Цели урока:

Тип урока:

Форма проведения: лекция с презентацией

Карасёва Ирина Дмитриевна, 17.12.2017

2492 287

Содержимое разработки

Конспект урока на тему:

Виды излучений. Шкала электромагнитных волн

Урок разработан

учителем ГУ ЛНР «ЛОУСОШ № 18»

Карасёвой И.Д.

Цели урока: рассмотреть шкалу электромагнитных волн, дать характеристику волнам разных диапазонов частот; показать роль различных видов излучений в жизни человека, влияние различных видов излучений на человека; систематизировать материал по теме и углубить знания учащихся об электромагнитных волнах; развивать устную речь учащихся, творческие навыки учащихся, логику, память; познавательные способности; формировать интерес учащихся к изучению физики; воспитывать аккуратность, трудолюбие.

Тип урока: урок формирования новых знаний.

Форма проведения: лекция с презентацией

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация «Виды излучений.

Шкала электромагнитных волн»

Ход урока

Организационный момент.

Мотивация учебной и познавательной деятельности.

Вселенная – это океан электромагнитных излучений. Люди живут в нем, по большей части, не замечая пронизывающих окружающее пространство волн. Греясь у камина или зажигая свечу, человек заставляет работать источник этих волн, не задумываясь об их свойствах. Н о знание - сила: открыв природу электромагнитного излучения, человечество в течение XX столетия освоило и поставило себе на службу самые различные его виды.

Постановка темы и целей урока.

Сегодня мы с вами совершим путешествие по шкале электромагнитных волн, рассмотрим виды электромагнитного излучения разных диапазонов частот. Запишите тему урока: «Виды излучений. Шкала электромагнитных волн» (Слайд 1)

Каждое излучение мы будем изучать по следующему обобщенному плану (Слайд 2) .Обобщенный план для изучения излучения:

1. Название диапазона

2. Длина волны

3. Частота

4. Кем был открыт

5. Источник

6. Приёмник (индикатор)

7. Применение

8. Действие на человека

В ходе изучения темы вы должны заполнить следующую таблицу:

Таблица "Шкала электромагнитных излучений"

Название излучения	Длина волны	Частота	Кем было открыто	Источник	Приёмник	Применение	Действие на человека

Изложение нового материала.

(Слайд 3)

Длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 10 13 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м ( -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.
Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и -излучение. Самое коротковолновое -излучение испускает атомные ядра.

Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.

(Слайд 4)

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 -излучению, сильно поглощаемым атмосферой.

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 -лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Рассмотрим каждое излучение.

(Слайд 5)

Низкочастотное излучение возникает в диапазоне частот от 3 · 10 -3 до 3 10 5 Гц. Этому излучению соответствует длина волны от 10 13 - 10 5 м. Излучением таких, сравнительно малых частот, можно пренебречь. Источником низкочастотного излучения являются генераторы переменного тока. Применяются при плавке и закалке металлов.

(Слайд 6)

Радиоволны занимают диапазон частот 3·10 5 - 3·10 11 Гц. Им соответствует длина волны 10 5 - 10 -3 м. Источником радиоволн, так же как и низкочастотного излучения является переменный ток. Также источником являются генератор радиочастот, звезды, в том числе Солнце, галактики и метагалактики. Индикаторами являются вибратор Герца, колебательный контур.

Большая частота радиоволн, по сравнению с низкочастотным излучением приводит к заметному излучению радиоволн в пространство. Это позволяет использовать их для передачи информации на различные расстояния. Передаются речь, музыка (радиовещание), телеграфные сигналы (радиосвязь), изображения различных объектов (радиолокация).

Радиоволны используются для изучения структуры вещества и свойств той среды, в которой они распространяются. Исследование радиоизлучения космических объектов – предмет радиоастрономии. В радиометеорологии изучают процессы по характеристикам принимаемых волн.

(Слайд 7)

Инфракрасное излучение занимает диапазон частот 3 · 10 11 - 3,85 · 10 14 Гц. Им соответствует длина волны 2·10 -3 - 7,6 ·10 -7 м.

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем. Изучая повышение температуры термометра, нагреваемого видимым светом, Гершель обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, было названо инфракрасным. Источником инфракрасного излучения является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Мощный источник инфракрасного излучения – Солнце, около 50% его излучения лежит в инфракрасной области. На инфракрасное излучение приходится значительная доля (от 70 до 80 %) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Инфракрасное излучение испускает электрическая дуга и различные газоразрядные лампы. Излучения некоторых лазеров лежит в инфракрасной области спектра. Индикаторами инфракрасного излучения являются фото и терморезисторы, специальные фотоэмульсии. Инфракрасное излучение используют для сушки древесины, пищевых продуктов и различных лакокрасочных покрытий (инфракрасный нагрев), для сигнализации при плохой видимости, дает возможность применять оптические приборы, позволяющие видеть в темноте, а также при дистанционном управлении. Инфракрасные лучи используются для наведения на цель снарядов и ракет, для обнаружения замаскированного противника. Эти лучи позволяют определить различие температур отдельных участков поверхности планет, особенности строения молекул вещества (спектральный анализ). Инфракрасная фотография применяется в биологии при изучении болезней растений, в медицине при диагностике кожных и сосудистых заболеваний, в криминалистике при обнаружении подделок. При воздействии на человека вызывает повышение температуры человеческого тела.

(Слайд 8)

Видимое излучение - единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемым человеческим глазом. Световые волны занимают достаточно узкий диапазон: 380 - 670 нм ( = 3,85 10 14 - 8 10 14 Гц). Источником видимого излучения являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно. Эта часть спектра дает человеку максимальную информацию об окружающем мире. По своим физическим свойствам она аналогична другим диапазонам спектра, являясь лишь малой частью спектра электромагнитных волн. Излучение, имеющее разную длину волны (частоты) в диапазоне видимого излучения, оказывает различное физиологическое воздействие на сетчатку человеческого глаза, вызывая психологическое ощущение света. Цвет - не свойство электромагнитной световой волны самой по себе, а проявление электрохимического действия физиологической системы человека: глаз, нервов, мозга. Приблизительно можно назвать семь основных цветов, различаемых человеческим глазом в видимом диапазоне (в порядке возрастания частоты излучения): красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Запоминание последовательности основных цветов спектра облегчает фраза, каждое слово которой начинается с первой буквы названия основного цвета: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Видимое излучение может влиять па протекание химических реакций в растениях (фотосинтез) и в организмах животных и человека. Видимое излучение испускают отдельные насекомые (светлячки) и некоторые глубоководные рыбы за счет химических реакций в организме. Поглощение растениями углекислого газа в результате процесса фотосинтеза и выделения кислорода способствует поддержанию биологической жизни на Земле. Также видимое излучение применяется при освещении различных объектов.

