Elektromagnetiline kiirgus: erinevus redaktsioonide vahel
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
P Robot: lisatud ky:Электр-магниттик нурлануу |
Resümee puudub |
||
1. rida:
{{Elektromagnetism|cTopic=[[Elektrodünaamika]]}}
[[Pilt:Onde electromagnetique.svg|pisi|400px|Pildil on kujutatud lineaarselt polariseeritud elektromagnetilist kiirgust, mis levib vasakult paremale elektri- ja magnetväljade lainetusesarnase muutusena. Elektri- ja magnetväli on alati samas faasis ja sama amplituudide suhtega igas ruumipunktis ja ajahetkes.]]
'''Elektromagnetiline kiirgus''' (edaspidi EMK, kutsutakse ka elektromagnetlaineks) on laetud osakeste kiiratav ja neelatav [[energia]], mis kandub ruumis edasi lainena, milles [[elektriväli|elektri]]- ja [[magnetväli|magnetvälja]] komponendid [[võnkumine|võnguvad]] teineteise ja [[laine]] levimise suuna suhtes risti, olles üksteisega samas [[faas]]is. EM-laine levib [[vaakum]]is [[valguse kiirus]]el, milleks on c = 299 792 458 m/s (kuna meeter on defineeritud valguse kiiruse järgi, siis on see arv täpne).
Elektromagnetiline kiirgus on [[elektromagnetväli|elektromagnetvälja]] erijuht. Kui [[elektrilaeng]] liigub, tekitab ta enda ümber elektromagnetvälja, aga [[kiirendus]]ega liikuva laengu ümber tekib lisaks EMK, mis kannab allikast energiat eemale. Energiat mittekandev EM-väli on otseselt laengute tekitatud, EMK on aga tingitud muutuvatest elektri- ja magnetväljadest. Neid kahte nimetatakse vastavalt lähi- ja kaugväljaks, kuna [[Maxwelli võrrandid|Maxwelli võrranditest]] lähtuvalt langeb lähivälja [[intensiivsus]] kiiremini, jättes kaugemal domineerima kaugvälja (ehk elektromagnetilise kiirguse). Lisaks energiale omab EM-laine ka [[impulss]]i ja [[impulsimoment]]i, mis võivad vastastikmõjus [[aine]]ga viimasele üle kanduda.
EM-kiirgust liigitatakse elektromagnetlaine sageduse järgi. Elektromagnetlainete [[spekter|spektri]] skaala alates väikseimast [[sagedus]]est (ehk suurimast [[lainepikkus]]est) on järgmine: raadiolained, mikrolained, infrapunane kiirgus, nähtav valgus, ultravioletkiirgus, röntgenkiirgus ja gammakiirgus.
:<math>E=hf, \,</math>▼
==Füüsika==
===EMK omadused===
Elektromagnetlaine on elektri- ja magnetväljade häirituse levik ruumis, mistõttu ta ei vaja levimiseks keskkonda. Erinevalt EM-lainest on osadel lainetel, nagu [[heli]]- ja veepinna lained, aineline keskkond vajalik, kuna nende lainete korral ongi tegu keskkonna häirituse levimisega.
Elektri- ja magnetväljad alluvad [[superpositsiooniprintsiip|superpositsiooniprintsiibile]], mis tähendab, et kui kaks EM-lainet kohtuvad, siis summaarsesse lainesse annavad mõlemad oma panuse. Kuna EM-väli on [[vektorväli]], siis täpsemalt öeldes kumbagi lainet iseloomustavad vektoriaalsed suurused (näiteks '''E''') liituvad nagu [[vektor]]id.
EM-laine on [[ristlaine]], järelikult saab teda iseloomustada [[polarisatsioon]]iga, mille suund on defineeritud elektrivälja vektori suunaga.
Elektromagnetiline kiirgus allub [[dualismiprintsiip|dualismiprintsiibile]] ehk sellel on nii laineline kui ka korpuskulaarne ehk osakeseline olemus. Tüüpiliselt on lainelised omadused hästi vaadeldavad madalate sageduste korral, kõrgema sagedusega lainetel aga ilmnevad korpuskulaarsed nähtused.
===Lainemudel===
Lainemudeli järgi levib EMK lainena, kus elektrivälja muutus on tekitatud magnetvälja muutusest ja vastupidi. [[elektrivälja tugevus|'''E''']]-vektor on alati [[magnetiline induktsioon|'''B''']]-vektoriga risti ja samas faasis ehk kui üks neist on mingis punktis saavutanud maksimumi, siis on ka teisel seal maksimaalne väärtus, kusjuures elektri- ja magnetvälja tugevuste [[Suhe_(matemaatika)|suhe]] püsib [[konstant]]ne.
