Promieniowanie UV a środowisko - ebook

Wstęp

Gdyby nie odkrycie „promieni jądrowych” wydobywających się z jąder uranu przez Henriego Bequerela w 1894 roku, a wkrótce potem polonu i radu przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie, nasza wiedza o mikroświecie zatrzymałaby się na poziomie hipotezy atomu jako najprostszego tworu, którego kombinacje w przestrzeni tworzą obiektywny świat wokół nas, taki jaki można zobaczyć własnymi oczyma. Chociaż samo pojęcie atomu jako podstawowego składnika materii pojawiło się co najmniej 2500 lat temu w starożytnych manuskryptach w Indiach i Grecji, dla Galileo Galilei (Galileusza), Roberta Boyle’a i Isaaca Newtona atom był nadal twardy, masywny i niepodzielny. Był to atom w ujęciu teorii kinetycznej, atom, którego średnia energia kinetyczna była tym, co odczytujemy jako temperaturę. XVIII i XIX-wiecznym chemikom, takim jak Antonie Laurent de Lavoisier, John Dalton i William Prout atom objawiał się w różnych kombinacjach w reakcjach chemicznych, co doprowadziło Dmitrija Mendelejewa do odkrycia i opublikowania w 1869 roku układu okresowego pierwiastków. Nieprawdziwą okazała się wizja atomu Williama Thomsona z 1904 roku, który sugerował, że ładunek dodatni jest rozłożony równomiernie w małym obszarze, być może kulistym, a elektrony tkwią jak rodzynki w cieście. Eksperyment Ernesta Rutheforda ze złotą folią przeprowadzony w 1911 roku doprowadził do odkrycia jądra atomowego i sformułowania planetarnego modelu atomu (w większości pustego, z jądrem w środku, od którego w ogromnej odległości, po ściśle określonych orbitach, krążą elektrony) stanowiącego milowy krok w poznaniu budowy atomu. To właśnie jego model stał się podstawą współczesnego kwantowego modelu atomu zaproponowanego przez Nielsa Bohra. Bohr zakładał, że elektrony poruszają się po ściśle określonych orbitach, a przejścia pomiędzy nimi mogą zachodzić jedynie wskutek absorpcji lub emisji odpowiednich kwantów energii (fotonów). Rutheford zakończył epokę postrzegania atomu w ujęciu fizyki klasycznej, a Bohr rozpoczął nową erę – fizyki kwantowej.

Gdyby nie pionierzy odkryć budowy mikroświata – Henri Becquerel, Maria Skłodowska-Curie, Piotr Curie, Ernest Rutherford czy Niels Bohr, może do dnia dzisiejszego nigdy nie potrafilibyśmy odpowiedzieć na wiele pytań, jak na przykład, dlaczego niektóre materiały są przewodnikami, a inne nie, niewyjaśnione pozostałyby własności magnetyczne i optyczne materiałów. Nie potrafilibyśmy też wyjaśnić, dlaczego promieniowanie ultrafioletowe jest promieniowaniem szczególnym dla materii ożywionej, bo nie wiedzielibyśmy nic o istnieniu kwantów energii fali elektromagnetycznej. Hipotezę istnienia kwantu energii odkrytą przez Maxa Plancka w 1900 roku potwierdziły obserwacje zjawiska fotoelektrycznego wykonane przez Heinricha Hertza i Aleksandra Grigoriewicza Stoletowa, które zinterpretował i sformułował w języku matematyki Albert Einstein. Planck i Einstein za swoje odkrycie stanowiące dzisiaj podstawę zrozumienia budowy mikroświata otrzymali Nagrodę Nobla – Planck w 1918, a Einstein w 1921 roku. W 1924 roku Louis de Broglie postawił hipotezę o dualizmie korpuskularno-falowym, stwierdzając, że jeśli fala elektromagnetyczna może być interpretowana jako strumień cząstek o określonym pędzie, to również strumień cząstek powinien mieć właściwości falowe. Potwierdziło ją doświadczenie wykonane przez Clintona Josepha Davissona i Lestera Germera w 1927 roku, polegające na skierowaniu wiązki elektronów na strukturę krystaliczną działającą jak siatka dyfrakcyjna, pozwalające zaobserwować zjawisko dyfrakcji fal materii pędzących do anody elektronów. Odkrycia kwantu energii i dualizmu korpuskularno-falowego doprowadziły w XX wieku do wielu nowych odkryć.

Może dzisiaj nawet nie doceniamy ogromu wiedzy, jakiej nam przybyło w XX wieku, i perspektyw, jakie otwierają się przed zdolnymi ludźmi, którzy ją poznają. Pewna licealistka powiedziała – „dlaczego muszę się uczyć o jakichś kwantach – na pewno nigdy do niczego nie będą mi one potrzebne”. A wiedza ta jest niezbędna we współczesnym świecie i wcale nie tak „księżycowa”, jak można by sądzić. Gdyby młode osoby znały i rozumiały pojęcie kwantu energii ultrafioletu, nie byłoby takiej rozmowy:

– „wiesz, znam świetne solarium. Mówię Ci, pięć minut i wychodzisz opalony na brąz”.

