Seit Beginn ihrer Existenz ist die Erde der elektromagnetischen Strahlung der Sonne und des Kosmos ausgesetzt. Dabei treten in der Magnetosphäre und der Erdatmosphäre komplexe, miteinander verbundene Phänomene auf, die sich direkt auf die Lebewesen der Biosphäre und der Umwelt auswirken.
Im Laufe der Evolution haben sich lebende Organismen an den natürlichen Hintergrund von EMF angepasst. Aufgrund des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts nimmt der elektromagnetische Hintergrund der Erde derzeit jedoch nicht nur zu, sondern unterliegt auch qualitativen Veränderungen. Elektromagnetische Strahlungen mit solchen Wellenlängen sind aufgetaucht, die künstlichen Ursprungs sind, als Folge von menschengemachten Aktivitäten.
Zu den Hauptquellen von EMF anthropogenen Ursprungs gehören Fernseh- und Radarstationen, leistungsstarke funktechnische Anlagen, industrielle technologische Ausrüstung, Hochspannungsleitungen mit industrieller Frequenz, Thermowerkstätten, Plasma-, Laser- und Röntgenanlagen, Kern- und Kernreaktoren.
Die spektrale Intensität einiger technogener EMF-Quellen kann erheblich von dem evolutionär geformten natürlichen elektromagnetischen Hintergrund abweichen, an den Menschen und andere lebende Organismen gewöhnt sind.
Elektromagnetisches Feld ist eine Kombination aus zwei miteinander verbundenen Feldern: elektrisch und magnetisch .
Ein charakteristisches Merkmal des elektrischen Feldes ist, dass es auf eine elektrische Ladung (geladenes Teilchen) mit einer Kraft wirkt, die nicht von der Geschwindigkeit der Ladung abhängt.
Ein charakteristisches Merkmal des Magnetfelds (MF) ist, dass es auf bewegte elektrische Ladungen mit Kräften wirkt, die proportional zu den Geschwindigkeiten der Ladungen und senkrecht zu diesen Geschwindigkeiten gerichtet sind.
Elektromagnetische Wellen werden Störungen des sich im Raum ausbreitenden elektromagnetischen Feldes (d. h. eines elektromagnetischen Wechselfeldes) genannt.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum stimmt mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überein.
Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, das die Menschheit derzeit beherrscht, scheint ungewöhnlich breit zu sein: von mehreren tausend Metern bis zu 10 -12 cm.
Es ist heute bekannt, dass Radiowellen, Licht, infrarote und ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und g-Strahlung alle Wellen der gleichen elektromagnetischen Natur sind, die sich in der Wellenlänge l unterscheiden. Es gibt bestimmte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, in denen die Erzeugung und Registrierung von Wellen schwierig ist. Die langwelligen und kurzwelligen Enden des Spektrums sind nicht sehr streng definiert. Das Ausmaß der elektromagnetischen Strahlung ist in Abb. 1 dargestellt. 7.1.
Nr. 1 - 11 - Subbänder, die vom International Radiocommunication Advisory Committee (CCIR) festgelegt wurden. Auf Beschluss dieses Komitees beziehen sich die Teilbänder 5 bis 11 auf Funkwellen. Dem Mikrowellenbereich werden nach den Vorschriften des CCIR Wellen mit Frequenzen von 3-30 GHz zugeordnet. Es hat sich jedoch historisch unter dem Mikrowellenbereich entwickelt, Schwingungen mit einer Wellenlänge von 1 m bis 1 mm zu verstehen. Die Teilbereiche Nr. 1 - 4 charakterisieren die elektromagnetischen Felder industrieller Frequenzen.
Unter dem optischen Bereich in der Radiophysik, Optik, Quantenelektronik versteht man den Wellenlängenbereich von etwa Submillimeter bis zum fernen Ultraviolett. Der sichtbare Bereich ist ein kleiner Teil des optischen Bereichs. Die Grenzen der Übergänge von ultravioletter Strahlung, Röntgenstrahlung und g-Strahlung sind nicht genau festgelegt, entsprechen jedoch ungefähr den im Diagramm angegebenen Werten von l und n; g-Strahlung wandelt sich in Strahlung sehr hoher Energie um, die als kosmische Strahlung bezeichnet wird.
Trotz der gemeinsamen elektromagnetischen Natur unterscheidet sich jeder Bereich elektromagnetischer Schwingungen durch seine Erzeugungs- und Messtechnik.
In einem separaten Artikel angegeben;
Die Transparenz eines Stoffes für Gammastrahlen hängt im Gegensatz zu sichtbarem Licht nicht von der chemischen Form und dem Aggregatzustand des Stoffes ab, sondern hauptsächlich von der Ladung der Kerne, aus denen der Stoff besteht, und von der Energie der Gammastrahlen. Das Absorptionsvermögen einer Materieschicht für Gammastrahlen lässt sich daher in erster Näherung durch ihre Flächendichte (in g/cm²) charakterisieren. Lange Zeit glaubte man, dass die Herstellung von Spiegeln und Linsen für γ-Strahlen unmöglich sei, jedoch ist nach neuesten Forschungen auf diesem Gebiet die Brechung von γ-Strahlen möglich. Diese Entdeckung bedeutet vielleicht die Schaffung eines neuen Zweigs der Optik - der γ-Optik.
