2.3 Det elektromagnetiske spekteret

Mer enn øyet kan se

Akkurat nå, der du sitter, er du badet i stråling. Radiobølger fra nærliggende sendere passerer gjennom kroppen din. WiFi-signaler svever gjennom rommet. Infrarød stråling fra varme gjenstander rundt deg treffer huden din. Synlig lys fra vinduet eller lampen over deg strømmer inn gjennom øynene. Og et svakt drys av kosmisk stråling fra verdensrommet trenger gjennom taket over hodet ditt.

Alt dette er elektromagnetisk stråling -- bølger bestående av oscillerende elektriske og magnetiske felt som forplanter seg gjennom rommet. Det vi kaller «lys» er bare et smalt bånd i et enormt spekter. Forestill deg at du har et piano med tusenvis av tangenter. Det synlige lyset -- alt du kan se med øynene -- tilsvarer bare én eneste oktav. Resten av tastene representerer stråling som er helt usynlig for oss, men som likevel spiller en enorm rolle i livene våre.

Det som gjør elektromagnetisk stråling så spesiell, er at den i motsetning til lyd ikke trenger noe medium. Den kan bevege seg gjennom tomt rom, gjennom vakuumet mellom stjernene. Og i vakuum har all elektromagnetisk stråling nøyaktig samme hastighet: lyshastigheten c, omtrent 3 ganger 10 opphøyd i 8 meter per sekund. Det eneste som skiller radiobølger fra røntgenstråling er bølgelengde og frekvens -- og dermed energi.

Bølger, fotoner og energi

Elektromagnetisk stråling har en merkelig dobbelnatur som fysikere kaller bølge-partikkel-dualitet. Noen ganger oppfører den seg som bølger -- den kan bøyes, brytes og interferere, akkurat som vannbølger. Andre ganger oppfører den seg som en strøm av partikler kalt fotoner -- små pakker av energi som sendes ut og absorberes én om gangen.

Alle typer elektromagnetisk stråling deler noen grunnleggende egenskaper. De beveger seg alle med lyshastigheten (c = 3 ganger 10 opphøyd i 8 m/s) i vakuum. De trenger ikke noe medium. Og de bærer energi.

Det som skiller de ulike typene fra hverandre, er sammenhengen mellom tre størrelser: bølgelengde (lambda), frekvens (f) og energi (E). Bølgeformelen c = f ganger lambda forteller oss at siden lyshastigheten er konstant, betyr høyere frekvens automatisk kortere bølgelengde, og omvendt. Energien til et foton er gitt av formelen E = h ganger f, der h er Plancks konstant (6,626 ganger 10 opphøyd i minus 34 joule-sekund). Høyere frekvens betyr altså mer energi per foton.

Denne sammenhengen har enorme konsekvenser. Radiobølger med lange bølgelengder og lav frekvens har svært lite energi per foton -- de er helt ufarlige. I den andre enden av spekteret har gammastråling ekstremt kort bølgelengde, ekstremt høy frekvens og enorm energi -- nok til å trenge gjennom materie og rive elektroner løs fra atomer. Samme type fenomen, men med vilt forskjellig virkning.

En reise gjennom spekteret

La oss ta en reise gjennom det elektromagnetiske spekteret, fra de lengste bølgene til de korteste.

Vi starter med radiobølger, som har bølgelengder fra flere kilometer ned til noen centimeter. De brukes til radio, TV, mobiltelefoni og WiFi. FM-radio på 100 MHz har for eksempel en bølgelengde på 3 meter. Radiobølger er helt ufarlige -- de har så lite energi per foton at de ikke kan påvirke molekyler i kroppen din.

Neste stopp er mikrobølger, med bølgelengder fra centimeter ned til millimeter. Mikrobølgeovnen din bruker bølger på 2,45 GHz (bølgelengde ca. 12 cm) som får vannmolekyler i maten til å vibrere raskt, og dermed varme opp maten. Radar, 5G-mobilnett og Bluetooth bruker også mikrobølger.

Så kommer infrarød stråling (IR), med bølgelengder fra omtrent 1 mm ned til 700 nm -- rett under det røde lyset vi kan se. Alle varme gjenstander sender ut infrarød stråling; jo varmere, jo mer og kortere bølgelengde. Fjernkontrollen din bruker nær-infrarød, varmekameraer detekterer infrarød stråling fra kroppen din (som har en temperatur på omtrent 37 grader), og terrassevarmere gir varme via infrarøde stråler. Fiberoptiske kabler bruker ofte nær-infrarødt lys for å overføre data.

