Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι η διάδοση των αλληλοεξαρτώμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στο χώρο και στο χρόνο (υπενθυμίζεται ότι το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο και αντιστρόφως).
 |
| φωτοηλεκτρικό φαινόμενο |
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Όλα τα είδη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων παρουσιάζονται με το παρακάτω διάγραμμα που αναφέρεται ως ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Το ορατό φως, δηλαδή τα μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που αντιλαμβάνεται το μάτι μας, έχει όρια και τα χρώματά του έχουν μήκη κύματος που κυμαίνονται μεταξύ 400 nm του ιώδους και 700nm του ερυθρού ($1 nm=10^{-9}m$ = 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου).
Ραδιο-Tηλεοπτικά κύματα και Μικροκύματα: Στο αριστερό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, βρίσκονται τα ραδιοφωνικά, τα τηλεοπτικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα (και αυτά που παράγονται από τις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος ή τις ηλεκτρικές συσκευές), και τα μικροκυματα.
Τα μικροκύματα έχουν μήκη κύματος μεταξύ 0,1 και 100 εκατοστών και χρησιμοποιούνται στην κινητή τηλεφωνία, στην εφαρμογή Wi-Fi, στο πρότυπο ανταλλαγής αρχείων bluetooth, στα ραντάρ, στους φούρνους μικροκυμάτων κλπ. Τα φωτόνια των μικροκυμάτων έχουν μικρότερη συχνότητα από τα φωτόνια του ορατού φωτός και επομένως μικρότερη ενέργεια.
Τα δίκτυα 5G της κινητής τηλεφωνίας εκπέμπουν μικροκυματική ακτινοβολία, τα φωτόνια της οποίας έχουν τάξεις μεγέθους μικρότερη ενέργεια από τα φωτόνια της υπεριώδους ακτινοβολίας και από τα φωτόνια του ορατού φωτός. Αφού δεν κινδυνεύουμε από τα φωτόνια του ορατού φωτός, τότε τα φωτόνια της 5G ακτινοβολίας που μεταφέρουν πολύ μικρότερη ενέργεια θα είναι εντελώς ακίνδυνα!
.png) |
| … μια διαφορετική όψη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος |
Μετά την ερυθρή περιοχή του φάσματος υπάρχει αόρατη ακτινοβολία, που προκαλεί έντονη αύξηση της θερμοκρασίας των στερεών και υγρών σωμάτων. Η ακτινοβολία αυτή ονομάζεται υπέρυθρη ακτινοβολία.
Επειδή η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι αόρατη, για την ανίχνευσή της υπάρχουν ειδικά όργανα, οι φωρατές υπερύθρου. Τα θερμά σώματα εκπέμπουν περισσότερη υπέρυθρη ακτινοβολία. Οι υπέρυθρες ακτινοβολίες έχουν μήκη κύματος που κυμαίνονται μεταξύ 700nm και 106nm.
Μερικές από τις ιδιότητες των υπερύθρων είναι οι εξής:
1. Απορροφώνται επιλεκτικά από διάφορα σώματα και προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας τους.
2. Διέρχονται μέσα από την ομίχλη και τα σύννεφα (δεν απορροφώνται από αέρια).
3. Δεν έχουν χημική δράση και δεν προκαλούν φωσφορισμό.
Η χρήση των υπερύθρων βασίζεται στην εκλεκτικότητά τους να απορροφώνται από την ύλη. Στην Ιατρική, για παράδειγμα, δέσμη υπέρυθρης ακτινοβολίας μεταδίδει θερμότητα σε ορισμένη περιοχή του σώματος. Επίσης με ειδικές φωτογραφικές μηχανές επιτυγχάνεται φωτογράφιση ακόμη και όταν υπάρχει συννεφιά ή ομίχλη.
Υπεριώδης ακτινοβολία (UV): Το φάσμα του φωτός, που εκπέμπει μια φωτεινή πηγή, δεν περιορίζεται στα τα όρια μεταξύ ιώδους και ερυθρού. Αν παρατηρήσουμε με ειδικό φασματογράφο τη φωτογραφική πλάκα στην οποία αποτυπώνεται το φάσμα, θα διαπιστώσουμε ότι πέρα από το όριο της ιώδους περιοχής η πλάκα έχει αμαυρωθεί.
Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι, εκτός από την ακτινοβολία της ορατής περιοχής του φάσματος, υπάρχει και ακτινοβολία αόρατη, η οποία βρίσκεται πέρα από την ιώδη περιοχή. Η ακτινοβολία αυτή ονομάζεται υπεριώδης ακτινοβολία.
