Fala elektromagnetyczna – definicja, zjawiska i wpływ na człowieka

Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym, które opisuje wektor natężenia elektrycznego. Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak to się dzieje, że możesz oglądać telewizję, czy słuchać radia? Czy dlaczego masz bezprzewodowy dostęp do Internetu albo możesz podgrzać jedzenie w mikrofalówce? To oraz wiele innych rzeczy jest możliwe dzięki odkryciu i wykorzystaniu przez ludzkość fal elektromagnetycznych. Opisujemy je jako zaburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni, a z punktu fizyki kwantowej jako strumień cząstek elementarnych, które nie posiadają masy – fotonów.

Badamy je intensywnie od końca XVIII w., kiedy to William Herschel odkrył, że promieniowanie podczerwone ma naturę podobną do światła. Znamy ich szerokie widmo – obecnie opisaliśmy te w przedziale długości od 107 do 10-16 m, a to może nie być koniec naszych odkryć – fale te nie mają żadnego naturalnego ograniczenia w ich długości. Niektóre z zakresów spośród całości umownie nazwaliśmy, np. promieniowaniem rentgenowskim czy podczerwienią, co pozwala nam definiować, których długości fal używamy do ściśle określonych celów. Najściślej określiliśmy zakres fal znany jako światło widzialne, gdyż jego rejestrowanie ogranicza fizjologia oka.

Jak przemieszcza się fala elektromagnetyczna?

A jak rozchodzi się fala elektromagnetyczna? Przede wszystkim, należałoby powiedzieć: szybko. W próżni, czy przestrzeni kosmicznej osiągają one prędkość światła. Ich szybkość w próżni jest na tyle wyjątkowa, że obecnie została wykorzystana do sporządzenia wzorcu metra. Metr jest bowiem obecnie zdefiniowany jako odległość, którą przemierzy światło (lub jakakolwiek inna fala elektromagnetyczna w takich warunkach) w ciągu 1/299792458 s. W materialnym ośrodku wartość ta jest zawsze mniejsza i ściśle związana z jego rodzajem. Przykładowo, w wodzie światło jest ok. 1,33 raza wolniejsze niż w próżni, a w laboratoriach naukowcom udało się je spowolnić do jedynie 0,2 mm/s! Ponadto należy zwrócić uwagę na ich ważną właściwość, której nie posiadają fale mechaniczne, do których zaliczamy, chociażby fale akustyczne.

Fale elektromagnetyczne bowiem nie potrzebują żadnego ośrodka, by się rozchodzić. Oczywiście, mogą też się przemieszczać w materialnym ośrodku, takim jak powietrze, czy woda, ale mogą też przemierzać próżnię. Dokładnie ten proces opisują równania Maxwella, które połączyły pola elektryczne i magnetyczne w jedno. Niemniej jednak ich opis wymaga skomplikowanego aparatu matematycznego, zatem skupmy się na wnioskach z nich płynących. Na ich podstawie bowiem możemy opracować wzór opisujący prędkość takiej fali, gdyż w próżni wyrażamy go jako odwrotność pierwiastka z iloczynu przenikalności elektrycznej i magnetycznej próżni. W przypadku innego ośrodka jest on stosunkiem prędkości światła do pierwiastka z iloczynu względnych przenikalności elektrycznych i magnetycznych.

Zjawiska, którym podlega fala elektromagnetyczna

Jak każde fale, te elektromagnetyczne ulegają polaryzacji, dyfrakcji i interferencji. To pierwsze zjawisko dla tytułowych fal określamy według ich elektrycznej składowej. Oprócz klasycznych odmian tego zjawiska, jak polaryzacja liniowa, kołowa, czy eliptyczna wyróżniamy te charakterystyczne jedynie dla elektromagnetyzmu – polaryzację radialną i azymutalną. W tej pierwszej wektor natężenia pola elektrycznego jest skierowany do środka wiązki, na całej jej długości. Z kolei azymutalna polaryzacja działa niejako na odwrót, gdyż wspomniany wektor jest styczny do jej obwodu. Z kolei dyfrakcja, czyli ugięcie fali występuje w ich wszystkich rodzajach i polega na zmianie kierunku jej rozchodzenia. Interferencja fal elektromagnetycznych, czyli zmiana ich amplitudy wskutek nałożenia się dwóch lub więcej fal, jest dość niepożądanym zjawiskiem, szczególnie w przypadku sprzętów codziennego użytku.

