No Image

Шкала электромагнитных излучений

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
16 октября 2019

Шкала электромагнитных волн или излучений представляет собой ряд диапазонов электромагнитных волн, которые распределяются в соответствии с частотой. Распространяющиеся в пространстве периодически изменяющиеся вихревые электрическое и магнитное поля представляют собой электромагнитные колебания.

Общее понятие

Свойства электромагнитных колебаний открыты в начале XIX века английским ученым Д. К. Максвеллом. Физик считал, что электромагнитные волны перпендикулярны направлению распространения волны, ее скорости. Но электромагнитное поле существует отдельно от указанных выше двух. Магнитное и электрическое поля, взаимодействуя друг с другом, действуют на заряженные частицы поверхности волнового фронта, создают поле, существующее независимо, обладающее собственными свойствами.

Электромагнитные волны могут распространяться в разных средах, в том числе и в вакууме. Само поле — материя, которая распространяется в среде. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, т. е. 3*10 в 8 степени м/с. Значение не затухает, проходя через пространство, постоянно.

Шкала электромагнитных излучений показывает, как один качественный вид излучений переходит в другой по мере того, как изменяются взаимосвязанные количественные показатели частоты, длины волны. Один из видов диапазонов излучений — видимый свет.

Дополнительные цвета спектра

Спектр видимого света содержит как основные, так и дополнительные цвета. Каким образом можно получить дополнительные цвета? Их получение основано на опыте И. Ньютона, который в 1671 году, используя призму, разложил белый луч солнечного света на спектр: последовательно расположенные красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый цвета.

Дополнительные цвета спектра получаются разными способами:

  1. Если разделить спектр на две части (красно-оранжево-желтую и зелено-сине-фиолетовую), две смеси из трех первых и трех вторых дадут два цвета. Особенность последних такова, что если собрать их вместе линзой, снова получается белый.
  2. Если физически закрыть в спектре один цвет, затем собрать линзой оставшиеся цвета, полученный цвет будет дополнительным по отношению к закрытому. Например, если закрыть зеленый, соберется красный, закрывая желтый — фиолетовый. Красный цвет будет дополнительным к зеленому, а фиолетовый — к желтому.

Замкнув последовательность цветов спектра в круг, получим схему, называемую спектральным кругом.

Первичные дополнительные цвета:

  • красный и зеленый;
  • желтый и фиолетовый;
  • синий и оранжевый.

Таблица 1. Дополнительные цвета.

Выделенная часть Красная Оранжевая Желтая Желто-зеленая Зеленая Голубовато-зеленая
Цвет смеси оставшихся лучей Голубовато-зеленый Голубой Синий Фиолетовый Пурпурный Красный

При смешении дополнительных цветов, что доказано опытным путем, чистый цвет получить уже невозможно — любая примесь дополнительного цвета к основному снижает насыщенность.

Спектр солнечного излучения

Солнце — источник жизни на планете, источник излучения, солнечного света, несущего энергию.

В электромагнитный спектр солнечного света включаются три разных вида волн:

  • ультрафиолетовое излучение;
  • видимый свет;
  • инфракрасное излучение.

Первый последовательный вид обладает наиболее низкими частотами и относительно длинной волной, последний — высокими частотами и короткой волной.

Видимая часть спектра

Д. К. Максвелл сделал вывод, что видимый свет — один из видов электромагнитных излучений, спектр видимого солнечного света состоит из семи цветов. Человек может увидеть, как в призме, преломляясь, свет распадается на семь цветов, может любоваться преломленным в каплях дождя светом, глядя на радугу.

Цвета распределены на шкале в соответствии с частотой и на шкале занимают маленький отрезок, умещаются в сравнительно небольшом диапазоне, но это все, что можно увидеть глазами. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, с меньшими и большими значениями, уже недоступны человеческому зрению.

В радуге один цвет постепенно переходит в другой согласно определенной последовательности, отображающей распределение цветов при разделении луча видимого света белого цвета. Свойства цвета (красного, синего, желтого) определяются свойствами длины соответствующих волн.

Видимая часть солнечного спектра — часть спектра, которая при воздействии на орган зрения вызывает зрительные ощущения. Наиболее сильные отзывы в человеческом глазу вызывает желто-зеленый луч, остальные менее чувствительны. Лучи, видимые глазу, обладают длиной волны в пределах 400–760 нм. Глазу доступны некоторые более длинноволновые и более коротковолновые лучи при их достаточной интенсивности.

Свет важен для человека. Раздражая орган зрения, свет активизирует обмен веществ, улучшает самочувствие, вдохновляет, способствует повышению работоспособности. Можно заметить, что недостаточное освещение приводит к снижению активности, на предприятиях приводит к ошибкам, производственным травмам.

Шкала электромагнитных излучений

Отличаясь друг от друга количественно, электромагнитные волны определенным образом могут быть получены с использованием приборов. Существуют естественные и искусственные источники явления. Помимо приборов и источников волн на Земле, электромагнитные волны излучаются и космическими объектами.

Низкочастотные волны, радиоволны, инфракрасное световое излучение, оптическое излучение, рентгеновские спектры, невидимые излучения гамма — различные участки условной шкалы, показывающей области λ — области длин волн.