Свет - источник жизни на Земле и одновременно источник наших представлений об окружающем мире.

(Слайд 9)

Ультрафиолетовое излучение, не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучением в пределахдлин волн 3,8 ∙10 -7 - 3∙10 -9 м. (=8*10 14 - 3*10 16 Гц). Ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 году немецким ученым Иоганном Риттером. Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, Риттер обнаружил, что серебро чернеет еще более эффективно в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение, вызвавшее это почернение, было названо ультрафиолетовым.

Источник ультрафиолетового излучения - валентные электроны атомов и молекул, также ускоренно движущиеся свободные заряды.

Излучение накаленных до температур - 3000 К твердых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощный источник ультрафиолетового излучения - любая высокотемпературная плазма. Для различных применений ультрафиолетового излучения используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы. Естественные источники ультрафиолетового излучения - Солнце, звезды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения(  290 нм) достигает земной поверхности. Для регистрации ультрафиолетового излучения при

 = 230 нм используются обычные фотоматериалы, в более коротковолновой области к нему чувствительны специальные маложелатиновые фотослои. Применяются фотоэлектрические приемники,использующие способность ультрафиолетового излучения вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды,ионизационные камеры, счетчики фотонов, фотоумножители.

В малых дозах ультрафиолетовое излучение оказывает благотворное, оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез вит амина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза ультрафиолетового излучения может вызвать ожог кожи и раковые новообразования (в 80 % излечимые). Кроме того, чрезмерное ультрафиолетовое излучение ослабляет иммунную систему организма, способствуя развитию некоторых заболеваний. Ультрафиолетовое излучение оказывает также бактерицидное действие: под действием этого излучения гибнут болезнетворные бактерии.

Ультрафиолетовое излучение применяется в люминесцентных лампах, в криминалистике (по снимкам обнаруживают подделки документов), в искусствоведении (с помощью ультрафиолетовых лучей можно обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставрации). Практически не пропускает ультрафиолетовое излучение оконное стекло, т.к. его поглощает оксид железа, входящий в состав стекла. По этой причине даже в жаркий солнечный день нельзя загореть в комнате при закрытом окне.

Человеческий глаз не видит ультрафиолетовое излучение, т.к. роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают ультрафиолет. Ультрафиолетовое излучение видят некоторые животные. Например, голубь ориентируется по Солнцу даже в пасмурную погоду.

(Слайд 10)

Рентгеновское излучение - это электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма - и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10 -12 - 1 0 -8 м (частот 3*10 16 - 3-10 20 Гц ). Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким физиком В. К. Рентгеном. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой ускоренные электрическим нолем электроны бомбардируют металлический анод. Рентгеновское излучение может быть получено при бомбардировке мишени ионами высокой энергии. В качестве источников рентгеновского излучения могут служить также некоторые радиоактивные изотопы, синхротроны - накопители электронов. Естественными источниками рентгеновского излучения является Солнце и другие космические объекты

Изоб ражения предметов в рентгеновском излучении получают на специальной рентгеновской фотопленке. Рентгеновское излучение можно регистрировать с помощью ионизационной камеры, сцинтилляционного счетчика, вторично-электронных или каналовых электронных умножителей, микроканальных пластин. Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение применяется в рентгеноструктурном анализе (исследовании структуры кристаллической решетки), при изучении структуры молекул, обнаружении дефектов в образцах, в медицине (рентгеновские снимки, флюорография, лечение раковых заболеваний), в дефектоскопии (обнаружение дефектов в отливках, рельсах), в искусствоведении (обнаружение старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи), в астрономии (при изучении рентгеновских источников), криминалистике. Большая доза рентгеновского излучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека. Создание приемников рентгеновского излучения и размещение их на космических станциях позволило обнаружить рентгеновское излучение сотен звезд, а также оболочек сверхновых звезд и целых галактик.

(Слайд 11)

Гамма излучение - коротковолновое электромагнитное излучение, занимающее весь диапазон частот  = 8∙10 14 - 10 17 Гц, что соответствует длинам волн  = 3,8·10 -7 - 3∙10 -9 м. Гамма-излучение было открыто французским ученым Полем Вилларом в 1900 году.

Изучая излучение радия в сильном магнитном поле, Виллар обнаружил коротковолновое электромагнитное излучение, не отклоняющееся, как и свет, магнитным полем. Оно было названогамма-излучением. Гамма-излучение связано с ядерными процессами, явлениями радиоактивного распада, происходящими с некоторыми веществами, как на Земле, так и в космосе. Гамма-излучение можно регистрировать с помощью ионизационных и пузырьковых камер, а также с помощью специальных фотоэмульсий. Используются при исследовании ядерных процессов, в дефектоскопии. Гамма-излучение отрицательно воздействует на человека.

(Слайд 12)

Итак, низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение представляют собой различные виды электромагнитного излучения.

Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений (учитель показывает шкалу). К опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны.

Деление электромагнитных излучений по диапазонам условное. Четкой границы между областями нет. Названия областей сложились исторически, они лишь служат удобным средством классификации источников излучений.

(Слайд 13)

Все диапазоны шкалы электромагнитных излучений имеют общие свойства:

физическая природа всех излучений одинакова

все излучения распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, равной 3*10 8 м/с

все излучения обнаруживают общие волновые свойства (отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию)

5. Подведение итогов урока

В заключение урока учащиеся заканчивают работу над таблицей.

(Слайд 14)

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).

Конспект (выучить), заполнить в таблице

последний столбец (действие ЭМИ на человека) и

подготовить сообщение о применении ЭМИ

Содержимое разработки

ГУ ЛНР «ЛОУСОШ № 18»

г. Луганска

Карасёва И.Д.

ОБОБЩЁННЫЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Название диапазона.