Es gibt keine scharfe Untergrenze für Gammastrahlung, aber es wird allgemein angenommen, dass Gammaquanten vom Kern emittiert werden und Röntgenquanten von der Elektronenhülle des Atoms emittiert werden (dies ist nur ein terminologischer Unterschied, der die physikalische Eigenschaften der Strahlung).
Röntgenstrahlung
- von 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) bis 0,01 nm = 0,1 Å (124.000 eV) - harte Röntgenstrahlen. Quellen: einige Kernreaktionen, Kathodenstrahlröhren.
- von 10 nm (124 eV) bis 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) - weiche Röntgenstrahlen. Quellen: Kathodenstrahlröhren, Plasmawärmestrahlung.
Röntgenquanten werden hauptsächlich bei Übergängen von Elektronen in der Elektronenhülle schwerer Atome zu tief liegenden Bahnen emittiert. Leerstellen in tief liegenden Umlaufbahnen werden normalerweise durch Elektroneneinschlag erzeugt. Auf diese Weise erzeugte Röntgenstrahlen haben ein Linienspektrum mit Frequenzen, die für ein bestimmtes Atom charakteristisch sind (siehe charakteristische Strahlung); dies ermöglicht insbesondere die Untersuchung der Zusammensetzung von Stoffen (Röntgenfluoreszenzanalyse). Thermische, Bremsstrahlung und Synchrotron-Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum.
Bei Röntgenstrahlen wird eine Beugung an Kristallgittern beobachtet, da die Wellenlängen elektromagnetischer Wellen bei diesen Frequenzen nahe an den Perioden von Kristallgittern liegen. Darauf basiert die Methode der Röntgenbeugungsanalyse.
UV-Strahlung
Bereich: 400 nm (3,10 eV) bis 10 nm (124 eV)
| Name | Abkürzung | Wellenlänge in Nanometer | Die Energiemenge pro Photon |
|---|---|---|---|
| Nahe | NUV | 400 - 300 | 3,10 - 4,13 eV |
| Durchschnitt | MUV | 300 - 200 | 4,13 - 6,20 eV |
| Weiter | FUV | 200 - 122 | 6,20 - 10,2 eV |
| Extrem | EUV, XUV | 121 - 10 | 10,2 - 124 eV |
| Vakuum | VUV | 200 - 10 | 6,20 - 124 eV |
| Ultraviolett A, lange Wellenlänge, Schwarzlicht | UVA | 400 - 315 | 3,10 - 3,94 eV |
| Ultraviolett B (mittlerer Bereich) | UVB | 315 - 280 | 3,94–4,43 eV |
| Ultraviolett C, Kurzwelle, keimtötender Bereich | UVC | 280 - 100 | 4,43 - 12,4 eV |
optische Strahlung
Strahlung des optischen Bereichs (sichtbares Licht und nahes Infrarot [ ]) durchdringt die Atmosphäre frei, kann in optischen Systemen leicht reflektiert und gebrochen werden. Quellen: Wärmestrahlung (einschließlich Sonne), Fluoreszenz, chemische Reaktionen, LEDs.
Die Farben der sichtbaren Strahlung, die der monochromatischen Strahlung entsprechen, werden als spektral bezeichnet. Das Spektrum und die Spektralfarben können gesehen werden, wenn ein schmaler Lichtstrahl durch ein Prisma oder ein anderes Brechungsmedium fällt. Traditionell wird das sichtbare Spektrum wiederum in Farbbereiche unterteilt:
| Farbe | Wellenlängenbereich, nm | Frequenzbereich, THz | Photonenenergiebereich, eV |
|---|---|---|---|
| Violett | 380-440 | 790-680 | 2,82-3,26 |
| Blau | 440-485 | 680-620 | 2,56-2,82 |
| Blau | 485-500 | 620-600 | 2,48-2,56 |
| Grün | 500-565 | 600-530 | 2,19-2,48 |
| Gelb | 565-590 | 530-510 | 2,10-2,19 |
| Orange | 590-625 | 510-480 | 1,98-2,10 |
| Rot | 625-740 | 480-405 | 1,68-1,98 |
Nahinfrarotstrahlung umfasst den Bereich von 207 THz (0,857 eV) bis 405 THz (1,68 eV). Die Obergrenze wird durch die Fähigkeit des menschlichen Auges bestimmt, Rot wahrzunehmen, die von Person zu Person unterschiedlich ist. Die Transparenz im nahen Infrarot entspricht in der Regel der Transparenz im sichtbaren Licht.
