Шкала магнитных волн. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частотой волны f . Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в этом курсе.

Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Рассмотрим спектр электромагнитных волн более подробно.

Низкочастотные волны

Низкочастотные волны представляют собой электромагнитные волны, частота колебаний которых не превышает 100 КГц). Именно этот диапазон частот традиционно используется в электротехнике. В промышленной электроэнергетике используется частота 50 Гц, на которой осуществляется передача электрической энергии по линиям и преобразование напряжений трансформаторными устройствами. В авиации и наземном транспорте часто используется частота 400 Гц, которая дает преимущества по весу электрических машин и трансформаторов в 8 раз по сравнению с частотой 50 Гц. В импульсных источниках питания последних поколений используются частоты трансформирования переменного тока единицы и десятки кГц, что делает их компактными, энергонасышенными.
Коренным отличием низкочастотного диапазона от более высоких частот является падение скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

Радиоволны

Радиоволны представляют собой электромагнитные волны, длины которых превосходят 1 мм (частота меньше 3 10 11 гц = 300 Ггц) и менее 3 км (выше 100 кГц).

Радиоволны делятся на:

1. Длинные волны в интервале длин от 3 км до 300 м(частота в диапазоне 10 5 гц - 10 6 гц= 1 МГц);

2. Средние волны в интервале длин от 300 м до 100 м (частота в диапазоне 10 6 гц -3*10 6 гц=3мгц);

3. Короткие волны в интервале длин волн от 100м до 10м (частота в диапазоне 310 6 гц-310 7 гц=30мгц);

4. Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 310 7 гц=30Мгц).

Ультракороткие волны в свою очередь делятся на:

А) метровые волны;

Б) сантиметровые волны;

В) миллиметровые волны;

Волны с длиной волны меньше, чем 1 м (частота меньше чем 300мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот(СВЧ - волны).

Из-за больших значений длин волн радиодиапазона по сравнению с размерами атомов распространение радиоволн можно рассматривать без учета атомистического строения среды, т.е. феноменологически, как принято при построении теории Максвелла . Квантовые свойства радиоволн проявляются лишь для самых коротких волн, примыкающих к инфракрасному участку спектра и при распространении т.н. сверхкоротких импульсов с длительностью порядка 10 -12 сек- 10 -15 сек, сравнимой со временем колебаний электронов внутри атомов и молекул.
Коренным отличием радиоволн от более высоких частот является иное термодинамическое соотношение между длиной волны носителя волн (эфира), равной 1 мм (2,7°К), и электромагнитной волны, распространяющейся в этой среде.

Биологическое действие радиоволнового излучения

Страшный жертвенный опыт применения мощного радиоволнового излучения в радиолокационной технике показал специфичное действие радиоволн в зависимости от длины волны (частоты).

На человеческий организм разрушительное действие оказывает не столько средняя, сколько пиковая мощность излучения, при которой происходят необратимые явления в белковых структурах. К примеру, мощность непрерывного излучения магнетрона СВЧ-печи (микроволновки), составляющая 1 КВатт, воздействует лишь на пищу в малом замкнутом (экранированном) объеме печи, и почти безопасна для человека, находящегося рядом. Мощность радиолокационной станции (РЛС, радара) в 1 КВатт средней мощности, излучаемой короткими импульсами скважностью 1000:1 (отношение периода повторения к длительности импульса) и, соответственно, импульсной мощностью в 1 МВатт, очень опасна для здоровья и жизни человека на расстоянии до сотен метров от излучателя. В последнем, конечно, играет роль и направленность излучения РЛС, которая подчеркивает разрушительное действие именно импульсной, а не средней мощности.

Воздействие метровых волн

Метровые волны большой интенсивности, излучаемые импульсными генераторами метровых радиолокационных станций (РЛС), имеющих импульсную мощность более мегаватта (таких, например, как станция дальнего обнаружения П-16) и соизмеримые с протяженностью спинного мозга человека и животных, а таже длиной аксонов, нарушают проводимость этих структур, вызывая диэнцефальный синдром (СВЧ-болезнь). Последняя приводит к быстрому развитию (в течение от нескольких месяцев до нескольких лет) полному или частичному (в зависимости от полученной импульсной дозы излучения) необратимому параличу конечностей человека, а также нарушению иннервации кишечника и других внутренних органов.