2. Длина волны

3. Частота

4. Кем был открыт

5. Источник

6. Приёмник (индикатор)

7. Применение

8. Действие на человека

ТАБЛИЦА «ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН»

Название излучения

Длина волны

Частота

Кем открыт

Источник

Приёмник

Применение

Действие на человека

Излучения отличаются друг от друга:

• по способу получения;
• по методу регистрации.

Количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям, по-разному поглощаются веществом (коротковолновые излучения – рентгеновское и гамма-излучения) – поглощаются слабо.

Коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Низкочастотные колебания

Длина волны (м)

10 13 - 10 5

Частота (Гц)

3 · 10 -3 - 3 · 10 5

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

Оливер Лодж (1893 г.), Никола Тесла (1983)

Применение

Кино, радиовещание (микрофоны, громкоговорители)

Радиоволны

Длина волны(м)

Частота(Гц)

10 5 - 10 -3

Источник

3 · 10 5 - 3 · 10 11

Колебательный контур

Макроскопические вибраторы

Звёзды, галактики, метагалактики

Приемник

История открытия

Искры в зазоре приемного вибратора (вибратор Герца)

Свечение газоразрядной трубки, когерера

Б. Феддерсен (1862 г.), Г. Герц (1887 г.), А.С. Попов, А.Н. Лебедев

Применение

Сверхдлинные - Радионавигация, радиотелеграфная связь, передача метеосводок

Длинные – Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация

Средние - Радиотелеграфия и радиотелефонная связь радиовещание, радионавигация

Короткие - радиолюбительская связь

УКВ - космическая радио связь

ДМВ - телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, сотовая телефонная связь

СМВ- радиолокация, радиорелейная связь, астронавигация, спутниковое телевидение

ММВ - радиолокация

Инфракрасное излучение

Длина волны(м)

2 · 10 -3 - 7,6∙10 -7

Частота (Гц)

3∙10 11 - 3,85∙10 14

Источник

Любое нагретое тело: свеча, печь, батарея водяного отопления, электрическая лампа накаливания

Человек излучает электромагнитные волны длиной 9 · 10 -6 м

Приемник

Термоэлементы, болометры, фотоэлементы, фоторезисторы, фотопленки

История открытия

У. Гершель (1800 г.), Г. Рубенс и Э. Никольс (1896 г.),

Применение

В криминалистике, фотографирование земных объектов в тумане и темноте, бинокль и прицелы для стрельбы в темноте, прогревание тканей живого организма (в медицине), сушка древесины и окрашенных кузовов автомобилей, сигнализация при охране помещений, инфракрасный телескоп.

Видимое излучение

Длина волны(м)

6,7∙10 -7 - 3,8 ∙10 -7

Частота(Гц)

4∙10 14 - 8 ∙10 14

Источник

Солнце, лампа накаливания, огонь

Приемник

Глаз, фотопластинка, фотоэлементы, термоэлементы

История открытия

М. Меллони

Применение

Зрение

Биологическая жизнь

Ультрафиолетовое излучение

Длина волны(м)

3,8 ∙10 -7 - 3∙10 -9

Частота(Гц)

8 ∙ 10 14 - 3 · 10 16

Источник

Входят в состав солнечного света

Газоразрядные лампы с трубкой из кварца

Излучаются всеми твердыми телами, у которых температура больше 1000 ° С, светящиеся (кроме ртути)

Приемник

Фотоэлементы,

Фотоумножители,

Люминесцентные вещества

История открытия

Иоганн Риттер, Лаймен

Применение

Промышленная электроника и автоматика,

Люминисценнтные лампы,

Текстильное производство

Стерилизация воздуха

Медицина, косметология

Рентгеновское излучение

Длина волны(м)

10 -12 - 10 -8

Частота(Гц)

3∙10 16 - 3 · 10 20

Источник

Электронная рентгеновская трубка (напряжение на аноде – до 100 кВ, катод – накаливаемая нить, излучение – кванты большой энергии)

Солнечная корона

Приемник

Фотопленка,

Свечение некоторых кристаллов

История открытия

В. Рентген, Р. Милликен

Применение

Диагностика и лечение заболеваний (в медицине), Дефектоскопия (контроль внутренних структур, сварных швов)

Гамма - излучение

Длина волны(м)

3,8 · 10 -7 - 3∙10 -9

Частота(Гц)

8∙10 14 - 10 17

Энергия(ЭВ)

9,03 10 3 – 1, 24 10 16 Эв

Источник

Радиоактивные атомные ядра, ядерные реакции, процессы превращения вещества в излучение

Приемник

счетчики

История открытия

Поль Виллар (1900 г.)

Применение

Дефектоскопия

Контроль технологических процессов

Исследование ядерных процессов

Терапия и диагностика в медицине

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

физическая природа

всех излучений одинакова

все излучения распространяются

в вакууме с одинаковой скоростью,

равной скорости света

все излучения обнаруживают

общие волновые свойства

поляризация

отражение

преломление

дифракция

интерференция

• 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.

• § 68 (читать)
• заполнить последний столбец таблицы (действие ЭМИ на человека)
• подготовить сообщение о применении ЭМИ

Шкала электромагнитных излучений условно включает в себя семь диапазонов:

1. Низкочастотные колебания

2. Радиоволны

3. Инфракрасное излучение

4. Видимое излучение

5. Ультрафиолетовое излучение

6. Рентгеновское излучение

7. Гамма излучение

Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 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 g-излучениям, сильно поглощаемом 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 волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны с длиной волны от 8*10-6 см. до 10-10 см.

Различают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Тормозное возникает при торможении быстрых электронов любым препятствием, в частности металлическими электронами.

Тормозное излучение электронов имеет непрерывный спектр, отличающийся от непрерывных спектров излучения, создаваемых твердыми телами или жидкостями.

Характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. Характеристическое излучение возникает в результате того, что внешний быстрый электрон, тормозящийся в веществе, вырывает из атома вещества электрон, расположенный на одной из внутренних оболочек. При переходе на освободившееся место электрона более удаленного возникает рентгеновский фотон.

Устройство для получения рентгеновских лучей - рентгеновская трубка .

Схематическое изображение рентгеновской трубки.

