Promieniowanie podczerwone

Przyjmuje się umownie, że obszar promieniowania podczerwonego obejmuje fale o długościach (w próżni) od około $\lambda =\mathrm{0,74}\text{μ}\text{m}$ do około $2000\text{μ}\text{m}$.

Ten obszar promieniowania dzieli się dalej na trzy mniejsze: bliską podczerwień $\text{(}\lambda =\mathrm{0,74}÷\mathrm{2,5}\text{μ}\text{m}\text{)}$, średnią podczerwień $\text{(}\lambda =\mathrm{2,5}÷50\text{μ}\text{m}\text{)}$ i daleką podczerwień $\text{(}\lambda =50÷2000\text{μ}\text{m}\text{)}$. Widma w podczerwieni, podobnie jak widzialne, mogą być liniowe lub ciągłe (o tych rodzajach widm wspominaliśmy w rozdziałach 2.1 Promieniowanie termiczne i 2.3 Widma promieniowania gazów). Widm tych nie można obserwować bezpośrednio oczami, ale można je rejestrować na kliszach fotograficznych czułych na podczerwień lub za pomocą odpowiednich elementów światłoczułych.

Wszystkie ciała rozgrzane do temperatury rzędu setek kelwinów w większym lub mniejszym stopniu promieniują podczerwień, której natężenie zależy od temperatury. Na przykład, ludzkie ciało promieniuje podczerwień o największym natężeniu przy długości fali $\lambda =\mathrm{9,5}\text{μ}\text{m}$. Do celów przemysłowych i medycznych stosuje się specjalne lampy emitujące podczerwień. Do ogrzewania i suszenia zwykle stosuje się lampy żarowe dużej mocy $\text{(}250÷2000\text{W}\text{)}$. Rozgrzane rurki ceramiczne o temperaturze około $700°\text{C}$ bardzo mało promieniują w zakresie widzialnym, ale silnie w podczerwieni i dlatego nazywa się je źródłami ciemnymi.

Ponieważ nasze oczy nie reagują na podczerwień, trzeba było wynaleźć i skonstruować detektory tego promieniowania. Najczęściej stosowane to detektory cieplne, fotograficzne i fotoelektryczne.

Najprostszym detektorem cieplnym jest płytka pokryta sadzą z dołączonym do niej czujnikiem temperatury. Pod wpływem pochłoniętego promieniowania płytka rozgrzewa się. Rozgrzewanie się ciał pod wpływem pochłoniętego promieniowania podczerwonego ma szerokie zastosowanie, np. w przemyśle spożywczym – do nagrzewania i pasteryzacji. Naświetlanie promieniami podczerwonymi przyspiesza proces suszenia przedmiotów pokrytych farbami i lakierami.

Jeżeli w spektrometrze umieścimy kliszę fotograficzną i wyznaczymy długości fali otrzymanego widma, to z łatwością możemy stwierdzić, że wychodzą one poza zasięg promieni widzialnych. W celu stosowania podczerwieni preparuje się specjalne klisze o podwyższonej czułości w obszarze podczerwonym. Dzięki temu możemy wykonywać zdjęcia w ciemności, bez oświetlenia fotografowanych przedmiotów światłem widzialnym.

Detektory fotoelektryczne wykorzystują zjawisko zmiany własności elektrycznych pod wpływem promieniowania podczerwonego. Na przykład, zasada działania fotokomórki jest oparta na zjawisku fotoelektrycznym (co zostało omówione w rozdziale 2.2 Zjawisko fotoelektryczne, fotony), elementy półprzewodnikowe, których opór zmienia się podczas pochłaniania promieniowania podczerwonego, lub luminescencyjne elementy, które pod wpływem promieni podczerwonych wzmacniają lub wygaszają wzbudzone uprzednio świecenie luminescencyjne.

Podczerwień ma szerokie zastosowanie we wszelkiego rodzaju noktowizorach, pozwalających na „widzenie” w ciemności. Ciała o różnej temperaturze wysyłają promienie podczerwone z różnym natężeniem. Dlatego w noktowizorze ciała cieplejsze wydają się jaśniejsze.

