Hertz Heinrich Rudolph (1857 - 1894)
Fizyk niemiecki, który pierwszy nadał i odebrał fale radiowe (ok. 1886). Wykazał też, że ulegają one odbiciu i załamaniu podobnie jak światło i że poruszają się z taką samą prędkością, chociaż ich długości fali są znacznie większe. W ten sposób wykazał, że światło i promieniowanie cieplne mają, podobnie jak fale radiowe, charakter elektromagnetyczny.
1. Fale światła
Zmysł wzroku jest chyba najważniejszy ze wszystkich naszych zmysłów. To, co widzimy, daje nam więcej informacji o otaczającym nas świecie niż to, co słyszymy, czego dotykamy lub co wyczuwamy węchem i smakiem. Widzimy, ponieważ nasze oczy są czułe na światło.
W ciągu dnia Słońce świeci i dostarcza światła. Kiedy wieczorem Słońce chowa się za horyzontem, światło dzienne znika a niebo staje się ciemne. Zapada noc. Czerń, którą widzimy na nocnym niebie jest czernią przestrzeni kosmicznej. Ale niebo nie jest zupełnie czarne, bo jest nabite tysiącami gwiazd. Oblewają one nasz świat znacznie słabszym światłem. Są to słońca, jak nasze Słońce, i wysyłają równie jasne światło. Ale są one tak bardzo daleko, że ich światło staje się bardzo słabe zanim do nas dotrze.
W niektóre noce Księżyc lśni i rozświetla ciemność znacznie lepiej niż gwiazdy. Ale Księżyc nie wytwarza własnego światła tak jak Słońce. Po prostu odbija on z powrotem na Ziemię światło słoneczne, które otrzymuje od Słońca. Wenus, Jowisz, Mars i inne planety jasno świecące na nocnym niebie też w taki sam sposób odbijają światło słoneczne. A także Ziemia lśni i jest widoczna w przestrzeni kosmicznej, ponieważ i ona odbija światło słoneczne.
2. Długości fal i kolory
Czym dokładnie jest światło? Jest to fala elektromagnetyczna, rodzaj drgań elektrycznych i magnetycznych lub zmarszczek, które wędrują w przestrzeni kosmicznej. Możemy myśleć o nim jako o fali, podobnej do fal, jakie pojawiają się na powierzchni wody, kiedy wrzucimy kamień do stawu. Ale fale świetlne drgają we wszystkich płaszczyznach, a nie tylko w jednej.
Tak jak wszystkie fale, również fale świetlne mają pewną długość. Jest to odległość pomiędzy grzbietami, czyli najwyższymi punktami, dwóch kolejnych fal albo pomiędzy dolinami, czyli najniższymi punktami, dwóch kolejnych fal. W inny sposób możemy opisać falę przez jej częstotliwość - liczbę pełnych fal przechodzących przez pewien punkt w każdej sekundzie. Duża długość fali oznacza niską częstotliwość, ponieważ mniej fal przechodzi w ciągu sekundy, a mała długość fali oznacza wysoką częstotliwość, ponieważ więcej fal przechodzi w każdej sekundzie.
Jednak światło nie składa się tylko z jednej długości fali. Białe światło, jakie otrzymujemy od Słońca, jest faktycznie mieszaniną fal o różnych długościach. Nasze oczy odbierają te różne długości fal jako różne kolory. Widzimy rozwinięcie tych kolorów na niebie po deszczu, jako tęczę. Możemy też stworzyć takie samo rozwinięcie kolorów, czyli widmo, przepuszczając światło słoneczne przez klin ze szkła, zwany pryzmatem.
Głównymi kolorami widma są fioletowy, indygo, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i czerwony. Pod względem długości fal fioletowy ma najkrótsze fale, czerwony najdłuższe. Ale wszystkie fale są naprawdę bardzo krótkie. Są one wyrażane w jednostkach zwanych nanometrami (nm), czyli w miliardowych częściach metra. Światło fioletowe ma długość fali około 400 nm. Światło czerwone ma długość fali około 700 nm.
