Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen säteily on säteilyn etenemissuuntaa vasten kohtisuoraan tapahtuvaa sähkö- ja magneettikenttien värähtelyä.

Sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkanen on massaton fotoni ja säteily etenee tyhjiössä valon nopeudella Säteilyn energia on suoraan verrannollinen taajuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Taajuus kertoo jaksojen ('aaltojen') määrän aikayksikössä. SI-järjestelmän mukainen taajuuden yksikkö on Hertsi (Hz), joka kertoo jaksojen määrän sekunnissa.

Sähkömagneettisten aaltojen aaltoyhtälö voidaan johtaa yleistä sähkömagneettista kenttää kuvaavista Maxwellin yhtälöistä.

thumb|Aallonpituus .

Aallonpituus on sen matkan pituus, jonka sähkömagneettinen kenttä etenee yhden jakson aikana. Se saadaan jakamalla aallon etenemisnopeus taajuudella:

missä v on aallon etenemisnopeus (m/s), ja f on aallon taajuus (Hz). Väliaineessa etenemisnopeus hidastuu, joten myös aallonpituus lyhenee.

thumb|490px|Sähkömagneettinen spektri. Tarkoituksenmukainen sähkömagneettinen säteily on tyypillisesti jokin kapea alue spektristä. Ympäristö säteilee useilla eri spektrin osa-alueilla.

Sähkömagneettinen spektri jaetaan tyypillisesti erilaisten ominaisuuksiensa mukaisiin pääryhmiin, jotka ovat matalataajuisimmasta suuritaajuisimpaan radiotaajuus- (sis. mikroaallot), infrapuna-, näkyvä valo, ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteily.

Vain ionisoivaa säteilyä pidetään yleisesti terveysriskinä. Ionisoivaa sähkömagneettista säteilyä ovat röntgen ja gammasäteily sekä osin ultraviolettisäteily. Nämä ovat näkyvää valoa korkeataajuisempaa ja täten energisempää säteilyä. Radiotaajuinen- ja infrapunasäteily (lämpösäteily) eivät ole ionisoivaa säteilyä ja niiden energia on näkyvän valon energiaa pienempää. Lämpösäteily voi luonnollisesti aiheuttaa kudokseen palovamman lämpövaikutuksen kautta.

Energia, teho

Säteilykvantin energia ja liikemäärämomentti määräytyy (tyhjiössä) säteilyn taajuuden mukaan; mitä suurempi taajuus, sitä suurempi energia: säteilyn energia on siis suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen; mitä suuritaajuisempaa säteily on, sitä suurienergisemmästä säteilystä on kyse. Yksittäinen fotoni voi kuljettaa vain tietyn määrän energiaa.

Säteilyn tehon määrittää energian lisäksi fotonien määrä tietyllä pinta-alalla tiettynä ajanjaksona; kokonaisteho määräytyy kvanttien ajallisen tiheyden - intensiteetin - mukaan; mitä suurempi määrä kvantteja osuu tarkasteltavalle pinta-alalle tarkastelujaksolla, sitä suurempi on säteilyn teho. Intensiteetti ilmoitetaan SI-järjestelmässä W/m2 (wattia neliömetrille). Watti itsessään sisältää aikamääreen sekunti. Yksittäisen kvantin energia ja liikemäärämomentti määräytyy (tyhjiössä) siis kuitenkin vain taajuuden mukaan.

Syventävää tietoa: #Energiatiheys ja intensiteetti

Säteilyn ja aineen vuorovaikutus

Emittoituminen, eteneminen ja absorboituminen

Materiaali emittoi ja absorboi samoilla taajuuksilla; se taajuus mikä absorboituu on sama, jota materiaali emittoi absorption aikaansaaman viritystilan lauetessa.

Emittoituminen

Kvanttiteorian mukaan sähkömagneettisen säteilyn lähde ei koskaan kykene emittoimaan energiaa jatkuvana virtana, vaan säteily on aina kvantittunutta, eli se emittoituu vain tietyn suuruisina paketteina, eli säteilykvantteina, eli fotoneina.

Valoemissio on mahdollinen myös kun vapaan elektronin energia muuttuu kiteen energiavyön sisällä. Sähkömagneettinen aalto emittoituu aina kun sähkövaraus on kiihtyvässä liikkeessä.

Ympärillämme on jos jonkin taajuista ja voimakkuudellista säteilyä, eikä suinkaan ainoastaan ihmisen synnyttämää. Aurinko on ehkä selkein sähkömagneettisen säteilyn lähde; valo on sähkömagneettista säteilyä (aallonpituus ) ja kaikki sähkömagneettinen säteily eteneekin tyhjiössä valon nopeudella .

Mikä tahansa kappale, jonka lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, lähettää (emittoi) sähkömagneettista säteilyä.

