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.
Шкалы электромагнитных волн: основы теории, таблицы
Электромагнитные волны присутствуют в нашей жизни повсеместно. От радио и телевидения до микроволновок и мобильных телефонов — мы постоянно используем различные виды электромагнитного излучения. Давайте разберемся, что представляет собой шкала электромагнитных волн и какие типы излучения в нее входят.
Основы теории электромагнитных волн
Электромагнитные волны (ЭМВ) — это распространяющиеся в пространстве попеременные электрические и магнитные поля, которые создают друг друга. Они несут энергию и информацию.
Основные свойства ЭМВ:
- Распространяются в вакууме со скоростью света (около 300 000 км/с)
- Отражаются и преломляются на границе раздела сред
- Обладают волновыми свойствами — интерференция, дифракция, поляризация
- Могут взаимодействовать друг с другом
На характеристики ЭМВ влияют такие параметры, как длина волны и частота. Длина волны определяет пространственный масштаб колебаний электромагнитного поля. Частота — скорость этих колебаний во времени. Чем короче длина волны и выше частота, тем больше энергия ЭМВ.
Классификация электромагнитных волн
В зависимости от длины волны и частоты, все ЭМВ делятся на несколько диапазонов, которые составляют шкалу электромагнитных волн. Рассмотрим основные типы электромагнитного излучения.
Радиоволны
Это ЭМВ с длиной волны от нескольких миллиметров до десятков километров. Радиоволны подразделяются на:
- Длинные волны (ДВ) — от 1 до 10 км
- Средние волны (СВ) — от 100 до 1000 м
- Короткие волны (КВ) — от 10 до 100 м
- Ультракороткие волны (УКВ) — от 1 мм до 10 м
Радиоволны используются в радиовещании, телевидении, радиолокации и спутниковой связи. Их отличает способность огибать кривизну Земли и распространяться на большие расстояния.
Микроволны
Диапазон электромагнитных волн длиной от 1 мм до 1 м. Микроволны включают:
- Сантиметровые волны (СмВ) — от 1 до 10 см
- Миллиметровые волны (ММВ) — от 1 до 10 мм
Микроволны широко используются в СВЧ-технике — радиолокации, спутниковой связи, микроволновых печах. Они плохо распространяются через преграды, что позволяет фокусировать их в узкие пучки.
| Длина волны | Частота | Применение |
| До 100 м | До 3 МГц | Радиовещание |
| 1 мм — 10 м | 30 — 300 МГц | Сотовая связь |
В таблице приведено сравнение радио- и микроволн по основным параметрам и областям использования.
Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение
Это оптический диапазон электромагнитных волн, который включает:
- Инфракрасное (ИК) излучение
- Видимый свет
- Ультрафиолетовое (УФ) излучение
Длина волны оптического диапазона — от 700 нм (красный цвет) до 10 нм (жесткий УФ).
Инфракрасное излучение невидимо для человека, но ощущается как тепло. Оно широко используется в тепловизорах, пультах управления, оптоволоконной связи.
Видимый свет позволяет человеку воспринимать окружающий мир. Цвета спектра определяются длиной волны излучения.
Коротковолновый ультрафиолет опасен для человека, но применяется для обеззараживания воды и в медицине. Длинноволновый УФ используется в соляриях.
Таким образом, оптический диапазон ЭМВ имеет важнейшее значение для жизни на Земле и развития цивилизации.
В данной статье мы лишь кратко рассмотрели основные типы электромагнитных волн и их классификацию. Шкала ЭМВ значительно шире и ее изучение помогает глубже понять окружающий нас мир.
Рентгеновское излучение
Рентгеновские лучи — электромагнитные волны с длиной волны от 0,01 до 10 нм. Их частота составляет 3∙10 16 — 3∙10 19 Гц.
Рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью и при определенной дозе опасно для живых организмов. В то же время благодаря этому свойству оно широко используется в медицине и технике.
Применение рентгеновских лучей:
- Диагностика заболеваний и травм
- Исследование структуры вещества
- Дефектоскопия материалов и изделий
- Терапия онкологических заболеваний
Гамма-излучение
Гамма-лучи имеют наикратчайшую длину волны в шкале электромагнитных волн — менее 0,01 нм. Их частота достигает 10 22 Гц.
Такое жесткое электромагнитное излучение возникает при радиоактивном распаде атомных ядер. Оно интенсивно поглощается веществом и представляет высокую опасность для живых организмов.
| Тип излучения | Длина волны | Частота, Гц |
| Рентгеновское | 0,01 — 10 нм | 10 16 — 10 19 |
| Гамма-излучение | Менее 0,01 нм | До 10 22 |
Таблица сравнивает рентгеновские лучи и гамма-излучение по основным характеристикам.
Уравнение Планка
Связь между частотой электромагнитной волны ν и энергией ее кванта E описывается уравнением Планка:
где h − постоянная Планка; с − скорость света; λ − длина волны излучения.
Из уравнения видно, что высокочастотному излучению соответствует более высокая энергия фотона.
Таблица шкалы электромагнитных волн для 11 класса
Рассмотрим заполненную таблицу, демонстрирующую шкалу электромагнитных волн с длинами волн и частотами различных диапазонов.
| Диапазон волн | Длина волны | Частота |
| Радиоволны | 1 мм – 100 км | 3 кГц – 300 ГГц |
| Микроволны | 1 мм – 1 м | 300 МГц – 300 ГГц |
| Инфракрасное | 700 нм – 1 мм | 300 ГГц – 430 ТГц |
| Видимое | 380 — 760 нм | 400 — 790 ТГц |
| Ультрафиолетовое | 10 — 380 нм | 790 ТГц — 30 ПГц |
| Рентгеновское | 0,01 — 10 нм | 30 ПГц — 3 ЕГц |
| Гамма-излучение | Менее 0,01 нм | Более 3 ЕГц |
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 .
Какие волны имеют самый высокий диапазон частот?
Для электромагнитных волн — гамма-лучи.
Длина волны напрямую связана с энергией кванта излучения. Рентгеновские лучи — это тысячи или десятки тысяч электрон-вольт. Энергия гамма-квантов может достигать десятков миллионов электрон-вольт. Это соответствует длинам волн в сотые и тысячные доли ангстрема (то есть порядка размеров атомного ядра) .
Для звуковых волн максимально возможная частота зависит от среды, в которой распространяется звук. Для газа, понятное дело, звук может считаться звуком только если длина волны заметно превышает среднюю длину молекул газа при данном давлении и данной температуре (ежели не лениво — можете сами рассчитать, там простая арифметика) . Для твёрдого тела и жидкостей всё будет сложнее (есть связь молекул друг с другом) , поэтому там диапазон частот может оказаться изрядно выше, чем в газах.
Остальные ответы
Ты хоть понял, что спросил? Каждая волна имеет свою частоту. Но в принципе -высокие
космические лучи покруче чем рентгеновские
Вобще световые волны. Возьмем только свет видимого диапазона примерно от 400 до 700 нм. Этим значениям соответствуют следующие частоты: от 10 до 0,5-10Гц. Диапазон частот света составляет 1—0,5-10,5 = 0,5-10 Гц, что в миллионы раз больше диапазона радиоволн.
Похожие вопросы