasz mózg fala elektromagnetyczna o niskiej energii (oczywiście ze spektrum widzialnego, bo fal o jeszcze niższej energii już nie widzimy)! Dlatego zimniejsze gwiazdy są czerwone - wypromieniowują fale o długiej długości, które są wynikiem wolniejszych drgań, spowodowanych niższą temperaturą.

Ok, odpowiedzmy w końcu na pytanie, czemu fale nazywają się elektromagnetycznymi? Zmiany energii w atomach, na przykład reakcje termojądrowe (dodatni proton i ujemny elektron - posiadają ładunek, który sprawia, że lżejszy elektron jest przyciągany przez cięższy proton (przyciąganie w polu elektromagnetycznym) - a jako, że każdy ładunek poruszający się wytwarza go, czyli wokół każdego atomu jest pole elektryczne, dodatkowo to poruszanie się wzmacniają drgania wywołane ciepłem, czyli większą energią..., które to z kolei drgania wywołują fale, którymi nośnikami są fotony) wywołują zmiany energii w polu elektrycznym i magnetycznym (można je traktować osobno, na obrazku, całkiem u góry widać, jak się rozchodzą, ale ze względu na to, że praktycznie są ze sobą zależne i występują razem i wywołując jedno wywołuje się drugie i na odwrót, to nie należy ich rozdzielać, mimo, że to dwie różne siły), które objawiają się falami w tym polu właśnie. Fotony to cząstki, które są nośnikiem zmian w polu elektrycznym i magnetycznym. Zagadnienie pola elektromagnetycznego odbiega nieco od tematyki notki, niemniej jednak dla jaśniejszego poznania sprawy można zerknąć na równania Maxwella, które to opisują zależności pomiędzy tymi dwoma polami.

6 komentarzy:

  1. Wow, rzeczywiście masę pracy w tą notkę włożyłaś. :) Można by ją jeszcze dopracować stylistycznie (jak chcesz, mogę pomóc) i poprawić nawiasy w ostatnim akapicie.

    Temat szeroki i trudny, mocno wykraczający poza intuicyjną percepcję. W ogóle uświadomiłaś mi właśnie jedno z ograniczeń wyobraźni - nie jestem w stanie wyobrazić sobie nieistniejących kolorów. :P (ale kiedyś wezmę LSD i spróbuję ;))

    Jedna mała poprawka - prędkość światła, tak jak dźwięku, też zależy od ośrodka, w którym się rozchodzi. Tylko ta zależność jest odwrotna, dźwięk porusza się szybciej w większej gęstości materii, a światło najlepiej radzi sobie w próżni. Oczywiście są to zupełnie inne mechanizmy i takie porównanie to tylko uproszczenie.
    Chyba niedawno wspominałem Ci o tym http://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_Czerenkowa :)

    Jako ciekawostkę do wpisu można dorzucić to:
    http://pl.wikipedia.org/wiki/Widzenie_barwne#Inne_zwierz.C4.99ta
    http://pl.wikipedia.org/wiki/Ustonogie#Uk.C5.82ad_nerwowy_i_narz.C4.85dy_zmys.C5.82.C3.B3w

    Wspomniałaś jeszcze o innym odcieniu barw w zależności od oka. Ja mam tak jak jestem bardzo zmęczony. Wtedy patrząc na białą ścianę widzę czerwień lewym i zieleń prawym. Oczywiście efekt pojawia się, gdy drugie oko jest zamknięte, inaczej zawsze wygrywa czerwony.

    OdpowiedzUsuń
  2. Te nawiasy to zaraz przeczytam i zobaczę, co źle. A co Ty byś poprawił? Z tym światłem,to dobrze, że mi napisałeś, muszę to poprawić: czy dlatego światło się rozszczepia w pryzmacie? Bo zwalnia bardzo? Tylko chyba na potrzeby notki to mogę to zostawić... chociaż może dodam jakiś dodatkowy nawias :D

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Tak, dlatego się rozszczepia. http://www.fizykon.org/optyka/optyka_rozszczepienie_swiatla.htm :)

      Co bym poprawił? Cóż, ja mam zwyczaj, że piszę od początku i po swojemu z zachowaniem sensu. :D Generalnie można by trochę przejrzyściej, unikając powtórzeń i przenosząc część nawiasów do "*" pod tekstem. Oczywiście to tylko moja subiektywna opinia, takie zboczenie uczelniane, że zawsze wszystko przerabiam na swój styl, bo dla mnie jest on najczytelniejszy. ;) Nie wszyscy się z tym zgadzają. Mam drugiego takiego kolegę na uczelni, z którym jak się do czegoś dorwiemy, to co drugie słowo poprawiamy, bo nam się coś nie podoba. Raz poprawiliśmy 2 strony cytatu z książeczki PZPNu, bo inna osoba z grupy nie powiedziała nam, że to oryginalny tekst i taki ma pozostać w projekcie. :D

      Usuń
    2. Łeeee, to ja nic nie zmieniam pod względem stylistycznym :P Potem poprawie tą prędkość światła tylko i rozszczepianie.

      Usuń
  3. Jest taka opowieść o malarzu, który miał pewien obraz i od kilku lat wciąż go poprawiał i coś w nim zmieniał. Przyniósł go kiedyś na konkurs, ale był tam też inny malarz, którzy przyszedł, wziął kawałek węgla i narysował nim na czystej kartce idealny okrąg, tak, że już nie było niczego, co można by tam poprawić...

    OdpowiedzUsuń