Zresztą nie tylko młodzi ludzie popełniają błędy. Maria Skłodowska-Curie zmarła w 1934 roku na białaczkę spowodowaną wysokimi dawkami promieniowania, na jakie była narażona podczas prowadzenia badań nad naturalną, a później sztuczną promieniotwórczością, ale dopiero liczne przypadki choroby popromiennej po zrzuceniu bomby atomowej zawierającej uran (na Hiroszimę) i pluton (na Nagasaki) uświadomiły skalę zagrożenia promieniowaniem jonizującym i jądrowym.

Pierwszy fluoroskop – urządzenie pozwalające na wykonywanie zdjęć rentgenowskich wynalazł w 1896 roku Tomas Edison, ale po tym, jak niemal stracił wzrok, a jego asystent Clarence Madison Dally uległ ciężkim poparzeniom (twarzy, ramion) i w niedługim czasie zmarł na nowotwór śródpiersia wywołany przez promieniowanie rentgenowskie, zaniechał prac nad tym projektem.

Jednak zaledwie kilkanaście lat później, w 1921 roku, aparat fluoroskopowy, nazwany pedoskopem, został opatentowany przez bostońskiego lekarza Jacoba Lowe’a, który podczas I wojny światowej stworzył go na potrzeby wojska jako urządzenie umożliwiające szybkie dopasowywanie butów żołnierzom. W okresie od 1946 roku do późnych lat pięćdziesiątych XX wieku, a więc ponad 50 lat po odkryciu promieniowania rentgenowskiego pedoskopy nadal były używane do przymierzania butów, stanowiąc w bogatych krajach wyposażenie wielu magazynów z obuwiem. W dodatku pierwsze egzemplarze takich aparatów rentgenowskich były w większości pozbawione osłon, a później dodano osłonę chroniącą głównie sprzedawców. W konsekwencji równoważnik dawki pochłoniętej przez stopy sięgał 400 mSv na minutę, a średnio 80 mSv na minutę, podczas gdy obecnie średnia dawka dopuszczalna dla ogółu ludności wynosi zaledwie 0,1 mSv na rok, a współczesna norma dla osób zatrudnionych przy pracy ze źródłami promieniotwórczymi (np. w elektrowniach atomowych) wynosi 50 mSv na rok. Ponieważ zaaplikowana jednorazowo dawka promieniowania około 2 Sv może być śmiertelna, wobec tego można powiedzieć, że dzieci przymierzające ponad 5 minut buty ocierały się o śmierć. W końcu musiało wkroczyć prawo, aby wyeliminować pedoskopy z powszechnego użycia, a wykorzystanie promieni rentgenowskich ograniczyć i zezwolić na badania przy ich użyciu wyłącznie lekarzom posiadającym uprawnienia. Wielu sprzedawców butów w USA już po wycofaniu pedoskopów zachorowało na chorobę popromienną.

Zastanówmy się, jaki jest dzisiaj, w XXI wieku, stan wiedzy o niebezpiecznych aspektach promieniowania elektromagnetycznego w urządzeniach, których używamy na co dzień, jak choćby telefony komórkowe. Czy prawo reguluje zastosowanie promieniowania w tych urządzeniach? Czy są jakieś ograniczenia? Czy w ogóle są prowadzone badania poziomu promieniowania? Czy istnieją jakieś normy?

W 2009 roku na obszarze całej Unii Europejskiej wprowadzono wymóg ograniczenia emisji ultrafioletu przez urządzenia solaryjne do poziomu 0,3 W/m² oraz konieczność znakowania lamp i informowania klientów o negatywnych skutkach opalania. Rozważane jest wprowadzenie ustawy zabraniającej korzystania z solariów młodzieży poniżej 18 roku życia. Takie regulacje prawne już obowiązują w wielu państwach. We Francji korzystanie z solarium jest dozwolone dopiero po ukończeniu 20 roku życia, w Niemczech i Szkocji obowiązuje zakaz korzystania z solariów przez osoby poniżej 18 lat. W USA już w 28 stanach albo wymagana jest zgoda rodziców, albo istnieje bezwzględny zakaz korzystania z solarium przez osoby niepełnoletnie. W Nowej Południowej Walii (Australia) został wprowadzony zakaz korzystania z solarium dla osób poniżej 30 lat. W Brazylii zabrania się korzystania z solarium nawet osobom dorosłym. W Szwecji, Norwegii, Danii, Finlandii, choć formalnie nie ma zakazu, to po ukazaniu się raportu Międzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem IARC (International Agency for Research on Cancer) solaria są zamykane. Brytyjskie Towarzystwo Medyczne wystąpiło do brytyjskiego parlamentu o zabronienie używania sztucznych łóżek do opalania ludzi, a parlament ten zakaz zatwierdził. W 2009 roku IARC zakwalifikowała użycie solarium do grupy czynników rakotwórczych najwyższego ryzyka. Eksperci uznali, że cały zakres ultrafioletu powoduje mutacje genetyczne, a nowa klasyfikacja solariów umieściła je na tym samym poziomie zagrożeń, co tytoń, wirusowe zapalenie wątroby i azbest. Obecnie uznaje się, że promieniowanie UV-A, którego dawki ulegają kumulacji, jest równie szkodliwe jak UV-B. Dlatego bardzo niebezpieczne jest uzależnienie ludzi młodych od korzystania z solariów, zwane tanoreksją.