Infrarotstrahlung
Infrarotstrahlung ist zwischen sichtbarem Licht und Terahertzstrahlung angesiedelt. Bereich: 2000 µm (150 GHz) bis 740 nm (405 THz).
Die Transparenz eines Stoffes für Gammastrahlen hängt im Gegensatz zu sichtbarem Licht nicht von der chemischen Form und dem Aggregatzustand des Stoffes ab, sondern hauptsächlich von der Ladung der Kerne, aus denen der Stoff besteht, und von der Energie der Gammastrahlen. Daher kann die Aufnahmefähigkeit einer Materieschicht für Gammaquanten in erster Näherung durch ihre Oberflächendichte (in g/cm?) charakterisiert werden. Spiegel und Linsen für γ-Strahlen gibt es nicht.
Es gibt keine scharfe Untergrenze für Gammastrahlung, aber es wird allgemein angenommen, dass Gammaquanten vom Kern emittiert werden und Röntgenquanten von der Elektronenhülle des Atoms emittiert werden (dies ist nur ein terminologischer Unterschied, der die physikalische Eigenschaften der Strahlung).
2.2. Röntgenstrahlung
Röntgenquanten werden hauptsächlich bei Übergängen von Elektronen in der Elektronenhülle schwerer Atome zu niedrigeren Bahnen emittiert. Leerstellen in niedrigen Umlaufbahnen werden normalerweise durch Elektroneneinschlag erzeugt. Die so erzeugten Röntgenstrahlen haben ein Linienspektrum mit für ein bestimmtes Atom charakteristischen Frequenzen (siehe charakteristische Röntgenstrahlen), was insbesondere die Untersuchung der Zusammensetzung von Stoffen ermöglicht (Röntgenfluoreszenzanalyse). Thermische, Bremsstrahlung und Synchrotron-Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum.
Bei Röntgenstrahlen wird eine Beugung an Kristallgittern beobachtet, da die Wellenlängen elektromagnetischer Wellen bei diesen Frequenzen nahe an den Perioden von Kristallgittern liegen. Darauf basiert die Methode der Röntgenbeugungsanalyse.
2.3. UV-Strahlung
Bereich: 400 nm (3,10 eV) bis 10 nm (124 eV)
| Name | Abkürzung | Wellenlänge in Nanometer | Die Energiemenge pro Photon |
|---|---|---|---|
| Nahe | NUV | 400 - 300 | 3,10 - 4,13 eV |
| Durchschnitt | MUV | 300 - 200 | 4,13 - 6,20 eV |
| Weiter | FUV | 200 - 122 | 6,20 - 10,2 eV |
| Extrem | EUV, XUV | 121 - 10 | 10,2 - 124 eV |
| Vakuum | VUV | 200 - 10 | 6,20 - 124 eV |
| Ultraviolett A, lange Wellenlänge, Schwarzlicht | UVA | 400 - 315 | 3,10 - 3,94 eV |
| Ultraviolett B (mittlerer Bereich) | UVB | 315 - 280 | 3,94–4,43 eV |
| Ultraviolett C, Kurzwelle, keimtötender Bereich | UVC | 280 - 100 | 4,43 - 12,4 eV |
2.4. optische Strahlung
Strahlung im optischen Bereich (sichtbares Licht und nahe Infrarotstrahlung) durchdringt die Atmosphäre ungehindert, kann in optischen Systemen leicht reflektiert und gebrochen werden. Quellen: Wärmestrahlung (einschließlich Sonne), Fluoreszenz, chemische Reaktionen, LEDs.
Anders als im optischen Bereich erfolgt die Untersuchung des Spektrums im Funkbereich nicht durch physikalische Trennung von Wellen, sondern durch Signalverarbeitungsverfahren.
Das elektromagnetische Spektrum ist eine Reihe von Formen elektromagnetischer Strahlung, angeordnet nach der Größenordnung ihrer Frequenzen oder Wellenlängen (Abbildung 4).
Abbildung 4 - Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
Elektromagnetische Strahlung (elektromagnetische Wellen) ist eine Störung elektrischer und magnetischer Felder, die sich im Weltraum ausbreiten.
Bereiche der elektromagnetischen Strahlung
- 1 Radiowellen
- 2. Infrarot (thermisch)
- 3. Sichtbare Strahlung (optisch)
- 4. Ultraviolette Strahlung
- 5. Harte Strahlung
Als Hauptmerkmale der elektromagnetischen Strahlung gelten Frequenz und Wellenlänge. Die Wellenlänge hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung ab. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung im Vakuum ist gleich der Lichtgeschwindigkeit, in anderen Medien ist diese Geschwindigkeit geringer.
Die Merkmale elektromagnetischer Wellen aus schwingungstheoretischer und elektrodynamischer Sicht sind drei senkrecht zueinander stehende Vektoren: der Wellenvektor, der elektrische Feldstärkevektor E und der magnetische Feldstärkevektor H.
Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen (Scherwellen), bei denen die elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung schwingen, sie unterscheiden sich jedoch wesentlich von Wellen auf Wasser und von Schall dadurch, dass sie von einer Quelle zu einer übertragen werden können Empfänger in dieser Nummer und durch Vakuum.
Allen Strahlungsarten gemeinsam ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum von 300.000.000 Metern pro Sekunde.
Elektromagnetische Strahlung wird durch die Schwingungsfrequenz, die die Anzahl vollständiger Schwingungszyklen pro Sekunde angibt, oder durch die Wellenlänge, d. h. die Wellenlänge, gekennzeichnet. die Strecke, über die sich die Strahlung während einer Schwingung ausbreitet (für eine Schwingungsperiode).
Schwingungsfrequenz (f), Wellenlänge (l) und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung (c) sind durch die Beziehung miteinander verbunden:
Elektromagnetische Strahlung wird üblicherweise in Frequenzbereiche eingeteilt. Es gibt keine scharfen Übergänge zwischen den Bereichen, sie überlappen sich manchmal und die Grenzen zwischen ihnen sind bedingt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung konstant ist, hängt die Frequenz ihrer Schwingungen eng mit der Wellenlänge im Vakuum zusammen.
Ultrakurze Funkwellen werden üblicherweise in Meter, Dezimeter, Zentimeter, Millimeter und Submillimeter oder Mikrometer unterteilt. Wellen mit einer Länge l kleiner 1 m (Frequenz größer 300 MHz) werden gemeinhin auch als Mikrowellen oder Mikrowellen bezeichnet.
Infrarotstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die den Spektralbereich zwischen dem roten Ende des sichtbaren Lichts (mit einer Wellenlänge von 0,74 Mikrometer) und Mikrowellenstrahlung (1-2 mm) einnimmt.
Infrarotstrahlung nimmt den größten Teil des optischen Spektrums ein. Infrarotstrahlung wird auch als „thermische“ Strahlung bezeichnet, da alle Körper, fest und flüssig, die auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, Energie im Infrarotspektrum ausstrahlen. Dabei hängen die vom Körper emittierten Wellenlängen von der Erwärmungstemperatur ab: Je höher die Temperatur, desto kürzer die Wellenlänge und desto höher die Strahlungsintensität. Das Strahlungsspektrum eines absolut schwarzen Körpers bei relativ niedrigen (bis zu mehreren tausend Kelvin) Temperaturen liegt hauptsächlich in diesem Bereich.
Sichtbares Licht ist eine Kombination aus sieben Primärfarben: Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Indigo und Violett. Vor den roten Bereichen des Spektrums im optischen Bereich sind Infrarot und hinter dem Violett - Ultraviolett. Aber nicht Infrarot, nicht Ultraviolett sind für das menschliche Auge nicht sichtbar.
Sichtbare, infrarote und ultraviolette Strahlung bilden im weitesten Sinne des Wortes den sogenannten optischen Bereich des Spektrums. Die bekannteste Quelle optischer Strahlung ist die Sonne. Seine Oberfläche (Photosphäre) wird auf eine Temperatur von 6000 Grad erhitzt und erstrahlt in hellgelbem Licht. Dieser Ausschnitt aus dem Spektrum der elektromagnetischen Strahlung wird direkt von unseren Sinnen wahrgenommen.
Strahlung im optischen Bereich entsteht bei Erwärmung von Körpern (Infrarotstrahlung wird auch als Wärmestrahlung bezeichnet) durch die thermische Bewegung von Atomen und Molekülen. Je heißer der Körper ist, desto höher ist die Frequenz seiner Strahlung. Bei einer gewissen Erwärmung beginnt der Körper im sichtbaren Bereich zu glühen (Glühen), zuerst rot, dann gelb und so weiter. Umgekehrt wirkt die Strahlung des optischen Spektrums thermisch auf Körper.
Neben Wärmestrahlung können auch chemische und biologische Reaktionen als Quelle und Empfänger optischer Strahlung dienen. Eine der bekanntesten chemischen Reaktionen, die der Empfänger optischer Strahlung ist, wird in der Fotografie verwendet.
Harte Balken. Die Grenzen der Bereiche von Röntgen- und Gammastrahlung lassen sich nur sehr bedingt bestimmen. Zur groben Orientierung kann angenommen werden, dass die Energie von Röntgenquanten im Bereich von 20 eV - 0,1 MeV liegt und die Energie von Gammaquanten mehr als 0,1 MeV beträgt.
Ultraviolette Strahlung (Ultraviolett, UV, UV) - elektromagnetische Strahlung, die den Bereich zwischen sichtbarer und Röntgenstrahlung einnimmt (380 - 10 nm, 7,9 x 1014 - 3 x 1016 Hz). Der Bereich wird bedingt in Nah- (380-200 nm) und Fern- oder Vakuum- (200-10 nm) Ultraviolett unterteilt. Letzteres wird so genannt, weil es von der Atmosphäre intensiv absorbiert und nur von Vakuumgeräten untersucht wird.
