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. Den fungerar väl när det handlar om vardagliga föremål och många optiska instrument. Men när det kommer till mycket små saker visar det sig t ex att vi 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 strålmodellen säger.

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

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

En tumregel säger att strålmodellen slutar att vara giltig då objekten som ljuset interagerar med blir mindre än  $1$1  mm.

Det visar sig att ljus också skapar ett interferensmönster om det får passera genom två små öppningar, så kallade spalter (på engelska slits). Spalterna fungerar då som två punktkällor i fas. En sträcka längre fram finns en skärm som registrerar det ljus som tar sig igenom spalterna. Längst till höger i figuren visas framsidan av skärmen.

På skärmen får vi omväxlande ljusa och mörka partier, dvs maxima och minima. De områden på skärmen med ljusa punkter ligger på en förstärkningslinje (”buklinje”), och de mörka områdena på skärmen ligger på en nodlinje.

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

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) 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 en elektromagnetisk våg.

Maxwell räknade på hur snabbt en sådan våg borde utbreda och kom fram till en hastighet på runt  $300\text{ }000$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 är ljusets hastighet definierat som  $c=299\text{ }792\text{ }458$c=299 792 458  m/s. I denna kurs kommer vi dock genomgående att avrunda detta till $3\cdot10^8$3·10⁸  m/s. 

Det elektriska och det magnetiska fältet skapar också varandra, och därmed upprätthåller vågen sig själv och behöver inget medium att utbreda sig i. Detta känns rimligt utifrån att vi vet att ljuset utan problem tar sig från solen till jorden genom i princip vakuum.

Vi tänker oss alltså att ljus är energi som transporteras genom dessa oscillerande magnetiska och elektriska fält. Om ljus är en vågrörelse har det vågegenskaper såsom våglängd och frekvens. Då följer sambandet $v=\text{λ}f$v=λƒ  , och eftersom vi vet att ljusets hastighet  är  $c$c  kan vi 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, och mycket korta i andra, 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 eftersom det synliga området är mycket litet är det i figuren kraftigt förstorat. Av hela det elektromagnetiska spektrumet 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 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 faktiskt också detektera, men inte med ögonen utan genom receptorer i huden. Det är detta du känner om du sitter framför en brasa. Dessa vågor har våglängder från ca  $780$780  nm upp till ca $1$1  mm.

Vågor i storleksordningen  $1$1  mm – $1$1  m kallas 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 de kan ha våglängder upp till till hundratals kilometer. Dessa brukar även delas in i undergrupper, så kallade ”band”,  som t ex LF, MF, HF, VHF och UHF. Radiovågor används främst till kommunikation. Vanliga radiostationer sänder ofta på VHF-bandet.

Det är viktigt att komma ihåg att trots att våglängderna har ett mycket stort spann handlar det om samma fysikaliska fenomen, elektromagnetiska vågor, eller som det ofta kallas, elektromagnetisk strålning. Det som varierar i spektrumet är våglängden och därmed frekvensen.

Det visar sig att våglängden och frekvensen är nära 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 alltså har mer energi än rött, och infrarött ljus har mer energi än mikrovågor.

Energin, och därmed frekvensen, kan påverka räckvidden i olika material (inte minst i människokroppen) och alltså hur skadlig strålningen är. Du vet säkert att huden kan skadas om du är ute i solen för länge. Detta beror på att solen, förutom det synliga ljuset, även strålar en bit in i det 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 har förmågan att tränga igenom mjukdelar i vår kropp, vilket är mycket användbart inom medicin, men strålningen kan även orsaka skador på celler och därmed riskera att orsaka cancer. Därför används röntgen bara då det verkligen behövs, och det är noga reglerat hur mycket strålning varje människa maximalt bör utsättas för per år. Enstaka röntgenundersökningar ger en stråldos långt under dessa gränsvärden.

Riktigt högenergetisk strålning kallas ofta för gammastrålning. På grund av 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, den kan t ex användas till att sterilisera medicinska instrument och behandla cancer.