Nå kommer vi til det smale båndet vi faktisk kan se: synlig lys, fra omtrent 700 nm (rødt) til 400 nm (fiolett). Hvitt lys er en blanding av alle disse bølgelengdene. Når hvitt lys passerer gjennom et prisme, splittes det opp i regnbuens farger fordi ulike bølgelengder brytes ulikt. Fargene vi ser på gjenstander oppstår fordi gjenstandene absorberer noen bølgelengder og reflekterer andre -- et rødt eple absorberer blått og grønt lys, men reflekterer rødt.

Har du noen gang lurt på hvorfor himmelen er blå og solnedganger røde? Fenomenet kalles Rayleigh-spredning. Kortere bølgelengder (blått lys) spres mye mer av luftmolekylene enn lange bølgelengder (rødt lys). På dagtid spres blått lys i alle retninger, og himmelen ser blå ut. Ved solnedgang må lyset gjennom mye mer atmosfære, slik at nesten alt blått spres bort -- bare det røde og oransje lyset når øynene dine.

Den usynlige fare: UV, røntgen og gammastråling

Hinsides det synlige lyset begynner strålingen å bli mer energirik -- og potensielt farligere.

Ultrafiolett stråling (UV) har bølgelengder fra 400 nm ned til omtrent 10 nm. Den deles gjerne inn i UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) og UV-C (100-280 nm). UV-A og UV-B fra solen er det som gir deg solbrenthet og brun hud. UV-stråling brukes også til desinfeksjon -- UV-C dreper bakterier ved å skade DNA-et deres. UV-stråling er på grensen mellom ikke-ioniserende og ioniserende: UV-A er i hovedsak ikke-ioniserende, mens UV-C er klart ioniserende og kan skade DNA direkte.

Røntgenstråling har bølgelengder fra omtrent 10 nm ned til 0,01 nm og svært høy energi. Det er dette som gjør den nyttig i medisinsk bildetaking: røntgenstråler trenger gjennom bløtvev, men absorberes av bein. Resultatet er et skyggebilde som viser skjelettet. Et røntgenfoton har omtrent 5400 ganger mer energi enn et foton av grønt lys -- det er derfor røntgen kan skade celler, og man skal begrense antall røntgenbilder.

Gammastråling har de korteste bølgelengdene (under 0,01 nm) og den høyeste energien. Den oppstår ved radioaktivt henfall og i kraftige kosmiske hendelser. I medisinsk sammenheng brukes gammastråling til kreftbehandling: fokuserte gammastråler kan drepe kreftceller.

Her kommer vi til det viktige skillet mellom ioniserende og ikke-ioniserende stråling. Ioniserende stråling -- UV-C, røntgen og gammastråling -- har nok energi til å slå løs elektroner fra atomer. Dette kan skade DNA i cellene og øke risikoen for kreft. Ikke-ioniserende stråling -- radiobølger, mikrobølger, infrarød, synlig lys og UV-A -- har ikke nok energi til dette. Det betyr ikke at ikke-ioniserende stråling er helt ufarlig (mikrobølger kan varme opp vev, UV-B gir solbrenthet), men den gir ikke direkte DNA-skade på samme måte.

Oppsummering

I dette kapittelet har du reist gjennom hele det elektromagnetiske spekteret -- fra radiobølgene som bringer musikk til ørene dine, til gammastrålene som brukes i kreftbehandling.

Du har lært at elektromagnetisk stråling er bølger av oscillerende elektriske og magnetiske felt som beveger seg med lyshastigheten (c = 3 ganger 10 opphøyd i 8 m/s) i vakuum. Den trenger ikke noe medium og viser bølge-partikkel-dualitet -- den oppfører seg både som bølger og som partikler (fotoner). Sammenhengen c = f ganger lambda betyr at høyere frekvens gir kortere bølgelengde, og energiformelen E = h ganger f forteller at kortere bølgelengde betyr høyere energi per foton.

Det elektromagnetiske spekteret spenner fra radiobølger (lang bølgelengde, lav energi) via mikrobølger, infrarød stråling, synlig lys (det smale båndet fra 400 til 700 nm som øynene våre kan oppfatte) og ultrafiolett, til røntgen og gammastråling (kort bølgelengde, høy energi). Hvitt lys er en blanding av alle synlige bølgelengder, og fargene i regnbuen -- fra rødt (700 nm) til fiolett (400 nm) -- oppstår når lys splittes av et prisme. Gjenstander får farge ved å absorbere noen bølgelengder og reflektere andre.

Det viktigste skillet i spekteret er mellom ioniserende stråling (UV-C, røntgen, gammastråling) som har nok energi til å slå løs elektroner fra atomer og dermed kan skade DNA, og ikke-ioniserende stråling (radiobølger, mikrobølger, infrarød, synlig lys, UV-A) som ikke har denne evnen. Mobilstråling, WiFi og 5G er alle ikke-ioniserende og har fotonenergi som er millioner av ganger lavere enn UV-stråling.