W najnowszym raporcie polskiego Departamentu Zdrowia, Głównego Inspektoratu Sanitarnego, dostrzeżono konieczność zwiększenia działań informacyjno-edukacyjnych skierowanych do młodzieży, rodziców oraz właścicieli solariów, ale brakuje w nim regulacji prawnych dotyczących zasad korzystania z solariów, określenia wymogów technicznych urządzeń, zasad sterylizacji czy poziomu kwalifikacji personelu. W Polsce, jak dotąd, nie istnieją żadne zakazy dotyczące korzystania z łóżek opalających przez nastolatków, a polskie prawo pozwala na sprzedaż tzw. „solariów domowych” osobom bez żadnych uprawnień. Strach pomyśleć, co się może stać, kiedy jakieś dziecko uzna, że ma słoneczko w domu, i przedawkuje opalanie, albo, co gorsze, zacznie majsterkować przy filtrze pochłaniającym krótkofalowe linie widmowe lampy ultrafioletowej. W Polsce żyją jeszcze ludzie, którzy w przedszkolu byli naświetlani „słoneczkiem”, czyli lampą rtęciową emitującą ultrafiolet.

Może warto, chociaż na początek, propagować informację, że fioletowe światło lampy (fala elektromagnetyczna widzialna) czy ciepło bijące od lampy (fala elektromagnetyczna podczerwona) wcale nie opalają. Opalanie dokonuje się dzięki fali elektromagnetycznej ultrafioletowej (UV) i jest dramatyczną odpowiedzią naszej skóry, produkującej melaninę, która wlewa się do komórek i osłania jądro komórkowe, chroniąc DNA przed uszkodzeniem. Działania edukacyjne powinny być skierowane do młodzieży, ale także do rodziców oraz właścicieli solariów. Natura zadała sobie wiele trudu, żeby nie dopuścić do kontaktu promieniowania ultrafioletowego z DNA. Fizjologiczną ochronę stwarza nie tylko melanina, ale i pogrubiony naskórek, powłoka lipidowa pokrywająca naskórek oraz kwas urokainowy zawarty w naskórku i pocie. Opalanie się (melanogeneza) jest w rzeczywistości szeregiem reakcji fotochemicznych dokonujących się w materii ożywionej. W tym szeregu nie może zawieść żaden enzym czy koenzym, bo skutki kontaktu DNA z UV mogą być tragiczne.

Entuzjazm, z jakim Florance Nightingale w swojej książce z 1859 roku Uwagi o Pielęgniarstwie propagowała dobroczynne działanie promieni słonecznych, przytaczając przypadki osób, które chorowały ciężej w następstwie tego, że nie mogły nawet wyjrzeć przez okno, spowodował, że opalenizna została uznana za syndrom zdrowia. Przypadki krzywicy opisywał grecki lekarz Soranus z Efezu już na przełomie I i II w. n.e., ale dopiero polski lekarz Jędrzej Śniadecki, w 1822 roku, na podstawie obserwacji częstotliwości występowania krzywicy wśród dzieci w uprzemysłowionych i wolnych od zanieczyszczeń dzielnicach Warszawy określił etiologiczną jej przyczynę – brak dostatecznej ilości promieniowania słonecznego. Ale czy w takim razie po to, żeby organizm zsyntetyzował witaminę D, należy się opalać bez umiaru? Postaramy się przedstawić, jakie dawki UV są rzeczywiście niezbędne człowiekowi do syntezy witaminy D i jakiej długości fale elektromagnetyczne uczestniczą w tej reakcji fotochemicznej.

Podobne było działanie innego czynnika – mody, który nie tylko osłabił czujność ludzi na dawki promieniowania UV, ale spowodował, że zapomniano o możliwości nabawienia się choroby popromiennej. Kiedyś u progu naszego stulecia wytworne białe damy unikały słońca, używały parasoli przeciwsłonecznych, stosowały kosmetyki chroniące przed słońcem (głównie zawierające ołów) i tylko wieśniaczki były opalone na brąz. Dopiero Coco Chanel, która w 1923 roku przypadkowo się opaliła podczas rejsu jachtem po Riwierze Francuskiej, wprowadziła modę na opalanie. Opalenizna stała się symbolem bogactwa. Dlaczego? Bo nie każdy mógł pojechać na Wyspy Kanaryjskie i wrócić do pochmurnej Europy z piękną opalenizną.

To, co zaoferowała Coco Channel ludzkości, można nazwać magią reklamy. Dlaczego biały człowiek poddaje swoje ciało procesowi melanogenezy, pozwolimy sobie wytłumaczyć za pomocą anegdoty:

Diabeł i Anioł reklamują człowiekowi życie po śmierci. Anioł pokazuje rajskie ogrody, spokój, ciszę, szczęśliwe życie wśród pogodnych, uduchowionych ludzi. W reklamie diabła odbywa się wielki piknik, szalona impreza – muzyka, fajerwerki, mnóstwo roześmianych ludzi, „jedzą, piją, lulki palą, tańce, hulanki, swawola” – jak pisał nasz wieszcz Adam Mickiewicz.
Człowiek wybrał ofertę diabła – była ciekawsza i bardziej przekonująca. W końcu człowiek umiera i trafia do piekła. A tam płacz, jęki, ognie piekielne itd.
Rozżalony człowiek krzyczy – diable, co to ma być. Przecież mówiłeś całkiem inaczej...
A diabeł na to – E, tamto. Tamto to był nasz folder reklamowy.

