Uvod

Skala elektromagnetskih talasa

Skala elektromagnetskih talasa je ogromna. Podelu te skale na pojedine, relativno autonomne opsege, iza kojih stoje prepoznatljivi fizički fenomeni, moguće je izvršiti na sledeći uslovni način.

1. Elektromagnetski talasi koji imaju talasnu dužinu manju od pikometra formiraju opseg $\gamma$-zraka (gama zraka). Vrlo su prodorni i opasno razaraju živo tkivo. Fotoni gama zraka talasne dužine desetak fermija imaju energije stotinak megaelektronvolti.

2. Kada su talasne dužine veće od pikometra, ali manje od nanometra, govori se o rentgenskim, ili $X$-zracima. Koriste se u medicini, kao dijagnostičko sredstvo, i za direktni tretman obolelog tkiva ozračivanjem. Treba izbegavati nepotrebna izlaganja fluksu rendgenskih zraka. Ovi se zraci upotrebljavaju i u analizi kristalnih struktura, jer su im talasne dužine uporedive sa međuatomskim rastojanjima u kristalima (po redu veličine: nekoliko angstrema). Foton talasne dužine jedan angstrem ima energiju desetak kiloelektronvolti.

3. Ultraljubičasti (UV) zraci pokrivaju oblast talasnih dužina od nanometra do vidljivih talasnih dužina koje počinju oko 400 nanometara. Sunce je značajan izvor ovog zračenja. Izaziva opekotine nezaštićene kože. Deo sunčevog UV zračenja apsorbuje se u stratosferskom sloju oko Zemlje, što je povoljno za organizme na Zemlji. Ozon ($\text{O}_{3}$) u ovom sloju nastaje kada kiseonik reaguje sa UV zracima. Ozon je bitan za zaštitno dejstvo gasovitog omotača naše planete. Ozonski sloj se razara nebrižljivim postupcima, na primer sa freonom u frižiderima, ili sa brojnim sprejevima. Foton talasne dužine 10 nanometara ima energiju oko sto elektronvolti.

4. Vidljivo zračenje je u opsegu od ljubičastih nijansi na približno $0,4\,\mu$ m do crvenih tonova na skoro $0,8\,\mu$ m. Oko prima i obrađuje fotone energije reda veličine jednog elektronvolta. Ovi fotoni nastaju rearanžiranjem elektrona u atomima i molekulima, i zagrevanjem tela kao što je slučaj u sijalici sa grejanom spiralom od volframa. Oko je neadekvatan senzor za fotone van vidljivog dijapazona — fotoni velike energije razaraju tkivo oka, a fotoni male energije ne mogu da pobude biološki senzor u oku, nemaju dovoljnu energiju aktivacije.

5. Zračenje još većih talasnih dužina, sve do skoro jednog milimetra, formira oblast infracrvenih (IC) talasa. Ugrejana tela emituju toplotne zrake, tj IC talase; IC energija interaguje sa molekulima tkiva, pobuđuju se vibracioni i translacioni stepeni slobode, pa se tkivo zagreva. Ovo zračenje je od interesa za fizikalnu terapiju, IC fotografiju, vibracionu spektroskopiju i sl. Foton talasne dužine jedan milimetar ima energiju manju od hiljaditog dela elektronvolta.

Elektromagnetski spektar

6. Mikrotalasi su radiotalasi talasne dužine veće od jednog milimetra a manje od 30 centimetara. Pogodni su za bitne primene u raznim radarskim sistemima. U domaćinstvima koristimo mikrotalasne peći.

7. Dijapazon radiotalasa uključuje još i elektromagnetske talase talasne dužine veće od jednog metra; tu spadaju televizijski talasi, FM i AM radiotalasi, dugi radiotalasi i sl. Danas je nezamisliv život bez radio i televizijskih komunikacionih sistema, mobilne telefonije itd.