Таблица спектра электромагнитных излучений

Название Частота Длина волн Источники, Космические источники
Низкочастотные излучения более 10000м 0-30 кГц Генератор переменного тока, домашняя и офисная электротехника, ЛЭП и др. Магнитное поле Земли
Радиоволны 1мм-10000м 30кГц-300ГГц Переменный ток в колебательном контуре, полупроводниковые приборы Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы, облака межзвездного газа, реликтовое излучение на ранней стадии расширения Вселенной, квазары
Инфракрасное световое излучение 1мм-780нм 300ГГц-429ТГц Тепловые источники, лазер, ртутно-кварцевая лампа Солнце, межзвездная и околозвездная пыль, реликтовое излучение на ранней стадии расширения Вселенной, планеты, малые тела Солнечной системы
Видимое излучение световое 780-380нм 429-750ТГц Лампа накаливания, пламя, молния, лазер Солнце, другие звезды (с температурой 10-100 тысяч градусов)
Ультрафиолетовое излучение 380-10нм 7,5*1000000000000000-3*100000000000000000Гц Углеродная дуга Солнце, горячие Звезды, высокотемпературная плазма
Рентгеновское излучение 10-5*10в-3 степени нм 3*100000000000000000-6*100000000000000000000Гц Рентгеновская трубка Солнце, нейтронные звезды и, возможно, черные дыры, шаровые звездные скопления, к внегалактическим источникам – квазары, отдаленные галактики и их скопления.
Гамма-излучение менее 5*10 в 3 степени нм более 6*100000000000000000000 Гц Атомные ядра, Кобальт-60 Солнце, фоновое Космическое излучение, некоторые пульсары (нейтронные звезды), сверхновые звезды, Млечный Путь, области галактического центра, многих галактик и квазаров
Читайте также:  Панангин для чего применяется

Чувствительность человеческого глаза
Одно из главных свойств электромагнитных волн является степень их поглощения веществом. Различие можно обнаружить между длинноволновыми и коротковолновыми излучениями. Первые поглощаются с гораздо большей интенсивностью, чем коротковолновые, однако обладают дополнительным свойством: при поглощении обнаруживают свойства частиц.

Преобразуя энергию, идущую от источника видимого светового диапазона, в зрительной системе человек получает сигналы из окружающей среды. Свет попадает на сетчатку глаза, возбуждает фоторецепторы, от которых сигнал передается в нейронные связи коры головного мозга, находящиеся в затылочной доле коры больших полушарий. В головном мозге в результате подобных преобразований формируется зрительный образ.

Развиваясь эволюционно, человеческий глаз сформировался наилучшим образом для восприятия солнечного света. В результате зрительный орган современного человека улавливает электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 400–750 нм (видимое излучение). От более низковолновых излучений (ультрафиолета) глаз защищен областью хрусталика с низкой прозрачностью.

Определение спектральных границ чувствительности глаза

Зная законы преломления света, можно опытным путем определить спектральную чувствительность глаза. Основной инструмент — дифракционная решетка с определенным периодом.

Луч света, проходя через решетку, попадает на сетчатку. Глаз играет роль линзы, собирающей лучи в пучок, результат зависит от угла луча. Опыт доказывает, что чувствительность человеческого глаза совпадает с диапазоном видимого света по шкале.

Электромагнитная природа света

На заре изучения природы света до открытия электромагнитных световых волн существовали различные мнения. Так, история открытия гласит, что из рассуждений И. Ньютона развилась теория о свете как о потоке частиц, квантов, об электрических колебаниях, а из рассуждений Х. Гюйгенса — волновая теория света.
Согласно квантовой теории, от источников энергии атомов последняя передается веществу, то же происходит и с энергией квантов. Волны светового спектра излучений обладают квантовыми свойствами.

Электромагнитная природа света была доказана и описана при помощи формул Д. К. Максвеллом.

Теоретическое исследование природы электромагнитных излучений принесло несомненную пользу человечеству. Явление стало применяться в медицине, быту, радиовещании и многих других областях.

См. также: Портал:Физика

Электромагни́тные во́лны / электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. [1]

Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).

Содержание

Характеристики электромагнитного излучения [ править | править код ]

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света [2] .

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий [3] ; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Читайте также:  Сколько действуют энергетики

Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной [4] из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

  • наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поляE и вектора напряжённости магнитного поляH.
Виды энергии:
Механическая Потенциальная
Кинетическая
‹ ♦ › Внутренняя
Электромагнитная Электрическая
Магнитная
Химическая
Ядерная
G <displaystyle G> Гравитационная
∅ <displaystyle emptyset > Вакуума
Гипотетические:
Тёмная
См.также:Закон сохранения энергии
  • электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Диапазоны электромагнитного излучения [ править | править код ]

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Название диапазона Длины волн, λ Частоты, f Источники
Радиоволны Сверхдлинные более 10 км менее 30 кГц Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь.
Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц
Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3 МГц
Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц
Ультракороткие 10 м — 0,1 мм 30 МГц — 3000 ГГц [5]
Инфракрасное излучение 1 мм — 780 нм 300 ГГц — 429 ТГц Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое излучение 780—380 нм 429 ТГц — 750 ТГц
Ультрафиолетовое 380нм — 10нм 7,5⋅10 14 Гц — 3⋅10 16 Гц Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские 10 нм — 5 пм 3⋅10 16 Гц — 6⋅10 19 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма менее 5 пм более 6⋅10 19 Гц Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и децимиллиметровые волны (гипервысокие частоты, ГВЧ, 300—3000 ГГц) — стандартные диапазоны радиоволн по общепринятой классификации [5] . По другой классификации указанные стандартные диапазоны радиоволн, исключая метровые волны, называют микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ) [6] .

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ , а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ . В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

Радиоволны [ править | править код ]

Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.

Читайте также:  Березовый деготь польза и вред отзывы

Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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).

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).

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Отравления
0 комментариев
No Image Отравления
0 комментариев
No Image Отравления
0 комментариев
No Image Отравления
0 комментариев
Adblock detector