Mums visapkārt pastāv dažādu veidu starojumi, tos var iedalīt gan pēc viļņu garumiem, frekvencēm, izcelsmes avota vai, piemēram, pēc koherences īpašībām. Jau sadaļā par interferenci tika apskatīti koherenti viļņi. Lai viļņi būtu koherenti, jāizpildās šādiem nosacījumiem:
1) viļņu svārstību frekvencēm ir jāsakrīt;
2) viļņu svārstību fāzei ir jābūt nemainīgai;
3) viļņos ir jāsakrīt elektriskā lauka svārstību virzienam telpā.
Piemēram, elektriskās spuldzītes starojums nav koherents, jo atomi izstaro EM viļņus haotiski visos virzienos (1. att. a). Koherentā starojuma avots ir lāzers (1. att.). Tā koherento īpašību dēļ lāzera starojums radīja revolūciju fizikā drīz vien pēc lāzera izgudrošanas, jo līdz tam bija ļoti grūti iegūt lielas jaudas koherentu starojumu.
Aplūko DZM materiālu par lāzera starojumu!
1.att. Nekoherents spuldzes un koherents lāzera starojums
Ik dienu mēs faktiski saskaramies tikai ar nekoherentu starojumu, jo tādu izstaro visi uzsildīti ķermeņi (2. att. a), arī cilvēks. Sadaļās par siltumapmaiņas veidiem un EM viļņiem un svārstībām jau tika pieminēts ķermeņu siltumstarojums, kas ir EM starojums, ko izstaro visi ķermeņi, kuru temperatūra ir virs absolūtās nulles, tātad – visi ķermeņi. Siltumstarojuma spektrs ir nepārtraukts, un tas ir atkarīgs no ķermeņa temperatūras: jo tā ir augstāka, jo pieaug starojuma kvanta enerģija (2. att. b). Ķermenis izstaro siltumstarojumu ar jaudu P, kuru var aprēķināt pēc izteiksmes P = σεT4S, kur
σ – Stefana-Bolcmana konstante, W : (m2 · K4);
ε – emisijas koeficients;
T – starojošā ķermeņa temperatūra, K;
S – starojošā ķermeņa virsmas laukums, m2.
Izmēģini simulāciju par melna ķermeņa starojumu!
2.att. Siltumstarojums
Lai siltumstarojuma ietekmē ķermenis spīdētu redzamā EM starojuma diapazonā (redzamā gaisma), ķermenim ir jābūt uzkarsētam līdz augstai temperatūrai. Tādēļ, piemēram, ja kādu metālu silda zem liesmas, vienā brīdī tas sāk spīdēt (2. att. a). Līdzās siltumstarojumam pastāv arī tāds starojums, kas nerodas siltuma enerģijas ietekmē. Tāds ir luminiscentais starojums, ko izraisa ar ķermeņa temperatūru nesaistīti faktori, piemēram, ķermeņa elektrizēšana vai gaismas uzspīdināšana. Luminiscentā starojuma īpašības izmanto tehnoloģiskos risinājumos, kad nepieciešams kādu lietu saskatīt arī pēc gaismas nodzēšanas, piemēram, tālvadības pultīs. Kamēr spīd gaisma, pults taustiņi uzņem gaismas enerģiju (3. att. a), bet, kad gaisma tiek izslēgta, taustiņi kādu laiku vēl spīd, izmantojot no gaismas uzkrāto enerģiju. Pēc spīdēšanas ilguma luminiscento starojumu iedala divās grupās:
1) fluorescence (pēcspīdēšanas ilgums ap 10-8sekundes);
2) fosforescence (pēcspīdēšanas ilgums vairākas minūtes un pat stundas).
3.att. Luminiscentais starojums
Medicīnas diagnostikā plaši tiek lietots rentgenstrojums, kas ir EM starojums ar viļņa garumu no 10-9 līdz 10-14 m. Šo starojumu atklāja nejauši, un uzreiz tika ievērots, ka tam ir spēja izspiesties cauri papīram, apģērbam un ādai (4. att.). Rentgenstarojuma dabīgie avoti ir zvaigznes, tai skaitā Saule, kā arī citi Visuma objekti, bet uz Zemes šis starojums ir jārada mākslīgi. Rentgenstarojumu iegūst no paātrinātiem elektroniem, kas triecienu rezultātā pret kādu virsmu nobremzējas un izstaro rentgenstaru kvantus (4. att.). Organisma mīkstie audi rentgenstarojumam ir caurspīdīgāki nekā kauli, tādēļ ar rentgenstaru palīdzību ir iespējams uzņemt organisma kaulu struktūras attēlus (4. att.).
