Elektromagnetski valovi

Transcript

1 Elektromagnetski valovi Općenito, val je širenje poremećaja kojim se prenosi energija kroz neko sredstvo, a da se sredstvo kao cjelina ne pomiče. Mehanički valovi se mogu širiti samo kroz neku tvar (medij), dok se elektromagnetski valovi mogu širiti i vakuumom. Prema načinu širenja, valovi se mogu podijeliti na longitudinalne, koji se šire titranjem čestica u pravcu širenja vala (npr. zvuk, ili ultrazvuk), i transverzalne, koji se šire titranjem okomitim na smjer širenja vala (npr. radio valovi, svjetlost,..). Kako se mogu širiti elektromagnetski valovi kad nema elastičnog sredstva (medija)? Nosilac elektromagnetskih valova je elektromagnetsko polje. Promjenom električnog i magnetskog polja nastaju elektromagnetski valovi. Elektromagnetski valovi su svi valovi čije se širenje odvija titranjem električnog i magnetskog polja. Zajednička im je brzina širenja u vakuumu, a to je upravo brzina svjetlosti, a razlikuju se po valnim duljinama i frekvencijama. Izvori elektromagnetskih valova su različiti: atomi, elektroni, ioni, molekule, ( LC-krugovi, antene)

2 Elektromagnetski valovi su transverzalni valovi! Silnice električnog polja E su uvijek okomite na silnice magnetskog polja B, a i jedne i druge su okomite na smjer širenja vala. Elektromagnetski valovi svrstani su u elektromagnetski spektar koji se proteže od valova najmanje frekvencije i najveće valne duljine do valova najveće frekvencije i najmanje valne duljine. Budući, da se svi valovi elektromagnetskog spektra šire brzinom svjetlosti c ( m/s, ili km/s), umnožak njihovih valnih duljina λ i frekvencija f je uvijek stalan i upravo je jednak brzini svjetlosti c. c f

3 Energija valova, odnosno fotona, veća je što je veća frekvencija titraja valova i što je kraća valna duljina. Elektromagnetski spektar dijeli se na dva dijela: ne ionizirajuće i ionizirajuće zračenje. Valovi, zrake velike energije, mogu iz ljuske atoma izbaciti elektrone i time ionizirati atom, zato se zovu ionizirajuće zrake. Ionizirajuće zrake: ultraljubičaste zrake, rendgenske (X-zrake), gama zrake, kozmičke zrake, mogu štetno djelovati na ljudske stanice. Zrake manje energije: radiovalovi, mikrovalovi, vidljiva svjetlost, infracrvene, nemaju te jačine da ioniziraju i zato se zovu ne ionizirajuće zrake. Njihovo djelovanje na organska tkiva, zbog slabe energije, može biti štetno pri dugom izlaganju, ali mnogo manje štetno od ionizirajućih zračenja. Neionizirajuće zračenje Ionizirajuće zračenje ELF IF RF

4 Općenito u literaturi dani su tipični prikazi EM spektra s podjelom po frekvencijama odnosno valnoj duljini, uz dodane simboličke sličice antena, mobitela, mikrovalne pećnice, sunca, naočala za sunce, rtg-snimka, atoma itd. kao oznake frekventnih područja spektra uz navedene raspone valnih duljina. Te sličice simboliziraju izvore ili primjenu pojedinog dijela spektra, ne ulazeći dublje u značenje koje ti fotoni imaju za nas i naš okoliš. Za bliže upoznavanje sa spektrom treba ga opisati detaljnije naglašavajući kakvo značenje pojedine frekvencije i valne duljine imaju za naš svakodnevni život, držeći se uobičajene podjele po vrstama zračenja, počevši od fotona najveće energije. Ne smijemo zaobići ni psihološko pitanje utemeljenosti straha od zračenja, je li on opravdan ili nije. Je li strah iracionalna kategorija i kako utječe na političke odluke o korištenju pojedine vrste zračenja? Kozmičko zračenje Kozmičko zračenje je zračenje visoke energije koje dopire na Zemlju iz svemira. Dijeli se na dva tipa, primarno i sekundarno. Primarno kozmičko zračenje sastoji se od čestica vrlo visoke energije, a to su uglavnom protoni, alfa čestice, teži ioni i elektroni. Veliki postotak primarnog kozmičkog zračenja dolazi izvan našeg Sunčevog sustava, dok jedan dio dolazi od našeg Sunca. Vrlo malo primarnog kozmičkog zračenja prodre do Zemljine površine. Velika većina reagira s Zemljinom atmosferom proizvodeći sekundarno kozmičko zračenje koje se sastoji od fotona, elektrona, neutrona i gama zraka i koje dolazi do površine. Atmosfera i Zemljino magnetsko polje također se ponašaju kao štit protiv kozmičkog zračenja smanjujući količinu koja dolazi do površine. Na kozmičko zračenje utječe i Sunčeva aktivnost čije pojačanje uzrokuje pojačanje Zemljinog magnetskog polja, a time i slabljenje učinka kozmičkog zračenja. Može se zaključiti da godišnja doza apsorbiranog kozmičkog zračenja ovisi o nadmorskoj visini. Putovanje avionom može povećati godišnju dozu kozmičkog zračenja, ovisno o učestalosti letenja, visini leta i vremenu provedenom u zraku.

