08_2_Elektromagnetické záření Mgr. Miroslav Indrák, Ing. Jakub Ulmann Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 08_2_Elektromagnetické záření Mgr. Miroslav Indrák, Ing. Jakub Ulmann

Elektromagnetické záření 1. Přehled elektromagnetického záření 2. Přenos energie zářením 6. Rentgenové záření

1. Přehled elektromagnetického záření Světlo tvoří pouze část spektra elektromagnetického záření. Ačkoliv jde o vlnění, šíří se i ve vzduchoprázdnu (v prostředí bez látky – dlouho záhada i pro fyziky) a to nejvyšší možnou rychlostí vůbec - 299 792 458 m/s. Jedná se o příčné vlnění - kolmo ke směru šíření kmitá elektrické a magnetické pole.

Vznik elektromagnetického záření Dva hlavní způsoby: ● zrychlený pohyb nabitých částic (nejčastěji elektronů) – vzniká záření s menší energií a frekvencí, tedy s větší vlnovou délkou (rádiové vlny), popisuje klasická fyzika pomocí Maxwellových rovnic, ● změny ve vnitřní struktuře atomu, molekul a atomových jader – vzniká záření s větší energií a frekvencí, s menší vlnovou délkou (infračervené, viditelné, rentgenové apod.), popisuje kvantová fyzika.

Vlastnosti EM záření Elektromagnetické vlnění je charakterizované vlnovou délkou λ (λ = c/f), která určuje jeho fyzikální vlastnosti. ● vlnové vlastnosti se projevují při velikosti překážek srovnatelné s vlnovou délkou ● částicové vlastnosti se více projevují u menších vlnových délek (rentgenové a gama záření)

Dělení EM záření Podle vlnové délky (resp. frekvence) elektromagnetického vlnění lze rozlišit několik druhů elektromagnetického záření. Hranice mezi jednotlivými druhy elektromagnetického záření jsou plynulé nebo se oblasti jednotlivých druhů záření i překrývají. Rozhoduje způsob vzniku – např. rentgenové a gama záření mohou mít stejné frekvence, zařadíme je podle toho, jak vznikly: v rentgence ⇒ rentgenové záření v jádře atomu nebo při jaderných reakcích ⇒ gama záření

Rádiové vlny a mikrovlny Mají nejdelší vlnovou délku 100 km až 1 mm. Používají se pro přenos dat (rádio, televize, mobily...). Přenos dat vyžaduje modulování nosného signálu ⇒ čím větší objem dat chceme přenést, tím větší musí být frekvence nosné vlny.

Dlouhé vlny se dobře šíří, ale přenesou malé množství dat. Střední vlny a krátké vlny 1 km až 100 m, 100 m až 10 m Rozhlasové střední vlny (zkratka AM – amplitudová modulace) Tyto vlny se odráží od ionosféry (atmosférická vrstva ve výškách okolo 100 km) - radionavigace, komunikace na malé a střední vzdálenosti. Velmi krátké vlny 10 m až 1 m Frekvenčně modulované rozhlasové vysílání (FM – nejpoužívanější, dnes fakticky jediné běžně používané pásmo). 1.-3. televizní pásmo. Tyto a další vlny se v krajině šíří již téměř přímočaře ⇒ je nutné zajistit přibližnou viditelnost vysílače v každém místě, kde chceme přijímat signál.

Ultra krátké vlny 1 m – 1 dm 4. a 5. televizní pásmo digitální televize, mobilní sítě GSM (0,9 GHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz) Mikrovlny 1 dm – 1 mm Různé druhy komunikace - např. bezdrátová počítačová komunikace Wi-Fi. Mikrovlny jsou absorbovány molekulami některých tekutin s dipólovým momentem (zejména vodou) ⇒ mikrovlnné trouby (frekvence 2,45 GHz, 12,24 cm).

Vysílání rádiových vln Zdrojem vlnění je oscilátor – elektrický obvod, kde kmitá napětí s vysokou frekvencí. Základní součástí všech vysílačů a přijímačů pro bezdrátový přenos je elektromagnetický dipól. Nazývá se anténa a slouží k vyzařování energie ve vysílači a pro příjem signálu v přijímači. V anténě přijímače působením elektromagnetického pole vzniká nucené elektromagnetické kmitání, které se zesílí a přemění na zvukový a obrazový signál.

Infračervené záření 1 mm až 760 nm (oblast mezi nejkratšími radiovými vlnami a světlem) Vznik záření Zahřáté částice se zbavují energie vyzařováním, s rostoucí teplotou rychle roste jeho množství a klesá vlnová délka. Barvy na infračervených obrázcích nijak nesouvisí s barvami viditelného světla, využívá se spíše psychologický efekt…

Infračervené záření vyzařují prakticky všechna tělesa, proto lze použít infračervený dalekohled i k pozorování ve tmě. Nejvýznamnějším zdrojem infračerveného záření je Slunce. Infračervené záření proniká přes mlhu a mraky lépe než viditelné světlo.

