คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและช่วงคลื่นต่าง ๆ

เครื่องรับวิทยุรับสัญญาณผ่านผนัง ดวงตามองเห็นหลอดไฟ และเครื่องเอกซเรย์แสดงโครงสร้างภายในวัตถุ เหตุใดการใช้งานที่ต่างกันเหล่านี้จึงอาศัยคลื่นที่มีธรรมชาติเดียวกัน

เสียงถ่ายทอดการเคลื่อนที่ผ่านสสาร แต่แสงอาทิตย์เดินทางข้ามอวกาศที่แทบว่างเปล่า สิ่งที่แผ่ออกไปคือการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สัมพันธ์กัน เรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นนี้ขนส่งพลังงานโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง แหล่งกำเนิดอาจเป็นประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง เช่น กระแสที่สั่นในสายอากาศ การมีสนามรอบประจุที่อยู่นิ่งเพียงอย่างเดียวไม่ได้หมายความว่ามีคลื่นแผ่ออกไป

คลื่นนี้เป็นคลื่นตามขวางอย่างไร ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบในสุญญากาศ สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกัน และทั้งคู่ตั้งฉากกับทิศการแผ่คลื่น เส้นรูปไซน์แสดงค่าสนาม ณ ตำแหน่งหรือเวลาต่าง ๆ ไม่ใช่เส้นทางที่อนุภาคเคลื่อนขึ้นลง ในอวกาศว่างเปล่าไม่มีเชือก แต่สนามที่วัดได้เปลี่ยนแปลงและออกแรงต่อประจุในเครื่องรับได้

ในสุญญากาศ คลื่นวิทยุ แสงที่มองเห็น และช่วงคลื่นอื่นทั้งหมดมีอัตราเร็วเดียวกัน c ≈ 3·10⁸ м/с ดังนั้น c = λν เมื่อความถี่ในหน่วยเฮิรตซ์เพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นจะลดลง การเพิ่ม ν เป็นสองเท่าทำให้ λ เหลือครึ่งหนึ่ง แต่อัตราเร็วไม่เปลี่ยน ในสสาร อัตราเร็วและการดูดกลืนขึ้นกับตัวกลางและความถี่ เงื่อนไขว่า ‘ในสุญญากาศ’ ทำให้เปรียบเทียบทั้งสเปกตรัมด้วยค่าคงตัว c เดียวกันได้

เมื่อไล่ไปทางความถี่สูงขึ้น จะพบคลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด แสงที่มองเห็น อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา ทั้งหมดเป็นช่วงต่าง ๆ บนมาตราส่วนเดียว ไม่ใช่สสารเจ็ดชนิด ขอบเขตเป็นข้อตกลง โดยมักนับไมโครเวฟรวมอยู่ในช่วงวิทยุ รังสีเอกซ์และแกมมาอาจมีพลังงานทับซ้อนกัน จึงแยกแยะจากแหล่งกำเนิดด้วย ธรรมชาติจึงไม่มีขอบเขตตายตัวชุดเดียวที่แบ่งทุกช่วงออกจากกันอย่างเด็ดขาด

สายอากาศสร้างและรับคลื่นวิทยุกับไมโครเวฟเพื่อการสื่อสาร ส่วนเรดาร์ใช้การสะท้อนของสัญญาณ รังสีอินฟราเรดมีส่วนในการถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุร้อน และการวัดรังสีนี้ช่วยประมาณอุณหภูมิพื้นผิวได้ ดวงตารับรู้ช่วงแสงที่มองเห็น การใช้งานขึ้นกับวิธีปล่อยคลื่น การเดินทางผ่านตัวกลาง และการตรวจจับ สัญญาณที่ตาไม่เห็นอาจตรวจจับได้ดีด้วยเครื่องมือที่เหมาะสม

ที่ความถี่สูง ปฏิสัมพันธ์กับสสารรูปแบบอื่นเห็นได้ชัดขึ้น อัลตราไวโอเลตทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีด้วยแสงได้ เนื้อเยื่อและวัสดุต่างชนิดลดทอนรังสีเอกซ์ไม่เท่ากัน จึงเกิดภาพที่มีความเข้มต่างกันบนตัวรับและแสดงรายละเอียดภายใน โฟตอนแกมมาเกิดได้ เช่น เมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนสถานะพลังงาน ผลที่ต่างกันเหล่านี้ไม่ได้เปลี่ยนธรรมชาติแม่เหล็กไฟฟ้าที่คลื่นมีร่วมกัน

