3. Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны различной частоты пронизывают всё пространство вокруг нас. Сейчас они разделены на диапазоны, границы которых условны и имеют общие частоты. Шкала электромагнитных волн демонстрирует распределение электромагнитных волн на диапазоны.
Рисунок \(1\). Шкала электромагнитных волн
\(1\) — радиоволны;
\(2\) — рентгеновское излучение;
\(3\) — гамма-излучение.
В зависимости от частоты электромагнитные волны имеют свою скорость распространения, проникающую способность, цветность, видимость, по-разному действуют на живые организмы.
Радиоволны используются для осуществления радиосвязи, радиолокации, телепередач, космической связи.
Инфракрасное (тепловое) излучение — имеет большое значение для жизни человека, животных, растений, которые могут осуществлять свою деятельность только в определённом интервале температур.
Видимое излучение — видимый свет, который даёт возможность ориентироваться живым организмам в пространстве, видеть окружающие предметы, участвует в реакции фотосинтеза зелёных насаждений, обеспечивающей образование кислорода, обязательного для дыхания.
Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10\) до \(400\) нм и частотой от \(7,5⋅10^<14>\) до \(3⋅10^\) Гц.
Основной источник УФ-излучения — Солнце. Защитой от ультрафиолета является озоновый слой в атмосфере Земли. В больших дозах вызывает ожог кожи, глаз и раковые заболевания кожи, мутации и старение.
Искусственные источники:
- УФ-лампы с содержанием ртути;
- ртутно-кварцевые лампы;
- люминесцентные лампы дневного света;
- эксилампы;
- светодиоды;
- газовые разряды при электрической сварке;
- аргоновый, азотный, эксимерный лазеры.
УФ-лампы применяют в процессах:
- обеззараживания инструментов, поверхностей, воды и воздуха;
- лечения гнойных воспалений;
- облучения зубных пломб;
- сушки красок и лаков;
- выявления старения лаковой плёнки в реставрации;
- проверки подлинности денежных купюр и документов.
Рентгеновское излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10^2\) до \(10^<-3>\) нм и частотой от \(2⋅10^\) до \(6⋅10^\) Гц.
Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки.
Применение рентгеновского излучения в медицине, в промышленности, в науке:
- рентгенография;
- дозиметрия;
- выявление дефектов в изделиях;
- рентгеноструктурный анализ (химия, биология);
- электронные микроскопы
- рентгенотелевизионные интроскопы в аэропортах;
- криптография.
Большие дозы и частые обследования приводят к серьёзным заболеваниям.
Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, обладает большой проникающей способностью, оказывает губительное действие на человека. Гамма-излучение, поступающее из космоса (ядерные реакции в недрах Солнца и звёзд), поглощается атмосферой Земли, благодаря чему сохраняется жизнь на Земле.
Виды электромагнитных волн
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.
Первыми материалами о существовании предполагаемых электромагнитных волн поделился английский ученый-физик Фарадей в 1832 году. Позднее Дж.Максвелл выстроил теорию электромагнитного поля, обосновав ее математическим путем. Выводы Максвелла подтвердил практическим экспериментом Герц, хотя первоначально он стремился их опровергнуть.
Успешной в изучении электромагнитных волн была деятельность П.Н. Лебедева.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Электромагнитное поле распространяется в пространстве посредством электромагнитных волн (ЭМВ). Те из них, которые возникают вокруг электрического заряда и способны распространяться вдаль от самого движущегося заряда, относят к понятию «излучение». При этом его сила по мере увеличения расстояния постепенно затухает. Исключение составляет вакуумная среда, т.е. пространство, в котором нет прочих тел или веществ, способных поглотить существующие либо испустить новые волны.
В физике в зависимости от диапазона существует следующая классификация видов ЭМВ:
- радиоволны;
- терагерцевые;
- инфракрасные;
- видимые (свет);
- ультрафиолетовые;
- рентгеновские;
- гамма-излучение.
Примечание
Для гамма-излучения существует параллельный термин «жесткое».
Скорость распространения ЭМВ зависит от ее длины. В вакууме она равна скорости света, в других средах имеет более низкие значения. Этим показателем определяется, будет ли излучение подчиняться законам геометрической оптики. Это происходит тогда, когда расстояние в несколько раз превышает длину волны.
Еще одной важной характеристикой является частота излучения, которая обозначается λ.
Определение
Частота излучения равна числу гребней, проходящих через регистрационное устройство за единицу времени — секунду.
С учетом положений теории колебаний и электродинамики, для ЭМВ характерно существование 3х векторов, располагающихся перпендикулярно друг к другу. Это вектора:
- волновой;
- напряженности электрополя (обозначение Е) и магнитного поля (обозначение Н).
Классификация, частотные диапазоны
В основе классификации ЭМВ лежат характерные для каждой из подгрупп частотные диапазоны. Между ними не существует резких, четко очерченных границ, порой их значения могут перекрывать один другого. Скорость излучения постоянна только в вакууме, поэтому частота взаимосвязана с длиной ЭМВ в таких же условиях.
Радиоволны
Диапазон радиоволн занимает отрезок от низких до инфракрасных частот (до 3 ТГц). Их распространение происходит без волноводов, поэтому можно не учитывать атомистическое строение окружающей среды.
Радиоволны подразделяются на:
- сверхдлинные;
- длинные;
- средние;
- короткие;
- ультракороткие.
Источником являются атмосферные, а также магнитные природные явления. Второй источник — радиосвязь. Ультракороткие волны образуются при физических явлениях — грозах.
Ультракороткие радиоволны
Длина волны ультракоротких лучей — 10м-1мм, сверхдлинных — более 10км. При этом частота ультракоротких — 30 МГц-300 ГГц, ультрадлинных — менее 30 кГц.
Ультракороткие радиоволны можно зарегистрировать при прохождении тока переменной частоты, что используется в радиотехнике, например, при сооружении антенн.
Группа подразделяется на метровые, деци-, санти-, мили-, субмилли- и микрометровые. Если длина волны менее 1-го метра (при частоте сверх 300 МГц), то она относится к микроволнам или СВЧ (сверх высоких частот).
Инфракрасное излучение
Начиная от красного цвета видимого света (длина 0,74 мкм) до микроволны (1-2 мм) занимает инфракрасное излучение. Это самый большой промежуток спектра, который могут излучать твердые и жидкие тела, имеющие определенную температуру. В таком случае про них говорят, что происходит излучение энергии в инфракрасном диапазоне. Важно, что длина волн, которые такие тела излучают, прямо пропорциональна температуре.
Примечание
Тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура нагретого тела и короче длина ЭМВ.
В том свете, который видит человеческий глаз, содержится 7 основных цветов. При этом красные области спектра находятся после инфракрасных, а за фиолетовыми следуют ультрафиолетовые. Однако ни тот, ни другой край не способен видеть глаз человека.
Поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру 6000оС. Ее цвет — желтый, а источник излучения является оптическим. Наши органы чувств способны воспринимать такой участок спектра излучения.
Оптический диапазон излучения обусловлен тепловым движением молекул и атомов. При определенной скорости их движения тело нагревается и начинает светиться сначала красным светом, затем — желтым.
В окружающей среде чаще встречаются тела, которые излучают свет, состоящий из ЭВМ разной длины, сложного состава спектра. Их энергия воспринимается глазом человека и может ощущаться неоднозначно. Происходит это по причине различной чувствительности глаза к волнам неодинаковой длины.
Наряду с тепловым излучением, излучать оптическую энергию могут химические и биологические процессы. В качестве примера приема оптического излучения можно привести фотографирование.
Жесткие лучи
К данной группе относятся рентгеновское излучение. В естественных условиях оно образуется в ходе ионизации атомов, сопровождающей радиоактивный распад. Еще одной причиной образования является космическое излучение.
Область рентгеновского излучения отделена от гамма-диапазона условно. Ориентировочно его энергия заключена в диапазоне 20 эВ-0,1 МэВ, в отличие от гамма-энергии, диапазон которой более 0,1 МэВ.
УФ лучи
«По соседству» с рентген-излучением находятся UV лучи. Их диапазон делится на ближний и дальний (вакуумный). Ближний занимает нишу 380-200 нм, дальний — 200-10 нм. Дальний также может называться вакуумным. Он интенсивно поглощается атмосферными массами и подвергается исследованиям в использованием вакуумного оборудования.
История открытия УФО связана с именем И.В. Риттера. который в 1801 году сделал вывод, что хлорид серебра под воздействием невидимого излучения с длиной волны, находящейся за пределами фиолетового света, разлагается быстрее.
УФ излучение с длинными волнами
Данный поддиапазон содержит волны не интенсивной активности. Однако они также вызывают пигментацию кожи и в небольших дозах оздоравливают человеческий организм.
Длинноволновое УФ излучение характеризуется свечением определенных веществ, благодаря чему оно находит применение в изготовлении люминесцентных предметов, а также в качестве маркера в некоторых химических реакциях.