EM-laine sagedus ja lainepikkus on omavahel seotud järgneva valemi järgi:
:<math>\displaystyle v=f\lambda</math>,
kus v on laine levimise kiirus (vaakumis on selleks konstant c, aines on väiksem), f sagedus ja <math>\lambda</math> lainepikkus.
Lainena on EMK-le omased nähtused nagu [[valguse murdumine|murdumine]], [[dispersioon]], [[interferents]] ja [[difraktsioon]] (mis on interferentsi erijuht).
===Osakese mudel ja kvantteooria ===
Osakese mudeli kohaselt toimub EMK kiirgamine ja neeldumine portsjonite ehk [[footon]]ite kaupa. Footoni energia ''E'' ja talle vastava EM-laine sagedus ''f'' on seotud [[Plancki-Einsteini valem]]iga:
kus ''h'' on [[Plancki konstant]], <math>\lambda</math> on lainepikkus ja ''c'' on valguse kiirus.
Kvantteooria lisab korpuskulaarsele mudelile tingimuse, et aatomites on energiatasemed [[diskreetsus|diskreetsete]] väärtustega ehk seega saab aatom [[elektron]]ide üleminekul ühelt tasemelt teisele neelata ja kiirata ainult kindla sagedusega footoneid.
Osakese mudel koos kvantteooriaga seletab ära näiteks [[fotoefekt]]i, [[must keha|musta keha]] kiirguse ja [[Comptoni efekt]]i, mida lainemudel teha ei suuda.
Lainelisi ja korpuskulaarseid omadusi saab ka korraga vaadelda. Kui lasta topeltpilule langeda väga nõrk valgus ja teisele poole pilu paigutada ekraanina [[fotoelektronkordisti]], saab jälgida üksikute footonite langemist ekraanile. Väikse arvu footonite korral langevad nad sinna pealtnäha juhusliku jaotuse järgi, aga kui neid on palju, siis on näha, et suurema [[tõenäosus]]ega langevad nad piirkonda, kus laineteooria kohaselt peaks olema interferentsi maksimum. [[1961]]. aastal teostas [[Claus Jönsson]] topeltpilu katse elektronidega, mis kinnitas, et ka aineosakestel on olemas lainelised omadused.<ref>{{cite web | title = Jönsson C (1974). Electron diffraction at multiple slits. American Journal of Physics, 42:4–11 | url = http://dx.doi.org/10.1119/1.1987592}}</ref>
==Elektromagnetiline spekter==
Elektromagnetilist kiirgust saab jaotada sageduse järgi [[spekter|spektriks]]. Väiksematele sagedustele vastavad suuremad lainepikkused ja väiksemad kvandi energiad.
[[Raadiolained]] on madalaima sagedusega EM-lained, nende ülemiseks piiriks on ligikaudu 300 GHz. Inimesed rakendavad neid infoedastusvahendina, looduslikud raadiolainete allikad on mõned kosmilised objektid, näiteks [[pulsar]]id.
[[Mikrolained]] kuuluvad kõrgema sagedusega raadiolainete piirkonda (umbes 0,3–300 GHz).
Lisaks infoedastusvahenditele kasutatakse mikrolaineid [[radar]]ites, [[raadioteleskoop]]ides, navigatsioonis ([[GPS]]) ja [[mikrolaineahi|mikrolaineahjudes]]. [[Kosmiline mikrolaine-taustkiirgus|Kosmiline taustkiirgus]] jääb mikrolainete piirkonda.
[[Infrapunakiirgus]] on EMK, mis langeb vahemikku 1–400 THz, piirnedes ühelt poolt punase valgusega (sellest ka nimi). Infrapunast kiirgust nimetatakse sageli soojuskiirguseks, kuna inimesele tuttavad “soojad” (ehk ligikaudu samas suurusjärgus temperatuuril kui inimese keha) objektid kiirgavad elektromagnetilist kiirgust, mille maksimum jääb inimsilmale nähtamatu infrapunase kiirguse vahemikku. Tehislikult rakendatakse seda kiirgust näiteks soojussensorites, infoedastuses ([[kiudoptika|optiliste kiudude]] kaudu) ja öönägemisseadmetes.
Nähtavaks valguseks või lihtsalt [[valgus]]eks nimetatakse EM-kiirgust, mis on inim[[silm]]ale nähtav. Selleks loetakse kiirgust vahemikus 400–790 THz, sagedamini aga väljendatakse valguse spektrit lainepikkuste skaalas, milleks on vastavalt 390–750 nm. Inimene saab suure osa informatsioonist nägemismeele kaudu ehk nähtava valguse abil. Looduslikeks allikateks on näiteks tähed (sh. [[Päike]]), [[leek]] ja [[bioluminestsents]]. Tehislikult on nähtav valgus kasutuses igal pool, kus on vaja midagi inimsilmale nähtavaks teha.
