Ionizirajoče elektromagnetno sevanje

Ena zgodnejših rentgenskih žarnic

V prejšnjem članku sem opisal samo neionizirajoče sevanje, tisto nenevarno, ki ima večje valovne dolžine. S krajšanjem valovne dolžine pa energijo sevanja povečamo in tako postane nevarnejše. Tako najprej pridelamo infrardeče sevanje, ki ga čutimo kot toploto, njegova energija pa je tako majhna, da že oblačno vreme zastre toploto s Sonca. Ko se zoblači, začutimo, da je postalo hladneje. Vodna para za to sevanje predstavlja zid. ((Kako vodna para absorbira sevanje pri različnih frekvencah? Vidimo lahko, da se UV-žarki in vidna svetloba slabo absorbirajo, IR-sevanje pa dobro: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water)) Vidna svetloba se do neke mere za oblaki zastre, opazimo lahko, da se je stemnilo, zaradi oblakov pa vseeno ne nastane noč. Ultravijolični žarki pa s seboj nosijo že dovolj energije, da se lahko na oblake požvižgajo. Čeprav je ob oblačnem vremenu hladneje, nas vseeno lahko popeče. Kdor misli, da se bo lahko ob takem vremenu kopal z manj zaščite in bolj brezskrbno, bo svoje neznanje plačal s popečeno kožo in neprespano nočjo. Vse naštete vrste sevanja prihajajo s Sonca hkrati, a če ste prebrali članek o toplotnem sevanju, potem vse to že veste. Kaj pa nas čaka onstran energij ultravijoličnega sevanja?

Celoten elektromagnetni spekter

Prvi po vrsti, takoj za ultravijoličnim sevanjem, so rentgenski žarki. Poimenovani so po odkritelju Röntgenu, ki jih je sam imenoval žarki X, a so jih kasneje poimenovali po njem in mu za to odkritje tudi dodelili Nobelovo nagrado. To sevanje obsega valovne dolžine od 10 nanometrov do stotinke nanometra, kar jim daje dovolj energije, da zlahka prodrejo tudi v trdne snovi, ne pa samo dva centimetra v mišico kot žarki mikrovalovne pečice. ((Več o prodornosti sevanja v materiale, kako deluje in kako se računa, s poudarkom na rentgenskih žarkih: http://www.sprawls.org/ppmi2/RADPEN/)) Zaradi te lastnosti jih uporabljajo za slikanje kosti, pa tudi mehkih tkiv. Tej veji medicine pravijo radiologija, kar mnoge zmede, ker besedo povežejo z radijskimi valovi, čeprav z njimi nima zveze.

Rentgensko sevanje bi težko ustvarili s tehnologijo z antenami, ki sevanje oddajajo tako, da se v njih hitro menja smer toka (delovanje anten je bolj podrobno opisano v članku o neionizirajočih sevanjih). Da bi dobili rentgensko sevanje, bi moral tok v anteni zamenjati smer milijardkrat miljardkrat na sekundo, kar je zelo težko doseči, med drugim tudi zaradi kožnega pojava, ki praktično prepreči tako hitro izmenjujoč tok po žici. Ker si s poznavanjem delovanja radijskih oddajnikov tu ne moremo pomagati, se zatečemo k čarobnim trikom kvantne mehanike.

Rentgensko sevanje pridobimo z nečim, kar je podobno žarnici, vpeti v močno električno polje. Na eni strani imamo negativno naelektreno katodo, ki je hkrati tudi žarilna nitka, kot iz žarnice, na drugi strani pozitivno naelektreno anodo, med eno in drugo elektrodo tiči kovinska ploščica, past za elektrone, vse skupaj pa je “potopljeno” v vakuum.

Ena zgodnejših rentgenskih žarnic

Ko vklopimo to napravo, začne nitka žareti in svetiti, poleg svetlobe pa se iz nje zaradi vse tiste vročine izvije kak prosti elektron. Ta se naenkrat znajde v neprijaznem svetu električnega polja: na eni strani ga negativna elektroda odbija, na drugi strani pa ga pozitivna elektroda privlači, in ker je napetost velika, je tudi sila na elektron velika. Ta se zato z zaletom zaleti v kovino na poti, sem pa tja se kakšen zaleti ravno prav in kvantna mehanika gor, kvantna mehanika dol, iz kovine zasveti ((Pojavu, ko težji atom izseva rentgenski žarek zaradi trka elektrona veliko hitrostjo, pravimo zavorno sevanje ali bremsstrahlung: http://en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung)) rentgensko sevanje. Za tak trk elektrona v jedro kovinskega atoma je zelo malo možnosti. Elektroni morajo res imeti srečo (ali nesrečo), da se to zgodi. A pri vsem oblaku elektronov, ki jih streljamo v kovino, se vedno najde nekaj takih, ki imajo slučajno ravno tisto mikrosekundo Jupiter poravnan z Marsom in luno v škorpijonu,  ravno pravo energijo, da se bo zavorno sevanje zgodilo. Manj kot 1 % energije elektronov se pretvori v rentgensko svetlobo, ostala energija pa v toploto.