Białe światło jest tylko jednym ze sposobów, w jaki Słońce oddaje, czyli wypromieniowuje, w przestrzeń kosmiczną energię, którą wytwarza ono w swoim wnętrzu. Oddaje ono także energię w postaci promieni cieplnych. Mają one większą długość fali niż promienie światła, nie możemy, więc ich widzieć, ale możemy je czuć. Nazywamy te promienie cieplne promieniami podczerwonymi, co oznacza, że są one poza czerwonym krańcem widma widzialnego.
Podobnie możemy wykryć promienie ze Słońca, które mają mniejszą długość fali niż światło widzialne. Nazywamy je promieniami nadfioletowymi. To one właśnie nadają nam brązowy kolor, kiedy się opalamy.
3. Widmo elektromagnetyczne
Promienie nadfioletowe, widzialne i podczerwone tworzą tylko część rozległej rodziny promieni, które różnią się od siebie tylko długością fali. Wszystkie one są falami elektromagnetycznymi tak jak światło i wszystkie poruszają się z taką samą prędkością jak światło, prędkością około 300. 000 km na sekundę.
Pełną rodzinę fal nazywamy widmem elektromagnetycznym. Idąc od krótkich do długich fal, widmo obejmuje promienie gamma, promienie X, promienie nadfioletowe, światło widzialne, promienie podczerwone, mikrofale i fale radiowe.
Rozpiętość długości fal w widmie elektromagnetycznym jest ogromna. Najkrótsze promienie gamma mają długość fali mniejszą niż jedna tysięczna nanometra, zwana przez specjalistów pikometrem. Mówiąc inaczej, trzeba milion milionów tych fal, żeby zajęły jeden metr! Z drugiej strony, najdłuższe fale radiowe mają długości mierzone w tysiącach metrów.
4. Okna w atmosferze
Atmosfera zachowuje się inaczej wobec różnych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego przychodzącego ze Słońca. Wiemy, że atmosfera przepuszcza promieniowania od nadfioletowego do podczerwonego, czyli jest dla nich przeźroczysta. Mówimy, że atmosfera ma „okno” świetlne.
Możemy też wykryć fale radiowe ze Słońca przez okno radiowe w atmosferze. Ale nie ma okien wpuszczających przychodzące ze Słońca promieniowania o innych długościach fali. Atmosfera pochłania je i uniemożliwia im dotarcie na powierzchnię Ziemi.
Inne słońca w naszym wszechświecie, gwiazdy, też wysyłają różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. A z niego także tylko światło widzialne i fale radiowe mogą dotrzeć do nas przez okna w atmosferze. Reszta jest zatrzymywana. Jedyny sposób, żeby oglądać gwiazdy przy innych długościach fal, to wysłać nasze teleskopy i inne przyrządy na satelitach ponad atmosferę w przestrzeń kosmiczną.
Tylko przez oglądanie gwiazd i galaktyk przy wszystkich długościach fal możemy studiować wszechświat, jak należy. Astronomia satelitarna na „niewidzialnych” długościach fal jest teraz jedną z najbardziej pasjonujących gałęzi astronomii, a kolejne satelity dokonują efektownych odkryć. Są wśród nich: satelita Einstein dla promieni X, satelita IRAS dla dalekiego promieniowania podczerwonego, międzynarodowa sonda IUE dla promieniowania nadfioletowego i sonda COBE dla badań tła kosmicznego. W 1992 roku wyniki badań COBE wywołały wielkie podniecenie wśród astronomów, ponieważ potwierdziły one ich wyobrażenia o tym jak powstał i rozwijał się wszechświat.
5. Radioteleskopy
Astronomowie wykorzystują okno radiowe w atmosferze przez budowanie radioteleskopów. Niektóre z najbardziej fascynujących odkryć astronomicznych w ostatnich latach zostały dokonane za pomocą tych urządzeń. Wśród tych odkryć były kwazary, pulsary i aktywne galaktyki, które wyrzucają z siebie fantastyczną energię o długościach fal takich, jak fale radiowe.
