Что такое шкала электромагнитных волн
Перейти к содержимому

Что такое шкала электромагнитных волн

  • автор:

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.

Диапазоны ЭМ излучения

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.

Диапазон по энергии квантов

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:

Аварийные частоты по морским районам

Морской район

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.

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.

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 ) .

Шкала электромагнитных волн

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Шкала электромагнитных волн»

Мы уже с вами знаем, что в 1864 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме с предельно возможной скоростью — скоростью света. Этот факт дал возможность Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем и их последующего изучения было установлено, что свойства волн сильно зависят от их частоты. А так как все электромагнитные волны имеют одну и ту же природу, то было решено свести их в единую шкалу электромагнитных волн. Вдоль шкалы слева направо непрерывно возрастает одна величина — частота (или уменьшается длина волны). Ввиду огромного различия длин волн эта шкала построена в логарифмическом масштабе: метки на шкале соответствуют длинам, каждая из которых отличается в 10 раз от соседней. На шкале указаны участки длин волн (или частоты), занимаемые различными типами электромагнитных волн. А распределение электромагнитных волн по типам сделано в соответствии со способами их генерации и их взаимодействия с веществом. Несмотря на то, что границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны, всё же принято выделять семь (иногда восемь) типов электромагнитных волн.

Итак, первый участок шкалы содержит волны, которые возбуждаются низкочастотными электромагнитными колебаниями. Их генерируют устройства, обладающие большой индуктивностью и ёмкостью, например, генераторы переменного тока. Такие волны очень быстро затухают и практически не излучаются в пространство.

Далее следуют радиоволны. Их, в свою очередь, принято делить на две части. К первой части относятся волны, которые излучаются открытыми колебательными контурами. По длине волны их делят на длинные (или километровые) (3 ∙ 10 3 м < λ ≤ 3 ∙ 10 4 м), средние (или гектометровые) (2 ∙ 10 2 м < λ ≤ 3 ∙ 10 3 м) и короткие (декаметровые) волны (10 м < λ ≤ 2 ∙ 10 2 м).

Длинные волны распространяются на расстояния 1—2 тысяч километров за счёт дифракции на сферической поверхности Земли (то есть они могут огибать земную поверхность). Средние волны способны распространяться на сотни и тысячи километров благодаря огибанию земной поверхности, а также (преимущественно в ночное время) отражаясь от ионосферы Земли. А короткие волны распространяются, поочерёдно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли с малыми потерями мощности.

Ко второй части данного участка шкалы относят ультракороткие волны — это диапазон радиоволн, объединяющий метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны. Ультракороткие волны излучаются специальными электромагнитными вибраторами и регистрируются радиотехническими устройствами. Такие волны распространяются прямолинейно. Они способны проходить через ионосферу Земли и уходить в космос. Поэтому их используют для космической связи. А на Земле (в условиях прямой видимости) — в телевидении и радиолокации.

С третьего участка шкалы электромагнитных волн начинаются волны, которые излучаются атомами и молекулами вещества. Участки три, четыре и пять шкалы относятся к оптическому излучению.

Четвёртый участок — это видимое излучение, то есть электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Ранее мы с вами показали, что чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны излучения, при этом максимум чувствительности приходится на зелёную часть спектра.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с большими длинами волн, поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Изучая опыты Ньютона по дисперсии света, мы с вами показали, что белый свет является сложным цветом, так как он состоит из простых монохроматических цветов. Как мы помним, Ньютон выделил из белого света семь основных цветов. Число семь он выбрал из убеждения, что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели.

Дальнейшие исследования спектра видимого излучения показали, что кроме видимых лучей, он содержит ещё и невидимые лучи. Так в 1800 году английский астрономом Уильям Гершель параллельно с изучением и исследованием Солнца искал способы уменьшения нагревания инструментов для наблюдения. Для этого учёный изучал температуру различных участков солнечного спектра, помещая в них края чувствительных термометров. Какого же было удивление учёного, когда он обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением».

Из-за повышенной способности этих невидимых лучей нагревать тела, они были названы тепловыми, а затем (уже учитывая их расположение в спектре) — инфракрасными.