Snímek povrchu Země v infračervené části spektra.

IR záření našlo uplatnění u dálkových ovladačů. IR záření zachycené digitálním fotoaparátem (neviditelné okem).

Světlo zaujímá ve spektru elektromagnetického záření jen úzkou oblast o celkové šířce přibližně 400 nm 390 nm až 760 nm pro člověka má rozhodující význam jako zdroj informací o světě

Ultrafialové záření - je elektromagnetické záření o vlnové délce kratší, než má světlo fialové barvy a nejkratší vlnové délky zasahují do oblasti rentgenového záření 400 nm až 10 nm pro oko je toto záření neviditelné, ale na zrakový orgán působí škodlivě, proto je nutné chránit oči před jeho účinky brýlemi se speciálními skly ozáření pokožky vyvolává vznik ochranného pigmentu, což se projevuje při opalování zhnědnutím

Zdrojem UV záření jsou tělesa zahřátá na vysokou teplotu (Slunce, elektrický oblouk, …) nebo speciální výbojky naplněné párami rtuti (horské sluníčko). Atmosféra toto záření velmi silně pohlcuje, ve vysokých vrstvách atmosféry vzniká ionizaci vzdušného kyslíku ozón. Některé sloučeniny fluoru (tzv. freony), které se dostávají do ovzduší při některých výrobních procesech nebo při používání sprejů, se s ozónem v atmosféře slučují. Atmosféra se díky tomu ve velkých výškách trvale zbavuje ozónu a její schopnost pohlcovat UV záření se tím snižuje.

v atmosféře vznikají ozónové díry, jimiž v některých místech proniká UV záření ve větší míře až k povrchu Země a ohrožuje zdraví lidí.

Rentgenové záření má ještě kratší vlnovou délku než ultrafialové záření a zaujímá po- měrně širokou oblast spektra 10 nm až 1 pm vzniká při energetických přeměnách v elektronovém obalu atomu rentgenové záření delších vlnových délek označujeme jako měkké záření, záření krátkých vlnových délek jako tvrdé záření tvrdé záření je pro lidský organismus značně nebezpečné

Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik W. C Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik W. C. Röntgen (1845 - 1923) při studiu výbojů v plynech. Zjistil, že při dopadu katodového záření (proud elektronů urychlených elektrickým polem) na kovovou anodu vzniká záření, které proniká i neprůhlednými předměty. Röntgen provedl řadu pokusů, jimiž zjistil vlastnosti tohoto neznámého záření, tehdy zvaného „paprsky X“. Za své objevy obdržel v roce 1901 první Nobelovu cenu za fyziku. Až v roce 1912 se ale zjistilo, že průchodem rentgenového záření krystalem vzniká ohybový obrazec. Tím bylo dokázáno, že paprsky X tvoří vlnění o velmi malé vlnové délce.

Podle způsobu vzniku rentgenového záření se rozlišuje: 1. brzdné záření - vzniká jako důsledek zpomalování pohybu elektronů, které dopadají velkou rychlostí na povrch kovu. Změna rychlosti elektronů, brzdění jejich pohybu vzájemným působením s atomy kovu má za následek vyzařování elektromagnetických vln, jejichž frekvence se spojitě mění. Proto je spektrum brzdného záření spojité. 2. charakteristické záření - souvisí se změnami energie atomů kovu, které ji získaly působením dopadajících elektronů. Toto spektrum je čárové.

Rentgen zjistil, že emulze fotografické desky zabalené do černého papíru a umístěné v blízkosti výbojové trubice po vyvolání zčernala. Tímto způsobem vytvořil první rentgenový snímek ruky své manželky. One of the first X-ray shadowgraphs taken by Röntgen showing the bones of his wife's hand including the wedding ring.

Záření gama zčásti zasahuje vlnovou délkou do oblasti RTG záření vlnová délka je menší než 300 pm vzniká při radioaktivní přeměně v jádrech atomů využití - Leksellův gama-nůž

NEZkreslená věda III: Co je to světlo? Světlo, elektromagnetické záření. Do 6 min. https://www.youtube.com/watch?v=jp7nz-JMInM&feature=youtu.be

2. Přenos energie zářením Každý zdroj elektromagnetického záření vyzařuje do okolního prostoru energii. Příkladem je žárovka, která svítí a hřeje. Světlo a teplo se šíří do okolního prostoru. Energie se přenáší všemi typy záření. Množství záření všech typů vyzařování lze posoudit pomocí radiometrických veličin (fyzikálně objektivní posouzení). Působení záření na lidský zrak (měření světla) popisujeme pomocí fotometrických veličin (subjektivní – závisí na vnímání lidského zraku).

