vorige pagina

6.b. Zijn het golven - deeltjes of golfdeeltjes?

2de deel:

Golven - Deeltjes of Neutronen?

Elektromagnetisme  is de basis van alles wat vorm en structuur heeft …

 Neutronensterren en zwarte gaten

Golf (momentopname)

 

 

Een golfbeweging, weergegeven in een grafiekje, waarin de golflengte en de golfhoogte (amplitude) is aangegeven.

 Het frequentiespectrum

 De variatie van golflengten en frequenties in het totale elektromagnetische spectrum is enorm. Op de volgende pagina staat een cijfermatig overzicht van de frequenties en golflengten van elektromagnetische straling. We noemen dit het elektromagnetische frequentiespectrum, en de meeteenheid voor de trillingssnelheid is hertz (Hz). Eén Hz is één trilling per seconde. Zo praten we over Khz (kllohertz, duizend trillingen per seconde), Mhz (megaherz, miljoen hz), (Gigahertz, miljard Hz), enzovoort. Ons elektriciteitsnet trilt met 50 Hz per seconde,  een wisselspanning dus van 50 trillingen per seconde. In de Verenigde Staten laat men de dynamo's wat sneller draaien of zijn ze wat anders gebouwd en is de netfrequentie 60 Hz. Het totale spectrum in het overzicht reikt vanaf zeer lage frequenties,  zoals geldt voor ons elektriciteitsnet, tot aan de extreem hoge trillingsfrequenties van kosmische straling (gammastraling). De tabel geeft in cijfers weer hoe de stralingsfrequenties in de natuur en in de techniek gebruikt worden, van bovenaf te beginnen met de traagste frequenties (ELF, Extreem Low Frequencies) de linker/kolom geeft de golflengte in meters en de middenkolom geeft de trillingsfrequentie in hertz. De getallen staan geschreven in machten van tien, omdat anders het aantal nullen zo enorm groot is.

 Zichtbaar licht (het donkere balkje in het schema) is dus maar een heel klein gedeelte van het totale elektromagnetische spectrum. We spreken dan van een frequentieband. Onze ogen werken met het deel van het spectrum dat
tussen ultraviolet en infrarood in ligt: een smal bandje, waarin alle kleuren van de regenboog vertegenwoordigd zijn, die samen in ons oog en onze hersenen de ervaring van wit licht opleveren. Het zichtbare licht heeft een zeer korte golflengte, tussen 0,4 en 0,7 van een duizendste millimeter, en trilt met een frequentie van ongeveer 500.000.000.000.000 maal per seconde. De kleur rood heeft daarbij de grootste golflengte, en violet de kleinste. Daar­tussenin bevinden zich alle kleuren van de regenboog. Wit licht is een meng­sel van alle kleuren. Ons lichaam is gevoelig voor een veel groter bereik aan stralingsfrequenties. Zo kunnen we met onze huid warmte voelen, in­frarood licht. Onze huid kan door deze warmtestraling ook verbranden, of door te veel ultraviolette straling huidkanker oplopen. Onze cellen kunnen beschadigd raken door nucleaire straling (gammastraling) of door röntgenstraling (X-straling). Tegenwoordig is er een discussie gaande over de even­tuele schadelijkheid van straling met frequenties die lager liggen dan het zichtbare licht (in de tekening: microgolven, mobiele telefoon, radar, mag­netron, enz.). Deze frequenties worden gebruikt door de mobiele telefonie en veel andere draadloze toepassingen. De hoeveelheid van deze kunstma­tige straling is in de afgelopen decennia explosief toegenomen.'

