Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

Διάγραμμα ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών, 1944,
WM Welch Scientific Company

Μια ενδιαφέρουσα αφίσα σχεδόν 80 χρόνια μετά την δημιουργία της, πλούσια σε επιστημονικά δεδομένα και πληροφορίες για τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ή ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Τι είναι το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα;

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι το σύνολο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ταξινομημένο με βάση τη συχνότητα (0,01 Hz  έως 10²⁴ Hz) ή το μήκος κύματος (10⁵  έως 10^-14 m). 

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μας περιβάλλουν επηρεάζουν τη ζωή μας. Από όλο όμως το εύρος τους τα μάτια μας μπορούν να δουν μια πολλή μικρή περιοχή, το ορατό φως.

Το σύμπαν είναι διάχυτο από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι "κολυμπάμε σε μια θάλασσα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων" από τα οποία μπορούμε να δούμε πολύ λίγα.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα χωρίζεται σε 7 περιοχές των οποίων όμως τα όρια δεν είναι αρκετά σαφή και υπάρχουν περιοχές που επικαλύπτονται. Σε όλες τις περιοχές, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν την ίδια ταχύτητα διάδοσης (στο ίδιο μέσο διάδοσης) και διαφέρουν ως προς τη συχνότητα των κυμάτων της, την ενέργεια που μεταφέρουν  και το μήκος κύματος.

Ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος κατά σειρά ελάττωσης του μήκους κύματος
Μήκος κύματος λ (m)	Συχνότητα (Hz)	Περιοχή του φάσματος (ονομασία)
105m - 30cm	0 - 300 ΜΗz	Ραδιοκύματα
30cm-1mm	300 MHz - 300GHz	Μικροκύματα
106nm(1mm)- 700nm	3*1011Hz - 4*1014Hz	Υπέρυθρη ακτινοβολία
700nm-400nm	4,3*1014Hz - 7,5*1014Hz	Ορατή ακτινοβολία
38*10-8 m - 6*10-8  m	7,5*1014Hz - 2,4*1016Hz	Υπεριώδης ακτινοβολία
10-8 m-10-13  m	2,4*1016Hz - 5*1019Hz	Ακτίνες Χ
10-10 m-10-14  m	5*1019Hz - 3*1022Hz	Ακτίνες γ

Πιο αναλυτικά έχουμε:

Α. Ραδιοκύματα ή ερτζιανά κύματα.

Είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλών σχετικά συχνοτήτων από περίπου 3 Hz έως 300 ΜHz. Η πιο γνωστή τους χρήση είναι για τη μετάδοση του σήματος των ραδιοφωνικών σταθμών. Στα ραδιοκύματα οφείλεται η λειτουργία της τηλεόρασης, του κινητού μας τηλεφώνου αλλά και του ασύρματου τηλεφώνου, του συναγερμού του αυτοκινήτου και του ραντάρ. Χρησιμοποιούνται και για θεραπευτικούς σκοπούς στην Ιατρική, αλλά και στην αστρονομία. Παράγονται από ταλαντώσεις ηλεκτρονίων σε κεραίες.

Χωρίζονται στις εξής περιοχές:

1. Μακρά (συχνότητες 150ΚHz - 300 ΚHz), μεσαία (συχνότητες 300ΚHz - 3000 ΚHz)και βραχέα ραδιοκύματα(συχνότητες 3ΜHz - 30 ΜHz)
2. Τα ραδιοκύματα VHF (Very High Frequency) που χρησιμοποιούνται κυρίως για υψηλής ποιότητας στερεοφωνική μουσική στο ραδιόφωνο / FM.
3. Τα ραδιοκύματα UHF (Ultra High Frequency) που χρησιμοποιούνται στην τηλεόραση,  και στα ραντάρ.

                    B. Μικροκύματα / Microwaves

 Είναι ραδιοκύματα πολύ μικρού μήκους κύματος. Έχουν συχνότητες  0,3 GHz - 300 GHz. Παράγονται από ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Τα μικροκύματα έχουν πολύ περισσότερες εφαρμογές σε σχέση με τις άλλες ζώνες ραδιοκυμάτων λόγω του πλούσιου φάσματός τους.