В настоящее время к инфракрасному излучению относят электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением.

Исследования инфракрасного излучения показали, что оно испускается любыми телами, температура которых выше абсолютного нуля. При этом чем выше температура излучающего тела, тем больше интенсивность инфракрасного излучения и тем больше его частота.

На регистрации инфракрасных лучей основана тепловизионная техника, позволяющая вести наблюдение в полной темноте: это тепловизоры, приборы ночного видения, оптические прицелы ночного видения и так далее. Общее у всех этих приборов то, что все они преобразуют инфракрасное излучение в видимый нами свет.

Свойства инфракрасного излучения позволяют широко применять его в бытовой технике. Наиболее известный пример применения такого излучения — пульт дистанционного управления электронным устройством. Световой сигнал, исходящий от такого пульта, невидим для человека, что делает его применение удобным.

После того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения с противоположного конца видимого спектра. И уже в 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра белого цвета в течение нескольких минут темнеет на свету. Однако разные участки спектра по-разному влияют на скорость потемнения. А быстрее всего это происходит перед фиолетовой областью спектра. Обнаруженный вид излучения был назван ультрафиолетовым (от латинских слов «сверх, за пределами» и «фиолетовый»).

В настоящее время под ультрафиолетовым излучением понимают электромагнитное излучение с длиной волны 10—380 нм.

Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию ряда веществ. Однако сами по себе ультрафиолетовые лучи не вызывают зрительных образов, так как они невидимы. Но их действие на биологические объекты очень велико и разрушительно. Например, ультрафиолетовое излучение Солнца недостаточно поглощается верхними слоями атмосферы. Вот почему высоко в горах нельзя оставаться длительное время без одежды и тёмных очков, так как это может привести не только к ожогам, но и к развитию рака кожи. По этой же причине не рекомендуется загорать на пляже под полуденным Солнцем, когда ультрафиолетовое излучение наиболее интенсивно. А для защиты глаз следует применять стеклянные очки, прозрачные только для видимого спектра, так как стекло сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Достаточно широко ультрафиолетовое излучение применяется для обеззараживания воды, воздуха и различных поверхностей. Используют его и для защиты денежных купюр и банковских карт.

Шестой участок шкалы электромагнитных волн образует рентгеновское излучение. Открыто оно было в конце XIX века совершенно случайно. В то время многие учёные изучали газовый разряд, происходящий при очень малом давлении. В этих условиях в газоразрядной трубке создавались потоки очень быстрых электронов. Но так как об электроне, как о частице, тогда ничего не знали, то их потоки называли катодными лучами, так как они рождались на катоде трубки. Так вот, изучая катодные лучи немецкий физик Вильгельм Конрад Рёнтген скоро заметил, что фотопластинка, помещённая вблизи разрядной трубки, оказывалась засвеченной даже в том случае, когда она была завёрнута в чёрную бумагу.

Это натолкнуло учёного на мысль о том, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его Х-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи». А сам Вильгельм Рёнтген в 1901 году стал первым в истории физики лауреатом Нобелевской премии.

Что интересно, открытые Рёнтгеном лучи вызывали ионизацию воздуха, не отражались от веществ и не испытывали преломления. Поэтому было высказано предположение, что рентгеновские лучи, возникающие при резком торможении быстрых электронов атомами твёрдых тел, являются электромагнитными волнами с очень малой длиной волны.

Что бы доказать (или опровергнуть) это предположение в тысяча девятьсот двенадцатом (1912) году немецкий физик Макс фон Лауэ совместно с двумя студентами (они-то и проводили опыт) направили узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, за которым расположили фотопластинку.

После проявления пластинки оказалось, что вокруг большого центрального пятна, которые давали лучи, распространяющиеся по прямой, были обнаружены регулярно расположенные небольшие пятнышки. Их появление можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла. Дальнейшее исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения, и по порядку величины была равна размерам атома.

