Все электромагнитные поля создаются ускоренно движущимися зарядами. Неподвижный заряд создает только электростатическое поле. Электромагнитных волн в этом случае нет. В простейшем случае источником излучения является заряженная частица, совершающая колебание. Так как электрические заряды могут колебаться с любыми частотами, то частотный спектр электромагнитных волн неограничен. Этим электромагнитные волны отличаются от звуковых волн. Классификация этих волн по частотам (в герцах) или длинам волн (в метрах) представляется шкалой электромагнитных волн (рис. 1.10). Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, а в некоторых случаях перекрываются. Различие свойств становится заметным только в том случае, когда длины волн различаются на несколько порядков.

Рассмотрим качественные характеристики электромагнитных волн разных частотных диапазонов и способы их возбуждения и регистрации.

Радиоволны. Все электромагнитное излучение, длина волны которого больше полумиллиметра, относится к радиоволнам. Радиоволнам соответствует область частотот 3 · 10 3 до 3 · 10 14 Гц . Выделяют область длинных волн более 1 000 м , средних – от 1 000 м до 100 м , коротких – от 100 м до 10 м и ультракоротких – менее 10 м .

Радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере. С их помощью передаются радио- и телевизионные сигналы. На распространение радиоволн над земной поверхностью влияют свойства атмосферы. Роль атмосферы определяется наличием в ее верхних слоях ионосферы. Ионосфера – это ионизированная верхняя часть атмосферы. Особенностью ионосферы является высокая концентрация свободных заряженных частиц – ионов и электронов. Ионосфера для всех радиоволн, начиная от сверхдлинных (λ ≈ 10 4 м ) и до коротких (λ ≈ 10 м ), является отражающей средой. Благодаря отражению от ионосферы Земли, радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях, обеспечивая передачу сигнала на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи.

Волны дециметрового диапазона не могут огибать земную поверхность, что ограничивает зону их приема областью прямого распространения, которая зависит от высоты антенны и мощности передатчика. Но и в этом случае роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера, берут на себя спутниковые ретрансляторы.

Электромагнитные волны радиоволновых диапазонов испускаются антеннами радиостанций, в которых возбуждаются электромагнитные колебания с помощью генераторов высокой и сверхвысокой частоты (рис. 1.11).

Однако, в исключительных случаях, волны радиочастот могут создаваться микроскопическими системами зарядов, например, электронами атомов и молекул. Так, электрон в атоме водорода способен излучать электромагнитную волну с длиной (такой длине отвечает частота Гц , которая принадлежит микроволновому участку радиодиапазона). В несвязанном состоянии атомы водорода находятся в основном в межзвездном газе. Причем каждый из них излучает в среднем один раз за 11 миллионов лет. Тем не менее, космическое излучение вполне наблюдаемо, так как в мировом пространстве рассеяно достаточно много атомарного водорода.

Это интересно

Радиоволны слабо поглощаются средой, поэтому изучение Вселенной в радиодиапазоне очень информативно для астрономов. Начиная с 40-х гг. ХХ столетия, бурно развивается радиоастрономия, в задачу которой входит изучение небесных тел по их радиоизлучению. Успешные полеты межпланетных космических станций к Луне, Венере и другим планетам продемонстрировали возможности современной радиотехники. Так, сигналы со спускаемого аппарата с планеты Венера, расстояние до которой примерно 60 миллионов километров, принимаются наземными станциями спустя 3,5 минуты после их отправления.

В 500 км к северу от Сан-Франциско (штат Калифорния) начал действовать необычный радиотелескоп. Его задача – поиск внеземных цивилизаций.

Снимок взят с сайта top.rbc.ru

Телескоп Allen Telescope Array (ATA) назван в честь одного из основателей компании Microsoft Пола Аллена, который выделил на его создание 25 миллионов долларов. В настоящее время ATA состоит из 42 антенн диаметром6 м, однако их число планируется довести до 350.

Создатели ATA надеются уловить сигналы других живых существ во Вселенной примерно к 2025 г. Ожидается также, что телескоп поможет собрать дополнительные данные о таких явлениях, как сверхновые звезды, «черные дыры» и различные экзотические астрономические объекты, существование которых теоретически предсказано, но на практике не наблюдалось.

Центр находится под совместным управлением Радиоастрономической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли и Института SETI, занимающегося поиском внеземных форм жизни. Технические возможности ATA значительно увеличивают способность SETI улавливать сигналы разумной жизни.