Rentgensko sevanje je človeku nevarno, a že izumitelj sam je ugotovil, da se ti žarki, čeprav dovolj močni za pot skozi trdne snovi, le ustavijo v svincu. Ovira iz svinca mora biti le dovolj debela, odvisno o katerih rentgenskih žarkih govorimo. Zadosti je lahko že milimeter debel listič, tisti z več energije pa prebijejo tudi stene do nekaj centimetrov.

Rentgenski žarek dobi več energije, tako da katodo in anodo vpnemo v električno polje z večjo napetostjo, da prosti elektron trči ob kovinsko oviro z večjo hitrostjo in zato odda toliko več zavornega sevanja. Na tem grafu se vidi, da so spektri sevanja -- to so tiste črte -- opisani s kilovolti: pri toliko kilovoltih toliko seva. Opazite podobnost z grafi toplotnega sevanja? Za vse sevanje velja: več energije, več muzike.

S povečevanjem energije počasi preidemo v območje gama sevanja. Stroge ločnice, pri kateri valovni dolžini še govorimo o rentgenskem sevanju, ni. Splošno mnenje je nekako, da govorimo o rentgenskem sevanju, če se sevanje sprošča ob manipulaciji elektronov okrog atomskega jedra. O gama žarkih pa govorimo, ko se sevanje tvori kar v jedru atoma, to je pri radioaktivnem razpadu. Gama žarki imajo izjemno kratke valovne dolžine, manj kot stotinko nanometra, in visoke frekvence. Ta vrsta svetlobe je najbolj nabita z energijo.

Razen z radioaktivnim razpadom ga lahko ustvarimo tudi v pospeševalnikih delcev, v naravi pa so viri gama sevanja tudi ekstremni kozmični pojavi, kot so naprimer pulzarji ali dogodki, imenovani kar izbruhi gama žarkov. Na Zemlji teh nasilnih vesoljskih zveri ne moremo poustvariti, nositi pospeševalnike delcev okrog pa je nepraktično, zato uporabljamo kar sevanje iz radioaktivnih elementov: pogosto kobalt (Co-60) ali cezij (Ce-137), za medicinsko diagnostiko pa tehnecij (Tc-99m), ker oddaja sevanje v podobnih valovnih dolžinah kot rentgen. Gama sevanje uporabljamo za skeniranje tovornjakov na carini, sterilizacijo medicinskih pripomočkov, za zdravljenje raka z obsevanjem, za požarne alarme in vsepovsod v industriji: za merjenje debeline, za zagotavljanje brezhibnosti materialov, merjenje vlažnosti v snoveh itd. Vsestransko uporabno gama sevanje je res nevarno, a je pri previdni uporabi izjemno koristno.

Vsa opisana sevanja so ionizirajoča, kar pomeni, da imajo za razliko od neionizirajočih dovolj energije, da iz atoma izbijejo elektron, s čimer lahko vplivajo na kemijske lastnosti molekul. Če je tista molekula povsem slučajno vaša dedna zasnova, lahko celica s tako DNK postane rakava, zato je ionizirajoče sevanje škodljivo. Pri tem seveda veljajo določena pravila: višje frekvenčno sevanje, kot na primer gama ali rentgensko, škoduje bolj kot nižje frekvenčno, pa tudi globlje prodre. Poleg tega tudi količina sevanja vpliva na škodljivost: večja doza sevanja je bolj nevarna kot manjša doza, saj tako povečamo tisto majhno možnost, da bo elektron izbit na točno pravilen način, točno v pravi molekuli, da bi nam škodoval.

Vse sevanje ni enako, ko govorimo o njegovem vplivu na zdravje, zato je na tankem ledu tisti, ki govori slabšalno o sevanju na splošno. Imamo takšna sevanja in imamo drugačna sevanja, pa tudi pri isti vrsti sevanja je težko jasno reči, da škoduje, ker je njegova škodljivost odvisno od mnogo faktorjev. Če na primer z mlečno belo kožo sedimo na popoldanskem soncu 3 ure, nas bo popeklo, če pa se dober mesec vsak dan za pet minut odpravimo na sonce, pa morda niti porjaveli ne bomo. Razlika v posledicah je očitna, čeprav smo prejeli isto dozo sevanja, to je 180 minut popoldanskega sonca. V praksi to pomeni, da še nihče ni na primer dobil raka od medicinskega slikanja z radioaktivnim tehnecijem, ((Vpliv rentgena v medicinski diagnostiki na razvoj raka je tako majhen, da ni merljiv. Za vse praktične namene lahko rečemo, da se to ne dogaja.)), predolga izpostavljenost Sončevim UV-žarkom, ki so proti strašnemu gama sevanju le krotke mucke, pa je znan vzrok kožnega raka. Po drugi strani pa je prav zaradi rentgenske mamografije marsikatera ženska preživela raka na dojki. Stvari niso vedno, kot se zdijo, in za sevanje to še posebej velja.