Milloin atomin tai molekyylin viritystila purkautuu - esimerkiksi kappaleen jäähtyessä, niin atomi palaa alemmalle energiatasolle vapauttaen ylimääräisen energian sähkömagneettisena säteilynä (lämpösäteily), eli emittoi fotonin. Emittoidun säteilyn taajuuden määrittää vapautuneen energian määrä; energiamäärä on sama kuin energiatilan muutos.Etälukio : Eri olomuodot

Sähkömagneettisen säteilyn laaja kirjo voidaan jakaa eri taajuusalueisiin erikoisominaisuuksiensa mukaan: radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä eri taajuusalueet muodostavat yhdessä sähkömagneettisen spektrin.

Eteneminen

Säteilyn etenemisnopeus on väliaineesta riippuvainen suure. Tyhjiössä sähkö- ja magneettikenttä etenee valonnopeudella Koaksiaalikaapelissa etenemisnopeus putoaa 66 prosenttiin valonnopeudesta.

Tyhjiössä sähkö- ja magneettikentän muutokset ovat yhtäläiset..

Absorptio

Aineen absorboidessa ('ottaessa vastaan') sähkömagneettista säteilyä, johtaa se aineen – atomin tai molekyylin – virittymiseen jollain mekanismilla. Aine voi vastaanottaa vain diskreettejä säteilypaketteja; yksittäinen fotoni ei voi absorboitua vain osittain.

Säteilyenergia absorboituu kohtaamaansa materiaan silloin kun sen taajuus vastaa jotain molekyylin tai atomin luontaisista taajuuksista. Toisin sanoin; vastaa energiaa, joka mekanismin virittymiseen tarvitaan. Virittyminen on mahdollista vain, milloin virittymiseen tarvittava energia vastaa aallon energiaa; energiaa ei voi jäädä yli. Molekyylien ja atomien osien virittymiseen liittyvät taajuusalueet: atomiytimen spin on herkkä radiotaajuiselle ja mikroaaltoiselle säteilylle atomiytimet ovat herkkiä gammasäteilylle molekyylin pyörimisliike on herkkä mikroaaltoalueen säteilylle molekyylin värähtely on herkkä infrapunasäteilylle (lämpösäteilylle) sisimmät elektronit ovat herkkiä röntgensäteilylle uloimmat elektronit ovat herkkiä näkyvälle valolle sekä infrapuna- ja ultraviolettisäteilylle

Ilmakehän, eli troposfäärin ilmankosteuden vesimolekyylit (H2O) ovat voimakkaasti polaarisia ja omaavat laajan resonanssialueen ja absorboikin sähkömagneettista säteilyä täten laajalla taajuusalueella.

Vesihöyryn resonanssitaajuuksia ovat ainakin 22, 183 ja 325 GHz.

Antenni on sovitin, joka sovittaa sähkömagneettisen singnaalin ja virtapiirin toisiinsa; antenniin absorboitunut säteily muuttuu sähkövirraksi ja antenni on näin jatkuvasti 'virittymisherkässä' tilassa. Antenni on myös suodin, joka on viritetty tietyn taajuisen sähkömagneettisen säteilyn vastaanottamiseen.

Heijastuminen, taittuminen ja sironta

Heijastuminen: Jos valo lähetetään kohti tasoa, osa siitä heijastuu takaisin. Tasoon tulevan ja tasosta heijastuvan valon kulma on tason normaaliin nähden sama.

Taittuminen: Kun valonsäde siirtyy väliaineesta toiseen, sen kulkusuunta muuttuu, ellei tulosuunta ole pinnan normaalin suuntainen. Jotkut väliaineet ovat alttiimpia sähkökentän vaikutukselle kuin toiset eli ovat enemmän permittiivisiä. Väliaineen taitekertoimeen vaikuttavat aineen suhteellinen permittiivisyys ja permeabiliteetti. Taitekertoimeen vaikuttaa myös aallon pituus.

Sironta: Fotoni voi sirota atomista niin, että atomi absorboi fotonin ja emittoi toisen fotonin.

Säteily lämmön siirtymismekanismina

Taivaankappaleiden energiataloudessa säteily on merkittävin energian siirtymismekanismi, sillä taivaankappaleita ympäröivässä avaruuden tyhjiössä lämmön siirto johtumalla tai konvektiolla on mahdotonta. Maapallon energiataloudessa säteilyn vuorovaikutus maanpinnan ja ilmakehän kanssa määrittelee planeetan lämpötilan. Yläilmakehään tulee jatkuvasti Auringon säteilyä. Osa säteilystä heijastuu takaisin ilmakehästä ja pilvistä, osa absorboituu pilviin ja osa etenee pilvien läpi maanpinnalle. Maanpinta absorboi osan säteilystä osan säteilystä heijastuessa takaisin ilmakehään. Maanpinta puolestaan lähettää korkeampiaallonpituuksista infrapunasäteilyä avaruuteen, mikä jäähdyttää planeettaa. Se, miten tehokkaasti ilmakehän eri kerrokset absorboivat säteilyä ennen sen poistumista avaruuteen määrää kasvihuoneilmiön tehokkuuden ja maapallon lämpötilan muiden ilmastoon vaikuttavien ilmiöiden ohella.

