5.3 Lämpösäteily ja sähkömagneettisen säteilyn lajit
Lämpöliikkeen synnyttämä säteily
Auringon säteily syntyy sen pintaosissa kuuman kaasun rakenneosien lämpöliikkeestä. Lähes kaikki kappaleet lähettävät ympärilleen säteilyä vastaavalla mekanismilla. Syntyvä spektri on jatkuva, sillä lämpöliike on satunnaista, ja siinä esiintyy hyvin paljon eri taajuuksia. Korkeassa lämpötilassa lämpöliike on voimakkaampaa, jolloin säteily painottuu suurempiin taajuuksiin eli lyhyempiin aallonpituuksiin. Lämpöliikettä on myös kylmissä kappaleissa, mutta niiden lähettämä säteily on matalataajuuksista ja teholtaan vähäisempää. Alla on kuva Auringon spektristä.
Musta kappale on ideaalimalli säteilylähteelle, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn, eikä heijasta sitä lainkaan. Useimmat lämpösäteilevät kappaleet, kuten Aurinko tai ihmiskeho, voidaan mallintaa mustiksi kappaleiksi, kun tarkastellaan kappaleen itsensä synnyttämää säteilyä.
Mustan kappaleen lähettämän eli emittoiman säteilyn intensiteettijakauma riippuu ainoastaan kappaleen lämpötilasta. Kaikki samassa lämpötilassa olevat mustat kappaleet tuottavat samanmuotoisen spektrin. Intensiteettijakaumassa on huippukohta, jota kutsutaan intensiteettimaksimiksi. Säteily sisältää tätä aallonpituutta suhteellisesti eniten. Huipun aallonpituus on kääntäen verrannollinen kappaleen absoluuttiseen lämpötilaan Wilhelm Wienin (1864–1928) muodostaman Wienin siirtymälain mukaisesti. Lämpötilan kasvaessa musta kappale emittoi kaikkia aallonpituuksia voimakkaammin ja samalla spektrin huippu siirtyy kohti lyhyempiä aallonpituuksia. Alla on esitetty mustan kappaleen spektrin intensiteettijakaumia eri lämpötiloissa. Voit tutkia mustan kappaleen spektriä tarkemmin myös alla olevassa simulaatiossa.
Simulaatio: mustan kappaleen säteily 
Mustan kappaleen säteilyn spektri ja Wienin siirtymälaki
Musta kappale on ideaalimalli monille sähkömagneettisen säteilyn lähteille, joiden lähettämä säteily perustuu niiden rakenneosien lämpöliikkeeseen.
Mustan kappaleen säteilyn spektri on jatkuva. Spektrin intensiteettimaksimia vastaava aallonpituus [[$ \lambda_{\text{maks}} $]] on kääntäen verrannollinen kappaleen lämpötilaan [[$T$]] Wienin siirtymälain mukaisesti:
[[$ \qquad \lambda_\text{maks}=\dfrac {k}{T} $]]
Tässä [[$k$]] on vakio, [[$ k=0{,}002898 \text{ m}\cdot \text{K} $]].
Kuuma metallikappale on hyvin lähellä ideaalia mustaa kappaletta. Hehkuvan metallin väri kertoo sen lämpötilasta. Kuumennettava metalli alkaa ensin säteillä punertavaa pitkäaaltoista valoa. Sulamispisteen lähestyessä punaista lyhyemmät aallonpituudet voimistuvat, jolloin väri lähestyy valkoista.
Näkyvää valoa pidemmät aallonpituudet
Infrapunasäteily
Kun sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus kasvaa, näkyvä valo muuttuu ihmissilmälle näkymättömäksi infrapunasäteilyksi. Ihminen aistii infrapunasäteilyn lämpönä. Infrapunasäteilyä syntyy aineen rakenneosasten lämpöliikkeessä, kun kappaleiden lämpötilat ovat maapallolle tyypillisen suuruisia. Infrapunasäteilyä hyödynnetäänkin lämpökameroissa ja pimeänäkökameroissa. Näissä kuvissa ympäristöä lämpimämmät ja kylmemmät kohteet esim. kuuma teekannu erottuvat, eli ne säteilevät ympäristöään voimakkaammin tai vähemmin.
