Πέμπτη, 1 Σεπτεμβρίου 2016

Φάσμα ΗΜ Ακτινοβολίας

Οι εξισώσεις του Maxwell και η προερχόμενη από αυτές κυματική εξίσωση περιγράφουν κάθε ΗΜ φαινόμενο και τον τρόπο διάδοσής του στο χώρο. Από ένα πλήθος άπειρων λύσεων μελετούμε την ειδική περίπτωση των περιοδικών κυμάτων με συχνότητα ν και μήκος κύματος λ. Για την καλύτερη κατανόηση των ΗΜ φαινομένων κατατάσσουμε όλα τα κυματικά φαινόμενα σε συγκεκριμένες περιοχές συνθέτοντας έτσι το φάσμα της ΗΜ ακτινοβολίας. Κατόπιν διεθνούς σύμβασης και αποδοχής, το φάσμα της ΗΜ ακτινοβολίας χωρίζεται σε 24 τάξεις μεγέθους (βλέπε Σχήμα), όπου σε καθεμία αντιστοιχούν οι ποσότητες: (α) της συχνότητας με μονάδα μέτρησης το Hertz [Hz] και με πολλαπλάσια το kHz, MHz, GHz και THz και (β) του μήκους κύματος με μονάδα μέτρησης το [m] και με υποπολλαπλάσια το mm, μm και nm.
  
 Ένα ΗΜ κύμα που διαδίδεται στο κενό αλλάζει συμπεριφορά (αλλαγή ταχύτητας διάδοσης και μήκους κύματος) όταν αλληλεπιδρά με την ύλη. Στην προκειμένη περίπτωση οι ιδιότητες της ύλης, όπως είναι π.χ. η απορρόφηση, η σκέδαση και η διάθλαση, εξαρτώνται από τη συχνότητα του ΗΜ κύματος. Η έρευνα αυτών των ιδιοτήτων, στις διάφορες φασματικές περιοχές, επέκτειναν τις γνώσεις μας στο μικρόκοσμο και σήμερα είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε τη δομή της ύλης μέσα από τις υποατομικές καταστάσεις της.Πριν εκατό περίπου χρόνια θεωρούσαμε ως ΗΜ κύματα μόνο τα ραδιοκύματα και το ορατό φως.

Οι έρευνες είχαν εστιαστεί κυρίως σε μία στενή περιοχή του ΗΜ φάσματος (θα μπορούσαμε να πούμε σχισμή!) που αντιστοιχούσε στις ορατές ακτινοβολίες (400–700nm), επειδή το ανθρώπινο μάτι ήταν τότε ο μόνος γνωστός ανιχνευτής κυμάτων. Οι μελέτες που έγιναν σε αυτήν τη φασματική περιοχή δημιούργησαν ένα νέο κλάδο της Φυσικής, που σήμερα ονομάζουμε Οπτική.

Στα επόμενα χρόνια ανακαλύφτηκαν και άλλες φασματικές περιοχές, όπως τα μικροκύματα (λ>400μm), το υπέρυθρο (λ>700nm), το υπεριώδες (λ<400nm) και οι ακτίνες γ (λ<0.01nm), ενώ παράλληλα αναπτύχθηκαν μοντέρνες τεχνικές και επιτεύχθηκε η κατασκευή συστημάτων ανίχνευσης των αντίστοιχων ακτινοβολιών.Σήμερα, είναι δυνατή η ποιοτική μελέτη σχεδόν ολόκληρου του ΗΜ φάσματος. Αυτό οδήγησε άλλες επιστήμες να κάνουν σημαντικά βήματα προόδου. Π.χ. η Αστροφυσική, που μέχρι τότε βασιζόταν κυρίως σε οπτικές μόνο παρατηρήσεις, μελέτησε εξωγήινα αντικείμενα και φαινόμενα (π.χ. αστέρες, κίνηση των πλανητών, κομήτες και γαλαξίες). Η επέκταση του ΗΜ φάσματος οδήγησε σε νέες αστρονομικές παρατηρήσεις της περιοχής των Ραδιοκυμάτων, στο υπέρυθρο, στο υπεριώδες και στις ακτίνες Χ, φέρνοντας στο φως άγνωστα μέχρι τότε φαινόμενα, αλλά και φωτίζοντας περισσότερο τις γνώσεις μας για την προέλευση του Κόσμου.