1. Προκαλεί αμαύρωση των φωτογραφικών πλακών.
2. Προκαλεί το φθορισμό σε διάφορα σώματα, όταν δηλαδή προσπίπτει σε ορισμένα σώματα, τότε αυτά εκπέμπουν χαρακτηριστικές ορατές ακτινοβολίες.
3. Συμμετέχει στη μετατροπή του οξυγόνου της ατμόσφαιρας σε όζον.
4. Όταν απορροφάται από υλικά σώματα (όπως άλλωστε και οι ακτίνες οποιουδήποτε χρώματος), προκαλεί τη θέρμανσή τους.
5. Υπεριώδης ακτινοβολία με πολύ μικρό μήκος κύματος προκαλεί βλάβες στα κύτταρα του δέρματος, οι οποίες μπορεί να είναι τέτοιες, ώστε να οδηγήσουν και στην εμφάνιση καρκίνου. Κατά τη διάρκεια της ηλιοθεραπείας το μαύρισμα του δέρματος οφείλεται στη μελανίνη που παράγει ο οργανισμός, για να προστατευθεί από την υπεριώδη ακτινοβολία.
6. Χρησιμοποιείται στην Ιατρική για πλήρη αποστείρωση διάφορων εργαλείων.
Τι σκοτώνει τους ιούς στις ηλιόλουστες μέρες;
Όχι η ζέστη, αλλά η υπεριώδης ακτινοβολία (UV), η οποία περιέχεται στο φως του ήλιου. Τα φωτόνια της υπεριώδους ακτινοβολίας που έχει μήκη κύματος (λ), μεταξύ 1 nm έως 400nm, διαθέτουν ικανή ενέργεια (Ε=hf=hc/λ) ώστε να προκαλούν βλάβες στα κύτταρα του δέρματος, επομένως και στον κορωνοϊό.
Aκτίνες X και ακτίνες γ: Πρόκειται για τις πιο επικίνδυνες ακτινοβολίες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Τα φωτόνια αυτών των ακτινοβολιών αντιστοιχούν σε πολύ μεγάλες συχνότητες, επομένως και η ενέργειά τους Ε=hf είναι πολύ μεγάλη.
Οι ακτίνες Χ προκαλούν βλάβες στους οργανισμούς. Όταν απορροφηθούν από τους ιστούς, διασπούν τους μοριακούς δεσμούς και δημιουργούν ενεργές ελεύθερες ρίζες, που με τη σειρά τους μπορεί να διαταράξουν τη μοριακή δομή των πρωτεϊνών και ειδικά του γενετικού υλικού (DNA). Αν το κύτταρο που έχει υποστεί βλάβη από την ακτινοβολία επιβιώσει, τότε μπορεί να δώσει πολλές γενεές μεταλλαγμένων κυττάρων. Αν οι αλλαγές στο DNA αφορούν γονίδια που ελέγχουν το ρυθμό πολλαπλασιασμού των κυττάρων, οι ακτίνες Χ μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο. Η υπερβολική έκθεση ενός οργανισμού σε ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει μεταβολές στα γενετικά κύτταρα. Σ' αυτή την περίπτωση, ενώ ο ίδιος οργανισμός δε θα εμφανίσει κάποια βλάβη, θα επηρεαστούν οι απόγονοι του.
Η χρήση των ακτίνων Χ για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς πρέπει να γίνεται με προσοχή, εκτιμώντας τόσο τα οφέλη όσο και τους κινδύνους που προέρχονται από την έκθεση του οργανισμού σε ακτινοβολία για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Οι ακτίνες Χ εκτός από την ιατρική για την λήψη των ακτινογραφιών, χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία, για να διαπιστωθεί η ύπαρξη κοιλοτήτων, ραγισμάτων ή άλλων ελαττωμάτων στο εσωτερικό των μεταλλικών αντικειμένων.