[[Ultraviolettkiirgus]] on EMK vahemikus 10–400 nm. Looduslikult pärineb inimese jaoks suur osa UV-kiirgusest Päikeselt, ehkki Maa atmosfäär laseb sellest läbi ainult väikse osa: UV-kiirgus lammutab hapniku ja osooni molekule ning neeldub selles protsessis. Kasutatakse [[fluorestsentslamp]]ides, kus UV-kiirgus muudetakse nähtavaks valguseks, ja [[fluorestsents|fluorestseerivate]] värvidega tehtud kujutiste kuvamiseks (näiteks turvaelementides). UV-kiirgust blokeeriva [[Filter_(Optika)|filtrina]] kasutatakse päikesekreemi; ka tavaline klaas on UV-kiirgusele suures osas läbipaistmatu.<ref>{{cite web | title = Soda Lime Glass Transmission Curve | url = http://www.sinclairmfg.com/datasheets/optical3.html}}</ref>
[[Röntgenkiirgus]] (0,01–10 nm) jõuab Maani kosmilistest allikatest, sealhulgas ka Päikesest, aga atmosfäär neelab selle ära. Kasutatakse näiteks meditsiinis ning lennujaamade ja riigipiiride turvakontrollides.
[[Gammakiirgus]] on kõige lühema lainepikkusega EMK (vähem kui 0,01 nm). Atmosfäär on selles lainepikkuste piirkonnas läbipaistmatu, aga looduses esinevatest ja tehislikest [[radioaktiivne isotoop|radioaktiivsetest isotoopidest]] eralduvale gammakiirgusele jääb inimene avatuks. Rakendust leiab näiteks meditsiiniliste vahendite desinfektsioonis ja vähiravis. Kosmoseteleskoopidega on võimalik kosmilist gammakiirgust vaadelda, kuna erinevalt maapealsetest teleskoopidest ei sega neid atmosfäär.
==Bioloogilised efektid==
Inimese silm on vastuvõtlik nähtavale valgusele, lisaks võib ta tunda ka silmale nähtamatut kiirgust (näiteks infrapunast), kui see on piisavalt intensiivne, et põhjustada nahas neeldumisel soojusaistingu. Spektraalne vastuvõtlikkus erineb liigiti: näiteks mesilased on võimelised nägema UV-kiirgust.<ref>{{cite web | title = Bellingham J, Wilkie SE, Morris AG, Bowmaker JK, Hunt DM (February 1997). "Characterisation of the ultraviolet-sensitive opsin gene in the honey bee, Apis mellifera". Eur. J. Biochem. 243 (3): 775–81. | url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9057845}}</ref>
[[Fotosüntees]] toimub nähtava (mõnel liigil ka infrapunase<ref>{{cite web | title = Scientists discover unique microbe in California's largest lake | url = http://www.bio-medicine.org/biology-news/Scientists-discover-unique-microbe-in-Californias-largest-lake-203-1/}}</ref>) valguse vahendusel, mis ergastab klorofülli molekule.
Elusorganismidele on kahjulik EMK ükskõik millises spektripiirkonnas, kui see on piisavalt intensiivne, et tekitada kuumakahjustust, aga suurema osa EMK energiast saadakse nähtava valguse ja infrapunakiirguse näol, kuna [[Wieni nihkeseadus|Wieni nihkeseadusest]] lähtuvalt asub Päikese kiirguse spektraalne maksimum just selles vahemikus, ja peale selle neelab Maa atmosfäär lühemad lainepikkused ära. Kõrgsageduslik EMK, mis ei pruugi olla eriti intensiivne, osutub kahjulikuks, kui footoni energia on piisav, et tekitada [[DNA]]-d kahjustavaid keemiliselt aktiivseid osakesi (pikalainelise UV-kiirguse korral), kahjustada DNA sidemeid otseselt (keskmine UV kiirgus) või ioniseerida aatomeid (lühilaineline UV kuni gammakiirgus). UV kiirgus võib põhjustada näiteks päikesepõletust ja nahavähki.<ref>{{cite web | title = Matsumu, Y.; Ananthaswamy, H. N. (2004). "Toxic effects of ultraviolet radiation on the skin". Toxicology and Applied Pharmacology 195 (3): 298–308. | url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0041008X03004952}}</ref>
Lisaks eelpool mainitule saavad inimesele kaudsel moel kahjulikud olla ka [[päikesetorm]]idest pärit suure intensiivsusega raadiolained, mis võivad tekitada rikkeid elektrivõrgus ja elektroonilistes seadmetes.
==Viited==
{{reflist}}
[[Kategooria:Elektromagnetism]]
[[Kategooria:Kiirgus]]
{{Link FA|eu}}
| |||