Radioteleskopy dostrajają się do długości fal radiowych, które gwiazdy wysyłają. Najczęściej mają one kształt ogromnych metalowych talerzy, które zbierają sygnały radiowe i skupiają je na antenie. Odbiornik radiowy wzmacnia sygnały, które komputer może następnie przetworzyć na obrazy radiowe. Największy radioteleskop, zbudowany na szczycie góry niedaleko Arecibo w Puerto Rico, ma talerz o rozpiętości 305 metrów. Największy talerz nastawialny, mierzący 100 metrów, jest w Effelsberg, niedaleko Bonn, w Niemczech.
6. Ruch falowy
Wspólny ruch obiektu materialnego lub wydłużonego, w którym każda jego część oscyluje wokół swej pozycji spoczynkowej, przy czym oscylacje zachodzące w różnych miejscach są tak zsynchronizowane, że powstaje wrażenie grzbietów i dolin fali biegnących wzdłuż materiału. Przykładem mogą być fale powierzchniowe na wodzie lub fale poprzeczne na naciągniętej lince. Dźwięk rozchodzi się w powietrzu ruchem falowym, w którym cząsteczki powietrza oscylują równolegle do kierunku rozchodzenia się fali (fala podłużna), natomiast przy rozchodzeniu się fal świetlnych i radiowych pola elektromagnetyczne oscylują prostopadle do kierunku propagacji (fala poprzeczna).
Maksymalne odchylenie materiału od punktu wyjściowego nazywa się amplitudą fali, odległość pomiędzy kolejnymi grzbietami fali to długość fali, a liczba grzbietów przechodzących przez dany punkt w ciągu sekundy to częstotliwość fali. Iloczyn zakresu i częstotliwości to prędkość rozchodzenia się fali. Fale stojące (pozornie stacjonarne fale, w których węzły i strzałki – punkty zerowej i maksymalnej amplitudy – wydają się stać w miejscu) powstają wskutek nałożenia się identycznych fal rozchodzących się w przeciwnych kierunkach.
Do charakterystycznych cech fal zaliczamy rozchodzenie się w linii prostej, odbijanie się od płaskich powierzchni, refrakcję - zmianę kierunku fali przesyłanej przez płaską powierzchnię rozdziału pomiędzy dwoma ośrodkami, dyfrakcję - rozproszenie przez nieprzezroczyste ciała o rozmiarach porównywalnych z długością fali, które powodują uginanie się fali wokół ich brzegów, oraz interferencję- zjawisko nakładania się fal. W zjawisku interferencji destruktywnej wygaszenie jednej fali przez inną, przesuniętą w fazie o połowę długości oznacza, że wierzchołki jednej fali trafiają na doliny drugiej. W interferencji konstruktywnej wierzchołki nakładają się na siebie i wzmacniają. Jeśli prędkość rozchodzenia się fali jest taka sama dla wszystkich długości, to jako fale będą się rozchodziły wszelkiego rodzaju zakłócenia, nie tylko te w postaci regularnych ciągów wierzchołków i dolin.
Jeśli tak nie jest, to mówimy, że fala jest dyspersyjna i lokalne zakłócenia przemieszczają się z prędkością grupową inną niż prędkość poszczególnych wierzchołków, które często są widoczne szybciej lub wolniej poruszające się wewnątrz obwiedni zakłócenia, stopniowo poszerzającego się w miarę przemieszczania. W przypadku fal poprzecznych rozróżniamy różne polaryzacje fali. Fale przenoszą energię i pęd tak, jak ciała stałe. Równoważność pozornie niemożliwych do pogodzenia koncepcji falowej i korpuskularnej materii jest podstawą mechaniki kwantowej.
