Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4I Elektromagnetisk stråling

Elektromagnetisk stråling omgir oss hvor vi enn går. Lyset og varmestrålene fra solen er elektromagnetiske bølger. Elektromagnetiske bølger når oss fra de store dyp i verdensrommet, både som lys fra stjerner og andre himmellegemer og som kosmisk stråling. Praktisk talt alt vi vet om universet bygger på tolkning av slik stråling. Likeledes er gammastråling fra kjerner i radioaktive grunnstoff elektromagnetiske bølger. Alle gjenstander som har en temperatur som er høyere enn det absolutte nullpunkt sender også ut noe elektromagnetisk stråling.

Elektromagnetisk stråling er grunnlaget for radio, TV, mobiltelefon, røntgen, radar, laser, satellittnavigasjon og mye mer.

Elektromagnetisk stråling og elektromagnetiske bølger betegner samme fenomen og brukes ofte om hverandre.

1 Dannelse og egenskaper

Vibrerende kraftfelt skaper elektromagnetiske bølger

Alle elektrisk ladde partikler (elektroner, protoner, ioner eller polare molekyler) er omgitt av et elektrisk kraftfelt. Dersom en slik partikkel er i bevegelse, dannes det et magnetisk kraftfelt omkring partikkelens bevegelsesbane. Hvis partikkelen blir påvirket av en kraft slik at den endrer retning og hastighet (partikkelen vibrerer) vil det føre til endringer i både det elektriske og det magnetiske kraftfeltet (kraftfeltene vibrerer). Disse endringene forplanter seg i rommet som elektromagnetiske bølger.

Energi og avstand

Den elektromagnetiske bølgen stråler ut i alle retninger. Den bærer med seg samme mengde energi som partikkelen ble påvirket av da den endret bevegelsesretning og hastighet. Men denne energien blir spredt utover i form av et kuleskall. Derfor vil energien i en stråle avta med avstanden fra kilden. Energien avtar i samme forhold som kuleskallet øker i areal ettersom kulens radius øker, det vil si med kvadratet av avstanden.

Bølgelengde, frekvens og energi

Bølgelengde
Den ladde partikkelen kan vibrere raskt eller langsomt. Vibrasjonshastighet bestemmer hvor ofte det blir sendt ut en bølge, og dermed hvor lang avstand det blir mellom hver bølge. Rask vibrasjon gir kort bølgelengde mens langsom vibrasjon gir lang bølgelengde.

Frekvens
Bølgen får samme svingehastighet som partikkelen. Svingehastighet kalles frekvens. Langsom partikkelvibrasjon gir lav frekvens mens hurtig partikkelvibrasjon gir høy frekvens.

Energi
En ladd partikkel som vibrerer raskt har større indre energi (summen av stillings- og bevegelsesenergi, se kapittel 4C) enn en partikkel som vibrerer langsomt. Siden energien overføres til den elektromagnetiske strålingen, betyr det at stråling med høy frekvens og kort bølgelengde har høyere energi enn bølger med lav frekvens og lang bølgelengde.

Elektromagnetiske bølger framstilt som kurver

Elektromagnetisk stråling blir vanligvis framstilt som en kurveformet bølge.

Figur 1. Elektromagnetisk bølge framstilt som kurve

Forplantningshastighet i rommet

Elektromagnetisk stråling forplanter seg lettest og raskest i tomt rom, og da er farten nøyaktig 299.792.458 meter per sekund. Dette avrunder vi vanligvis til 300.000 kilometer per sekund. Ofte kalles dette lysfarten. Men alle elektromagnetiske bølger, uansett bølgelengde, forplanter seg med samme hastighet i tomt rom. Lysfarten er uforanderlig. Den er en universell konstant.

Dersom bølgelengden er vesentlig kortere enn partikkelavstanden kan strålingen også passere gjennom gasser, væsker og faste stoff. Men her vil forplantningshastigheten bli lavere.

Forholdet mellom bølgelengde, frekvens og lysfart

Dette er den grunnleggende formelen for elektromagnetisk stråling:

Lysfarten i tomt rom vil alltid være 299.792.458 meter per sekund. Det betyr at det er et fast forhold mellom bølgelengde og frekvens. En bølgelengde vil alltid tilsvare en bestemt frekvens. Kjenner vi den ene, kan vi regne ut den andre.