Για ένα γήινο παρατηρητή, η μελέτη των αστρονομικών φαινομένων περιορίζεται από τα όρια της γήινης ατμόσφαιρας, που λειτουργεί σαν ένα φίλτρο διαπερατότητας στις διάφορες εισερχόμενες ακτινοβολίες. Μόνο συγκεκριμένες περιοχές ακτινοβολιών διέρχονται και φθάνουν μέχρι την επιφάνεια της θάλασσας, δηλαδή τα μικροκύματα και μία στενή περιοχή στο εγγύς υπέρυθρο και το ορατό. Οι ακτινοβολίες των άλλων φασματικών περιοχών υφίστανται εξασθένηση της έντασης εξαιτίας της απορρόφησής τους από αιωρούμενα ιχνοστοιχεία χημικών ενώσεων (π.χ. CO2, H2O, OH και CH4). Τα κύρια συστατικά της ατμόσφαιρας (N2, O2) απορροφούν κυρίως τις υπεριώδεις ακτινοβολίες με μήκη κύματος λ<200nm, που ονομάζουμε ακτινοβολίες υπεριώδους κενού. Η ποσοτική και ποιοτική μελέτη της φασματικής αυτής περιοχής γίνεται σε μεγάλα ύψη (από την επιφάνεια της θάλασσας) με ατμοσφαιρικά μπαλόνια και δορυφόρους.
  
Φάσμα ΗΜ ακτινοβολίας: πηγές & εφαρμογές
Η ανάπτυξη και κατασκευή τεχνητών πηγών εκπομπής ΗΜ κυμάτων εξαρτάται από την αντίστοιχη φασματική περιοχή, στην οποία εκπέμπει η πηγή.

Ακτινοβολίες με λ>1m (ν<3 10^8Hz) δημιουργούνται από ηλεκτρονικά κυκλώματα, κυρίως LC και εκπέμπονται από κεραίες ραδιοφωνικών κυμάτων. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ασυρματικές ζεύξεις, οι οποίες είναι ένα είδος επικοινωνιών που χρησιμοποιούν ως μέσο διάδοσης τον αέρα. Η ασύρματη μετάδοση στηρίζεται στη διάδοση των ΗΜ κυμάτων στην ατμόσφαιρα με τη χρήση κατάλληλων κεραιών. Οι ασυρματικές επικοινωνίες χρησιμοποιούνται στη ραδιοφωνία και στην τηλεόραση και μεταδίδουν φωνή, δεδομένα και τηλεοπτικά προγράμματα. Τέτοιου είδους επικοινωνίες διέπονται από κανονισμούς, όσον αφορά τη χρήση περιοχών συχνοτήτων, οι οποίες έχουν καθοριστεί με διεθνείς συμβάσεις ώστε κάθε περιοχή να χρησιμοποιείται μόνο για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Κύματα της περιοχής των μικροκυμάτων λ>1mm (ν<3 10^11Hz) παράγονται από ηλεκτρονικά κυκλώματα και από γεννήτριες μικροκυμάτων (π.χ. μάγνητρον και κλύστρον). Η φασματική αυτή περιοχή παρουσιάζει ξεχωριστό ενδιαφέρον για το μεγάλο πλήθος των εφαρμογών της. Σε αυτήν την περιοχή ανήκουν οι μικροκυματικές ζεύξεις, που παρουσιάζουν τελευταία μεγάλη τεχνολογική ανάπτυξη, χάρη των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους (π.χ. κατευθυντικότητα και υψηλότερο βαθμό ασφάλειας διάδοσης της πληροφορίας σε σχέση με τις κοινές ασυρματικές ζεύξεις).