Potřeba fotometrických veličin je zřejmá. Např Potřeba fotometrických veličin je zřejmá. Např. při ozáření UV paprsky dopadá hodně energie, ale není nic vidět – nulové množství světla. Světlo (účinky světla na lidské oko) bylo zkoumáno historicky dřív než ostatní záření. Lidské oko nevnímá elektromagnetické záření různých vlnových délek se stejnou účinností. Jednak je jeho citlivost omezena na velmi úzký interval vlnových délek mezi 400 a 700 nm, a ani tyto vlnové délky nejsou okem vnímány všechny stejně. Čípky se podílejí na vzniku zrakového vjemu při vyšších ozářeních sítnice lidského oka (tzv. denní vidění), citlivější tyčinky přebírají jejich úlohu při nízkých hodnotách ozáření (noční vidění).

U následujících veličin budeme používat prostorový úhel ve steradiánech. Nejprve si zopakujeme rovinný úhel. Rovinný úhel ϕ 1 radián [1 rad] (přirozená jednotka úhlu) je úhel, který vytkne na jednotkové kružnici oblouk o délce 1 m. Obvod kruhu: o = s = 2 r Vydělíme r a dostaneme 2 radiánů. Celý kruh je: 360°= 2 rad ⇒ 1 rad = 57° 18'

Prostorový úhel  1 steradián sr je úhel, který ze středu vytkne na jednotkové kouli plochu 1 m2. Plocha koule: S = 4 r2 Pro r = 1 m je S = 12,6 m2 Celý prostor je 12,6 sr. ⇒ 1 sr je přibližně 1/13 celého prostorového úhlu.

Radiometrické veličiny Radiometrické veličiny jsou definovány pro všechny druhy elektromagnetického záření. Zářivý tok ϕe představuje energii vyzářenou zdrojem (přenesenou zářením) za jednotku času. Je určen vztahem: kde ΔE je energie vyzářená zdrojem za dobu Δt. Základní jednotkou zářivého toku je watt; [ϕe] = J.s-1 = W. Zářivý tok Slunce je 384 trilionů MW. Zářivý tok krbových kamen např. 5 kW.

Ideální bodový zdroj světla vyzařuje zářivý tok rovnoměrně všemi směry Ideální bodový zdroj světla vyzařuje zářivý tok rovnoměrně všemi směry. Pro skutečné zdroje to ale neplatí. Často je nutné vědět, jakou energii zdroj vysílá do určité části prostoru. Z toho důvodu se zavádí fyzikální veličina zářivost. Zářivost Ie - vyjadřuje, kolik z vyzářeného připadá na prostorový úhel: Základní jednotkou zářivosti je [Ie] = W.sr-1 .

Intenzita vyzařování Me (resp. intenzita ozařování) Celý prostor je 12,6 sr. Krbová kamna vyzařují 5 kW. Určitým směrem bude zářivost 0,5 W.sr-1, jinde 0,02 W.sr-1… Intenzita vyzařování Me (resp. intenzita ozařování) - vyjadřuje kolik z vyzářeného připadá na plochu: Základní jednotkou zářivosti je [Me] = W.m-2. Na naši planetu dopadá zhruba 1,4 kW/m2 sluneční energie. Přibližně 30% se odrazí od atmosféry zpět do vesmíru a zbytek je absorbován mraky, vodou a pevninami.

Fotometrické veličiny Mezi fotometrické veličiny (analogicky k radiometrickým veličinám) patří: 1. světelný tok – kolik se vyzáří jinak než ve wattech; 2. svítivost - kolik z vyzářeného připadá na prostorový úhel; 3. osvětlení - kolik z vyzářeného připadá na plochu.

Souprava Vernier – měření světla: Osvětlení závisí na vzdálenosti od zdroje.

Světelný tok Φ Vyjadřuje např. světelný výkon svítidel nebo projektorů (typická velikost u projektoru 2200 lumenů). Základní jednotkou světelného toku je lumen; [ϕ] = lm. Svítivost I je základní fotometrická veličina, kterou definujeme jako podíl světelného toku Δϕ vyzářeného zdrojem v tomto směru do malého prostorového úhlu ΔΩ a velikosti tohoto prostorového úhlu:

Základní jednotkou svítivosti je kandela; [I] = cd. Kandela je také základní jednotkou SI. 1 cd odpovídá přibližně svítivosti 1 svíčky (candle je anglicky svíčka). 100 W žárovka má svítivost 135 cd. Svítivost tedy vyjadřuje rozdělení světelného toku do různých směrů, do kterých vyzařuje zdroj světla.

