24.3: Spectrum ya umeme

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Orodha tatu “sheria za kidole” zinazotumika kwa masafa tofauti pamoja na wigo wa umeme.
• Eleza kwa nini juu ya mzunguko, mfupi wavelength ya wimbi la umeme.
• Chora wigo rahisi wa umeme, unaonyesha nafasi za jamaa, masafa, na nafasi ya aina tofauti za bendi za mionzi.
• Orodha na kuelezea njia tofauti ambazo mawimbi ya umeme yanazalishwa katika wigo.

Katika moduli hii tunachunguza jinsi mawimbi ya sumakuumeme yanavyoainishwa katika makundi kama vile redio, infrared, ultraviolet, na kadhalika, ili tuweze kuelewa baadhi ya kufanana kwao pamoja na baadhi ya tofauti zao. Tutaona pia kwamba kuna uhusiano mingi na mada yaliyojadiliwa hapo awali, kama vile wavelength na resonance. Maelezo mafupi ya uzalishaji na matumizi ya mawimbi ya umeme hupatikana katika Jedwali$\PageIndex{1}$.

Jedwali$\PageIndex{1}$: Wimbi la umeme

Aina ya wimbi la EM	Uzalishaji	Maombi	Sayansi ya maisha kipengele	Masuala
Radio na TV	Mashtaka ya kuongeza kasi	Mawasiliano Udhibiti wa mbali	MRI	Inahitaji udhibiti kwa ajili ya matumizi ya bendi
mikrowevu	Kuharakisha mashtaka na uchochezi wa mafuta	Mawasiliano Sehemu zote Radar	Kupokanzwa kwa kina	Matumizi ya simu ya mkononi
Infrared	Vikwazo vya joto na mabadiliko ya elektroniki	Thermal imaging In	Kufyonzwa na anga	Athari ya chafu
Mwanga unaoonekana	Vikwazo vya joto na mabadiliko ya elektroniki	Yote inayoenea	usanisinuru maono ya binadamu
UV	Vikwazo vya joto na mabadiliko ya elektroniki	Sterilization kudhibiti kansa	Vitamini D uzalishaji	Ozone kupungua Saratani na kusababisha
X-rays	Mabadiliko ya ndani ya umeme na migongano ya haraka	Usalama wa Matibabu	Utambuzi wa matibabu Tiba ya kansa	Saratani inayosababisha
Mionzi ya Gamma	kuoza nyukl	Dawa za nyuklia Usalama	Utambuzi wa matibabu Tiba ya kansa	Kansa na kusababisha uharibifu wa mionzi

Wimbi

Kuna aina nyingi za mawimbi, kama vile mawimbi ya maji na hata matetemeko ya ardhi. Miongoni mwa sifa nyingi za pamoja za mawimbi ni kasi ya uenezi, mzunguko, na wavelength. Hizi daima zinahusiana na maneno$v w = f \lambda$. Moduli hii inazingatia mawimbi ya EM, lakini modules nyingine zina mifano ya sifa hizi zote kwa mawimbi ya sauti na chembe ndogo ndogo.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, wimbi la umeme lina mzunguko na wavelength inayohusishwa nayo na husafiri kwa kasi ya mwanga, au$c$. Uhusiano kati ya sifa hizi za wimbi unaweza kuelezewa na$vw = f \lambda$,$vw$ wapi kasi ya uenezi wa wimbi,$f$ ni mzunguko, na$\lambda$ ni wavelength. Hapa$vw = c$, ili kwa mawimbi yote ya umeme,

$$c = f\lambda . \label{24.4.1}$$

Hivyo, kwa mawimbi yote ya umeme, zaidi ya mzunguko, ndogo ya wavelength.

Kielelezo$\PageIndex{1}$ kinaonyesha jinsi aina mbalimbali za mawimbi ya sumakuumeme zinajumuishwa kulingana na wavelengths na masafa yao - yaani, inaonyesha wigo wa umeme. Tabia nyingi za aina mbalimbali za mawimbi ya sumakuumeme zinahusiana na masafa yao na wavelengths, kama tutakavyoona.

Kielelezo$\PageIndex{1}$: wigo wa umeme, kuonyesha makundi makubwa ya mawimbi ya umeme. Aina mbalimbali za frequency na wavelengths ni ajabu. Mstari wa kugawa kati ya makundi fulani ni tofauti, wakati makundi mengine yanaingiliana.

WIGO WA UMEME: SHERIA ZA KIDO

Sheria tatu zinazotumika kwa mawimbi ya umeme kwa ujumla ni kama ifuatavyo:

• Mawimbi ya umeme ya juu-frequency yana nguvu zaidi na yanaweza kupenya zaidi kuliko mawimbi ya chini ya mzunguko.
• Mawimbi ya umeme ya juu-frequency yanaweza kubeba habari zaidi kwa wakati wa kitengo kuliko mawimbi
• Kifupi cha wavelength ya wimbi lolote la umeme linalotafuta nyenzo, maelezo mafupi yanawezekana kutatua.

Kumbuka kuwa kuna tofauti na sheria hizi za kidole.

Uhamisho, kutafakari, na ngozi

Ni nini kinachotokea wakati wimbi la umeme linakabiliwa na nyenzo? Ikiwa nyenzo ni wazi kwa mzunguko fulani, basi wimbi linaweza kupitishwa kwa kiasi kikubwa. Ikiwa nyenzo ni opaque kwa mzunguko, basi wimbi linaweza kuonekana kabisa. Wimbi pia linaweza kufyonzwa na nyenzo, kuonyesha kwamba kuna mwingiliano kati ya wimbi na nyenzo, kama vile uchochezi wa mafuta ya molekuli.

Bila shaka inawezekana kuwa na maambukizi ya sehemu, kutafakari, na ngozi. Kwa kawaida tunashirikisha mali hizi na mwanga unaoonekana, lakini hutumika kwa mawimbi yote ya umeme. Nini si dhahiri ni kwamba kitu ambacho ni wazi kwa mwanga kinaweza kuwa opaque katika masafa mengine. Kwa mfano, kioo cha kawaida ni wazi kwa mwanga unaoonekana lakini kwa kiasi kikubwa opaque kwa mionzi ya ultraviolet. Ngozi ya binadamu ni opaque kwa mwanga unaoonekana — hatuwezi kuona kupitia watu — lakini ni wazi kwa eksirei.

Mawimbi ya Redio na TV

Jamii pana ya mawimbi ya redio hufafanuliwa kuwa na wimbi lolote la umeme lililozalishwa na mikondo katika waya na nyaya. Jina lake linatokana na matumizi yao ya kawaida kama carrier wa habari za sauti (yaani, redio). Jina linatumika kwa mawimbi ya sumakuumeme ya masafa sawa bila kujali chanzo. Mawimbi ya redio kutoka anga ya nje, kwa mfano, hayatoka kwenye vituo vya redio vya kigeni. Wao huundwa na matukio mengi ya astronomical, na utafiti wao umefunua mengi kuhusu asili kwenye mizani kubwa zaidi.

Kuna matumizi mengi kwa mawimbi ya redio, na hivyo jamii imegawanywa katika makundi machache mengi, ikiwemo mikrowevu na mawimbi hayo ya sumakuumeme yanayotumika kwa redio ya AM na FM, simu za mkononi, na TV.

Mifumo ya redio ya chini kabisa ya kawaida huzalishwa na mistari ya maambukizi ya nguvu ya juu ya voltage AC kwenye mzunguko wa 50 au 60 Hz. (Kielelezo$\PageIndex{2}$). Hizi kwa muda mrefu sana wavelength mawimbi ya umeme (kuhusu 6000 km!) ni njia moja ya kupoteza nishati katika maambukizi ya nguvu ya umbali mrefu.