Воздействие дециметровых волн

Дециметровые волны соизмеримы по длине волны с кровеносными сосудами, охватывающими такие органы человека и животных, как легкие, печень и почки. Это одна из причин, почему они вызывают развитие "доброкачественных" опухолей (кист) в этих органах. Развиваясь на поверхности кровеносных сосудов, эти опухоли приводят к остановке нормального кровообращения и нарушению работы органов. Если вовремя не удалить такие опухоли оперативным путем, то наступает гибель организма. Дециметровые волны опасных уровней интенсивности излучают магнетроны таких РЛС, как мобильная РЛС ПВО П-15, а также РЛС некоторых воздушных судов.

Воздействие сантиметровых волн

Мощные сантиметровые волны вызывают такое заболевание, как лейкемию - "белокровие", а также другие формы злокачественных опухолей человека и животных. Волны достаточной для возникновения этих заболеваний интенсивности генерируют РЛС сантиметрового диапазона П-35, П-37 и практически все РЛС воздушных судов.

Инфракрасное, световое и ультрафиолетовое излучения

Инфракрасное, световое, ультрафиолетовое излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Этот спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 2·10 -6 м = 2мкм до 10 -8 м = 10нм (по частоте от1,5·10 14 гц до 3·10 16 гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя коротковолновой границей ультрафиолета (рис.2.14).

Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.).

С другой стороны излучение оптической области спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые могут быть получены с помощью геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как оптических приборов, так и каналов распространения оптических сигналов. Инфракрасное излучение является видимым для многих членистоногих (насекомых, пауков и пр.) и рептилий (змей, ящериц и пр.) , доступным для полупроводниковых датчиков (инфракрасных фотоматриц), но его не пропускает толща атмосферы Земли, что не позволяет наблюдать с поверхности Земли инфракрасные звезды - "коричневые карлики", которые составляют более 90% всех звёзд в Галактике.

Ширина оптического диапазона по частоте составляет примерно 18 октав, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава (); на ультрафиолет - 5 октав (), на инфракрасное излучение - 11 октав (

В оптической части спектра становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине наряду с волновыми свойствами оптического излучения проявляются квантовые свойства.

Свет

Рентгеновское и гамма излучение

В области рентгеновского и гамма излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов.

Гамма излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате ядерных реакций. Граница между рентгеновским и гамма излучением определяются условно по величине кванта энергии , соответствующего данной частоте излучения.

Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной от50 нм до 10 -3 нм, что соответствует энергии квантов от 20эв до 1Мэв.

Гамма излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10 -2 нм, что соответствует энергии квантов больше 0.1Мэв.

Электромагнитная природа света

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн, длины волн которых занимают интервал от 0.4мкм до 0.76мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определённый цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излучения определяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Красный свет, соответствующий наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовый свет - соответствует фиолетовой границе.

Естественный (дневной, солнечный) свет не окрашен и представляет суперпозицию электромагнитных волн из всего видимого человеком спектра. Естественный свет появляется в результате испускания электромагнитных волн возбужденными атомами. Характер возбуждения может быть различным: тепловой, химический, электромагнитный и др. В результате возбуждения атомы излучают хаотическим образом электромагнитные волны примерно в течении 10 -8 сек. Поскольку энергетический спектр возбуждения атомов достаточно широкий, то излучаются электромагнитные волны из всего видимого спектра, начальная фаза, направление и поляризация которых имеет случайный характер. По этой причине естественный свет не поляризован. Это означает, что "плотность" спектральных составляющих электромагнитные волны естественного света, имеющих взаимно перпендикулярные поляризации одинаково.

Гармонические электромагнитные волны светового диапазона называются монохроматическими . Для световой монохроматической волны одной из главных характеристик является интенсивность. Интенсивность световой волны представляет собой среднее значение величины плотности потока энергии (1.25) переносимого волной:

Где - вектор Пойнтинга.

Расчет интенсивности световой, плоской, монохроматической волны с амплитудой электрического поля в однородной среде с диэлектрической и магнитной проницаемостями по формуле (1.35) с учетом (1.30) и (1.32) дает:

Традиционно оптические явления рассматриваются с помощью лучей. Описание оптических явлений с помощью лучей называется геометрооптическим . Правила нахождения траекторий лучей, разработанные в геометрической оптике, широко используются на практике для анализа оптических явлений и при построении различных оптических приборов.

Дадим определение луча, исходя из электромагнитного представления световых волн. Прежде всего, лучи - это линии, вдоль которых распространяются электромагнитные волны. По этой причине луч - это линия, в каждой точке которой усредненный вектор Пойнтинга электромагнитной волны направлен по касательной к этой линии.

В однородных изотропных средах направление среднего вектора Пойнтинга совпадает с нормалью к волновой поверхности (эквифазной поверхности), т.е. вдоль волнового вектора .