5 Gama zrake Gama zraka je paket elektromagnetske energije, tj. foton. Gama fotoni su fotoni s najviše energije u elektromagnetskom spektru. Emitiraju ih jezgre nekih radioaktivnih atoma. Gama fotoni nemaju masu ni električni naboj, ali imaju vrlo visoku energiju, otprilike puta veću od energije fotona u vidljivom dijelu elektromagnetskog spektra. Zbog visoke energije gama čestice putuju brzinom svjetlosti i u zraku mogu prijeći stotine tisuća metara prije nego što potroše energiju. Mogu proći kroz mnogo vrsta materijala uključujući i ljudsko tkivo. Vrlo gusti materijali, poput olova, obično se koriste za zaštitu od gama zračenja. Gama zrake postoje samo dok imaju energije. Kada potroše energiju, bilo u zraku ili u čvrstom materijalu, one prestaju postojati. Kozmičko gama zračenje vrlo visokih energija ovdje ćemo samo ukratko spomenuti i krenuti sa zračenjem koje koristimo u energetici i zdravstvu. Treba naglasiti dva krajnja suprotstavljena gledišta. Velik broj ljudi smatra da je gama zračenje nuklearnih postrojenja neprihvatljiv rizik za zdravlje i okoliš i to uzimaju kao uporište za proteste i borbu aktivista. S druge strane, kada se dijagnosticira tumor nastojat ćemo se izložiti upravo tom zračenju u medicinskoj ustanovi. Možemo zaključiti da je izrazito protivljenje onom zračenju o čijem utjecaju i izloženosti ne odlučujemo sami nego nam se nameće iz manje ili više opravdanih razloga. Međutim, liječenju tim istim zračenjem izlažemo se dobrovoljno važući omjer štete i koristi. Dobar primjer za to je rendgensko zračenje. Pitanja za raspravu: Ako se s toliko muke usvojila predodžba o gama zračenju kao česticama fotonima, zašto se kod nuklearnog raspad alfa i beta čestice smatraju pravim česticama, a gama zračenje se izdvaja i prikazuje kao elektromagnetski val? Da li gama zračenje liječi rak ili uzrokuje rak?

6 ionizirajuce Mutageni i karcinogeni učinci

7 ionizirajuce Izvor: Kobalt 60 Prodiranje kroz čelik : 15 cm GAMMA RAY Cargo INSPECTION Primjena gama zračenja u pregledu roba koje se prevoze u zatvorenim kontejnerima. Ljudi skriveni u vagonu-silosu otkriveni su gama-zrakama, no njima to zračenje nije naškodilo.