Kielelezo$\PageIndex{2}$: Hii high-voltage traction nguvu line mbio kwa Eutingen Reli Substation katika Ujerumani kung'ara mawimbi ya umeme na wavelengths muda mrefu sana (mikopo: Zonk43, Wikimedia Commons)

Kuna utata unaoendelea kuhusu hatari za afya zinazohusiana na yatokanayo na mashamba haya ya umeme ($E$-fields). Watu wengine wanashutumu kuwa kuishi karibu na mistari hiyo ya maambukizi inaweza kusababisha magonjwa mbalimbali, ikiwa ni pamoja na kansa. Lakini data ya idadi ya watu ni ama inconclusive au tu si msaada nadharia ya hatari. Ripoti za hivi karibuni ambazo zimeangalia tafiti nyingi za Ulaya na Amerika za epidemiological zimepata hakuna ongezeko la hatari ya saratani kutokana na yatokanayo na$E$ -mashamba.

Mzunguko wa chini sana (ELF) mawimbi ya redio ya karibu 1 kHz hutumiwa kuwasiliana na submarines zilizojaa. Uwezo wa mawimbi ya redio kupenya maji ya chumvi unahusiana na wavelength yao (kama vile tishu zinazoingilia ultrasound) — tena wavelength, zaidi hupenya. Kwa kuwa maji ya chumvi ni conductor nzuri, mawimbi ya redio yanafyonzwa sana na hilo, na wavelengths ndefu sana zinahitajika kufikia manowari chini ya uso. (Kielelezo$\PageIndex{3}$).

Kielelezo$\PageIndex{3}$: Mawimbi ya redio ya muda mrefu sana yanahitajika kufikia manowari hii, wanaohitaji ishara za chini sana za mzunguko (ELF). Wavelengths mfupi hauingii kwa kina chochote muhimu.

Mawimbi ya redio ya AM hutumiwa kubeba ishara za redio za kibiashara katika kiwango cha mzunguko kutoka 540 hadi 1600 kHz. Ufafanuzi AM unasimama kwa ubadilishaji wa amplitude, ambayo ndiyo njia ya kuweka habari kwenye mawimbi haya (Kielelezo$\PageIndex{4}$). Wimbi la carrier lina mzunguko wa msingi wa kituo cha redio, sema 1530 kHz, ni tofauti au modulated katika amplitude na ishara ya sauti. Wimbi linalosababisha lina mzunguko wa mara kwa mara, lakini amplitude tofauti.

Mpokeaji wa redio alitaka kuwa na mzunguko sawa wa resonant kama wimbi la carrier linaweza kuchukua ishara, huku akikataa masafa mengine mengi yanayoathiri antenna yake. Mzunguko wa mpokeaji umeundwa ili kujibu tofauti katika amplitude ya wimbi la carrier ili kuiga ishara ya awali ya sauti. Ishara hiyo ya sauti imeongezwa ili kuendesha msemaji au labda kurekodiwa.

Kielelezo$\PageIndex{4}$: Ubadilishaji wa Amplitude kwa redio AM. (a) carrier wimbi katika frequency kituo cha msingi. (b) Ishara ya sauti kwenye masafa ya chini sana ya kusikia. (c) Ukubwa wa carrier ni modulated na ishara ya sauti bila kubadilisha mzunguko wake wa msingi.

Wimbi la Radio

Mawimbi ya redio ya FM pia hutumiwa kwa maambukizi ya redio ya kibiashara, lakini katika kiwango cha mzunguko wa 88 hadi 108 MHz. FM inasimama kwa mzunguko wa mzunguko, njia nyingine ya kubeba habari (Kielelezo$\PageIndex{5}$). Hapa wimbi la carrier likiwa na mzunguko wa msingi wa kituo cha redio, labda 105.1 MHz, ni modulated kwa mzunguko na ishara ya sauti, huzalisha wimbi la amplitude mara kwa mara lakini mzunguko tofauti.

Kielelezo$\PageIndex{5}$: Frequency modulering kwa FM redio. (a) carrier wimbi katika frequency kituo cha msingi. (b) Ishara ya sauti kwenye masafa ya chini sana ya kusikia. (c) Mzunguko wa carrier hubadilishwa na ishara ya sauti bila kubadilisha amplitude yake.

Kwa kuwa masafa ya kusikia yanafikia hadi 20 kHz (au 0.020 MHz) kwa zaidi, mzunguko wa wimbi la redio la FM linaweza kutofautiana kutoka kwa carrier kwa kiasi cha 0.020 MHz. Hivyo masafa ya carrier ya vituo viwili vya redio tofauti hayawezi kuwa karibu zaidi ya 0.020 MHz. Mpokeaji wa FM hutengenezwa ili kurudia kwenye mzunguko wa carrier na ina mzunguko ambao hujibu kwa tofauti katika mzunguko, kuzalisha habari za sauti.

Redio ya FM ni chini ya kelele kutoka vyanzo vya redio vilivyopotea kuliko redio ya AM. Sababu ni kwamba amplitudes ya mawimbi huongeza. Hivyo AM receiver bila kutafsiri kelele aliongeza kwenye amplitude ya carrier wimbi lake kama sehemu ya habari. Mpokeaji wa FM anaweza kufanywa kukataa amplitudes isipokuwa ile ya wimbi la msingi la carrier na kuangalia tu tofauti katika mzunguko. Hivyo ni rahisi kukataa kelele kutoka FM, kwani kelele hutoa tofauti katika amplitude.

Televisheni pia inatangazwa kwenye mawimbi ya umeme. Kwa kuwa mawimbi yanapaswa kubeba habari nyingi za kuona pamoja na sauti, kila kituo kinahitaji masafa makubwa kuliko maambukizi ya redio rahisi. Vituo vya televisheni hutumia masafa katika aina mbalimbali ya 54 hadi 88 MHz na 174 hadi 222 MHz. (nzima FM redio bendi lipo kati ya vituo 88 MHz na 174 MHz.) Njia hizi za TV zinaitwa VHF (kwa mzunguko wa juu sana). Vituo vingine vinavyoitwa UHF (kwa mzunguko wa juu wa Ultra) hutumia kiwango cha juu zaidi cha mzunguko wa 470 hadi 1000 MHz.

Ishara ya video ya TV ni AM, wakati sauti ya TV ni FM. Kumbuka kuwa masafa haya ni yale ya maambukizi ya bure na mtumiaji kutumia antenna ya zamani ya paa. Safi za satelaiti na maambukizi ya cable ya TV hutokea kwa masafa ya juu sana na yanaendelea haraka na matumizi ya muundo wa juu-ufafanuzi au HD.

Mfano$\PageIndex{1}$: Calculating Wavelengths of Radio Waves:

Tumia wavelengths ya signal ya redio ya 1530-kHz AM, ishara ya redio ya FM 105.1-MHz, na ishara ya simu ya mkononi ya 1.90-GHz.

Mkakati

Uhusiano kati ya wavelength na mzunguko$c = 3.00 \times 10^{8} m/s$ ni$c = f \lambda$ wapi kasi ya mwanga (kasi ya mwanga ni ndogo sana katika hewa kuliko ilivyo katika utupu). Tunaweza kupanga upya equation hii kupata wavelength kwa masafa zote tatu.

Suluhisho

Kupanga upya inatoa $$\lambda = \frac{c}{f}.$$

1. Kwa ishara ya redio ya$f = 1530 kHz$ AM, basi, $$\lambda = \frac{3.00 \times 10^{8} m/s}{1530 \times 10^{3} cycles/s}$$ $$= 196 m.$$
2. Kwa ishara ya redio ya$f = 105.1 MHz$ AM, basi, $$\lambda = \frac{3.00 \times 10^{8} m/s}{105.1 \times 10^{6} cycles/s}$$ $$= 2.85 m.$$
3. Kwa ishara ya redio ya$f = 1.90 GHz$ AM, basi, $$\lambda = \frac{3.00 \times 10^{8} m/s}{1.90 \times 10^{9} cycles/s}$$ $$= 0.158 m.$$

Majadiliano

wavelengths hizi ni thabiti na wigo katika Kielelezo$\PageIndex{1}$. Wavelengths pia huhusiana na mali nyingine za mawimbi haya ya umeme, kama tutakavyoona.