V analogii paprsků představuje světelný tok celkový počet paprsků V analogii paprsků představuje světelný tok celkový počet paprsků. Pokud známe svítivost, je pak světelný tok dán součinem svítivosti (hustoty paprsků) a úhlu, do kterého byly paprsky vyzářeny.

Př. 1: Urči světelný tok svíčky o svítivosti 1 cd Př. 1: Urči světelný tok svíčky o svítivosti 1 cd. Předpokládej, že svíčka svítí do všech stran stejně. 1 sr je přibližně 1/12,6 část celého prostorového úhlu. Prostorový úhel je 4 = 12,6 sr. Světelný tok svíčky je přibližně 13 lm (asi 200x menší než u projektoru).

Osvětlení E závisí na části světelného toku Δϕ , který dopadá kolmo na plochu o obsahu ΔS. Osvětlení je závislé na vzdálenosti osvětlené plochy od zdroje světla (větší vzdálenost, menší prostorový úhel).

Je definováno vztahem: Základní jednotkou osvětlení je lux; [E] = lx. Př. 2: Jaké je osvětlení plochy o rozměrech 3 x 2 m, jestliže na celou svítí projektor se světelným tokem 2 200 lm? Jak se změní osvětlení, přiblížíme-li projektor na poloviční vzdálenost a zároveň pomocí optiky zvětšíme obraz na původní velikost? Jak se změní osvětlení, zmenšíme-li osvícenou plochu na rozměry 1,5 x 1 m? 367 lx, nezmění se, 1 470 lx

Př. 3: 100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost Př. 3: 100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost. Jaké osvětlení vyváří na stole vzdáleném 1,7 m? Předpokládáme, že svítí všemi směry stejně. 103 cd Žárovka svítí do celého prostoru, osvětlení bude ve vzdálenosti 1,7 m všude stejné. Umíme vypočítat plochu koule ve vzdálenosti 1,7 m… 35,8 lx

Přístroj pro měření osvětlení se nazývá luxmetr. Dostatečné osvětlení patří k základním požadavkům na hygienu práce a jeho hodnota je stanovena normami: - na čtení apod. je nutné osvětlení 500 lx, - montáž drobných objektů vyžaduje 1500 lx, - k osvětlení schodiště stačí 15 lx. - Slunce dokáže způsobit osvětlení až 50 000 lx, - svíčka ve vzdálenosti 30 cm dává osvětlení 10 lx.

Př. 4: Jaké osvětlení dává svíčka ve vzdálenosti 30 cm? 11,1 lx Př. 5: LED žárovka do lampičky má příkon 9 W a dává jas 400 lm? V jaké vzdálenosti bude dávat osvětlení potřebné pro kancelářskou práci – 500 lx. a) svítí-li do celého prostoru, b) usměrníme-li její světlo do ¼ prostoru? S = 0,8 m2 r1 = 0,25 m r2 = 0,50 m

V životě se s fotometrickými veličinami nejčastěji setkáváme: u zdrojů světla s hodnotami světelného toku v lumenech (příkon ve wattech určuje spotřebu energie), u hodnot dostatečného osvětlení v domácnostech nebo na pracovištích v luxech (např. už v projektové dokumentaci).

Literatura a použité zdroje: LEPIL, O. Fyzika pro gymnázia – Optika. Dotisk 3. vydání. Praha, Prometheus 2004. 206 s. ISBN 80-7196-237-6. TARÁBEK, P. a ČERVINKOVÁ, P. a kolektiv – Odmaturuj z fyziky. Dotisk 2. vydání. Didaktis 2006. 224 s. ISBN 80-7358-058-6. http://fyzika.jreichl.com/

Odkazy na obrázky – internet použité zdroje snímek 1 vlastní zdroj snímek 17 svítivost snímek 2 ruka snímek 19 luxmetr snímek 24 tepelné záření snímek 4 elektromagnetické záření snímek 27 model zářivky snímek 5 rádiové záření snímek 29 čtyři zářivky snímek 7 mapa čr snímek 29 diody snímek 8 světlo snímek 31 vlastní zdroj snímek 11 ozónová díra snímek 32 intenzita vyzařování snímek 12 rentgen kostra snímek 34 W. Wien snímek 13 gama nůž snímek 35 M. Planck snímek 14 žárovka

snímek 38 spektrum snímek 41 hranolový spektroskop snímek 41 mřížkový spektroskop snímek 42 W. C. Röntgen snímek 44 rentgen ruky