Langwellige ultraviolette Strahlung hat eine relativ geringe photobiologische Aktivität, kann jedoch eine Pigmentierung der menschlichen Haut verursachen und wirkt sich positiv auf den Körper aus. Die Strahlung dieses Teilbereichs ist in der Lage, die Lumineszenz bestimmter Substanzen hervorzurufen und wird daher zur Lumineszenzanalyse der chemischen Zusammensetzung von Produkten verwendet.
Mittelwellige ultraviolette Strahlung hat eine stärkende und therapeutische Wirkung auf lebende Organismen. Es ist in der Lage, Hautrötungen und Sonnenbrand zu verursachen, Vitamin D, das für Wachstum und Entwicklung notwendig ist, in eine assimilierbare Form im Körper von Tieren umzuwandeln, und hat eine starke Anti-Rachitis-Wirkung. Strahlung aus diesem Teilbereich ist für die meisten Pflanzen schädlich.
Die kurzwellige UV-Behandlung hat eine bakterizide Wirkung und wird daher häufig zur Desinfektion von Wasser und Luft sowie zur Desinfektion und Sterilisation verschiedener Geräte und Utensilien verwendet.
Die wichtigste natürliche Quelle ultravioletter Strahlung auf der Erde ist die Sonne. Das Verhältnis von UV-A- zu UV-B-Strahlungsintensität, also die Gesamtmenge an ultravioletter Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Künstliche Quellen ultravioletter Strahlung sind vielfältig. Heutzutage werden künstliche Quellen ultravioletter Strahlung in großem Umfang in der Medizin, in präventiven, sanitären und hygienischen Einrichtungen, in der Landwirtschaft usw. verwendet. deutlich größere Möglichkeiten als bei der Nutzung natürlicher UV-Strahlung.
Der Physiker Röntgen entdeckte noch kurzwelligere Strahlung. Ohne nachzudenken, wurden diese Strahlen nach Röntgen selbst benannt. Mit guter Durchdringungskraft hat Röntgenstrahlung Anwendung in der Medizin und Kristallographie gefunden. Wie Sie wahrscheinlich schon gehört haben, sind Röntgenstrahlen wiederum schädlich für lebende Organismen. Und die Atmosphäre der Erde ist ihnen aufgrund ihrer gerade erwähnten Einsicht kein Hindernis. Wir werden von der Magnetosphäre der Erde gerettet. Es verzögert viele gefährliche Strahlungen des Weltraums. Die Wellenlängen der Röntgenstrahlen liegen zwischen 0,1 A und 100 A.
Gammastrahlen haben die kürzesten Wellenlängen (weniger als 0,1 A). Dies ist die gefährlichste Art von Radioaktivität, die gefährlichste elektromagnetische Strahlung. Die Photonenenergie von Gammastrahlen ist sehr hoch, und ihre Emission erfolgt während einiger Prozesse innerhalb der Atomkerne. Ein Beispiel für einen solchen Prozess kann die Vernichtung sein – die gegenseitige Vernichtung eines Teilchens und eines Antiteilchens unter Umwandlung ihrer Masse in Energie. Registrierte, von Zeit zu Zeit mysteriöse Gammablitze am Himmel wurden von Astronomen noch nicht erklärt. Es ist klar, dass die Energie des blitzerzeugenden Phänomens einfach enorm ist. Einigen Schätzungen zufolge strahlt ein solcher Blitz für die Sekunden, die er dauert, mehr Energie aus als der Rest des Universums. Gammastrahlung wird nicht von ihrer Magnetosphäre auf die Erde übertragen.
Es gibt eine Reihe von Arten elektromagnetischer Strahlung, die von Radiowellen bis zu Gammastrahlen reichen. Elektromagnetische Strahlen aller Art breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus und unterscheiden sich nur in ihren Wellenlängen.
1859 Spektroskopie
1864 Maxwellsche Gleichungen
1864 ANGEBOT
ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG
1900 Strahlung
schwarzer Körper
Nach dem Aufkommen der Maxwell-Gleichungen wurde klar, dass sie die Existenz eines der Wissenschaft unbekannten Naturphänomens vorhersagen - elektromagnetische Querwellen, bei denen es sich um Schwingungen miteinander verbundener elektrischer und magnetischer Felder handelt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Weltraum ausbreiten. James Clark Maxwell selbst war der erste, der die wissenschaftliche Gemeinschaft auf diese Konsequenz aus dem von ihm abgeleiteten Gleichungssystem hingewiesen hat. Bei dieser Brechung stellte sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum als eine so wichtige und grundlegende universelle Konstante heraus, dass sie im Gegensatz zu allen anderen Geschwindigkeiten, die üblicherweise mit dem Buchstaben v bezeichnet werden, mit einem eigenen Buchstaben c bezeichnet wurde.
Nach dieser Entdeckung stellte Maxwell sofort fest, dass sichtbares Licht „nur“ eine Vielzahl elektromagnetischer Wellen ist. Zu diesem Zeitpunkt waren die Wellenlängen des Lichts im sichtbaren Teil des Spektrums bekannt - von 400 nm (violette Strahlen) bis 800 nm (rote Strahlen). (Ein Nanometer ist eine Längeneinheit gleich einem Milliardstel Meter, die hauptsächlich in der Atom- und Strahlenphysik verwendet wird; 1 nm = 10 -9 m.) Alle Farben des Regenbogens entsprechen unterschiedlichen Wellenlängen, die genau innerhalb dieser liegen enge Grenzen. Die Maxwell-Gleichungen enthielten jedoch keine Einschränkungen für den möglichen Bereich elektromagnetischer Wellenlängen. Als klar wurde, dass elektromagnetische Wellen sehr unterschiedlicher Länge existieren müssen, wurde tatsächlich sofort ein Vergleich darüber angestellt, dass das menschliche Auge ein so schmales Band ihrer Längen und Frequenzen unterscheidet: Eine Person wurde mit einem Zuhörer von a verglichen Symphoniekonzert, dessen Gehör in der Lage ist, nur eine Geigenstimme aufzunehmen und alle anderen Klänge nicht zu unterscheiden.
Kurz nach Maxwells Vorhersage der Existenz elektromagnetischer Wellen in anderen Bereichen des Spektrums folgte eine Reihe von Entdeckungen, die seine Richtigkeit bestätigten. Radiowellen waren die ersten, die 1888 von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857-1894) entdeckt wurden. Der einzige Unterschied zwischen Funkwellen und Licht besteht darin, dass Funkwellen eine Länge von wenigen Dezimetern bis zu Tausenden von Kilometern haben können. Nach Maxwells Theorie ist die Ursache elektromagnetischer Wellen die beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen. Schwingungen von Elektronen unter dem Einfluss einer elektrischen Wechselspannung in der Antenne eines Funksenders erzeugen elektromagnetische Wellen, die sich in der Erdatmosphäre ausbreiten. Auch alle anderen Arten elektromagnetischer Wellen entstehen durch verschiedene Arten beschleunigter Bewegung elektrischer Ladungen.
Funkwellen können wie Lichtwellen nahezu verlustfrei große Entfernungen durch die Erdatmosphäre zurücklegen, was sie zu den nützlichsten Trägern verschlüsselter Informationen macht. Bereits Anfang 1894 – etwas mehr als fünf Jahre nach der Entdeckung der Radiowellen – entwarf der italienische Ingenieur-Physiker Gul-elmo Marconi (1874-1937).
10" 10" 10* 10" 1
10 10* 10*
1SG5 10* 10"" 10^ 10*
- 10" Röntgen
Strahlen - 10 -i*
- 10""
- 10"
- 1(G"
- 1<Г"
gamma Strahlen
Elektromagnetische Wellen bilden ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen und Energien (Frequenzen), unterteilt in bedingte Bereiche - von Radiowellen bis zu Gammastrahlen
der erste funktionierende drahtlose Telegraf – der Prototyp des modernen Radios – für den er 1909 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.
Nachdem die durch die Maxwell-Gleichungen vorhergesagte Existenz elektromagnetischer Wellen außerhalb des sichtbaren Spektrums zunächst experimentell bestätigt wurde, füllten sich die verbleibenden Nischen des Spektrums sehr schnell. Heute sind ausnahmslos elektromagnetische Wellen aller Bereiche entdeckt, und fast alle finden breite und nützliche Anwendung in Wissenschaft und Technik. Die Frequenzen der Wellen und die Energien der entsprechenden Quanten elektromagnetischer Strahlung (siehe Balkenkonstante) nehmen mit abnehmender Wellenlänge zu. Die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen bildet das sogenannte kontinuierliche Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Sie ist in folgende Bereiche unterteilt (in der Reihenfolge steigender Frequenz und fallender Wellenlänge):
Radiowellen
Wie bereits erwähnt, können Funkwellen in ihrer Länge erheblich variieren - von einigen Zentimetern bis zu Hunderten und sogar Tausenden von Kilometern, was mit dem Radius der Erde (etwa 6400 km) vergleichbar ist. Wellen aller Funkbänder sind in der Technologie weit verbreitet - Dezimeter- und Ultrakurzmeterwellen werden für Fernseh- und Radiosendungen in den frequenzmodulierten Ultrakurzwellen (VHF / BYU) verwendet und bieten einen qualitativ hochwertigen Signalempfang innerhalb der Zone der direkten Wellenausbreitung. Funkwellen im Meter- und Kilometerbereich werden für den Rundfunk und die Funkkommunikation über große Entfernungen mittels Amplitudenmodulation (AM) verwendet, die zwar auf Kosten der Signalqualität, aber aufgrund der Reflexion über beliebig große Entfernungen innerhalb der Erde ihre Übertragung gewährleistet Wellen aus der Ionosphäre des Planeten. Heute gehört diese Art der Kommunikation jedoch aufgrund der Entwicklung der Satellitenkommunikation der Vergangenheit an. Wellen im Dezimeterbereich können den Erdhorizont nicht wie Meterwellen umrunden, was den Empfangsbereich auf ein direktes Ausbreitungsgebiet beschränkt, das je nach Antennenhöhe und Sendeleistung mehrere bis mehrere zehn Kilometer umfasst . Und hier kommen Satelliten-Repeater zur Rettung, die die Rolle von Funkwellenreflektoren übernehmen, die die Ionosphäre in Bezug auf Meterwellen spielt.
Mikrowelle
Mikrowellen und Radiowellen des Ultrahochfrequenzbereichs (SHF) haben eine Länge von 300 mm bis 1 mm. Zentimeterwellen werden wie Dezimeter- und Meter-Funkwellen praktisch nicht von der Atmosphäre absorbiert und werden daher häufig in Satelliten verwendet.
kovoy und zellulare Kommunikation und andere Telekommunikationssysteme. Die Größe einer typischen Satellitenschüssel entspricht gerade mehreren Wellenlängen solcher Wellen.
Auch kürzere Mikrowellen haben viele Anwendungen in der Industrie und im Haushalt. Es genügt, Mikrowellenöfen zu erwähnen, die heute sowohl in industriellen Bäckereien als auch in Haushaltsküchen ausgestattet sind. Der Betrieb eines Mikrowellenofens basiert auf der schnellen Rotation von Elektronen in einem Gerät namens Klystron. Dadurch senden die Elektronen elektromagnetische Mikrowellen einer bestimmten Frequenz aus, bei der sie leicht von Wassermolekülen absorbiert werden. Wenn Sie Lebensmittel in die Mikrowelle geben, absorbieren die Wassermoleküle in den Lebensmitteln die Energie der Mikrowellen, bewegen sich schneller und erhitzen so die Lebensmittel. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ofen oder Ofen, wo Lebensmittel von außen erhitzt werden, erwärmt ein Mikrowellenherd sie von innen.
Infrarotstrahlen
Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums umfasst Strahlung mit einer Wellenlänge von 1 Millimeter bis zu achttausend Atomdurchmessern (etwa 800 nm). Eine Person spürt die Strahlen dieses Teils des Spektrums direkt mit der Haut - als Wärme. Wenn Sie Ihre Hand in Richtung eines Feuers oder eines glühenden Gegenstands strecken und die davon ausgehende Wärme spüren, nehmen Sie Infrarotstrahlung als Wärme wahr. Einige Tiere (zum Beispiel Grabnottern) haben sogar Sinnesorgane, die es ihnen ermöglichen, warmblütige Beute durch Infrarotstrahlung ihres Körpers zu lokalisieren.
Da die meisten Objekte auf der Erdoberfläche Energie im infraroten Wellenlängenbereich emittieren, spielen Infrarotdetektoren eine wichtige Rolle in modernen Detektionstechnologien. Infrarot-Okulare von Nachtsichtgeräten ermöglichen Menschen das „Sehen im Dunkeln“, mit ihrer Hilfe ist es möglich, nicht nur Personen, sondern auch Geräte und Bauwerke zu erkennen, die sich tagsüber erhitzt haben und ihre Wärme an die Umgebung abgeben Nacht in Form von Infrarotstrahlen. Infrarotdetektoren werden häufig von Rettungsdiensten eingesetzt, um beispielsweise nach Erdbeben oder anderen Naturkatastrophen oder von Menschen verursachten Katastrophen lebende Menschen unter Trümmern zu erkennen.
sichtbares Licht
Wie bereits erwähnt, reichen die Wellenlängen elektromagnetischer Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts von acht- bis viertausend Atomdurchmessern (800-400 nm). Das menschliche Auge ist ein ideales Werkzeug, um elektromagnetische Wellen in diesem Bereich aufzuzeichnen und zu analysieren. Dies hat zwei Gründe. Erstens breiten sich, wie gesagt, die Wellen des sichtbaren Teils des Spektrums praktisch ungehindert in einer für sie transparenten Atmosphäre aus. Zweitens ist die Temperatur der Sonnenoberfläche (ca. 5000 °C) so, dass die Spitze der Sonnenenergie im sichtbaren Teil des Spektrums liegt. Unsere Hauptenergiequelle emittiert also eine riesige Energiemenge im Bereich des sichtbaren Lichts, und die Umgebung um uns herum ist für diese Strahlung weitgehend durchlässig. Es ist daher nicht verwunderlich, dass das menschliche Auge im Laufe der Evolution so geformt wurde, dass es diesen speziellen Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen erfassen und erkennen kann.