Ιστορικά, τα μικροκύματα άρχισαν να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές από τη δεκαετία του ΄40, με την εφεύρεση του ραντάρ, κυρίως για τις ανάγκες του Β΄ παγκόσμιου πολέμου. Η μικροκυματική περιοχή των 10GHz προσφέρεται για δορυφορικές ζεύξεις. Το πρώτο εμπορικό δίκτυο δορυφορικών επικοινωνιών τέθηκε σε εφαρμογή τη δεκαετία του ΄60 με τη βοήθεια του δορυφόρου Early Bird. Με την εξέλιξη της διαστημικής τεχνολογίας εμφανίστηκαν οι γεωστατικοί δορυφόροι, οι οποίοι τίθενται σε τροχιά 38.88km από την επιφάνεια της γης και έχουν ταχύτητα περιφοράς 11km/h, έτσι ώστε να μένουν σταθεροί πάνω από το ίδιο σημείο της γης. Λόγω του ανοίγματος εκπομπής (120ο) καλύπτουν μεγάλη γήινη γεωγραφική περιοχή. Έτσι, τρεις γεωστατικοί δορυφόροι αρκούν για να καλύψουν ολόκληρο τον πλανήτη. Είναι επομένως προφανές γιατί χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε διηπειρωτικές μεταδόσεις τηλεοπτικών προγραμμάτων. Οι δορυφορικές ζεύξεις παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα (π.χ. μετάδοση με απαιτήσεις εύρους ζώνης) αλλά και μειονεκτήματα, επειδή δεν παρέχουν καμία ασφάλεια μετάδοσης σήματος, το οποίο μπορεί να ληφθεί με ευκολία από τον οποιονδήποτε. Επίσης, παρουσιάζουν εξασθένηση σήματος σε περίπτωση καιρικών φαινομένων.

Στο υπέρυθρο υπάρχουν οι θερμικοί πομποί, που είναι αερόκενοι λαμπτήρες και πυρακτώνονται από σύρμα βολφραμίου στους 2000Κ. Τα υπέρυθρα κύματα απορροφούνται έντονα από την ύλη προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας ενός σώματος, επειδή αυξάνουν την εσωτερική κίνηση των ατόμων του υλικού μέσου. Η υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιείται στη φυσιοθεραπεία, στη νυκτερινή σκόπευση και σε πλήθος άλλων ενεργειακών εφαρμογών, όπως π.χ. στον έλεγχο διαρροών θερμότητας. Στον τομέα των επικοινωνιών, η περιοχή αυτή παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον λόγω του υψηλού ρυθμού μετάδοσης, της κατευθυντικότητας της δέσμης και του ύψιστου βαθμού ασφάλειας (περίπτωση οπτικών ινών). Οι πηγές εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας στηρίζονται στην κατασκευή νέων συστημάτων Laser, τα οποία διακρίνονται για τη μεγάλη εκπεμπόμενη ισχύ τους. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν και οι δίοδοι εκπομπής LED, οι οποίες έχουν χαμηλότερο κόστος (σε σχέση με τα Lasers), μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και μικρότερη ευαισθησία σε θερμοκρασιακές μεταβολές.

Στην ορατή περιοχή κατασκευάζονται πηγές, όπου η εκπομπή της ακτινοβολίας οφείλεται στο φαινόμενο της εξαναγκασμένης μετάπτωσης των διεγερμένων ηλεκτρονίων στα άτομα ή μόρια ενός υλικού. Οι πηγές αυτές είναι οι συσκευές Laser έντονου και μονοχρωματικού φωτός.

Στο υπεριώδες υπάρχουν λάμπες υδραργύρου ή ευγενών αερίων (υπό πίεση) που εκπέμπουν υπεριώδη ακτινοβολία. Από τα μέσα της δεκαετίας του ΄80 έχουν κατασκευαστεί και μονοχρωματικές πηγές Laser υπεριώδους, που εκπέμπουν στην περιοχή των 150–300nm. Η υπεριώδης ακτινοβολία χρησιμοποιείται σε εφαρμογές της Ιατρικής, της φασματοσκοπίας κ.α.

Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο Rοntgen εφηύρε τις ακτίνες Χ δίνοντας μία νέα διάσταση στη διαγνωστική Ιατρική. Με αυτήν την εφεύρεση, ο άνθρωπος απέκτησε τη δυνατότητα να βλέπει τι υπάρχει πίσω από τα αδιαφανή υλικά, καθώς επίσης μέσα στο ανθρώπινο σώμα χωρίς αυτό να υποστεί κάποια χειρουργική επέμβαση. Η πιο κοινή πηγή παραγωγής ακτίνων Χ είναι η επιβράδυνση ταχέων ηλεκτρονίων, καθώς αυτά προσκρούουν σε ένα μεταλλικό στόχο. Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται στη μελέτη των κρυσταλλικών δομών (π.χ. ινσουλίνης και DNA), ενώ στην Ιατρική παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον στους τομείς της κλασικής ακτινολογίας και της υπολογιστικής τομογραφίας. Τέλος οι ακτίνες γ είναι ΗΜ ακτινοβολία που εκπέμπεται από ορισμένους ραδιενεργούς πυρήνες και σε αντιδράσεις πυρήνων και στοιχειωδών σωματιδίων.
  
  

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου