Samenvatting · Natuurkunde · havo 5 Elektromagnetische straling: spectrum, golflengte en toepassingen

Je mobiele telefoon, de magnetron, het zonlicht, de röntgenfoto bij de huisarts en de straling van radioactieve stoffen zijn allemaal vormen van elektromagnetische straling. Ze verschillen alleen in frequentie en energie. Na deze samenvatting ken je het elektromagnetisch spectrum, reken je met $c=f\cdot \lambda$ en $E=h\cdot f$, weet je wat ioniserende straling is en ken je de toepassingen en de risico's.

Wat is elektromagnetische straling?

Elektromagnetische straling (EM-straling) is een golf van een veranderend elektrisch en magnetisch veld. Alle soorten EM-straling:

• planten zich ook voort in een vacuüm, zonder stof (daarom bereikt zonlicht de aarde);
• hebben in vacuüm dezelfde snelheid: de lichtsnelheid $c=3,00\cdot 10^8\text{m/s}$;
• verschillen in frequentie $f$ (in hertz, Hz) en golflengte $\lambda$ (in meter).

Frequentie en golflengte hangen samen:

Hoe groter de frequentie, hoe kleiner de golflengte.

Het spectrum

Gerangschikt van lange naar korte golflengte (dus van lage naar hoge frequentie):

Zichtbaar licht loopt van rood (langste golflengte, ongeveer 700 nm) tot violet (kortste, ongeveer 400 nm).

Voorbeeld 1: een radiozender zendt uit op 100 MHz. De golflengte is

Voorbeeld 2: groen licht heeft een frequentie van $5,5\cdot 10^{14}\text{Hz}$. De golflengte is

Fotonen en energie

EM-straling is ook op te vatten als een stroom fotonen, pakketjes energie. De energie van één foton is

met de constante van Planck $h=6,63\cdot 10^{-34}\text{J s}$ (zie Binas). Hoe hoger de frequentie, hoe meer energie per foton. Een gammafoton heeft dus veel meer energie dan een radiofoton.

Ioniserende straling

Ioniserende straling heeft genoeg energie per foton om elektronen los te maken uit atomen of moleculen. Daardoor ontstaan ionen en kunnen moleculen zoals DNA beschadigd raken.

• Ioniserend: röntgenstraling en gammastraling (en het energierijke deel van UV).
• Niet ioniserend: radiogolven, microgolven, infrarood en zichtbaar licht.

Ioniserende straling kan cellen beschadigen en op termijn kanker veroorzaken. Bij hoge doses ontstaat stralingsziekte. Dezelfde eigenschap wordt gebruikt om tumoren te vernietigen met bestraling. Bescherm je door:

• afstand te houden (de intensiteit neemt sterk af met de afstand: bij een dubbele afstand komt er ongeveer een kwart door);
• de tijd van blootstelling kort te houden;
• afscherming te gebruiken, bijvoorbeeld een loden schort tegen röntgenstraling.

UV van de zon kan zonnebrand en huidkanker veroorzaken. Zonnebrandcrème en kleding houden UV tegen. De ozonlaag in de atmosfeer houdt een groot deel van de UV-straling van de zon tegen.

Röntgenfoto en andere medische toepassingen

• Een röntgenfoto werkt omdat botten röntgenstraling sterker absorberen dan zacht weefsel. Op de foto zijn botten daardoor wit: achter het bot komt weinig straling door.
• Een CT-scan maakt veel röntgenopnamen vanuit verschillende hoeken en rekent daar een doorsnede van het lichaam uit. De dosis is daardoor hoger dan bij één foto.
• Een MRI-scan gebruikt een sterk magnetisch veld en radiogolven. Er is geen ioniserende straling bij nodig.
• Echografie gebruikt geluid met een hoge frequentie (ultrageluid). Dat is geen EM-straling.

Straling en de atmosfeer

De atmosfeer laat zichtbaar licht en radiogolven grotendeels door. Röntgen- en gammastraling uit de ruimte worden vrijwel volledig geabsorbeerd, en UV voor een groot deel. Telescopen voor röntgenstraling en gammastraling zitten daarom op satellieten.

Let op

• Alle EM-straling heeft in vacuüm dezelfde snelheid $c$; alleen $f$ en $\lambda$ verschillen.
• Een hogere frequentie betekent een kleinere golflengte en een grotere fotonenergie.
• Niet alle straling is gevaarlijk: radiogolven en zichtbaar licht zijn niet ioniserend.
• Echografie is geen EM-straling maar geluid; MRI is geen röntgen.
• De intensiteit van straling uit een puntbron neemt af met het kwadraat van de afstand.

In het kort

• EM-straling reist in vacuüm met $c=3,00\cdot 10^8\text{m/s}$, met $c=f\cdot \lambda$.
• Spectrum van lange naar korte golflengte: radio, micro, infrarood, zichtbaar, UV, röntgen, gamma.
• Fotonenergie $E=h\cdot f$: hoe hoger de frequentie, hoe meer energie per foton.
• UV (deels), röntgen en gamma zijn ioniserend en beschadigen cellen.
• Bescherming: afstand, korte tijd en afscherming.