cursus Fysica 25-26 Deel4H1.pdf

# Elektromagnetische golven: bronnen en karakteristieken Dit hoofdstuk behandelt de diverse bronnen van elektromagnetische golven, variërend van macroscopische structuren zoals antennes tot microscopische atomaire processen, en de fundamentele eigenschappen van deze golven, zoals golflengte en frequentie. ### 1.1 Bronnen van elektromagnetische golven Elektromagnetische golven (E.M. golven) omvatten een breed spectrum aan straling, waaronder radiogolven, microgolven, infrarood- en ultravioletstraling, zichtbaar licht, X- en gammastraling. Het type E.M. straling wordt primair bepaald door de golflengte ($\lambda$). E.M. golven met golflengtes groter dan 10⁻³ meter worden opgewekt door uitgebreide bronnen, zoals radio- en televisieantennes. Golflengtes kleiner dan 10⁻³ meter worden geproduceerd door processen binnen atomen en moleculen, die dan functioneren als elementaire stralers [1](#page=1). #### 1.1.1 Uitgebreide bronnen Het principe van een dipoolantenne illustreert de opwekking van E.M. golven. In een oscillator die bestaat uit een LC-kring (spoel L en condensator C), wordt een sinusvormig magnetisch veld opgewekt [1](#page=1). Wanneer de condensator bij tijdstip $t=0$ volledig is opgeladen en de stroom ($i$) nul is, begint de condensator te ontladen. De stroom door de kring en de spoel neemt toe, wat resulteert in een groeiend magnetisch veld in de spoel volgens de Wet van Ampère. De stroom en het magnetisch veld bereiken hun maximale waarde wanneer de condensator volledig ontladen is. Hierna laadt de condensator zich op met omgekeerde polariteit door de aanwezige stroom. Dit proces stopt wanneer de stroom en het magnetisch veld nul zijn, waarna de condensator opnieuw ontlaadt, maar nu met de oorspronkelijke polariteit [2](#page=2). Gedurende dit kringproces veranderen de spanning over de condensator en het magnetisch veld in de spoel volgens een sinusvormige functie met een hoekfrequentie ($\omega$) die bepaald wordt door de inductantie ($L$) en capaciteit ($C$) van de kring: $$ \omega = \frac{1}{\sqrt{LC}} $$ [2](#page=2). In een reële LC-kring zullen de oscillaties echter geleidelijk uitdoven door weerstand, waarbij elektrische energie wordt omgezet in warmte [2](#page=2). Wanneer een secundaire, spoelvormige geleider dicht bij de oscillerende LC-keten wordt geplaatst, ontstaat er een sinusvormig wisselende inductiestroom volgens de Wet van Faraday. Onder invloed van deze inductiespanning en -stroom ontstaat er in de twee geleiders van de antenne een elektrische dipool met een dipoolmoment ($\vec{p}$) dat sinusvormig varieert in de tijd [2](#page=2) [3](#page=3). Deze oscillerende dipool veroorzaakt in een punt P een elektrisch veld ($\vec{E}$) en een magnetisch veld ($\vec{B}$) die in fase sinusvormig variëren. Veranderingen in de lading ($q$) en stroom ($i$) nabij de bron worden met een zekere vertraging waargenomen in punt P, aangezien de veldverstoringen zich voortplanten met de lichtsnelheid ($c$). De elektromagnetische golven verlaten de antenne in alle richtingen met de lichtsnelheid [3](#page=3): $$ c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} $$ met $c \approx 2,998 \times 10^8$ meter per seconde [3](#page=3). In een willekeurig punt staan $\vec{E}$ en $\vec{B}$ loodrecht op de voortplantingsrichting en loodrecht op elkaar, waardoor $\vec{E}$, $\vec{B}$ en de voortplantingsrichting een orthogonaal rechtshandig assenkruis vormen. Op grote afstand van de dipoolantenne nemen de elektrische en magnetische velden af met een factor $1/r$, waarbij $r$ de afstand tot de bron is. De E.M.