Vågmodellen för ljus - Elektromagnetisk strålning

Vi har tidigare sett att strålmodellen för ljus är en modell för hur ljus rör sig och interagerar med materia som fungerar väl när man talar om vardagliga föremål och många optiska instrument. Men när det när det kommer till mycket små saker så visar det sig t.ex. att man i optiska instrument får optiska effekter som ger dålig upplösning, dvs. suddiga bilder. Det verkar nästan som att ljuset sprids då det träffar på små hinder och inte riktigt längre utbreder sig rätlinjigt så som antas i strålmodellen.

Vi vet ju sedan tidigare att mekaniska vågor böjs av då de träffar på ett hinder i samma storleksordning som våglängden och om plana vågor i synnerhet träffade en öppning så spreds vågorna cirkulärt på andra sidan öppningen. Detta kallades ju för böjning eller diffraktion. Skulle diffraktion kunna vara en förklaring till den dåliga upplösningen? Att ljus också är en vågrörelse men med så korta våglängder att det krävs mycket små hinder för att diffraktionen ska märkas?

Vi har ju redan sett att ljus uppvisar reflektion och brytning men det visar sig faktiskt att ljus också har fler vågegenskaper, t.ex. diffraktion och interferens men att dessa effekter blir framträdande först då objekten som ljuset interagerar med blir mycket små, då ju hindret och våglängden måste vara av samma storleksordning för att diffraktionen ska märkas.

Som en tumregel säger man att strålmodellen slutar att vara giltig då objekten som ljuset interagerar med blir mindre än 1 mm.

Det visar sig att ljus också skapar ett interferensmönster om det får passera genom två små öppningar, s.k. spalter. Spalterna fungerar då som två punktkällor som är fas. En sträcka längre fram finns en skärm som registrerar ljuset som tar sig igenom spalterna. I figuren visas framsidan av skärmen uppåt men den är egentligen riktad mot spalterna.

På skärmen får vi omväxlande ljusa och mörka partier, dvs. maxima och minima. Dvs. de områden på skärmen där vi har ljusa punkter ligger på en linje med maxima. s.k. förstärkningslinjer, medan de mörka områdena på skärmen ligger på nodlinjer.

Detta ger starkt stöd åt idén att ljus skulle vara en våg.

Men om ljus är en vågrörelse, vad är det för typ av våg? Den skotske fysikern James Clerk Maxwell arbetade i mitten på 1800-talet på en teori som sammanfogade elektricitet och magnetism till ett enda fenomen, elektromagnetism.

Han menade att om en elektrisk laddning svänger fram och tillbaka, dvs. accelererar (kom ihåg att en riktningsändring är en acceleration) så avges energi som skapar en störning som utbreder sig i rummet liknande det vi såg när vi skakade ena änden på ett hopprep i lektionen om pulser. Den oscillerande laddningen är alltså vågkällan. 

Det skapas då en transversell våg som består av två oscillerande fält, ett elektriskt som oscillerar i samma riktning som laddningen och ett magnetiskt fält som oscillerar vinkelrätt mot det elektriska fältet. Båda fälten oscillerar även vinkelrätt mot utbredningshastigheten. En sådan våg kallas därför för en elektromagnetisk våg.

När Maxwell räknade på hur snabbt en sådan våg borde utbreda sig så visade det sig att det borde vara med en hastighet på runt 300 000 km/s. Eftersom detta stämde väl överens med det uppmätta värdet för ljus vid den här tiden drogs slutsatsen att ljus också är elektromagnetiska vågor.

Idag har man definierat ljusets hastighet till $c=299\text{ }792\text{ }458$c=299 792 458 m/s men vi kommer dock genomgående i denna kurs att avrunda detta till $3\cdot10^8$3·10⁸ m/s. 

De elektriska och det magnetiska fältet skapar också varandra och därmed upprätthåller vågen sig själv och behöver inget medium att utbreda sig i. Det känns ju rimligt iom att vi vet att ljuset utan problem t.ex. tar sig från solen till jorden genom det vi nu vet är i princip vakuum.

