Účinek elektromagnetického záření na hmotu

Optika, jako poddisciplína fyziky, 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 může být elektromagnetické záření (například viditelné světlo) vytvořeno 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 byly známy pouze statické magnetické a elektrické 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, uvolní se z původní zdrojové oblasti a stávají se samostatně šířícími vlnami. Jak je to možné? Elektrická a magnetická pole se šíří nekonečně daleko v prostoru. Měli bychom si je představit jako čáry polí, které se rozpínají do nekonečna. Pokud místo baterie použijeme elektrický oscilátor, mění elektrické pole směr několikrát za sekundu. Při stále vyšší frekvenci kmitání začne pole zaostávat, až při určité frekvenci dojde k uvolnění a vzniká elektromagnetická vlna (záření). Tento proces je zobrazen na následujícím obrázku.

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.

Všechny druhy elektromagnetického záření se liší pouze frekvencí, jinak mají stejné vlastnosti. Rozsah elektromagnetického záření je obrovský, jak ukazuje následující obrázek. Záření s frekvencemi od méně než 1 Hz až po záření s frekvencemi nad 10²¹ Hz, což je gama záření. Jak je vidět, viditelné světlo je součástí 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.

Elektromagnetické záření různé frekvence

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 pro 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. Zářivý kvant tedy funguje jako prostředník energie. Tento přenos energie je důvodem, proč Země dostává energii od Slunce. Slunce každou sekundu vyzařuje obrovské množství kvant. I když je jen malá část těchto kvant zachycena Zemí, tato část stačí k udržení teploty na Zemi v rozmezí, které umožňuje život.

Na atomární úrovni je proces absorpce a emise jasně patrný. Atom se skládá z jádra a elektronů, které obíhají kolem něj, vytvářejí elektronovou obálku. Elektrony se nacházejí na drahách (nebo obalech) s určitou energií. Každá dráha může obsahovat jen určité množství elektronů. Atomy mohou přijímat energii (v fyzice se tomu říká "nažhavení") při přechodu elektronu na vyšší energetickou dráhu. Rozdíly mezi těmito drahami závisí na typu atomu, přičemž skoky mezi drahami jsou pro různé atomy různé. Když energie přicházejícího zářivého kvanta odpovídá energii mezi dvěma elektronovými drahami, může být toto kvantum absorbováno a elektron přechází na vyšší dráhu. Tento proces je zobrazen v následujícím obrázku.