หากเพิ่มกำลังเครื่องส่งวิทยุโดยคงความถี่เดิม เครื่องอาจส่งพลังงานได้มากขึ้น แต่คลื่นวิทยุไม่กลายเป็นรังสีเอกซ์ ความถี่กำหนดจังหวะการสั่นของสนาม ส่วนความเข้มคือพลังงานที่ผ่านหนึ่งหน่วยพื้นที่ต่อหนึ่งหน่วยเวลา ผลต่อสสารขึ้นกับทั้งสองปริมาณ ต่อไปจะเห็นอีกความแตกต่างหนึ่ง คือความถี่กำหนดพลังงานของโฟตอนหนึ่งตัว แต่การเพิ่มความเข้มไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนความถี่

เหตุใดจึงประเมินผลของรังสีจากการมองเห็นเพียงอย่างเดียวไม่ได้ รังสีก่อไอออนสามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมและเปลี่ยนแปลงโมเลกุล ผลที่เกิดขึ้นขึ้นกับชนิดรังสี ปริมาณรังสีที่ได้รับ และเงื่อนไขต่าง ๆ แต่การไม่เกิดไอออนไม่ได้แปลว่าจะไม่มีความเสียหายใดเลย รังสีไม่ก่อไอออนที่มีความเข้มสูงพออาจทำให้สสารร้อนมากได้ สิ่งสำคัญคือวิธีถ่ายโอนพลังงานสู่เนื้อเยื่อ ไม่ใช่เพียงชื่อช่วงคลื่น

การควบคุมการได้รับรังสีต้องคำนึงถึงกลไกของผลที่เกิดขึ้น สำหรับอัลตราไวโอเลตต้องป้องกันผิวหนังและดวงตา ส่วนการใช้รังสีเอกซ์ต้องมีเหตุผลรองรับและควบคุมปริมาณรังสี สำหรับแหล่งรังสีก่อไอออนภายนอก การลดเวลา เพิ่มระยะห่าง และใช้วัสดุกำบังที่เหมาะสมอาจลดปริมาณรังสีที่ได้รับได้ วัสดุกำบังต้องเลือกตามชนิดและพลังงานรังสี จึงไม่มีวัสดุเดียวที่ใช้ได้ทุกเงื่อนไข หลักเหล่านี้เป็นหลักการควบคุมทางฟิสิกส์ ไม่ใช่การประเมินปริมาณรังสีจากเวลาเพียงอย่างเดียว

เครื่องส่งทำงานที่ความถี่ 100 เมกะเฮิรตซ์ จงประมาณความยาวคลื่นในอากาศ โดยถือว่าอัตราเร็วเท่ากับ 3·10⁸ เมตรต่อวินาที

แปลงความถี่เป็นเฮิรตซ์ก่อน: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц ตามค่าประมาณที่โจทย์กำหนด อัตราเร็วในอากาศคือ c = 3·10⁸ м/с

จาก c = λν ได้ λ = c/ν = 3·10⁸/10⁸ = 3 м

ในหนึ่งคาบ T = 1/ν = 10⁻⁸ с คลื่นเดินทาง 3 เมตร ความยาวคลื่นระดับเมตรนี้สอดคล้องกับความถี่ที่ต่ำกว่าแสงที่มองเห็นมาก

ความยาวคลื่นประมาณ 3 เมตร ซึ่งเป็นระยะที่รูปแบบคลื่นเลื่อนไปในหนึ่งคาบของเครื่องส่ง

ทุกช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือสนามที่แผ่ออกไป โดยไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง

ทุกช่วงมีอัตราเร็วในสุญญากาศเท่ากัน ส่วนความถี่และความยาวคลื่นแปรผกผันกัน: c = λν

ความถี่และความเข้มมีผลต่อปฏิสัมพันธ์คนละด้าน การเลือกใช้งานและการป้องกันจึงอาศัยความเข้าใจปฏิสัมพันธ์กับสสาร

สเปกตรัมและการแผ่รังสีจะช่วยให้เข้าใจโครงสร้างภายในอะตอม