Χρησιμοποιούνται για εκπομπή επίγειου τηλεοπτικού σήματος (UHF), στην εκπομπή δορυφορικού τηλεοπτικού σήματος,  στην κινητή τηλεφωνία, στην εφαρμογή Wi-Fi, στο πρότυπο ανταλλαγής αρχείων Bluetooth, στα Ραντάρ αλλά και στους φούρνους μικροκυμάτων καθώς οι  συχνότητες τους αλληλεπιδρούν με την ύλη. Η συχνότητα των μικροκυμάτων είναι συνήθως 2,45 GHz  και τα τρόφιμα που θα θερμανθούν θα πρέπει να περιέχουν νερό.

Γ. Υπέρυθρη ακτινοβολία / Infrared (IR)

 Η υπέρυθρη ακτινοβολία τοποθετείται στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ως προέκταση της κόκκινης ορατής ακτινοβολίας, από όπου και πήρε το όνομα "υπέρυθρο". Το μήκος κύματός της είναι από το 1 mm έως τα 700 nm. Εκπέμπεται από θερμά ή θερμαινόμενα  σώματα.  Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος τόσο περισσότερες υπέρυθρες ακτινοβολίες εκπέμπονται. Αντίστοιχα, όταν ένα σώμα απορροφά υπέρυθρη ακτινοβολία αυξάνει τη θερμοκρασία του. Την  υπέρυθρη ακτινοβολία  τη χωρίζουμε σε δύο τμήματα, στο κοντινό που είναι αυτό που βρίσκεται κοντά στο ορατό φως και δεν το αισθανόμαστε καθόλου και στο μακρινό αυτό που πλησιάζει τα μικροκύματα. Η παρουσία του μακρινού υπέρυθρου φωτός γίνεται ιδιαίτερα αισθητή σαν θερμότητα, κάτι που αποτελεί και το κύριο χαρακτηριστικό του.

H υπέρυθρη ακτινοβολία είναι αόρατη και για την ανίχνευσή της υπάρχουν ειδικά όργανα, οι φωρατές υπερύθρου.

Ιδιότητες υπέρυθρης ακτινοβολίας

• Απορροφώνται επιλεκτικά από διάφορα σώματα και προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας τους.
• Διέρχονται μέσα από την ομίχλη και τα σύννεφα.
• Δεν έχουν χημική δράση και δεν προκαλούν φωσφορισμό. 

Εφαρμογές υπέρυθρης ακτινοβολίας

• Λάμπα υπέρυθρης ακτινοβολίας
• Υπέρυθρα θερμαντικά
• Πάνελ υπέρυθρης θέρμανσης
• Θερμικές κάμερες

Με τις θερμικές κάμερες μπορούμε να παρατηρήσουμε, να απεικονίσουμε και να μετρήσουμε το ποσό της θερμότητας που εκπέμπει ένα σώμα (=θερμογραφία).  Οι θερμικές εικόνες, ή  θερμογραφήματα που παίρνουμε είναι η οπτική απεικόνιση του ποσού της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται, μεταδίδεται, και αντανακλάται από ένα αντικείμενο. 

Η  Υπέρυθρη Απεικονιστική Θερμογραφία  χρησιμοποιείται στην ιατρική ως διαγνωστική μέθοδος  πολλών παθήσεων.

Η κτιριακή θερμογραφία (building thermography) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των κτιρίων, στον εντοπισμό προβλημάτων, ενεργειακών απωλειών, στην ανίχνευση υγρασίας, σε έλεγχο στεγανότητας ειδικών χώρων κ. ά. 

• Φωτογράφιση με φιλμ υπέρυθρης ακτινοβολίας

Η υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφάται και ανακλάται από τα αντικείμενα με ιδιαίτερο τρόπο και δημιουργεί μια άλλη οπτική πραγματικότητα που είναι ιδιαίτερα δημοφιλής στους καλλιτέχνες φωτογράφους. Μια περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας, κοντά στο ορατό φως, μπορεί να καταγραφεί με ειδικά φωτογραφικά φιλμ, έγχρωμα και ασπρόμαυρα και έτσι να δούμε εικόνες από αυτό που δεν μπορούν να αντιληφθούν άμεσα τα μάτια μας. Ευαισθησία σ'  αυτό το κοντινό υπέρυθρο φως έχουν και οι αισθητήρες των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών.