4.att. Rentgenstarojums
Sadaļā par enerģijas emisiju un absorbciju atomā apskatījām divu līmeņu sistēmu, kurā var ierosināt inducēto starojumu, kas ir lāzera darbības pamatā. Tomēr, lai ierosinātu inducēto starojumu, ir jābūt situācijai, kad līmenis ar augstāku enerģiju ir vairāk apdzīvots nekā apakšējais līmenis. Līmeņu apdzīvotību nosaka tas, cik elektronu uz doto brīdi atrodas līmenī. Jo vairāk elektronu, jo lielāka apdzīvotība. Divu līmeņu apdzīvotībai piemīt dabiska īpašība, ka enerģijas līmeņi ar augstāku enerģiju ir mazāk apdzīvoti nekā līmeņi ar zemāku enerģiju. Pieaugot sistēmas temperatūrai, augšējie līmeņi kļūst arvien apdzīvotāki, bet tik un tā lielāka apdzīvotība paliek zemākos līmeņos (1. att. a). Tādēļ, lai iegūtu nepieciešamo apdzīvotību, jālieto vismaz trīs enerģijas līmeņi (1. att. b). Līmenis ar enerģiju E2 tiek piepildīts caur līmeni E3, nevis tieši no līmeņa E1, tādēļ ir iespējama situācija, ka līmenis E2ir vairāk apdzīvots nekā līmenis E1 (1. att. b).
1.att. Līmeņu apdzīvotība un trīs enerģijas līmeņu sistēma lāzera starojuma iegūšanai
Lāzera darbības pamatā ir vēl viens svarīgs process – inducētā starojuma uzkrāšana. Ja inducētais starojums vienreiz iziet cauri aktīvajai videi, kurā veidojas inducētā kvantu lavīna, tad rezultējošais starojums vēl nav pietiekoši intensīvs un to vajadzētu kaut kādā veidā uzkrāt. Tādēļ tiek lietots rezonators, kas, piemēram, var sastāvēt no diviem spoguļiem. Viens spogulis ir pilnībā necaurspīdīgs, bet otrs spogulis starojumu daļēji laiž cauri (2. att.). Šajā rezonatorā inducētais starojums virzās turp un atpakaļ, tādā veidā arvien pastiprinoties. Kad starojums ir sasniedzis noteiktu intensitātes slieksni, tas pa puscaurlaidīgo spoguli tiek laukā (2. att.). Laukā tikušais starojums ir lāzera starojums.
2.att. Lāzera starojuma kvantu lavīnas veidošanās
Lāzerim ir trīs galvenās sastāvdaļas (3. att.):
1) enerģijas avots;
2) aktīvā vide;
3) rezonators.
Iepriekš jau ir apskatītas divas no šīm daļām, kas ir aktīvā vide, kurā veidojas inducētais starojums, un rezonators, kurā noris inducētā starojuma pastiprināšana. Vēl tam visam ir vajadzīgs enerģijas avots, jo enerģija nerodas no nekā. 3. attēlā ir apskatīts viena lāzera piemērs, tas ir rubīna kristāla lāzers. Šajā lāzerī kā aktīvā vide tiek izmantots rubīna lāzers, bet rezonators ir veidots no diviem spoguļiem. Enerģijas avots ir gāizlādes caurule (3. att.)
3.att. Lāzera uzbūve
Luminiscences starojumu iedala pēc tā ierosināšanas veida. Ja luminiscenci var ierosināt ar redzamo vai UV starojumu, tad tā ir fotoluminiscence (4. att.). Ar fotoluminiscenci var sastapties, izmantojot luminiscentās krāsas un audumus. Fotoluminiscence noris arī luminiscentajās spuldzēs (4. att. b). Šī spuldze ir noklāta ar speciālu luminiscējošu vielu – luminoforu, no kura var iegūt luminiscento starojumu.