УФ излучение со средней длиной волн
Под действием таких ЭМВ витамин D в организме человека превращается в физиологическую форму и служит для профилактики рахита. Средневолновое УФ излучение тонизирует системы организма, вызывает выработку мелатонина, однако губительно для растений.
УФ излучение с короткой длиной волн
Обладает бактерицидным эффектом, благодаря чему используется в обеззараживающих установках. С его участием идет дезинфекция и стерилизация медицинского оборудования и предметов быта.
УФ облучение поступает на землю от Солнца. Удельный вес различных вариантов данного излучения непостоянен, он зависит от многих факторов окружающей среды.
Существуют и искусственные доноры УФ излучения. Такие источники нашли применение в медицинских приборах, оборудовании санитарно-гигиенического профиля, а также в борьбе с вредителями сельского хозяйства.
Гамма-излучение
Относится к коротковолновым ЭМИ. Характеризуются корпускулярными свойствами и обладают значительным травмирующим воздействием на человеческий организм. Его нельзя почувствовать или ощутить. Это ионизирующее излучение, при котором устойчивые атомы превращаются в ионы. Скорость лучей находится в световом диапазоне.
Среди источников гамма-излучения можно назвать квазары и пульсары. Когда звезда преобразуется в сверхновую, наблюдается выделение энергии и гамма-излучение.
Что является источником электромагнитных волн
Синтезировать ЭМВ может электрический колебательный контур (проводник). Примером являются лампы, магнетроны, транзисторы. Наиболее простой источник — точечного характера. Его размеры намного меньше того расстояния, на протяжении которого действуют излучаемые им ЭМВ. Причем излучение происходит равномерно интенсивное во всех направлениях.
Самое коротковолновое излучение осуществляют атомные ядра, хотя большого различия между соседними по классификации группами нет. Обнаружение ЭМВ происходит по результатам воздействия на заряженные частицы.
Ученым удалось установить естественный волновой фон, в котором человек адаптировался. В то же время существование на Земле двух полюсов ведет к тому, что на человека постоянно оказывается излучение определенного спектра. Когда электромагнитное поле у живого индивидуума претерпевает изменения, у него могут возникнуть довольно серьезные проблемы со здоровьем.
Примечание
Исторически доказаны факты, что во время и после вспышек на Солнце часты катаклизмы и войны. Это результат сдвига в магнитном поле Земли.
Шкала и сфера применения
Расположение ЭМВ в порядке возрастания частоты (либо уменьшения λ) возникает система, которая называется шкалой электромагнитных волн. По сути, это — непрерывный ряд частот ЭМИ, который носит условный характер.
Широко распространены приборы ночного видения, в основе работы которых лежит инфракрасное излучение. Разработаны и выпускаются специальные детекторы ИК лучей, которые помогают спасательным службам искать живые существа под завалами (в результате завалов при землетрясениях или прочих стихийных бедствиях). Сегодняшнее применение ЭМВ широко и разнообразно. Без них не обходится работа электротехнических приборов, например, сотовая связь, бескабельный интернет, радио и телевизионные приборы с пультом управления. Мы разогреваем пищу в микроволновой печи, а автомобилисты учитывают работу на трассе радаров.
ЭМВ появляются в окололампочном пространстве, а также рядом с работающими телевизорами и мониторами.
Широкая сфера применения у УФ лучей. В определенном диапазоне они обладают антисептическим и дезинфицирующим действием, что используется в борьбе с инфекциями. В банковских структурах, опираясь на механизм их действия, проверяют подлинность денежных купюр.
Поскольку УФ лучи оказывают губительное действие на любую живую клетку, в т.ч. бактерии и вирусы, то механизм УФ облучения используется для стерилизации медицинских изделий, оборудования, рабочих поверхностей.
Примечание
Если бы над земной корой отсутствовала атмосфера, жесткие УФ лучи убили бы все живое на Земле. Однако озоновый слой атмосферы способен поглощать эти лучи, выбирая их из спектра радиации Солнца. Несмотря на это, часть жестких УФ лучей все-таки проникает на поверхность Земли и способна вызвать ожоги, а также озлокачествление клеток кожи.
Велико значение в медицине рентгеновских лучей. Проникая через мягкие ткани, они дают врачу представление о костной патологии, помогают диагностировать переломы и искривления.
Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы.
Космическая аппаратура использует устройства гамма-телескопы.
Шкала электромагнитных излучений
Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота и длина различаются.
Принцип построения
Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Длина волны обратно пропорциональна частоте и вычисляется через скорость света:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Границы между выделенными диапазонами условны, поэтому они могут перекрываться. Радио- и гамма-волны, расположенные по краям спектра, в принципе не имеют четких границ.