Trudno nie ulec urokowi reklamy wakacji na Malediwach czy w Tajlandii. Ale nad tym, czy białemu człowiekowi dobrze służą takie wakacje, należałoby się zastanowić. Nie wolno ufać reklamom. Wiedza może uchronić nas przed nieszczęściem. W reklamie każdego solarium są palmy i zalane słońcem plaże. Reklamodawca nie może sobie pozwolić na to, aby lampa ultrafioletowa skojarzyła się z aparatem rentgenowskim. Ma się kojarzyć ludziom ze Słońcem i naturą.

Rybacy łowiący w Prypeci ryby nocą, kiedy nastąpił wybuch wodoru z reaktora jądrowego w elektrowni atomowej Czernobylu, opalili się na ciemny brąz w ciągu jednej nocy. Przyczyną było promieniowanie ultrafioletowe wywołane efektem Comptona.

Często genetycznie uwarunkowana pigmentacja skóry ludzi zupełnie nie odpowiada ich obecnemu miejscu zamieszkania, najlepszym przykładem są Australijczycy i Nowozelandczycy, których jasnoskórzy przodkowie pochodzili głównie z Wysp Brytyjskich. Ryzyko zachorowania na czerniaka przed 75 rokiem życia wynosi w tych państwach 1:24 u mężczyzn i 1:34 u kobiet – jest największe na świecie. Mieszkańcy północnej Europy spędzający wakacje w słonecznych krajach podejmują spore ryzyko. To właśnie dlatego w krajach skandynawskich śmiertelność powodowana czerniakiem jest 4–6 razy większa niż w rejonie basenu Morza Śródziemnego.

Osobom korzystającym z solariów dobrze znane jest zjawisko złej reakcji organizmu na naświetlenie promieniami UV-B, kiedy to zamiast opalenizny na skórze człowieka pojawiają się poparzenia albo swędząca wysypka. Odpowiedzialność za taki stan rzeczy ponoszą zioła, leki lub niektóre kosmetyki fotouczulające, które dostały się do organizmu człowieka przed rozpoczęciem naświetlenia. Znanych jest ponad 2000 substancji fotouczulających, które działają jak antena ściągająca promieniowanie UV i przekazująca energię dalej do centrum reakcji. Ich działanie na człowieka można porównać do działania chlorofilu w roślinach. Do fotouczulaczy należy przede wszystkim ziele dziurawca, niektóre rośliny użytkowe i ozdobne, wiele leków (przeciwbakteryjne przeciwzapalne, przeciwcukrzycowe, uspokajające i hormonalne) oraz kosmetyków (dezodoranty, perfumy, mydła), a lista ta systematycznie się wydłuża. Ale kogo to obchodzi? Biały człowiek dostał amoku na punkcie pięknej opalenizny. Solaria reklamują się jako „lepsze” słoneczko, jako turbo-solarium, chociaż mają do zaoferowania tylko lampę rtęciową o większej mocy. W pogoni za nowościami i oszczędnością czasu, zalewani wszechobecną reklamą, zapominamy o najważniejszych sprawach, takich jak bezpieczeństwo i zdrowie.

Dzisiaj ekologom zdającym sobie sprawę, jak ważna jest dla życia na Ziemi warstwa ozonowa (jedyny naturalny filtr promieniowania UV w skali globalnej), spędza sen z powiek nawet możliwość jej ubytku o 1%, ze względu na groźbę katastrofy ekologicznej. A o tym, jaki był stan wiedzy jeszcze w całkiem niedawnych czasach, świadczy artykuł Aleksandra Fresmana, który ukazał się w 1948 roku w Problemach (4, 271 (1948)), pod tytułem, „Gdy chemia zawładnie światem”. Roztaczając wizję „przyszłego świata, przekształconego fantastycznie mózgami chemików”, autor napisał między innymi: „Jeszcze wspanialsze będzie zwycięstwo nad warstwami ozonu, który utworzył się na wysokości dziesiątków kilometrów pod działaniem promieni ultrafioletowych Słońca. Wiemy, że warstwy ozonu, otulając Ziemię niby nieprzenikniona zasłona, zatrzymują promienie życiodajne ultrafioletowe, które jednocześnie są nieprzezwyciężoną zaporą dla fal radiowych.” Na pewno Aleksander Fresman znał prawa odbicia fal radiowych, ale z pewnością nie znał prawa pochłaniania promieniowania ultrafioletowego przez warstwę ozonową. Nie wiadomo też, dlaczego nazwał ultrafiolet życiodajnym promieniowaniem? Być może ze względu na to, że ultrafiolet jest składnikiem promieniowania słonecznego? A może dlatego, że jest niezbędny do wytwarzania w organizmie witaminy D? Niestety takich niechlubnych przykładów niewiedzy na temat skutków oddziaływania kwantów promieniowania z ziemskim mikroświatem – światem atomów i cząstek można by przytoczyć więcej. Jednym z artykułów naprawdę wartych przeczytania i zastanowienia się jest z pewnością artykuł R.M. Macklisa

„Wielki skandal w radioterapii” opublikowany w Świecie Nauki, nr 10 (s. 68) w 1993 roku. Można się z niego dowiedzieć, do czego doprowadziła sprzedaż środków farmakologicznych zawierających promieniotwórczy rad, która trwała aż do lat trzydziestych XX wieku, a być może trwałaby i dłużej, gdyby nie spowodowane promieniotwórczymi lekarstwami zgony ludzi bogatych. Dopóki umierały kobiety malujące cyferblaty zegarów farbami zawierającymi domieszki promieniotwórczego radu (wywołującego luminescencję farby i zapewniającego świecenie tarczy w nocy), dopóty nikt się nimi nie przejmował.

