קרינה אלקטרומגנטית

ממוזער|450px|תחומי אורכי הגל של קרינה מייננת לעומת קרינה לא מייננת
קרינה אלקטרומגנטית (נקראת גם: קרינה א"מ או קרינה אלמ"ג) היא הפרעה מחזורית, או גל, בשדה החשמלי והמגנטי, המתפשטת במרחב, ולכן נקראת גם גל אלקטרומגנטי. חזית הגל של הקרינה מתקדמת בריק במהירות קבועה, שהיא מהירות האור בריק.

הקרינה האלקטרומגנטית היא דואלית: במצבים מסוימים היא בעלת תכונות של שטף חלקיקים (בעלי תנע, מיקום, כיוון תנועה מוגדר וצפיפות) – ומקובל להתייחס לחלקיקים המרכיבים אותה בתור פוֹטוֹנִים, היחידה הבסיסית של פעולת הגומלין האלקטרומגנטית ונושאי הכוח האלקטרומגנטי; ובמצבים אחרים, היא בעלת תכונות של גל (התאבכות, עקיפה, רציפות) שלו ניתן לייחס אורך גל, תדירות ועוצמה. בשני התיאורים לעיל, הקרינה האלקטרומגנטית נושאת אנרגיה ועשויה להעביר אותה לחומר עמו היא באה במגע – למשל, לחמם חומר או לעורר אלקטרונים.

הגלים האלקטרומגנטיים אחראיים גם על תהודת שומאן, תופעה בה נוצרת תהודה של גלים אלקטרומגנטיים בין היונוספירה לבין קרקע כדור הארץ, כתוצאה מפריקת ברק במקום כלשהו על פני כדור הארץ.

 היסטוריה 

הראשון שתיאר את קיומם של גלים אלקטרומגנטיים היה הפיזיקאי היהודי-גרמני היינריך הרץ (1857–1894), ועל שמו נקראת עד היום יחידת המידה של התדירות – הרץ.

במאה ה-19 ניסח הפיזיקאי הבריטי ג'יימס קלרק מקסוול תאוריה העוסקת בגלים אלקטרומגנטיים (אם כי התייחסותו אז הייתה רק לאור שהיה מוכר בזמנו) שבמרכזה משוואות מקסוול, ולפיה האור מורכב מגלים. מאידך, בתחילת המאה ה-20 פרסם אלברט איינשטיין הסבר ראשון של האפקט הפוטואלקטרי, ולפיו מורכב האור מחלקיקים המכונים פוטונים, שלכל אחד מהם אנרגיה קבועה ביחס ישר לתדירות האור. מכאן שכאשר התדירות עולה (ואורך הגל מתקצר) – האנרגיה של כל פוטון עולה. הסבר זה נתפס כסותר את התפיסה שהאור הוא גל. כמה שנים מאוחר יותר "פישרה" תורת הקוונטים בין איינשטיין למקסוול וקבעה את עקרון הדואליות גל-חלקיק (השניוּת) של האור, שלפיו ניתן לתאר את הקרינה האלקטרומגנטית (ובהרחבה, גם חלקיקי חומר) הן כחלקיקים והן כגלים; אך כל אחד מתיאורים אלה נותן הסבר רק לחלק מהתופעות.

ניתוח
ממוזער|250px|היחס בין אורכי הגל של שלושה גלים אלקטרומגנטים שונים של אור נראה (אדום, ירוק וכחול), כאשר סקאלת המדידה היא במיקרומטרים לאורך ציר ה-x
גל שתדירותו הרץ אחד משלים מחזור אחד בשנייה, כלומר זמן המחזור שלו הוא שנייה אחת. כיוון שחזית הגל האלקטרומגנטי מתקדמת בריק במהירות של כ-300,000 ק"מ בשנייה (מהירות האור בריק), הרי שאורך מחזור שלם של גל בתדירות זו הוא בקירוב 300,000 ק"מ.