Bølgelengde måles i meter og frekvens måles i svingninger per sekund. La oss si at vi vil finne ut hvilken frekvens som tilsvarer en bølgelengde på 1 meter. Slike bølger brukes til FM-sendinger i radio. Da setter vi formelen opp på denne måten:

og setter inn tall:

Det vil si at elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på 1 meter har en frekvens på 299.792.458 svingninger per sekund.

Bølger med kortere bølgelengde har enda høyere frekvens. Måleenheten svingninger per sekund har fått betegnelsen hertz (Hz) etter den tyske pioneren Heinrich Hertz.

2 Det elektromagnetiske spekteret

Elektromagnetiske bølger spenner over et nesten ubegrenset område med bølgelengder fra brøkdeler av en picometer til mange tusen meter.

Figur 2. Det elektromagnetiske spekteret

Gammastråling

Dannelse
Det er svært sterke krefter mellom partiklene i atomkjerner. Når det skjer endringer i kjernen, må partiklene "innrette" seg på nytt. Dette skjer i form av en uhyre rask og kort bevegelse. De elektromagnetiske feltene omkring partiklene endrer seg tilsvarende raskt og det sendes ut en kortbølget, høyfrekvent stråling med stor energi, se figur 6 i kapittel 4B.

Navnet
Siden dette var den tredje type stråling som ble oppdaget fra radioaktive materialer, ble den kalt gammastråling, etter den tredje bokstaven, g, i det greske alfabetet. De andre typene radioaktiv stråling, alfa- og betastråling, er ikke elektromagnetisk stråling, men partikler. Se avsnitt 3 kapittel 4B.

Kilde
Hovedkilden for gammastråling er altså radioaktivitet, det vil si reaksjoner i atomkjernen. Kosmisk stråling fra verdensrommet inneholder gammastråler, men disse korte bølgelengdene blir stoppet av atmosfæren.

Virkning
Gammastrålingen har så stor energi at den "slår vekk" elektroner fra atomer som treffes. Atomene blir til ioner og molekylet de var en del av blir ødelagt. Vi sier at strålingen er ioniserende. Ioniserende stråling er skadelig for levende organismer, særlig hvis arvestoffet, DNA, blir skadd.

Dyr, planter og andre organismer er vanligvis i stand til å reparere de skadene som oppstår som resultat av naturlig bakgrunnsstråling fra radioaktive stoffer i fjell, vann, mat og luft. Men dersom strålingsintensitet eller strålingsdose overgår denne tålegrensen, kan det føre til kreft, nedsatt immunforsvar, misdannelser og sterilitet (manglende evne til reproduksjon).

Vern
I forbindelse med radioaktivitet er det viktig å kunne verne seg mot strålingen. Grunnstoff med tunge kjerner har størst evne til å stoppe gammastråling. Bly er mye brukt.

Bruk
Gammastråling brukes som bakteriedrepende middel ved sterilisering av medisinsk utstyr. Matvarer utsettes for gammastråling for å drepe bakterier og insekter. Selv om gammastråler kan føre til kreft, brukes de også til å bekjempe kreftsvulster.

Røntgenstråling

Dannelse
Røntgenstråling (figur 2) oppstår når en hurtig elektronstrøm kolliderer med tunge atomkjerner, for eksempel jern.

Hvis disse elektronene treffer et av jernatomets elektroner, vil dette bli slått vekk slik at jernatomet blir ionisert. Samtidig vil alle elektroner i orbitaler med høyere energi øyeblikkelig omgrupperes for å fylle inn den tomme orbitalen. De elektromagnetiske feltene omkring elektronene endrer seg tilsvarende og det sendes ut røntgenbølger. Dette kalles karakteristisk stråling.

Karakteristisk stråling inneholder helt spesielle bølgelengder bestemt av orbitalstrukturen i jernatomet. Strålingen karakteriserer grunnstoffet jern. Brukes en kobberplate i stedet for jern, vil strålingen bestå av andre bølgelengder innenfor røntgenområdet. Disse bølgelengdene vil være spesielle for grunnstoffet kobber.

