5.2 Sähkömagneettisen säteilyn spektri
Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä
Valo on yksi sähkömagneettisen säteilyn lajeista. Sähkömagneettinen säteily on sähkö- ja magneettikenttien värähtelynä etenevää poikittaista aaltoliikettä. Alla olevassa kaaviossa on esitetty sähkömagneettisen säteilyn lajeja aallonpituuden mukaan. Kaavio esittää sähkömagneettisen säteilyn spektrin. Kuvassa ovat sähkömagneettisen säteilyn kaikki lajit lyhytaaltoisimmasta gammasäteilystä pitkäaaltoisimpiin radioaaltoihin. Säteilylajien väliset rajat eivät yleensä ole tarkasti määriteltyjä, koska eri säteilylajilla on esim. omanlaisensa syntytapa.
Näkyvä valo on sähkömagneettista säteilyä, jonka ihmissilmä aistii. Näkyvä valo kattaa aallonpituudet 380 nm ... 750 nm. Keskeisimpiä näkyvän valon lähteitä ovat Aurinko, tähdet sekä ihmisen kehittämät valaisimet. Aurinko säteilee kaikkein voimakkaimmin näkyvän valon aallonpituuksia, minkä johdosta ihmisen näköaisti on kehittynyt juuri näkyvän valon aallonpituuksille. Ihminen erottaa näkyvän valon eri aallonpituudet eri väreinä. Jokaista väriä vastaa oma aallonpituusalue. Värinäkö perustuu ihmissilmässä oleviin kolmen tyyppisiin tappisoluihin, jotka ovat herkkiä eri aallonpituusalueille: punaiselle, vihreälle ja siniselle valolle.
| Väri | Aallonpituus (nm) |  |
|---|---|---|
| violetti | 400−450 | |
| sininen | 450−490 | |
| vihreä | 490−560 | |
| keltainen | 560−590 | |
| oranssi | 590−630 | |
| punainen | 630−700 |
Mustaa ei lueta väriksi, koska se ei ole sähkömagneettista säteilyä. Pinta nähdään mustana, jos se ei lähetä tai heijasta säteilyä näkyvän valon aallonpituuksilla. Valkoinen valo taas on säteilyä, jossa on kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia. Auringon näkyvä valo on valkoista valoa. Kun valkoinen valo osuu sopivasti prismaan tai hilaan, värit erkanevat toisistaan ja säteilyn sisältämät värit tulevat näkyviin.
Sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia
Sähkömagneettisen säteilyn alkuperä on sähkövarauksissa. Aiemmissa fysiikan opinnoissa on käsitelty sähkökenttää, jonka varaus muodostaa ympärilleen. Paikallaan olevan varauksen sähkökenttä on staattinen, eikä sillä ole magneettikenttää. Luvussa 1 on opittu, että liikkuvat varaukset, kuten virtajohdin, synnyttävät magneettikentän. Sähkömagneettinen aalto syntyy varauksen ollessa kiihtyvässä liikkeessä. Tällöin sen magneettikenttä ja sähkökenttä ovat jatkuvassa muutoksessa, joka etenee valonnopeudella ympäristöön. Alla oleva kuva havainnollistaa paikallaan olevan ja pystysuunnassa värähtelevän varatun hiukkasen sähkökenttää.
Sähkömagneettista säteilyä esiintyy kaikkialla, koska ympärillä olevilla kappaleilla on lämpötila. Lämpöliikkeen takia protoneista ja elektroneista koostuvat aineen rakenneosaset liikkuvat jatkuvasti edestakaisin ja ovat kiihtyvässä liikkeessä. Kappaleen lähettämän säteilyn laji riippuu sen lämpötilasta. Esimerkiksi hehkulamppu tuottaa infrapunasäteilyn lisäksi näkyvää valoa. Ihmiskeho sirottaa näkyvää valoa, mutta lähettää itse infrapunasäteilyä. Ihmisen lähettämä säteily nähdään infrapunakameran kuvassa. Vaikka Auringossa syntyy voimakkaimmin näkyvää valoa, se tuottaa myös muunlaista sähkömagneettista säteilyä, etenkin infrapuna- ja ultraviolettisäteilyä.
Kiihtyvässä liikkeessä olevat varaukset eivät ole ainoa sähkömagneettisen säteilyn lähde. Atomien ytimiin tai elektronikuoriin voi sitoutua hetkellisesti energiaa, joka vapautuu sähkömagneettisena säteilynä. Jälkimmäiseen ilmiöön perustuvat esimerkiksi laser, ledit ja loisteputket. Tähän syntytapaan perehdytään tarkemmin Resonanssi 8 -oppikirjassa.
Aaltoliikkeen taajuus [[$f$]] muodostuu säteilylähteen ominaisuuksien perusteella. Aaltoliikkeen etenemisnopeus [[$v$]] taas riippuu väliaineesta. Aallonpituus [[$\lambda$]] määrittyy aaltoliikkeen perusyhtälön mukaisesti. Sähkömagneettinen aaltoliike etenee valonnopeudella, jota merkitään tunnuksella [[$c$]]. Valonnopeus tyhjiössä on suurin mahdollinen nopeus luonnossa. Kaikissa väliaineissa valo etenee tätä hitaammin, mutta ilmassa valonnopeus on lähes sama kuin nopeus tyhjiössä.