Wyróżniamy siedem rodzajów fal elektromagnetycznych: radiowe (FM), mikrofale (MW), podczerwień (IR), widzialne – światło (VIS), ultrafiolet (UV), rentgenowskie (X) oraz gamma (γ), a każde z nich inaczej oddziałuje z materią ożywioną. Warto rozumieć, jak te fale działają na nas i na środowisko. Chociaż widma promieniowania mikrofal i podczerwieni sąsiadują ze sobą, to efekty ogrzewania substancji przez te rodzaje fal są diametralnie różne. Mikrofale ogrzewają w całej objętości, a podczerwień tylko na powierzchni (grill w kuchence mikrofalowej). A w ogóle, dlaczego tylko mikrofale i podczerwień ogrzewają? Człowiek nie ma narządów zmysłów pozwalających mu na postrzeganie promieniowania elektromagnetycznego innego jak światło (VIS). Często jednak jest tak, że promieniowanie nie daje żadnych doraźnych odczuć. Nie szczypie, nie gryzie, nie pali, nie wywołuje bólu, a skutki oddziaływania mogą być nieodwracalne. Pionierzy badający promieniowanie jonizujące (rentgenowskie czy gamma) przez długi czas nie odczuwali skutków jego działania i uważali je za nieszkodliwe. My mamy świadomość tego, że choroba popromienna może zniszczyć życie biologiczne, więc ustrzeżmy się od popełnienia przynajmniej niektórych błędów poprzednich pokoleń. Celem tej książki jest przedstawienie informacji o promieniowaniu ultrafioletowym i jego oddziaływaniu z materią. Ponieważ ultrafiolet jest częścią większej całości – widma fal elektromagnetycznych, dlatego też nie sposób mówić o nim wybiórczo. Pokazany zostanie zatem na tle innych rodzajów fal i ich oddziaływania z materią. Do zrozumienia książki w zupełności wystarczy podstawowy zasób wiedzy.1. Co to jest fala elektromagnetyczna?

Każda fala jest periodycznym zaburzeniem rozchodzącym się w czasie i przestrzeni. Fala przenosi energię z jednego miejsca w drugie. Łatwo to sobie wyobrazić obserwując korek unoszący się na wodzie. Gdy dotrze do niego fala, korek uzyskuje energię kinetyczną, lecz nie porusza się wraz z falą, tylko zaczyna drgać unosząc się w górę i w dół.

W przyrodzie występują trzy typy fal:

1. Fala mechaniczna, czyli fala sprężysta, która jest zaburzeniem rozchodzącym się w materii (ośrodku sprężystym), jak np. fala na wodzie czy fala dźwiękowa (akustyczna).

Może ona być poprzeczna albo podłużna, czyli taka, w której cząsteczki drgają odpowiednio prostopadle lub równolegle do kierunku ruchu. Fala podłużna to rozrzedzenia i zgęszczenia materii przemieszczające się zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali.

2. Fale elektromagnetyczna, która jest zaburzeniem pola elektromagnetycznego i której naturę oraz własności opiszemy bardziej szczegółowo dalej. Spośród znanych w przyrodzie trzech rodzajów fal falę elektromagnetyczną wyróżnia zdolność do rozchodzenia się w próżni. Pozostałe fale wymagają obecności materii.

3. Fala materii, czyli fala de Broglie’a. Hipoteza fal materii sformułowana przez księcia Luisa-Victora Pierre’a Raymonda de Broglie’a była osiągnięciem, za które otrzymał w roku 1929 Nagrodę Nobla. Fala materii to bynajmniej nie jest fala wysyłana przez materię! Poruszająca się materia zachowuje się jak fala i dlatego nazwano ją falą materii.

Wszechświat nie jest zbudowany ani z materii, ani z fal, lecz z czegoś, co w zależności od rodzaju badanego zjawiska wykazuje raz jedne, a raz drugie cechy. Dlatego mówi się o dualizmie korpuskularno-falowym. Zwykle fala, której źródłem są obiekty makroskopowe poruszające się na dużych w skali atomowej odległościach, jest bardzo krótka. Na przykład można obliczyć, że długość fali materii dla człowieka o masie 50 kg poruszającego się z prędkością 10 km/h powinna wynosić zaledwie 4,77·10^(–36) m. Dlatego choć z poruszającym się człowiekiem jest związana fala materii, to długość takiej fali jest na tyle mała, że nie jest możliwe jest jej wykrycie. Ale już fala związana z elektronami przyspieszanymi w polu elektrycznym jest możliwa do zaobserwowania. Istnienie fali materii potwierdziło jedno z 10 najpiękniejszych doświadczeń w fizyce – doświadczenie Clintona Josepha Davissona i Lestera Halberta Germera. W tym eksperymencie elektrony były odbijane od płaszczyzn kryształu niklu (rozpraszane na atomach niklu w tym krysztale), a odbite fale materii interferowały ze sobą, kiedy różnica ich dróg optycznych była równa całkowitej wielokrotności długości fali. Efekt był podobny jak dla fal rentgenowskich odbijanych od płaszczyzn kryształu. Davisson w roku 1937 otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie dyfrakcji elektronów. Doświadczenie Davissona–Germera stworzyło podstawy dyfrakcji elektronowej i umożliwiło zbudowanie mikroskopu elektronowego. Dotychczas zaobserwowano efekty potwierdzające falową naturę materii polegające na dyfrakcji cząstek elementarnych, całych jąder atomowych, a nawet całych cząsteczek (fullerenów). Natura fal materii jest znacznie bardziej skomplikowana niż fal elektromagnetycznych i nadal nie do końca poznana.