Кто создал шкалу
Электромагнитное взаимодействие между предметами подчиняется электромагнитной теории, базирующейся на уравнениях шотландского физика Джеймса Кларка Максвелла. В 1864 году тот построил теорию электромагнитных излучений, математически доказав существование колебаний в электрических и магнитных полях, скорость распространения которых совпадает со скоростью света. Так как до этого Максвелл занимался теорией цвета и цветным зрением, он описал видимый свет, как волны, соответствующие семи цветам радуги.
Максвелл высчитал длину волны каждого из основных цветов и предположил, что у спектра электромагнитных волн нет границ, они могут быть бесконечно малыми и бесконечно огромными. Невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи на тот момент уже были известны.
В 1888 году немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны и экспериментально доказал, что их природа тождественна природе световых волн, различается только длина волны. В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. В 1900 году, исследуя радий, Поль Виллар обнаружил гамма-лучи.
Что образует шкалу
Диапазон по длине волн
Вдоль шкалы слева направо увеличивается длина волны. Каждая метка отличается от соседней в десять раз.
Диапазон по энергии квантов
Кроме частоты и длины, электромагнитная волна имеет и третью характеристику — энергию кванта (или фотона). Она пропорциональна частоте и высчитывается по формуле:
где \(h\) — постоянная Планка, а греческая буква «ню» — частота.
Виды ЭМ волн
Видимая зона
Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. У каждого цвета собственная длина волны.
Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Лучи света обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Монохроматические излучения, смешиваясь, образуют оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый.
Невидимая зона
Существование невидимых тепловых лучей предсказал французский физик Пьер Прево еще в 1791 году. В 1800 году они были обнаружены экспериментально при изучении температуры разных цветов и названы инфракрасными. Нижнюю часть инфракрасного спектра, наиболее удаленную от видимых лучей, называют микроволнами. Средняя часть спектра — излучение горячих тел, в том числе тела человека. Самые короткие инфракрасные волны схожи по своему поведению с лучами видимого света и могут быть обнаружены чувствительным фотооборудованием.
В 1801 году открыли лучи вне видимого спектра, схожие с фиолетовыми. Их фотоны обладают таким количеством энергии, что способны ионизировать атомы и тем самым вызывать химические процессы. Короткие ультрафиолетовые волны близки к рентгеновским и могут повреждать живые ткани. Волны средней длины не относятся к ионизирующим, но при длительном воздействии разрушают химические связи, например, вызывают рак кожи.
Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: длина волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра. Излучение возникает при столкновении электронов и поверхности анода на большой скорости, когда атомы анода меняют внутреннюю структуру. Частота зависит от материала анода; излучение делят на мягкое, с большей длиной волны и меньшей частотой, и жесткое. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь тело человека, поэтому используются в медицинской диагностике.
При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение, которое также обозначают греческой буквой \gamma . Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле:
где \(h\) — постоянная Планка.
Это самые короткие волны. Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и так интенсивно воздействуют на живые клетки, что могут останавливать их атипичное деление при онкологии.
Радиоволны почти не задерживаются атмосферой, поэтому их удобно использовать для передачи закодированной информации. Они значительно различаются по длине: от нескольких сантиметров до тысяч километров. Длинные волны отражаются от ионосферы планеты и таким образом могут огибать земной шар. Также их используют для изучения астрономических объектов.
Источники волн
Можно разделить источники на два типа — микроскопические и макроскопические. Если заряд, колеблющийся с определенной частотой, перемещается внутри атомов и молекул, источник считается микроскопическим. Искусственно созданные источники, в которых колеблются электроны проводников — макроскопические.
Где применяется шкала ЭМ излучений
Радиолюбителям и пользователям раций важно знать допустимые для переговоров диапазоны, а также полосы военных и аварийных частот, чтобы не занимать чужие выделенные каналы. Собирая собственный приемник или передатчик, нужно заранее определиться, на какие частоты он будет настроен, чтобы использовать соответствующие детали.
Космическое инфракрасное излучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять классы, возраст звезд, химический состав их атмосфер. Например, протозвезды, еще не достигшие главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Расселла, интенсивно излучают энергию в инфракрасном спектре, но при этом полностью лишены теплового излучения.
Применение инфракрасной аппаратуры космического базирования позволяет решать практические задачи геологического картирования, изучать вулканы и геотермальные источники. Метеорологи, измеряя собственное инфракрасное излучение облачных образований, изучают свойства разных слоев атмосферы.