Infrapunasäteilyn kautta tutkitaan myös esimerkiksi maapallon lämpötilojen kehittymistä ja ilmastoa. Infrapunasäteilyä hyödynnetään avaruustutkimuksessa. Vuoden 2021 lopussa kohti kiertorataansa lähetetty James Webb -avaruusteleskooppi toimii infrapuna-alueella. Kuvassa on Hubble-avaruusteleskoopin ottama kuva kaasun ja pölyn muodostamasta alueesta. Vasemmanpuoleinen kuva on näkyvän valon ja oikeanpuoleinen infrapunasäteilyn aallonpituudella. Kuvasta huomataan, että infrapunasäteily etenee kaasun ja pölyn läpi näkyvää valoa paremmin, jolloin kaasun ja pölyn seasta paljastuu tähtiä.
Radioaallot
Radioaallot ovat pisimpiä sähkömagneettisen säteilyn aaltoja. Ihminen tuottaa ja vastaanottaa radioaaltoja sähköisillä värähtelypiireillä. Radioaallot, joita käytetään viestintään, kulkevat ilmassa hyvin. Koska valolla on suuri etenemisnopeus, maapallon suuruusluokan matkat tapahtuvat sekunnin murto-osissa. Radion kehittäminen on ollut merkittävä tekijä pitkien välimatkojen yhteydenpidossa, ja nykyäänkin radio on tärkeä viestintäkanava. Radioaaltoja hyödynnetään myös tutkissa, joissa radioaallot heijastuvat kohteista takaisin vastaanottimeen.
Tiedonsiirrossa käytetään antenneja sähkömagneettisen säteilyn lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Antennien toiminta perustuu vaihtovirtaan, jossa elektronien suunta muuttuu säännöllisesti. Antenneissa käytettyjä radioaaltojen taajuuksia on teknologian kehittyessä kasvatettu, jotta lähetysteho paranee. Esimerkiksi uudet 5G-matkapuhelinverkot toimivat 3,5–30 GHz:n taajuuksilla.
Säteilyn taajuuden kasvaessa sen aallonpituus pienenee. Tästä seuraa, että antennin koko pienenee, koska se on tyypillisesti samaa suuruusluokkaa kuin lähetettävän tai vastaanotettavan säteilyn aallonpituus. Taajuuden suurentaminen mahdollistaa tiedon koodaamisen tiheämpään, jolloin tiedonsiirtonopeus kasvaa. Korkean taajuuden haittapuolena on kuitenkin kantaman lyheneminen. Siksi esimerkiksi 5G-tukiasemia tarvitaan huomattavasti tiheämpään kuin 4G-tukiasemia tai vielä vanhempia 3G-tukiasemia. Uusia 5G-asemia rakennetaan ensisijaisesti tiheään asutuille alueille, ja maaseudulla 5G-puhelin voi joutua käyttämään hitaampaa vanhaa 3G-verkkoa.
Mikroaallot
Mikroaallot ovat radioaaltoja lyhyempiä aallonpituuksia. Ihminen tuottaa ja hyödyntää mikroaaltoja radioaaltojen tapaan viestinnässä ja tiedonsiirrossa. Mikroaaltoja käytetään myös lämmityksessä. Mikroaaltouuni on yleinen kotitalouksien perustarvike. Mikroaallot absorboituvat eli imeytyvät vesimolekyyleihin. Ne tuovat tällöin energiaa vesipitoiseen aineeseen lisäten vesimolekyylien lämpöliikettä ja lämmittäen siten ainetta. Kaikkein kylmin aine lähettää lämpösäteilyä mikroaaltojen aallonpituuksilla, josta tunnetuin esimerkki on kosminen mikroaaltotaustasäteily. Kuvassa on esitetty kosmisen taustasäteilyn lämpötilan vaihteluja eri suunnissa avaruutta.
