5.1 – Elektromagnetisk stråling

vi lytter til radioen, bruger mikrobølgeovnen, tænder lyset, ser farverne i en regnbue, eller får taget et røntgenbillede, oplever vi forskellige former for elektromagnetisk stråling. Alle disse typer af elektromagnetisk stråling, inklusiv synligt lys, består af partikler som bevæger sig som bølger af energi.

Bølgelængde og frekvens

Du er nok bekendt med virkningerne af bølgerne på havet. Når du er på stranden, har du måske bemærket, at vandet i bølgerne hæver og sænker sig, som bølgen nærmer sig kysten. Det højeste punkt på bølgen, kaldet bølgetop, hvor det laveste punkt, kaldes bølgedal. På en vindstille dag, er der ofte langt mellem bølgetoppe og -dale. Er der derimod en storm med masser af energi, er bølgetoppene og –dalene meget tættere på hinanden.

Bølgerne i elektromagnetisk stråling, har også bølgetoppe og –dale. Bølgelængden (med symbolet, λ, lambda), er afstanden fra en bølgetop til den næste, eller fra en bølgedal til den næste (se figur 5.1). I nogle typer stråling, er bølgetoppene (eller -dalene) langt fra hinanden, mens de i andre typer, er tæt sammen.

Figur 5.1 – (a) Lys der passerer gennem et prisme, spaltes i et spektrum af farver, som dem vi ser i en regnbue. (b) Bølgelængden (λ), er afstanden fra en bølgetop til den næste, eller fra en bølgedal til den næste.

Frekvensen (med symbolet ν, nu), er antallet af gange bølgetoppene, eller –dalene, passerer et punkt på et sekund. Frekvensen måles i hertz (Hz), hvilket er lig med svingninger/s, eller s-1. Al elektromagnetisk stråling, bevæger sig med lysets hastighed (c), hvilket er 3,00 ∙ 108 m/s. Matematisk, udtrykker bølgeligningen, relationen mellem lysets hastighed (m/s), bølgelængden (m) og frekvensen (s-1):

c=\lambda \cdot v\; \; \; \; \; {\color{Magenta} \textup{B\o lgeligningen}}

Lysets hastighed (c) = 3,00 · 108 m/s = bølgelængde (λ) · frejvens (v)

Lysets hastighed (c) = 3,00 · 108 m·s-1 = bølgelængde (m) · frekvens (s-1)

Lysets hastighed, er omkring en million gange større, end lydens hastighed, hvilket er årsagen til, at vi ser lynet inden vi hører tordenbraget under et tordenvejr.

Det elektromagnetiske spektrum

Det elektromagnetiske spektrum er en inddeling af forskellige typer af den elektromagnetiske stråling, fra de længste bølgelængder til de korteste, eller fra den laveste energi til den højeste. Bølgeligningen for lysets hastighed (c) viser, at forholdet mellem bølgelængde (λ) og frekvens (ν), er omvendt proportionalt.

c=\lambda \cdot v

Hvis bølgelængden bliver kortere, bliver frekvensen højere, eller hvis bølgelængden bliver længere, bliver frekvensen større. Fordi lysets hastighed er konstant, kan vi løse ligningen for beregning af bølgelængden eller frekvensen, hvis vi kender en af disse værdier.

For at løse bølgeligningen algebraisk for frekvensen ν, dividerer vi med bølgelængden λ på begge sider af ligningen:

\frac{c}{\lambda}=\frac{{\color{Red} \lambda}\cdot v}{{\color{Red} \lambda}}=v\; \; \; \; \; \textup{eller}\; \; \; \; \; v=\frac{c}{\lambda}

For at løse bølgeligningen algebraisk for bølgelængden λ, dividerer vi med frekvensen ν på begge sider af ligningen:

\frac{c}{v}=\frac{\lambda\cdot {\color{Red} v}}{{\color{Red} v}}=\lambda\; \; \; \; \; \textup{eller}\; \; \; \; \; \lambda=\frac{c}{v}

Videnskabsfolk har bevist, at energien er proportionel med frekvensen, hvilket betyder, at energien også er omvendt proportional med bølgelængden. Derfor, som bølgelængden af strålingen øges, falder frekvensen og dermed energien.