Wavelengths zilizopatikana katika mfano uliotangulia ni mwakilishi wa AM, FM, na simu za mkononi, na akaunti kwa baadhi ya tofauti katika jinsi zinavyotangazwa na jinsi wanavyosafiri. Urefu wa ufanisi zaidi kwa antenna ya mstari, kama ilivyojadiliwa katika 24.3, ni$\lambda / 2$, nusu ya wavelength ya wimbi la umeme. Hivyo antenna kubwa sana inahitajika ili kutangaza radio ya kawaida ya AM na wavelengths yake ya carrier kwa amri ya mamia ya mita.

Faida moja kwa wavelengths hizi za muda mrefu za AM ni kwamba wanaweza kwenda juu na kuzunguka vikwazo vikubwa (kama majengo na milima), kama vile mawimbi ya bahari yanaweza kuzunguka miamba mikubwa. FM na TV zinapokelewa vizuri wakati kuna mstari wa kuona kati ya antenna ya matangazo na mpokeaji, na mara nyingi hutumwa kutoka miundo mirefu sana. FM, TV, na antenna za simu za mkononi wenyewe ni ndogo sana kuliko zile zinazotumiwa kwa AM, lakini zinainuliwa kufikia mstari usiozuiliwa wa kuona (Kielelezo$\PageIndex{6}$).

Kielelezo$\PageIndex{6}$: (a) mnara mkubwa hutumiwa kutangaza ishara za TV. Antena halisi ni miundo midogo juu ya mnara — huwekwa kwenye urefu mkubwa ili kuwa na mstari wa wazi wa kuona juu ya eneo kubwa la utangazaji. (mikopo: Ozizo, Wikimedia Commons) (b) mnara wa simu ya mkononi wa NTT Dokomo katika mji wa Tokorozawa, Japan. (mikopo: tokoroten, Wikimedia Commons)

redio wimbi kuingiliwa

Wanaastronomia na wataalamu wa astrofizikia hukusanya ishara kutoka angani ya nje kwa kutumia mawimbi ya Tatizo la kawaida kwa astrophysicists ni “uchafuzi wa mazingira” kutoka mionzi ya umeme inayoenea mazingira yetu kutoka kwa mifumo ya mawasiliano kwa ujumla. Hata gadgets za kila siku kama funguo zetu za gari zilizo na kituo cha kufunga milango ya gari kwa mbali na kuwa na uwezo wa kuzima TV na kuzima kwa kutumia remotes zinahusisha masafa ya wimbi la redio. Ili kuzuia kuingiliwa kati ya ishara hizi zote za umeme, kanuni kali zinatengenezwa kwa mashirika mbalimbali kutumia bendi tofauti za mzunguko wa redio.

Sababu moja kwa nini sisi ni wakati mwingine aliuliza kuzima simu zetu za mkononi (kazi katika aina mbalimbali ya 1.9 GHz) juu ya ndege na katika hospitali ni kwamba mawasiliano muhimu au vifaa vya matibabu mara nyingi hutumia masafa sawa radio na uendeshaji wao inaweza kuathirika na masafa kutumika katika vifaa mawasiliano.

Kwa mfano, mawimbi ya redio yanayotumiwa katika imaging resonance magnetic (MRI) yana masafa kwa utaratibu wa 100 MHz, ingawa hii inatofautiana kwa kiasi kikubwa kulingana na nguvu ya uwanja wa sumaku unaotumiwa na aina ya nyuklia inayopigwa. MRI ni muhimu matibabu imaging na chombo utafiti, kuzalisha kina sana mbili- na tatu-dimensional picha. Mawimbi ya redio yanatangazwa, kufyonzwa, na kutolewa katika mchakato wa resonance ambao ni nyeti kwa wiani wa viini (kawaida protoni au viini vya hidrojeni).

Urefu wa mawimbi ya redio 100-MHz ni 3 m, lakini kwa kutumia unyeti wa mzunguko wa resonant kwa nguvu ya shamba la magnetic, maelezo madogo kuliko millimeter yanaweza kuonyeshwa. Huu ni mfano mzuri wa ubaguzi kwa utawala wa kidole (katika kesi hii, rubri ambayo inaelezea ndogo sana kuliko wavelength ya probe haiwezi kugunduliwa). Upeo wa mawimbi ya redio yanayotumiwa katika MRI hutoa hatari kidogo au hakuna hatari kwa afya ya binadamu.

mikrowevu

Microwaves ni mawimbi ya umeme ya juu-frequency ambayo yanaweza kutolewa na mikondo katika nyaya za macroscopic na vifaa. Microwave frequency mbalimbali kutoka juu$10^{9} Hz$ ya$LC$ resonance ya juu ya vitendo katika karibu$10^{12} Hz$. Kwa kuwa wana masafa ya juu, wavelengths yao ni fupi ikilinganishwa na yale ya mawimbi mengine ya redio - hivyo jina “microwave.”

Microwaves pia inaweza kuzalishwa na atomi na molekuli. Wao ni, kwa mfano, sehemu ya mionzi ya umeme inayozalishwa na uchochezi wa joto. Mwendo wa joto wa atomi na molekuli katika kitu chochote kwenye joto la juu ya sifuri kabisa huwafanya waondoe na kunyonya mionzi.

Kwa kuwa inawezekana kubeba habari zaidi kwa wakati wa kitengo kwenye mzunguko wa juu, microwaves zinafaa kabisa kwa mawasiliano. Wengi satellite kuambukizwa habari unafanywa juu ya microwaves, kama ni nchi makao masafa marefu maambukizi. Mstari wa wazi wa kuona kati ya transmita na mpokeaji unahitajika kwa sababu ya wavelengths fupi zinazohusika.

Radar ni matumizi ya kawaida ya microwaves ambayo ilianzishwa kwanza katika Vita Kuu ya II. Kwa kuchunguza na muda wa microwave iliyopewa kichwa, mifumo ya rada inaweza kuamua umbali wa vitu tofauti kama mawingu na ndege. Mabadiliko ya Doppler katika echo ya rada inaweza kutumika kuamua kasi ya gari au ukubwa wa mvua. Mifumo ya rada ya kisasa hutumiwa kupiga ramani ya Dunia na sayari nyingine, na azimio limepunguzwa na wavelength. (Kielelezo$\PageIndex{7}$). Kifupi cha wavelength ya probe yoyote, maelezo mafupi inawezekana kuchunguza.

Kielelezo$\PageIndex{7}$: picha ya Sif Mons na mtiririko wa lava juu ya Venus, kulingana na data ya rada ya magellan synthetic ya kufungua pamoja na rada ya altimetry ili kuzalisha ramani tatu-dimensional ya uso. Anga ya Venusian ni opaque kwa mwanga unaoonekana, lakini si kwa microwaves zilizotumiwa kuunda picha hii. (mikopo: NSSDC, NASA/JPL)

Inapokanzwa na microwaves

Je! Tanuri ya microwave ya kawaida huzalisha microwaves kwa umeme, na kwa nini chakula huwaingiza kwa upendeleo? Microwaves kwa mzunguko wa 2.45 GHz huzalishwa kwa kuharakisha elektroni. Microwaves hutumiwa kushawishi uwanja wa umeme mbadala katika tanuri.

Maji na sehemu nyingine za chakula zina malipo kidogo kwa mwisho mmoja na malipo kidogo kwa mwisho mmoja (inayoitwa molekuli za polar). Aina mbalimbali za masafa ya microwave huchaguliwa hasa ili molekuli za polar, katika kujaribu kujiweka na uwanja wa umeme, huchukua nguvu hizi na kuongeza joto lao — inayoitwa inapokanzwa dielectric.

Nishati hiyo imechukua matokeo ya kuchanganyikiwa kwa joto inapokanzwa chakula na sio sahani, ambayo haina maji. Matangazo ya moto katika chakula yanahusiana na mifumo ya kuingiliwa na ya uharibifu. Antena zinazozunguka na turntables za chakula husaidia kuenea matangazo ya moto.