Man tänker sig alltså att ljus är energi som transporteras genom dessa oscillerande magnetiska och elektriska fält och om ljus är en vågrörelse så har ju ljus vågegenskaper som våglängd och frekvens och följer därmed sambandet $v=\text{λ}f$v=λƒ  och eftersom vi vet att ljusets hastighet  är c så kan vi ju skriva detta som $c=\text{λ}f$c=λƒ .

Det visar sig dock att det vi kallar ljus endast är en liten del av ett mycket större spektrum som kallas det elektromagnetiska spektrumet eller EM-spektrumet. Om vi ritar upp en principskiss där vi har mycket långa våglängder i ena änden, upp till flera kilometer långa, och mycket korta i andra, ner till $10^{-15}$10⁻¹⁵ m så får vi ett hum om hur stor spridning i våglängd det här spektrumet har.

I mitten av figuren ser vi det synliga ljuset i form av regnbågens färger, dvs. de färger vi kan se. Notera att trots att området är litet i figuren så är det ändå kraftigt förstorat. Av hela det elektromagnetiska spektrumet så kan våra ögon alltså bara registrera denna lilla del. Det är också här som vår sol strålar ut det mesta av sin elektromagnetiska strålning så det är ingen slump utan våra ögon har helt enkelt utvecklats för att registrera just dessa våglängder. Det synliga spektrumet ligger i våglängdsområdet ca $400-700$400−700 nm.

Det elektromagnetiska spektrumet delas, ofta lite godtyckligt, in i olika typer av strålning baserat på våglängd och frekvens.

Våglängdsområdet under synligt ljus kallas infrarött ljus och är i princip värmestrålning. Delar av detta spektrum kan vi ju faktiskt också detektera men inte med ögonen utan genom receptorer i huden. Det är detta man känner om man sitter framför en brasa t.ex. Dessa vågor har våglängder runt $780$780 nm till runt $1$1 mm.

Om vi tittar på vågor i storleksordningen $1$1 mm till $1$1 m så pratar man om mikrovågor och det är dessa våglängder som används för att värma mat i en mikrovågsugn.

Våglängder större än $1$1 m brukar generellt kallas radiovågor och når våglängder till hundratals kilometer och man brukar även dela in dessa i undergrupper s.k. ”band”,  som t.ex. LF, MF, HF, VHF och UHF. Radiovågor används främst till kommunikation. T.ex. sänder vanliga radiostationer ofta på VHF-bandet.

Viktigt att förstå nu är att trots att våglängderna har ett mycket stort spann så är det frågan om samma fysikaliska fenomen, elektromagnetiska vågor, eller som det ofta kallas, elektromagnetisk strålning. Det som skiljer är våglängden och därmed frekvensen…

Men visar sig att våglängden och frekvensen är intimt förknippade med vågornas energi, en kortare våglängd innebär en högre frekvens OCH en högre energi. Vi får alltså elektromagnetisk strålning med högre energi uppåt i figuren. Det innebär att blått ljus har alltså mer energi än rött och infrarött ljus har mer energi än mikrovågor.

Frekvensen kan därmed t.ex. påverka räckvidden i olika material (inte minst i människokroppen) och därmed hur skadlig strålningen är. Du vet säkert att man kan få skador på huden då man är i solen för länge. Detta beror på att solen, förutom det synliga ljuset, även strålar en bit in i det s.k. ultravioletta området. UV-området. UV-strålning har ju kortare våglängd än synligt ljus och är därmed mer energirik och har därför möjlighet att påverka våra celler i huden. Från UV och mot kortare våglängder blir strålningen mer och mer energirik och därför farligare och farligare för oss människor.

Efter UV kommer röntgenstrålning som ju har förmågan att tränga igenom mjukdelar i vår kropp vilket är mycket användbart inom medicin men den kan även orsaka skador på celler och därmed riskera att orsaka cancer. Därför använder man röntgen bara då det verkligen behövs och det är noga reglerat hur mycket strålning man bör få i sig under ett år. Några enstaka röntgenundersökningar har dock låga risker.

Riktigt högenergetisk strålning kallas ofta för gammastrålning. P.g.a. att den har så hög energi har den stor räckvidd i materia och det krävs betong eller bly för att stoppa den. Men den har även praktiska tillämpningar, T.ex. kan den användas till att sterilisera medicinska instrument och behandla cancer.