Jedinstvena fizička priroda elektromagnetskog zračenja

Elektromagnetski talasi raznih dijapazona imenovani su savršeno različitim terminima. Više od toga, pojedine forme talasa javljaju se u veoma različitim fizičkim okolnostima. Ipak, elektromagnetsko zračenje ima u svim tim slučajevima jedinstvenu fizičku prirodu. U vakuumu, brzina prostiranja elektromagnetskog polja uvek je ista, $c_{0}=\lambda _{0}\nu =3\cdot 10^{8}$ m/s. Zakoni egzistencije elektromagnetskog polja opisuju se za sve učestanosti (sve talasne dužine) jednim te istim, Maksvelovim jednačinama. Do tog rezultata je nauka došla sredinom sedme decenije prošlog

Mladi James Clark Maxwell na Triniti koledžu (Trinity College, Cambridge);

drži jedan od svojih kotura sa bojama spektra dnevne svetlosti (colour wheel)

veka. Danas se smatra da je taj događaj doneo jednu od bitnih generalizacija u fizici, kada su sa jedinstvene pozicije sagledane naoko nepovezane zakonitosti nauke o elektricitetu i magnetizmu.

Proizvod organske evolucije: oko

Gama i iks zraci, ponekad i ultraljubičasti zraci, ugrožavaju ljudsko zdravlje. S druge strane, bukvalno smo svakodnevno uronjeni u ogromno more radiozračenja; koristimo na desetine televizijskih kanala, slušamo mnoštvo FM i AM radiostanica, život bez mobilnih telefona više ne prihvatamo — i sve to, zasad bar, bez vidljivih posledica po biološki potencijal.

Negde u sredini elektromagnetske skale možemo primanu energiju osetiti okom. Priroda nam je evolucijom omogućila da u uskom „prozoru” talasnih dužina od ljubičaste do crvene boje, gledajući, skupljamo informacije iz okolnog sveta.

Značajno je primetiti da i veliki procenat energije zračenja Sunca pripada vidljivom intervalu talasnih dužina $0,4-0,76\,\mu$ m. Sa maksimalnom osetljivošću oko prima talase iz sredine intervala, oko talasnih dužina 555 nanometara. Zanimljiv je podatak da je Zemljina atmosfera upravo u tom intervalu praktično transparentna.

Godine 2009. obeležavala se u svetu, i kod nas, dvestagodišnjica rođenja Čarlsa Darvina. Kad mlad čovek, osmelio se da se ukrca na istraživački brod Beagle; godinama je plovio okeanskim prostranstvima i pohodio daleke zemlje — vratio se sa torbom naučnih dokaza i prosvetlio ljudski um sjajnim učenjem o organskoj evoluciji. Fizičar S. I. Vavilov naglašavao je: Spektralna osetljivost oka najveća je tamo gde je i maksimum spektralne krive zračenja Sunca.

Mladi Darwin: Oko ne možemo shvatiti ne znajući bitno o Suncu. Izučavajući Sunce, slutimo kakvo oko mora biti.

Tako, sadejstvom evolucionih i slučajnih faktora raspolažemo vidom, jednim od bitnih čovekovih čula. Postoje procene da čovek dobija posredstvom oka čak 80% svih informacija kojima raspolaže. Evo jedne od najlepših informacija:

Optika kao deo fizike

Važnost vizuelnog registrovanja zračenja za nas je nesumnjiva. Otuda proizilazi i izuzetan značaj vidljivog dijapazona u fizici. On se izučava u posebnom njenom odeljku koji se zove optika. Istina, mnoge zakonitosti koje važe za vidljivu oblast na snazi su i u dobrom delu graničnih područja koja se ne mogu direktno ispitivati ljudskim okom. Zbog toga je uobičajeno reći

Napravimo jednu terminološku razliku. Pojam optičko zračenje koristićemo u opštem slučaju, kad se izlaganje odnosi i na vidljivu i na dve njoj susedne spektralne oblasti. Pojam svetlost upotrebljavaćemo u užem, svakodnevnom smislu, da njime označimo vidljivo zračenje.