Poza trzema wymienionymi rodzajami fal postuluje się istnienie również innych fal, np. fal grawitacyjnych. Wystarczy, żeby planeta czy gwiazda wykonywała drgania, a wówczas wytwarzane przez nią pole grawitacyjne będzie zaburzane. Zaburzenie to będzie się rozchodzić w przestrzeni analogicznie jak rozchodzi się fala elektromagnetyczna. Ponieważ jednak pole grawitacyjne jest równoważne zakrzywieniu czasoprzestrzeni, więc fale grawitacyjne, o ile istnieją, są po prostu przemieszczającymi się deformacjami czasoprzestrzeni, tzw. zmarszczkami czasoprzestrzeni. Istnienie fal grawitacyjnych, przewidzianych przez ogólną teorię względności Einsteina, znalazło jak dotąd jedynie potwierdzenie pośrednie. Wskazują na to obserwacje układów podwójnych gwiazd neutronowych oraz pulsarów milisekundowych (Nature, 2010). Jedyna bezpośrednia obserwacja fal grawicyjnych – eksperyment George’a Webera z 1987 r. – nie została jak dotąd uznana za dowód ich istnienia, gdyż nikomu nie udało się go powtórzyć. Ponieważ fale grawitacyjne są to drgania niezwykle słabe, dlatego ich detekcja wymaga najbardziej precyzyjnych układów pomiarowych w historii fizyki.

Ustalmy, że słowa promieniowanie elektromagnetyczne i fala elektromagnetyczna oznaczają to samo i można używać obu tych pojęć wymiennie. Różne rodzaje fal elektromagnetycznych były odkrywane w różnych okresach. Światło jako falowanie „eteru” zostało opisane przez Christiaana Huygensa już w 1690 roku. Wkrótce potem w 1701 roku Thomas Young potwierdził falową naturę światła, odkrywając zjawisko interferencji. W 1862 roku James Clerk Maxwell sformułował układ czterech równań opisujących właściwości pól elektrycznych i magnetycznych oraz zależności pomiędzy nimi, a następnie wyprowadził na ich podstawie równanie fali elektromagnetycznej, dowodząc, że światło jest falą elektromagnetyczną. Równania Maxwella pozwoliły nawet obliczyć prędkość rozchodzenia tej hipotetycznej wówczas fali elektromagnetycznej. Jednak dopiero osiem lat po śmierci Maxwella, w roku 1887, Heinrich Rudolf Hertz pierwszy wytworzył falę elektromagnetyczną spoza zakresu widzialnego – falę radiową, co potwierdziło przewidywania Maxwella, a zarazem pozwoliło uznać fale świetlne (widzialne) za fale elektromagnetyczne. Promieniowanie podczerwone odkrył William Herschel w 1800 roku. Początkowo wcale nie było ono uważane za falę elektromagnetyczną, ale za „promieniowanie cieplne”. Herschel zauważył, że poza czerwoną granicą widma świetlnego, w obszarze, gdzie oko już nie postrzega światła, termometr wskazywał stosunkowo wysoką temperaturę, co mogło dowodzić, że i w tym przypadku występowało promieniowanie podobne charakterem do światła. Do dzisiaj falę elektromagnetyczną podczerwoną nazywa się kolokwialnie promieniowaniem cieplnym, chociaż wiemy, że energia cieplna nie jest falą elektromagnetyczną, ale energią kinetyczną cząsteczek. Podobnie promieniowanie podczerwone, które emituje Ziemia, nazywa się żargonowo promieniowaniem ziemskim albo promieniowaniem cieplnym. Nazwa podczerwień została wprowadzona nie ze względu na barwę światła, ale umiejscowienie fal w widmie fal elektromagnetycznych (z łac. infra – poniżej).

Fakt, że w świetle słonecznym zawarte są fale spoza krańca fioletowego o długościach, które nie są rejestrowane przez ludzkie oko odkryli jednocześnie Johann Wilhelm Ritter i William Hyde Wollaston w 1802 roku. Zaobserwowali oni, że promieniowanie to powoduje zaczernienie chlorku srebra. Jednak dopiero Alexandre Edmond Becquerel, który przeprowadził systematyczne badania promieniowania elektromagnetycznego z tego zakresu, nadał mu nazwę promieniowania ultrafioletowego (nadfioletowego) (z łac. ultra – poza, ponad).

Promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem hamowania, X albo rentgenowskim zostało odkryte przez Wilhelma Conrada Röntgena w 1895 roku, kiedy uczony ten stwierdził, że ściana rury szklanej, na którą padały „promienie katodowe” (dzisiaj wiemy, że były to elektrony wydobywające się z katody i przyspieszane w polu elektrycznym) stawała się źródłem nowego promieniowania – przenikającego przez materiały biologiczne, a nawet przez cienkie folie cynkowe lub srebrne – zdolnego do naświetlenia klisz fotograficznych.