“Življenje na Zemlji se je razvilo ob večno prisotnem sevanju. Sevanje ni rezultat človekove premetenosti: obstaja že od zmeraj.” (Eric J. Hall)

Neionizirajoče elektromagnetno sevanje

Mikrovalovka

V prvem delu opisovanja sevanja sem se osredotočil na toplotno sevanje, ker nam je najbolj domače, ampak že takrat sem omenil, da bom določene tipe pustil za kasneje, da ne bo članek preveč dolgovezen. Toplota sicer je mati vsega sevanja, a če bi s toploto poskusili v nedeljo oddajati Čestitke in pozdrave ali slikati zlom kosti, bi bilo to v najboljšem primeru zelo nepraktično, verjetno pa kar nemogoče. Kako od narave izbezamo druga sevanja, kako jih uporabljamo in kako nevarna so v resnici? [quotes]“Dan brez sevanja je dan brez sonca.” (Neznan avtor)[/quotes]

Tipe sevanj delimo na neionizirajoča in ionizirajoča. Neionizirajoča se tako imenujejo zato, ker ne tvorijo novih ionov. Ker s seboj nosijo premalo energije, da bi atomom izbijali elektrone, se ne morejo vpletati v kemično sestavo snovi. Za žive organizme so zato pretežno nenevarna, kar potrjujejo raziskave, pa čeprav novinarji in površni bralci radi trdijo drugače. Ionizirajoča sevanja pa lahko spremenijo sestavo molekule, kar je še posebej uničujoče, če gre za DNK, zato moramo z njimi ravnati previdno.

Celoten elektromagnetni-spekter

Toplotno sevanje resda pokrije vse valovne dolžine sevanja, le da dovolj določenega sevanja lahko dobimo le pri ekstremnih temperaturah. Tudi Sonce seva v radijskih frekvencah, čeprav največ energije odda v vidnem spektru ((Sevanje sonca v radijskih frekvencah: http://www.radiosky.com/suncentral.html.)). Z navadnim radijskim sprejemnikom, ki tipično sprejema valove z valovno dolžino okrog treh metrov (~100 MHz), lahko z ojačevalnikom in usmerjeno anteno poslušate Sončevo “radijsko postajo”. Valovanje z valovno dolžino tri metre je tisto, kjer so valovi med seboj oddaljeni tri metre, tolikšna je razdalja od vrha enega vala do vrha drugega. Bojda za valovne dolžine nad 10 metri (pod 30 MHz) ne rabite več niti ojačevalnika. No, tisti usmerjeni anteni lahko potem gladko rečete tudi radioteleskop, saj se od večjih in znamenitejših ((Enega najznamenitejših radijskih teleskopov ima Observatorij Arecibo v Portoriku, ki ima premer kar dobrih 300 metrov: http://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Observatory.)) ne bo več dosti razlikoval. Kako torej imeti radijsko postajo, pri tem pa z doseganjem dovolj močnega toplotnega sevanja ne raztaliti oddajnika in bližnje okolice? Ker ljudje zdaj dobro razumemo elektriko in magnetizem, lahko elektromagnetno sevanje oddamo tudi na bolj zvit, bolj inženirski način.

Vsi se verjetno spomnimo poskusa iz osnovne šole, ko je učitelj pod vodnik podstavil magnet, ta pa je svojo iglo uklonil, ko je po vodniku stekel tok. To je demonstracija učinka električnega toka na magnetno polje. Kmalu po tem poskusu ste gotovo videli dopolnilni poskus, tokrat s tuljavo. Ko je učitelj spustil magnet v sredico tuljave, je voltmeter izmeri napetost na žici, ki je ovijala tuljavo.

Električni tok v žici povzroči spremembo magnetnega polja ob njej, zato se kompas odkloni:

Sprememba magnetnega polja ob žici v njej povzroči (inducira) električni tok:

Če sedaj sestavimo ta dva poskusa skupaj, dobimo naslednje dejstvo: električni tok zmoti magnetno polje, spremenjeno magnetno polje pa nazaj povzroči električni tok ((Glej četrto Maxwellovo enačbo, pri kateri E predstavlja električno polje, B pa magnetno polje: http://wiki.fmf.uni-lj.si/wiki/Maxwellove_ena%C4%8Dbe.)). Medsebojno povzročanje enega in drugega lahko traja v nedogled, če dosežemo, da se energija ne izgublja. Ta efekt potuje v obliki valov, točneje elektromagnetnih valov, hitrost potovanja je svetlobna hitrost in takim valovom rečemo elektromagnetno valovanje ali elektromagnetno sevanje. Za to znanje se lahko zahvalite Faradayu in Maxwellu. Brez njiju bi bilo morda za človeštvo sevanje še vedno en velik bavbav, kajti brez njunih enačb ga resnično na zunaj nič ni, znotraj je pa votel.