X - рентгеновские лучи, K - катод, А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, U h - напряжение накала катода, U a - ускоряющее напряжение, W in - впуск водяного охлаждения, W out - выпуск водяного охлаждения.

Катод 1 представляет собой вольфрамовую спираль, испускающую электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Цилиндр 3 фокусирует поток электронов, которые затем соударяются с металлическим электродом (анодом) 2. При этом появляются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум; давление газа в ней не превышает 10 _о мм рт. ст.

Электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение)

В то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода, энергией(характеристическое излучение)

Для рентгеновских лучей характерна малая длина волны, большая «жесткость».

Свойства:

высокая проникающая способность;

действие на фотопластинки;

способность вызывать ионизацию в веществах, сквозь которые эти лучи проходят.

Применение:

Рентгенодиагностика. При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов

Рентгенотерапия

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

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Слайд 2

Шкала электромагнитных излучений.

Шкала электромагнитных волн простирается от длинных Радиоволн до гамма – лучей. Электромагнитные волны различной Длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом).

Слайд 3

Слайд 4

Электромагнитные излучения

1.Гамма излучение 2. Инфракрасный диапазон 3. Рентген 4. Радио излучение и микроволны 5.Видимый диапазон 6. Ультрафиолет

Слайд 5

Гамма-излучение

Применение

Слайд 6

Гамма-излучение В области открытия гамма-лучей одно из первых мест принадлежит англичанину Эрнесту Резерфорду. Резерфорд задался целью не просто открывать новые излучающие вещества. Он хотел выяснить, что же представляют собой их лучи. Он правильно предположил, что в этих лучах могут встретиться заряженные частицы. А они отклоняются в магнитном поле. В 1898 году Резерфорд преступил к исследованию уранового излучения, результаты которого были опубликованы в 1899 году в статье «Излучение урана и созданная им электропроводность». Резерфорд пропустил сильный пучок лучей радия между полюсами мощного магнита. И его предположения оправдались.

Слайд 7

Излучение регистрировалось по действию на фотопластинку. Пока не было магнитного поля, на пластинке появилось одно пятно от падавших на нее лучей радия. Но вот пучок прошел через магнитное поле. Теперь он как бы распался на части. Один луч отклонился влево, другой – вправо. Отклонение лучей в магнитном поле ясно указало, что в состав излучения входят заряженные частицы; по этому отклонению можно было судить и о знаке частиц. По двум первым буквам греческого алфавита и назвал Резерфорд две составные части излучения радиоактивных веществ. Альфа-лучи () – часть излучения, отклонявшаяся, как отклонялись бы положительные частицы. Отрицательные частицы были обозначены буквой бета (). А в 1900 году в излучении урана Вилларом была открыта еще одна составляющая, которая не отклонялась в магнитном поле и обладала наибольшей проникающей способностью, она была названа гамма-лучами (). Это, как оказалось, были «частицы» электромагнитного излучения – так называемые гамма- кванты. Гамма-излучение, коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая весь диапазон частот >3*1020 Гц, что соответствует длинам волн 

Слайд 8

Гамма-излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбуждённого энергетического состояния в менее возбуждённое или в основное. Испускание ядром гамма-кванта не влечёт за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от др. видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучение обычно чрезвычайно мала (~10-2эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучений является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер.

Слайд 9

Источником гамма-излучения является изменение энергетического состояния атомного ядра, а также ускорение свободно заряженных частиц.Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося p°-мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70 Мэв. гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучение оказывается размытым в широком интервале энергии. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма-излучение, так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В межзвёздном пространстве гамма-излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое гамма-излучение. Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передаёт энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Слайд 10

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Оно проходит сквозь метровый слой бетона и слой свинца толщиной несколько сантиметров.

Слайд 11

Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом: фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение гамма-кванта одним из электронов атома, причём энергия гамма-кванта преобразуется за вычетом энергии связи электрона в атоме в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. При комптон-эффекте происходит рассеяние g-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте гамма-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см3вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышающих энергию связи электронов в атомах.Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hv. Поэтому при hv ~ 10 основным процессом в любом веществе оказывается образование пар. Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения. Почти все -излучение, приходящие на Землю из космос, поглощается атмосферой Земли. Это обеспечивает возможность существования органической жизни на Земле. -Излучение возникает при взрыве ядерного оружия вследствие радиоактивного распада ядер.

Слайд 12

Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях – гамма-дефектоскопия. В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители. Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения, например, внешнее или внутреннее. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений.

Слайд 13

Инфракрасный диапазон

Возникновение И Земное применение

Слайд 14

Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.

Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения. В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли. Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.

Слайд 15

Источники В инфракрасном диапазоне телескоп «Хаббл» может увидеть больше галактик, чем звезд-

Фрагмент одного из так называемых Глубоких полей «Хаббла». В 1995 году космический телескоп в течение 10 суток накапливал свет, приходящий с одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики, расстояние до которых составляет до 13 млрд световых лет (менее одного миллиарда лет от Большого взрыва). Видимый свет от таких далеких объектов испытывает значительное красное смещение и становится инфракрасным. Наблюдения велись в области, далекой от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большая часть зарегистрированных объектов - это галактики на разных стадиях эволюции.

Слайд 16

Галактика Сомбреро в инфракрасном диапазоне

Гигантская спиральная галактика, обозначаемая также как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и видна нам почти с ребра. Она обладает огромным центральным балджем (шарообразное утолщение в центре галактики) и содержит около 800 млрд звезд - в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь. В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда масс Солнца. Это определено по скоростям движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном диапазоне в галактике отчетливо просматривается кольцо газа и пыли, в котором активно рождаются звезды.

Слайд 17

Туманности и пылевые облака вблизи центра Галактики в ИК-диапазоне

Слайд 18

ПриемникиИнфракрасный космический телескоп «Спитцер»

Главное зеркало диаметром 85 см изготовлено из бериллия и охлаждается до температуры 5,5 К для снижения собственного инфракрасного излучения зеркала. Телескоп был запущен в августе 2003 года по программе четырех великих обсерваторий NASA, включающей: гамма-обсерваторию «Комптон» (1991–2000, 20 кэВ-30 ГэВ), см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ, рентгеновскую обсерваторию «Чандра» (1999, 100 эВ-10 кэВ), космический телескоп «Хаббл» (1990, 100–2100 нм), инфракрасный телескоп «Спитцер» (2003, 3–180 мкм). Ожидается, что срок службы телескопа «Спитцер» составит около 5 лет. Свое название телескоп получил в честь астрофизика Лаймана Спитцера (1914–97), который в 1946 году, задолго до запуска первого спутника, опубликовал статью «Преимущества для астрономии внеземной обсерватории», а спустя 30 лет убедил NASA и американский Конгресс начать разработку космического телескопа «Хаббл».