С помощью шкалы энергий излучения можно идентифицировать гамма-радиоактивные вещества, измеряя с помощью специальной установки поглощение испускаемых ими волн. УФ-спектроскопия и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей применяются в прикладной химии для идентификации органических соединений.
Практическое применение шкалы в решении задач
Задача 1
На какой из аварийных частот судну лучше всего передавать сигнал бедствия, если оно находится в 230 км от берега?
Решение
Сверяемся с таблицей:
Переводим километры в морские мили (nm). 1 км = 0,54 nm, соответственно, 230 км = 124,19 nm. Судно находится в районе А2, в зоне действия береговой ПВ радиостанции, так что подавать сигналы бедствия должно по относящимся к ней частотам.
Задача 2
Изомерные 1,3-пентадиен и 1,4-пентадиен имеют в УФ-спектрах максимумы поглощения при 165 нм (спектр А) и 225 нм (спектр Б). Какому веществу принадлежит каждый спектр?
Решение
Двойные связи в 1,3-пентадиене (СН2=СН-СН=СН-СН3) сопряжены, а в 1,4-пентадиене (СН2=СН-СН2-СН=CH2) изолированы. Сопряженные системы поглощают свет в более длинноволновой области, чем системы с изолированными двойными связями. Поэтому спектр Б принадлежит 1,3-пентадиену, а спектр А — 1,4-пентадиену.
Насколько полезной была для вас статья?
Шкала электромагнитных волн
У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от ν = 0 Г ц до ν = ∞ Г ц ), есть объективные причины. Они заключаются в том, что световые волны обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что накладывает на их длину определенные ограничения.
Ограничения длины волны
Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.
Формула содержит постоянную Планка – h = 6 , 62 · 10 — 34 Д ж · c , а h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · с – это постоянная Планка с чертой.
Из формулы можно сделать вывод о невозможности существования бесконечной частоты, поскольку квантов с бесконечной величиной энергии не бывает. Также данное выражение ограничивает и низкие частоты, поскольку энергия кванта имеет минимально возможное значение W 0 , следовательно, существует и минимальная частота, ниже которой волна иметь не может.
Важно отметить, что пока не существует явных доказательств наличия нижней границы энергии у фотонов. В стабильных электромагнитных волнах между земной поверхностью и ионосферой отмечена минимальная частота, равная примерно 8 Г ц .
Шкала электромагнитных волн
На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:
| Название | Граница диапазона по длине волны λ | Граница диапазона по энергии квантов W |
| гамма — излучение | λ < 1 , 2 · 10 - 3 н м | W > 1 М э В |
| рентгеновское излучение | 1 , 2 · 10 — 3 н м < λ < 12 н м | 100 э В > W > 1 М э В |
| ультрафиолетовое излучение | 12 н м < λ < 380 н м | 3 , 2 э В > W > 100 э В |
| видимый спектр излучения | 380 н м < λ < 760 н м | 1 , 6 э В > W > 3 , 2 э В |
| инфракрасное излучение | 760 н м < λ < 10 6 н м | 1 , 2 · 10 — 3 э В > W > 1 , 6 э В |
| радиоволны | λ > 10 6 н м | W < 1 , 2 · 10 - 3 э В |
Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.
В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.
Оптика изучает так называемый оптический диапазон электромагнитных волн – часть спектра с включением фрагментов зон инфракрасного и ультрафиолетового излучения, которая доступна человеческому глазу.
Определение 2
Кванты, которые присутствуют в видимой части излучения, называются фотонами.
Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.
Специфика различных видов электромагнитных волн
Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.
На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.
Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.
Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.
В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).
В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.
Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10 — 10 — 10 — 14 м .
Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.
Решение
Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.
Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.
Решение
К видимому диапазону относятся волны, воспринимаемые человеческим глазом. Границы зрения индивидуальны и находятся в пределе λ = 0 , 38 — 0 , 76 м к м .
В оптике используются два основных вида частот. Первая из них – круговая – может быть определена как ω = 2 π T ( Т — период колебания волны). Вторая определяется как ν = 1 T .
Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:
Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна c = 3 · 10 8 м с , запишем:
В этом случае для границ видимого диапазона получим:
ν = c λ , ω = 2 π c λ .
Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:
ν 1 = 3 · 10 8 0 , 38 · 10 — 6 = 7 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; v 2 = 3 · 10 8 0 , 76 · 10 16 = 3 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; ω 1 = 2 · 3 , 14 · 7 , 9 · 10 14 = 5 · 10 15 ( с — 1 ) ; ω 2 = 2 · 3 , 14 · 3 , 9 · 10 14 = 2 , 4 · 10 15 ( с — 1 ) .
Ответ: 3 , 9 · 10 14 Г ц .