 Een kwantum licht, ook wel betiteld als een actiekwantum, de kleinst bestaanbare hoeveelheid lichtenergie, en die heeft een bepaalde energie (E), en die is gelijk aan de Planck-constante (h) maal de lichtfrequentie (f). De formule daarvoor is: E = hf

 De constante van Planck (h) is een uiterst klein getal, maar de waarde van de lichtfrequentie (f) kan een heel groot getal zijn, zodat het product van deze twee waarden een niet te verwaarlozen hoeveelheid energie vertegenwoordigt: de energie van een lichtdeeltje. Daaruit kunnen we in ieder geval afleiden dat licht met kortere golflengten (en dus een hoge trillingsfrequentie) een hogere energie heeft dan licht met langere golflengten. Straling met een kortere golflengte dan het zichtbare licht (in de tekening onder het balkje) noemt wel ook wel ioniserende straling, omdat ze voldoende kracht heeft om elektronen een 'flinke duw' te geven, zodat ze uit de banen rondom een atoom gestoten worden. Vooral bij grote en complexe moleculen, waar de buitenste elektronen toch al losjes aan de atomen vastzitten, kan dat leiden tot vernietiging van de moleculaire samenstelling.

 Daardoor kan een levend weefsel van samenstelling veranderen en in ons lichaam kan dat een beetje schadekijk tot zeer gevaarlijk zijn. We kennen allemaal het gevaar van radioactieve straling (gammastraling) en röntgenstraling. Deze vormen van straling worden ook gebruikt om kankercellen te detecteren en te bestrijden, en we hopen dat de kankercellen eerder kapot/gestraald zijn, dan het weefsel er omheen. Vaak lukt dat ook.

Straling met een lagere trillingsfrequentie dan die van het zichtbare licht (in de tekening boven het balkje), de niet-ioniserende straling, is ook niet geheel onschuldig, ook al wordt dit wel vaak beweerd. Deze straling heeft een lagere energie, en zal volgens de gangbare theorie geen elektronen uit hun omloopbaan kunnen stoten,  waardoor ionisatie [groei] zou kunnen optreden.
ze kan vrije elektronen wel langs de atomen laten 'surfen', zodat er in geleidend materiaal elektrische stroompjes ontstaan. Dat klinkt misschien geruststellend, maar daarover is het laatste woord nog lang niet gezegd. Niet ioniserende straling wordt veel gebruikt in de telecommunicatie en de mobiele telefonie. Ze veroorzaakt in ons lichaam dus wel subtiele zwerfstroompjes, net zoals dat ook gebeurt in een gewone radioantenne en in elk geleidend lichaam. Ook laat deze straling moleculen en weefselstructuren meetrillen op het ritme van de frequentie. Dat noemen we resonantie. Vaak levert dat geen schade op (het is niet meer dan 'gezellig mee/schudden') en leidt het alleen tot enige weefselverwarming door de overdracht van een beetje energie. Maar soms trilt er iets kapot, vooral bij grote en complexe moleculen die nogal kwetsbaar zijn (zoals eiwitmoleculen of DNA tijdens een celdeling). Beschadigingen van het erfelijke materiaal, ons DNA, door niet-ioniserende straling komt voor en is uiteraard wel ernstig. Sommige onderzoekers noemen deze straling dan ook genotoxisch, dat wil zeggen giftig voor het erfelijke materiaal. Externe kunstmatige vormen van stra­ling kunnen ook de interne elektromagnetische overdracht van informatie in ons lichaam in de war schoppen. Het resultaat kan zijn dat wij minder goed
bestand zijn tegen ziekten.

 In onder andere de constructietechniek en de vliegtuigbouw kennen we dat kapot trillen van materialen als `metaalmoeheid'; daarover is door schade en schande al heel veel bekend. Zo kennen we de historie van de Cornet, het eerste straalpassagiersvliegtuig, van welk type in 1954 kort na elkaar twee toestellen in de lucht explodeerden als gevolg van — naar later bleek — me­taalmoeheid, uiteraard met fatale gevolgen. 'Weefselmoeheid' door onop­houdelijke of periodieke bestraling met niet-ioniserende straling is een nog maar nauwelijks ontgonnen studiegebied. Vragen hierover komen in het bijzonder naar voren in verband met de mobiele telefonie, waarbij we een pittige zender pal tegen onze hersenen of tegen ons lichaam aan houden. Ook hier moeten we kennelijk nog door schade en schande wijs worden, net zoals bij de Cornet. Definitieve geruststellende uitspraken hierover, vooral door commercieel belanghebbenden, missen voorlopig nog elke grond.