8 X-zrake (rendgenske zrake) X-zrake su elektromagnetsko zračenje slično svjetlosti, ali s višom energijom. Strojevi za generiranje X-zraka imaju vakuumiranu staklenu cijev na čijim krajevima su postavljene elektrode, negativna katoda i pozitivna anoda. Na elektrode je doveden visoki napon koji može biti u rasponu od nekoliko tisuća volti do nekoliko stotina tisuća volti. Razlika potencijala tada elektrone nakupljene na katodi ubrzava prema anodi te oni udaraju u metalnu ploču s velikom energijom. Pri sudaru s metalnom pločom elektrone će privući pozitivno nabijena jezgra atoma metala, pri čemu se smanjuje energija elektrona, tj. dolazi do emisije X-zraka, koje imaju veliku moć prodiranja. Ovo područje spektra dijeli na mekane i tvrde zrake ovisno o njihovoj prodornosti. Gotovo svatko je bio izložen tom zračenju i mogli smo uočiti vrlo kratko vrijeme ekspozicije i primjenu zaštitne pregače. Iz toga se može zaključiti o njegovom mogućem štetnom djelovanju. Ali je ono korisno za medicinski uvid u neprozirno tijelo ili u prtljagu u sklopu aerodromske sigurnosti. Kompjutorska tomografija pomoću X-zraka omogućava detaljne presjeke tijela i otkrivanje zloćudnih bolesti. Međutim, službenici koji rade na pregledu prtljage izloženi su profesionalnim dozama i zahtijevaju dozimetrijsko praćenje izloženosti. Pitanja za raspravu: Jesu li doze rtg zračenja kojem se izlažemo pri medicinskim pregledima kumulativne ili se treba čuvati samo jednokratnog dužeg izlaganja?

9 ionizirajuce Oštećenje makromolekula u DNK

10 Ultraljubičasto zračenje (UV-zračenje) Ultraljubičasto zračenje (UV) je elektromagnetsko zračenje valnih duljina od približno 10 do 400 nm, tj. između rendgenskoga zračenja i ljubičastoga dijela vidljive svjetlosti. UV zrake dijele se na A, B i C područje pri čemu svako od njih ima drugačiju štetnost. C područje ima germicidno (sterilizirajuće i dezinfekcijsko) djelovanje. B područje izaziva melanom kože i izrazito je prisutno kod elektrolučnog zavarivanja. A području smo izloženi kada se sunčamo, a posebno treba zaštititi djecu. Kod potamnjivanja kože UV zrakama pigment melanin postaje tamniji i prelazi u površinske stanice kože kao zaštita od tog zračenja. Štetno djelovanje UV zračenja Preveliko izlaganje UVB zračenju može izazvati akutno oštećenje kože (eritem - crvenilo) u obliku opeklina, koje dovodi do degeneracije kože, njezina starenja, a može izazvati i rak kože, zbog oštećenja gena za obnovu stanica kože. Ultraljubičasto zračenje tipa UVA prodire u dublje slojeve kože uzrokujući oštećenja i mogući razvoj raka kože u kasnijoj fazi života. UVC zračenje ima najveću energiju i zato je najopasnija vrsta UV zračenja. Prije se vrlo malo pažnje posvećivalo UVC zračenju, jer atmosfera upija gotovo sve što nam stigne sa Sunca. Međutim, neki uređaji (sterilizacija) koriste tu vrstu zračenja i treba biti vrlo oprezan kod rukovanja s njima. Medicinska primjena UV zračenja UV zračenje se koristi za liječenje kožnih bolesti, kao što je psorijaza i vitiligo. Psorijaza je reativno česta kožna bolest i od nje boluje od 1-5% populacije. Najčešće ne stvara veće probleme oboljelom. Ono što je važno u terapiji psorijaze je izlaganje UV zračenju, bilo prirodnim izvorima - Sunčeva svjetlost ili umjetnim izvorima - UV svjetiljke. Izlaganje suncu je u većini slučajeva učinkovito.

11 ionizirajuce UV-A UV-B UV-C 400 nm 315 nm 280 nm 10 nm 100 nm germicidno djelovanje melanogeneza melanom Trganje veza između molekula