Figur 3. Karakteristisk røntgenstråling

Men mange elektroner fra elektronstrømmen bommer på orbitalene. De bare endrer retning og hastighet når de farer forbi de tunge atomene. Dette skaper en plutselig endring i det elektromagnetiske feltet omkring disse elektronene og det sendes ut både elektromagnetisk stråling. Bølgelengden avhenger av hvor sterkt elektronet fikk endret bevegelsen, og dette kan variere. Derfor inneholder denne strålingen et sammenhengende spekter av bølgelengder. Denne type stråling kalles bremsestråling. I røntgenrøret vil mye av bremsestrålingen komme i røntgenområdet.

Navnet
Røntgenstråler ble oppdaget av Wilhelm Conrad Röntgen i 1895 og strålene er oppkalt etter ham. Selv brukte han betegnelsen X-stråler fordi de var ukjente. På engelsk brukes fortsatt denne betegnelsen, X-rays.

Kilde
I dag brukes ulike typer røntgenrør for å produsere røntgenstråler.

Det er en lang rekke røntgenstrålekilder i verdensrommet. Atmosfæren beskytter oss mot denne strålingen.

Virkning
Røntgenstråler trenger gjennom fast stoff. Stråler med kortest bølgelengde har størst evne til gjennomtrengning. Stoff med lette atomkjerner slipper bølgene lettere gjennom enn stoff med tunge kjerner. Strålene er også i stand til å sverte fotografisk film, på samme måte som lys. Dermed kan røntgenstråler lage fotografiske bilder som viser siluetter av de indre strukturene i en gjenstand. Røntgenbilder kan også fanges på fluoriserende skjermer eller i digitale fotobrikker.

Røntgenstråler er ioniserende, og kan derfor ha en skadelig virkning på levende organismer. Ved røntgenfotografering er eksponeringstiden så kort at skader er ubetydelige. Men langvarig påvirkning er farlig og kan blant annet føre til kreft. Derfor går mennesker som arbeider mye med røntgenfotografering, alltid ut av rommet når et bilde tas.

Vern
Røntgenstråler stoppes av stoff med tunge atomkjerner. Bly er mye brukt. Rom som brukes til røntgenfotografering er vanligvis kledd med blyplater.

Bruk
Den viktigste anvendelsen av røntgenstråling er til medisinsk røntgendiagnostikk. Tilsvarende metode brukes også til kontroll av andre gjenstander, for eksempel bagasjekontroll på flyplasser.

En annen viktig anvendelse er røntgenkrystallografi. Røntgenstrålene har bølgelengder i samme størrelsesorden som atomavstanden i krystaller. Dette gjør at røntgenstråler som føres gjennom et krystall danner bølgemønstre som ved analyse avslører strukturen.

Ultrafiolett stråling

Ultrafiolett stråling (figur 1) utgjør et bølgelengdeområde som ligger mellom røntgenstråler og synlig lys. Det er vanlig å dele området i tre: UVA , UVB og UVC.

Figur 4. Det ultrafiolette spekteret

Dannelse
Når det går en elektronstrøm gjennom en gass, slik som i et lysrør, vil elektroner stadig kollidere med gassens atomer. Ved hvert slikt treff vil et av de løst bundne ytre elektronene i atomene kunne bli slått ut i en orbital med høyere energi. Atomet som helhet får derfor høyere energi enn normalt. Vi sier at atomet er eksitert.

Men elektronet kan ikke opprettholde dette energinivået. Det vil straks falle tilbake til sin opprinnelige orbital. Denne bevegelsen fører til at det sendes ut en elektromagnetisk bølge med en frekvens bestemt av energiforskjellen mellom de to orbitalene. Denne energiforskjellen er igjen bestemt av atomtypen. Strålingen består derfor av helt bestemte bølgelengder, karakterisert av grunnstoffene i gassen som sender ut strålingen. Slik stråling kalles karakteristisk stråling (se også røntgenstråling ovenfor).

