Varför beter sig elektromagnetisk strålning så olika?

Svar av Magnus Karlsson, professor i fotonik, Chalmers tekniska högskola, och Anders Nilsson, frågeredaktör, Forskning & Framsteg

Den här frågan skulle man lätt kunna skriva en hel bok om: Varför uppträder elektromagnetisk strålning, EMS, så olika vid olika våglängder? Eller gör den det? I grunden följer den alltid samma enkla principer, men det leder till mycket olika resultat i olika sammanhang.

EMS är allt från långa radiovågor till kortvågig gammastrålning, med mikrovågor, infrarött och synligt ljus samt UV- och röntgenstrålning däremellan. När EMS träffar ett material kan strålningen göra något av följande: reflekteras (studsa), transmitteras (passera igenom) eller absorberas (tas upp av materialet). Vi vet från vår vardag att kombinationen av våglängd och material avgör utfallet: Ett vanligt fönster kommer till exempel att släppa igenom synligt ljus och radiovågor, men inte kortvågig UV-strålning. Ett metallnät kan släppa igenom ljus men skärma av radiovågor.

All EMS har en frekvens, varifrån man kan räkna ut dess våglängd och fotonenergi, alltså hur mycket energi en enskild ljuspartikel, foton, bär på. Ju högre frekvens, desto kortare våglängd. För fotonenergin gäller det omvända: den ökar med frekvensen. Fotonerna runt oss varierar många storleksordningar i energi. Denna variation är, som vi snart ska se, orsaken till att EMS beter sig olika vid olika frekvenser.

När en foton absorberas av ett material tas dess energi upp och omvandlas till något annat – värme, elektrisk ström, exciterade elektroner eller, vid högenergetisk strålning, förändrade kemiska bindningar. Varje möjlig förändring i ett visst material kräver en viss energimängd och kan bara inträffa när en foton med just den energimängden absorberas. Här uppstår alltså en fråga om matchning: Om fotonenergin stämmer med vad materialet kan ta emot kommer mycket av strålningen att absorberas. Om det inte matchar kommer strålningen passera igenom: materialet blir transparent för det våglängdsområdet.

I vissa fall följs absorption av ett omedelbart utsändande av en likadan foton i spegelvänd riktning – det kallar vi reflexion. Detta uppstår bland annat i metallytor, på grund av metallers lättrörliga elektroner. Därför innehåller speglar tunna metallskikt, och därför görs parabolantenner av metall. De fungerar då som fokuserande speglar för radiovågor.

Slutligen har vi frågan om brytning, som hänger ihop med ljusets hastighet i olika material. Ju större hastighetsskillnad i övergången mellan två material, desto mer bryts strålen. I glas är till exempel ljusets hastighet cirka 2/3 av dess hastighet i luft – därför kan glas användas för att bryta ljus. Brytning är förstås främst användbar i transparenta material.

Sammanfattningsvis kan man säga att de optiska egenskaper som frågeställaren undrar över – transparens och brytning – uppstår i material där ljushastigheten skiljer sig markant från omgivningen och där materialet inte kan absorbera de fotonenergier som en viss typ av EMS innehåller.