Таким образом было доказано, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Для генерации рентгеновского излучения разработаны электровакуумные приборы, называемые рентгеновскими трубками. Их основными конструктивными элементами являются металлические катод, в виде вольфрамовой спирали, и анод. Катод при нагревании испускает электроны (происходит термоэлектронная эмиссия). Далее из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт) поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод, где электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя бо́льшую часть приобретённой энергии.

Большая её часть (около 99 %) превращается в тепло, вызывая нагревание анода. И лишь около 1 %энергии превращается в тормозное излучение рентгеновского диапазона.

При изучении рентгеновских лучей было также установлено, что их поглощение веществом пропорционально плотности вещества: они легко могут пройти через алюминиевую пластинку толщиной до десяти сантиметров, но легко задерживаются сантиметровым слоем свинца.

Свойство рентгеновских лучей проходить через вещество используется на практике уже со времени их открытия. В частности, в медицине просвечивание человеческого тела рентгеновскими лучами даёт возможность получать фотографии скелета и внутренних органов человека. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удаётся установить порядок расположения атомов в пространстве — то есть структуру кристаллов. А с помощью рентгеноструктурного анализа можно расшифровать строение сложнейших органических соединений, в том числе и белков.

Седьмой (и последний) участок шкалы электромагнитных волн занимают гамма-лучи, которые возникает в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, и сопровождают ядерные реакции. Гамма-излучение характеризуется чрезвычайно малой длиной волны (менее 0,2 нм). Вследствие этого оно обладает громадной проникающей способностью. Например, в воздухе длина свободного пробега гамма-лучей достигает нескольких сот метров, и около 5 см в свинце.

Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых (при локальном воздействии на них) и других быстро делящихся клеток.

В заключение отметим, что с уменьшением длины электромагнитных волн всё сильнее проявляются квантовые свойства излучения и всё с большим основанием вместо слова «волны» можно использовать выражение «поток фотонов». Однако о фотонах мы с вами будем говорить немного позже.

Шкала электромагнитных волн

Казалось бы, что должны существовать волны всех частот ($\nu $) от $\nu =0\ Гц$ до $\nu =\infty \ Гц.$ Однако так как световая волна обладает помимо волновых свойств корпускулярными свойствами, существуют некоторые ограничения. Квантовая теория утверждает, что электромагнитное излучение испускается в виде квантов (порций энергии). Энергия кванта (W) связана с его частотой выражением:

где $h=6,62\cdot <10>^<-34>Дж\cdot с$ — постоянная Планка, $\hbar =\frac<2\pi >=1,05\cdot <10>^<-34>Дж\cdot с$ — постоянная Планка с чертой. Из выражения (1) следует, что бесконечные частоты невозможны, так как не существует квантов с бесконечно большой энергией. Это же выражение накладывает ограничения на низкие частоты, так как существует минимальное значение ванта энергии ($W_0$), из чего следует, что минимальная частота ($<\nu >_0$) равна:

Надо сказать, что по сей день в физике не доказано существование нижней границы энергии фотонов. Минимальная частота порядка 8 Гц наблюдается в стоячих электромагнитных волнах между ионосферой и земной поверхностью.

Шкала электромагнитных волн

Все известные на сегодняшний день электромагнитные волны разделяют на:

Каждый из диапазонов имеет свои особенности. С ростом частоты увеличивается проявление корпускулярных свойств излучения. Волны разных частей спектра различны способами генерации. Каждый диапазон волн изучает свой раздел физики. Данные участки спектра отличаются не физической природой, а способом их получения и приема. Между данными видами волн не существует резких переходов, участки могут перекрываться, границы являются условными.

Видимую часть спектра электромагнитных волн в совокупности с зоной ультрафиолетового и инфракрасного излучения исследуют в оптике (так называемый оптический диапазон). Кванты излучения видимого диапазона называются фотонами. Их энергия заключена в интервале:

Волновые и квантовые свойства имеются у всего спектра электромагнитного излучения, но в зависимости от длины волны один вид свойств превалирует по значимости над другим, соответственно, применяются различные в методы их исследования. В зависимости от длины волны разные группы волн имеют различные виды практического применения.