Dlaczego? Otóż jak wiadomo, każdy ładunek elektryczny płynący przez nasze urządzenie może spowodować powstanie pola elektromagnetycznego. W ten sposób sygnały interferują ze sobą nawzajem, co prowadzi do ich degradacji. Jak możemy temu zapobiec? Z pomocą przychodzi nam ekranowanie przewodów, które polega na pokryciu kabla warstwą ferromagnetyka. Jego skutkiem jest mniejsze prawdopodobieństwo powstania zakłóceń.

Jak powstaje fala elektromagnetyczna?

Zastanówmy się teraz, co może wydzielać tytułowe fale. Odpowiedź na to pytanie jest bardzo prosta: wszystko, co charakteryzuje się jakąś energią, może wydzielać fale o pewnej długości. Im cieplejsze jest ciało, tym częściej jego cząsteczki drgają, a długość jego fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstości tych drgań. Skoro każde ciało posiadające energię może promieniować, czy my, ludzie też wytwarzamy fale? Oczywiście, że tak. Nasze organizmy wytwarzają promieniowanie podczerwone, którego jednak nie możemy dostrzec (ale może to zrobić noktowizor czy kamera termowizyjna). Ciał, które wytwarzają światło widzialne, jest niewiele – aby takie emitować, obiekt musi się rozgrzać do temperatury ponad 700 st. Celsiusza. Zatem poza wytworami naszych rąk jego głównym naturalnym źródłem jest Słońce.

A jaką energię niesie za sobą fala elektromagnetyczna? Jest ona ściśle zależna od jej częstotliwości, a jej wartość dla każdego kwantu określa wzór E = hν, gdzie h oznacza stałą Plancka, równą ok. 6,63 * 10-34 J*s, a ν (mała grecka litera ni) - długość fali. Pochodzi ona z pola magnetycznego oraz elektrycznego biegnącej fali. W zależności od ośrodka, w którym się przemieszcza, składowe magnetyczne i elektryczne mogą być sobie równe, jak się dzieje w idealnym izolatorze, a jeśli ośrodek wykazuje przewodnictwo, to wtedy przybierają odmienne wartości. Jeśli chcemy zdefiniować strumień energii przenoszonej przez taką falę, możemy posłużyć się wektorem Poyntinga. Jest on iloczynem wektorowym wektora natężenia pola elektrycznego oraz wektora natężenia pola magnetycznego.

Fala elektromagnetyczna niesie też za sobą określony pęd, który jest ściśle zależny od ilorazu niesionej przez nią energii i prędkości światła. Kiedy fala zostanie pochłonięta bądź odbita, następuje przekazanie pędu, a co za tym idzie, zostaje wywarte ciśnienie.

Oddziaływanie fali elektromagnetycznej na organizmy

Zastanówmy się teraz, dlaczego niektóre fale są dla nas pożyteczne, a inne wręcz przeciwnie. Wpływ na tę właściwość mają dwa podstawowe czynniki: długość fal oraz właściwości ośrodków, w których się rozchodzą. Kiedy długość fali jest spora w porównaniu z odległościami między cząsteczkami ośrodka, sytuacja jest w istocie niegroźna. Jeśli ośrodek jest dielektrykiem, fala się w nim rozchodzi, jednocześnie zmieniając swoją prędkość i długość. Z kolei, jeśli otoczenie ma jakieś właściwości przewodzące, fala się po prostu odbije. Wraz ze zmniejszaniem się długości fali, zwiększa się potencjalna jej szkodliwość. Kiedy już jest porównywalna z odległościami między atomami, w oddziaływaniach z ośrodkiem zaczyna przeważać dyfrakcja – tak się dzieje np. w przypadku promieniowania rentgenowskiego.