12 ionizirajuce 400 nm UV-A 315 nm UV-B 280 nm UV-C 10 nm 100 nm

13 Vidljivi spektar Vidljivi spektar (koji zamjećuje ljudsko oko) odgovara nizu boja što nastaje rasapom bijele Sunčeve svjetlosti (disperzija; duga), od ljubičaste (valne duljine 400 nm), preko plave, zelene, žute i narančaste do crvene (800 nm). Mrak je stanje kada možemo najbolje osvijestiti vidljivo svjetlo koje uglavnom uzimamo zdravo za gotovo. U potpunom mraku, naše su oči u stanju osjetiti pojedinačne fotone, ali općenito ono što vidimo dolazi do nas u vidu nebrojenih fotona koji su se odbili od predmeta. Ako se osvrnemo oko sebe, vjerojatno ćemo uočiti izvor koji proizvodi fotone, i predmete od kojih ih se oni odbijaju. Oči upijaju neke od tih fotona i tako mi vidimo. Treba naglasiti činjenicu da fotoni vidljivog svjetla nastaju pri relaksaciji elektrona iz razina više energije na nižu razinu. Procesi u kojima se to događa su nuklearni, toplinski, izboj u plinu, električni luk, kemijski. Fotoni valne duljine od 400 do 800 nm čine vidljivi dio spektra. Unutar tog područja oni se razlikuju po valnim duljinama što naše oko registrira različitim bojama. Energija im nije dovoljna za izbijanje elektrona pa ih svrstavamo u ne ionizirajuće zračenje i oni nam omogućavaju da vidimo svijet oko nas. spektar svjetlosti 800 nm 400 nm Vidljiva svjetlost sadrži spektar valnih duljina koje se očituju kao boje. Razlaganjem kroz prizmu te se boje daju razdvojiti u rasponu od 400 nm do 800 nm.

14 ne ionizirajuce Sunce gorenje žarenje izboj u plinu električni luk bio-lumin.

15 ne ionizirajuce Fotodinamička terapija (PDT) puta veća snaga Zašto na laserskim izvorima stoje upozorenja o opasnosti, a na običnim žaruljama puta veće snage tih upozorenja nema? Promjena razine energije elektrona

16 Infracrveno zračenje Infracrveno zračenje je elektromagnetsko zračenje valnih duljina približno između 0,8 μm i nekoliko stotina mikrometara. Za ljudsko oko to je zračenje nevidljivo, ali se može osjetiti na koži kao osjećaj topline. Glavnina zračenja elektromagnetskih valova ljudskoga tijela je u infracrvenom području. Infracrvene grijalice služe za zagrijavanje prostorija, u medicini za dubinsko grijanje (npr. paranazalnih sinusa ili dubokih infiltrata), u industriji za sušenje boja i lakova, a područja su primjene infracrvenoga zračenja meteorologija, mikroskopija, daljinsko upravljanje, sigurnosni i alarmni sustavi i sl. Infracrveno zračenje dijelom se apsorbira prolaskom kroz vodenu paru, ozon i ugljikov dioksid u atmosferi, ali se obično mnogo lakše probija kroz sredstva koja inače raspršuju vidljivo zračenje (sumaglica, zagađena atmosfera, međuzvjezdana prašina). Na tome se temelji primjena infracrvene fotografije, koja osim toga omogućuje snimanje predmeta čak i u potpunome mraku na temelju razlike u toplini pojedinih dijelova predmeta. Zato se ona široko primjenjuje: u vojne svrhe (za pronalaženje i snimanje objekata, osobito u mraku), u medicini (za lokalizaciju upalnih procesa i tumora), u industriji, astronomiji, kriminalistici, u istraživanju starih umjetnina (za otkrivanje slika ispod površinskoga sloja boje), u daljinskim istraživanjima snimanjem iz zrakoplova ili satelita, npr. u geologiji za otkrivanje rudnih nalazišta Koje od tri infracrvena zračenja je opasno (štetno)? Ovisi o snazi. Obzirom da je nevidljivo, treba osvijestiti činjenicu da svi predmeti odašilju toplinsko zračenje koje zovemo infracrveno zračenje. Što je predmet topliji emitira više zračenja. Toplina prenošena infracrvenim zračenjem može se prenositi i kroz vakuum u svemiru. Zbog toga osjećamo toplinu Sunca iako je udaljeno 150 milijuna km od Zemlje. Kao i kod drugih dijelova spektra, tako i kod infracrvenog zračenja postoje poželjni i nepoželjni učinci. Kada je zračenje prejako moramo se štititi specijalnom odjećom, a kada je nedovoljno moramo ga proizvoditi iz drugih oblika energije.