Figur 5. Karakteristisk ultrafiolett stråling

Elektromagnetisk stråling kan også oppstå på grunn av stoffpartiklenes egenbevegelse i stoffet (vibrerende atomer, molekyler eller ioner), det vi oppfatter som varme. Dette kalles termostråling (fra gresk: termo = varm). Dess høyere temperatur et stoff har, dess raskere vil disse bevegelsene være (Indre energi, kapittel 4C), og dess høyere frekvens vil utsendt stråling ha. Partiklenes bevegelser er kaotiske. Derfor vil slik stråling bestå av et sammenhengende spekter. Når temperaturen er over 3000 °C vil mye av strålingen komme i det ultrafiolette frekvensområdet.

Navn
Forstavelsen ultra kommer fra latin og betyr utenfor. Ultrafiolett betyr altså utenfor fiolett.

Fiolett er den fargen i synlig lys som har kortest bølgelengde (figur 1, pek på Lys). Ultrafiolett stråling er altså stråling med enda kortere bølgelengde.

Kilde
Solens overflate (fotosfæren) består av plasma (se Aggregattilstander, kapittel 4C) med en gjennomsnittstemperatur på 5-6000 °C. Solen sender derfor ut et sammenhengende spekter av ultrafiolett stråling. De mest energirike strålene, UVC og dels UVB, blir imidlertid stoppet av ozonlaget i atmosfæren, UVC fullstendig, UVB delvis. UVA-stråling slipper gjennom og når jordoverflaten.

Temperaturer på over 3000 °C oppstår også i sveiseflammer, elektriske lysbuer og lysrør, og her dannes det også ultrafiolett stråling.

Virkning
UVC-stråling er ioniserende, og derfor skadelig for alle livsformer. Om enn i mindre grad har den samme virkning som gamma- og røntgenstråling og kan føre til skader på arvematerialet med påfølgende sykdommer, som blant annet kreft. Denne strålingen blir altså stoppet av ozonlaget i atmosfæren.

UVB-stråling fra sola trenger delvis gjennom atmosfæren og alle livsformer er derfor tilpasset en viss påvirkning. Det er disse strålene som gjør oss solbrente. Huden vil da danne fargestoff som gjør at vi tåler slik stråling mye bedre. Hvite mennesker i nordlige områder blir brune i den lyse årstiden, mens mennesker i områder av jorden der UVB-strålingen er sterk året rundt, har utviklet permanent mørk hud.

UVB-stråling mot huden fører til dannelse av D-vitamin og for de fleste mennesker er dette hovedkilden til dette viktige vitaminet. Mennesker med mørk hud trenger mye UVB-stråling for å danne D-vitamin. I nordlige områder ville de derfor få problemer med å få nok D-vitamin. Den lyse huden til mennesker i nordområdene er en tilpasning til dette forholdet.

Øynene er særlig ømfintlige for UVB-stråling. Normalt vil øynene være beskyttet ved at vi ikke ser direkte mot solen. I snølandskap og på sjøen derimot vil reflektert UVB-stråling kunne gi så stor skade at vi blir "snøblinde". Under slike forhold er det særlig viktig å beskytte øynene med solbriller. UVB-stråler blir ikke stoppet av skyer, derfor er problemet like aktuelt i overskyet vær.

UVA-stråling fra sola går uhindret gjennom atmosfæren. Planter og dyr er derfor tilpasset slik stråling og tar ikke skade. For mennesker er strålene usynlige, mens mange dyr oppfatter den som lys.

Vern
All UV-stråling stoppes av glass, selv klart glass. Vi blir derfor ikke solbrent ved å sitte i solen bak en vindusrute. Briller av glass beskytter øynene, uansett om brillene er mørke eller lyse.

Bruk
Bestråling med UVC brukes for å desinfisere drikkevann, medisinsk utstyr og enkelte matvarer.

Noen stoff har så løst bundne ytre elektroner at UVA-bølger kan puffe dem ut i en orbital med litt høyere energi. Atomet eller molekylet blir eksitert slik som vist i figur 5 ovenfor. Når elektronet så faller tilbake til sin normale orbital, sendes det ut elektromagnetisk stråling med noe lengre bølgelengde, det vil si synlig lys. Denne effekten kalles fluorescens. Stoffer som ser helt like ut i vanlig belysning, kan lyse på forskjellige måter når de i et mørkt rom utsettes for ultrafiolett stråling. Dette benytter man seg av for å påvise forfalskninger av pengesedler, frimerker, malerier og også for å undersøke biologisk vev, bestemme spireevnen til frø, bestemme mineraler og andre kjemiske stoffer.