Слайд 19

Земное применение:Прибор ночного видения

В основе прибора лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), позволяющий значительно (от 100 до 50 тысяч раз) усиливать слабый видимый или инфракрасный свет. Объектив создает изображение на фотокатоде, из которого, как и в случае ФЭУ, выбиваются электроны. Далее они разгоняются высоким напряжением (10–20 кВ), фокусируются электронной оптикой (электромагнитным полем специально подобранной конфигурации) и падают на флуоресцентный экран, подобный телевизионному. На нем изображение рассматривают в окуляры. Разгон фотоэлектронов дает возможность в условиях низкой освещенности использовать для получения изображения буквально каждый квант света, однако в полной темноте требуется подсветка. Чтобы не выдать присутствие наблюдателя, для этого пользуются прожектором ближнего ИК-диапазона (760–3000 нм).

Слайд 20

Существуют также приборы, которые улавливают собственное тепловое излучение предметов в среднем ИК-диапазоне (8–14 мкм). Такие приборы называются тепловизорами, они позволяют заметить человека, животное или нагретый двигатель за счет их теплового контраста с окружающим фоном.

Слайд 21

Радиатор

Вся энергия, потребляемая электрическим обогревателем, в конечном счете, переходит в тепло. Значительная часть тепла уносится воздухом, который соприкасается с горячей поверхностью, расширяется и поднимается вверх, так что обогревается в основном потолок. Во избежание этого обогреватели снабжают вентиляторами, которые направляют теплый воздух, например, на ноги человека и способствуют перемешиванию воздуха в помещении. Но есть и другой способ передачи тепла окружающим предметам: инфракрасное излучение обогревателя. Оно тем сильнее, чем горячее поверхность и больше ее площадь. Для увеличения площади радиаторы делают плоскими. Однако при этом температура поверхности не может быть высокой. В других моделях обогревателей используется спираль, разогреваемая до нескольких сотен градусов (красное каление), и вогнутый металлический рефлектор, который создает направленный поток инфракрасного излучения.

Слайд 22

Рентген

1. Источники, Применение

Слайд 23

2. Выделив новый тип изучения, Вильгельм Рентген назвал его X-лучами (X-rays). Под этим именем оно известно во всём мире, кроме России. Самый характерный источник рентгена в космосе - горячие внутренние области аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. Также в рентгеновском диапазоне светит солнечная корона, разогретая до 1–2 млн градусов, хотя на поверхности Солнца всего около 6 тысяч градусов. Но рентген можно получить и без экстремальных температур. В излучающей трубке медицинского рентгеновского аппарата электроны разгоняются напряжением в несколько киловольт и врезаются в металлический экран, испуская при торможении рентген. Ткани организма по-разному поглощают рентгеновское излучение, это позволяет изучать строение внутренних органов. Сквозь атмосферу рентген не проникает, космические рентгеновские источники наблюдают только с орбиты. Жесткий рентген регистрируют сцинтилляционными датчиками. При поглощении рентгеновских квантов в них ненадолго возникает свечение, которое улавливают ФЭУ. Мягкое рентгеновское излучение фокусируют металлическими зеркалами косого падения, от которых лучи отражаются под углом менее одного градуса, подобно гальке от поверхности воды.

Слайд 24

ИсточникиРентгеновские источники в районе центра нашей Галактики

Фрагмент снимка окрестностей центра Галактики, полученного рентгеновским телескопом «Чандра». Виден целый ряд ярких источников, которые, по всей видимости, являются аккреционными дисками вокруг компактных объектов - нейтронных звезд и черных дыр.

Слайд 25

Окрестности пульсара в Крабовидной туманности

Крабовидная туманность - остаток сверхновой звезды, вспышка которой наблюдалась в 1054 году. Сама туманность - это рассеянная в космосе оболочка звезды, а ее ядро сжалось и образовало сверхплотную вращающуюся нейтронную звезду диаметром около 20 км. Вращение этой нейтронной звезды отслеживается по строго периодическим колебаниям ее излучения в радиодиапазоне. Но пульсар излучает также в видимом и рентгеновском диапазонах. В рентгене телескоп «Чандра» сумел получить изображение аккреционного диска вокруг пульсара и небольших джетов, перпендикулярных его плоскости (ср. Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры).

Слайд 26

Солнечные протуберанцы в рентгене

Видимая поверхность Солнца разогрета примерно до 6 тысяч градусов, что соответствует видимому диапазону излучения. Однако корона, окружающая Солнце, разогрета до температуры более миллиона градусов и потому светится в рентгеновском диапазоне спектра. Данный снимок сделан во время максимума солнечной активности, которая меняется с периодом 11 лет. Сама поверхность Солнца в рентгене практически не излучает и потому выглядит черной. В период солнечного минимума рентгеновское излучение Солнца значительно снижается. Изображение получено японским спутником Yohkoh («Солнечный луч»), известным также как Solar-A, который работал с 1991 по 2001 год.

Слайд 27

ПриемникиРентгеновский телескоп «Чандра»

Одна из четырех «Великих обсерваторий» NASA, получившая название в честь американского астрофизика индийского происхождения СубраманьянаЧандрасекара (1910–95), лауреата Нобелевской премии (1983), специалиста по теории строения и эволюции звезд. Основной инструмент обсерватории - рентгеновский телескоп косого падения диаметром 1,2 м, содержащий четыре вложенных параболических зеркала косого падения (см. схему), переходящих в гиперболические. Обсерватория выведена на орбиту в 1999 и работает в диапазоне мягкого рентгена (100 эВ-10 кэВ). Среди множества открытий обсерватории «Чандра» - первый снимок аккреционного диска вокруг пульсара в Крабовидной туманности.