Sähkömagneettisen säteilyn lajit

frame|Sähkömagneettisen säteilyn lajit: γ = gammasäteily HX = Kova röntgensäteily SX = Pehmeä röngtensäteily EUV = Ultraviolettisäteily (UVA ja UVB) NUV = Ultraviolettisäteily (UVC) Näkyvä valo NIR = Lähi-infrapuna MIR = Keski-infrapuna FIR = Kaukoinfrapuna

Mikroaallot ja radioaallot: EHF = (Extremely high frequency) Mikroaallot SHF = (Super high frequency) Mikroaallot UHF = (Ultrahigh frequency) Mikroaallot VHF = (Very high frequency), Ultralyhyet aallot (ULA) HF = (High frequency), Suurtaajuusaallot, lyhyet aallot MF = (Medium frequency), Keskiaallot LF = (Low frequency), pitkät aallot VLF = (Very low frequency) ELF = (Extremely low frequency)

Radio- ja mikroaallot

Katso: Radioaallot Mikroaallot

Sähkömagneettista säteilyä syntyy erilaisten ilmiöiden aiheuttamana. Matalilla taajuuksilla tyypillisiä radioaaltojen lähteitä ovat erilaiset sähköiset oskillaattorit, jotka sopivaan rakenteeseen eli antenniin kytkettyinä säteilevät. Myös tähdet ja muut syvän taivaan kohteet lähettävät säteilyä jo muutamien tuhansien hertsien taajuuksilta alkaen. Oskillaattoreiden ja antennien rakentaminen vaikeutuu, kun siirrytään useiden satojen gigahertsien taajuusalueelle.

Molekyylien pyörimistiloihin liittyvät viritykset säteilevät puolestaan gigahertsin luokkaa olevilla taajuuksilla.

Infrapuna-, valo-, röntgen-, ja gammasäteily

Luonnollisista rakenteista säteileviksi muodostuvat molekyylien värähtelytilat, jotka säteilevät mikrometriluokan aallonpituuksilla. Tavanomainen huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden lämpösäteily sijoittuukin näille spektrin osille. Atomien ja molekyylien elektronien viritystilat ovat puolestaan energioilla, jotka vastaavat satojen nanometrien aallonpituuksia eli valoa, lähi-infrapunaa ja ultraviolettisäteilyä. Myös kuumat kappaleet säteilevät tällä aallonpituusalueella.

Ultravioletti- ja röntgensäteily liittyvät lähellä atomin ydintä olevien elektronien suuriin energioihin. Röntgensäteilyksi kutsutaan myös väliaineessa tehokkaasti jarruuntuvien elektronien lähettämää jarrutussäteilyä. Osittain päällekkäin tämän energia-alueen kanssa menee gammasäteily, joka on radioaktiivisista atomiytimistä lähtevää sähkömagneettista säteilyä.

Synkrotroneissa voidaan tuottaa erittäin korkeaenergistä säteilyä kääntämällä suureen energiaan kiihdytettyjen elektronien liikerataa magneettikentällä.

Maxwellin yhtälöt ja sähkömagneettiset aallot

James Clerk Maxwell kehitti sähkömagnetismia koskevan teorian, joka voitiin esittää neljällä yhtälöllä, Maxwellin yhtälöillä. Näiden avulla hän saattoi päätellä, että sähkömagneettinen kenttä voi muodostaa aaltoja ja että niiden nopeuskin oli laskettavissa.

Maxwellin yhtälöiden mukaan sähkövarausta ympäröi aina säteittäinen sähkökenttä, ja sähkövirtaa ympäröi pyörteinen magneettikenttä. Lisäksi ajallisesti muuttuva magneettikenttä saa aikaiseksi pyörteisen sähkökentän ja muuttuva sähkökenttä pyörteisen magneettikentän.

Tyhjiössä ei ole varausta eikä virtaa, mutta sähkö- ja magneettikenttiä voi kyllä olla tyhjiössäkin. Tällöin Maxwellin yhtälöissä esiintyvät varaustiheys ja virrantiheys ovat nollia, jolloin kolmas ja neljäs yhtälö lyhenevät muotoon:

missä on vektoreihin liittyvä differentiaalioperaattori nabla. Tämän operaattorin ja vektorikentän ristitulo merkitsee samaa kuin vektorikentän roottori.

Vektorianalyysin avulla voidaan osoittaa, että mille tahansa vektorikentälle pätee:

Sähkökenttää koskevan yhtälön (1) molemmista puolista voidaan ottaa edelleen roottori seuraavasti:

Soveltamalla tähän yhtälöä (3) saadaan saadaan:

, mutta koska tyhjiössä sähkökentän divergenssi ja näin ollen myös tämän gradientti ovat nollia, yhtälö lyhenee muotoon

Yhtälön oikeaa puolta voidaan myös muokata seuraavasti:

Yhtälöt (4) ja (5) ovat yhtäpitäviä, joten tästä saadaan sähkökentälle vektoriarvoinen differentiaaliyhtälö