Blant annet tannleger bruker plaststoff som herdes når det utsettes for ultrafiolett bestråling.

Lys

Lys er elektromagnetisk stråling som kan oppfattes av det menneskelige øyet. I forhold til hele det elektromagnetiske spekteret, fra de korteste gammastråler til de lengste radiobølger, utgjør lys et svært beskjedent frekvensområde (figur 2).

Det er likevel ikke tilfeldig at det nettopp er disse bølgelengdene vårt øye kan oppfatte. Mesteparten av solstrålingen som når jordoverflaten er nemlig i dette frekvensområdet og det har vært styrende for livets utvikling.

Figur 6. Strålingen vi mottar fra solen

Dannelse
Faste gjenstander begynner å sende ut synlig lys i form av termostråling når temperaturen overstiger ca. 500 °C. Til å begynne med vil lyset være rødt, det vil si lang bølgelengde. Ved stigende temperatur blir lyset først gulere, så hvitere og, ved svært høye temperaturer, blåhvitt. Da vil lyset bestå av en overvekt av de korteste, synlige bølgelengdene. Ytterligere temperaurøkning vil bringe strålingen inn i det ultrafiolette området.

Figur 7. Termostråling

Gasser som blir varmet opp til slike temperaturer sender ut karakteristisk stråling i den synlige delen av spekteret. Partikkelkollisjonene ved disse temperaturene fører til at elektroner i de ytre orbitalene blir slått ut i orbitaler med høyere energi. Når elektronen faller tilbake til grunntilstanden sendes det ut stråling med et sett av bølgelengder som er karakteristisk for grunnstoffet. Flere moderne analysemetoder gir meget nøyaktige resultater basert på registrering av stoffets karakteristiske stråling. Dette kalles spektralanalyse.

Figur 8. Karakteristisk stråling ved høy temperatur

Karakteristisk stråling kan også oppstå uten at stoffet varmes opp. I enkelte molekyler eller krystaller kan elektroner være så løst bundet til atomene at eksitasjon med påfølgende utsending av synlig lys kan skje som følge mange typer påvirkning, for eksempel gnidning, kjemiske reaksjoner, elektrisk strøm eller elektronstråle, eller ultrafiolett bestråling. Dette kalles luminescens.

Figur 9. Luminescens

Navn
Lys betyr synlig elektromagnetisk stråling. Likevel kan man av og til høre snakk om "usynlig lys", eller "mørkt lys". Uttrykket er selvmotsigende, men brukes av og til om UVA-stråling. Ordet "lys" har opprinnelse fra latinsk lux, som igjen kommer fra gresk leukos (= skinnende).

Kilde
På jorden er solen den uten sammenligning viktigste kilden for lys. Jordens rotasjon omkring seg selv i bane omkring solen fører til dag og natt og årstider. Denne lys- og varmerytmen danner rammen rundt livet til de fleste av jordens livsformer.

Mennesket har i løpet av sin utvikling funnet fram til andre lyskilder som de har større kontroll over: Først bål og fakler, oljelamper, voks- og stearinlys, seinere glødelampe, lysrør og lysdiode. Selv om døgnet, og dermed solen, fortsatt styrer folk og samfunn, har kunstig lys fått svært stor betydning for det moderne mennesket.

Figur 10. Jorden ved natt

Virkning
Når lys treffer en gass, en væske eller et faste legeme vil tre fenomener oppstå i varierende grad:

  1. Elektroner som har svak forbindelse til sine atomer vil vibrere i takt med de innkommende lysbølgene nesten uten å yte motstand. Disse vibrerende elektronene danner nye lysbølger med samme bølgelengde og frekvens som så sendes ut igjen fra stoffet. Dette er refleksjon.
  2. Lyset kan forplante seg innover i stoffet, gjennomskinne stoffet. Men hastigheten blir redusert i forhold til lysfarten i tomt rom.
  3. Elektroner som er fast bundet til atomene vil også bli påvirket av lysbølgene. Atomene, og de molekylene de er en del av, trekkes med i bevegelsen. Dette fører til økt temperatur. Lysenergien blir tilsvarende absorbert.