7. Promieniowanie elektromagnetyczne (energia promienista)
Sposób, w jaki energia jest przenoszona w przestrzeni lub w materii przez zmienne pole elektromagnetyczne. Klasycznie, energia promienista uważana jest za ruch falowy. W połowie XIX w. Maxwell wykazał, że oscylujący (wibrujący) ładunek elektryczny otoczony zostanie zmiennymi polami elektrycznymi i magnetycznymi. Energia będzie się wydzielać z oscylującego ładunku w postaci fal poprzecznych w tych polach, przy czym fale w polu elektrycznym będą prostopadłe zarówno do pola magnetycznego, jak i do kierunku rozchodzenia się fal. Ponadto, prędkość fal będzie zależała jedynie od właściwości środowiska w jakim się rozchodzą, w próżni będzie ona równa jednej z podstawowych stałych fizycznych - stałej elektromagnetycznej, c = 299792, 5 kms. Na początku XXw. Planck stwierdził, że właściwości energii promienistej najlepiej wyjaśnić traktując ją jako energię przenoszoną w sposób nieciągły w niewielkich porcjach zwanych kwantami. Później Einstein zaproponował nazwę foton dla kwantów elektromagnetycznych. Energia każdego fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości związanego z nim promieniowania. Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są klasyfikowane według energii fotonów, przy czym zakres energii nosi nazwę widma elektromagnetycznego. (Patrząc na to z innej strony możemy stwierdzić, że to widmo szereguje rodzaje promieniowania według długości fali.) Gdybyśmy ułożyli je w porządku malejącym, jako pierwsze w kolejności pod względem ilości przenoszonej energii byłyby promienie gamma, promienie X (rentgenowskie), promieniowanie ultrafioletowe, promienie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Zasadniczo im większa energia, tym lepiej właściwości promieniowania dają się opisywać za pomocą cząstek elementarnych (fotonów) niż za pomocą fal. Energia promienista emitowana jest przez ciała, gdy są one ogrzewane bądź pobudzane energetycznie w inny sposób. Używana jest do przekazywania i rozsyłania zarówno energii jak informacji.
8. Promienie rentgenowskie
Wysokoenergetyczne, niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne o zakresie od 0, 1 nm do 1 nm. Na ogół wytwarzane są przy pomocy elektronowych lamp próżniowych, w których strumień elektronów puszczany z rozgrzanej katody w kierunku dużej anody z wolframu bądź molibdenu przy różnicy potencjałów około 1 mv. Elektrony przenoszą swą energię na anodę, która następnie wysyła strumienie fotonów X. Promieniowanie rentgenowskie jest wykrywane przy pomocy ekranów fosforowych (jak w prześwietleniach medycznych), licznika Geigera lub scyntylacyjnego albo płytek fotograficznych. Promieniowanie to zostało odkryte przez Roentgena w 1895, ale ze względu na ich bardzo krótki zakres jego natura falowa nie została ustalona do 1911, kiedy to von Laue udowodnił, że mogą one zostać rozszczepione w siatkach krystalicznych. Promienie rentgenowskie są szeroko używane w medycynie, zarówno przy diagnozowaniu, jak i przy leczeniu, a także w inżynierii, gdzie radiogramy są używane do wykrywania drobnych defektów w elementach konstrukcyjnych. Lampy rentgenowskie muszą być ekranowane, aby zapobiec uszkodzeniom żywej tkanki.
9. Promieniowanie podczerwone
Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy 780 nm a 1mm, silnie wysyłane przez gorące obiekty i nazywane też promieniowaniem cieplnym. Wykrywane przy użyciu komórek fotoelektrycznych, bolometrów i fotograficznie. Znajduje ono wiele zastosowań - w domu do ogrzewania i gotowania, w medycynie do leczenia mięśni i chorób skóry. Spektroskopia absorpcji promieni podczerwonych jest ważnym narzędziem analitycznym w chemii organicznej. Zastosowania wojskowe (włącznie z wykrywaniem rakiet i systemami naprowadzania oraz urządzeniami noktowizji) i fotografia podczerwona (często fotografia w zmienionych kolorach) wykorzystują okno promieniowania podczerwonego, pasmo spektralne pomiędzy 7, 5 a 11 mm, w którym atmosfera jest przeźroczysta. To oraz wysoki współczynnik odbicia promieni podczerwonych dają fotografiom w podczerwieni nadzwyczajną ostrość, nawet jeśli są one robione w niesprzyjających warunkach.
