Elektromagnetische straling
Een bord pasta opwarmen in de magnetron, een röntgenfoto maken van je gebroken arm in het ziekenhuis of lekker onder de warmtelamp op het terras zitten. Het zijn allemaal voorbeelden van elektromagnetische straling. Maar wat is deze straling precies en welke soorten elektromagnetische straling bestaan er? In dit artikel leggen we het je uit!
Wat is elektromagnetische straling?
Elektromagnetische straling is een verzamelnaam voor alle soorten straling die uit elektromagnetische golven bestaan. Hier vallen ook veel bekende soorten straling onder. Denk aan het zichtbare licht, radiogolven, Wi-Fi-golven en röntgenstraling.
Het woord ‘elektromagnetisch’ komt door het feit dat elektromagnetische straling bestaat uit een elektrische en magnetische trilling door de ruimte. Dit kun je goed in het onderstaande plaatje zien:
Het elektrische en magnetische veld staan altijd loodrecht op elkaar. Op die manier trillen beide velden in golfjes heen en weer, terwijl ze met een bepaalde snelheid vooruitgaan. De straling haalt zijn energie uit dit elektromagnetische veld.
De verschillende soorten elektromagnetische straling worden verdeeld op basis van frequentie en golflengte. De frequentie en golflengte verhouden zich tot elkaar door de formule c = λ · f, waarbij λ de golflengte in meters is en f de frequentie in Hertz.
Welke soorten elektromagnetische straling zijn er?
De verschillende soorten elektromagnetische straling worden grofweg onderverdeeld in zeven categorieën, aflopend van lange golflente naar korte golflengte:
- Radiogolven
- Microgolven
- Infrarode straling
- Zichtbaar licht
- Ultraviolette straling
- Röntgenstraling
- Gammastraling
Elk van deze soorten straling heeft andere eigenschappen en wordt dus ook voor andere doeleinden gebruikt. Golven met een lage frequentie (en dus een hoge golflengte) hebben een hoger doordringend vermogen. Dat betekent dat ze verder reiken en makkelijker door voorwerpen heen kunnen stralen. Dit komt doordat fotonen (lichtdeeltjes) met een lage frequentie ook een lage energie hebben, waardoor de kans kleiner is dat ze worden opgenomen door atomen in de ruimte.
Een goed voorbeeld hiervan is de Wi-Fi in je huis. Wi-Fi heeft een veel lagere frequentie dan zichtbaar licht. Hierdoor kunnen Wi-Fi golven door de muren van je huis heen, terwijl licht dat niet kan.
De verschillende soorten elektromagnetische golven kunnen grafisch worden weergegeven in het elektromagnetisch spectrum.
Hieronder worden deze 7 soorten elektromagnetische straling uitgelegd.
Wat zijn radiogolven?
Radiogolven zijn elektromagnetische golven met een golflengte van 1 mm tot vele kilometers. Vanwege de relatief grote golflengte hebben radiogolven een hoog doordringend vermogen. Dat maakt radiogolven uitermatige geschikt voor langeafstandscommunicatie. Binnen de groep radiogolven is er een groot aantal subgroepen. Dit loopt van radiogolven met een Extreem Lage Frequentie (ELF) tot radiogolven met een Extreem Hoge Frequentie (EHF).
De ELF golven (met een golflengte tussen 10.000 km en 100.000 km) worden onder andere door de marine gebruikt om te communiceren met duikboten in diep water en grotten. Radiogolven gaan namelijk gemakkelijk door water heen.
Ook lagere golflengten (tussen 100 m en 10 km) worden voor militaire communicatie gebruikt, maar dan vooral voor communicatie via de lucht. Dit is bijvoorbeeld handig voor communicatie met vliegtuigen.
De bekendste vorm van radiogolven zijn AM en FM (met golflengtes tussen 10 cm en 1000 m). We gebruiken ze voornamelijk voor de radio. Deze radiogolven gaan makkelijk over lange afstanden door de lucht en ook door muren heen. Hierdoor kun je midden in je huis naar de radio luisteren.