17 ne ionizirajuce 0,1 W 500 W Vibracije molekula > 5 kw

18

19 Ne možemo znati kada je, potpuno začađena žarulja, uključena, a kada isključena jer oko registrira samo vidljivo zračenje. Međutim postoje uređaji koji pokazuju da postoji nevidljivo toplinsko zračenje. radiometar crna žarulja termo-stup

20 Tera-hertz zračenje Tera-hertz područje nalazi se između dalekog infracrvenog zračenja i mikrovalova. Donedavno ovo područje spektra nije bilo istraživano, a postojalo je tek nekoliko izvora koji su mogli proizvesti te valove. Danas se ovo zračenje počinje primijenjivati u komunikaciji, a znanstvenici traže načine kako upotrijebiti tehnologiju u vojsci u svrhu onesposobljivanja elektroničke opreme neprijatelja.

21 ne ionizirajuce THz - područje

22 Mikrovalovi Mikrovalovi su zajednički naziv za decimetarsko, centimetarsko i milimetarsko područje radiovalova. Tradicionalno to obuhvaća područje frekvencija iznad 300 MHz, međutim danas se često kao donja granica mikrovalova uzima i frekvencija od 1 GHz. Mikrovalovi se koriste u radarskoj tehnici, mikrovalnim pećnicama, bežičnim komunikacijama (GSM, WLAN, Bluetooth), astronomiji itd. Područja oko frekvencija 800 MHz, 2,45 GHz i 13 GHz su slobodna za različite primjene u industriji, znanosti i medicini. Antene se na mikrovalne uređaje obično spajaju pomoću valovoda, jer gubitak snage s porastom frekvencije u koaksijalnom kabelu postaje prevelik. O zračenju mobitela i mikrovalne pećnice postoji najviše upitnih tvrdnji o njihovoj izuzetnoj štetnosti pa čak i jakom karcinogenom djelovanju. Zato je nužno detaljnije pokazati kakva je snaga i učinak ovog zračenja. Bazne stanice su posebno istaknute kao povod sukoba pri postavljanju u naseljima u blizini škola i općenito mjesta gdje borave ljudi. Tri istaknuta područja primjene ovog dijela spektra su radar, mikrovalna pećnica i bežična mobilna komunikacija. Zanimljivo je da Wi-Fi ruter koji omogućava bežično spajanje na internetsku mrežu radi na gotovo identičnoj frekvenciji kao i mikrovalna pećnica (2,4 GHz) samo mu je snaga oko 7000 puta manja. Zračenja ovog dijela spektra uzrokuju rotacije dipolnih molekula vode zbog čega se voda grije. Trebamo li se bojati zračenja mobitela zbog blizine na koju ga prinosimo glavi i može li njegovo zračenje skuhati jaje?

23 30 cm 12,5 cm 12,5 cm 3 cm (X) Mobitel Wi-Fi ruter Mikrovalna pećnica Radar

24 ne ionizirajuce Mikrovalna dijatermija Rotacije i torzija molekula

25 ne ionizirajuce Rotacije i torzija molekula

26 Radiovalovi Radiovalovi ili radijski valovi su veliko područje elektromagnetskih valova s valnom duljinom većom od one infracrvenog zračenja, a zajednička im je osobina da se mogu proizvesti protjecanjem izmjenične električne struje u napravi koja se zove antena. Prema valnoj se duljini dijele na valna područja, iako je danas uobičajenija podjela prema frekvenciji. Radiovalovi, dio spektra elektromagnetskih valova koji ima najveće valne duljine i najmanje frekvencije, obuhvaća valove valnih duljina od približno 30 km do 1 mm, odnosno frekvencije od 10 khz do 3000 GHz. Proizvode se s pomoću antena, a primjenjuju u radio komunikacijama. Istraživanjima radioizvora u svemiru bavi se radioastronomija. No osim što ih poznajemo kao dugi, srednji i kratki val radija, VHF i UHF televizije, oni se koriste i u medicini kao uređaji za grijanje tkiva tzv. kratkovalnom dijatermijom a u novije doba i za oslikavanje kod NMR uređaja. Trebamo li se brinuti oko utjecaja ogromne količine ovog zračenja na naše zdravlje? U magnetskoj zavojnici jezgre vodika se magnetiziraju u istom smjeru snažnim magnetnim poljem. Radio frekventni (RF) puls usmjeri se na područje tijela koje se ispituje. Različite vrste tkiva u tijelu reagiraju na različite frekvencije. Radio frekventno zračenje diže energiju atoma vodika specifičnog tkiva na višu energijsku razinu i uzrokuje da se oni izbace iz poretka u odnosu na ostale atome vodika u tijelu. Kada se radio frekvencija ukloni, poremećeni atomi vodika polako se vraćaju (relaksiraju) u magnetizirano stanje. Dok se vraćaju u magnetsko polje stroja, oni oslobađaju RF signale kao energiju koju su dobili od radio frekventnog zračenja. Posebne zavojnice u stroju bilježe tu oslobođenu energiju, a iz otkrivenih izboja energije stvara se slika.