 Με υπέρυθρες ακτίνες μπορούμε να φωτογραφίσουμε ακόμα και στο σκοτάδι ή μέσα από ομίχλη.

Δέντρο που φωτογραφήθηκε στο κοντινό υπέρυθρο.

Το ίδιο δέντρο στο ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Δ. Ορατό φως

Είναι το φως που βλέπουμε γύρω μας και εκτείνεται σε μια πολύ στενή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με μήκη κύματος από 700nm έως 400nm.

Χρώμα	Μήκη κύματος
Ερυθρό (κόκκινο)	700 nm   έως   630 nm
Πορτοκαλί	630 nm   έως   590 nm
Κίτρινο	590 nm   έως   560 nm
Πράσινο	560 nm   έως   480 nm
Κυανό (μπλε)	480 nm   έως   440 nm
ιώδες	440 nm   έως   400 nm

Σε ηλικία μόλις 23 ετών, ο Isaak Newton απέδειξε με τη βοήθεια ενός πρίσματος και με μια σειρά από ιστορικά πειράματα, ότι το λευκό φως είναι μίγμα επτά χρωμάτων.

Με τα πειράματα αυτά διέψευσε αυτό που πίστευαν πολλοί, ότι δηλαδή το πρίσμα ήταν αυτό που πρόσθετε  χρώματα στο φως.

Ε. Υπεριώδης ακτινοβολία / Ultraviolet (UV)

Υπεριώδης ακτινοβολία ονομάζεται η περιοχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της οποίας το μήκος κύματος στο κενό κυμαίνεται περίπου μεταξύ 380 nm και 60 nm. Ανακαλύφθηκε το 1801, από τον Γερμανό Johann Wilhelm Ritter. Κύρια πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας είναι ο ήλιος.  Είναι επικίνδυνη ακτινοβολία και το στρώμα του όζοντος προστατεύει την επιφάνεια της γης από αυτήν.  Η αραίωση του στρώματος του  όζοντος (τρύπα του όζοντος) αποτελεί  σοβαρή βιολογική και οικολογική απειλή.

Υπάρχουν τρία είδη υπεριώδους ακτινοβολίας:

UV-A: Αυτή η ακτινοβολία έχει μήκη κύματος στο κενό μεταξύ 315 nm και 400 nm. Είναι το πιο ακίνδυνο είδος.

UV-B: Αυτή η ακτινοβολία έχει μήκη κύματος στο κενό μεταξύ 280 nm και 315 nm. Αυτή προκαλεί το μαύρισμα, αλλά μπορεί να γίνει επικίνδυνη και ευθύνεται για τις σοβαρότερες επιδράσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας στην υγεία του ανθρώπου, όπως είναι το ερύθημα, ο καταρράκτης και οι καρκίνοι του δέρματος

UV-C: Αυτή η ακτινοβολία έχει μήκη κύματος στο κενό μεταξύ 40 nm και 280 nm . Είναι το πιο επικίνδυνο είδος της υπεριώδους ακτινοβολίας, καθώς διασπά τα νουκλεϊκά  οξέα και καταστρέφει τις πρωτεΐνες.

Ιδιότητες υπεριώδους ακτινοβολίας

• Προκαλεί αμαύρωση των φωτογραφικών πλακών.
• Προκαλεί το φθορισμό σε διάφορα σώματα, όταν δηλαδή προσπίπτει σε ορισμένα σώματα, τότε αυτά εκπέμπουν χαρακτηριστικές ορατές ακτινοβολίες.
• Συμμετέχει στη μετατροπή του οξυγόνου της ατμόσφαιρας σε όζον.
• Όταν απορροφάται από υλικά σώματα (όπως άλλωστε και οι ακτίνες οποιουδήποτε χρώματος), προκαλεί τη θέρμανσή τους.
• Υπεριώδης ακτινοβολία με πολύ μικρό μήκος κύματος προκαλεί βλάβες στα κύτταρα του δέρματος, οι οποίες μπορεί να είναι τέτοιες, ώστε να οδηγήσουν και στην εμφάνιση καρκίνου. Κατά τη διάρκεια της ηλιοθεραπείας το μαύρισμα του δέρματος οφείλεται στη μελανίνη που παράγει ο οργανισμός, για να προστατευθεί από την υπεριώδη ακτινοβολία.
• Χρησιμοποιείται στην Ιατρική για πλήρη αποστείρωση διάφορων εργαλείων.