Инфракрасное излучение. Диапазону инфракрасного излучения соответствуют длины волн от 1 мм до 7 · 10 –7 м . Инфракрасное излучение возникает при ускоренном квантовом движении зарядов в молекулах. Это ускоренное движение происходит при вращении молекулы и колебании ее атомов.

Рис. 1.12

Наличие инфракрасных волн было установлено в 1800 г. Вильямом Гершелем. В. Гершель случайно обнаружил, что используемые им термометры нагреваются и за границей красного конца видимого спектра. Ученый сделал вывод, что существует электромагнитное излучение, продолжающее спектр видимого излучения за красным светом. Это излучение он назвал инфракрасным. Его еще называют тепловым, так как инфракрасные лучи излучает любое нагретое тело, даже если оно не светится для глаза. Можно легко почувствовать излучение от горячего утюга даже тогда, когда он нагрет не настолько сильно, чтобы светиться. Обогреватели в квартире испускают инфракрасные волны, вызывающие заметное нагревание окружающих тел (рис. 1.12). Инфракрасное излучение – это тепло, которое в разной степени отдают все нагретые тела (Солнце, пламя костра, нагретый песок, камин).

Рис. 1.13

Инфракрасное излучение человек ощущает непосредственно кожей – как тепло, исходящее от огня или раскаленного предмета (рис. 1.13). У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела. Человек создает инфракрасное излучение в диапазоне от 6 мкм до 10 мкм . Молекулы, входящие в состав кожного покрова человека, «резонируют» на инфракрасных частотах. Поэтому именно инфракрасное излучение преимущественно поглощается, согревая нас.

Земная атмосфера пропускает совсем небольшую часть инфракрасного излучения. Оно поглощается молекулами воздуха, и особенно молекулами углекислого газа. Углекислым газом обусловлен и парниковый эффект, обусловленный тем, что нагретая поверхность излучает тепло, которое не уходит обратно в космос. В космосе углекислого газа немного, поэтому тепловые лучи с небольшими потерями проходят сквозь пылевые облака.

Для регистрации инфракрасного излучения в области спектра, близкого к видимому (от l = 0,76 мкм до 1,2 мкм ), применяют фотографический метод. В других диапазонах применяют термопары, полупроводниковые болометры, состоящие из полосок полупроводников. Сопротивление полупроводников при освещении инфракрасным излучением меняется, что регистрируется обычным образом.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Приборы ночного видения позволяют обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например, для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий.

Рис. 1.14

Видимый свет. Видимый свет и ультрафиолетовые лучи создаются колебаниями электронов в атомах и ионах. Область спектра видимого электромагнитного излучения очень мала и имеет границы, определяемые свойствами органа зрения человека. Длины волн видимого света лежат в диапозоне от 380 нм до 760 нм . Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Излучение в узком интервале длин волн глаз воспринимает как одноцветное, а сложное излучение, содержащее все длины волн, – как белый свет (рис. 1.14). Длины световых волн, соответствующие основным цветам, приведены в таблице 7.1. С изменением длины волны цвета плавно переходят друг в друга, образуя множество промежуточных оттенков. Средний человеческий глаз начинает различать разницу в цветах, соответствующую разности длин волн в 2 нм .

Для того чтобы атом мог излучать, он должен получить энергию извне. Наиболее распространены тепловые источники света: Солнце, лампы накаливания, пламя и др. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников, например, свечением сопровождается разряд в газе.

Самой важной характеристикой видимого излучения является, разумеется, его видимость для человеческого глаза. Температура поверхности Солнца, равная примерно 5 000 °С, такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра, а окружающая нас среда в значительной степени прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Максимальная чувствительность глаза при дневном зрении приходится на длину волны и соответствует желто-зеленому свету. В связи с этим специальное покрытие на объективах фотоаппаратов и видеокамер должно пропускать внутрь аппаратуры желто-зеленый свет и отражать, лучи, которые глаз ощущает слабее. Поэтому блеск объектива и кажется нам смесью красного и фиолетового цветов.

Наиболее важные способы регистрации электромагнитных волн в оптическом диапазоне основаны на измерении переносимого волной потока энергии. Для этой цели используются фотоэлектрические явления (фотоэлементы, фотоумножители), фотохимические явления (фотоэмульсия), термоэлектрические явления (болометры).