Aaltoliikkeen perusyhtälö ja valonnopeus
[[$ \qquad c=\lambda f$]]
Sähkömagneettinen aaltoliike etenee valonnopeudella [[$c$]]. Valonnopeus tyhjiössä on [[$c_0=2{,}998\cdot 10^8 \text{ m/s} $]].
Sähkömagneettinen säteily absorboituu väliaineeseen. Tällöin säteilyn energia siirtyy väliaineen rakenneosasille. Absorption voimakkuus riippuu väliaineen lisäksi säteilylajista. Esimerkiksi näkyvä valo ja radioaallot kulkevat Maan ilmakehän läpi, mutta infrapunasäteilyä absorboituu ilmakehään merkittäviä määriä. Sähkömagneettinen säteily myös heijastuu tai siroaa rajapinnoista. Näkyvän valon käyttäytymistä rajapinnassa esitellään luvussa 6.1.
Sähkömagneettisen säteilyn voimakkuus
Säteilyn mukana siirtyvää energiaa kuvataan intensiteetillä. Intensiteetti on sama suure, jolla kuvattiin äänen voimakkuutta Resonanssi 5 -oppikirjassa. Intensiteetti määritellään aaltoliikkeen sekunnin aikana neliömetrille tuomana energiamääränä.
Intensiteetti
[[$\qquad I=\dfrac{P}{A}$]],
[[$P$]] on säteilyn pinta-alalle [[$A$]] siirtämä teho, eli energia aikayksikköä kohden. Intensiteetin yksikkö W/m².
Lämpöliikkeen seurauksena syntyvässä säteilyssä on hyvin lähekkäin olevia vierekkäisiä aallonpituuksia, jolloin spektri näyttää jatkuvalta. Lämpötilasta riippuu, millä aallonpituuksilla kappale säteilee voimakkaimmin. Kappale on sitä kuumempi, mitä lyhytaaltoisempaa sen lähettämä säteily on.
Kuvassa alla esitetään Auringon spektri maanpinnalla. Auringon spektri on jatkuva. Vaaka-akselilla on säteilyn aallonpituus, jota on havainnollistettu väreillä näkyvän valon aallonpituusalueella. Pystyakselilla on säteilyn suhteellinen intensiteetti. Suhteellinen intensiteetti kertoo, kuinka suuri osa säteilystä on tiettyä aallonpituutta. Ilmakehä suodattaa näkyvää valoa lyhytaaltoisemman ultraviolettisäteilyn lähes kokonaan pois.
Hehkulampun valo syntyy hehkulangan lämpötilan noususta riittävän korkeaksi. Hehkulampun lähettämä spektri muistuttaa Auringon spektriä, mutta se säteilee voimakkaimmin infrapunasäteilyä näkyvän valon sijaan. Tämä johtuu siitä, että hehkulanka on Auringon pintaa kylmempi.
Kaikki sähkömagneettisen säteilyn lähteet eivät tuota jatkuvia spektrejä. Arkinen esimerkki on loisteputken lähettämä valo, jonka spektri on alla olevassa kuvassa. Loisteputken lähettämä valo koostuu jatkuvan spektrin sijaan vain joistakin aallonpituuksista. Riippuen loisteputken rakenteesta ja säteilyn painottumisesta eri aallonpituuksiin valo voi näyttää hieman sinertävältä tai kellertävältä valkoisen sijaan.
Laservalo ja ledit lähettävät vain yhtä aallonpituutta. Tällaista säteilyä kutsutaan monokromaattiseksi (kreikaksi mono = yksi, khroma = väri). Ohessa on punaisen laserin lähettämä spektri. Nykyään on olemassa myös valkoisia ledejä. Ne ovat todellisuudessa sinistä valoa säteileviä ledejä, joiden pinta on päällystetty fluoresoivalla aineella. Tällainen aine lähettää useita aallonpituuksia sinisen valon tai ultraviolettisäteilyn osuessa siihen.
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Säännölliset TV-lähetykset alkoivat Suomessa vuonna 1957. Laske lähetyksen sähkömagneettisten aaltojen aallonpituus, jos niiden taajuudeksi oletetaan 600 MHz. Laske, kuinka kauas avaruuteen kyseisenä vuonna lähteneet signaalit ovat edenneet vuoteen 2018 mennessä.
Esimerkki 2
Valo leviää pistemäisestä lähteestä joka suuntaan. 0,50 metrin etäisyydellä lähteestä intensiteetiksi mitataan 85 mW/m2. Määritä lähteen säteilyn teho.
Esimerkki 3
Radioaaltojen taajuus on 96,2 MHz. Punaisen valon aallonpituus on 640 nm.- Kuinka suurella nopeudella i) radioaallot ii) punainen valo etenee tyhjiössä?
- Kuinka suuri on radioaaltojen aallonpituus tyhjiössä?
- Kuinka suuri on punaisen valon taajuus?
Näytä ratkaisu