7 Sähkömagneettinen säteily ja

8 Valo sähkömagneettisena aaltoliikkeenä

Valon luonne

Eri aikojen tutkijoita on askarruttanut valon luonne...

Valo koostuu hiukkasista

Valo on aaltoliikettä

Valon luonne

Valolla on samoja ominaisuuksia kuin aaltoliikkeellä

(esim. taittuminen, diffraktio).

Toisaalta valolla on samoja ominaisuuksia kuin suoraviivaisesti etenevällä hiukkasella (esim. liikemäärä).

Aaltohiukkasdualismi

samat

ominaisuudet

yleisesti

Sähkömagneettinen aaltoliike

Kiihtyvässä liikkeessä olevat sähkövaraukset lähettävät sähkömagneettista säteilyä (esim. valo).

c=f\lambda

Sähkömagneettisessa aaltoliikkeessä sähkökenttä ja magneettikenttä värähtelevät kohtisuorasti aallon etenemissuuntaa vastaan.

Sähkömagneettisen säteilyn spektri

Sähkömagneettisen aaltoliikkeen nopeus tyhjiössä on kaiken informaation etenemisnopeuden
yläraja (c = 299 792 458 m/s).

Sähkömagneettinen aaltoliike ei tarvitse väliainetta edetäkseen!

Aaltoliikkeen perusyhtälö

c=f\lambda

Sähkömagneettinen aaltoliike etenee tyhjiössä valon nopeudella.

c=f\lambda

Sähkömagneettinen aaltoliike

Näkyvän valon spektri

Näkyvä valo on sähkömagneettista säteilyä, jonka ihmissilmä aistii.
Näkyvän valon aallonpituudet ovat 400−700 nm.
Näkyvää valoa syntyy kuumien aineiden lämpösäteilynä sekä atomien elektronikuorille tilapäisesti sitoutuneen energian vapautuessa.

HUOM. Valkoinen valo sisältää kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia. Musta kappale ei lähetä eikä heijasta valoa.

Muut sähkömagneettisen säteilyn lajit

Radioaallot

Pisimpiä sähkömagneettisen säteilyn aaltoja.
Ihminen tuottaa radioaaltoja sähköisissä värähtelypiireissä.
Radioaaltoja käytetään viestintään.

Mikroaallot

Radioaaltoja lyhyempiä aallonpituuksia.
Hyödynnetään viestinnässä, tiedonsiirrossa ja lämmityksessä.
- Mikroaallot absorboituvat vesimolekyyleihin ja tuovat energiaa vesipitoiseen aineeseen lisäten vesimolekyylien lämpöliikettä ja lämmittäen siten ainetta.

Muut sähkömagneettisen säteilyn lajit

Infrapunasäteily

Aallonpituus mikroaalloista näkyvään valoon.
Syntyy viileiden aineiden rakenneosasten lämpöliikkeessä.
Ihminen aistii infrapunasäteilyn lämpönä.
Hyödynnetään lämpökameroissa, pimeänäkökameroissa ja tiedonsiirrossa.

Ultraviolettisäteily

Aallonpituus lyhyempi kuin violetti näkyvä valo.
Syntyy hyvin kuumien aineiden rakenneosasten lämpöliikkeessä sekä elektronikuoriin väliaikaisesti sitoutuneen energian vapautuessa.
Ionisoivaa säteilyä, joten sillä on ihmisen terveyteen liittyviä haittavaikutuksia.

Muut sähkömagneettisen säteilyn lajit

Röntgensäteily

Syntyy atomien elektronikuoriin väliaikaisesti sitoutuneen energian vapautuessa, jos vapautuvan energian määrä on hyvin suuri.
Röntgensäteilyä vapautuu myös nopeasti liikkuvien sähkövarauksellisten hiukkasten törmätessä aineeseen.
Lääketieteellinen kuvausmenetelmä.
Röntgensäteily on ionisoivaa säteilyä.
Sisältää enemmän energiaa kuin ultraviolettisäteily ja läpäisee pehmytkudokset, mutta pysähtyy luuhun.

Muut sähkömagneettisen säteilyn lajit

Gammasäteily

Syntyy atomien ytimiin tilapäisesti sitoutuneen energian vapautuessa esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä ja alkeishiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa.
Kaikkein suurienergisintä ja voimakkaimmin ionisoivaa säteilyä.
Voidaan hyödyntää elintarvikkeiden sterilisoinnissa sekä paksujen tai liian tiheiden kohteiden tutkimisessa.

Sähkömagneettisen säteilyn spektri

Auringon spektri Maan pinnalla mitattuna. Auringon spektri on jatkuva spektri.

Yleisesti lämpöliikkeestä peräisin oleva säteily sisältää niin lähekkäin olevia vierekkäisiä aallonpituuksia, että sen spektri näyttää jatkuvalta

Ohessa erään loisteputken spektri, joka on esimerkki viivaspektrista.

Säteily, jota syntyy atomien elektronikuoriin tai ytimiin väliaikaisesti sitoutuneen energian vapautuessa, sisältää vain yhtä tai muutamia aineesta riippuvia aallonpituuksia.

Esimerkki

Radio Suomipopin kuuluu Helsingissä taajuudella 98,1 MHz. Kuinka suuri on radioaaltojen aallonpituus?

Ratkaisu

Kirjataan lähtöarvot

f=98,1 \cdot 10^6 \text{ Hz}

Radioaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, joka etenee tyhjiössä valon nopeudella.

Sovelletaan aaltoliikkeen perusyhtälöä

v=f \lambda .

f \lambda =v

||:f

\lambda = \dfrac{v}{f}

\lambda = \dfrac{2,998 \cdot 10^8 \text{ m/s}}{98,1 \cdot 10^6 \text{ Hz}}

\lambda \approx 3,06 \text{ m}

Vastaus:

Aallonpituus on noin 3,1 m.

7 Sähkömagneettinen säteily ja

8 Valo sähkömagneettisena aaltoliikkeenä

Valon luonne