Warto przeczytać

Różne własności fizyczne i mechanizm rozchodzenia się falfalafal jest podstawą podziału fal na fale mechanicznefala mechanicznafale mechaniczne i fale elektromagnetycznefala elektromagnetycznafale elektromagnetyczne. Rozchodzeniu się fali towarzyszą drgania „cząstek” ośrodka lub pola elektrycznego i magnetycznego. Zależnie od kierunku drgań wyróżnia się fale podłużnefala podłużnapodłużne i poprzecznefala poprzecznapoprzeczne (Rys. 1.). W fali podłużnej drgania zachodzą wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, zaś w fali poprzecznej - w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu fali. Zwróć uwagę, że w fali poprzecznej kierunek drgań nie jest określony jednoznacznie - jest tych kierunków cała płaszczyzna, jeśli oczywiście mówimy o fali rozchodzącej się w przestrzeni.

R1ETYgxoDFzpC

Rys. 1. Górna część rysunku: Linia prosta zakończona strzałką skierowaną w prawo wskazuje kierunek rozchodzenia się fali. Wzdłuż linii jest zaznaczonych kilka krótkich odcinków zakończonych strzałkami z obu stron, które wskazują kierunek drgań cząstek ośrodka. Dolna część rysunku: Linia prosta zakończona strzałką skierowaną w prawo wskazuje kierunek rozchodzenia się fali. Linia przebija dwa kwadraty prostopadłe do linii. Na kwadratach narysowane są krótkie odcinki, których środki leżą na linii kierunku rozchodzenia się fali. Odcinki zakończone są strzałkami z obu stron, które wskazują kierunek drgań cząstek ośrodka.

Wszystkie fale ulegają odbiciu, załamaniu, interferencji i dyfrakcji, a fale poprzeczne ulegają także polaryzacji.

Podział fal na fale mechaniczne i fale elektromagnetyczne wiąże się z ich właściwościami fizycznymi. Źródłem fal mechanicznych mogą być ciała drgające czy odkształcenia sprężyste. Pobudzona do drgań cząstka ośrodka przekazuje energię sąsiednim cząstkom, wprawiając je kolejno w drgania. Zaburzenie rozchodzi się w ośrodku ze skończoną prędkością. Przykładem fal mechanicznych są: fale na wodzie, fale dźwiękowefale dźwiękowedźwiękowe (akustyczne) oraz fale sejsmicznefale sejsmicznesejsmiczne.

Fale dźwiękowe są odbierane przez ucho ludzkie, gdy ich częstotliwośćczęstotliwośćczęstotliwość zawiera się w przedziale od 16 Hz do 20 kHz i mają odpowiednią amplitudę. Człowiek nie słyszy infradźwięków (dźwięków o częstotliwościach poniżej 16 Hz) i ultradźwięków (dźwięków o częstotliwościach powyżej 20 kHz). Prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych zależy od ośrodka i wynosi około 340 m/s w powietrzu, 1500 m/s w wodzie, aż do 5100 m/s w żelazie. Fale dźwiękowe należą do fal podłużnych, gdy rozchodzą się w powietrzu (ogólnie: w stanie skupienia lotnym). Gdy rozchodzą się w ciałach stałych, to mogą być zarówno podłużne jak i poprzeczne.

Ogólnie powiemy: W stanie skupienia lotnym może rozchodzić się tylko fala podłużna, zaś w ciałach stałych i cieczach magą występować fale zarówno podłużne jak i poprzeczne.

Fale elektromagnetyczne polegają na rozchodzeniu się w przestrzeni zmian (zaburzeń) pól elektrycznego i magnetycznego. W odróżnieniu od fal mechanicznych mogą one rozchodzić się w próżni. Ich prędkość w próżni wynosi $c=\mathrm{2,99792458}\cdot {10}^{8}m/s$ (w przybliżeniu $c=3\cdot {10}^{8}m/s$) i nie zależy od częstotliwości fali. Prędkość rozchodzenia się faliprędkość rozchodzenia się fali (prędkość fazowa)Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w powietrzu jest praktycznie równa prędkości światła $c$, a w ośrodku materialnym jest mniejsza od $c$ i zależy od częstotliwości. Stosunek prędkości fali w próżni ($c$) do prędkości fali w danym ośrodku ($v$) zwany jest współczynnikiem załamania ośrodka ($n$). Fale elektromagnetyczne ulegają zjawisku polaryzacji, są to zatem fale poprzeczne.

Podział fal elektromagnetycznych wiąże się ze sposobem ich wytwarzania i detekcji. Uszeregowanie fal elektromagnetycznych według częstotliwości (lub długości fali w próżni) zwane jest widmem fal elektromagnetycznych (Rys. 2.). Niektóre zakresy zachodzą na siebie, gdyż fale o tych samych długościach mogą być wytwarzane w różny sposób. Zwykle nie podaje się minimalnej i maksymalnej długości fali elektromagnetycznej, gdyż wartości te ulegają zmianie wraz z rozwojem nowoczesnych technik pomiarowych.