Matumizi mengine ya microwaves kwa inapokanzwa ni ndani ya mwili wa mwanadamu. Microwaves itapenya zaidi ya wavelengths mfupi ndani ya tishu na hivyo inaweza kukamilisha “joto kali” (inayoitwa microwave diathermy). Hii hutumiwa kutibu maumivu ya misuli, spasms, tendonitis, na arthritis ya rheumatoid.

KUFANYA UHUSIANO: CHUKUA-NYUMBANI MAJARIBIO - SEHEMU ZOTE

1. Angalia mlango wa tanuri ya microwave. Eleza muundo wa mlango. Kwa nini kuna gridi ya chuma kwenye mlango? Ukubwa wa mashimo katika gridi ya taifa unalinganishaje na wavelengths ya microwaves kutumika katika sehemu zote microwave? Je, ni wavelength hii?
2. Weka glasi ya maji (karibu 250 ml) katika microwave na joto kwa sekunde 30. Kupima joto faida (the$\Delta T$). Kutokana na kwamba pato la nguvu la tanuri ni 1000 W, uhesabu ufanisi wa mchakato wa uhamisho wa joto.
3. Ondoa turntable inayozunguka au kusonga sahani na kuweka kikombe cha maji katika maeneo kadhaa pamoja na mstari sambamba na ufunguzi. Joto kwa sekunde 30 na kupima$\Delta T$ kwa kila nafasi. Je! Unaona matukio ya kuingiliwa kwa uharibifu?

Microwaves yanayotokana na atomi na molekuli mbali katika muda na nafasi inaweza kupokelewa na kugunduliwa na nyaya za elektroniki. Nafasi ya kina hufanya kama blackbody yenye joto la 2.7 K, linaleta nishati nyingi katika kiwango cha mzunguko wa microwave. Mwaka wa 1964, Penzias na Wilson waligundua mionzi hii na hatimaye wakatambua kuwa ilikuwa mionzi ya mabaki yaliyopozwa ya Big Bang.

Mionzi ya Infr

Mikoa ya microwave na infrared ya wigo wa umeme huingiliana (Kielelezo$\PageIndex{1}$). Mionzi ya infrared kwa ujumla huzalishwa na mwendo wa joto na vibration na mzunguko wa atomi na molekuli. Mabadiliko ya kielektroniki katika atomi na molekuli yanaweza pia kuzalisha mionzi

Aina nyingi za frequency za infrared zinaendelea hadi kikomo cha chini cha mwanga unaoonekana, chini ya nyekundu. Kwa kweli, infrared ina maana “chini ya nyekundu.” Marudio kwenye kikomo chake cha juu ni kubwa mno kutolewa kwa kuharakisha elektroni kwenye nyaya, lakini mifumo midogo, kama vile atomi na molekuli, inaweza kutetemeka kwa kasi ya kutosha kuzalisha mawimbi haya.

Molekuli ya maji huzunguka na hutetemeka hasa vizuri katika masafa ya infrared, ikitoa na kuimarisha kwa ufanisi kwamba emissivity kwa ngozi iko$e = 0.97$ katika infrared. Upeo wa maono ya usiku unaweza kuchunguza infrared iliyotolewa na vitu mbalimbali vya joto, ikiwa ni pamoja na binadamu, na kuibadilisha kuwa mwanga unaoonekana.

Tunaweza kuchunguza uhamisho wa joto mkali kutoka nyumbani kwa kutumia kamera inayoweza kuchunguza mionzi ya infrared. Satelaiti za upelelezi zinaweza kuchunguza majengo, magari, na hata binadamu binafsi kwa uzalishaji wao wa infrared, ambao mionzi ya nguvu ni sawa na nguvu ya nne ya joto kabisa. Zaidi ya kawaida, tunatumia taa za infrared, ambazo baadhi huitwa hita za quartz, ili kutupunguza joto kwa sababu tunachukua infrared bora kuliko mazingira yetu.

Jua huangaza kama blackbody karibu kamilifu (yaani, ina$e = 1$), na joto la uso 6000 K. Karibu nusu ya nishati ya jua inayofika duniani iko katika eneo la infrared, na wengine wengi katika sehemu inayoonekana ya wigo, na kiasi kidogo katika ultraviolet. Kwa wastani, asilimia 50 ya tukio hilo nishati ya jua inafyonzwa na Dunia.

Joto la mara kwa mara la Dunia ni matokeo ya usawa wa nishati kati ya mionzi ya jua inayoingia na nishati inayotokana na Dunia. Mionzi mingi ya infrared iliyotolewa kutoka Dunia inafyonzwa$CO_{2}$ na na$H_{2}O$ katika angahewa na kisha kung'ara nyuma duniani au katika anga ya nje. Mionzi hii nyuma ya Dunia inajulikana kama athari ya chafu, na inaendelea joto la uso wa Dunia$40^{\circ}C$ juu kuliko ingekuwa kama hakuna ngozi. Wanasayansi wengine wanafikiri kwamba kuongezeka kwa mkusanyiko wa gesi nyingine za chafu katika anga, kutokana$CO_{2}$ na ongezeko la kuchomwa kwa mafuta ya mafuta, imeongeza joto la wastani wa kimataifa.

Mwanga unaoonekana

Mwanga unaoonekana ni sehemu nyembamba ya wigo wa umeme ambayo jicho la kawaida la binadamu hujibu. Mwanga unaoonekana huzalishwa na vibrations na mzunguko wa atomi na molekuli, pamoja na mabadiliko ya elektroniki ndani ya atomi na molekuli. Wapokeaji au detectors ya mwanga kwa kiasi kikubwa hutumia mabadiliko ya elektroniki. Tunasema atomi na molekuli ni msisimko wakati wao kunyonya na kupumzika wakati wao emit kupitia mabadiliko ya elektroniki.

Kielelezo$\PageIndex{8}$ kinaonyesha sehemu hii ya wigo, pamoja na rangi zinazohusiana na wavelengths maalum safi. Kwa kawaida tunataja mwanga unaoonekana kama kuwa na wavelengths ya kati ya 400 nm na 750 nm. (Retina ya jicho kweli hujibu kwa masafa ya chini ya ultraviolet, lakini haya si kawaida kufikia retina kwa sababu wao ni kufyonzwa na konea na lens ya jicho.)

Nuru nyekundu ina masafa ya chini na wavelengths ndefu zaidi, wakati violet ina masafa ya juu na wavelengths fupi zaidi. Mionzi ya mwili mweusi kutoka kwenye kilele cha Jua katika sehemu inayoonekana ya wigo lakini ni makali zaidi katika nyekundu kuliko katika violet, na kuifanya Jua kuwa ya njano kwa kuonekana.

Kielelezo$\PageIndex{8}$: Sehemu ndogo ya wigo wa umeme ambayo inajumuisha vipengele vyake vinavyoonekana. Mgawanyiko kati ya infrared, inayoonekana, na ultraviolet sio tofauti kabisa, wala sio kati ya rangi saba za upinde wa mvua.

Vitu vilivyo hai - mimea na wanyama - vimebadilika kutumia na kujibu sehemu za wigo wa umeme ambazo zimeingia ndani. Mwanga unaoonekana ni mkubwa zaidi na tunafurahia uzuri wa asili kupitia mwanga unaoonekana. Mimea huchagua zaidi. Photosynthesis hutumia sehemu za wigo unaoonekana kutengeneza sukari.

Mfano$\PageIndex{2}$: Integrated Concept Problem: Correcting Vision with Lasers

Wakati wa marekebisho ya maono ya laser, kupasuka kwa kifupi kwa mwanga wa 193-nm ultraviolet inafanyika kwenye kamba ya mgonjwa. Inafanya doa 0.80 mm kwa kipenyo na huvukiza safu ya$0.30 \mu m$ nene ya kamba. Kuhesabu nishati kufyonzwa, kuchukua tishu corneal ina mali sawa na maji; ni awali saa$34^{\circ}C$. Kudhani majani evaporated tishu katika joto la$100^{\circ} C$.