Wat zijn microgolven?
Microgolven zijn elektromagnetische golven met een golflengte tussen 1 mm en 1 cm. Ze hebben een lager doordringend vermogen en een hogere energie, doordat de golflengte korter is dan die van radiogolven.
De hogere energie is handig voor het gebruik van magnetrons. Het lagere doordringende vermogen van microgolven komt door het feit dat ze sneller worden opgenomen door verschillende moleculen in de ruimte om ons heen. Moleculen die een foton (in dit geval een microgolf) opnemen, ontvangen de energie van het foton en gaan daardoor trillen. Het molecuul warmt vervolgens op. Door een enorme hoeveelheid microgolven op een voorwerp te stralen, warmt het hele voorwerp op. Op die manier wordt eten opgewarmd in de magnetron. Echter, bepaalde moleculen nemen microgolven beter op dan andere moleculen. Daarom blijven sommige delen van je eten uit de magnetron alsnog koud.
In de magnetron worden niet alle microgolven opgenomen. Een groot deel weerkaatst namelijk van het oppervlak. Wanneer een straal microgolven de lucht in schiet, zal een deel hiervan terug weerkaatsen naar de bron. Dit is het principe van een radar, wat veel wordt gebruikt in het leger en in de luchtvaart.
Op een marineschip worden de microgolven bijvoorbeeld in alle richtingen geschoten. Door op hetzelfde schip heel nauwkeurige microgolf meetapparatuur te hebben, kunnen teruggekaatste microgolven worden opgevangen. De richting van terugkaatsing geeft dan aan waar zich een voorwerp bevindt. Door de microgolven in pulsen (kortstondige stroom) te schieten kun je meten hoe lang de microgolf erover heeft gedaan om terug te keren. Op die manier kun je zowel de richting als de afstand tot objecten om je heen bepalen.
Wat is infrarode straling?
Infrarode straling is een vorm van elektromagnetische straling tussen ongeveer 760 nm en 1 mm. Het is de straling die vaak wordt uitgestraald door atomen nadat ze energie hebben opgenomen. Ze gaan dan van een aangeslagen toestand naar een rusttoestand en zenden daarbij infrarode straling uit.
Infrarode straling met relatief hogere golflengte (richting 1 millimeter) is wat wij vaak voelen als ‘warmtestraling’. Dat komt doordat voorwerpen die warm zijn, bestaan uit atomen in aangeslagen toestand. De atomen hebben warmte gekregen en dus energie opgenomen. Ze zenden deze warmte vervolgens weer uit via infrarode straling. De warmte die wij voelen, van bijvoorbeeld de zon, komt door de straling van infrarood licht. Naast natuurlijke warmtebronnen zijn er ook apparaten die deze warmtestralen produceren. Denk maar eens aan broodroosters en warmtelampen.
Verder is de warmte van objecten goed meetbaar. Dit mechanisme wordt gebruikt in nachtkijkers. Hiermee kun je koude voorwerpen, zoals de vloer in een huis zonder vloerverwarming, niet goed zien. Warme objecten, zoals mensen, kun je juist wél goed zien.
Infrarode straling met een lagere golflengte (richting 1 micrometer) voelen wij niet als warmte en wordt gebruikt voor communicatie op korte afstand. Afstandsbedieningen werken over het algemeen met lage golflengte infrarood. Infrarood heeft met zijn lage golflengte geen hoog doordringend vermogen. Hierdoor moet je bijvoorbeeld niet te ver van je auto staan om hem met de afstandsbediening van het slot te halen.
Wat is zichtbaar licht?
Zichtbaar licht is de groep elektromagnetische golven met een golflengte tussen 380 nm en 760 nm. Het is het deel van het spectrum dat wij met onze eigen ogen kunnen zien. Echter, licht heeft van zichzelf niet zoiets als ‘kleur’. Het idee van kleur wordt gemaakt door ons brein. Dat wil namelijk onderscheid maken tussen de verschillende golflengtes licht die via het oog binnenkomen.
Zo zien wij licht met een langere golflengte als rood en licht met een kortere golflengte als blauw. Tussen deze golflengtes in zit groen. Alle andere kleuren die we kunnen zien zijn een mengsel van deze drie kleuren. Zo is geel een mengsel van groen en rood.
Wat is ultraviolet licht?
Ultraviolet licht is de groep elektromagnetische golven met een golflengte tussen 10 nm en 380 nm. Ultraviolet licht wordt soms kortweg uv-licht genoemd. De energie van ultraviolet licht is hoog genoeg om atomen te ioniseren. Dat betekent dat het genoeg energie heeft om een elektron weg te duwen van zijn kern. Daardoor kan het atoom zich anders gaan gedragen.
Dit is ook de reden dat uv-straling schadelijk is voor de mens. Om dat proces tegen te gaan, maakt het lichaam melanine aan in de huid. Melanine is een stof die uv-straling kan opnemen om het vervolgens als warmte uit te stralen. Het is daarnaast de stof die ons een bruine huid geeft. Je kunt het zien als onze natuurlijke zonnebrand.
Uv-straling kan ook voor goede doeleinden worden gebruikt. De schadelijke ioniserende eigenschap kan bijvoorbeeld worden gebruikt om oppervlakten te desinfecteren. Door met een uv-lamp op een oppervlakte te schijnen zullen de bacteriën hierop doodgaan.
Een andere manier waarop wij uv-straling gebruiken, is in blacklights. Blacklights geven een vorm van licht die wij niet kunnen zien. Ze schijnen hoge golflengte uv-straling uit die niet schadelijk is voor de mens. Bepaalde stoffen nemen deze uv-straling op en zenden het uit als zichtbaar licht. Dit kunnen wij vervolgens zien als neon-kleuren. Doordat die stoffen alleen dezelfde golflengte uitstralen, zien wij de kleuren als zeer fel.
Wat is röntgenstraling?
Röntgenstraling is de groep elektromagnetische golven met een golflengte tussen 1 pm en 10 nm. Pm staat voor picometer en 1000 picometer is 1 nanometer. Röntgenstraling heeft een nog kortere golflengte dan uv-straling en heeft dus meer energie. Dit maakt röntgenstraling nog schadelijker dan uv-straling.
Röntgenfoto’s zijn de meest bekende toepassing van röntgenstraling. Het is dan ook een van de vele medische beeldvormingstechnieken. Röntgenfoto’s worden gemaakt door een geconcentreerde röntgenstraal in de richting van een specifiek deel van het menselijk lichaam te schieten. Achter het deel van het lichaam zijn speciale röntgenstralingsreceptoren geplaatst die de straling opvangen.
Van de röntgenstraling zal niet alles door het menselijk lichaam heen gaan. Doordat röntgenstraling een laag doordringend vermogen heeft, kan het moeilijk door delen van het lichaam met een hogere dichtheid heen komen, zoals botten. De kans dat de straling in deze lichaamsdelen wordt opgenomen door een atoom is namelijk groot. Röntgenstraling gaat wél gemakkelijk door de huid heen. Daardoor ziet de receptor achter de huid meer straling binnenkomen dan achter het bot. Op die manier kan een röntgenfoto worden gemaakt van een lichaamsdeel.
Bovendien kan röntgenstraling in het menselijk lichaam worden gebruikt in een puur schadelijke vorm. Een röntgenstraal kan bijvoorbeeld specifiek worden gericht op een groep kwaadaardige kankercellen. Hierdoor kunnen deze cellen zodanig worden beschadigd dat ze zich niet meer kunnen delen of zelfs afsterven. Het gezonde weefsel om deze kankercellen heen wordt ook aangetast. Echter, de gezonde cellen herstellen hier beter van dan kankercellen. In het beste geval eindig je met bijna alleen nog maar gezonde cellen.
Wat is gammastraling?
Gammastraling is de groep elektromagnetische golven met een golflengte tussen 0,01 pm en 1 pm. Deze straling heeft zoveel energie dat het zelfs in kleine hoeveelheden ontzettend schadelijk is voor de mens. Gammastraling is vaak het product van radioactief verval. Bij radioactief verval splitsen grote instabiele atoomkernen op in kleinere atoomkernen.
De grote hoeveelheid energie die gammastraling heeft, kan goed worden gebruikt om energie op te wekken in kerncentrales. In de reactorkern van de kerncentrale zitten grote hoeveelheden uranium. De uraniumkernen splijten uiteen doordat er langzaam bewegende neutronen op het uranium worden afgeschoten. Hierbij ontstaan nieuwe atomen en komt er een grote hoeveelheid energie vrij in de vorm van gammastraling.
Om de reactorkern heen bevindt zich een enorme bak water. Het water neemt deze gammastraling op en zal daardoor opwarmen, waardoor het verdampt tot stoom. Stoom zet uit en zoekt een uitweg. Via grote buizen zal de stoom door een turbine worden geblazen. Deze turbine begint daardoor te draaien, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. Deze werking lijkt op die van een dynamo.
Rekenen met elektromagnetische straling
Om meer te begrijpen over elektromagnetische straling, is het belangrijk om te weten hoe je met golven kunt rekenen. Elektromagnetische straling is immers een verzamelnaam voor alle straling die bestaat uit elektromagnetische golven.
Alle golven bewegen met een bepaalde snelheid: de golfsnelheid. Deze golfsnelheid kun je berekenen met de volgende formule: v = λ · f.
Hierbij is
- v de golfsnelheid in meter per seconde
- λ de golflengte in meter
- f de frequentie in Hertz.
Alle elektromagnetische straling beweegt met de snelheid van het licht. Dit wordt aangeduid met een c. De formule van de golfsnelheid verandert voor elektromagnetische straling dus naar: c = λ · f.
Hierbij is
- c de snelheid van het licht (c = 2,998 · 108 m/s)
- λ de golflengte in meter
- f de frequentie in Hertz
Als je naar de formule kijkt, zie je dat λ · f constant blijft, dus de snelheid van het licht verandert niet. Wanneer de frequentie stijgt, daalt de golflengte en omgekeerd. Dit is best logisch: als de frequentie heel hoog wordt, gaat de golf dus heel hard trillen. De afstand die de golf dan aflegt voordat hij een golflengte heeft bereikt, is erg kort.
Hard trillen is ook een teken van hoge energie. De energie van een foton kun je berekenen met de formule: Ef = h · f.
Hierbij is
- Ef de energie van het foton in Joule
- h de constante van Planck (h = 6,626 · 10-34 Js)
- f de frequentie in Hertz
Je ziet aan deze formule dat een foton met een hoge frequentie ook een hoge energie heeft. Als we de formule c = λ · f gebruiken, kunnen we de formule voor de fotonenergie aanpassen naar een andere veelgebruikte formule: Ef = (h · c) / λ.
Hierbij is
- Ef de energie van het foton in Joule
- h de constante van Planck
- c de snelheid van het licht
- λ de golflengte van het foton in meter
Aan deze formule kun je zien dat een foton met een lage golflengte een hoge energie heeft. Dat is logisch omdat een foton met een lage golflengte een hoge frequentie heeft.
Elektromagnetische golven hebben dus verschillende golflengtes, frequenties en energieën. Laten we kijken naar een voorbeeld van groen licht, met een golflengte van ongeveer 520 nm. De energie van zo’n foton is dan:
E = (6,626 · 10-34 · 2,998 · 108)/(520 · 10-9) = 3,82 · 10-19J.
Dat is ontzettend weinig energie. Echter, het gaat natuurlijk slechts om één foton.
Video
Wil je alles over elektromagnetische straling nog even terugkijken? Bekijk dan onderstaande video.