Ультрафиолетовое излучение. К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (390–10 нм ). Это излучение было открыто в 1802 г. физиком И. Риттером. Ультрафиолетовое излучение обладает большей энергией, чем видимый свет, поэтому солнечное излучение в ультрафиолетовом диапазоне становится опасным для человеческого организма. Ультрафиолетовое излучение, как известно, щедро посылает нам Солнце. Но, как уже говорилось, Солнце сильнее всего излучает в видимых лучах. Напротив, горячие голубые звезды – мощный источник ультрафиолетового излучения. Именно это излучение нагревает и ионизует излучающие туманности, благодаря чему мы их и видим. Но поскольку ультрафиолетовое излучение легко поглощается газовой средой, то из далеких областей Галактики и Вселенной оно почти не доходит к нам, если на пути лучей есть газопылевые преграды.

Рис. 1.15

Основной жизненный опыт, связанный с ультрафиолетовым излучением, мы приобретаем летом, когда много времени проводим на солнце. Наши волосы выгорают, а кожа покрывается загаром и ожогами. Все прекрасно знают, как благотворно влияет солнечный свет на настроение и здоровье человека. Ультрафиолетовое излучение улучшает кровообращение, дыхание, мышечную активность, способствует образованию витамина и лечению некоторых кожных заболеваний, активизирует иммунные механизмы, несет заряд бодрости и хорошего настроения (рис. 1.15).

Жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение, соответствующее длинам волн, примыкающим к рентгеновскому диапазону, губительно для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Рис. 1.16

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим бо льшую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (рис. 1.16). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана.

Озоновый слой образуется в стратосфере на высоте от 20 км до 50 км . В результате вращения Земли наибольшая высота озонового слоя – у экватора, наименьшая – у полюсов. В близкой к Земле зоне над полярными областями образовались уже «дыры», которые в течение последних 15 лет постоянно увеличиваются. В результате прогрессирующего разрушения озонового слоя увеличивается интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Вплоть до длин волн ультрафиолетовые лучи могут быть изучены теми же экспериментальными методами, что и видимые лучи. В области длин волн меньше 180 нм встречаются существенные трудности, обусловленные тем, что эти лучи поглощаются различными веществами, например, стеклом. Поэтому в установках для исследования ультрафиолетового излучения применяют не обычное стекло, а кварц или искусственные кристаллы. Однако для столь короткого ультрафиолета непрозрачны и газы при обычном давлении (например, воздух). Поэтому для исследования такого излучения используются спектральные установки, из которых выкачан воздух (вакуумспектрографы).

На практике регистрация ультрафиолетового излучения производится часто с помощью фотоэлектрических приемников излучения. Регистрация ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 160 нм производится специальными счетчиками, аналогичными счетчикам Гейгера–Мюллера.

Рентгеновское излучение. Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Это излучение было открыто в 1895 г. В. Рентгеном (Рентген назвал его Х -лучами). В 1901 г. В. Рентген первым из физиков получил Нобелевскую премию за открытие излучения, названного в его честь. Это излучение может возникать при торможении любым препятствием, в т.ч. металлическим электродом, быстрых электронов в результате преобразования кинетической энергии этих электронов в энергию электромагнитного излучения. Для получения рентгеновского излучения служат специальные электровакуумные приборы – рентгеновские трубки. Они состоят из вакуумного стеклянного корпуса, в котором на определенном расстоянии друг от друга находятся катод и анод, включенные в цепь высокого напряжения. Между катодом и анодом создается сильное электрическое поле, разгоняющее электроны до энергии . Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода электронами, обладающими большими скоростями. При торможении электронов в материале анода возникает тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр. Кроме того, в результате электронной бомбардировки происходит возбуждение атомов материала, из которого изготовлен анод. Переход атомных электронов в состояние с меньшей энергией сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения, частоты которого определяются материалом анода.

Рентгеновские лучи свободно проходят сквозь мышцы человека, проникают сквозь картон, древесину и другие тела, непрозрачные для света.

Они вызывают свечение ряда веществ. В. Рентген не только открыл рентгеновское излучение, но и исследовал его свойства. Им было обнаружено, что материал малой плотности более прозрачен, чем материал большой плотности. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Расположив между источником рентгеновского излучения и экраном руку, можно увидеть слабую тень руки, на которой резко выделяются более темные тени костей (рис. 1.17).

Мощные вспышки на Солнце являются также источником рентгеновского излучения (рис. 1.19). Земная атмосфера является прекрасным щитом для рентгеновского излучения.

В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При захватывании вещества вблизи магнитных полюсов звезды выделяется много энергии, которая и излучается в рентгеновском диапазоне.

Для регистрации рентгеновского излучения используют те же физические явления, что и при исследовании ультрафиолетового излучения. Главным образом, применяют фотохимические, фотоэлектрические и люминесцентные методы.

Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение с длинами волн менее 0,1 нм . Оно связано с ядерными процессами, явлениями радиоактивного распада, происходящими с некоторыми веществами, как на Земле, так и в космосе.

Гамма-лучи вредны для живых организмов. Земная атмосфера не пропускает космическое гамма-излучение. Это обеспечивает существование всего живого на Земле. Регистрируется гамма-излучение детекторами гамма-излучения, сцинтилляционными счетчиками.

Таким образом, электромагнитные волны различных диапазонов получили разные названия и обнаруживают себя в совершенно непохожих физических явлениях. Эти волны излучаются различными вибраторами, регистрируются различными методами, но они имеют единую электромагнитную природу, распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, обнаруживают явления интерференции и дифракции. Различают два основных типа источников электромагнитного излучения. В микроскопических источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Следует подчеркнуть, что с изменением длины волны возникают и качественные различия: лучи с малой длиной волны наряду с волновыми свойствами более ярко проявляют корпускулярные (квантовые) свойства.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16

Удобная мобильная связь, яркий солнечный свет, вредное радиоактивное излучение, полезный в небольших дозах ультрафиолет, ласковое тепло печи, «видящие насквозь» рентгеновские лучи... Все это — электромагнитные волны, они имеют общую природу и распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Почему же их свойства такие разные? Имеют ли они какое-то принципиальное отличие? Как образуются разные виды электромагнитных волн и где их применяют? Попробуем разобраться.

Рассматриваем шкалу электромагнитных волн

Разные виды электромагнитных волн прежде всего отличаются частотой, а следовательно, длиной волны. Именно разные частоты — причина существенных отличий в некоторых свойствах электромагнитных волн.

Если расположить все известные электромагнитные волны в порядке увеличения их частоты (рис. 20.1), увидим, что частоты могут отличаться более чем в 10 16 раз! Согласитесь, это огромная разница. И поэтому нетрудно представить, насколько разными могут быть свойства электромагнитных волн.

Шкала электромагнитных волн на рис. 20.1 разделена на участки, соответствующие разным диапазонам длин и частот электромагнитных волн, то есть разным видам электромагнитных волн. У волн одного диапазона одинаковый способ излучения и похожие свойства.

Радиоволны — от сверхдлинных с длиной более 10 км до ультракоротких и микроволн с длиной менее 0,1 мм — создаются переменным электрическим током.

Электромагнитные волны оптического диапазона излучаются возбужденными атомами. В данном диапазоне различают:

Инфракрасное (тепловое) излучение (длина волны — от 780 нм до 1-2 мм);

Видимый свет (длина волны — 400-780 нм);

Ультрафиолетовое излучение (длина волны — 10-400 нм).

Рентгеновское излучение (длина волны — 0,01-10 нм) возникает вследствие быстрого (ударного) торможения электронов, а также в результате процессов внутри электронных оболочек атомов.

γ-излучение (длина волны менее 0,05 нм) испускается возбужденными атомными ядрами во время ядерных реакций, радиоактивных преобразований атомных ядер и преобразований элементарных частиц.

Рассмотрите шкалу электромагнитных волн (см. рис. 20.1). Почему, по вашему мнению, некоторые ее участки отнесены к двум разным видам электромагнитных волн?

Рис. 20.1. Шкала (спектр) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин существующих в природе электромагнитных волн

Используем радиоволны

Из всего спектра наиболее естественным для организма человека является инфракрасное излучение. Волны, имеющие длины приблизительно 7-14 мкм, по частоте близки излучению человеческого тела и оказывают на организм человека чрезвычайно полезное воздействие. Самый известный естественный источник таких волн на Земле — это Солнце, а самый известный искусственный — дровяная печь, и каждый человек обязательно ощущал на себе их благотворное влияние.

В технике наиболее часто используются электромагнитные волны радиодиапазона. Их применяют в мобильной связи, радиовещании, телевидении, для обнаружения и распознавания различных объектов (радиолокация), определения местонахождения объектов (GPS-навигация, GPS-мониторинг и др.), для связи с космическими аппаратами и т. д. (рис. 20.2).

Радиоволны сделали жизнь человека намного комфортнее. Однако они влияют на общее состояние людей и животных, при этом чем короче волны, тем сильнее реагируют на них организмы.

Мощные электромагнитные волны негативно воздействуют на человека. Медики утверждают, что сотовый телефон — опасный источник электромагнитного излучения, тем более что он часто находится вблизи мозга и глаз человека. Поглощаясь тканями головного мозга, зрительными и слуховыми анализаторами, волны передают им энергию. Со временем это может привести к нарушениям нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем.