Mkakati

Nishati kutoka mwanga wa laser inakwenda kuelekea kuongeza joto la tishu na pia kuelekea kuenea. Hivyo tuna kiasi mbili ya joto kuongeza pamoja. Pia, tunahitaji kupata wingi wa tishu za kamba zinazohusika.

Suluhisho

Ili kufikiri joto linalohitajika kuongeza joto la tishu$100^{\circ}C$, tunaweza kutumia dhana za nishati ya joto. Tunajua kwamba

$$Q = mc \Delta T, \label{24.4.2}$$

ambapo Q ni joto linalohitajika kuongeza joto,$\Delta T$ ni mabadiliko ya taka katika joto,$m$ ni wingi wa tishu kuwa joto, na$c$ ni joto maalum la maji sawa na 4186 J/kg/K.

Bila kujua wingi$m$ katika hatua hii, tuna

$$\begin{align*} Q &= m \left( 4186 J/kg/K \right) \left( 100^{\circ} C - 34^{\circ} C \right) \\[5pt] &= m \left(276, 276 J/kg \right) \\[5pt] &= m \left( 276 J/kg \right) . \end{align*}$$

Joto la latent la mvuke wa maji ni 2256 kJ/kg, ili nishati inahitajika kuenea kwa wingi$m$ ni

$$Q_{v} = mL_{v} = m \left(2256 kJ / kg\right). \nonumber$$

Ili kupata wingi$m$, tunatumia equation$\rho = m/V$, wapi$\rho$ wiani wa tishu na$V$ ni kiasi chake. Kwa kesi hii,

$$\begin{align*} m &= \rho V \label{24.4.4} \\[5pt] &= \left(1000 kg/m^{3}\right) \left(area \times thickness \left(m^{3}\right)\right)\\[5pt] &= \left( 1000 kg/m^{3} \right) \left( \pi \left(0.80 \times 10^{-3} m \right) ^{2} / 4 \right) \left( 0.30 \times 10^{-6} m \right) \\[5pt] &= 0.151 \times 10^{-9} kg. \end{align*}$$

Kwa hiyo, nishati ya jumla inayotumiwa na tishu katika jicho ni jumla ya$Q$ na$Q_{v}$:

$$\begin{align*} Q_{tot} &= m \left( c \Delta T + L_{v} \right) \\[5pt] &= \left( 0.151 \times 10^{-9} kg \right) \left( 276 kJ/kg + 2256 kJ/kg \right) \\[5pt] &= 382 \times 10^{-9} kJ. \end{align*}$$

Majadiliano

Lasers kutumika kwa ajili ya upasuaji huu wa jicho ni lasers excimer, ambao mwanga ni vizuri kufyonzwa na tishu za kibiolojia. Wao huenea badala ya kuchoma tishu, na inaweza kutumika kwa kazi ya usahihi. Lasers nyingi zinazotumiwa kwa aina hii ya upasuaji wa jicho zina kiwango cha wastani cha nguvu cha watt moja. Kwa mfano wetu, ikiwa tunadhani kwamba kila laser kupasuka kutoka laser hii ya pulsed hudumu kwa ns 10, na kuna kupasuka 400 kwa pili, basi nguvu ya wastani ni

$$Q_{tot} \times 400 = 150\, mW \nonumber$$

Optics ni utafiti wa tabia ya mwanga unaoonekana na aina nyingine za mawimbi ya umeme. Optics huanguka katika makundi mawili tofauti. Wakati mionzi ya sumakuumeme, kama vile nuru inayoonekana, inapoingiliana na vitu ambavyo ni vikubwa ikilinganishwa na wavelength yake, mwendo wake unaweza kuwakilishwa na mistari ya moja kwa moja kama mionzi. Ray optics ni utafiti wa hali kama hiyo na inajumuisha lenses na vioo.

Wakati mionzi ya umeme inapoingiliana na vitu kuhusu ukubwa sawa na wavelength au ndogo, asili yake ya wimbi inakuwa dhahiri. Kwa mfano, undani unaoonekana ni mdogo kwa wavelength, na mwanga unaoonekana hauwezi kamwe kuchunguza atomi za mtu binafsi, kwa sababu ni ndogo sana kuliko wavelength yake. Optics kimwili au wimbi ni utafiti wa hali kama hizo na inajumuisha sifa zote za wimbi.

CHUKUA-NYUMBANI MAJARIBIO: RANGI ZINAZOFANANA

Unapopunguza mechi unaona mwanga wa machungwa kwa kiasi kikubwa; unapowasha jiko la gesi unaona mwanga wa bluu. Kwa nini rangi ni tofauti? Nini rangi nyingine zilizopo katika hizi?

Ultraviolet mi

UV ina maana “juu ya violet.” Mifumo ya umeme ya mionzi ya ultraviolet (UV) hupanua juu kutoka violet, mwanga unaoonekana wa juu zaidi. Ultraviolet pia huzalishwa na mwendo wa atomiki na Masi na mabadiliko ya umeme. Wavelengths ya ultraviolet hupanua kutoka 400 nm hadi 10 nm kwenye mzunguko wake wa juu, ambao huingiliana na frequency ya chini ya X-ray. Ilitambuliwa mapema mwaka wa 1801 na Johann Ritter kwamba wigo wa jua ulikuwa na sehemu isiyoonekana zaidi ya aina ya violet.

Mionzi ya UV ya jua imegawanyika kwa kiasi kikubwa katika mikoa mitatu: UV-A (320—400 nm), UV-B (290—320 nm), na UV-C (220—290 nm), iliyowekwa kutoka kwa wavelengths ndefu hadi mfupi (kutoka nguvu ndogo hadi kubwa). Wengi UV-B na UV-C wote ni kufyonzwa na ozoni ($O_{3}$) molekuli katika anga ya juu. Kwa hiyo, 99% ya mionzi ya jua ya UV inayofikia uso wa Dunia ni UV-A.

Mfiduo wa Binadamu kwa mionzi ya

Ni kwa kiasi kikubwa yatokanayo na UV-B ambayo husababisha saratani ya ngozi. Inakadiriwa kuwa asilimia 20 ya watu wazima wataendeleza saratani ya ngozi wakati wa maisha yao. Tena, matibabu mara nyingi hufanikiwa ikiwa hupatikana mapema. Licha ya UV-B kidogo sana inayofikia uso wa Dunia, kuna ongezeko kubwa la viwango vya saratani ya ngozi katika nchi kama vile Australia, ikionyesha umuhimu gani kwamba UV-B na UV-C huendelea kufyonzwa na angahewa ya juu.

Mionzi yote ya UV inaweza kuharibu nyuzi za collagen, na kusababisha kasi ya mchakato wa kuzeeka wa ngozi na malezi ya wrinkles. Kwa sababu kuna UV-B na UV-C kidogo sana inayofikia uso wa Dunia, kuchomwa na jua husababishwa na athari kubwa, na saratani ya ngozi kutokana na yatokanayo mara kwa mara. Baadhi ya tafiti zinaonyesha uhusiano kati ya overexposure kwa Jua wakati mdogo na melanoma baadaye katika maisha.

Jibu la tanning ni utaratibu wa ulinzi ambao mwili huzalisha rangi ili kunyonya maonyesho ya baadaye katika tabaka za ngozi za inert juu ya seli zilizo hai. Kimsingi mionzi ya UV-B inasisimua molekuli za DNA, kupotosha helix ya DNA, na kusababisha mabadiliko na kuundwa kwa uwezekano wa seli za saratani.

Kufidhiwa mara kwa mara kwa UV-B pia kunaweza kusababisha kuundwa kwa cataracts machoni — sababu ya upofu miongoni mwa watu wanaoishi katika ukanda wa Ikweta ambapo matibabu ni mdogo. Cataracts, kuzunguka katika lens ya jicho na kupoteza maono, ni kuhusiana na umri; 60% ya wale walio kati ya umri wa miaka 65 na 74 wataendeleza cataracts. Hata hivyo, matibabu ni rahisi na yenye mafanikio, kama mtu anachukua nafasi ya lens ya jicho na lens ya plastiki. Kuzuia ni muhimu. Ulinzi wa jicho kutoka UV ni bora zaidi na miwani ya plastiki kuliko yale yaliyofanywa kwa kioo.

Athari kubwa ya athari kubwa ya mfiduo wa UV uliokithiri ni ukandamizaji wa mfumo wa kinga, ndani ya nchi na katika mwili wote.

Kiwango cha chini ultraviolet hutumiwa sterilize vifaa vya kukata nywele, ikimaanisha kuwa nishati inayohusishwa na ultraviolet imewekwa kwa namna tofauti na mawimbi ya chini ya mzunguko wa umeme. (Kwa kweli hii ni kweli kwa mawimbi yote ya umeme yenye masafa makubwa kuliko mwanga unaoonekana.)

Kiwango cha kupiga picha kwa ujumla hairuhusiwi ya sanaa ya thamani na prints rangi kwa sababu mionzi UV kutoka flash inaweza kusababisha photo-uharibifu katika kazi za sanaa. Mara nyingi kazi za sanaa zitakuwa na safu ya ziada ya kioo mbele yao, ambayo ni hasa iliyoundwa na kunyonya mionzi ya UV.

Mwanga wa UV na safu ya Ozoni

Ikiwa mionzi yote ya jua ya ultraviolet ilifikia uso wa Dunia, kutakuwa na madhara makubwa sana kwenye biosphere kutokana na uharibifu mkubwa wa seli unaosababisha. Hata hivyo, safu ya ozoni ($O_{3}$) katika anga yetu ya juu (10 hadi 50 km juu ya Dunia) inalinda maisha kwa kunyonya zaidi ya mionzi ya UV hatari.

Kwa bahati mbaya, leo tunaona kupungua kwa viwango vya ozoni katika anga ya juu. Ukosefu huu umesababisha kuundwa kwa “shimo la ozoni” katika angahewa ya juu. Shimo linazingatia zaidi juu ya hemphere ya kusini, na mabadiliko na misimu, kuwa kubwa zaidi katika chemchemi. Ukosefu huu unahusishwa na kuvunjika kwa molekuli za ozoni na gesi za friji zinazoitwa chlorofluorocarbons (CFCs).

Mionzi ya UV husaidia kuondokana na CFC, ikitoa atomi yenye nguvu ya klorini (Cl), ambayo huchochea uharibifu wa safu ya ozoni. Kwa mfano, majibu ya$CFCl_{3}$ photon ya mwanga ($hv$) yanaweza kuandikwa kama:

$$\ce{CFCl_{3} + hv \rightarrow CFCl_{2} + Cl} .\label{24.4.5}$$

Atomu ya Cl kisha huchochea kuvunjika kwa ozoni kama ifuatavyo:

$$\ce{Cl + O_{3} \rightarrow ClO + O_{2}}$$

na $$\ce{ ClO + O_3 \rightarrow Cl + 2O_2} .\label{24.4.6}$$

Atomu moja ya klorini inaweza kuharibu molekuli za ozoni kwa muda wa miaka miwili kabla ya kusafirishwa chini hadi uso. CFCs ni imara na itachangia kupungua kwa ozoni kwa miaka ijayo. CFCs hupatikana katika refrigerants, mifumo ya hali ya hewa, povu, na aerosols.

Wasiwasi wa kimataifa juu ya tatizo hili ulisababisha kuanzishwa kwa makubaliano ya “Protocol Montreal” (1987) ili kuondokana na uzalishaji wa CFC katika nchi nyingi. Hata hivyo, ushiriki wa nchi zinazoendelea unahitajika ikiwa uzalishaji na uondoaji wa CFCs duniani kote utapatikana. Pengine mchangiaji mkubwa wa uzalishaji wa CFC leo ni India. Lakini itifaki inaonekana inafanya kazi, kwa kuwa kuna ishara za kupona ozoni (Kielelezo$\PageIndex{9}$).

Kielelezo$\PageIndex{9}$: Ramani hii ya ozoni ukolezi juu Antaktika katika Oktoba 2011 inaonyesha kupungua kali watuhumiwa kuwa unasababishwa na CFCs. Kidogo kidogo lakini kupungua kwa jumla zaidi kumezingatiwa juu ya latitudo ya kaskazini, na kupendekeza athari ni ya kimataifa. Kwa ozoni ndogo, mionzi zaidi ya ultraviolet kutoka Jua hufikia uso, na kusababisha uharibifu zaidi. (mikopo: NASA Ozone Watch)

Faida za Mwanga wa UV

Mbali na madhara mabaya ya mionzi ya ultraviolet, pia kuna faida za kufidhiliwa katika asili na matumizi katika teknolojia. Uzalishaji wa vitamini D katika ngozi (epidermis) matokeo kutoka kwa yatokanayo na mionzi ya UVB, kwa ujumla kutoka jua. Tafiti kadhaa zinaonyesha ukosefu wa vitamini D inaweza kusababisha maendeleo ya saratani mbalimbali (prostate, matiti, koloni), hivyo kiasi fulani cha mfiduo wa UV kinasaidia. Ukosefu wa vitamini D pia unahusishwa na osteoporosis. Exposures (na hakuna jua) ya dakika 10 kwa siku kwa mikono, uso, na miguu inaweza kuwa ya kutosha kutoa kukubalika ngazi malazi. Hata hivyo, wakati wa majira ya baridi kaskazini ya$37 ^{\circ}$ latitude, wengi UVB anapata imefungwa na anga.

Mionzi ya UV hutumiwa katika kutibu manjano ya watoto wachanga na katika hali fulani za ngozi. Ni pia kutumika katika sterilizing workspaces na zana, na kuua wadudu katika mbalimbali ya maombi. Pia hutumiwa kama chombo cha uchambuzi kutambua vitu.

Unapoonekana kwa ultraviolet, vitu vingine, kama vile madini, huangaza katika wavelengths inayoonekana inayoonekana, mchakato unaoitwa fluorescence. Kinachojulikana taa nyeusi hutoa ultraviolet kusababisha mabango na nguo kwa fluoresce katika inayoonekana. Ultraviolet pia hutumiwa katika microscopes maalum ili kuchunguza maelezo madogo kuliko yale yanayotambulika na microscopes ya muda mrefu inayoonekana ya wavelength inayoonekana.

MAMBO MAKUBWA NA MADOGO: MTAZAMO WA CHINI WA UZALISHAJI WA X-RAY

X-rays inaweza kuundwa katika kutokwa high-voltage. Wao hutolewa katika nyenzo zilizopigwa na elektroni katika sasa ya kutokwa. Kuna njia mbili ambazo elektroni huunda X-rays.

Njia ya kwanza inaonyeshwa kwenye Kielelezo$\PageIndex{10}$. Electron inaharakisha katika tube iliyohamishwa na voltage ya juu yenye chanya. Elektroni inapiga sahani ya chuma (k.m. shaba) na hutoa eksirei. Kwa kuwa hii ni kutokwa kwa high-voltage, elektroni inapata nishati ya kutosha ili ionize atomi.

Kielelezo$\PageIndex{10}$: Mimba ya Msanii wa elektroni ionizing atomi ikifuatiwa na recapture ya elektroni na chafu ya X-ray. Elektroni yenye nguvu hupiga atomi na hugonga elektroni nje ya mojawapo ya njia zilizo karibu na kiini. Baadaye atomu inakamata elektroni nyingine, na nishati iliyotolewa na kuanguka kwake katika obiti ya chini huzalisha wimbi la juu la nishati EM linaloitwa eksirei.

Katika kesi iliyoonyeshwa, elektroni ya ndani ya shell (moja katika obiti karibu na karibu na imefungwa kwa kiini) inatupwa. Muda mfupi baadaye, elektroni nyingine inachukuliwa na huanguka ndani ya obiti katika pigo moja kubwa. Nishati iliyotolewa na kuanguka hii inapewa wimbi la EM linalojulikana kama eksirei. Kwa kuwa njia za atomi ni za kipekee kwa aina ya atomi, nishati ya X-ray ni tabia ya atomi, kwa hiyo jina la kawaida la X-ray.