Слайд 28

Земное применение

Электронная лампа, служащая источником мягкого рентгеновского излучения. Между двумя электродами внутри запаянной вакуумной колбы прикладывается напряжение 10–100 кВ. Под действием этого напряжения электроны разгоняются до энергии 10–100 кэВ. В конце пути они сталкиваются с полированной металлической поверхностью и резко тормозятся, отдавая значительную часть энергии в виде излучения в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне.

Слайд 29

Рентгеновский снимок

Изображение получается за счет неодинаковой проницаемости тканей человеческого тела для рентгеновского излучения. В обычном фотоаппарате объектив преломляет свет, отраженный объектом, и фокусирует его на пленке, где формируется изображение. Однако рентгеновское излучение очень трудно сфокусировать. Поэтому работа рентгеновского аппарата больше похожа на контактную печать снимка, когда негатив кладется на фотобумагу и на короткое время освещается. Только в данном случае в роли негатива выступает человеческое тело, в роли фотобумаги специальная фотопленка, чувствительная к рентгеновским лучам, а вместо источника освещения берется рентгеновская трубка.

Слайд 30

Радиоизлучение и микроволны

Применение

Слайд 31

Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны - со стороны длинных волн и низких частот. Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи - они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) - от 1 км до тысяч километров - проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых. Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются. Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии - рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.

Слайд 32

Микроволны

Микроволны - это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне. Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название - микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К. Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий. А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону. Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.

Слайд 33

ИсточникиКрабовидная туманность в радиодиапазоне

По этому изображению, которое построено по данным наблюдений американской Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), можно судить о характере магнитных полей в Крабовидной туманности. Крабовидная туманность - наиболее изученный остаток взрыва сверхновой. На данном изображении показано, как она выглядит в радиодиапазоне. Радиоизлучение генерируется быстрыми электронами при движении в магнитном поле. Поле заставляет электроны поворачивать, то есть двигаться ускоренно, а при ускоренном движении заряды испускают электромагнитные волны.

Слайд 34

Компьютерная модель распределения вещества во Вселенной

Изначально распределение вещества во Вселенной было почти идеально равномерным. Но все же небольшие (возможно даже квантовые) флуктуации плотности за многие миллионы и миллиарды лет привели к тому, что вещество фрагментировалось. Похожие результаты дают наблюдательные обзоры распределения галактик в пространстве. Для сотен тысяч галактик определяются координаты на небе и красные смещения, по которым вычисляются расстояния до галактик. На рисунке представлен результат компьютерного моделирования эволюции Вселенной. Рассчитывалось движение 10 млрд частиц под действием взаимного тяготения на протяжении 15 млрд лет. В результате сформировалась пористая структура, отдаленно напоминающая губку. Скопления-галактики концентрируются в ее узлах и ребрах, а между ними находятся обширные пустыни, где почти нет объектов, - астрономы называют их войдами (от англ. void - пустота).

Слайд 35

Правда, достичь хорошего согласия расчетов и наблюдений удается, только если предположить, что видимое (светящееся в электромагнитном спектре) вещество составляет всего около 5% всей массы Вселенной. Остальное приходится на так называемые темную материю и темную энергию, которые проявляют себя только своим тяготением и природа которых пока не установлена. Их изучение - одна из наиболее актуальных задач современной астрофизики.

Слайд 36

Квазар: активное ядро галактики

На радиоизображении квазара красным цветом показаны области высокой интенсивности радиоизлучения: в центре активное ядро галактики, а по бокам от него - два джета. Сама галактика в радиодиапазоне практически не излучает. Когда на сверхмассивную черную дыру в центре галактики аккрецирует слишком много вещества, выделяется огромное количество энергии. Эта энергия разгоняет часть вещества до околосветовых скоростей и выбрасывает его релятивистскими плазменными джетами в двух противоположных направлениях перпендикулярно оси аккреционного диска. Когда эти джеты сталкиваются с межгалактической средой и тормозятся, входящие в них частицы испускают радиоволны.

Слайд 37

Радиогалактика: карта изолиний радиояркости

Карты изолиний обычно используются для представления изображений, полученных на одной длине волны, что особенно характерно для радиодиапазона. По принципу построения они подобны горизонталям на топографической карте, только вместо точек с фиксированной высотой над горизонтом ими соединяют точки с одинаковой радиояркостью источника на небе. Для изображения космических объектов в диапазонах излучения, отличных от видимого, используются различные приемы. Чаще всего это искусственные цвета и карты изолиний. С помощью искусственных цветов можно показать, как выглядел бы объект, если бы светочувствительные рецепторы человеческого глаза были чувствительны не к определенным цветам в видимом диапазоне, а к другим частотам электромагнитного спектра.

Слайд 38

ПриемникиМикроволновый орбитальный зонд WMAP

Изучение микроволнового фона было начато наземными радиотелескопами, продолжено советским прибором «Реликт-1» на борту спутника «Прогноз-9» в 1983 г. и американским спутником COBE (Cosmic Background Explorer) в 1989 г., но самую подробную карту распределения микроволнового фона по небесной сфере построил в 2003 г. зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Полученные данные накладывают существенные ограничения на модели образования галактик и эволюции Вселенной. Космический фон микроволнового излучения, называемый также реликтовым излучением, создает радиошум, который почти одинаков во всех направлениях на небе. И всё же в нем есть очень небольшие вариации интенсивности - около тысячной доли процента. Это следы неоднородностей плотности вещества в молодой Вселенной, которые послужили зародышами для будущих скоплений галактик.

Слайд 39

Обзоры неба

Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте. Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см - это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.

Слайд 40

Радионебо на волне 73,5 см, 408 МГц (Бонн)

Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов - 100-метровый боннский радиотелескоп. Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами.

Слайд 41

Земное применение

Микроволновая печь Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы. А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон). Главное преимущество микроволновой печи - прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности. Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи.

Слайд 42

Сотовый телефон

В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа. Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет. Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям. Радиус действия базовой станции - размер соты - от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.

Слайд 43

Телевизор

Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора - в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда - высокая яркость, низкая амплитуда - темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций). С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется. Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.

Слайд 44

Спутниковая тарелка

Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа, но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений. Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд - 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см, и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м.

