Spectrul Electromagnetic

Chiar dacă descrierea matematică a radiațiilor electromagnetice este foarte complicată, oamenii le întâlnesc în fiecare zi și le folosesc în diferite moduri. Radiația electromagnetică poate fi descrisă ca un flux de fotoni care călătoresc ca o undă, cu viteza luminii, și transportă în acest fel energie. Energia fotonilor poate însă varia foarte mult, și cu ea variază și lungimea de undă. De aceea, avem mai multe tipuri de radiații electromagnetice pe care le descriem în funcție de nivelul de energie al fotonilor. Spunem că aceste radiații descriu un spectru – spectrul electromagnetic.   

Să explorăm un pic spectrul electromagnetic, pornind de la undele radio, cele mai lungi, care au lungimi de undă mai mari de 10 centimetri și energie redusă, și pânăla razele gamma, cu lungimi de undă mai mici decât a mia parte dintr-o miime de milimetru (10-11 m) dar energii imense.  

Lungimi de unda si frecvente

Din întregul spectru electromagnetic, singurele lungimi de undă pe care oamenii le pot percepe sunt cele specifice luminii vizibile. Unii șerpii (boa, pitonii și viperele cu corn) și liliecii vampiri pot vedea și în infraroșu, ceea ce înseamnă că pot percepe un corp cald și pe întuneric. Pe de altă parte, un număr destul de mare de insecte și păsări pot percepe și radiațiile ultraviolete pe care le folosesc, printre altele, florile. Alte animale, însă, cum sunt câinii, au vederea mult mai slabă decât oamenii și nu percep decât un număr mic de culori. Ei compensează, însă, cu alte simțuri, mult mai dezvoltate. 

Să investigăm deci spectrul electromagnetic și utilizările lui. Undele cu cele mai mici nivele de energie sunt undele radio. Ele pleacă de la undele de joasă frecvență (mai mare de 1 metru) care se folosesc în transmisiile locale și merg până la lungimile de undă folosite în aviație, de câțiva centimetri. Aceste unde de energie mică nu parcurg distanțe foarte mari (de aceea nu putem auzi decât posturile de radio cu stații de emisie locală, nu și pe cele din alte țări). 

Zonele spectrului electromagnetic

Urmează microundele. Ele sunt baza tehnologiilor de transmitere a datelor și se utilizează în telefoanele mobile și televizoare și pot fi transmise pe distanțe lungi cu ajutorul sateliților de telecomunicații. Tehnologia radar folosește tot microunde, ca și bine-cunoscutele cuptoare cu microunde în care încălzim mâncarea de prânz.  

Cu o energie mai mare decât a microundelor, dar mult mai mică decât cea a luminii vizibile, urmează undele infraroșii. Ele au fost descoperite pentru prima dată de un astronom, William Hershel, în 1800. El a constatat că există o radiație invizibilă care poate fi măsurată cu un simplu termometru. Aproximativ o jumătate din energia solară ne vine sub formă de raze infraroșii. Chiar și oamenii emit unde infraroșii (poate că de aici vine și expresia „căldură umană”). O foarte interesantă utilizare a acestor unde o găsim în meteorologie. Sateliții meteorologici ne pot descrie cu precizie tipurile de nori după temperatura lor și pot detecta temperatura solului sau a apei în diferite zone, ajutând în acest fel la calcularea fenomenelor meteorologice din zilele următoare.  

Dincolo de zona radiațiilor infraroșii se găsește zona care ne este nouă cea mai cunoscută, cea a luminii vizibile. Aceasta este zona de energii pe care ochiul uman le poate recepta și interpreta. Cel mai frumos exemplu al diferitelor lungimi de undă vizibile este un curcubeu. Acesta apare când o rază de lumină cade la un unghi precis si este descompusă (printr-un proces triplu, de reflexie, refracție și dispersie) de picăturile de apă din atmosferă și este fenomenul natural care ne arată lungimile de undă din care este formată lumina vizibilă. Lumina albă nu este, de fapt, decât un amestec al tuturor acestor lungimi de undă pe care noi le numim culori. Energia undelor luminoase crește de la roșu până la violet. Dincolo de violet, ochiul nostru nu mai poate percepe și începe zona radiațiilor ultraviolete.  