Som vi viste i kapittel 4A har metaller en krystallstruktur med frie elektroner omkring positive ioner. Disse frie elektronene er det svært lett for innkommende lysbølger å sette i sving. Derfor reflekterer metallene nesten alt lys som treffer dem - de har metallglans. Glattpolerte metallflater danner speilbilder (figur 11).

Figur 11. Speiling

Luft, vann, glass og diamant er eksempler på stoff som slipper lys lett gjennom seg. Men lyset bremses i slike stoff, som vist i denne tabellen og det fører til både lysbrytning og refleksjon (figur 12).

Figur 12. Lysbrytning og refleksjon

De fleste stoff reflekterer noe fra overflaten mens noe skinner inn i stoffet. Der kan en del bli reflektert ut igjen, bli absorbert eller trenge helt gjennom og ut på baksiden. Stoff får farge fordi forholdet mellom disse effektene bestemmes av lysets bølgelengde. Er stoffet svart blir alle bølgelengder absorbert. Et stoff har grønn farge fordi lys med denne bølgelengden reflekteres, mens de andre bølgelengdene absorberes.

Betydning
Størst betydning for livet på jorden har fotosyntesen. Ved hjelp av molekylet klorofyll bruker grønne planter energien i lyset til å sette sammen karbondioksid og vann til mer energirike, organiske molekyler. Denne prosessen danner næringsgrunnlaget for nesten alt dyreliv. Planter er også følsomme for lys i den forstand at de bøyer og strekker seg mot lyset.

I løpet av dyrelivets utviklinghistorie har synssansen utviklet seg fra enkle lysfølsomme celler til det kompliserte organet som utgjør insektenes fasettøyne eller pattedyrenes linseøyne. For de fleste dyr er synet et av de viktigste midlene til å orientere seg i tilværelsen. Dette gjelder i særlig grad menneskene, som i tillegg har tatt i bruk en rekke optiske instrumenter som kikkerten og mikroskopet for å se enda lenger og dypere inn i tilværelsen. Disse instrumentene bygger på de grunnleggene prinsippene som er vist i figur 13.

Figur 13. Prismer, linser og krumme speil

Infrarød stråling

Infrarød stråling har lengre bølgelengder enn lys (700 nm) men kortere enn mikrobølger (1.000.000 nm = 1 mm).

Dannelse
Alle legemer med temperatur over det absolutte nullpunkt sender ut termostråling. Så lenge stoffpartiklene ikke er i absolutt ro, vil det dannes elektromagnetiske bølger. På grunn av stoffpartiklenes kaotiske bevegelser vil termostråling alltid bestå av et sammenhengende spekter og et bredt bølgelengdeområde.

Kalde gjenstander sender ut langbølget IR-stråling (fjern IR). Ved stigende temperatur vil intensiteten av strålingen øke, og bølgelengden avta. Over ca. 500 °C vil termostrålingen også inneholde lys. Ved ytterligere temperaturøkning vil strålingen gradvis forskyve seg over lysområdet og, ved 3000 °C, inn i ultrafiolett.

Navn
Den infrarøde strålingen ble oppdaget omkring 1800 av den engelske astronomen William Herschel. Ved å føre et kvikksølvtermometer gjennom de ulike fargene i et prismespektrum fant han at oppvarmingen faktisk var størst utenfor den synlige del av spekteret, forbi den røde enden. Han antok at dette skyldtes stråling som var av samme natur som lyset, men som ikke påvirket øyet.
Navnet kommer fra det latinske ordet infra som betyr under. Infrarød betyr altså "under rød".

Kilde
Som vist i figur 6, mottar jorden mye infrarød stråling fra solen, men forøvrig er alle legemer infrarøde strålingskilder så lenge de har temperaturer over absolutt null (0 K = - 273,15 °C).