Odkrycie najbardziej krótkofalowego zakresu fal elektromagnetycznych – promieniowania gamma zawdzięczamy Henriemu Antoine’owi Becquerelowi, który w 1896 roku, badając fluorescencję rud uranu, stwierdził, że pierwiastek uran wysyła niewidzialne promieniowanie, które działa na światłoszczelnie opakowaną kliszę fotograficzną tak samo jak promieniowanie rentgenowskie i podobnie jak ono czyni powietrze dobrym przewodnikiem elektryczności. Nowe promieniowanie nazywano początkowo becquerelowskim, a dopiero później promieniowaniem radioaktywnym, natomiast zdolność emitowania takiego promieniowania – radioaktywnością. Badania przeprowadzone w następnych latach wykazały, że radioaktywność jest własnością jądra uranu oraz że istnieje cały szereg radioaktywnych pierwiastków. Jednocześnie stwierdzono, że promieniowanie radioaktywne jest złożone i obejmuje trzy rodzaje promieni, które nazwano według pierwszych liter alfabetu greckiego promieniami alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Ernest Rutherford w 1899 roku zidentyfikował dwa z trzech składników nazwane (α) i (β) jako jądra helu i elektrony, natomiast Paul Villard w rok później stwierdził, że promieniowanie gamma (γ) jest falą elektromagnetyczną. Obecnie znane promieniowanie jądrowe pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie (np. w reakcjach jądrowych) może zawierać również inne cząstki elementarne, takie jak neutrony czy protony.

Aby zrozumieć, w jaki sposób fala elektromagnetyczna oddziałuje ze środowiskiem, musimy przede wszystkim zrozumieć, czym ona jest i czym jest kwant energii fali elektromagnetycznej, czyli foton. Każda fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pól elektrycznego i magnetycznego. Pole elektryczne charakteryzuje natężenie pola elektrycznego tradycyjnie oznaczane literą E, natomiast pole magnetyczne charakteryzuje indukcja pola magnetycznego zwyczajowo oznaczana literą B, przy czym obydwie te wielkości są wektorami. Jeżeli w pewnym miejscu przestrzeni wywołane zostaną zmiany rozkładu przestrzennego ładunków elektrycznych (np. drgania elektronów), to powstaną zarówno zmiany pola elektrycznego E, jak i magnetycznego B rozchodzące się od miejsca swego powstania w przestrzeni we wszystkich kierunkach z prędkością, która w próżni równałaby się prędkości światła c = 2,99783·10⁸ m/s. W trakcie trwania zaburzenia możemy w dowolnej chwili i w dowolnym miejscu wykazać istnienie wektorów E i B wzajemnie prostopadłych do siebie, których wartość ulega regularnym zmianom w czasie, od zera do pewnego maksimum. Te zmiany wartości wektorów E i B w czasie (jeśli mierzymy je w stałym punkcie przestrzeni) lub w zależności od odległości (jeśli mierzymy je w tym samym czasie) mają charakter sinusoidalny, dlatego falę elektromagnetyczną można przedstawić obrazowo jako dwie wzajemnie prostopadłe sinusoidy. Jedna z nich przedstawia rozchodzenie się zmian wektora B, a druga wektora E (rys. 1.1). Jest to jednak tylko częściowo prawda, ponieważ takich sprzężonych par wektorów E i B jest bardzo wiele w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali (chyba że fala ulegnie tzw. zjawisku polaryzacji i rzeczywiście któreś dwie sinusoidy odpowiadające E i B zostaną wyróżnione). Ponieważ wektory E i B są zawsze prostopadłe do kierunku rozchodzenia się, falę elektromagnetyczną nazywamy falą poprzeczną. Znamienny jest fakt, że samo zaburzenie może być niewielkie, ale może się przemieszczać na ogromne odległości. Przemieszczanie się fali elektromagnetycznej można porównać do przemieszczania się zaburzenia w układzie klocków domina. Kiedy pukniemy w jedną kostkę domina w rzędzie ustawionych obok siebie kostek (rys. 1.1b), to chociaż każda z nich przemieszcza się nieznacznie, kolejne kostki będą się przewracały, a wywołane zaburzenie będzie przenosić się na duże odległości.

Rys. 1.1

a) Schemat rozchodzenia się fali elektromagnetycznej: E – wektor drgań pola elektrycznego, B – wektor drgań pola magnetycznego. b) Porównanie rozchodzenia się fali do rozchodzenia się zaburzenia w zabawie z kostkami domina. c) Zobrazowanie fali dwuwymiarowej dla wybranej chwili t