Ker sedaj razumemo, kako se elektromagnetno valovanje širi, ga moramo le še začeti. Radijske postaje imajo zato oddajne antene, v katere teče izmenični tok, ki po sto milijonkrat na sekundo zamenja smer. Vsakokrat, ko tok teče v eno smer, povzroči spremembo magnetnega polja okrog antene. Učinek te spremembe pa sedaj že poznamo: v naslednjem hipu bo povzročila električni tok takoj zraven sebe. Antena torej seva elektromagnetno valovanje, ki se nato širi po zraku praktično neovirano, ker se zrak ne vpleta v električne procese in se zato v njem ne izgublja mnogo energije. Kako točno zrak, zračna vlaga, hribi in doline, hiše in stene vplivajo na širjenje radijskih valov, je posebna znanost. Lahko ga dušijo, nimajo učinka, ga odbijajo ali ukrivljajo, podobno kot lahko opazujemo tudi pri svetlobi pod določenimi pogoji. Radijski valovi namreč so svetloba, le drugačne barve. Del tega valovanja na koncu svoje poti zadene sprejemno anteno našega radijskega sprejemnika. Zadnji val spremenjenega magnetnega polja nato povzroči električni tok v sprejemni anteni. Na ta način smo po zraku prekopirali električni tok na izviru, v radijskem oddajniku, v električni tok na sprejemniku. V tem električnem toku pa se skriva zvočni signal Čestitk in pozdravov. Zamenjajte radio z mobilnimi aparati ali televizijo, če hočete. Vse to deluje na enakem principu. Da, celo radar, le da ta posluša radijske valove, ki jih je sam oddal, trik pa je v tem, da so se očitno morali od nekod odbiti.

Zadnje čase je veliko govora o škodljivem vplivu radijskih valov na človeški organizem. Že iz fizike izhaja, da ima to sevanje premajhno energijo za povzročanje konkretnih učinkov pri tistih, ki niso ravno kovinski paličnjaki, torej sestavljeni iz anten. Kljub temu je bilo opravljenih že na desetine raziskav, pa nas vse silijo k istemu zaključku: radiosevanje je za človeka neškodljivo ((WHO arhiv dokumentov o učinkih elektromagnetnega polja: http://www.who.int/docstore/peh-emf/publications/facts_press/fact_english.htm.)).

Edini merljivi učinek teh valov je toplotni, pa še za tega moramo, da bi bilo uporabno, precej dvigniti frekvenco valovanja oziroma skrajšati valovno dolžino. Z 12-centimetrskimi (2,5 GHz) valovi, t. i. mikrovalovi, ki so sicer podvrsta radijskih valov, nam lahko mikrovalovna pečica segreje vodo za čaj. To doseže tako, da magnetni del elektromagnetnega valovanja učinkuje na polarizirane molekule vode. Polarizirano pomeni, da ima molekula svoj pozitiven naboj na eni strani in negativnega na drugi, tako da se v magnetnem polju obrne v smeri silnic. Ker se smeri silnic pri elektromagnetnem valovanju spreminjajo, se tudi molekule vode obračajo po njih. Ker se vse molekule vode med sabo drgnejo, povzročajo trenje in zaradi trenja se snovi segrevajo. Sevanje mikrovalovne pečice se nikjer ne absorbira drugače kot tako, da izgubi energijo v toploti. Tako segreta voda je enaka in na enak način topla kot tista, segreta na plinu, zato je strah pred mikrovalovkami odveč.

Valovna dolžina mikrovalovne pečice se slučajno ujema s tisto od GSM aparatov, zato mnogi slikovito trdijo, da nam GSM aparati “kuhajo” možgane ((http://24ur.com/specialno/nega_in_zdravje/who-mozgani-se-vam-skuhajo.html)). Pri tem bi bilo dobro poudariti, da mikrovalovne pečice oddajo usmerjen snop z najmanj 1000 W energije, mobilni telefon pa le 1 W ((INIS, Sevanje mobilnih telefonov: http://www.inis.si/index.php?id=28)), pa še ta ni usmerjen, ampak je razpršen okrog in okrog, drugače bi se morali obrniti k oddajniku, da bi lovili signal. Nalepke, ki naj bi zaustavljale sevanje mobilnih aparatov, bodo, če bodo sploh imele kak učinek, kvečjemu ovirale signal, na kar bo aparat odgovoril z ojačanjem oddajne moči in s tem večjim sevanjem in večjo porabo baterije. Enako kot pri mikrovalovni pečici pa je dejstvo, da zmorejo ti žarki prodreti le kak centimeter ali dva globoko v tkivo, ne pa kar skozi in počez, kot da bi bile nekakšne nevidne katane. Če se ovijemo v debele zrezke kot Lady Gaga, smo pred mikrovalovi povsem varni ((Mikrovalovka lahko pri 2,45GHz prodre 17 milimetrov v mišično tkivo: http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_burn#Frequency_vs_depth.)). Vsi vemo, da bo puding, segret v mikrovalovki, na vrhu vroč, na sredini pa mrzel, če ga ne bomo mešali. Enako nam mobilni telefon, za tisto malo temperaturne razlike, segreva le kožo okrog lobanje. Vsak trenutek na soncu je veliko bolj nevaren kot tisti trenutek telefoniranja.