Virkning
Strålingen fra solen består av lys og Nær IR. Slike stråler slipper lett gjennom atomfæren. Jordens overflate absorberer solstrålingen, blir oppvarmet og sender mye av energien ut igjen i form av infrarød stråling med lengre bølger. Men denne strålingen blir absorbert av atmosfæren. Det skyldes først og fremst gassene vanndamp og karbondioksid. Energien blir sendt ut igjen i alle retninger, også tilbake til jordoverflaten. Dermed hemmes jordens energitap til verdensrommet. Dette er drivhuseffekten (mer i kapittel 5B). Den skyldes altså at atmosfæren er åpen for kortbølget solstråling på vei inn til jordoverflaten, men hindrer langbølget jordstråling på vei ut. Uten drivhuseffekten ville jordens gjennomsnittlige overflatetemperatur ligge på - 42 °C.

Bruk
Infrarøde stråler brukes til fjernkontroller for TV og til trådløst nærutsyr for datamaskiner (mus, tastatur). Apparatene sender ut IR-stråling til mottaker i TV-apparatet eller datamaskinen der fotoceller omgjør signalene til elektriske strømpulser.

Instrumenter som passivt registrerer IR-stråling har mange og viktige anvendelser. Registreringene kan settes sammen til et bilde som på en videoskjerm viser fordeling av stråling fra ulike områder i bildet. Slike apparater kan ha stor nøyaktighet. De kan kontrollere kjemiske, biologiske eller mekaniske prosesser eller de kan gi et slags nattsyn. Slike "varmekamera" brukes til overvåkning, til flysøk etter savnede personer på sjøen eller i fjellet og til kontroll av kjemiske, biologiske eller mekaniske prosesser. Teknologien har mange militære og vitenskapelige anvendelser.

Figur 14. Eksempel på bruk av IR-avbildning

Med riktig tilleggsutstyr kan man med vanlig kamera ta fotografier i det nære infrarøde området.

Mikrobølger

Elektromagnetiske stråling (figur 2) med bølgelengde i området 1 mm - 30 cm kalles mikrobølger.

Dannelse
Som nevnt under Infrarød stråling vil alle gjenstander som har en temperatur over det absolutte nullpunkt sende ut termostråling. Strålingens opphav er stoffpartiklenes egenbevegelse (atomer, molekyler eller ioner), altså det vi oppfatter som temperatur. Når temperaturen synker til noen få grader over det absolutte nullpunktet blir stoffpartiklenes bevegelser så langsomme at strålingen kommer i mikrobølgeområdet.

Mikrobølger dannes kunstig ved å bringe elektroner til å vibrere med hastigheter som tilsvarer mikrobølgefrekvensene (1-300 GHz). Slike innretninger ble oppfunnet først på 1930-tallet. Prinsippet går ut på å danne en elektronstråle i et lufttomt kammer eller kanal, og deretter få elektronene til å "sjangle" eller gå i ring ved å påvirke strålen med sterke magnetfelt.

Navn
Forstavelsen mikro- kommer fra gresk og betyr 'meget liten'. Mikrobølger er radiobølger (neste avsnitt) med svært korte bølgelengder. I forhold til det fullstendige elektromagnetiske spekteret (figur 2) hører mikrobølgene likevel med til den langbølgede delen.

Virkning
Mikrobølger beveger seg rettlinjet og reflektreres fra faste gjenstander. Dersom intensiteten er høy kan den trenge litt inn i gjenstanden og føre til oppvarming. Dette skyldes at strålingen får polare molekyler (vann, fett) til å vibrere i takt med strålingens frekvens. Denne vibrasjonen forplanter seg til andre molekyler slik at det skjer en oppvarming.

Bruk
Mikrobølger benyttes i radaren, i landingssystemer for fly, til kommunikasjon med satellitter, til radiolink, i trådløse datanettverk og mobiltelefoner. Mikrobølgenes oppvarmingsegenskaper nyttes i industrielle tørkeprosesser og i husholdningen til oppvarming av mat i mikrobølgeovnen.

Vern
Mikrobølger med høy intensitet kan trenge gjennom huden og varme opp vevet, noe som naturligvis er skadelig. Apparater med sterk stråling (radar, mikrobølgeovn mm.) skal derfor være godt skjermet slik at strålingen til omgivelsene holdes innenfor godkjente maksimumsverdier. Metall eller annet materiale som leder elektrisitet stopper strålene effektivt.