Fala przedstawiona na rysunku 1.1a jest falą jednowymiarową – poruszającą się wzdłuż linii prostej. W rzeczywistości fala elektromagnetyczna porusza się w przestrzeni. Wszystkie pojęcia, które zostaną wprowadzone dla fal jednowymiarowych, są jednak prawdziwe i obowiązują również w przestrzeniach dwui trójwymiarowej. O ile matematyk nie ma żadnych problemów z uogólnieniem pojęcia fali jednowymiarowej na falę w dwóch, trzech, czterech, a nawet N wymiarach, o tyle zobrazowanie już dwuwymiarowej fali nastręcza pewne trudności. Wiąże się to z faktem, że obrazy w przestrzeni dwuwymiarowej nie mają swoich prostych odpowiedników w przestrzeni jednowymiarowej. Przykładem fali w przestrzeni dwuwymiarowej, którą stosunkowo łatwo można sobie wyobrazić, jest fala powstająca na powierzchni wody np. po wrzuceniu do niej kamienia. Każdemu punktowi na powierzchni wody w danej chwili odpowiada określone odchylenie od tej powierzchni. Można to zobrazować w sposób przedstawiony na rysunku 1.1c. Oczywiście taka fala nie jest falą elekromagnetyczną, jedynie ilustruje ideę. Przekrój interesującej nas fali periodycznej w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny xy to jednowymiarowy obraz periodycznie występujących grzbietów i dolin. Odległość pomiędzy grzbietami jest długością fali λ.

W przypadku fali elektromagnetycznej można powiedzieć, że długość fali λ jest

odległością w przestrzeni, w której wektory E i B znajdują się w tej samej fazie. Taki zbiór punktów, w którym wektory E i B znajdują się w tej samej fazie, stanowi czoło fali, natomiast kierunek rozchodzenia się fali, który jest prostopadły do czoła fali, nazywany jest promieniem fali.

1.1. Parametry charakteryzujące falę elektromagnetyczną

Falę elektromagnetyczną, podobnie jak pozostałe rodzaje fal, charakteryzujemy za pomocą parametrów falowych, to jest długości λ, częstości ν, prędkości rozchodzenia się fali c w próżni (c = 3 ⋅ 10⁸ m/s) lub v w danym ośrodku. Czasem falę charakteryzuje się również przez podanie okresu fali T, który definiujemy jako czas potrzebny na wykonanie pełnego drgania i wyrażamy w jednostkach czasu. Odwrotność okresu drgań to częstość. Natomiast długość fali to droga, jaką przebędzie fala po upływie jednego okresu drgań, innymi słowy najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań. Wielkości te nie są jednak niezależne, są bowiem związane wzorem

(1.1)

O ile długość i prędkość fali są wielkościami, które mogą się zmieniać w zależności od tego, przez jaki ośrodek przechodzi fala elektromagnetyczna, o tyle częstość fali przechodzącej przez różne ośrodki, np. przez wodę i powietrze, jest taka sama. Częstość jest niezmienna przynajmniej w zakresie fal dłuższych od promieniowania rentgenowskiego (zmiana częstości fali może nastąpić w tzw. zjawisku Comptona – rozpraszaniu fal elektromagnetycznych na elektronach swobodnych).

Najważniejszą cechą fali elektromagnetycznej jest zdolność do przenoszenia energii na znaczne odległości. W próżni to przenoszenie energii odbywa się bez żadnych strat. Wiązka promieniowania elektromagnetycznego jest w rzeczywistości zbiorem kwantów energii biegnących w kierunku rozchodzenia się promieniowania i dlatego można powiedzieć, że fala elektromagnetyczna ma charakter materialny. Wielkość pojedynczego kwantu energii promieniowania zwanego fotonem określa podana przez Plancka zależność, zwana również postulatem Plancka:

(1.2)

gdzie h = 4,136 ⋅ 10^(–15) eV ⋅ s jest stałą Plancka. Stałą Plancka można również wyrazić w jednostkach J ⋅ s, jednak w badaniach mikroświata popularnie stosowaną jednostką energii jest elektronowolt (1 eV = 1,602 ⋅ 10^(–19) J). Relacja (1.2) łączy korpuskularne i falowe własności fali elektromagnetycznej. Kwant energii (foton) nie ma masy spoczynkowej, która jest cechą charakterystyczną rzeczywistych cząstek przyrody, mówimy, że nie istnieje w spoczynku, ale ma tzw. masę relatywistyczną. Wynika ona ze słynnego prawa Einsteina identyfikującego energię jako materię. Równaniem, które łączy masę i energię, jest równanie Einsteina

E = mc². (1.3)

Można zatem powiedzieć, że masa kwantu energii wynosi

(1.4)

Masa kwantu energii zależy od prędkości poruszania się kwantu i długości fali. Nie jest to masa spoczynkowa, lecz relatywistyczna. Jeżeli przyjmiemy jako jednostkę masy 1 u, co odpowiada masie atomowej równej 1/12 masy izotopu ¹²C atomu węgla, to 1 u = 932,78 eV.

Ze względu na to, że foton nie ma ładunku elektrycznego, nie podlega działaniu nań ani pola elektrycznego ani pola magnetycznego. Natomiast, ponieważ ma materialny charakter, oddziałuje na nie pole grawitacyjne. Przejawem tego jest np. zakrzywienie biegu promieni świetlnych w pobliżu mas grawitacyjnych, powodujące w skrajnym przypadku uwięzienie fotonów (czarna dziura), czy obserwacje wiatru słonecznego, który „zwiewa” ogony komet w kierunku od Słońca. Fala elektromagnetyczna wywiera ciśnienie w zetknięciu z ciałami analogicznie jak przedmioty materialne. Kwant energii fali elektromagnetycznej – foton – można nazwać „atomem energii”. Energię 1 mola fotonów (N_(A)hν, gdzie N_(A) jest liczbą Avogadra) nazywa się ajsztainem.