Η υπεριώδης ακτινοβολία βρίσκεται στο όριο της ιονίζουσας με την μη ιονίζουσα ακτινοβολία, δηλαδή μέρος του φάσματός της έχει ενέργεια ικανή να προσκαλέσει ιονισμό, ενώ το υπόλοιπο μέρος του φάσματός της έχει χαμηλότερη ενέργεια, η οποία δεν μπορεί να προκαλέσει ιονισμό αλλά προκαλεί φωτοχημικές επιδράσεις.  

Η υπεριώδης ακτινοβολία έχει χαρακτηριστεί από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας ως καρκινογενής για τον άνθρωπο.

ΣΤ. Ακτίνες  Χ / ή ακτίνες Röntgen

Οι ακτίνες Χ είναι αόρατη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που έχει πολύ μικρά μήκη κύματος από 10^-8 m έως 10^-13  m. Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 1896 από τον Γερμανό φυσικό Wilhelm Conrad Röntgen (βραβείο Nobel 1901).

Στην εικόνα, φαίνονται πάνω αριστερά ο σωλήνας Crookes (συσκευή 

παραγωγής των ακτίνων Χ) και κάτω αριστερά είναι ένα skiascope. 

Δεξιά, η πρώτη ακτινογραφία, το χέρι της κυρίας Röntgen

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι μέσω της επιτάχυνσης ηλεκτρονίων από δυναμικό δεκάδων χιλιάδων V και της πρόσπτωσή τους σε στόχο (άνοδος)  ο οποίος αποτελείται από μεταλλικό υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, συνήθως βολφράμιο ή μολυβδένιο. Έτσι αιτίες παραγωγής τους είναι

• H επιβράδυνση των ηλεκτρονίων που προσκρούουν με μεγάλη ταχύτητα στο μεταλλικό στόχο.
• Η αποδιέγερση ατόμων. 

Χρήσεις των ακτίνων Χ

• Ιατρική:  Ακτινογραφία - Ακτινοσκόπηση - Αξονική τομογραφία.
• Βιομηχανία: Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, για να διαπιστωθεί η ύπαρξη κοιλοτήτων, ραγισμάτων ή άλλων ελαττωμάτων στο εσωτερικό των μεταλλικών αντικειμένων.
• Κρυσταλλογραφία: μελέτη των διαφόρων κρυσταλλικών δομών στερεών σωμάτων.
• Ασφάλεια: έλεγχος αποσκευών στα αεροδρόμια.
• Έλεγχος τροφίμων: Οι ακτίνες-Χ μπορούν επίσης να εισχωρήσουν στα προϊόντα τροφίμων και να επιτρέψουν την απεικόνιση των ενδογενών χαρακτηριστικών του τροφίμου, αναγνωρίζοντας φυσικά ελαττώματα ή μολυντές χωρίς να βλάπτουν το τρόφιμο.
• Εξερεύνηση του Σύμπαντος.

Βιολογικές βλάβες που προκαλούν οι ακτίνες Χ

• Όταν απορροφηθούν από τους ιστούς, διασπούν τους μοριακούς δεσμούς και δημιουργούν ενεργές ελεύθερες ρίζες, που με τη σειρά τους μπορεί να διαταράξουν τη μοριακή δομή των πρωτεϊνών και ειδικά του γενετικού υλικού (DNA).
• Αν το κύτταρο που έχει υποστεί βλάβη από την ακτινοβολία επιβιώσει, τότε μπορεί να δώσει πολλές γενεές μεταλλαγμένων κυττάρων.
• Αν οι αλλαγές στο DNA αφορούν γονίδια που ελέγχουν το ρυθμό πολλαπλασιασμού των κυττάρων, οι ακτίνες Χ μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο.
• Η υπερβολική έκθεση ενός οργανισμού σε ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει μεταβολές στα γενετικά κύτταρα. Σ' αυτή την περίπτωση, ενώ ο ίδιος οργανισμός δε θα εμφανίσει κάποια βλάβη, θα επηρεαστούν οι απόγονοι του.