Če valovno dolžino krajšamo še naprej in s tem povečujemo frekvenco, preidemo v infrardeče sevanje, ki ga že poznamo iz prejšnjega članka (Toplotno sevanje), kjer sem pas med IR in UV opisal bolj podrobno. Krajša valovna dolžina zaradi narave svetlobe pomeni, da imajo žarki več energije, zaradi česar lahko postanejo nevarni, UV-žarki pa so mejnik. Ti so tisti, pri katerih delimo sevanja na ionizirajoča in neionizirajoča: vsa sevanja z valovno dolžino UV-žarkov in manjšo, so ionizirajoča in zato nevarna. Opisal jih bom v naslednjem članku.

Naslovna slika: samsungtomorrow

Toplotno sevanje

Toplotno sevanje

Sevanja ne vidimo in ne občutimo, zato nam pri razumevanju večkrat dela preglavice. Težko si je predstavljati količino, ki obstaja le v nekem vzporednem svetu. Tudi fiziki dolgo časa niso vedeli, kaj s tem. Šele Faraday, ki ga je tedanja akademska srenja zasmehovala zaradi njegovih idej in neslavnih akademskih korenin, je prvi pred svojim časom napovedal obstoj te naravne sile, ki je šele z Maxwellovimi enačbami dobila matematično obliko in fizikalne posledice. Danes je v fiziki sevanje dobro raziskano in del tega znanja je prispeval tudi naš veliki učenjak Stefan. Med ljudmi pa kljub temu vlada nek strah pred nevidno močjo. Ta strah izvira iz nerazumevanja, na njem pa jezdijo predstavniki lažne znanosti. O sevanju govorijo prodajalci nalepk, ki ščitijo pred sevanjem mobilnih aparatov. O nekakšnih "kozmičnih" in "zemeljskih" sevanjih govorijo bioenergetiki, ki prodajajo navodila, kako obrniti posteljo. Alternativni zdravilci vam za denar merijo "pozitivna" in "negativna" sevanja, karkoli naj bi že ta bila. Pa tudi mnogi tisti, ki podpihujejo že tako prisoten strah pred navadnimi radijskimi in televizijskimi frekvencami, kujejo dobičke na ta račun. Vsi našteti o sevanju govorijo zelo zavajajoče, če sploh vejo, o čem govorijo. O čem pa govori znanost? Kaj pravzaprav je sevanje in katere vrste sevanj v resnici poznamo?

Toplotno sevanje je elektromagnetno valovanje, ki ga oddaja vsako telo s temperaturo, višjo od absolutne ničle, to je −273,15 ° C oziroma 0 kelvinov (K) ((Ta enota za temperaturo je tako tudi definirana: 0 K je najmanjša možna temperatura, rečemo ji tudi absolutna ničla.)). Nižja temperatura ne obstaja, vsa telesa s temperaturo, večjo kot to, pa sevajo. Tudi vi in vaša skodelica kave in žarnica in sonce. Nobenega prostorčka v vesolju ni, kjer sevanja ne bi bilo, in zelo malo je takih, ki ne sevajo sami ((Reči “zelo malo je prostorčkov brez sevanja” je izredno velikodušno. Tak prostorček obstaja samo v teoriji in še to pod posebnimi pogoji.)).

Toplotno sevanje kot elektromagnetno valovanje opisujemo z enakimi količinami kot druga valovanja, npr. zvočno valovanje ali valovanje na vodi. V slednjih dveh primerih valujejo delci (npr. delci zraka, vode ...), pri elektromagnetnem valovanju pa električno in magnetno polje. Osnovne količine, ki jih pri tem lahko izmerimo, so frekvenca, valovna dolžina in hitrost širjenja valovanja, ki so medsebojno tesno povezane. Elektromagnetno valovanje lahko opišemo že samo z navedbo valovne dolžine ali frekvence, a se je bolj uveljavilo opisovanje z navedbo valovne dolžine ((Količine so med seboj povezane z enačbo hitrost je valovna dolžina krat frekvenca. Pri elektromagnetnem valovanju je hitrost znana, to je hitrost svetlobe, ki znaša 300.000 km/s. Ker je vedno enaka, je ni treba vedno znova navajati, in to je razlog, da lahko tako sevanje opišemo samo z enim parametrom.)).