Таким образом, в однородных изотропных средах лучи перпендикулярны соответствующему волновому фронту электромагнитной волны.

Для примера рассмотрим лучи, испускаемые точечным монохроматическим источником света. С точки зрения геометрической оптики из точки источника исходит множество лучей в радиальном направлении. С позиции электромагнитной сущности света из точки источника распространяется сферическая электромагнитная волна. На достаточно большом расстоянии от источника кривизной волнового фронта можно пренебречь, считая локально сферическую волну плоской. Разбивая поверхность волнового фронта на большое количество локально плоских участков, можно через центр каждого участка провести нормаль, вдоль которого распространяется плоская волна, т.е. в геометрооптической интерпретации луч. Таким образом, оба подхода дают одинаковое описание рассмотренного примера.

Основная задача геометрической оптики состоит в нахождении направления луча (траектории). Уравнение траектории находится после решения вариационной задачи нахождения минимума т.н. действия на искомых траекториях. Не вдаваясь в подробности строгой формулировки и решения указанной задачи, можно полагать, что лучи представляют собой траектории с наименьшей суммарной оптической длиной. Данное утверждение является следствием принципа Ферма.

Вариационный подход определения траектории лучей может быть применен и к неоднородным средам, т.е. таким средам, у которых показатель преломления является функция координат точек среды. Если описать функцией форму поверхности волнового фронта в неоднородной среде, то её можно найти исходя из решения уравнения в частных производных, известного как уравнение эйконала, а в аналитической механике как уравнение Гамильтона - Якоби:

Таким образом, математическую основу геометрооптического приближения электромагнитной теории составляют различные методы определения полей электромагнитных волн на лучах, исходя из уравнения эйконала или каким - либо другим способом. Геометрооптическое приближение широко используется на практике в радиоэлектронике для расчета т.н. квазиоптических систем.

В заключение заметим, что возможность описать свет одновременно и с волновых позиций путем решения уравнений Максвелла и с помощью лучей, направление которых определяется из уравнений Гамильтона - Якоби, описывающих движение частиц, является одним из проявлений кажущегося дуализма света, приведшего, как известно, к формулировке логически противоречивых принципов квантовой механики.

На самом деле никакого дуализма в природе электромагнитных волн нет. Как показал Макс Планк в 1900 году в своей классической работе "О нормальном спектре излучения" , электромагнитные волны представляют собой отдельные квантованные колебания частотой v и энергией E=hv , где h =const , в эфире . Последний есть сверхтекучая среда, имеющая стабильное свойство разрывности мерой h - постоянная Планка. При воздействии на эфир энергией, превышающей hv во время излучения происходит образование квантованного "вихря". Точно такое же явление наблюдается во всех сверхтекучих средах и образование в них фононов - квантов звукового излучения.

За "copy-and-paste" совмещение открытия Макса Планка 1900 года с открытым еще в 1887 году Генрихом Герцем фотоэффектом, в 1921 году Нобелевский комитет присудил премию Альберту Эйнштейну

1) Октавой по определению называется диапазон частот между произвольной частотой w и её второй гармоникой, равной 2w.

Длина волны или связанная с ней частота волны характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в этом курсе.

Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:

Антена

1) Низкочастотные волны(λ>);

2) Радиоволны();

Атом
3) Инфракрасное излучение(м);

4) Световое излучение();

5) Рентгеновское излучение();

Атомные ядра

6) Гамма излучение(λ).

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Инфракрасное излучение

Инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Открытие

Применение

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё».Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние.

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.

Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например, для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей.

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды)

Ультрафиолетовые лучи

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации. Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

История открытия

Применение

Он вызывает на коже загар и необходим для выработки витамина D. Но чрезмерное облучение чревато развитием рака кожи. УФ излучение вредно для глаз. Поэтому на воде и особенно на снегу в горах обязательно нужно носить защитные очки.

Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками, которые видны только в условиях ультрафиолетового освещения. Большинство паспортов, а также банкноты различных стран содержат защитные элементы в виде краски или нитей, светящихся в ультрафиолете.

Многие минералы содержат вещества, которые при освещении ультрафиолетовым излучением начинают испускать видимый свет. Каждая примесь светится по-своему, что позволяет по характеру свечения определять состав данного минерала.

Рентгеновское излучение

Получение

В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Открытие

Тщательное исследование показало Рентгену, «что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию». Рентген исследовал проникающую способность этого «агента», который он для краткости назвал «Х-лучи», для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом.

Рисунок Опыт Крукса с катодым лучом

Затем он описывает сенсационный опыт: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген получил и первые рентгеновские снимки, приложив их к своей брошюре. Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. «Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела», - писал английский физик Шустер.

Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. «...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки»,- писал Рентген.

Рисунок Опыт с первой рентгеновской трубкой

Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.

Упомянув о гипотезе Герца - Ленарда, что катодные лучи «есть явление, происходящее в эфире», Рентген указывает, что «нечто подобное мы можем сказать и о наших лучах». Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства лучей, они «ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи». По своим химическим и люминесцентным действиям они, по мнению Рентгена, сходны с ультрафиолетовыми лучами. В первом сообщении он высказал оставленное потом предположение, что они могут быть продольными волнами в эфире.

Применение

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

Используются для технологического контроля микроэлектронных изделий и позволяют выявлять основные виды дефектов и изменения в конструкции электронных блоков.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения.

При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Рентгенотерапия - раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения. Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи.

Биологическое воздействие

Вывод:

С помощью квантовой электродинамики можно рассматривать электромагнитное излучение не только как электромагнитные волны, но и как поток фотонов, то есть частиц, представляющих собой элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля. Сами же волны характеризуются такими признаками как длина (или частота), поляризация и амплитуда. Причем свойства частиц тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем.

Такой дуализм подтверждается формулой Планка ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.

В зависимости от диапазона частоты выделяется несколько видов электромагнитного излучения. Хотя границы между этими типами достаточно условны, ведь скорость распространения волн в вакууме одинакова (равна 299 792 458 м/с), следовательно, частота колебания обратно пропорциональна длине электромагнитной волны.

Виды электромагнитного излучения различаются способом получения:

Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. 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 (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими . В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания.

Различаются методами регистрации:

Видимый свет воспринимается глазом. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением. Его регистрируют тепловыми методами, а также частично фотоэлектрическими и фотографическими методами. Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию (свечение) ряда веществ. Его регистрируют фотографическими и фотоэлектрическими методами.

Также они по-разному поглощаются и отражаются одинаковыми средами:

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.

Оказывают разное воздействие на биологические объекты при одинаковой интенсивности излучения:

Воздействия разных видов излучения на организм человека различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений – в сущности разные стороны одного явления.

Причины ограничения волн по частое

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, $\hbar =\frac{h}{2\pi }=1,05\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ - 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:

Примечание 1

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

Шкала электромагнитных волн

Все известные на сегодняшний день электромагнитные волны разделяют на:

Рисунок 1.

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.

Примечание 2

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.

Определение 1

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.

Пример 1

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.

Пример 2

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:

\[\omega =\frac{2\pi }{T}\left(2.1\right),\]

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

\[\nu =\frac{1}{T}\left(2.2\right).\]

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:

\[\lambda =cT\to T=\frac{\lambda }{c}\left(2.4\right).\]

В таком случае для границ видимого диапазона получим:

\[\nu =\frac{c}{\lambda },\ \omega =2\pi \frac{c}{\lambda }.\]

Используя то, что длины волн для видимого света нам известны, получим:

\[{\nu }_1=\frac{3\cdot {10}^8}{0,38\cdot {10}^{-6}}=7,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right),\ {\nu }_2=\frac{3\cdot {10}^8}{0,76\cdot {10}^{-6}}=3,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right).\] \[{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 7,9\cdot {10}^{14}=5\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right),{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 3,9\cdot {10}^{14}=2,4\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right).\ \]

Ответ: $3,9\cdot {10}^{14}Гц

По мере развития науки и техники были обнаружены различные виды излучений: радиоволны, видимый свет, рентгеновские лучи, гамма- излучение. Все эти излучения имеют одну и ту же природу. Они являются электромагнитными волнами . Разнообразие свойств этих излучений обусловлено их частотой (или длиной волны). Между отдельными видами излучений нет резкой границы, один вид излучения плавно переходит в другой. Различие свойств становится заметным только в том случае, когда длины волн различаются на несколько порядков.

Для систематизации всех видов излучений составлена единая шкала электромагнитных волн:

Шкала электромаг­нитных волн это непрерывная после­довательность частот (длин волн) электромагнитных излучений. Разбиение шкалы ЭМВ на диапазоны весьма условное.