Substancje pochłaniają różne długości fal elektromagnetycznych w różnym stopniu. Dlatego są substancje, które są przeźroczyste dla światła widzialnego, natomiast nie przepuszczają promieni podczerwonych. Do takich substancji zalicza się zwykła woda, której kilkucentymetrowa warstwa nie przepuszcza światła podczerwonego o $\lambda >1\text{μ}\text{m}$ (dlatego wody używa się jako filtrów cieplnych). Inny przykład to czarny papier, który jest doskonale przeźroczysty dla dalekiej podczerwieni. Warstwy chmur lub mgły słabo przepuszczają promienie widzialne, natomiast są obszary widma podczerwonego, dla których warstwy te są przeźroczyste. Fotografując aparatem z kliszą czułą na podczerwień, uzyskujemy zdjęcia obiektów zasłoniętych chmurami. Może to mieć zastosowanie w fotografii satelitarnej i do celów szpiegowskich.

Promieniowanie ultrafioletowe

Ciała rozgrzane do wysokiej temperatury, rzędu tysięcy kelwinów, (np. Słońce i inne gwiazdy), wysyłają w znacznym stopniu promieniowanie o falach krótszych od światła widzialnego – ultrafioletowe. Światło ultrafioletowe można wykryć za pomocą ekranu pokrytego luminoforem. Luminofory wysyłają widzialne promieniowanie pod wpływem padającego nań niewidzialnego światła ultrafioletowego. Istnieje wiele innych detektorów promieni ultrafioletowych, m.in. klisze fotograficzne, jak również fotokomórki czułe na to promieniowanie.

Długości fal ultrafioletowych mieszczą się w przedziale $8÷400\text{nm}$. Podobnie jak w przypadku podczerwieni, umownie wyróżnia się bliski (bliski światłu widzialnemu, więc o najdłuższych falach), średni i daleki ultrafiolet (o falach najkrótszych), nazywane odpowiednio UV-A, UV-B i UV-C. Zakres fal dalekiego ultrafioletu zachodzi częściowo na promienie rentgenowskie.

Widma promieniowania ultrafioletowego mogą być ciągłe lub liniowe. Analiza widmowa w tym zakresie długości fal jest bardzo ważna i daje wiele cennych informacji, m.in. o budowie atomów i cząsteczek.

Jedną z najważniejszych własności promieniowania ultrafioletowego jest jego duża aktywność chemiczna. Jest ono szczególnie aktywne w stosunku do związków organicznych. Wprawdzie to promieniowanie, padając na siatkówkę naszego oka, nie wywołuje wrażeń optycznych, jednakże jego działanie jest wyraźne. Dlatego, przebywając w górach, przy silnym nasłonecznieniu powinniśmy stosować ciemne okulary nieprzepuszczające ultrafioletu. Zwykłe okulary szklane również chronią oczy, bowiem szkło jest przeźroczyste dla promieni widzialnych, ale prawie w całości absorbuje promienie ultrafioletowe.

W małych dawkach promienie ultrafioletowe są korzystne dla organizmu człowieka – zapobiegają krzywicy u dzieci, w skórze wytwarzają ochronny pigment oraz witaminę $D_2$. Wpływają ponadto korzystnie na centralny układ nerwowy. W medycynie stosuje się to promieniowanie do odkażania sprzętu medycznego i niszczenia bakterii.

Promienie rentgenowskie

Promienie rentgenowskie dzisiaj są powszechnie znane i zbadane. Warto wiedzieć, że w roku 1995 obchodziliśmy setną rocznicę ich odkrycia, dokonanego przez niemieckiego fizyka Wilhelma Roentgena.

Roentgen miał niezwykły dar obserwacji i potrafił dostrzec nowe zjawiska tam, gdzie wielu innych uczonych nie dostrzegało niczego godnego uwagi. Dzięki temu udało mu się dokonać odkrycia, które miało olbrzymi wpływ na rozwój wielu dziedzin nauki. Roentgen, podobnie jak inni fizycy końca XIX wieku, zajmował się zjawiskiem tzw. promieni katodowych, czyli wylatujących z katody elektronów w próżniowej bańce szklanej. Pewnego razu zauważył, że klisza fotograficzna, która leżała obok bańki katodowej, naświetliła się, mimo że była owinięta czarnym papierem. Inne zjawisko, które zauważył, to świecenie papierowego ekranu pokrytego luminoforem podczas zbliżania doń bańki katodowej z przyłożonym napięciem. Jego zdziwienie było wielkie, gdy na ekranie zauważył cień kości własnej dłoni, w której trzymał wspomnianą bańkę katodową. Stwierdził, że dłoń stała się przeźroczysta dla nieznanych promieni, które nazwał promieniami $X$. Później przyjęła się powszechnie nazwa: promienie Roentgena.