-golf draagt energie met zich mee die wordt overgedragen aan objecten waarop de golf invalt. Deze energie wordt geleverd door de LC-oscillator, die is verbonden met een elektrische energiebron [3](#page=3). #### 1.1.2 Bronnen op atomaire schaal Bij bronnen op atomaire schaal, zoals voor UV-, infrarood- en zichtbaar licht, worden E.M. golven uitgezonden door individuele atomen. De stralingsemissie duurt hierbij ongeveer $10^{-8}$ seconden [4](#page=4). In gasontladingslampen, die E.M. straling in het UV- en zichtbaar lichtgebied produceren, worden orbitale elektronen van gasatomen geëxciteerd door een elektrische stroom door het gas. De terugkeer van een elektron naar zijn oorspronkelijke energietoestand (disexcitatie) gaat gepaard met de emissie van E.M. golven. De golflengte ($\lambda$) van de uitgezonden straling wordt bepaald door het energieverschil ($\Delta E$) tussen de energietoestanden [4](#page=4): $$ \lambda = \frac{hc}{\Delta E} $$ waarbij $h$ de constante van Planck is ($h \approx 6,63 \times 10^{-34}$ J.s) en $\Delta E = E_{n+1} - E_n$ het energieverschil is tussen de orbitalen $n+1$ en $n$. De golflengte van de straling neemt hierdoor discrete waarden aan die specifiek zijn voor de aard van de gasatomen [4](#page=4). Bij gloeilampen wordt het uitgezonden licht veroorzaakt door thermische straling, waarbij de hoge temperatuur van de gloeidraad, verkregen door het Joule-effect, leidt tot de emissie van wit licht. Het spectrum van gloeilampen is continu in het infrarood- en zichtbaar lichtgebied. Voor UV-straling met een golflengte van 300 nanometer is de golflengte ongeveer 3 meter, wat overeenkomt met $10^7$ oscillaties [4](#page=4). De vibratievlakken van de $\vec{E}$-vector van onafhankelijke golven zijn willekeurig georiënteerd, wat resulteert in niet-gepolariseerde straling. Tevens is het faseverschil tussen golftreinen met dezelfde golflengte willekeurig, wat duidt op niet-coherente straling [4](#page=4). ### 1.2 Het elektromagnetisch spectrum Alle vormen van straling, zoals radiogolven, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgen- en gammastraling, zijn van elektromagnetische aard en hebben in vacuüm dezelfde snelheid $c$. Het verschil ligt in hun golflengte, en samen vormen ze het elektromagnetisch spectrum. De frequentie ($f$) van een E.M. golf is gerelateerd aan de golflengte en de lichtsnelheid door de volgende formule [5](#page=5): $$ f = \frac{c}{\lambda} $$ [5](#page=5). Het golflengtegebied van infrarood (IR)-straling, zichtbaar licht en ultraviolet (UV)-straling wordt ook wel het optisch spectrum genoemd. Het zichtbare spectrum is een smalle band tussen 380 nanometer en 750 nanometer. Het menselijk oog is het meest gevoelig voor licht met een golflengte van ongeveer 550 nanometer [5](#page=5). Het in de praktijk gebruikte UV-golflengtegebied wordt onderverdeeld in: * UVA: $\lambda$ (400-314 nm) [5](#page=5). * UVB: $\lambda$ (315-280 nm) [5](#page=5). * UVC: $\lambda$ (280-200 nm) [5](#page=5). Het golflengtegebied van X- en g-stralen wordt het ioniserend spectrum genoemd, omdat E.M. straling van deze golflengtes voldoende energie bezit om lucht en weefsels te ioniseren [5](#page=5). > **Tip:** De relatie $f = c/\lambda$ is fundamenteel voor het begrijpen van het elektromagnetisch spectrum; een langere golflengte impliceert een lagere frequentie en omgekeerd. > **Tip:** Houd de eenheden van golflengte (meestal nanometer, nm) en frequentie (Hertz, Hz) consistent bij berekeningen. > **Voorbeeld:** Een röntgenfoton heeft een golflengte van $10^{-10}$ meter. De frequentie ervan is $f = (3 \times 10^8 \text{ m/s}) / (10^{-10} \text{ m}) = 3 \times 10^{18}$ Hz. Dit hoge frequentiebereik verklaart de ioniserende eigenschappen van röntgenstraling. --- # Het elektromagnetisch spectrum en de indeling ervan Alle soorten straling die we bespreken, zijn van elektromagnetische aard. Ze reizen met dezelfde snelheid, c, in een vacuüm, maar verschillen in hun golflengte (λ). Deze verschillende soorten stralingen vormen samen het elektromagnetisch spectrum. De frequentie (f) van de straling is gekoppeld aan de golflengte via de relatie $f = \frac{c}{\lambda}$ [5](#page=5). ### 2.1 De indeling van het elektromagnetisch spectrum Het elektromagnetisch spectrum wordt ingedeeld op basis van de golflengte van de straling. De belangrijkste gebieden zijn: #### 2.1.1 Radio- en microgolfstraling Hoewel niet expliciet gedefinieerd qua golflengtebereik in dit gedeelte, omvatten deze de langste golflengtes in het spectrum. #### 2.1.2 Infrarood (IR)-straling Infraroodstraling heeft een langere golflengte dan zichtbaar licht en wordt vaak geassocieerd met warmte [5](#page=5). #### 2.1.3 Zichtbaar licht Dit is het smalle deel van het elektromagnetisch spectrum dat voor het menselijk oog waarneembaar is. Het zichtbare gebied strekt zich uit van ongeveer 380 nanometer (nm) tot 750 nm. Het menselijk oog is het gevoeligst voor licht met een golflengte van ongeveer 550 nm [5](#page=5). #### 2.1.4 Ultraviolet (UV)-straling Ultraviolette straling heeft een kortere golflengte dan zichtbaar licht. Het UV-golflengtegebied dat in de praktijk wordt gebruikt, wordt onderverdeeld in [5](#page=5): * UVA: 400-314 nm [5](#page=5). * UVB: 315-280 nm [5](#page=5). * UVC: 280-200 nm [5](#page=5). #### 2.1.5 X- en gammastraling X- en gammastraling hebben de kortste golflengtes in het spectrum. Dit gebied wordt ook wel het ioniserende spectrum genoemd, omdat de straling op deze golflengtes voldoende energie bezit om lucht en weefsels te ioniseren [5](#page=5). > **Tip:** De benamingen "optisch spectrum" en "ioniserend spectrum" zijn handige ezelsbruggetjes om de golflengtegebieden van Infrarood, zichtbaar licht en UV-straling enerzijds, en X- en gammastraling anderzijds, te onthouden. **Formule voor de relatie tussen frequentie en golflengte:** $$f = \frac{c}{\lambda}$$ Hierbij staat: * $f$ voor de frequentie (in Hertz, Hz) [5](#page=5). * $c$ voor de lichtsnelheid in vacuüm (ongeveer $3 \times 10^8$ m/s) [5](#page=5). * $\lambda$ voor de golflengte (in meters, m) [5](#page=5). --- # Biologische effecten van elektromagnetische straling Dit onderwerp behandelt de interactie van elektromagnetische straling met biologische weefsels, inclusief absorptie, verstrooiing, reflectie en de specifieke effecten van diverse stralingssoorten [6](#page=6). ### 3.1 Algemene interactie met weefsel Wanneer elektromagnetische straling een weefsellaag binnendringt, wordt een deel ervan geabsorbeerd en een ander deel verstrooid of gereflecteerd. Verstrooiing vindt in alle richtingen plaats, terwijl reflectie een evenredige hoek met de normaal van het oppervlak behoudt. De fractie van de invallende energie die terugkeert, is sterk afhankelijk van de golflengte en het medium. Biologische effecten worden voornamelijk veroorzaakt door de geabsorbeerde fractie van de stralingsbundel, waarbij de aard van deze effecten sterk afhankelijk is van de golflengte [6](#page=6). > **Voorbeeld:** De verstrooiings- en reflectiefractie kan variëren tussen bijvoorbeeld blanke en zwarte huid, waarbij reflectie over het gehele spectrum typisch tussen 4-7% ligt [6](#page=6). ### 3.2 Het ioniserende spectrum: X- en g-stralen Vanwege hun extreem korte golflengte en hoge energie hebben X- en g-stralen een ioniserende werking op weefsel. Deze ionisatie van cellulaire structuren en intracellulair water leidt tot de vorming van radicalen en daaropvolgende chemische structuurveranderingen binnen de cel. De biologische effecten worden primair gedreven door deze ionisaties, met name door het veroorzaken van breuken in de DNA-helixstructuur [6](#page=6). Bij lage blootstelling aan ioniserende straling treden enkelvoudige en dubbelstrengs breuken in het DNA op. Deze schade wordt doorgaans enzymatisch hersteld, waarbij enkelvoudige breuken meestal volledig genezen. Echter, bij het herstel van dubbelstrengs breuken kan "misrepair" optreden, wat kan leiden tot genmutaties. Deze mutaties zijn gerelateerd aan het ontstaan van kanker en leukemie, waardoor ioniserende straling als carcinogeen wordt beschouwd. Dit treedt op bij lage dosis blootstelling, zoals