Известные электромагнитные волны охватывают огромный диапазон длин волн от 10 4 до 10 -10 м . По способу получения можно выделить следующие области длин волн:

1. Низкочастотные волны более 100 км (10 5 м). Источник излучения - генераторы переменного тока

2. Радиоволны от 10 5 м до 1 мм. Источник излучения - открытый колебательный контур (антенна) Выделяются области радиоволн:

ДВ длинные волны - более 10 3 м,

СВ средние - от 10 3 до 100 м,

КВ короткие - от 100 м до 10 м,

УКВ ультракороткие - от 10 м до 1 мм;

3 Инфракрасное излучении (ИК) 10 –3 -10 –6 м. Область ультракоротких радиоволн смыкается с участком инфракрасных лучей. Граница между ними условная и определяется способом их получения: ультракороткие радиоволны получают с помощью генераторов (радиотехнические методы), а инфракрасные лучи излучаются нагретыми телами в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

4. Видимый свет 770-390 нм Источник излучения – электронные переходы в атомах. Порядок цветов в видимой части спектра, начиная с длинноволновой области КОЖЗГСФ. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

5 . Ультрафиолетовое излучение (УФ) от 400 нм до 1 нм. Ультрафиолетовые лучи получают с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути. Излучаются в результате атомных переходов с одного энергетического уровня на другой.

6 . Рентгеновские лучи от 1 нм до 0,01 нм . Излучаются в результате атомных переходов с одного внутреннего энергетического уровня на другой.

7. За рентгеновскими лучами идет область гамма-лучей (γ) с длинами волн менее 0,1 нм. Излучаются при ядерных реакциях.

Область рентгеновских и гамма-лучей частично перекрывается, и различать эти волны можно не по свойствам, а по методу получения: рентгеновские лучи возникают в специальных трубках, а гамма-лучи испускаются при радиоактивном распаде ядер некоторых элементов.

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 веществом. Коэффициент отражения веществом электромагнитных волн также зависит от длины волны.

Электромагнитные волны отражаются и преломляются согласно законам отражения и преломления.

Для электромагнитных волн можно наблюдать волновые явления - интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Шкала электромагнитных волн. Виды, свойства и применение.

Из истории открытий… 1831 – Майкл Фарадей установил, что любое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве индукционного (вихревого) электрического поля.

1864 – Джеймс - Клерк Максвелл высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, способных распространятся в вакууме и диэлектриках. Однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет непрерывно захватывать новые области пространства. Это и есть электромагнитная волна.

1887 - Генрих Герц опубликовал работу "О весьма быстрых электрических колебаниях", где описал свою экспериментальную установку - вибратор и резонатор, - и свои опыты. При электрических колебаниях в вибраторе в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле, которое регистрируется резонатором.

Электромагнитные волны - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.

Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. 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.

Низкочастотные колебания Длина волны(м) 10 13 - 10 5 Частота(Гц) 3· 10 -3 - 3 ·10 3 Энергия(ЭВ) 1 – 1,24 ·10 -10 Источник Реостатный альтернатор, динамомашина, Вибратор Герца, Генераторы в электрических сетях (50 Гц) Машинные генераторы повышенной (промышленной) частоты (200 Гц) Телефонные сети (5000Гц) Звуковые генераторы (микрофоны, громкоговорители) Приемник Электрические приборы и двигатели История открытия Лодж (1893 г.), Тесла (1983) Применение Кино, радиовещание(микрофоны, громкоговорители)

Радиоволны Получаются 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. Длины волн охватывают область от 1 мкм до 50 км

Применение: Радиосвязь, телевидение, радиолокация.

Инфракрасное излучение (тепловое) Излучается атомами или молекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Свойства: проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь дождь, дымку, снег, туман; производит химическое действие (фототгластинки); поглощаясь веществом, нагревает его; невидимо; способно к явлениям интерференции и дифракции; регистрируется тепловыми методами.

Применение: Прибор ночного видения, криминалистика, физиотерапия, в промышленности для сушки изделий, древесины, фруктов

Видимое излучение Свойства: отражение, преломление, воздействует на глаз, способно к явлению дисперсии, интерференции, дифракции. Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового). Диапазон длин волн занимает небольшой интервал приблизительно от 390 до750 нм.

Ультрафиолетовое излучение Источники: газоразрядные лампы с кварцевыми трубками. Излучается всеми твердыми телами, у которых t 0> 1 ООО°С, а также светящимися парами ртути. Свойства: Высокая химическая активность, невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благоприятно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное воздействие, изменяет развитие клеток, обмен веществ.

Применение: в медицине, в промышленности.

Рентгеновские лучи Излучаются при больших ускорениях электронов. Свойства: интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р =3 атм) 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 0,01 нм)

Применение: В медицине с целью диагностики заболеваний внутренних органов; в промышленности для контроля внутренней структуры различных изделий.

γ -излучение Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства: Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие. Длина волны менее 0,01 нм. Самое высокоэнергетическое излучение

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

Воздействие ЭМВ на организм человека

Спасибо за внимание!