Radiațiile ultraviolete sunt prezente în lumina solară și sunt cele care ne fac să ne bronzăm. Deja, la aceste lungimi de undă, energia transportată de fotoni este mare și poate avea efecte chimice și biologice puternice atunci când interacționează cu moleculele organice. Radiațiile ultraviolete cu unde scurte pot denatura spirala de ADN și se folosesc cu succes la sterilizarea suprafețelor. Atmosfera pământului, și în special stratul ei de ozon, filtrează o mare parte din radiația ultravioletă. În absența acestui strat de ozon viața nu ar fi posibilă pe pământ. Pe de altă parte, nu putem trăi nici fără ea, pentru că joacă un rol important în formarea vitaminei D care, la rândul său, ajută la absorbția calciului și magneziului din alimente.  Toate corpurile foarte fierbinți emit radiații ultraviolete. 

Dincolo de ultraviolet intrăm în zonele de energie mare si lungimi de undă foarte mici. Razele X, se mai numesc și raze Röntgen, după numele celui care le-a descris în 1895, o descoperire care i-a adus un premiu Nobel. E interesant de știut că descoperirea lui a avut aproape imediat o aplicație practică în medicină: radiografia și tomografia computerizată. Razele X sunt cele care ne ajută să vedem în interiorul corpului uman și să descoperim (printre altele) fracturile de oase pentru a le putea vindeca. Dacă la radiografii si tomografii se utilizează cantități foarte mici de radiație, fasciculele foarte înguste și bine țintite de razele X sunt folosite la distrugerea tumorilor. Dar razele X nu sunt inofensive. Corpul expus la cantități mari de astfel radiații suferă arsuri datorită faptului că penetrează țesuturile moi și le ionizează, distrugându-le. Îl țineți minte pe Superman? El putea să vadă prin orice material, cu excepția plumbului. Deci, cel mai probabil, avea ochi care emiteau raze X.  

Radiația cu cele mai scurte unde și cea mai mare energie este radiația gamma. Razele gamma sunt emise de elementele radioactive (radiu, uraniu) și cel mai bun exemplu despre efectul ei devastator asupra mediului natural îl avem în accidentele nucleare, cum au fost exploziile centralelor nucleare de la Cernobîl și Fukushima. Zonele afectate de aceste explozii sunt și astăzi, după 35 de ani, interzise oamenilor, pentru că pericolul de iradiere este prea mare. Oamenii s-au folosit de acest efect devastator asupra materiei vii și au conceput bombele atomice, detonate în al doilea război mondial la Hiroshima și Nagasaki.  

Radiațiile gamma sunt însă peste tot în univers. Ele sunt produse de cele mai fierbinți obiecte: stelele neutronice, pulsarii și exploziile supernovelor și le găsim în apropierea găurilor negre. Deși călătoresc prin spațiu și ajung până la Pământ, atmosfera terestră le absoarbe, ferindu-ne de efectele lor distrugătoare.  

În cosmos există surse naturale de radiație electromagnetică pe toată lungimea spectrului, așa că astronomii nu mai folosesc de multă vreme doar telescoapele optice. Există telescoape specifice pentru fiecare tip de lungime de undă, și imaginea pe care o avem acum asupra cosmosului vine din combinarea tuturor informațiilor pe care le primim din aceste surse.  Unele din aceste telescoape nu pot opera, însă, pe pământ, datorită atmosferei terestre care blochează multe tipuri de radiație, în special pe cea infraroșie (în mare parte), ultravioletă (parțial), razele X și gamma. Așa că cele mai bune telescoape sunt acum în orbită deasupra Pământului și ne trimit de acolo rezultatele observațiilor lor.