Изучаем инфракрасное излучение

Между радиоволнами и видимым светом расположен участок инфракрасного (теплового) излучения. В промышленности это излучение используют для сушки лакокрасочных поверхностей, древесины, зерна и др. Инфракрасные лучи применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Эти лучи невидимые и не отвлекают внимания человека. Но существуют приборы, которые могут ощущать и преобразовывать невидимое инфракрасное изображение в видимое. Так работают тепловизоры — приборы ночного видения, «улавливающие» инфракрасные волны длиной 3-15 мкм. Такие волны излучают тела, которые имеют температуру от -50 до 500 °С.

Интересно, что многие представители фауны обладают своеобразными «приборами ночного видения», способными воспринимать инфракрасные лучи (рис. 20.3, 20.4).

Узнаём об ультрафиолетовом излучении

Рис. 20.5. Ультрафиолетовое излучение особо опасно для сетчатки глаза, поэтому высоко в горах, где ультрафиолетовые лучи меньше всего поглощаются атмосферой, нужно обязательно защищать глаза

Ультрафиолетовое излучение, в отличие от видимого света и инфракрасного излучения, имеет высокую химическую активность, поэтому его применяют для дезинфекции воздуха в больницах и местах большого скопления людей.

Основной источник естественного ультрафиолетового излучения — Солнце. Атмосфера Земли частично задерживает ультрафиолетовые волны: те, что короче 290 нм (жесткий ультрафиолет), задерживаются в верхних слоях атмосферы озоном, а волны длиной 290-400 нм (мягкий ультрафиолет) поглощаются углекислым газом, водяным паром и тем же озоном.

В больших дозах ультрафиолетовое излучение вредно для здоровья человека (рис. 20.5). Чтобы снизить вероятность солнечного ожога и заболеваний кожи, врачи рекомендуют не находиться летом на солнце между 10 и 13 часами, когда солнечное излучение наиболее интенсивно. Однако в небольших количествах ультрафиолет положительно влияет на человека, так как способствует выработке витамина D, укрепляет иммунную систему, стимулирует ряд важных жизненных функций.

Рентгеновское и γ-излучение

Чаще всего рентгеновское излучение используют в медицине, ведь оно имеет свойство проходить сквозь непрозрачные предметы, (например, тело человека). Костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем другие ткани организма, поэтому кости четко видны на рентгенограмме. Рентгеновскую съемку используют также в промышленности (для выявления дефектов), химии (для анализа соединений), физике (для исследования структуры кристаллов).

Рентгеновское излучение оказывает разрушительное воздействие на клетки организма, поэтому применять его следует чрезвычайно осторожно.

γ-излучение, которое имеет еще большую проникающую способность, используют в дефектоскопии (для выявления дефектов внутри деталей), сельском хозяйстве и пищевой

промышленности (для стерилизации продуктов). На организм человека γ-излучение оказывает негативное влияние, в то же время четко направленное и дозированное γ-излучение применяют при лечении онкологических заболеваний — для уничтожения раковых клеток (лучевая терапия).

Подводим итоги

Спектр (шкала) электромагнитных волн — непрерывная последовательность частот и длин электромагнитных волн, существующих в природе. По способу излучения различают радиоволны (создаются переменным электрическим током); электромагнитные волны оптического диапазона (инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение — испускаются возбужденными атомами); рентгеновское излучение (возникает при быстром торможении электронов); γ-излучение (испускается возбужденными атомными ядрами). Электромагнитные волны разных диапазонов имеют разные свойства, поэтому не одинаково влияют на человека и применяются в разных областях.

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. С увеличением частоты волны (с уменьшением ее длины) увеличиваются проникающая способность и химическая активность электромагнитного излучения.

Контрольные вопросы

1. Назовите известные вам виды электромагнитных волн. 2. Что общего между всеми видами электромагнитных волн? В чем их отличие? 3. Как изменяются свойства электромагнитных волн с увеличением их частоты? 4. Приведите примеры применения разных видов электромагнитных волн. 5. Как избежать негативного влияния некоторых видов электромагнитного излучения?

Упражнение № 20

1. Расположите электромагнитные волны в порядке увеличения их длины: 1) видимый свет; 2) ультрафиолетовое излучение; 3) радиоволны; 4) рентгеновское излучение.

2. Установите соответствие между излучателем и электромагнитными волнами, которые он в основном излучает.