Οι ακτίνες γ αποτελούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία της οποίας τα φωτόνια έχουν την μεγαλύτερη συχνότητα, άρα και την μεγαλύτερη ενέργεια και γιαυτό είναι εξαιρετικά επικίνδυνες. Προκύπτουν από πυρηνικές αντιδράσεις και κατά την διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων ή υποατομικών σωματιδίων. Τα φωτόνια των ακτίνων γ είναι ένα από τα τρία είδη ραδιενέργειας - τα άλλα δυο είναι η ραδιενέργεια α (πυρήνες ηλίου) και η ραδιενέργεια β (ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια).
 |
… άλλη μια διαφορετική όψη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος |
Στον αέρα η ταχύτητά του είναι ελάχιστα μικρότερη. Σε όλα τα άλλα υλικά η ταχύτητά του είναι μικρότερη. Στο νερό π.χ. η ταχύτητά του είναι περίπου τα 3/4 της ταχύτητάς του στο κενό. Ο λόγος της ταχύτητας c του φωτός στο κενό δια της ταχύτητας υ του φωτός σε ένα διαφανές υλικό ονομάζεται δείκτης διάθλασης, n, του υλικού αυτού.
 |
| Η ταχύτητα του φωτός στα διάφορα διαφανή υλικά δεν είναι η ίδια για όλα τα χρώματα του ορατού φωτός και, επειδή το κάθε χρώμα του ορατού φωτός καθορίζεται από το μήκος κύματός του, γι' αυτό για τον καθορισμό του δείκτη διάθλασης των διάφορων υλικών στον πίνακα έχει επιλεγεί το κίτρινο χρώμα με μήκος κύματος λ = 589 nm. |
Ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού εκφράζει το πηλίκο της ταχύτητας του φωτός στο κενό c προς την ταχύτητά του στο υλικό: $n= \dfrac{c}{υ} = \dfrac{λ f}{λ_{0} f} = \dfrac{λ}{λ_{0}}$
 |
| (α) Μεταβολή του δείκτη διάθλασης με το μήκος κύματος για το πλαστικό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή φακών. (β) Ανάλυση του λευκού φωτός. |
Γιατί ο ουρανός είναι γαλάζιος και κοκκινίζει στην ανατολή και δύση;
Το γαλάζιο χρώμα έχει μήκος κύματος σχεδόν το μισό από ότι το κόκκινο χρώμα και σκεδάζεται (διασκορπίζεται) σχεδόν 16 φορές πιο έντονα.
Όταν η φάση της Σελήνης είναι Πανσέληνος και τα τρία σώματα, Ήλιος, Γη, Σελήνη βρίσκονται στην ίδια νοητή γραμμή, η Σελήνη βρίσκεται μέσα στη σκιά της Γης, καλύπτεται και σκοτεινιάζει για μερικά δευτερόλεπτα μέχρι μερικά λεπτά, αναλόγως την απόστασή της και τη θέση της από τη Γη.
Αλλά συμβαίνει και κάτι άλλο, στο οποίο αποδίδεται η έκφραση ‘ματωμένο φεγγάρι’. Κατά την ολική έκλειψη Σελήνης, το μόνο φως που φτάνει στην επιφάνεια της Σελήνης προέρχεται από τις άκρες της γήινης ατμόσφαιρας. Να θυμίσουμε ότι η Γη έχει σφαιροειδές σχήμα, οπότε φανταστείτε μια σφαίρα με ατμόσφαιρα, το φως του Ήλιου τη φωτίζει από μπροστά και τα μόρια του αέρα της γήινης ατμόσφαιρας διασκορπίζουν παντού το μεγαλύτερο μέρος του μπλε φωτός. Το υπόλοιπο, το κόκκινο μέρος του ορατού φωτός συνεχίζει το ταξίδι του και ταξιδεύει από τα πλαϊνά της σφαίρας αυτής, μέσα στην ατμόσφαιρα, φτάνει στην πίσω μεριά και ανακλάται στην επιφάνεια της Σελήνης, που βρίσκεται από την άλλη μεριά, μέσα στη σκιά της Γης.
Το αποτέλεσμα είναι να φαίνεται η Σελήνη κόκκινη στον νυχτερινό ουρανό.
Το φαινόμενο του αντικατοπτρισμού
Το φως της φωτεινής πηγής στο δωμάτιο, ανακλάται από τα βέλη και ταξιδεύει προς το μάτι μας, αλλά καθώς εισέρχεται στο νερό θα αλλάξει κατεύθυνση (διάθλαση) και στη συνέχεια θα διαθλαστεί ξανά καθώς εισέρχεται στον αέρα. Στο σχήμα 1 φαίνεται η κάτοψη του ποτηριού και ένα από τα βέλη.