תדרי הגלים האלקטרומגנטיים בהם נעשים שימושים טכנולוגיים נמדדים ביחידות של קילו-הרץ (1,000 הרץ), מגה-הרץ (1,000,000 הרץ) וגיגה-הרץ (1,000,000,000 הרץ), ואורכם נע בין קילומטרים למילימטרים. בטבע קיימים גלים גם בתדרים גבוהים בהרבה, ונהוג להתייחס לאורך הגל שלהם (הנמדד בננומטרים) ולא לתדירותם.

קרינה אלקטרומגנטית בתווך

קרינה אלקטרומגנטית יכולה להתפשט בתווך (חומר שהוא שקוף בתדירויות מסוימות), או בריק (שמאפשר מעבר של כל תדירות שהיא). התנהגות הקרינה בזמן ובמרחב מתוארת באמצעות משוואות הגלים, שבתורן נובעות ממשוואות מקסוול. המשוואות מתארות את ההתקדמות של הגל בתלות בתכונות התווך, כולל תופעות הבליעה והפיזור. בשפה בין שני חומרים המשוואות מתארות גם שבירה והחזרה מהמשטח באמצעות תנאי שפה מתאימים.

 הספקטרום האלקטרומגנטי 

ממוזער|250px|הספקטרום האלקטרומגנטי
תכונות הקרינה האלקטרומגנטית תלויות במידה רבה באורך הגל של הקרינה, או בתדירות הקרינה, שנמצאת ביחס הופכי לאורך הגל לפי הנוסחה: , כאשר  היא המהירות האופיינית לתווך,  היא התדירות (או תדר) ו- היא אורך הגל.

נהוג לחלק את הספקטרום האלקטרומגנטי בחלוקה גסה, המפרידה בין סוגי קרינה בעלי תכונות שונות. אורך הגל הוא גודל רציף, ולכן החלוקה לסוגים שונים של גלים היא גסה, והגבולות בין הסוגים השונים הם שרירותיים.

קרינה בתדרים נמוכים (קרינה בלתי מייננת)
הקרינה בעלת אורכי הגל הארוכים ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי (והתדר הנמוך ביותר) נקראת גלי רדיו. גלים אלה, שאורכם יכול להגיע מעשרות סנטימטרים עד קילומטרים רבים, משמשים את האדם רבות בתעשיות התקשורת הרבות בעולם המודרני, בעיקר בתקשורת למרחקים גדולים, כגון רדיו וטלוויזיה. גלי המיקרו, הקצרים מהם רק במעט, משמשים אף הם לתקשורת, בטווחים קצרים יותר, כגון תקשורת סלולרית, Wi-Fi ו-Bluetooth, וכן במכ"ם ובבישול. אורכם של גלים אלה נע בין מילימטרים ספורים לעשרות סנטימטרים.

גלים קצרים יותר מאלה, נפלטים מגופים חמים, ונקראים גלי תת אדום (אינפרא אדום או IR בלעז). אורך הגל שלהם נע בין מיקרונים בודדים למילימטר. על ידי איתור קרני תת-אדום ניתן לאתר את מקומם של בעלי חיים, עקב טמפרטורת הגוף שלהם. בעלי חיים שונים, בעיקר טורפים, פיתחו רגישות לקרינה תת-אדומה. בטכנולוגיה מודרנית קרינה תת-אדומה משמשת באמצעי ראיית לילה, לתקשורת בטווחים קצרים מאוד (שלט רחוק ולתקשורת אלחוטית בין מכשירים קרובים), וכן לתקשורת אופטית.