Njia ya pili ambayo elektroni yenye nguvu inajenga X-ray wakati inapiga nyenzo inaonyeshwa katika takwimu hapa chini. Electron inakabiliana na mashtaka katika nyenzo kama inapoingia. Migongano hii huhamisha nishati ya kinetic kutoka kwa elektroni hadi elektroni na atomi katika nyenzo.

Kielelezo$\PageIndex{11}$: Mimba ya Msanii wa elektroni imepungua kwa migongano katika vifaa na kutoa mionzi ya X-ray. Elektroni hii yenye nguvu hufanya migongano mingi na elektroni na atomi katika nyenzo inayoingia. Malipo ya kasi huangaza mawimbi ya EM, njia ya pili ambayo X-rays huundwa.

Kupoteza kwa nishati ya kinetic inamaanisha kuongeza kasi, katika kesi hii kupungua kasi ya elektroni. Wakati wowote malipo yanapoharakisha, huangaza mawimbi ya EM. Kutokana na nishati ya juu ya elektroni, mawimbi haya ya EM yanaweza kuwa na nishati ya juu. Tunawaita X-rays. Kwa kuwa mchakato ni random, wigo mpana wa nishati ya X-ray hutolewa ambayo ni tabia zaidi ya nishati ya elektroni kuliko aina ya vifaa ambavyo elektroni hukutana. Mionzi hiyo ya EM inaitwa “bremsstrahlung” (Kijerumani kwa “mionzi ya braking”).

X-rays

Katika miaka ya 1850, wanasayansi (kama Faraday) walianza kujaribu na kuruhusiwa kwa umeme wa juu-voltage katika zilizopo zilizojaa gesi zisizo na kawaida. Baadaye iligundua kwamba kuruhusiwa hizi ziliunda fomu isiyoonekana, inayoingilia ya mionzi ya umeme ya juu sana. Mionzi hii iliitwa X-ray, kwa sababu utambulisho wake na asili hazikujulikana.

Kama ilivyoelezwa katika “Mambo Makuu na Ndogo,” kuna njia mbili ambazo X-rays huundwa —zote mbili ni michakato ndogo na zinaweza kusababishwa na kuruhusiwa kwa high-voltage. Wakati mwisho wa kiwango cha chini cha mzunguko wa X-ray unakabiliwa na ultraviolet, X-rays hupanua kwa masafa ya juu zaidi (na nguvu).

X-rays zina athari mbaya kwenye seli hai zinazofanana na za mionzi ya ultraviolet, na zina dhima ya ziada ya kupenya zaidi, inayoathiri zaidi ya tabaka za uso za seli. Saratani na kasoro za maumbile zinaweza kuingizwa na yatokanayo na X-rays. Kwa sababu ya athari zao kwenye seli za kugawa haraka, X-rays pia inaweza kutumika kutibu na hata kutibu kansa.

Matumizi makubwa zaidi ya eksirei ni kwa vitu vya upigaji picha ambavyo ni opaque kwa mwanga unaoonekana, kama vile mwili wa binadamu au sehemu za ndege. Kwa binadamu, hatari ya uharibifu wa seli hupimwa kwa makini dhidi ya faida ya habari za uchunguzi zilizopatikana. Hata hivyo, maswali yameongezeka katika miaka ya hivi karibuni kuhusu overexposure ajali ya baadhi ya watu wakati wa CT scans -kosa angalau kwa sehemu kutokana na ufuatiliaji duni wa kipimo cha mionzi.

Uwezo wa X-rays kupenya suala hutegemea wiani, na hivyo picha ya X-ray inaweza kufunua maelezo ya kina ya wiani. Kielelezo$\PageIndex{12}$ kinaonyesha mfano wa aina rahisi ya picha ya X-ray, kivuli cha X-ray kwenye filamu. Kiasi cha habari katika picha rahisi ya X-ray ni ya kushangaza, lakini mbinu za kisasa zaidi, kama vile CT scans, zinaweza kufunua habari tatu-dimensional na maelezo ndogo kuliko millimeter.

Kielelezo$\PageIndex{12}$: Picha hii ya X-ray ya kivuli inaonyesha vipengele vingi vya kuvutia, kama vile valves za moyo bandia, pacemaker, na waya zilizotumiwa kufunga sternum. (mikopo: P. P. Urone)

Matumizi ya teknolojia ya eksirei katika dawa huitwa radiolojia — chombo kilichoanzishwa na cha bei nafuu kwa kulinganisha na teknolojia za kisasa zaidi. Kwa hiyo, X-rays zinapatikana sana na hutumiwa sana katika uchunguzi wa matibabu. Wakati wa Vita Kuu ya Dunia, vitengo vya X-ray vya simu, vilivyotetewa na Madame Marie Curie, vilitumiwa kutambua askari.

Kwa sababu zinaweza kuwa na wavelengths chini ya 0.01 nm, eksirei zinaweza kutawanyika (mchakato unaoitwa diffraction ya eksirei) ili kuchunguza umbo la molekuli na muundo wa fuwele. X-ray diffraction ilikuwa muhimu kwa Crick, Watson, na Wilkins katika uamuzi wa sura ya molekuli mbili-helix DNA.

X-rays pia hutumiwa kama chombo sahihi cha uchambuzi wa chuma katika X-ray ikiwa fluorescence, ambapo nishati ya uzalishaji wa X-ray ni kuhusiana na aina maalum ya vipengele na kiasi cha vifaa vya sasa.

Gamma Rays

Muda mfupi baada ya mionzi ya nyuklia iligunduliwa mara ya kwanza mwaka 1896, ilibainika kuwa angalau aina tatu tofauti za mionzi zilikuwa zimetolewa. Mionzi ya nyuklia inayoingilia zaidi iliitwa gamma$\gamma$ ray (ray) (tena jina lililopewa kwa sababu utambulisho na tabia zake hazikujulikana), na baadaye liligunduliwa kuwa wimbi la sumakuumeme la juu sana.

Kwa kweli,$\gamma$ mionzi ni mionzi yoyote ya umeme iliyotolewa na kiini. Hii inaweza kuwa kutokana na kuoza asili nyuklia au ikiwa michakato ya nyuklia katika mitambo ya nyuklia na silaha Mwisho wa chini wa aina ya mzunguko wa $\gamma$-ray huingilia mwisho wa upeo wa X-ray, lakini$\gamma$ mionzi inaweza kuwa na mzunguko wa juu wa mionzi yoyote ya umeme.

Mionzi ya Gamma ina sifa zinazofanana na eksirei za mzunguko huo — zinatofautiana tu katika chanzo. Katika mzunguko wa juu,$\gamma$ mionzi hupenya zaidi na huharibu zaidi tishu zilizo hai. Wana matumizi mengi sawa na X-rays, ikiwa ni pamoja na tiba ya kansa. Mionzi ya Gamma kutoka vifaa vya mionzi hutumiwa katika dawa za nyuklia.

Kielelezo 13 kinaonyesha picha ya matibabu kulingana na$\gamma$ mionzi. Uharibifu wa chakula unaweza kuzuiwa sana kwa kuifunua kwa kiasi kikubwa cha$\gamma$ mionzi, na hivyo kuharibu microorganisms zinazohusika. Uharibifu wa seli za chakula kwa njia ya mnururisho hutokea pia, na hatari za muda mrefu za kuteketeza chakula kilichohifadhiwa na mionzi haijulikani na utata kwa baadhi ya vikundi. Teknolojia zote za X-ray na $\gamma$-ray pia hutumiwa katika skanning mizigo kwenye viwanja vya ndege.