Σχεδιάζουμε δυο ακτίνες φωτός που ξεκινούν κάθετα από τα δυο άκρα Α και Β του βέλους. ηα < nν → η κάθε ακτίνα συγκλίνει στην κάθετη στο σημείο πρόσπτωσης, εισερχόμενη στο νερό ην > nα → η κάθε ακτίνα αποκλίνει από την κάθετη στο σημείο πρόσπτωσης εξερχόμενη στον αέρα Βλέπουμε λοιπόν ότι το βέλος εμφανίζεται στο μάτι μας οριζόντιο αλλά αντεστραμμένο.
 | ||
| Η κάτοψη του ποτηριού που δείχνει το βίντεο |
Αυτό που συμβαίνει εδώ είναι κατά κάποιο τρόπο παρόμοιο με το πώς λειτουργεί το μάτι μας. Το φως που διέρχεται από το φακό του ματιού διαθλάται σε ένα εστιακό σημείο, το οποίο, αν έχουμε τέλεια όραση, θα βρίσκεται στον αμφιβληστροειδή στο πίσω μέρος του ματιού μας. Στη συνέχεια, ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται και ερμηνεύει αυτή την εικόνα. Η εικόνα στο εστιακό σημείο του ματιού σας θα είναι επίσης ανάποδα, αλλά ο εγκέφαλός μας είναι έξυπνος και συνεργάζεται με τα αυτιά μας για να γνωρίζει το σωστό προσανατολισμό. Εάν έχουμε μυωπία, το εστιακό σημείο θα είναι σε ένα σημείο πριν από τον αμφιβληστροειδή και αν έχουμε πρεσβυωπία το εστιακό σημείο θα βρίσκεται σε ένα σημείο πίσω από τον αμφιβληστροειδή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα με αυτή την πάθηση έχουν θολή όραση. Μπορεί να διορθωθεί χρησιμοποιώντας φακούς που μετατοπίζουν το εστιακό σημείο εκεί που πρέπει να είναι στο πίσω μέρος του αμφιβληστροειδούς.
Το στρογγυλό σχήμα του ποτηριού νερού λειτουργεί επίσης σαν μεγεθυντικός φακός και θα κάνει την εικόνα που βλέπουμε μέσα από το νερό μεγαλύτερη ή μικρότερη ανάλογα με την απόσταση που είναι από το γυαλί.
Μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι το δεύτερο πείραμα μπορεί να επιτύχει αν το χαρτόνι με τα βέλη βρίσκεται μετά από κάποια απόσταση από το ποτήρι. Αν πλησιάσουμε το χαρτόνι ξαναβλέπουμε τα βέλη ως έχουν αλλά μεγεθυμένα. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από την τοποθέτηση του χαρτονιού μακρύτερα ή κοντύτερα από την εστιακή απόσταση του φακού, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
Κερατοειδής Χιτώνας (Cornea) - Το μπροστινό τζάμι:
Είναι η διάφανη, θολωτή εξωτερική επιφάνεια του ματιού. Είναι το "παράθυρο" από το οποίο μπαίνει το φως και μάλιστα κάνει την περισσότερη δουλειά της διάθλασης (της καμπύλωσης δηλαδή των ακτίνων του φωτός) για να αρχίσουν να εστιάζουν.
Ίριδα και Κόρη (Iris & Pupil) - Το διάφραγμα
Ίριδα: Είναι το χρωματιστό μέρος του ματιού (μπλε, καστανό, πράσινο). Λειτουργεί σαν μυς που συσπάται και χαλαρώνει.
Κόρη: Είναι η μαύρη τρύπα στο κέντρο της ίριδας. Η ίριδα ρυθμίζει το μέγεθος της κόρης για να ελέγξει πόσο φως θα μπει στο μάτι (ανοίγει στο σκοτάδι, μικραίνει στο έντονο φως).
Κρυσταλλοειδής Φακός (Lens) - Το σύστημα αυτόματης εστίασης
Βρίσκεται ακριβώς πίσω από την ίριδα. Είναι ένας ελαστικός, διάφανος φακός που αναλαμβάνει τη "μικρορύθμιση" της εστίασης. Χάρη στους μικροσκοπικούς μύες που τον περιβάλλουν, μπορεί να αλλάζει το σχήμα του (να γίνεται πιο επίπεδος ή πιο σφαιρικός) ώστε να εστιάζουμε καθαρά σε αντικείμενα που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις (μακριά ή κοντά).
(Αυτός είναι ο φακός που σκληραίνει μεγαλώνοντας και προκαλεί την πρεσβυωπία).
Αμφιβληστροειδής Χιτώνας (Retina) - Το φωτογραφικό φιλμ / Οθόνη
Είναι η εσωτερική επένδυση στο πίσω μέρος του ματιού. Αποτελείται από εκατομμύρια φωτοευαίσθητα κύτταρα. Για να δούμε μια εικόνα καθαρά, το φως πρέπει να περάσει από τον κερατοειδή και τον φακό και να εστιάσει ακριβώς πάνω στον αμφιβληστροειδή. Αν εστιάσει πιο μπροστά (μυωπία) ή πιο πίσω (υπερμετρωπία/πρεσβυωπία), η εικόνα είναι θολή.