4.att. Fotoluminiscences piemēri
Ja luminiscenci izraisa elektronu triecieni, tad to sauc par katodluminiscenci. Šo luminiscences veidu izmanto elektronu staru lampas ekrānos, kādi ir, piemēram, oscilogrāfiem (5. att.).
5.att. Katodluminiscences piemērs
Luminiscenci var izraisīt arī enerģija, kas rodas ķīmiskās reakcijās. To sauc par hemiluminiscenci. Šo luminiscences veidu var novērot dažādās ķīmiskajās reakcijās, kurās izdalās siltums (6. att. a). Hemiluminiscence sastopama arī dažos dabiski notiekošos ķīmiskos procesos, piemēram, mitrumā trūdošai koksnei var novērot vieglu spīdēšanu. Hemioluminiscenci lieto gaismas avotos (6. att. b). Jāteic gan, ka šādu gaismas avotu efektivitāte ir zema.
6.att. Hemiluminiscences piemēri
Ķīmiskās reakcijas noris arī dzīvos organismos. Ja spīdēšana rodas oksidēšanās un reducēšanās reakciju rezultātā dzīvos organismos, tad to sauc par bioluminiscenci. Vasaras naktīs var novērot jāņtārpiņu spīdēšanu, kas ir bioluminiscences piemērs (7. att.).
7.att. Bioluminiscence
Luminiscences parādību var novērot arī ikdienā pierastiem produktiem, piemēram, ja toniku apskata redzamajā gaismā, tas izskatās pēc dzēriena, kas ļoti līdzīgs ūdenim (8. att. a). Bet, tiklīdz toniku apgaismo ar UV starojumu, tā parādās optiskā atšķirība starp ūdeni un toniku, jo tonikā ir novērojama luminiscence (8. att. b).
8.att. Tonika luminiscence
Dažādiem siltuma avotiem ir atšķirīgs virsmas laukums, caur kuru šīs ķermenis izstaro, tādēļ, lai salīdzinātu dažādu ķermeņus kā siltumstarojuma avotus, ir vērtīgi zināt ne tikai starojuma jaudu, ko ķermenis izdala, bet arī to, cik liela starojuma jauda ir uz noteiktu ķermeņa virsmas laukumu. Tādēļ lieto starojuma jaudas blīvumu I = P : S (1. att.), kur
P – siltumstarojuma jauda, W
S – laukums, m2
Ņemot vērā siltumstarojumu jaudas P aprēķina formulu, starojuma jaudas blīvumu var izteikt kā I = σεT4, kur
σ – Stefana-Bolcmana konstante, W : (m2 · K4);
ε – emisijas koeficients;
T – starojošā ķermeņa temperatūra, K.
1.att. Starojuma jaudas blīvums
Salīdzinot Saules un apkures radiatora siltumstarojumu (2. att.), redzams, ka līdz 60 oC uzsildīta radiatora jaudas blīvums ir ap 1 W :m2, bet Saulei, kuras virsmas temperatūra ir 100 reizes augstākā, jaudas blīvums ir 100 miljonu reižu lielāks: I = 108W :m2. Tas pierāda temperatūras lielo nozīmi siltumstarojuma instensitātes noteikšanā.
2.att. Saule un apkures radiators kā siltumstarojuma avoti
Starojuma jaudas blīvuma izteiksmē atrodas koeficients ε, ko sauc par emisijas koeficientu. Ja divas virsmas ir ar vienādu temperatūru, tas nenozīmē, ka to starojuma jaudas blīvumi ir vienādi. Visefektīvākais starotājs ir absolūti melns ķermenis, kam ε = 1. Visefektīvākais starotājs vienlaikus ir arī efektīvākais absorbētājs, jo ķermeņi katru brīdi atrodas nepārtrauktā enerģijas apmaiņā ar apkārtējo vidi. Notiek gan enerģijas uzņemšana (absorbcija), gan enerģijas izstarošana (emisija). Ja šie abi procesi ir līdzsvarā, tad cik lielu daudzumu enerģijas ķermenis katru brīdi izstaro, tik lielu daudzumu tas arī absorbē. Tādēļ labi absorbētāji ir arī labi starotāji. Reāliem starotājiem ε ir mazāks par vienu, jo ne visu uzņemto enerģiju ķermenis izstaro. Dažādu vielu emisijas koeficienti apskatāmi 3. attēlā.
3.att. Emisijas koeficienti dažādām vielām
Rentgenstarojuma spektrs, kas rodas rentgenstaru lampās, sastāv no divām būtiskām daļām. Spektra pamatā ir nepārtrauktā spektra daļa, bet uz tā fona manāms arī līnijspektrs (4. att. a). Šīs abas spektra daļas rodas atšķirīgos fizikālos procesos. Līnijspektrs, līdzīgi kā atomu gāzes līnijspektrs, rodas pārejās starp dažādiem enerģijas līmeņiem materiālam, no kā veidota elektronu bombardētā virsma (4. att. b). Nepārtrauktā spektra daļa veidojas no starojuma, ko izdala nobremzētie elektroni (4. att. c).
4.att. Rentgenstarojuma spektrs
Rentgenstaru spektrā redzams (4. att. a), ka starojums parādās, tikai sākot ar viļņu garumu λmin. Mazāks viļņa garuma starojums rentgenlampās neveidojas. λmin lielumu nosaka potenciālu starpība starp rentgenlampā esošajiem katodu un anodu (5. att.). Rentgenstaru lampā tiek uzkarsēts katods, līdz ar to notiek termoelektronu emisija no katoda. Starp katodu un anodu ir spriegums U, kurā elektroni paātrinās. Sadaļā par elektriskā lauka potenciālu tika noskaidrots, ka elektriskā lauka padarītais darbs A = qU, kur
q – pārvietotais lādiņš, C;
U – potenciālu starpība, V.
Rentgenstaru lampā elektriskais lauks veic darbu, lai paātrinātu elektronus, līdz ar to viss elektriskā lauka padarītais darbs aiziet elektronu kinētiskās enerģijas palielināšanai. Tādēļ mv2 : 2 = eU, kur
v – elektrona maksimālais ātrums, m/s
e – elektrona lādiņš, C.
Tā kā, triecoties pret anodu, elektrons pilnībā zaudē savu kinētisko enerģiju, lai rastos rentgenstaru kvants, tad elektrona maksimālā enerģija ir vienāda ar rentgenstara kvanta maksimālo enerģiju hνmax, kur
h – Planka konstante, J·s;
νmax– maksimālā starojuma frekvence, Hz.
Pielīdzinot elektrona un rentgenstaru kvanta enerģijas, iegūst hνmax = mv2 : 2. Izmantojot sakarību λν = c, kas saista viļņa garumu λ, starojuma frekvenci ν un gaismas ātrumu c, iegūst izteiksmi minimāla rentgenstarojuma viļņa garuma aprēķināšanai: λmin = hc : (eU).
5.att. Rentgenstarojuma lampa
Kā viens no dabiskajiem rentgenstaru avotiem tika minētas zvaigznes, tomēr Visums ir pilns ar mistiskiem un daudz spēcīgākiem rentgenstaru avotiem. Kā piemēru var minēt interesantu dubultzvaigžņu sistēmu, kurā viena ap otru rotē divu veidu zvaigznes (6. att.). Šo abu zvaigžņu savstarpējā mijiedarbība izpaužas ļoti spēcīgos rentgenstaru uzplaiksnījumos, kurus iespējams reģistrēt arī uz Zemes.
6.att. Dubultzvaigžņu sistēma kā spēcīgs rentgenstaru avots
Luminiscences starojumam ir raksturīga īpašība, ka luminiscences ierosinātāja spektrs nesakrīt ar luminiscences emisijas spektru. Emisijas spektrs ir novirzīts lielāku viļņu garuma virzienā (7. att.). Tas nozīmē, ka luminiscējošs objekts absorbē augstākas enerģijas starojumu, bet atpakaļ staro zemākas enerģijas starojumu. Šī īpašība uzskatāmi parādās tonika luminiscencē (2. soļa 8. att.), kur toniks tiek apgaismots ar UV starojumu, bet luminiscences starojums ir zilā krāsā.
7.att. Luminiscences emisijas un absorbcijas spektrs