R1B7S6F5VnIYx

Rys. 2. Widmo fal elektromagnetycznych to dwie pionowe osie. Na jednej skierowanej do góry odłożona jest długość fali lambda. Skala osi nie jest liniowa. Najmniejsza wartość zaznaczona na osi to 1 pikometr, największa wartość to 10 kilometrów. Druga oś skierowana jest w dół i odłożona jest na niej częstotliwość w Hertzach oznaczoną literą f. Najmniejsza wartość zaznaczona na osi to 3 razy 10 do potęgi czwartej Hertza, największa wartość to 3 razy 10 do potęgi dwudziestej Hertza. Wzdłuż osi zaznaczone są różne zakresy fal elektromagnetycznych. Poczynając od fal o największej długości i najmniejszej częstotliwości są to zakresy: fale radiowe od 3 razy 10 do 3 do 3 razy dziesięć do 12 herca, podczerwień i światło widzialne do 3 razy 10 do 15, ultrafiolet od 3 do 10 do 15, potem promieniowanie Roentgena od 3 razy 10 do 15 do ponad 3 razy 10 do 18, promieniowanie gamma poniżej 3 razy 10 do 20 herca.

Fale radiowe i mikrofale wytwarzane są przez elektryczne obwody drgające. Dzieli się je umownie na pasma o różnej długości fali, wykorzystywane na przykład do emisji programów radiowych i telewizyjnych, czyli łączności radiowej. Programy radiowe nadawane są na falach długich, średnich, krótkich i ultrakrótkich. Mikrofale, zaliczane również do fal radiowych, zostały odkryte w latach trzydziestych XX w. przy okazji prac nad radarami. Obecnie do wytwarzania mikrofal używa się specjalnie skonstruowanych lamp (np. klistrony, magnetrony), a zastosowania mikrofal są bardzo szerokie. Stosuje się je w telekomunikacji (telefonia komórkowa, sieci wi‑fi, łączność satelitarna, telewizja satelitarna), w radiolokacji i w radionawigacji (radar, system GPS), w radioastronomii oraz w grzaniu mikrofalowym (kuchenki mikrofalowe).

Promieniowanie podczerwone (podczerwień, IR) emituje każde ciało o temperaturze powyżej zera bezwzględnego, w tym ludzie. Promieniowanie podczerwone nazywane jest też promieniowaniem cieplnym lub termicznym, gdyż reagują na nie receptory ciepła w naszej skórze. Jest to promieniowanie niewidoczne dla oczu, o długościach fal pomiędzy światłem widzialnym a mikrofalami. Wykorzystywane jest w różnych urządzeniach takich jak: noktowizory (do widzenia w ciemności), kamery termowizyjne, pirometry.

Światło widzialne obejmuje bardzo niewielką część widma fal elektromagnetycznych. Źródłem światła są wzbudzone atomy. Duża część docierającego do nas promieniowania słonecznego to światło widzialne. Zakres długości fal, na które reaguje oko ludzkie, mieści się w przedziale od 380 nm (fiolet) do 760 nm (czerwień). Po rozszczepieniu światła za pomocą pryzmatu obserwujemy kolejne barwy (fiolet, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwień), którym odpowiadają różne zakresy długości fal.

Promieniowanie nadfioletowe (nadfiolet, ultrafiolet, UV) podobnie jak światło widzialne i podczerwień dochodzi do nas ze Słońca. Ze względu na skutki działania na organizmy żywe promieniowanie UV dzieli się na trzy zakresy wg długości fal: UV‑C (od 100 do 280 nm), UV‑B (od 280 do 315 nm) i UV‑A (od 315 do 380 nm). Najbardziej szkodliwe, krótkofalowe promieniowanie UV‑C i UV‑B (o długości fali mniejszej niż 295 nm) jest pochłaniane przez atmosferę, głównie przez warstwę ozonu stratosferycznego. Promieniowanie UV‑C ze względu na własności bakteriobójcze wykorzystuje się do dezynfekcji. Ultrafiolet powoduje fluorescencję wielu substancji chemicznych. Wykorzystuje się to m. in. do wykrywania fałszywych banknotów i w kryminalistyce.

Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) wytwarza się za pomocą specjalnie skonstruowanych lamp. Powstaje podczas hamowania elektronów, (rozpędzonych napięciem rzędu od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy woltów) na anodzie lampy. Jest to promieniowanie o bardzo małej długości fali (od ${10}^{-8}$ m do ${10}^{-12}$ m), czyli dużej częstotliwości. Wykorzystuje się je w diagnostyce medycznej i przemysłowej, gdyż pochłanianie promieniowania X zależy od rodzaju i grubości materiału.

Promieniowanie gamma ($\gamma$) jest emitowane przez wzbudzone jądra atomowe podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych. Długości fal promieniowania $\gamma$ są mniejsze niż ${10}^{-11}$ m, czyli zakres długości fal pokrywa się częściowo z promieniowaniem X. Jest to promieniowanie bardzo przenikliwe, przenika przez bardzo grube przesłony, jest szkodliwe dla organizmów żywych.

Słowniczek