1 Мобильный телефон А γ-излучение

2 Батарея отопления Б Рентгеновское излучение

3 Светлячок В Инфракрасное излучение

4 Радиоактивный препарат Г Видимый свет

Д Радиоволны

3. Длина волны желтого света в вакууме — 570 нм. Определите частоту волны.

4. Какова длина электромагнитной волны в вакууме, если ее частота равна 3 · 10 12 Гц? К какому диапазону относится эта волна?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте историю изобретения какого-либо устройства, действие которого основано на электромагнитном излучении.

6. Расстояние до препятствия, отражающего звук, равно 68 м. Через какое время человек услышит эхо, если звуковая волна распространяется в воздухе?

Это материал учебника

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 103 м (радиоволны) до 10-8 см (рентгеновские лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Тем не менее именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.

Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые ускоренно движущимися заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны в конечном счете по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяются со скоростью 300000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.

Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации.

Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами и успешно исследуются с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. В первую очередь это относится к рентгеновскому и гамма-излучениям, сильно поглощаемым атмосферой.

По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.

Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Радиоволны

n= 105-1011 Гц, l»10-3-103 м.

Получают с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов.

Свойства: Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.

Применение: Радиосвязь, телевидение, радиолокация.

Инфракрасное излучение (тепловое)

n=3*1011-4*1014 Гц, l=8*10-7-2*10-3 м.

Излучается атомами и молекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны l»9*10-6 м.

Свойства:

1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь, дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.

Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Применение: Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.

Видимое излучение

Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового):

n=4*1014-8*1014 Гц, l=8*10-7-4*10-7 м.

Свойства: Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.

Ультрафиолетовое излучение

n=8*1014-3*1015 Гц, l=10-8-4*10-7 м (меньше, чем у фиолетового света).

Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).

Излучается всеми твердыми телами, у которых t>1000оС, а также светящимися парами ртути.

Свойства: Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.

Применение: В медицине, в промышленности.

Рентгеновские лучи

Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (p=10-3-10-5 Па) ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01нм).

Свойства: Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь.

Применение: В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).

g-Излучение

n=3*1020 Гц и более, l=3,3*10-11 м.

Источники: атомное ядро (ядерные реакции).

Свойства: Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие.

Применение: В медицине, производстве (g-дефектоскопия).

Вывод

Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко - при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко - при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Все это служит подтверждением закона диалектики (переход количественных изменений в качественные).

Тема нашего урока: «Шкала электромагнитных волн и свойства электромагнитных волн». Мы подведем итог тем вопросам, которые мы рассматривали на предыдущих уроках. В первую очередь мы с вами изучили вопросы создания электромагнитных волн, их излучение и их использование. Сегодня мы рассмотрим свойства, на которых основано применение электромагнитных волн, и обсудим это

Электромагнитная волна обладает всеми характеристиками волн, то есть длина волны и частота. Для обычных механических волн существует взаимосвязь между скоростью волны, длиной волны и частотой. Такая же связь наблюдается и у электромагнитных волн. Рассмотрим уравнение для механической волны:

υ = λ · ν

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. Для электромагнитных волн скорость распространения - величина постоянная и равная c = 3·10 8 м/с, то есть

c = λ · ν

Для электромагнитных волн произведение длины волны и частоты всегда остается величиной постоянной.

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн ()

Возьмем шкалу (рис. 1) и отметим на ней частоту, по направлению шкалы происходит возрастание частоты, вторая шкала соответствует длине волны, и на ней мы видим

уменьшение длины волны. Для одной и той же электромагнитной волны произведение частоты на длину волны всегда будет оставаться величиной постоянной.

λ 1 · ν 1 = С

λ 2 · ν 2 = С

Для всех электромагнитных волн скорость будет оставаться постоянной: 3·10 8 м/с.

Такое распределение позволяет создать шкалу, по которой мы можем разложить все электромагнитные колебания по их частоте или длине волны и обсудить их свойства. По такой шкале очень удобно обсуждать вопрос происхождения электромагнитных волн, то есть как эти электромагнитные волны появляются и, соответственно, что является источником этих электромагнитных волн.

Электромагнитную шкалу можно разделить на две части: низкочастотные колебания и радиоволны. К низкочастотным колебаниям относятся те, которые производятся при помощи генератора, самым ярким представителем является переменный ток, и, соответственно, эти колебания распространяются в основном по проводам, а те электромагнитные волны, которые создаются такими колебаниями, на большие расстояния не распространяются, они очень быстро поглощаются окружающей средой.