bij medische diagnostiek met X- en g-stralen [6](#page=6). Intensieve blootstelling en de daaruit voortvloeiende meervoudige ionisaties van het DNA leiden tot breuken die de DNA-replicatie en celproliferatie remmen. Deze directe effecten manifesteren zich uitsluitend bij hoge doses. Radiotherapie voor de behandeling van maligniteiten, zoals kanker en leukemie, berust grotendeels op deze inhibitie van celproliferatie [6](#page=6). X-stralen worden gegenereerd door X-stralenmachines in de radiologie en door deeltjesversnellers (lineaire versnellers en cyclotrons) gebruikt in de radiotherapie. G-stralen ontstaan tijdens het radioactief verval van radionucliden en worden ingezet in de nucleaire geneeskunde. Ioniserende straling kent talrijke medische toepassingen, voornamelijk in de radiotherapie van tumoren en in de nucleaire geneeskunde en radiologie voor medische beeldvorming. Deze stralen hebben een aanzienlijke doordringingsvermogen, met een halveringsdikte in weefsel die kan variëren van centimeters tot decimeters [7](#page=7). ### 3.3 Optisch spectrum: UV straling, zichtbaar licht, IR straling Vanwege hun beperkte penetratiediepte beïnvloeden elektromagnetische stralingen in het optische spectrum voornamelijk de huid, subcutane weefsels en de ogen [7](#page=7). #### 3.3.1 UV straling De interactie van UV-straling met weefsel is overwegend fotochemisch. Dit vindt plaats wanneer de energie van de straling overeenkomt met de bindingsenergie van chemische bindingen [7](#page=7). > **Voorbeeld:** De absorptie van UV-straling door de dubbele binding in cytosine kan leiden tot de vorming van cytosinehydraat. Dit gemodificeerde cytosine kan zich gedragen als thymine, een andere nucleobase, wat resulteert in veranderingen in de structuur van nucleobase-paren in het DNA. Dit kan leiden tot mutagene effecten en carcinogeniciteit bij blootstelling aan UVC en UVB [8](#page=8). Blootstelling aan UVB, en in mindere mate aan UVA, kan leiden tot erytheem (roodheid van de huid) door de vrijstelling van vasoactieve mediatoren. Als reactie op verhoogde UV-expositie kan de huid ook pigmentatie vertonen door verhoogde melanineproductie door melanocyten, wat dient als een verdedigingsmechanisme. Op het niveau van de ogen kan UV-straling cataractvorming veroorzaken [8](#page=8). #### 3.3.2 IR straling en zichtbaar licht De interactie van IR-straling en zichtbaar licht met weefsels resulteert in thermische effecten. De energie van deze straling is doorgaans te laag om DNA-schade te veroorzaken, waardoor deze stralingen niet worden geassocieerd met de ontwikkeling van maligne aandoeningen. Vanwege de zeer beperkte dieptewerking van langgolvige IR-stralen (tot 2200 nm) kan therapeutisch gebruik snel leiden tot lokale thermische belasting van de huid. Kortgolvige IR-stralen (nabij-infrarood of NIR) hebben dit effect minder sterk. Net als UV-straling kan IR-straling op het niveau van de ogen cataractvorming induceren. Thermografie, een techniek die thermische straling gebruikt, wordt onder andere toegepast in de diagnostische geneeskunde [8](#page=8). ### 3.4 Microgolven - korte golven in het radiogolvengebied Bij voldoende intensiteit kunnen microgolven en korte golven weefselopwarming veroorzaken. In vergelijking met IR-straling hebben deze golflengten een betere dieptewerking. Straling binnen dit golflengtegebied is niet carcinogeen. In de fysiotherapie worden veelvuldig golflengten van 12 cm, 69 cm en 11 meter gebruikt voor de behandeling van spier- en peesaandoeningen [8](#page=8). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Elektromagnetische golven | Dit zijn golven of stralingen die bestaan uit oscillerende elektrische en magnetische velden die zich voortplanten door de ruimte met de lichtsnelheid. Ze omvatten een breed spectrum aan straling, van radiogolven tot gammastraling. | | Golflengte (l) | De afstand tussen twee opeenvolgende punten in een golf die zich in dezelfde fase bevinden, zoals de afstand tussen twee toppen of dalen van een golf. Het is een cruciale parameter die het type elektromagnetische straling bepaalt. | | Dipoolantenne | Een type antenne dat bestaat uit twee geleiders en wordt gebruikt om radiofrequente elektromagnetische straling uit te zenden of te ontvangen. Het principe is gebaseerd op een oscillerende elektrische dipool. | | LC-keten | Een elektronisch circuit dat bestaat uit een inductor (L) en een condensator (C) die samen in staat zijn om elektrische energie op te slaan en vrij te geven, wat resulteert in elektrische oscillaties. | | Wet van Ampère | Een natuurkundige wet die stelt dat de magnetische veldsterkte rondom een gesloten lus evenredig is met de totale stroom die door die lus gaat. Het beschrijft de relatie tussen elektrische stromen en magnetische velden. | | Wet van Faraday | Een natuurkundige wet die de elektromagnetische inductie beschrijft. Het stelt dat een veranderend magnetisch veld door een gesloten circuit een elektrische spanning of elektromotorische kracht (EMK) induceert. | | Elektrisch dipoolmoment | Een maat voor de scheiding van positieve en negatieve elektrische ladingen binnen een systeem. Het is een vectorgrootheid die de sterkte en oriëntatie van het elektrische veld van de dipool aangeeft. | | Lichtsnelheid (c) | De snelheid waarmee licht en alle andere vormen van elektromagnetische straling zich voortplanten in een vacuüm. De waarde is ongeveer 299.792.458 meter per seconde. | | Atomaire schaal | Verwijst naar de schaal van individuele atomen en hun subatomaire deeltjes, waar processen zoals energieovergangen van elektronen plaatsvinden en elektromagnetische straling kunnen emitteren. | | Energieovergang (disexcitatie) | Het proces waarbij een elektron in een atoom of molecuul van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand terugkeert, waarbij energie wordt uitgezonden in de vorm van een foton, oftewel elektromagnetische straling. | | Constante van Planck (h) | Een fundamentele natuurkundige constante die de energie van een foton relateert aan zijn frequentie. Het is cruciaal in de kwantummechanica. | | Elektromagnetisch spectrum | Het volledige bereik van elektromagnetische straling, geordend naar golflengte of frequentie. Het omvat radiogolven, microgolven, infraroodstraling, zichtbaar licht, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling. | | Optisch spectrum | Het deel van het elektromagnetisch spectrum dat overeenkomt met infraroodstraling, zichtbaar licht en ultraviolette straling. Dit is het spectrum waar het menselijk oog gevoelig voor is. | | Ioniserend spectrum | Het deel van het elektromagnetisch spectrum, voornamelijk röntgen- en gammastraling, met voldoende energie om elektronen uit atomen en moleculen te verwijderen, waardoor ionen ontstaan. | | Ionisatie | Het proces waarbij een atoom of molecuul een of meer elektronen verliest of wint, resulterend in een netto elektrische lading. Dit kan leiden tot chemische veranderingen in biologische weefsels. | | DNA-helixstructuur | De dubbele helixstructuur die de moleculaire basis vormt van de erfelijkheidsinformatie in organismen. Schade aan deze structuur kan leiden tot mutaties. | | Carcinogeen | Een stof of agent die kanker kan veroorzaken. Ioniserende straling wordt beschouwd als carcinogeen vanwege de schade die het kan aanrichten aan het DNA. | | Fotochemische reacties | Chemische reacties die worden geïnitieerd of beïnvloed door licht of andere vormen van elektromagnetische straling. De energie van de straling wordt gebruikt om chemische bindingen te verbreken of te vormen. | | Thermische straling | Elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door een object als gevolg van de temperatuur ervan. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer straling er wordt uitgezonden en hoe korter de dominante golflengte is. |