Οπτικό Νεύρο (Optic Nerve) - Το καλώδιο
Μόλις ο αμφιβληστροειδής συλλάβει το φως, το μετατρέπει σε ηλεκτρικά σήματα. Το οπτικό νεύρο είναι το "καλώδιο" που μεταφέρει αυτά τα σήματα από το πίσω μέρος του ματιού στον εγκέφαλο. Ο εγκέφαλος τελικά επεξεργάζεται τα σήματα, αναστρέφει την εικόνα (γιατί αρχικά σχηματίζεται ανάποδα μέσα στο μάτι) και "αντιλαμβάνεται" αυτό που βλέπουμε!
Η λειτουργία των γυαλιών οράσεως βασίζεται σε μια θεμελιώδη αρχή της οπτικής: τη διάθλαση του φωτός. Ουσιαστικά, οι φακοί χρησιμοποιούνται για να "καμπυλώσουν" τις ακτίνες του φωτός πριν αυτές φτάσουν στο μάτι, ώστε να αντισταθμίσουν τα ανατομικά ή λειτουργικά σφάλματα εστίασης του ίδιου του ματιού.
.png)
ΦΑΚΟΙ
Ας δούμε πώς εφαρμόζεται αυτή η αρχή στις δύο πιο συνηθισμένες παθήσεις: τη μυωπία και την πρεσβυωπία.
Μυωπία
Το ανατομικό πρόβλημα: Σε ένα μυωπικό μάτι, ο βολβός είναι συνήθως πιο επιμήκης από το κανονικό (ή ο κερατοειδής έχει υπερβολική καμπυλότητα). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι ακτίνες του φωτός που έρχονται από μακρινά αντικείμενα να διαθλώνται πάρα πολύ και να συναντώνται (να εστιάζουν) μπροστά από τον αμφιβληστροειδή χιτώνα. Έτσι, η εικόνα που φτάνει στον εγκέφαλο είναι θολή.
Η οπτική λύση (Αποκλίνοντες φακοί): Για τη διόρθωση της μυωπίας χρησιμοποιούνται αρνητικοί, κοίλοι (concave) φακοί. Αυτοί οι φακοί είναι πιο λεπτοί στο κέντρο τους και πιο παχιοί στα άκρα.
Πώς εφαρμόζεται: Όταν το φως περνάει μέσα από έναν αποκλίνοντα φακό, οι ακτίνες αναγκάζονται να "ανοίξουν" (να αποκλίνουν) ελαφρώς προς τα έξω πριν εισέλθουν στο μάτι. Αυτή η τεχνητή απόκλιση ακυρώνει την υπερβολική σύγκλιση που κάνει το ίδιο το μάτι, μετατοπίζοντας το τελικό σημείο εστίασης πιο πίσω, ώστε να "προσγειωθεί" ακριβώς πάνω στον αμφιβληστροειδή.
Πρεσβυωπία
Το ανατομικό πρόβλημα: Η πρεσβυωπία δεν είναι σφάλμα του σχήματος του ματιού, αλλά αποτέλεσμα της γήρανσης. Ο φυσικός κρυσταλλοειδής φακός του ματιού χάνει σταδιακά την ελαστικότητά του και δεν μπορεί πλέον να "φουσκώσει" (να αυξήσει την καμπυλότητά του) για να εστιάσει σε κοντινά αντικείμενα. Ως αποτέλεσμα, οι ακτίνες από κοντινά αντικείμενα θα εστίαζαν πίσω από τον αμφιβληστροειδή.
Η οπτική λύση (Συγκλίνοντες φακοί): Για τη διόρθωση χρησιμοποιούνται θετικοί, κυρτοί (convex) φακοί. Είναι πιο παχιοί στο κέντρο και πιο λεπτοί στα άκρα (όπως οι μεγεθυντικοί φακοί).
Πώς εφαρμόζεται: Ο συγκλίνων φακός βοηθά το μάτι να κάνει τη δουλειά που δεν μπορεί πλέον να κάνει ο δικός του φακός. "Μαζεύει" (συγκλίνει) τις ακτίνες του φωτός προς τα μέσα πριν καν αυτές μπουν στο μάτι. Αυτή η προ-εστίαση βοηθά να έρθει το τελικό σημείο εστίασης πιο μπροστά, ακουμπώντας σωστά πάνω στον αμφιβληστροειδή για καθαρή κοντινή όραση.