Вторая часть - радиоволны - может быть разделена на большое количество поддиапазонов.

Это, в первую очередь, длинные волны, средние, короткие и ультракороткие волны. Каждый из этих диапазонов используется по своему назначению. Например, длинные волны очень хорошо поглощаются окружающей средой, ионосферой и поверхностью Земли, и поэтому на большие расстояния они распространяться не могут. При мощных передатчиках длинные волны используют для радиовещания. Для вещания на весь мир используются короткие волны, в результате многократного отражения они отражаются от земной поверхности и ионосферы и распространяются по всему земному шару. Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости, они достаточно плохо отражаются, но хорошо преломляются и используются для связи с космическими аппаратами или для телевидения.

Источниками для распространения радиоволн являются генераторы высокой частоты, колебательный контур Томпсона, открытый колебательный контур Герца и другие излучатели высокочастотных электромагнитных колебаний волн. Данные для электромагнитной шкалы сведены в схему, изображенную на рисунке 2.

Рис. 2. Данные электромагнитной шкалы ()

Длина волны располагается по уменьшению, а частота по нарастанию.

Все электромагнитные волны похожи друг на друга, все они порождаются ускоренно движущимся электрическим зарядом и обнаруживаются по действию на другой электрический заряд. Проявление свойств может быть различным, в зависимости от длины волны или от частоты волны ведут себя по-разному. Вектор магнитной индукции и вектор напряженности вихревого электрического поля взаимно перпендикулярны, но, кроме этого, плоскость, где располагается вектор индукции и вектор напряженности, соответственно перпендикулярна вектору, вдоль которого направлена скорость распространения электромагнитной волны. Все это объединяет электромагнитные волны. Но в результате зависимости от длины волны или частоты проявляются следующие особенности: поглощение волн окружающей средой будет различным. Одни волны поглощаются достаточно хорошо, другие, наоборот, преобладают над поглощением-отражением, поэтому длинные волны не могут распространяться на большие расстояния, а короткие достаточно хорошо это делают. С другой стороны, волны могут существовать в одном пространстве от разных источников, никак при этом не мешая друг другу. Волны могут от одного и того же источника складываться друг с другом и, соответственно, огибать препятствия. Эти возможности называются интерференция и дифракция волн, то есть сложение волн и огибание препятствий, которые приводят к определенному результату. Радиолокация, например, связана с ультракороткими волнами, потому что она эффективна в том случае, когда размеры объекта много больше, чем длина волны.

Общие свойства и характеристики электромагнитных волн

СВОЙСТВА	ХАРАКТЕРИСТИКИ
Распространяются в пространстве с течением времени.	Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна 3·10 8 м/с.
Все волны поглощаются веществом.	Различные коэффициенты поглощения.
Все волны на границе раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются.	Законы отражения и преломления. Коэффициенты отражения для различных волн и различных сред.
Все электромагнитные излучения проявляют свойства волн: складываются, огибают препятствия. Несколько волн могут существовать в одной области пространства.	Принцип суперпозиции. Для когерентных волн правила определения максимумов принцип Гюйгенса-Френеля. Волны между собой не взаимодействуют.
Сложные электромагнитные волны при взаимодействии с веществом раскладываются в спектр.	Зависимость показателя преломления среды от частоты волны. Скорость волны в веществе зависит от преломления среды
Волны разной интенсивности.	Плотность потока излучения..

Таблица состоит из двух столбцов, в левом размещены свойства, а в правом - характеристики. Свойства расположены в соответствии характеристикам.

Шкала электромагнитных волн не ограничивается только радиоволнами, она может продолжаться и дальше, существуют другие излучения, которые также соответствуют электромагнитным волнам. Эти вопросы мы рассмотрим в дальнейшем.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какая связь между характеристиками электромагнитных волн?
2. На какие части подразделяется шкала электромагнитных волн?
3. Особенности электромагнитных волн?

1. Интернет-портал Bourabai.kz ( ).
2. Интернет-портал 900igr.net ().
3. Интернет-портал Do.gendocs.ru ().

О чем рассказывает свет Суворов Сергей Георгиевич

Шкала электромагнитных излучений

Таким образом, шкала излучений, обнаруженных человеком в природе, оказалась очень широкой. Если идти от наиболее длинных волн к коротким, мы увидим следующую картину (рис. 27). Сначала идут радиоволны, они самые длинные. В их же число входят и излучения, открытые Лебедевым и Глаголевой-Аркадьевой; это - ультракороткие радиоволны. Далее последовательно идут инфракрасные излучения, видимый свет, ультрафиолетовые излучения, рентгеновские и, наконец, гамма-излучения.