האור הנראה
האור הנראה הוא אותו תחום של קרינה אלקטרומגנטית שאליו רגישה הרשתית של עין האדם. זהו תחום צר מאוד של הספקטרום, הכולל גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל שבין 0.4 מיקרון לבין 0.8 מיקרון בקירוב. המוח מפרש בצורה שונה תדירויות שונות של גלים (שמתאימות לאורכי גל שונים), וכך מתקבלים במוח הצופה צבעים שונים, כאשר אורך הגל הארוך ביותר מפורש כצבע אדום, והקצר ביותר כסגול. בעלי חיים שונים רגישים לתחומים מעט שונים של הספקטרום, אם כי תחומי הרגישות של כל בעלי החיים מרוכזים פחות או יותר באזור זה של הספקטרום. בעלי חיים ליליים רבים רגישים לאורכי גל ארוכים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראייה תרמית על ידי רגישות לתת אדום. חרקים רבים רגישים לאורכי גל קצרים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראייה בתחום העל סגול. ברוב בעלי החיים הרגישות הגבוהה ביותר היא לקרינה באורכי גל המתאימים לצבע הירוק, הנמצא בערך באמצע התחום הנראה, והוא בעל העוצמה הגבוהה ביותר מתוך הספקטרום הנמדד על פני כדור הארץ (לאחר בליעת האטמוספירה).

צמחים ממירים קרינה אלקטרומגנטית בתחום הנראה לאנרגיה כימית בתהליך הפוטוסינתזה.

קרינה בתדרים גבוהים (ברובה קרינה מייננת)
גלים אלקטרומגנטיים באורכים שבין 10 ננומטר ועד 380 ננומטר נקראים קרינת על סגול (Ultra Violet או UV בלעז). קרינה זו נבלעת ברובה על ידי האטמוספירה, ובעיקר על ידי שכבת האוזון שבה. כיוון שקרינה זו עשויה להסב נזקים בריאותיים שונים לבני אדם ובעלי חיים אחרים, התופעה של חור בשכבת האוזון היא תופעה מטרידה מאוד ברמה עולמית. מאידך, שימוש מבוקר בקרינה זו מסייע לטיפול במחלות שונות. שימושים נוספים בקרינה על סגולה הם טיהור מי שתייה, בדיקת מחצבים, סטריליזציה של ציוד ביולוגי ועוד.

בקצה הספקטרום נמצאות קרינת רנטגן (אורך גל: 5 פיקומטר עד 10 ננומטר) הנקראת על שם הפיזיקאי שגילה אותה, וילהלם רנטגן, וקרינת גמא (אורך גל של פחות מ-5 פיקומטר). קרניים אלה מסוכנות לרוב היצורים החיים. קרינת הרנטגן, בעוצמות מבוקרות משמשת לצרכים רפואיים והנדסיים שונים.

מחלקים את סוגי הקרינה בצורה גסה לשני תחומים: קרינה מייננת ובלתי מייננת. נזקה של פגיעה של קרינה בלתי מייננת בגוף הוא יחסית מועט. לעומתה, קרינה מייננת קורעת אלקטרונים מהאטומים בגוף שבהם היא פוגעת, הופכת אותם ליונים וגורמת לשינויים כימיים במבנים מולקולריים בגוף. הדבר קורה כי בגלים קצרים יותר מאולטרה סגול, אנרגיית הפוטון היא כה רבה עד כי היא עולה על אנרגיית היינון של האטום. מכאן השם "קרינה מייננת".

ככל שאורך הגל קצר יותר, כך הוא יינן בקלות רבה יותר אטומים. גלי אולטרה סגול קצרים (UVB) הם מייננים, וכך כל הגלים באורך גל קצר יותר, בהם קרינת רנטגן, גמא וקרינה קוסמית. קרינה קוסמית היא קרינה שנמדדה בחלל וגליה קצרים אף מאלה של קרני גמא, והיא יכולה לשנות גרעיני אטומים ובכך להפוך אטום מיסוד אחד ליסוד אחר. קרינה זו מסבה נזק חמור ביותר לתאי יצורים חיים. יש חוקרים המשערים שהקרינה הקוסמית שמגיעה מהחלל היא זו שגורמת למוטציות ב-DNA של בעלי חיים וצמחים.

 אנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית 
באינטראקציה בין קרינה לחומר, הקרינה האלקטרומגנטית מתנהגת כשטף של חלקיקים (פוטונים). האנרגיה של כל פוטון תלויה בתדירות של הקרינה על פי המשוואה , כאשר  היא תדירות הקרינה, ו- הוא קבוע פלאנק. כיוון שאורך הגל של הקרינה תלוי בתדירותה, אפשר לכתוב משוואה דומה עבור האנרגיה של פוטון כתלות באורך הגל שלו: , כאשר  היא מהירות האור בריק. מכאן, שהאנרגיה של פוטון גדלה ככל שאורך הגל של הקרינה מתקצר.

העוצמה של הקרינה (כמות האנרגיה המגיעה ליחידת שטח ביחידת זמן) היא המכפלה של השטף של הפוטונים (מספר הפוטונים המגיעים ליחידת שטח ביחידת זמן) באנרגיה של פוטון בודד.

מקורות ליצירת קרינה אלקטרומגנטית
קרינה אלקטרומגנטית מופקת על ידי עצמים בעלי מטען חשמלי הנמצאים בתאוצה, למשל זרם חילופין או התנגשות בין שני אלקטרונים. קרינה אלקטרומגנטית בתדירויות שונות נוצרת ממקורות שונים.

מקורות בתחום תדרים רחב
גוף חם פולט קרינת גוף שחור, שהיא קרינה בתחום רחב של תדרים, אך מרוכזת סביב תדירות שיחסית לטמפרטורה. השמש פולטת קרינה המרוכזת סביב האור הנראה (חצי מיקרון או  הרץ), וחזקה גם בתת-אדום ועל-סגול. קרינת הרקע הקוסמית היא בתחום תדר המיקרוגל (160.2 גיגה-הרץ).

מקור נוסף לקרינה בתחום רחב של תדרים היא פולס חשמלי, שהוא מכת מתח פתאומית, כמו ברק.

מקורות על פי תדר
קרינה בתדירות נמוכה נוצרת כתוצאה מזרם חילופין, למשל קו מתח גבוה (50 הרץ).

קרינה בתדר רדיו ומיקרוגל נפלטת ממשדרים ואנטנות, כמו גם בטבע מברקים ומקרינת הרקע הקוסמית. תחום גלי רדיו בשימוש בתקשורת הוא 150 קילו-הרץ עד 100 מגה-הרץ. אנטנה סלולרית (גם זו שבטלפון נייד) משדרת בתדר מיקרוגל של בין 400–2,000 מגה-הרץ. תנור מיקרוגל יוצר קרינה בתדר 2.45 גיגה-הרץ לחימום מזון (קרינה זו אינה יוצאת מן התנור).

קרינת תת-אדום, אור נראה ועל-סגול נוצרות כתוצאה ממעברי אנרגיה של אלקטרונים באטומים או מולקולות. כאשר אלקטרון יורד ברמת האנרגיה, הפרש האנרגיה נפלט כפוטון, כלומר קרינה, בתדירות שיחסית להפרש האנרגיה. גופים חמים מעלים את האלקטרונים לרמות הגבוהות, אשר פולטים אור כאשר הם יורדים חזרה, לדוגמה נורת להט.

קרינת רנטגן (קרני-X), באורך גל של מיליארדית המטר ותדירות גבוהה מאוד, נוצרות מעצירה של אלקטרון שנע במהירות גבוהה, בשפופרת קתודית.

קרינת גמא, שהיא הקרינה בעלת התדירות והאנרגיה הגבוהה ביותר, נוצרת בהתפרקויות גרעיניות באופן טבעי או מלאכותי, במאיצי חלקיקים ובאיון של חומר ואנטי-חומר גם כן בתהליכים טבעיים באזורים פעילים בחלל או בתהליכים מלאכותיים.

 ראו גם 

 שדה אלקטרומגנטי
 הספקטרום האלקטרומגנטי
 שדה חשמלי
 שדה מגנטי
 אור
 מעבר קרינה
 צפיפות אופטית
 פצצה אלקטרומגנטית

קישורים חיצוניים



*
קטגוריה:חשמל
קטגוריה:גלים