Helseeffekten av mikrobølger med lav intensitet (mobiltelefon eller trådløst datanettverk) er omdiskutert. Tallrike undersøkelser i løpet av to tiår har ikke kunnet påvise klar sammenheng mellom slik stråling og sykdom. Men det er først i nyere tid at mobiltelefonen er blitt allemannseie. Derfor vil det først i framtiden være mulig å se resultatet av livslang påvirkning.

Radiobølger

Elektromagnetiske stråling (figur 2) med bølgelengde over 30 cm, tilsvarende en frekvens på 1 GHz, kalles radiobølger. Ofte regnes også mikrobølger som radiobølger.

Dannelse
I en elektrisk leder (nesten alltid metall) er elektronene løst bundet til atomene sine (se Metallbinding, kapittel 4A). Elektrisk strøm er elektroner som strømmer gjennom lederen. Ved å la strømmen, altså elektronbevegelsen, skifte retning, for eksempel 1000 ganger per sekund, dannes vekselstrøm. De vibrerende elektronene vil skape elektromagnetiske bølger med tilsvarende frekvens, i dette tilfellet 1 KHz. Bølgelengden ville være 300 km.

Effektiv utsendelse av slik stråling forutsetter bruk av en antenne. Antennen er en elekrisk leder (ledning eller stang) som plasseres høyt og fritt slik at utsendt stråling ikke hindres av gjenstander i nærheten. Antennens lengde bør tilsvare strålingens bølgelengde for å få stor virkningsgrad.

Enhver form for gnistdannelse vil føre til utsending av radiobølger. Det gjelder også lyn.

Radiobølger dannes av prosesser i universet og disse blir studert med radioteleskoper.

Navn
Ordet radio kommer av latinsk radius som betyr stråle.

Virkning
Radiobølgene brer seg ut i rommet med lysets hastighet, på samme måte som all elektromagnetisk stråling. Frekvensen er imidlertid så lav at disse bølgene ikke har noen virkning på ioner, molekyler eller atomer. Men i elektriske ledere, der elektroner lett kan beveges fram og tilbake, vil det bli satt opp vekselstrøm i takt med bølgenes frekvens. Det er dette forholdet som utnyttes i all telekommunikasjon ved at signaler sendes ut fra en senderantenne og avleses i en mottakerantenne. Mottakerantennen blir mest effektiv dersom den har en lengde som tilsvarer bølgelengden. Når senderantennen kanskje er mange hundre kilometer fra mottakerantennen, blir strømmen som skapes svært svak (se Energi og avstand ovenfor). Mottaksutstyret må derfor forsterke signalene før de blir tolket.

Vern
Radiobølger har så lang bølgelengde at de ikke har noen effekt på kroppens molekyler. Det er derfor ikke behov for vern mot strålingen.

Bruk
Radiobølger brukes først og fremst til radiokommunikasjon i form av TV, kringkasting, radiotelefon og radiolink og har, sammen med mikrobølgene, svært stor samfunnsmessig betydning.

Slik bruk har blitt mulig på grunn av en rekke avanserte metoder som gjør det mulig å formidle både billed- og lydinformasjon ved hjelp av radiobølger. Alle metodene forutsetter en form for modulasjon av radiobølgene. Den enkleste form for modulasjon er å slå sendingen av og på slik at det kan sendes morsetegn. I moderne telekommunikasjon brukes AM (amplitudemodulasjon), FM (frekvensmodulasjon) og en rekke andre, kompliserte modulasjonsteknikker, blant annet digitalisering.

3 Sammendrag

4 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil.

Når du er ferdig, skal 11 ruter være grønne. Greier du å unngå de røde?

  1. Hvilke av disse fenomenene er elektromagnetisk stråling?
  2. Hvilke av disse elektromagnetiske strålene slipper lett gjennom atmosfæren?
  3. Hvilke av disse formlene viser det riktige forholdet mellom bølgelengde, frekvens og lysfart?
  4. Hvilke stråler er ioniserende?
  5. Når et molekyl eller atom blir eksitert betyr det ...
  6. Hvilket navn forbinder du med oppdagelsen av IR-stråling?
  7. Hvilke bølgelengder blir brukt til radar?
  8. Når temperaturen øker vil termostråling ...
  9. Hvilke av disse betegnelsen er enhet for frekvens?