Z kolei, gdy to odległości międzyatomowe będą większe od długości fali, promieniowanie będzie miało zdolność penetracji materii, jonizowania cząsteczek i ich rozbijania. Takie promieniowanie nazwiemy wtedy przenikliwym. Wyróżniamy obecnie jego 3 rodzaje: alfa, beta i gamma. Uszeregowano je wraz ze wzrostem ich przenikliwości. Promieniowanie alfa jest w stanie zatrzymać już warstwa papieru, promieniowanie beta pochłonie aluminium, ale promieniowanie gamma przekroczy nawet ołów! Niech jednak relatywnie słaba przenikliwość pierwszego z promieniowań nas nie zwiedzie, gdyż nie jest ono całkiem nieszkodliwe. Spożycie pokarmu zawierającego substancje wytwarzające to promieniowanie jest bardzo niebezpieczne, gdyż gdy te cząstki dostaną się do organizmu, to nie ma ich już co zatrzymać. W rezultacie następuje jonizacja tkanek. Podobnie stanie się w przypadku oddychania powietrzem zawierającym substancje generujące to promieniowanie. Jednym z jego efektywniejszych źródeł jest polon-210, który znalazł swoje praktyczne zastosowanie – w 2006 r. został wykorzystany do otrucia Aleksandra Litwinienki.

Zastosowanie promieniowania beta w medycynie

Z kolei promieniowanie beta powoduje umiarkowane uszkodzenia DNA, przez co jest wykorzystywany do leczenia niektórych chorób nowotworowych, na przykład nowotworu oka czy kości. Ponadto ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w przemyśle, a konkretnie w badaniu grubości wytwarzanych przedmiotów. Z kolei przenikliwość promieniowania gamma jest teoretycznie nieskończona, przez co szczególnie musimy dbać o jego wykrywanie. Do tego celu najczęściej używa się licznika Geigera-Mullera, ale wyróżniamy też detektory barwnikowe czy półprzewodnikowe. Oczywiście, promieniowanie gamma ma też wiele pożytecznych zastosowań. Przede wszystkim można nim skutecznie sterylizować sprzęt medyczny, a także leczyć nowotwory czy je wykrywać za pomocą tomografii.

Jak powstaje choroba popromienna?

Chociaż czas rażącego działania promieniowania przenikliwego jest krótki, bo wynosi od 10 do 15 sekund, to może powodować poważne schorzenia, jak chociażby chorobę popromienną. Jej najlżejszym objawem jest osłabienie odporności, gdyż limfocyty są narządem najbardziej wrażliwym na promieniowanie. A jak powstaje ta choroba? Kiedy promieniowanie jonizujące wniknie do organizmu, spowoduje rozpad zawartej w jego tkankach wody na nietrwałe i bardzo reaktywne cząstki – rodniki. Ogólnie rzecz biorąc, kiedy rodniki połączą się z jakimś związkiem, powodują jego gwałtowne utlenienie. W naszym organizmie rodniki te utleniają zasady azotowe obecne w naszym DNA i RNA i rozrywają jego nici.

To powoduje, że cząsteczki ulegają masowemu uszkodzeniu, które może być naprawione znacznie wolniej (jeśli w ogóle) przez wewnętrzne mechanizmy naprawcze. W zależności od tego, na jakim etapie podziału jest komórka, uszkodzenie będzie miało inny wymiar. Jeśli doszło do niego w czasie, w którym komórka czeka na replikację, oba ramiona jej chromosomu będą uszkodzone. Z kolei, gdy komórka będzie już po podziale, tylko jedno ramię się uszkodzi. Mutacje te mogą się propagować w organizmie. Są one tym groźniejsze, im częściej ta komórka się „kopiuje”. Ponadto, rodniki blokują enzymy, zwłaszcza te odpowiadające za gospodarowanie nadtlenkiem wodoru w ludzkim organizmie – katalazy oraz peroksydazy. Z kolei, kiedy organizm zostanie poddany promieniowaniu o dużej energii (powyżej 100 keV), istotny w rozwoju choroby jest efekt Comptona, wskutek którego promieniowanie rozprasza się w materii. Cząsteczki oddają wtedy część swojej energii molekułom materii, z którą się zetkną.