Kielelezo$\PageIndex{13}$: Hii ni picha ya$\gamma$ mionzi iliyotolewa na nuclei katika kiwanja ambacho kinajilimbikizia mifupa na kuondolewa kupitia figo. Saratani ya mifupa inathibitishwa na ukolezi usio na kawaida katika miundo sawa. Kwa mfano, baadhi ya mbavu ni nyeusi kuliko wengine. (mikopo: P. P. Urone)

Kuchunguza Mawimbi ya umeme kutoka nafasi

Note ya mwisho juu ya nyota kutazama. Wigo wote wa umeme hutumiwa na watafiti kwa kuchunguza nyota, nafasi, na wakati. Kama ilivyoelezwa hapo awali, Penzias na Wilson waligundua microwaves kutambua mionzi background inayotokana na Big Bang. Darubini za redio kama vile darubini ya Radio ya Arecibo huko Puerto Rico na Parkes Observatory huko Australia ziliundwa kuchunguza mawimbi ya redio

Darubini za infrared zinahitaji kuwa na detectors zao kilichopozwa na nitrojeni kioevu ili waweze kukusanya ishara muhimu. Kwa kuwa mionzi ya infrared inatokana na uchochezi wa joto, ikiwa detectors hazikupozwa, vibrations ya molekuli katika antenna itakuwa na nguvu zaidi kuliko ishara iliyokusanywa.

Maarufu zaidi kati ya darubini hizi nyeti za infrared ni darubini ya James Clerk Maxwell huko Hawaii. Darubini za mwanzo, zilizotengenezwa katika karne ya kumi na saba, zilikuwa darubini za macho, kukusanya mwanga unaoonekana. Telescopes katika mikoa ya ultraviolet,$\gamma$ X-ray, na -ray huwekwa nje ya anga kwenye satelaiti zinazozunguka Dunia.

Darubini ya Hubble Space (ilizinduliwa mwaka 1990) hukusanya mionzi ya ultraviolet pamoja na mwanga unaoonekana. Katika eneo la X-ray, kuna Chandra X-ray Observatory (ilizinduliwa mwaka 1999), na katika eneo$\gamma$ -ray, kuna darubini mpya ya Fermi Gamma-ray Space (ilizinduliwa mwaka 2008—kuchukua nafasi ya Compton Gamma Ray Observatory, 1991—2000.).

PHET EXPLORATIONS: RANGI MAONO

Fanya upinde wa mvua mzima kwa kuchanganya mwanga nyekundu, kijani, na bluu. Badilisha wavelength ya boriti monochromatic au chujio nyeupe mwanga. Tazama mwanga kama boriti imara, au uone photons ya mtu binafsi.

Muhtasari

• Uhusiano kati ya kasi ya uenezi, wavelength, na mzunguko kwa wimbi lolote hutolewa na$v_{w} = f \lambda$, ili kwa mawimbi ya umeme, $$c = f \lambda, \nonumber$$ $f$ wapi mzunguko,$\lambda$ ni wavelength, na$c$ ni kasi ya mwanga.
• Wigo wa umeme hutenganishwa katika makundi mengi na makundi, kulingana na mzunguko na wavelength, chanzo, na matumizi ya mawimbi ya sumakuumeme.
• Wimbi lolote la umeme linalozalishwa na mikondo katika waya linawekwa kama wimbi la redio, mawimbi ya chini ya umeme ya mzunguko Mawimbi ya redio yanagawanywa katika aina nyingi, kulingana na maombi yao, kuanzia hadi microwaves kwenye masafa yao ya juu.
• Mionzi ya infrared iko chini ya mwanga inayoonekana katika mzunguko na huzalishwa na mwendo wa mafuta na vibration na mzunguko wa atomi na molekuli. Masafa ya chini ya infrared yanaingiliana na microwaves ya juu-frequenc
• Mwanga unaoonekana kwa kiasi kikubwa huzalishwa na mabadiliko ya elektroniki katika atomi na molekuli, na hufafanuliwa kama kuwa detectable na jicho la binadamu. Rangi yake inatofautiana na mzunguko, kutoka nyekundu hadi chini hadi violet juu.
• Mionzi ya ultraviolet huanza na mzunguko tu juu ya violet katika aina inayoonekana na huzalishwa hasa na mabadiliko ya elektroniki katika atomi na molekuli.
• X-rays huundwa katika kuruhusiwa kwa high-voltage na kwa bombardment ya elektroni ya malengo ya chuma. Mifumo yao ya chini kabisa huingilia upeo wa ultraviolet lakini hupanua kwa maadili ya juu sana, yanayoingiliana mwishoni mwa juu na mionzi ya gamma.
• Mionzi ya Gamma ni asili ya nyuklia na hufafanuliwa kuwa ni pamoja na mionzi ya umeme ya juu-frequency ya aina yoyote.

faharasa

wigo wa umeme

mbalimbali kamili ya wavelengths au frequency ya mionzi ya umeme

wimbi la redio

mawimbi ya umeme na wavelengths kati ya 1 mm hadi kilomita 100; huzalishwa na mikondo katika waya na nyaya na kwa matukio ya astronomical

mikrowevu

mawimbi ya umeme na wavelengths katika aina mbalimbali kutoka 1 mm hadi 1 m; zinaweza kuzalishwa na mikondo katika nyaya za macroscopic na vifaa

fadhaa ya joto

mwendo wa mafuta ya atomi na molekuli katika kitu chochote kwenye joto la juu ya sifuri kabisa, ambayo huwafanya waondoe na kunyonya mionzi

rada

matumizi ya kawaida ya microwaves. Radar inaweza kuamua umbali wa vitu kama tofauti kama mawingu na ndege, na pia kuamua kasi ya gari au ukubwa wa dhoruba ya mvua

mionzi ya infrared (IR)

eneo la wigo wa umeme na aina ya mzunguko ambayo inatoka chini ya kanda nyekundu ya wigo wa mwanga unaoonekana hadi eneo la microwave, au kutoka$0.74μm$$300μm$

mionzi ultraviolet (UV

mionzi ya umeme katika upeo unaoenea zaidi katika mzunguko kutoka kwa mwanga wa violet na kuingiliana na frequency ya chini kabisa ya X-ray, na wavelengths kutoka 400 nm hadi 10 nm

mwanga unaoonekana

sehemu nyembamba ya wigo wa umeme ambayo jicho la kawaida la binadamu hujibu

ukubwa wa amplitude (AM)

njia ya kuweka habari juu ya mawimbi ya umeme kwa kuimarisha amplitude ya wimbi la carrier na ishara ya sauti, na kusababisha wimbi la mzunguko wa mara kwa mara lakini amplitude tofauti

chini sana frequency (ELF)

mionzi ya umeme na wavelengths kawaida katika kiwango cha 0 hadi 300 Hz, lakini pia kuhusu 1kHz

carrier wimbi

wimbi la umeme linalobeba ishara kwa ubadilikaji wa amplitude yake au mzunguko

mzunguko wa mzunguko (FM)

njia ya kuweka habari juu ya mawimbi ya umeme kwa kuimarisha mzunguko wa wimbi la carrier na ishara ya sauti, kuzalisha wimbi la amplitude mara kwa mara lakini mzunguko tofauti

TV

video na ishara za sauti zinazotangaza kwenye mawimbi ya umeme

mzunguko wa juu sana (VHF)

Vituo vya televisheni vinavyotumia masafa katika safu mbili za 54 hadi 88 MHz na 174 hadi 222 MHz

frequency ultra-high (UHF)

Vituo vya televisheni katika kiwango cha juu zaidi kuliko VHF, ya 470 hadi 1000 MHz

X-ray

asiyeonekana, hupenya aina ya mionzi ya umeme ya juu sana, inayoingiliana na aina ya ultraviolet na aina ya$γ$ -ray

gamma ray

($γ$ray); high sana frequency umeme mionzi lilio na kiini cha atomi, ama kutoka kuoza asili nyuklia au ikiwa michakato ya nyuklia katika mitambo ya nyuklia na silaha. Mwisho wa chini wa kiwango cha mzunguko wa$γ$ -ray huingilia mwisho wa upeo wa X-ray, lakini$γ$ mionzi inaweza kuwa na mzunguko wa juu wa mionzi yoyote ya umeme