Особенности разных видов электромагнитного излучения

Особенностями оптического диапазона являются:

  • выполнение законов геометрической оптики,
  • слабое взаимодействие света с веществом.

Для частот ниже, чем оптический диапазон перестают действовать законы геометрической оптики, тогда как электромагнитное поле высоких частот либо проходит сквозь вещество, либо разрушает его. Видимый свет, является необходимым условием жизни на Земле, так как является обязательным условием для фотосинтеза.

Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Это самые длинные волны из спектра электромагнитных волн. Радиоволны легко искусственно генерировать при помощи колебательного контура (соединения ёмкости и индуктивности). Атомы и молекулы способны излучать радиоволны, что используют в радиоастрономии. В самом общем вид, следует отметить, что излучателем электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы, находящиеся в атомах и ядрах.

Инфракрасную область спектра впервые экспериментально была изучена в 1800 г. В. Гершелем. Ученый поместил термометр за красным краем спектра и зафиксировал повышение температуры, что означало нагревание термометра невидимым глазу излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Используя специальные средства инфракрасное излучение можно превратить в видимый свет. Так получают изображения нагретых тел в темноте. Инфракрасное излучение используют для сушки чего — либо.

Ультрафиолетовое излучение открыл И. Риттер. Он обнаружил, что за фиолетовым краем спектра существуют лучи, невидимые глазу, которые воздействуют на некоторые химические соединения. Оно способно убивать болезнетворных бактерий, из-за этого его широко используют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечных лучей воздействует на кожу человека, вызывая ее потемнение (загар).

Рентгеновские лучи обнаружены В. Рентгеном в 1895 г. Они невидимы глазом, проходят без существенного поглощения через большие слои вещества, которые непрозрачны для видимого света. Обнаруживаются рентгеновские лучи по способности вызывать свечение некоторых кристаллов и воздействовать на фотопленку. Эти лучи используются в частности в медицинской диагностике. Рентгеновское излучение имеет сильное биологическое действие.

Гамма- излучение — это излучение, которое испускают возбужденные атомные ядра и взаимодействующие элементарные частицы. Это самое коротковолновое излучение. У него самые ярко выраженные корпускулярные свойства. Обычно гамма- излучение рассматривается как поток гамма — квантов. В области длин волн порядка $<10>^<-10>—<10>^<-14>м$ диапазоны гамма излучения и рентгеновский перекрываются.

Задание: Что является излучателем для различных видов электромагнитных волн?

Решение:

Излучателем электромагнитных волн всегда являются движущиеся заряженные частицы. В атомах и ядрах эти частицы движутся ускоренно, значит, являются источниками электромагнитных волн. Радио волны излучают атомы и молекулы. Это единственный тип волн, которые можно искусственно генерировать, используя колебательный контур. Инфракрасное излучение получается в основном за счет колебаний атомов в молекулах. Эти колебания носят название тепловых, так как порождаются тепловыми столкновениями молекул. С увеличением температуры частота колебаний увеличивается.

Видимые лучи генерируются отдельными возбуждёнными атомами.

Ультрафиолетовый свет, также относят к атомарному.

Рентгеновские лучи излучаются за счет того, что электроны, обладающие высокой кинетической энергией, взаимодействуют с атомами и ядрами атомов или ядра атомов сами излучают за счет собственного возбуждения.

Гамма — лучи генерируются возбужденными ядрами атомов и возникают при взаимодействии и взаимных превращениях элементарных частиц.

Задание: Чему равны частоты волн видимого диапазона?

Решение:

Видимый диапазон — совокупность волн, которые воспринимает человеческий глаз. Границы этого диапазона зависят от индивидуальных особенностей зрения человека, и находится примерно в пределах $\lambda =0,38-0,76\ мкм.$

В оптике используют два вида частот. Круговую частоту ($\omega $), которая определяется как:

где $T$ — период колебаний волны. Также используют частоту $\nu $, которая связывается с периодом колебаний как:

Следовательно, обе частоты связаны между собой соотношением:

\[\omega =2\pi \nu \left(2.3\right).\]

Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна $c=3\cdot <10>^8\frac<м><с>$, имеем:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *