Účinek elektromagnetického záření na hmotu
Optika, jako jeden z fyzikálních oborů, je známa již po staletí. Dlouho však nebylo jasné, jak například světlo vzniká nebo jak je absorbováno.
Porozumění těmto procesům se začalo rozvíjet až v době vzniku atomové fyziky, přibližně před 100 lety. Atomová fyzika, konkrétně kvantová fyzika, odhalila mechanismy, které ukazují, jak je elektromagnetické záření (například viditelné světlo) vytvářeno a absorbováno hmotou.
Díky kvantovému pohledu nyní lépe chápeme tzv. rezonanční jevy (například jadernou spinovou rezonanci, která je využívána v jaderné magnetické rezonanci). Kvantová fyzika nám také pomohla pochopit, proč mohou mít i minimální dávky záření velký účinek.
Co je to elektromagnetické záření?
Fenomeny magnetismu a elektřiny byly objevovány a zkoumány odděleně. Až později se ukázalo, že jsou vzájemně propojené. Dnes používáme elektromagnety, které generují magnetické pole pomocí elektrického proudu. Stejně tak máme dynama, která využívají opačný princip – rotující magnety generují elektrický proud.
Podobně je tomu u elektromagnetického záření. Původně byla známa pouze statická magnetická a elektrická pole. Příkladem může být magnetické pole tyčového magnetu nebo elektrické pole baterie.
Pozdější výzkumy ukázaly, že když pole začnou kmitat, vytvářejí také pole druhé kategorie. Kmitající elektrické pole generuje (stejně rychle) kmitající magnetické pole a naopak. Tento typ kmitajících polí se označuje jako elektromagnetická pole.
Když pole kmitají velmi rychle, dochází k dalšímu zajímavému jevu. Uvolní se od svého původního zdroje a stávají se samostatně šířícími se vlnami. Jak je to možné? Elektrická a magnetická pole se prakticky rozprostírají nekonečně daleko v prostoru. Pokud místo baterie použijeme elektrický oscilátor, mění elektrické pole směr několikrát za sekundu. Při stále vyšší frekvenci kmitání začne vzdálenější elektrické pole zaostávat, až při určité frekvenci dojde k jeho uvolnění a vzniká elektromagnetická vlna (záření). Níže uvedený obrázek ukazuje, jak si tento proces můžeme představit.
Jakmile je záření na cestě jako elektromagnetická vlna, obě složky – elektrické a magnetické pole – jsou vzájemně propojené a rovnoměrně se vlní. To je znázorněno na dalším obrázku:
Vlny, ve kterých kmitají elektrické a magnetické pole kolmo k sobě (tedy pod pravým úhlem) a také kolmo ke směru šíření vlny.
Jednotlivé druhy elektromagnetického záření se liší pouze frekvencí. Rozsah elektromagnetického záření je obrovský, jak ukazuje následující obrázek - od nízkofrekvenčního záření 1 Hz až po záření s frekvencemi nad 10²¹ Hz, což je gama záření. Jak je vidět, viditelné světlo (německy licht) je rovněž součástí spektra elektromagnetického záření. Z uvedených čísel je patrné, že vlnová délka a frekvence jsou ve vzájemném pevném vztahu. Pokud obě hodnoty (vlnovou délku a frekvenci) vynásobíme, vždy dostaneme stejnou hodnotu: rychlost světla, která činí 3 × 10⁸ metrů za sekundu. Proto je možné při známé vlnové délce nebo frekvenci vypočítat druhou hodnotu.
Kvanta a fotony
Elektromagnetické záření vykazuje další zajímavý jev: tzv. kvantování. Podobně jako déšť skládající se z kapek nebo sníh složený z vloček, je elektromagnetické záření rozděleno na malé jednotky – kvanta. Každé kvantum je charakteristické pro typ záření, tedy pro jeho frekvenci. (Pro frekvenci f má každé kvantum energetický obsah E = h × f, kde h je Planckova konstanta.) Tento jev je důležitý pro pochopení povahy záření.
Pokud mluvíme o světle, kvanta se nazývají fotony (řecky "phos" = světlo). Původně byl tento termín používán pouze pro kvanta viditelného světla, dnes však zahrnuje i všechna ostatní elektromagnetická kvanta, jako například mikrovlny. Pojem "foton" se používá k vysvětlení částicových vlastností světla a jiného elektromagnetického záření, například při vysvětlení fotoelektrického jevu. Zároveň však nelze popřít ani vlnové vlastnosti, jako je ohyb a lomení světla (a jiného elektromagnetického záření).
Tento jev je těžké si představit, protože přírodu máme tendenci zařazovat do známých kategorií. Jedním z obrazových způsobů, jak to pochopit, je představa vlnového balíčku. Foton je zobrazen jako vlna, která je prostorově ohraničena.
Absorpce a emise záření
V předchozích kapitolách jsme se seznámili se základními vlastnostmi elektromagnetického záření, které jsou důležité při jeho interakci s hmotou. Nejzásadnější je, že každý druh elektromagnetického záření může být vyzařován nebo absorbován pouze v celých energetických balíčcích (kvantech). Při tomto procesu mohou být zapojeny jednotlivé elektrony nebo jádra atomů, stejně jako složitější molekulární systémy či pevné struktury.
Příklad absorpce a emise záření:
Když A vyzařuje kvantum záření, ztrácí množství energie, které je tímto kvantem přeneseno. Pokud je toto kvantum následně absorbováno B, B tuto energii přijímá. Záření tedy funguje jako prostředek přenosu energie. Tímto způsobem získává také Země energii od Slunce. Každou sekundu je ze Slunce vyzařováno obrovské množství energie a i když jen malá část z toho je zachycena Zemí, stačí to k udržení takové teploty, která umožňuje pozemský život.
Na atomové úrovni je dobře vidět, jak se absorpce a emise odehrávají v detailech. Atomy se skládají z jádra s elektronů, které obíhají kolem jádra a vytvářejí elektronový obal. Elektrony jsou rozmístěny na přesných dráhách, jež mají určitou energii. Každá dráha může obsahovat pouze stanovený počet elektronů. Atomy mohou absorbovat energii (ve fyzice se říká, že jsou stimulovány) tím, že se elektron přesune z dráhy o nižší energii na dráhu energeticky vyšší. Elektronové dráhy různých druhů atomů mají různé energetické obsahy s různými energetickými skoky mezi dráhami. Pokud se energie dopadajícího množství záření shoduje právě s energetickým rozdílem mezi dvěma elektronovými dráhami, může být energetické kvantum absorbováno, přičemž se elektron přesune na vyšší dráhu. Proces absorbce a emise je zobrazen v níže uvedeném pořadí obrázků.
Ve všech látkách (plynných, kapalných i tuhých) jsou tyto procesy pozorovatelné, protože všechny jsou založeny na existenci různých energetických stavů, Elektrony v kapalných a tuhých látkách mohou zaujímat velmi složité vzájemné pozice a dráhy.
Rezonance
Ve srovnání s jednotlivými atomy mají molekuly nebo celé předměty mnoho možností pro ukládání energie. Sousední atomy tak mohou vytvářet vzájemné vazby. Vibrovat mohou také celé molekuly ve vztahu k sobě navzájem nebo může být uveden do určitého vibračního stavu celý předmět (např. sklenice). Všechny tyto vibrační stavy jsou současně zásobníky energie. Molekuly mohou také provádět rotace, což také představuje akumulaci energie. Když je takový vibrační, rotační nebo jiný energetický stav stimulován elektromagnetickým zářením, hovoří se obecně o kvantovém skoku, který byl vyvolán rezonancí. V takovém případě dopadající množství záření poskytuje právě tu správnou energii, aby bylo možné dosáhnout energeticky obohaceného stavu. O kvantovém skoku se mluví také, když systém přejde z vyššího stavu do nižšího .....
Rezonancí se rozumí spolukmitání jednoho tělesa ve vibraci, která vychází z jiného tělesa. Přitom se mění dva nebo více periodicky se pohybujících procesů ve stejném rytmu a vyměňují si energii.
Rezonance je fyzikální jev, kdy systém kmitá s zvětšenou amplitudou při určitých frekvencích, nazývaných rezonanční frekvence. Tyto frekvence jsou pro daný systém specifické, dané jeho fyzikálními vlastnostmi. K rezonanci dochází, když vnější síla působící na systém má stejnou frekvenci jako vlastní kmitání systému.
Příklady mimo kategorii elektromagnetického záření: Hudební nástroje: Rezonanční skříň kytary zesiluje zvuk strun - žádoucí. Mosty: Nevhodně navržený most může být zničen silnými větry nebo zemětřesením vlivem rezonance - nežádoucí. Houpačka: Rozhoupání houpačky člověkem, který přidává energii houpání šikovně v rytmu, jenž odpovídá již existující vlastní vibraci houpačky - žádoucí.
K rezonanční absorpci elektromagnetického záření dochází například při stimulaci atomů a molekul elektromagnetickým zářením. Mluvíme o rezonanční absorpci, protože energie fotonu (a tím i frekvence) při stimulaci atomu musí přesně odpovídat množství energie potřebnému k přenosu jednoho elektronu z jednoho energetického stavu do druhého.
Nukleární magnetická rezonance: V silných magnetických polích jsou rezonance látek velmi výrazné a nacházejí technické a vědecké použití. Nukleární magnetická rezonance (NMR) je mimo jiné základem známé lékařské diagnostické techniky známé jako magnetická rezonance (MRI) nebo nukleární spintomografie.