Količina sevanja je pri nekem telesu določena samo s temperaturo tega telesa, kar je ugotovil naš fizik Jožef Stefan. To pomeni, da lahko, če poznamo temperaturo telesa, v splošnem povemo vse o njegovem sevanju. Max Planck, čudežni deček prejšnjega stoletja in človek, ki bi ga bilo vredno imeti za vzornika, je naravo sevanja raziskal še podrobneje in odkril podrobno povezavo med temperaturo in sevanjem. Če je Stefan ugotovil skupno izsevano energijo glede na temperaturo, je Planck podrobno opisal porazdelitev sevanja po valovnih dolžinah. Porazdelitev ima takšno obliko:

Sevanje pri 300K

Na zgornjem grafu je ilustrirano, kako telo s temperaturo 300 K s sevanjem oddaja energijo. Vijuga predstavlja nekakšen prstni odtis sevanja, odvisnost izsevane energije od valovne dolžine, torej pri katerih valovnih dolžinah to telo seva z večjo energijo in pri katerih z manjšo. Valovne dolžine označuje vodoravna os na grafu. Merilo na vodoravni osi je v mikrometrih ((Mikrometer je milijoninka metra. Za občutek: debelina lasu je okrog 50 mikrometrov, bakterije so tipično velike okrog 10 mikrometrov.)). Oddano energijo odčitamo z navpične osi, enota pa je tako kvačkanje, da ga rajši ne omenjam. Graf prikazuje sevanje telesa pri 300 K/27 ° C, kar je približno sobna temperatura. Vse to, kar je pod črto pobarvano, prikazuje skupno izsevano energijo. Za kakšno drugo temperaturo bi bilo treba narisati nov graf in pobarvati večjo ali manjšo energijo. Vidimo, da se pri sobni temperaturi največ energije odda pri valovni dolžini med 5 in 20 mikrometrov, pri 40 mikrometrih je sevanja že krepko manj, pri 80 mikrometrih pa je že povsem zanemarljivo. To telo bo sevalo tudi v vseh ostalih valovnih dolžinah, vendar še toliko manj.

Če bi imeli radijski sprejemnik, občutljiv na navedene valovne dolžine, bi lahko “slišali”, kako tako telo seva. Z odmikom od najbolj energijske valovne dolžine pa energija hitro postaja manj in manj očitna, dokler se ne porazgubi v nezaznavnosti. O radijskih valovih, ki so na hladnejšem delu spektra, na grafu desno, bom pisal drugič. Poglejmo si najprej sevanja v vidnem spektru in v njegovi bližini, ker so nam ta še najbolj domača, da dobimo občutek.

Pri zgoraj narisani temperaturi telo, recimo da je človek, izseva največ energije v infrardečem spektru, zato lahko z infrardečo kamero vidimo ljudi tudi v temi. Taka kamera zazna elektromagnetna valovanja tistih valovnih dolžin, ki jih naše oko ne zaznava več. Pri višji temperaturi je tudi več sevanja. Če bi poleg tega človeka postavili še skodelico z vročo kavo, ki bi imela naprimer 50 ° C, bi vroča vsebina sevala več infrardeče energije. Če bi tudi to posneli z zgoraj omenjeno infrardečo kamero, bi bila vroča kava videti bolj svetla kot oseba, ki jo pije. Ta razlika v infrardeči svetlosti se uporablja pri fotografiranju in snemanju v temi, saj v infrardečem območju telo pri “naših” temperaturah samo od sebe seva energijo, vidna svetloba pa se zgolj odbija od njega v naše oči ali fotoaparat.

Na tem video posnetku se gospod igra z infrardečo kamero in jo testira. Jasno se vidijo različne temperature predmetov in kako se toplota pretaka iz enega v drugega. Fizikalna osnova za posnetek je ravno toplotno sevanje predmetov v infrardečem spektru. Kamera tako sevanje zazna, kot bi zaznala vidno svetlobo, in ga nato prikaže na ekranu.

Pa segrejmo telo za nekaj stopinj, da vidimo, kaj se zgodi s sevanjem:

Sevanje pri 300K in 1000K na linearni skali.

Temperaturo smo povečali na 1000 K, energija sevanja je označena z rdečo. Z modro je na istem grafu narisan prejšnji graf s 300 K. Iz tega grafa se sicer vidi, kolikokrat več izseva telo pri večjih temperaturah, v glavnem pa se ne vidi ničesar. Razlike v izsevani energiji so tako ogromne, da 300 K sevanja ostane le še za vzorec, pa še to sem verjetno čisto pretiraval. Od sedaj naprej bom risal grafe z logaritemskimi skalami. Pri teh naslednja črtica ne pomeni za deset več (10, 20, 30 …), ampak desetkrat več (10, 100, 1000 …). Ta graf naj vseeno ostane za opomin, o kakšnih razlikah je v resnici govora.