Promienie rentgenowskie w widmie fal elektromagnetycznych znajdują się w przedziale długości fal $\mathrm{0,001}÷80\text{nm}$. Te z krańca krótkofalowego nazywamy twardymi, zaś z drugiego, długofalowego krańca – miękkimi.

Promienie rentgenowskie, które mają ciągłe widmo, nazywają się rentgenowskimi promieniami hamowania, a czasami również białymi promieniami rentgenowskimi (nazwa pochodząca od białego światła promieni widzialnych, które też mają widmo ciągłe). Promienie o nieciągłym widmie nazywają się charakterystycznymi promieniami rentgenowskimi. Nazwano je tak dlatego, że charakteryzują materiał, z którego jest wykonana antykatoda (patrz il. 7.5 i il. 7.6) lampy rentgenowskiej.

Do podstawowych własności promieni rentgenowskich zaliczamy ich dużą przenikliwość, działanie fotochemiczne (np. w kliszach fotograficznych), fotoelektryczne (fotoefekt) i jonizacyjne gazów, przez które przechodzą, pobudzanie fluorescencji luminoforów. Wszystkie te własności służą m.in. do detekcji tych promieni.

Emisja promieni $X$

Tak jak w przypadku innych fal elektromagnetycznych, emisja promieni rentgenowskich zachodzi wtedy, gdy ładunki elektryczne doznają przyspieszenia (np. gdy elektrony są w ruchu przyśpieszonym, lub opóźnionym, np. w ruchu drgającym). Wtedy ładunki tracą energię wypromieniowując fale elektromagnetyczne.

Energia tracona przez ładunki elektryczne jest zamieniana na energię promieniowania elektromagnetycznego. Do wytworzenia promieni $X$ potrzebne są dużo większe zmiany energii elektronów niż w przypadku promieni widzialnych. Do wytworzenia promieni widzialnych wystarczą energie elektronów z zewnętrznych powłok elektronowych. Natomiast do wytworzenia promieni $X$ trzeba użyć elektronów z wewnętrznych powłok (znajdujących się bliżej jądra). Różnice pomiędzy poziomami energetycznymi dla energii elektronów wewnętrznych są dużo większe niż w przypadku elektronów zewnętrznych.

Tak duży zakres zmian energii uzyskuje się również przy wyhamowywaniu rozpędzonych elektronów uderzających w metalową elektrodę (lampy rentgenowskiej). Elektrony te są rozpędzane napięciami przyspieszającymi rzędu dziesiątek, czasami nawet setek kilowoltów.

Przy przejściach między poziomami energetycznym elektronów wewnętrznych w atomach powstają promienie $X$ o widmie nieciągłym (liniowym). Są to tzw. promienie $X$ charakterystyczne. Natomiast elektrony hamowania „produkują” promienie $X$ o widmie ciągłym.

W lampie rentgenowskiej wytwarzane jest promieniowanie obu typów (il. 7.4).

Na il. 7.5 widoczne jest zdjęcie typowej lampy rentgenowskiej stosownej w różnych urządzeniach.

Na il. 7.6 pokazano schemat rentgenowskiej lampy elektronowej. Promienie $X$ powstają w obszarze antykatody na skutek wyhamowywania bombardujących ją elektronów. Antykatoda jest chłodzona wodą. Elektrony wylatują z katody i są następnie przyśpieszane wysokim napięciem (rzędu kilkudziesięciu tysięcy woltów) pola elektrycznego panującego między elektrodami. W bańce szklanej lampy panuje bardzo niskie ciśnienie gazu, rzędu $\mathrm{0,1}\text{Pa}$.

Promienie $X$ wytwarzane w lampach służą z powodzeniem w większości zastosowań – głównie w medycynie.

Obecnie wytwarza się (na potrzeby badań w różnych dziedzinach nauki i techniki) promienie $X$ o wysokim natężeniu promieniowania. Te promienie powstają przez poruszające się po okręgach elektrony w synchrotronach; stąd nazwa promienie synchrotronowe.

Ostatnio wytworzono za pomocą laserów rentgenowskich promienie $X$ o bardzo wysokim natężeniu, przewyższającym tysiące razy synchrotronowe.