 Eigenschappen van straling

 Elektromagnetische straling kent vier eigenschappen, die stuk voor stuk, maar ook in combinatie met elkaar, een zee van variatiemogelijkheden bieden:

1.   Intensiteit, variërend van de meest subtiele veldsterkten van circa

één miljoenste tot miljoenen volt per centimeter. De intensiteit reikt vanaf de kleinste elektrische spanningen in de microscopisch kleine hersentjes van een fruitvliegje tot enorme spanningen in de zwaarste motorgeneratoren, waarmee een hele stad van stroom wordt voorzien.

2.   Frequentie/golflengte, vanaf de kortste golflengten, van een miljardste van een miljardste van een millimeter, tot aan vele kilometers en alle gradaties daartussenin. Zie de voorgaande tabel. 

3.    Fase. Fasen kunnen elkaar versterken (constructieve interferentie) en opheffen (destructieve interferentie), met alle subtiele tussenmogelijkheden. Golven kunnen elkaar dus opzwepen (als de golven in fase zijn) of afvlakken (als de golven uit fase zijn, dat wil zeggen tegen elkaar ingaan). Deze effecten zijn goed te zien door twee stenen tegelijk in een vijver te gooien en dan goed te kijken hoe de golven tegen elkaar botsen. 

4.    Polarisatie. Lichtgolven kunnen elke ruimtelijke oriëntatie hebben, dat wil zeggen dat ze in elke richting loodrecht op de voortplantingsrichting kunnen trillen, horizontaal (op-en-neer), verticaal (heen heen en weer) en alles daartussenin. Elke hoekvariatie is hier mogelijk. Normaal lamp of zonlicht is ongepolariseerd. Met polarisatiefilters kunnen bepaalde trillingsrichtingen weggefilterd worden, zoals bij een zonnebril (op-en-neer gaande golven worden doorgelaten, heen­ en weer gaande geweerd, zodat bijvoorbeeld schittering van water goed wordt gedempt).

 

Zelfs zonder dat alle details worden uitgelegd, is het wel duidelijk dat deze vier eigenschappen in al hun combinaties een welhaast oneindig aantal variatiemogelijkheden opleveren, die hoogstwaarschijnlijk allemaal in de levende natuur en in het verkeer tussen atomen, moleculen en cellen voorkomen, ook al is dat nog lang niet helemaal in kaart gebracht. Daaruit komt een veronderstelling voort, die ik zou willen aanduiden als het `compleetheidsprincipe’.

 Er bestaat geen enkele zinnige reden om aan te nemen dat de natuur één of meer van deze eigenschappen of combinaties van eigenschappen bij de evolutie onbenut gelaten zou hebben. In al onze cellen en organen zijn al deze combinatiemogelijkheden benut en elke seconde volop in gebruik. Wij zijn daarom van top tot teen elektromagnetische wezens. De elektromagnetische kracht met al haar eigenschappen is bij uitstek het werktuig van de evolutie.

 Samenvatting 

Zichtbaar licht omvat slechts een klein gedeelte van het totale spectrum van elektromagnetische trillingen, dat reikt van ultrakorte golflengten tot golflengte van kilometers langs lang. De EM-trillingen kennen vier eigenschappen: intensiteit , frequentie,  fase en polarisatie.

 De evolutie heeft alle combinatiemogelijkheden van deze eigenschappen gebruikt en geen enkele onbenut gelaten. Elektromagnetische straling kan op talloze manieren informatie overzenden. In onze maatschappij maken we daar elke seconde gebruik van door middel van kunstmatig opgewekte EM-straling.

 Ook in ons lichaam, tussen cellen, moleculen en atomen, worden alle mo­gelijkheden uitgebuit om informatie uit te wisselen over elkaar en over wat er allemaal moet gebeuren om het levende weefsel (en dus onszelf) overeind en gezond te houden. Dit maakt de elektromagnetische werking van leven­de cellen dan ook ongelooflijk complex, en vooral ook moeilijk te doorgronden.