No, pa si poglejmo, kako izgleda graf ((Mavrica gre z desne proti levi od rdeče proti rumeni do modre. Modra barva je vroča, rdeča je hladna (ravno obratno od pipe). Energija se veča od dolgih valov/nizke frekvence/hladno/rdeče do kratkih valov/visoke frekvence/vroče/modro. Pri večjih temperaturah je več rumene. Dovolj visoke temperature zdrsnejo z vidnega spektra mimo modre v ultravijolično.)), ki bo kaj povedal. Pri tem grafu pri navpični osi vsaka črtica pomeni stokrat več energije:

Sevanja pri značilnih temperaturah.

Če povečamo temperaturo telesa na 1000 K/700 ° C, potem njeno sevalno funkcijo opiše zelena krivulja. Zelena krivulja izseva velik del energije v infrardeči spekter. Zanimiv pa je predvsem del, ki sega na območje vidne svetlobe, ki je na grafu označen z mavrico in črtkano črto ((Kot območje vidne svetlobe šteje sevanje z valovno dolžino med približno 390 in 750 nanometri.)). Telesa s to temperaturo že sevajo lastno svetlobo v spektru, ki ga lahko vidimo, in infrardečo kamero lahko kratkomalo vržemo stran. Tako sevanje je najmočnejše v območju vidne rdeče barve, ko pa temperatura raste, pa lahko seže tudi v rumeno. Iz vsakdanjih izkušenj vemo, da je plamen rdeče barve, ko gorijo drva, ker ta gorijo približno pri tej temperaturi. Kar opazujemo, ko opazujemo goreča drva, je elektromagnetno sevanje telesa s temperaturo okrog 700 ° C.

Da, vid lahko uporabimo tudi kot merilnik temperature na daljavo. Ljudje imamo v glavo vgrajen pravi daljinski detektor temperature! Vroča lava ima temperature do 1000 ° C, zato je videti rdeče do svetlordeče barve. Razbeljena lava je bolj rumenkaste barve. Takrat vemo, da se temperature gibljejo že okrog 1200 ° C, kjer se, za razliko od temperature gorenja drv, že več izsevane energije pojavi v rumenem spektru. Merilniki temperature na daljavo pravzaprav le merijo barvo svetlobe, a to počnejo bolj natančno kot naš “bionični” vid. Valovna dolžina sevanja in barva sta tako povezana, da fiziki večkrat pojem barve kar razširijo na celoten spekter sevanja in tudi infrardeče, ultravijolične, radio- ali mikrovalove imenujejo kar “barva”.

Z izsevano energijo je povezana slabost navadnih žarnic z žarilno nitko. Žarilna nitka žari s temperaturo okrog 2700 K in jo v grobem predstavlja rumena krivulja. Na njej se vidi, da takšne žarnice veliko večino izsevane energije izsevajo v infrardečem spektru, kar občutimo kot toploto. Te žarnice so torej najprej grelci, šele nato sijalke, kajti le 10 % energije se pretvori v vidno svetlobo. Infrardeče žarijo s toliko manjšo temperaturo, da še več izsevajo v infrardečem spektru, in jih uporabljamo v terarijih s tropskimi hladnokrvnimi živalmi ravno zaradi njihovega grelnega učinka ((Mnoge infrardeče žarnice so celo prevlečene s filtrom, ki prepušča samo infrardeči spekter in čimbolj zadrži vidno svetlobo.)). Vsi vemo, da niti svetloba navadne žarnice nikakor ni enaka dnevni svetlobi.

Sonce namreč gori s kar 6000 K ((To je temperatura na površini sonca, sončeva sredica je nekaj tisočkrat bolj vroča.)), kar prikazuje rdeči graf. Telo s tako temperaturo izseva svoj maksimum v frekvenci zelene barve, kar pomeni, da Sonce največ energije odda v tem spektru. Na Zemlji se takorekoč kopamo v morju zelene svetlobe, zato so se tudi naše oči razvile tako, da so najbolj občutljive prav za to valovno dolžino. Vsi se še spomnimo zelenih šolskih tabel, ki so bile zelene, da se na njih oči ne bi preveč naprezale. Zakaj so se pa rastline razvile tako, da odbijajo in s tem zavržejo ravno zeleno barvo, to Sončevo energijo, ki je v največjem izobilju, pa je še vedno skrivnost ((Zakaj niso rastline črne? Članek je v angleščini. http://thesymbiont.blogspot.com/2010/09/why-arent-plants-black-true-evo.html)). To je le še en dokaz, da evolucija ni inženirski postopek in da so bitja redko popolna. Če vas zanima več o nepopolnostih evolucije, si preberite Majin članek ali pa kar knjigo, o kateri govori.