27 neionizirajuće ionizirajuće Kratkovalna dijatermija ( progrijavanje )

28 ne ionizirajuce Intermediate Frequencies (IF) NMR

29 Zračenje ekstremno niskih frekvencija Ekstremno niske frekvencije (ELF) je naziv za valove s frekvencijama od 3 do 50 Hz. Niske frekvencije mogu lakše prolaziti kroz tekućine poput mora i koriste se za komunikacije s duboko uronjenim podmornicama. Obzirom da ovo područje uključuje dalekovode i elektrodistribucijsku mrežu postavlja se pitanje je li naša svakodnevna izloženost predstavlja rizik za zdravlje. Valovi ovih duljina odbijaju se od ionosfere pa u prostiranju oko Zemlje mogu proizvesti tzv. Shumannovu rezonanciju. Osim toga predmet su mnogih teorija zavjere koje tvrde da se njima može kontrolirati ljudski um ili upravljati meteorološkim prilikama u atmosferi. Ima neukih ljudi koji žive u uvjerenju da je hrana iz frižidera na kojem su na vratima učvršćene cedulje pomoću magneta kancerogena. Također postoji uvjerenje da je hrana koju grijemo mikrovalovima izmijenjenih svojstava i da uzrokuje karcinom. Međutim razumno je prihvatiti stavove Svjetske zdravstvene organizacije (WHO) koja neprekidno prati najsuvremenija istraživanja relevantnih laboratorija u svijetu i izdaje biltene o tim nalazima.

30 ne ionizirajuce ELF - Extremely low frequency dalekovod, 50 Hz, 110 kv komunikacija s podmornicama

31 Laici Kome vjerovati? Struka Electromagnetic fields and public health: Mobile phones - Fact sheet N 193 Microwave ovens - Information sheet WHO zaključuje da trenutni pokazatelji ne potvrđuju postojanje ikakvih posljedica na zdravlje od izlaganja elektomagnetskim poljima niskih razina. Međutim, postoje neke praznine u znanju o biološkim učincima i zahtijevaju daljnja istraživanja.

32 Intenzitet zračenja opada s kvadratom udaljenosti. Dva najsigurnija načina zaštite od zračenja: Biti daleko! Biti kratko izložen! ZAKLJUČAK Prihvaćajući tvrdnju da se nikome ništa ne može objasniti ako ga to barem malo ne zanima, nastojimo osmisliti nastavu prožetu pokusima. Ta klica interesa osnova je poučavanja fizike u školi. Opisane pojave djelovanja elektromagnetskog zračenja i pokusi koji ih ilustriraju namijenjeni prvenstveno kao motivacijski sadržaji. Oni nemaju pretenziju reći sve o svakom pojedinom dijelu spektra, ali omogućavaju uvođenje problemske situacije i vođenje široke rasprave u učionici. Jer ta tema zadire u brojna područja svakodnevnog života, kao što su komunikacije, zdravlje, zaštita, politika, vojska, oružje, medicinska dijagnostika, pseudoznanost, i brojna druga. A tu su i fizikalni pojmovi o snazi, energiji, intenzitetu, brzini prostiranja, transmisiji, refleksiji, apsorpciji, s jednostavnim formulama i jednadžbama. Studenti isto tako kroz zanimljive pokuse mogu steći uvid u nevjerojatnu prožetost naše civilizacije cijelim spektrom elektromagnetskog zračenja. Zato je ovo idealna tema za studentske radove, članke i seminare.

33 Literatura: 1. Jakobović, Zvonimir, Fizika zračenja. Zdravstveno veleučilište, Zagreb, Mesić, Hrvoje, Ionizirajuće Neionizirajuće zračenje (Stručni skup međužupanijskog stručnog vijeća nastavnica zdravstvene njege, Zagreb, 2017.)