Границы между различными излучениями весьма условны: излучения непрерывно следуют одно за другим и даже отчасти перекрывают друг друга.

Взглянув на шкалу электромагнитных волн, читатель может заключить, что видимые нами излучения составляют весьма небольшую часть известного нам общего спектра излучений.

Для обнаружения и изучения невидимых излучений физик должен был вооружиться дополнительными приборами. Невидимые излучения можно обнаружить по их действию. Так, например, радиоизлучения действуют на антенны, создавая в них электрические колебания: инфракрасные излучения сильнее всего действуют на тепловые приборы (термометры), а все остальные излучения наиболее сильно действуют на фотопластинки, вызывая в них химические изменения. Антенны, тепловые приборы, фотопластинки - это новые «глаза» физиков для различных участков шкалы электромагнитных волн.

Рис. 27. Шкала излучений. Заштрихованная сеткой область изображает часть спектра, видимую человеческим глазом

Открытие многообразных электромагнитных излучений- одна из самых блестящих страниц истории физики.

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Открытие электромагнитных волн Вернемся, однако, к Герцу. Как мы видели, в своей первой работе Герц получил быстрые электрические колебания и исследовал действие вибратора на приемный контур, особенно сильное в случае резонанса. В работе «О действии тока» Герц перешел к

Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола

ИНТЕРЕСНАЯ ОСОБЕННОСТЬ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ* Возможно, ценность изложенных здесь результатов, полученных с помощью ламп, испускающих рентгеновские излучения, в том, что они проливают дополнительный свет на природу излучений, а также лучше иллюстрируют уже известные

Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей Георгиевич

Возбуждение электромагнитных волн Простейший способ возбудить электромагнитные волны - создать электрический разряд. Представим себе металлический стержень с шаром на конце, заряженный положительным электричеством, и другой такой же стержень, заряженный

Из книги История лазера автора Бертолотти Марио

Обнаружение электромагнитных волн Но электромагнитные волны в пространстве глазом не воспринимаются. Как же их обнаружить? И что, собственно, колеблется в этих волнах?Свойства водяных волн мы изучали, наблюдая за колебаниями пробки, па которую действовала водяная волна.

Из книги Атомная проблема автора Рэн Филипп

Длина волны электромагнитных волн Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны?

Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович

Поиски решетки для рентгеновских излучений Однако в работе с дифракционными решетками встретились свои трудности.Дело в том, что однотипной решетки для всех излучений подобрать нельзя. Для различных излучений нужны различные решетки. Ширина светлых штрихов решетки

Из книги автора

Нашлась решетка и для рентгеновских излучений Но нашлась дифракционная решетка и для рентгеновских излучений. Сама природа пришла здесь на помощь.В конце XIX и начале XX века физики усиленно изучали строение твердых тел. Известно, что многие твердые тела являются

Из книги автора

Серии рентгеновских излучений На рентгеновские спектры атомов внешние условия не оказывают столь большого влияния. Даже когда атомы вступают в химические соединения, их внутренние слои не перестраиваются. Поэтому рентгеновские спектры молекул те же, что и спектры

Из книги автора

Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет В естественных преобразователях света - люминесцентных веществах - преобразуется свет с длиной волны более короткой, чем у видимого, в свет видимый. Однако практические потребности выдвигают задачу

Из книги автора

Экспериментальное открытие электромагнитных волн Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и

Из книги автора

Глава XI Проблемы защиты от радиоактивных излучений Проблемы защиты от радиоактивных излучений возникают на различных ступенях использования атомной энергии:- на низшей ступени, к которой относится, например, добыча урана, являющегося основным видом ядерного

Из книги автора

I. Защита от радиоактивных излучений на атомных заводах 1) Дозы радиоактивных излучений чаще всего выражаются в рентгенах.Различные международные комиссии установили, что для работающих на атомных заводах допустимая недельная доза облучения равна 0,3 рентгена. Эта доза,

Из книги автора

9.3. Туринская шкала Когда достаточно крупный объект только что открыт, заранее не известно, какую опасность он может представлять для Земли в ближайшем или более отдаленном будущем. Не исключено, хотя и маловероятно, что получение как можно большего числа наблюдений в

Из книги автора

9.4. Палермская техническая шкала для оценки угрозы столкновения Земли с астероидами и кометами Туринская шкала, рассмотренная в предыдущем разделе, была разработана прежде всего для описания и распространения сведений об астероиднокометной опасности средствами