Ich möchte noch einmal betonen, dass im Bereich der sichtbaren elektromagnetischen Strahlung aus physikalischer Sicht nichts Besonderes ist. Es ist nur ein schmaler Streifen in einem breiten Spektrum emittierter Wellen (siehe Abbildung). Für uns ist es nur insofern so wichtig, als das menschliche Gehirn mit einem Werkzeug ausgestattet ist, um elektromagnetische Wellen dieses speziellen Teils des Spektrums zu erkennen und zu analysieren.
Ultraviolette Strahlung
Ultraviolette Strahlen umfassen elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehreren tausend bis mehreren Atomdurchmessern (400–10 nm). In diesem Teil des Spektrums beginnt die Strahlung, die Vitalaktivität lebender Organismen zu beeinflussen. Weiche ultraviolette Strahlen im Spektrum der Sonne (mit Wellenlängen, die sich dem sichtbaren Teil des Spektrums annähern) beispielsweise verursachen in moderaten Dosen Bräunung und in übermäßigen Dosen schwere Verbrennungen. Hartes (kurzwelliges) Ultraviolett ist schädlich für biologische Zellen und wird daher insbesondere in der Medizin zum Sterilisieren von chirurgischen Instrumenten und medizinischen Geräten verwendet, wobei alle Mikroorganismen auf ihrer Oberfläche abgetötet werden.
Alles Leben auf der Erde wird durch die Ozonschicht der Erdatmosphäre, die den größten Teil der harten UV-Strahlung im Sonnenstrahlungsspektrum absorbiert (siehe Ozonloch), vor den schädlichen Auswirkungen der harten UV-Strahlung geschützt. Ohne diesen natürlichen Schutzschild wäre das Leben auf der Erde kaum aus den Gewässern der Ozeane an Land gekommen. Trotz der schützenden Ozonschicht erreichen jedoch einige der harten ultravioletten Strahlen die Erdoberfläche und können Hautkrebs verursachen, insbesondere bei Menschen, die von Natur aus zu Blässe neigen und in der Sonne nicht gut braun werden.
Röntgenstrahlen
Als Röntgenstrahlung bezeichnet man Strahlung im Wellenlängenbereich von mehreren Atomdurchmessern bis zu mehreren hundert Durchmessern des Atomkerns. Röntgenstrahlen dringen in die Weichteile des Körpers ein und sind daher in der medizinischen Diagnostik unverzichtbar.
Tick. Wie bei den Radiowellen war der Zeitraum zwischen ihrer Entdeckung im Jahr 1895 und dem Beginn der praktischen Anwendung, gekennzeichnet durch den Erhalt der ersten Röntgenaufnahme in einem der Pariser Krankenhäuser, eine Frage von Jahren. (Es ist interessant festzustellen, dass die damaligen Pariser Zeitungen so in die Idee vertieft waren, dass Röntgenstrahlen Kleidung durchdringen könnten, dass sie praktisch nichts über ihre einzigartigen medizinischen Anwendungen berichteten.)
gamma Strahlen
Die Strahlen mit der kürzesten Wellenlänge und der höchsten Frequenz und Energie im elektromagnetischen Spektrum sind y-Strahlen (Gammastrahlen). Sie bestehen aus ultrahochenergetischen Photonen und werden heute in der Onkologie zur Behandlung von Krebstumoren (oder vielmehr zum Abtöten von Krebszellen) eingesetzt. Ihre Wirkung auf lebende Zellen ist jedoch so schädlich, dass äußerste Vorsicht geboten ist, um das umgebende gesunde Gewebe und die Organe nicht zu schädigen.
Abschließend ist noch einmal zu betonen, dass sich alle oben beschriebenen elektromagnetischen Strahlungen zwar unterschiedlich nach außen äußern, im Wesentlichen aber Zwillinge sind. Alle elektromagnetischen Wellen in jedem Teil des Spektrums sind Querschwingungen elektrischer und magnetischer Felder, die sich im Vakuum oder in einem Medium ausbreiten, sie breiten sich alle im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit c aus und unterscheiden sich nur in ihrer Wellenlänge und dadurch , in der Energie, die sie tragen. Bleibt nur hinzuzufügen, dass die Grenzen der von mir genannten Bereiche eher willkürlicher Natur sind (und in anderen Büchern werden Sie höchstwahrscheinlich auf etwas andere Werte der Grenzwellenlängen stoßen). Insbesondere Mikrowellenstrahlung mit langen Wellenlängen wird oft und zu Recht als Mikrowellen-Funkwellen bezeichnet. Es gibt keine klaren Grenzen zwischen hartem Ultraviolett und weicher Röntgenstrahlung sowie zwischen harter Röntgenstrahlung und weicher Gammastrahlung.
Spektroskopie
Das Vorhandensein von Atomen chemischer Elemente in einem Stoff kann durch das Vorhandensein charakteristischer Linien im Emissions- oder Absorptionsspektrum identifiziert werden