Слайд 45

Видимый диапазон

Земное применение

Слайд 46

Диапазон видимого света - самый узкий во всем спектре. Длина волны в нем меняется менее чем в два раза. На видимый свет приходится максимум излучения в спектре Солнца. Наши глаза в ходе эволюции адаптировались к его свету и способны воспринимать излучение только в этом узком участке спектра. Почти все астрономические наблюдения до середины XX века велись в видимом свете. Основной источник видимого света в космосе - звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет. На Земле применяются также нетепловые источники света, например, флюоресцентные лампы и полупроводниковые светодиоды. Для сбора света от слабых космических источников используются зеркала и линзы. Приемниками видимого света служат сетчатка глаза, фотопленка, применяемые в цифровых фотоаппаратах полупроводниковые кристаллы (ПЗС-матрицы), фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Принцип действия приемников основан на том, что энергии кванта видимого света достаточно, чтобы спровоцировать химическую реакцию в специально подобранном веществе или выбить из вещества свободный электрон. Затем по концентрации продуктов реакции или по величине освободившегося заряда определяется количество поступившего света.

Слайд 47

Источники

Одна из самых ярких комет конца XX века. Она была открыта в 1995 году, когда находилась еще за орбитой Юпитера. Это рекордное расстояние для обнаружения новой кометы. Прошла перигелий 1 апреля 1997 года, а в конце мая достигла максимального блеска - около нулевой звездной величины. Комета Хейла-Боппа Всего комета оставалась видимой невооруженным глазом в течение 18,5 месяцев - вдвое больше прежнего рекорда, установленного великой кометой 1811 года. На снимке видны два хвоста кометы - пылевой и газовый. Давление солнечного излучения направляет их прочь от Солнца.

Слайд 48

Планета Сатурн

Вторая по величине планета Солнечной системы. Относится к классу газовых гигантов. Снимок сделан межпланетной станцией «Кассини», которая с 2004 года ведет исследования в системе Сатурна. В конце XX века системы колец обнаружены у всех планет-гигантов - от Юпитера до Нептуна, но только у Сатурна они легко доступны наблюдению даже в небольшой любительский телескоп.

Слайд 49

Солнечные пятна

Они живут от нескольких часов до нескольких месяцев. Число пятен служит индикатором активности Солнца. Наблюдая пятна на протяжении нескольких дней, легко заметить вращение Солнца. Снимок сделан любительским телескопом. Области пониженной температуры на видимой поверхности Солнца. Их температура 4300–4800 К - примерно на полторы тысячи градусов ниже, чем на остальной поверхности Солнца. Из-за этого их яркость в 2–4 раза ниже, что по контрасту создает впечатление черных пятен. Пятна возникают, когда магнитное поле замедляет конвекцию и тем самым вынос тепла в верхних слоях вещества Солнца.

Слайд 50

Приемники

Любительский телескоп В современном мире любительская астрономия стала увлекательным и престижным хобби.Простейшие инструменты с диаметром объектива от 50–70 мм, самые крупные с диаметром 350–400 мм сравнимы по стоимости с престижным автомобилем и требуют стационарной установки на бетонном фундаменте под куполом. В умелых руках такие инструменты вполне могут дать вклад в большую науку.

Слайд 51

Лампа накаливания

Испускает видимый свет и инфракрасное излучение за счет нагрева электрическим током помещенной в вакуум вольфрамовой спирали. Спектр излучения очень близок к чернотельному с температурой около 2000 К. При такой температуре максимум излучения приходится на ближнюю инфракрасную область и потому расходуется бесполезно для целей освещения. Существенно поднять температуру не удается, поскольку при этом спираль быстро выходит из строя. Поэтому лампы накаливания оказываются неэкономичным осветительным прибором. Лампы дневного света значительно эффективнее преобразуют электроэнергию в свет.

Слайд 52

Ультрафиолет

Земное применение

Слайд 53

Ультафиолетовый диапазон электромагнитного излучения располагается за фиолетовым (коротковолновым) краем видимого спектра. Ближний ультрафиолет от Солнца проходит сквозь атмосферу. 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. Более жесткое УФ излучение поглощают в атмосфере молекулы озона и других газов. Наблюдать его можно только из космоса, и поэтому его называют вакуумным ультрафиолетом. Энергии ультрафиолетовых квантов достаточно для разрушения биологических молекул, в частности ДНК и белков. На этом основан один из методов уничтожения микробов. Считается, что пока в атмосфере Земли не было озона, поглощающего значительную часть ультрафиолета, жизнь не могла выйти из воды на сушу. Ультрафиолет испускают объекты с температурой от тысяч до сотен тысяч градусов, например, молодые горячие массивные звезды. Однако УФ излучение поглощается межзвездными газом и пылью, поэтому часто нам видны не сами источники, а подсвеченные ими космические облака. Для сбора УФ излучения используют зеркальные телескопы, а для регистрирации служат фотоэлектронные умножители, а в ближнем УФ, как и в видимом свете - ПЗС-матрицы.

Слайд 54

Источники

Свечение возникает, когда заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с молекулами атмосферы Юпитера. Большинство частиц под действием магнитного поля планеты входит в атмосферу вблизи ее магнитных полюсов. Поэтому сияние возникает в относительно небольшой области. Аналогичные процессы идут на Земле и на других планетах, обладающих атмосферой и магнитным полем. Снимок получен космическим телескопом «Хаббл». Полярное сияние на Юпитере в ультрафиолете

Слайд 55

Обзоры неба

Небо в жестком ультрафиолете (EUVE) Обзор построен орбитальной ультрафиолетовой обсерваторией Extreme Ultraviolet Explorer Линейчатая структура изображения соответствует орбитальному движению спутника, а неоднородность яркости отдельных полос связана с изменениями в калибровке аппаратуры. Черные полосы - участки неба, которые не удалось пронаблюдать. Незначительное число деталей на этом обзоре связано с тем, что источников жесткого ультрафиолета относительно мало и, кроме того, ультрафиолетовое излучение рассеивается космической пылью.

Слайд 56

Земное применение

Солярий Установка для дозированного облучения тела ближним ультрафиолетом для загара. Ультрафиолетовое излучение приводит к выделению в клетках пигмента меланина, который меняет цвет кожи

Слайд 57

Детектор валюты

Ультрафиолетовое излучение применяется для определения подлинности денежных купюр. В купюры впрессовываются полимерные волокна со специальным красителем, который поглощает ультрафиолетовые кванты, а потом испускает менее энергичное излучение видимого диапазона. Под действием ультрафиолета волокна начинают светиться, что и служит одним из признаков подлинности. Ультрафиолетовое излучение детектора невидимо для глаза, синее свечение, заметное при работе большинства детекторов, связано с тем, что применяемые источники ультрафиолета излучают также и в видимом диапазоне.