Näkyvää valoa lyhyemmät aallonpituudet
Ultraviolettisäteily
Ultraviolettisäteily eli UV-säteily on lyhytaaltoisempaa kuin violetti näkyvä valo. Näkyvän valon tavoin ultraviolettisäteilyä syntyy hyvin kuumien aineiden rakenneosasten lämpöliikkeessä sekä atomien elektronikuoriin väliaikaisesti sitoutuneen energian vapautuessa.
Ultraviolettisäteilyn, kuten myös röntgen- ja gammasäteilyn, aallonpituus on sen verran pieni, että se on ionisoivaa säteilyä. Ionisoivalla säteilyllä on ihmisen terveyteen liittyviä haittavaikutuksia. Säteilyn suuresta energiasta johtuen atomien ja molekyylien väliset sidokset voivat rikkoutua, mistä aiheutuu haitallisia muutoksia solujen toiminnassa. Toisaalta matalaenergisin UV-säteily aikaansaa D-vitamiinia tuottavia reaktioita osuessaan ihoon. Maapallolla ilmakehän otsonikerros vähentää Auringosta tulevan UV-säteilyn määrää.
Ultraviolettisäteilyä hyödynnetään valontuotossa. Monet materiaalit fluoresoivat, eli lähettävät näkyvää valoa UV-säteilyn osuessa niihin. Tätä ilmiötä hyödynnetään esimerkiksi loisteputkien näkyvän valon tuottamisessa, setelien aitouden tarkastamisessa tai etsittäessä sormenjälkiä rikospaikalta.
Röntgensäteily
Röntgensäteilyä syntyy atomien elektronikuorissa, kun vapautuvan energian määrä on suuri. Lisäksi röntgensäteilyä vapautuu nopeasti liikkuvien sähkövarauksellisten hiukkasten törmätessä aineeseen. Ihminen tuottaa röntgensäteilyä röntgenputkissa ja hyödyntää sitä lääketieteellisenä kuvausmenetelmänä. Röntgensäteily sisältää enemmän energiaa kuin ultraviolettisäteily ja läpäisee pehmytkudokset, mutta pysähtyy luuhun. Röntgensäteilyä käytetään myös esineiden kuvantamisessa esimerkiksi lentokentillä tai tutkimaan aineen rakennetta. Tämä perustuu myös aineiden erilaiseen kykyyn absorboida röntgensäteilyä. Röntgensäteily on ionisoivaa säteilyä ja ihmisen terveydelle vaarallista, jos sille altistutaan liiallisesti.
Gammasäteily
Gammasäteilyä syntyy atomiytimien vapauttaessa energiaa tai alkeishiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa. Gammasäteily on kaikkein suurienergisintä ja voimakkaimmin ionisoivaa säteilyä. Se läpäisee ainetta röntgensäteilyäkin helpommin ja on erittäin haitallista eläville organismeille. Gammasäteilyä käytetään sterilisoimaan elintarvikkeita. Se tuhoaa bakteerit elintarvikkeista. Gammasäteilyn erinomaista aineen läpäisykykyä hyödynnetään paksujen tai tiheiden kohteiden tutkimisessa. Kuvassa on gammasäteilyn läpivalaisema rekan perävaunu. Avaruuden aktiivisimmat kohteet, kvasaarit ja pulsarit, lähettävät gammasäteilyä.
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Betelgeuze on Orionin tähdistössä sijaitseva punainen jättiläistähti, jonka arvioidaan räjähtävän supernovana. Sen jatkuvan emissiospektrin huippukohta on 830 nm. Millaiseksi voidaan tämän perusteella arvioida Betelgeuzen pintalämpötila?