I den ene ende af det elektromagnetiske spektrum, findes stråling med lang bølgelængde, som for eksempel radiobølger der bruges til AM og FM radiobåndene, mobiltelefoner, og TV signaler. Bølgelængden af en typisk AM radiobølge, kan være så lang som en fodboldbane. Infrarød stråling (IR), er ansvarlig for den varme vi føler fra sollyset, og de infrarøde lamper som bruges i restauranter til at holde maden varm. Når vi skruer op eller ned for volumen, eller skifter fjernsynskanal på fjernsynet, bruger vi en remote control til at sende infrarøde impulser til en modtager i fjernsynet. Trådløs teknologi bruger stråling med højere frekvens end infrarød, for at forbinde mange elektroniske apparater, inklusiv mobiltelefoner og bærbare computere (se figur 5.2).

Synligt lys med bølgelængder fra 700 nm til 400 nm, er det eneste lys, som vore øjne kan opfange. Rødt lys har den længste bølgelængde ved 700 nm; orange er omkring 600 nm; grøn omkring 500 nm; og violet ved 400 nm, har den korteste bølgelængde i synligt lys. Vi ser forskellige objekter som forskellige farver, fordi objektet kun reflekterer bestemte bølgelængder, der absorberes af vores øjne.

Ultraviolet (UV) lys, har kortere bølgelængder og højere frekvenser end det violette lys i det synlige område. UV strålingen i sollys, forårsager alvorlige forbrændinger på huden, der kan lede til hudkræft. Mens noget af Solens UV lys blokeres af Jordens ozonlag, har kosmetikindustrien udviklet solcremer for at forhindre absorption af UV lys i huden. Røntgenstråling har kortere bølgelængder end ultraviolet lys, hvilket betyder at den har nogle af de højeste frekvenser. Røntgenstråler kan trænge igennem bløde materialer, men ikke metaller eller knogler, hvilket gør det muligt at se billeder af knogler og tænder i kroppen.

Figur 5.2 – Det elektromagnetiske spektrum, viser inddelingen af den elektromagnetiske stråling. Den synlige del af spektret, består af bølgelængder fra 700 nm til 400 nm.

Konceptforståelse 5.1

Det elektromagnetiske spektrum

1. Arranger følgende efter faldende bølgelængder: Røntgenstråling, ultraviolet lys, FM radiobølger, og mikrobølger.

2. Synligt lys indeholder farverne fra rød til violet.

a. Hvilken farve ar den korteste bølgelængde?
b. Hvilken farve har den længste bølgelængde?

Svar

1. Den elektromagnetiske stråling med den længste bølgelængde er FM radiobølger, dernæst mikrobølger, så ultraviolet lys, og til sidst røntgenstråling der har den korteste bølgelængde.

2. De kortest bølgelængder er i den blå-violette del af det synlige lys’ spektrum; de længste bølgelængder er i den røde del.

a. Violet lys har den korteste bølgelængde.
b. Rødt lys har den længste bølgelængde. Fordi frekvens er omvendt proportional med bølgelængden, vil rødt lys have den laveste frekvens.

Opgaveeksempel 5.1

Frekvens og bølgelængde

En studerende bruger mikrobølgeovnen for at lave popcorn. Hvis frekvensen af den elektromagnetiske stråling i en mikrobølgeovn er 2,5 · 109 Hz, hvad er bølgelængden, i meter, af mikrobølgestrålingen?

Løsning

Trin 1:
Angiv den oplyste og den ønskede mængde.

Trin 2:
Løs bølgeligningen for den ønskede mængde.

\lambda =\frac{c}{v}

Trin 3:
Indsæt de kendte værdier i bølgeligningen, og beregn den ønskede mængde.
Vi beregner bølgelængden ved at indsætte lysets hastighed (3,00 · 108 m/s, eller 3,00 · 108 m·s-1) og frekvensen i s-1:

=\frac{3,00\cdot 10^{8}\; \textup{m}\cdot \textup{s}^{-1}}{2,5\cdot 10^{9}\; \textup{s}^{-1}}=1,2\cdot 10^{-1}\; \textup{m}

5.2 – Atomspektre og energiniveauer →