Посмотреть все слайды

Источником электромагнитного излучения всегда является вещество.Норазные уровни организации материи в веществе имеютразличный механизмвозбуждения электромагнитных волн.

Так электромагнитные волны имеют своим источником токи, протекающие в проводниках, электрические переменные напряжения на металлических поверхностях (антеннах) и т. п. Инфракрасное излучение имеет своим источником нагретые предметы и генерируются колебаниями молекул тел. Оптическое излучение происходит в результате перехода электронов атомов с одних орбит возбужденных) на другие (стационарные). Рентгеновские лучи имеют в своей основе возбуждение электронных оболочек атомов внешними воздействиями, например, бомбардировкой электронными лучками. Гамма-излучение имеет источником возбужденные ядра атомов, возбуждение может быть природным, а может явиться результатом наведенной радиоактивности.

Шкала электромагнитных волн:

Электромагнитные волны иначе называются радиоволнами. Радиоволны делятся на поддиапазоны (см. таблицу).

Название поддиапазона	Длина волны, м	Частота колебаний, Гц.
Сверхдлинные волны	более 10 4	менее 3 10 4
Длинные волны		310 4 -310 5
Средние волны		310 5 -310 6
Короткие волны		310 6 -310 7
Метровые волны		310 7 -310 8
Дециметровые волны		310 8 -310 9
Сантиметровые волны		310 9 -310 10
Миллиметровые волны		310 10 -310 11
Субмиллиметровые волны	10 -3 -510 -5	310 11 -310 12

Длинные и средние волны огибают поверхность, хороши для ближней и дальней радиосвязи, но обладают малой вместимостью;

короткие волны - отражаются от поверхности и обладают большей вместимостью, используются для дальней радиосвязи;

УКВ - распространяются только в зоне прямой видимости, используются для радиосвязи и в телевидении;

ИКИ - применяются для всякого рода тепловых приборов;

видимый свет - используется во всех оптических приборах;

УФИ - применяется в медицине;

Рентгеновское излучение используется вмедицине и в приборах контроля качества изделий;

гамма-лучи - колебания поверхности нуклонов, входящих в состав ядра. используются в парамагнитном резонансе для определения состава и структуры вещества.

2. Изменение полей при движении объектов. Эффект Доплера и его применение в технике

При движении объекта в каком-либо силовом поле - электрическом, магнитном или электромагнитном восприятие им действий этого поля изменяется. Это связано с тем, что взаимодействие объекта и поля зависит от относительной скорости движения материи поля и объекта, а поэтому не остается постоянной величиной. Наиболее ярко это проявляется в так называемом доплеровском эффекте.

Эффект Доплера - изменение частоты колебаний и длины волны, воспринимаемых приемником колебаний вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Основная причина эффекта - изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником И приемником.

Доплеровский эффект для звуковых волн наблюдается непосредственно. Он проявляется в повышении тона (частоты) звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются и соответственно в понижения тона звука, когда они удаляются.

Доплеровский эффект нашел применение для определения скорости движения объектов - при определении скорости движущейся автомашины, при измерении скорости самолетов, при измерении скоростей сближения или удаления самолетов друг от друга.

В первом случае регулировщик направляет луч переносного радиолокатора навстречу автомашине, и по разности частот посланного и отраженного луча определяет ее скорость.

Во втором случае сам Доплеровский измеритель составляющих скорости устанавливается непосредственно на самолете. Излучаются наклонно вниз три или четыре луча - влево вперед, вправо вперед, влево назад и вправо назад. принимаемые частоты сигналов сравниваются с частотами излучаемых сигналов, разности частот дают представление о составляющей движения самолета по направлению луча, а далее пересчетом полученной информации с учетом положения лучей относительно самолета высчитываются скорость и угол сноса самолета.

В третьем случае в радиолокаторе, установленном на самолете, определяются не только дальность до другого самолета, как в обычных радиолокаторах, но еще и Доплеровский сдвиг частот, что позволяет не только знать расстояние до другого самолета (цели), но и его скорость. На фоне такой способ позволяет отличить движущуюся цель от неподвижной.

Применение эффекта Доплера совместно со спектрометрами в астрономии позволяет получать большой объем информации о поведении далеких от нас звездных объектов и образований.

Длины электромагнитных волн, которые могут быть зарегистрированы приборами, лежат в очень широком диапазоне. Все эти волны обладают общими свойствами: поглощение, отражение, интерференция, дифракция, дисперсия. Свойства эти могут, однако, проявляться по-разному. Различными являются источники и приемники волн.

Радиоволны

ν =10 5 - 10 11 Гц, λ =10 -3 -10 3 м.

Получают с помощью коле­бательных контуров и макро­скопических вибраторов. Свойства. Радиоволны различных ча­стот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. Применение Радиосвязь, телевидение, радиолокация. В природе радиоволны излучаются различными внеземными источниками (ядра галактик, квазары).

Инфракрасное излучение (тепловое)

ν =3-10 11 - 4 . 10 14 Гц, λ =8 . 10 -7 - 2 . 10 -3 м.

Излучается атомами и мо­лекулами вещества.

Инфракрасное излучение дают все тела при любой тем­пературе.

Человек излучает электро­магнитные волны λ≈9 . 10 -6 м.

Свойства

1. Проходит через некото­рые непрозрачные тела, а так­же сквозь дождь, дымку, снег.
2. Производит химическое действие на фотопластинки.
3. Поглощаясь веществом, нагревает его.
4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
5. Невидимо.

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):

Свойства . В оздействует на глаз.

(меньше, чем у фиолетового света)

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

Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, 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.

Рентгеновские лучи

Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 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 0,01 им). 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).

γ-излучение

Источники : атомное ядро (ядерные реакции). Свойства . Имеет огромную проникающую способность, оказывает силь­ное биологическое воздействие. Применение . В медицине, производстве (γ -дефектоскопия). Применение . В медицине, в промышленности.

Общим свойством электромагнитных волн является также то, 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.