Pri sončevi temperaturi veliko sevanja uide že v ultravijolični spekter, ki pa je za nas že nevaren. Fizika nas uči, da višje frekvence in s tem krajše valovne dolžine vsebujejo več energije. Ta pri UV-sevanju prestopi mejo, ki je za človeka škodljiva, ker že lahko vpliva na strukturo naših genov in je lahko vzrok za kožnega raka.

Naše sonce je eno izmed najbolj vročih teles, ki jih običajni ljudje v običajnem življenju srečamo, v kozmičnem smislu pa je povsem povprečno, kakorkoli pogledamo. Če bi bil naš vir življenja tako vroč kot najbolj vroča odkrita zvezda tega tipa ((Naše sonce je klasificirano kot zvezda glavne veje (ang.: main sequence star), kar pomeni, da je v odrasli dobi življenja, če ga primerjamo z življenjsko dobo ljudi.)), Eta Gredlja ((Zvezda Eta Gredlja (ang.: Eta Carinae) bo ravno zaradi svoje vročine živela občutno krajše življenje kot naše sonce in lahko zdaj zdaj eksplodira v supernovo. Astronomske merske enote so večkrat nezemeljske in tudi tukaj “zdaj zdaj” pomeni nekje v naslednjem milijonu let.)), bi imel temperaturo 40.000 K ((Tudi tu je govora o temperaturah na površinah zvezd, znotraj njih namreč vladajo mnogo večje temperature.)), to je kar šestkrat več, kot jo ima zdaj ((Če pogledamo vse zvezde, ne pa samo zvezde glavne veje, potem so najbolj vroče bele pritlikavke (ang.: white dwarfs). Ena najbolj vročih med njimi leži v sredini planetarne meglice, imenovane NGC 2240, in ima temperaturo kar 300.000 K!)).

Eta Gredlja, zvezda na robu uničenja. (Foto: NASA/Esa Hubble Space Telescope)

Velika večina energije take zvezde, kar desettisočkrat več kot Sonce v vidnem spektru, bi bila izsevana v območju približno 85 nanometrov ((Nanometer je tisočinka mikrometra. Za občutek: virus hepatitisa je velik 45 nanometrov, molekula glukoze je velika okrog 1 nanometer. Zdaj ste pa gotovo dobili občutek.)). Za predstavo: najnevarnejši sončni žarki so za nas sevanje UV-B, ki se nahaja pri okrog 300 nanometrih, sevanje te zvezde, hipotetičnega bolj vročega vira energije od Sonca, bi bilo bolj močno, tudi bolj močno kot UV-C pri 200 nanometrih, tako močno, da sploh nimamo izraza za to, kajti izraz UV-D ne obstaja. No, pod takim soncem bi imeli veliko več vseh ostalih težav, tako da si s sončnimi kremami ne bi posebej belili glave. Ta, bolj energijski del sevanja je zelo zanimiv ravno zaradi tega, ker so energije žarkov že dovolj velike, da se začnejo vmešavati v kemijsko in fizikalno zgradbo snovi in procese. Takim sevanjem pravimo ionizirajoča. Nevarna ionizirajoča sevanja z zelo majhnimi valovnimi dolžinami in na drugi strani radio sevanja z zelo dolgimi valovnimi dolžinami bom opisal prihodnjič. Do takrat pa koga, ki vam govori o negativnem ali kozmičnem ali kakem drugem sevanju, le povprašajte, o katerih valovnih dolžinah govori in kje je telo, ki seva.

Več:

  1. Poučen kratek video o toplotnem sevanju: http://www.youtube.com/watch?v=RlV6lEu5CBk
  2. Vidna svetloba je izraz za svetlobo, ki je vidna našemu očesu. CCD čip v digitalnih fotoaparatih ni sam od sebe omejen na to svetlobe, ampak je pred njim filter, ki infrardečo svetlobo filtrira. Tu so napotki, kako z odstranitvijo tega filtra iz navadnega aparata naredimo infrardeči fotoaparat: http://www.geektechnique.org/projectlab/254/how-to-turn-a-digital-camera-into-an-ir-camera.html
  3. Daljša in veliko bolj izčrpna lekcija v več delih o elektromagnetnem valovanju: 1. del: http://www.youtube.com/watch?v=cjw5FJd5d0Q 2. del: http://www.youtube.com/watch?v=o0NyvzhVrIE 3. del: http://www.youtube.com/watch?v=PSodn67g3LU 4. del: http://www.youtube.com/watch?v=XnGFR2mj-8g 5. del: http://www.youtube.com/watch?v=pSYA8j8PF6Y

Avtor naslovne slike: sentrawoods