10. Promieniowanie ultrafioletowe
Promieniowanie elektromagnetyczne o zakresie pomiędzy 0,1 nm do 380 nm, wytwarzane w gazowych lampach wyładowczych rurowych. Aczkolwiek stanowi ono około 5% energii wypromieniowywanej przez Słońce, większość promieniowania spadającego na Ziemię jest przefiltrowywana przez atmosferyczne warstwy ozonu i tlenu, co chroni życie na Ziemi przed niszczącą siłą promieniowania ultrafioletowego. Oznacza to tym samym, że przyrządy optyczne służące do badań promieni ultrafioletowych muszą być pozbawione powietrza oraz szkła silnie absorbującego te promienie – soczewki i pryzmaty muszą być wykonane z kwarcu i fluorytu. Wykrywanie odbywa się przy pomocy płytek fotograficznych lub ekranów fluorescencyjnych. Używane jest głownie w lampach fluorescencyjnych oraz w medycynie do lamp bakteriobójczych, przy leczeniu krzywic i niektórych chorób skórnych, a także do wzbogacania jaj i mleka w witaminę D.
11. Pryzmat
W geometrii, bryła o dwóch ścianach (podstawach), które są równoległymi równymi wielobokami, i kilku innych (ścianach bocznych), które są równoległobokami. Pryzmatyczne kawałki przeźroczystych materiałów są często używane w przyrządach optycznych. W spektroskopach i w urządzeniach do wytwarzania światła jednobarwnego pryzmaty są używane do wywoływania efektu dyspersyjnego (tak jak Newton użył po raz pierwszy pryzmatu trójkątnego, żeby wykazać, że światło słoneczne można rozszczepić na widmo kolorów). W lornetkach i w jednosoczewkowych lustrzankowych aparatach fotograficznych pryzmaty odbijające (wykorzystujące całkowite wewnętrzne odbicie) są chętniej używane niż zwykłe zwierciadła. Pryzmat Nicola (nikol) jest używany do wytwarzania światła spolaryzowanego.
12. Radar (ang. radio detection and ranging)
System wykrywający odległe obiekty i określający ich położenie przez pomiar czasu, jaki jest potrzebny, żeby fale radiowe dobiegły do obiektu, odbiły się i wróciły. Radar jest używany w nawigacji, kontroli przestrzeni powietrznej, w kierowaniu ogniem artyleryjskim, do wykrywania burz, w astronomii radarowej i do chwytania kierowców przekraczających dozwoloną szybkość. Rozwinął się z doświadczeń prowadzonych w latach dwudziestych nad pomiarami odległości jonosfery za pomocą impulsów radiowych. R. A. Watson-Watt wykazał, że ta technika może być zastosowana do wykrywania samolotów, a od 1935 roku Wielka Brytania zainstalowała szereg stacji radarowych, które były ważnym czynnikiem w zwycięskiej Bitwie o Anglię w II wojnie światowej. Od roku 1940 Wielka Brytania i Stany Zjednoczone współpracowały nad rozwojem radaru. Istnieją dwa główne typy radaru: radar o fali ciągłej, który ciągle wysyła sygnały przy sinusoidalnie zmieniającej się częstotliwości i wykrywa sygnały otrzymane dzięki ich chwilowo innej częstotliwości oraz bardziej rozpowszechniony radar impulsowy. Ten ostatni ma mocno ukierunkowaną antenę, która systematycznie przeszukuje obszar albo idzie w ślad za obiektem. Magnetron wnękowy albo klistron wysyła impulsy, zwykle 400 na sekundę, o czasie trwania 1 ms i częstotliwości 3 Ghz. Przełącznik antenowy przełącza antenę automatycznie z nadawania na odbiór i z powrotem według potrzeby. Odbiornik przetwarza impulsy echa na częstotliwość pośrednią około 30 Mhz, a następnie są one wzmacniane, zamieniane na sygnał wizualny i wyświetlane w lampie elektronowej. Synchronizator mierzy czas, jaki upłynął pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału i jest to przedstawione przez położenie impulsu na ekranie. Używane są różne sposoby wyświetlania: najczęściej stosowany jest wskaźnik wyglądu-położenia (PPI), pokazujący położenie poziome we współrzędnych biegunowych.