Det elektromagnetiska spektrumet

Ljus är en elektromagnetisk våg

Vi vill förstå vad ljus, radiovågor och röntgenstrålning har gemensamt, och vad som skiljer dem åt. De är samma sorts våg och kallas elektromagnetiska vågor. Ett elektriskt och ett magnetiskt fält svänger i takt och fortplantar sig genom rummet. Vågorna behöver inget medium och går därför genom vakuum. Mätningar visar att ljusets fart i vakuum är c = 3,00 · 10⁸ m/s, densamma för alla elektromagnetiska vågor. Det som skiljer dem åt är våglängden och frekvensen.

Vågekvationen: c = f · λ

Frekvensen f är antalet svängningar per sekund, i hertz. Våglängden λ är avståndet mellan två vågtoppar. Under en svängning flyttar sig vågen en våglängd. Därför är farten frekvensen gånger våglängden: c = f · λ. Farten c är densamma för alla elektromagnetiska vågor. Hög frekvens betyder alltså kort våglängd.

Spektrumet från radio till gamma

Vi delar in spektrumet efter våglängd. Längst är radiovågorna, sedan kommer mikrovågor, infraröd strålning och synligt ljus. Kortare än det synliga är ultraviolett strålning, röntgen- och gammastrålning. Skalan i bilden är logaritmisk: varje markering är tusen gånger kortare än den förra. Gränserna mellan områdena är inte skarpa. Röntgen och gamma överlappar och skiljs åt efter hur strålningen bildas.

Synligt ljus

Synligt ljus är en mycket smal del av spektrumet. Våglängderna går från ungefär 400 nm, violett, till ungefär 700 nm, rött. Rött ljus har längst våglängd och lägst frekvens. Violett har kortast våglängd och högst frekvens. Vitt ljus är en blandning av alla färger.

Fotonens energi: E = h · f

Ljus avges och tas upp i små energipaket, fotoner. Energin i en foton är E = h · f, där h är Plancks konstant. Hög frekvens betyder alltså energirika fotoner. En foton av violett ljus har nästan dubbelt så mycket energi som en foton av rött ljus. Fotonenergier anges ofta i elektronvolt: 1 eV = 1,602 · 10⁻¹⁹ J.

Joniserande och icke-joniserande strålning

För att jonisera en atom måste en foton slå loss en elektron. För atomerna i kroppen, som väte, kol och syre, krävs mer än 10 eV. Röntgen- och gammafotoner har tusentals eller miljontals eV och är joniserande. Solens UV-strålning som når marken har under 4,5 eV per foton. Strålsäkerhetsmyndigheten räknar därför UV som icke-joniserande strålning. UV kan ändå skada hud, ögon och arvsmassa, eftersom fotonerna kan bryta kemiska bindningar.

Atmosfärens fönster

Jordens atmosfär släpper bara igenom vissa delar av spektrumet. Synligt ljus och en del nära IR går igenom, det kallas det optiska fönstret. Radiovågor från ungefär 1 cm till omkring 10 m går också igenom: radiofönstret. Ozonet stoppar all UVC och det mesta av UVB. Röntgen- och gammastrålning från rymden når inte marken. Därför sitter röntgenteleskop på satelliter.

Solens spektrum

Solen sänder ut strålning i stora delar av spektrumet, men mest kring synligt ljus. Grafen visar hur strålningen fördelar sig på olika våglängder, i procent av toppen. Kurvan är en modell: strålningen från en kropp med solytans temperatur, ungefär 5 800 K. Toppen ligger kring 500 nm, mitt i det synliga området. En stor del av energin kommer ändå som infraröd strålning. En varmare stjärna har sin topp vid kortare våglängder.

Radio, mikrovågor och IR i vardagen

Radio, tv och mobilnät använder radiovågor, ofta i mikrovågsområdet. En mikrovågsugn använder frekvensen 2,45 GHz. Mikrovågorna får vattenmolekylerna i maten att vrida sig fram och tillbaka, och maten blir varm. Alla varma föremål sänder ut infraröd strålning. Människokroppen strålar mest kring 10 µm. En värmekamera gör den strålningen synlig.

UV, röntgen och gamma i vården

UV-strålning kan döda bakterier och används till exempel vid vattenrening. Röntgenstrålning går lättare igenom mjukvävnad än igenom skelett. Därför syns benen ljusa på en röntgenbild. Gammastrålning används för att behandla cancer och för att sterilisera sjukvårdsmaterial. Joniserande strålning kan skada celler, så vid undersökningar hålls doserna så låga som möjligt.

Sammanfattning

Elektromagnetiska vågor är elektriska och magnetiska fält som svänger och fortplantar sig. De behöver inget medium, och i vakuum har alla farten c = 3,00 · 10⁸ m/s. Frekvens och våglängd hänger ihop: c = f · λ.

Från längst till kortast våglängd: radiovågor, mikrovågor, infraröd strålning, synligt ljus (ungefär 400–700 nm), ultraviolett strålning, röntgen- och gammastrålning. Gränserna är inte skarpa.

Strålningen avges och tas upp i fotoner med energin E = h · f, där h = 6,63 · 10⁻³⁴ J·s. Röntgen- och gammafotoner har så mycket energi att de joniserar atomer. Strålsäkerhetsmyndigheten räknar UV-strålning som icke-joniserande, men den kan ändå skada hud, ögon och arvsmassa.

Atmosfären släpper igenom synligt ljus och en del av radioområdet. Ozonet stoppar all UVC och det mesta av UVB, och röntgen- och gammastrålning från rymden når inte marken. Solens strålning är starkast kring 500 nm.

En mikrovågsugn arbetar med frekvensen 2,45 GHz. Våglängden är λ = c / f = 3,00 · 10⁸ / 2,45 · 10⁹ ≈ 0,122 m = 12,2 cm. Fotonenergin är E = h · f ≈ 1,6 · 10⁻²⁴ J, alldeles för lite för att jonisera.

Källor

1. 24.1 Maxwell’s Equations (elektromagnetiska vågor går med farten c i vakuum), OpenStax College Physics 2e
2. 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = f · λ och spektrumets delar), OpenStax College Physics 2e
3. 29.3 Photon Energies and the Electromagnetic Spectrum (E = h · f, joniserande strålning), OpenStax College Physics 2e
4. 6.1 Blackbody Radiation (en varm kropps spektrum har en topp som flyttas med temperaturen), OpenStax University Physics Volume 3
5. Elektromagnetisk strålning (från radiovågor till gammastrålning), Nationalencyklopedin
6. Foton (ljusets energikvantum, E = h · f), Nationalencyklopedin
7. Ultraviolett strålning (UVA, UVB och UVC), Nationalencyklopedin
8. Joniserande strålning (kan slå loss elektroner ur atomer), Nationalencyklopedin
9. Om icke-joniserande strålning (UV räknas som icke-joniserande optisk strålning), Strålsäkerhetsmyndigheten
10. Om UV-strålning (UVA, UVB och UVC; bara UVA och UVB når jordytan), Strålsäkerhetsmyndigheten
11. Om joniserande strålning (röntgen- och gammastrålning), Strålsäkerhetsmyndigheten
12. Introduction to the Electromagnetic Spectrum (atmosfärens fönster; vissa mikrovågor går genom moln), NASA Science
13. X-Rays (ben absorberar mer röntgenstrålning; atmosfären stoppar röntgen från rymden), NASA Science
14. Planck constant (h = 6,626 070 15 · 10⁻³⁴ J·s, ett exakt värde), NIST
15. Elektromagnetiska spektrumet, Wikipedia på svenska
16. Ämnesplan i fysik, Gy25, Skolverket