Ζ.  Ακτίνες γ

Είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκη κύματος που αρχίζουν από 10-10 m και φτάνουν ως τα 10-14 m, ώστε να είναι συγκρίσιμο με τη διάμετρο ενός πυρήνα ατόμου. Οι ακτίνες γ έχουν τη μεγαλύτερη συχνότητα και ενέργεια από όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες.

Ανακαλύφθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα με τις ακτίνες Χ το 1896, από τον Γάλλο φυσικό Henry Becqurel, όταν διαπίστωσε ότι οι κρύσταλλοι ενός άλατος του ουρανίου εξέπεμπαν αόρατη ακτινοβολία.

Προκύπτουν από τη διάσπαση  των ραδιενεργών πυρήνων, από τις  πυρηνικές αντιδράσεις και από τις αντιδράσεις και τις διασπάσεις των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ακτινοβολία γ είναι προϊόν ενός από τους τρεις τρόπους παραγωγής ραδιενέργειας  που ονομάζεται διάσπαση γ.

Ιδιότητες ακτίνων γ

• Είναι πολύ διεισδυτικές και βλάπτουν τους οργανισμούς που τις απορροφούν.
• Διασπούν τις ουσίες των κυττάρων και μεταλλάσσουν το DNA  προκαλώντας τον θάνατο σε όλους σχεδόν τους οργανισμούς που εκτίθενται σε αυτές.

Χρήσεις των ακτίνων γ

• Αποστείρωση τροφίμων όπως το γάλα και το κρέας (οι ακτίνες γ σταματούν τις ζυμώσεις χωρίς να καταστρέφουν τις βιταμίνες), ιατρικών εργαλείων (μικροσύριγγες) και φαρμακευτικών προϊόντων (αντιβιοτικά). Οι ακτίνες γ εξοντώνουν όλους τους μικροοργανισμούς.
• Θεραπευτική ιατρική (ραδιοθεραπεία και ελεγχόμενη ακτινοθεραπεία) για την εξόντωση καρκινικών κυττάρων.
• Ακτινοδιαγνωστική. Μια τεχνική που χρησιμοποιεί τις ακτίνες γ είναι το σπινθηρογράφημα όπου η ακτινοβολία παράγεται από ειδικό ραδιενεργό υγρό που έχει χορηγηθεί στον εξεταζόμενο.
• Ραδιοχρονολόγηση. Η ραδιοχρονολόγηση είναι ραδιομετρική μέθοδος χρονολόγησης με τη χρήση του ραδιενεργού άνθρακα-14 και αποτελεί βασική μέθοδο προσδιορισμού της ηλικίας ευρημάτων από οργανική ύλη, με εφαρμογές στην αρχαιολογία, στην παλαιοντολογία, στη γεωφυσική, στη γεωλογία και άλλες επιστήμες.

Πηγές

Φυσική Β' Γενικού Λυκείου, Γενικής παιδείας:  ebooks.edu.gr › new › books-pdf

ΦΥΣΙΚΗ. ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Γ′ ΤΑΞΗΣ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ: ebooks.edu.gr › ebook › show.php › DSGL-C107

Φυσική Γ' Γενικού Λυκείου, Ομάδα  Προσανατολισμού Θετικών σπουδών: ebooks.edu.gr › ebook › show.php › DSGL-C108

el.wikipedia.org › wiki › Ηλεκτρομαγνητικό_φάσμα

Πηγές φωτογραφιών

www.flickr.com

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reiki-thermography-little.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Passivhaus_thermogram_gedaemmt_ungedaemmt.png

https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_photography

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X-rays.jpg: Από το νέο εικονογραφημένο λεξικό του Webster που βασίζεται στο λεξικό Unabridged του Noah Webster, αναθεωρημένο και επιμελημένο από τους Edward T. Roe και Charles Leonard-Stuart, Δημοσιεύθηκε από το syndicate Publishing Company της Νέας Υόρκης το 1911. 

https://www.naturphilosophie.co.uk/the-future-of-radiocarbon-dating-and-an-overview-of-the-ams-technique/

http://users.sch.gr/izogakis/yperythro-fos-ke-ta-mystika-ton-zografon/