Rentang frekuensi yang dipancarkan oleh gelombang elektromagnetik sangat besar. Ini ditentukan oleh semua frekuensi yang mungkin dari osilasi partikel bermuatan. Fluktuasi seperti itu terjadi dengan arus bolak-balik di saluran listrik, antena stasiun radio dan televisi, ponsel, radar, laser, lampu pijar dan neon, elemen radioaktif, mesin sinar-x. Rentang frekuensi gelombang elektromagnetik yang direkam pada saat ini berkisar dari 0 hingga 3*10 22 Hz. Rentang ini sesuai dengan spektrum (dari visi spektrum Latin, gambar) gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang bervariasi dari 10 - 14 m hingga tak terhingga. Panjang gelombang = c/ν, di mana c=3*108 m/s adalah kecepatan cahaya, dan adalah frekuensi. pada gambar. 1.1 menunjukkan spektrum gelombang elektromagnetik yang dipertimbangkan.
Beras. 1.1 Spektrum radiasi elektromagnetik
Gelombang radio dari frekuensi yang berbeda merambat secara berbeda di dalam Bumi dan di luar angkasa dan, oleh karena itu, menemukan berbagai aplikasi dalam komunikasi radio dan dalam penelitian ilmiah. Dengan mempertimbangkan karakteristik propagasi, pembangkitan, merupakan kebiasaan untuk membagi seluruh rentang gelombang radio menurut panjang gelombang (atau frekuensi) secara kondisional menjadi dua belas rentang. Pembagian gelombang radio ke dalam rentang dalam komunikasi radio ditetapkan oleh peraturan radio internasional. Setiap rentang sesuai dengan pita frekuensi dari 0,3*10 N hingga 3*10 N , di mana N adalah nomor rentang. Dalam rentang frekuensi tertentu N, hanya stasiun radio dalam jumlah terbatas yang tidak saling mengganggu yang dapat ditempatkan. Jumlah ini, yang disebut kapasitas saluran, didefinisikan sebagai:
m=(3*10N - 0,3*10N)/Δf
di mana f adalah pita frekuensi sinyal radio.
Biarkan bandwidth sinyal televisi analog (TV) menjadi 8 MHz, dengan mempertimbangkan celah penjaga, kami akan mengambil f=10 MHz, kemudian di pita meteran (N=8) jumlah saluran TV akan menjadi 27. Di bawah kondisi yang sama di pita desimeter, jumlah saluran akan meningkat menjadi 270. Ini adalah salah satu alasan utama keinginan untuk menguasai frekuensi yang semakin tinggi. Contoh pembagian rentang yang paling banyak digunakan dan area penggunaannya ditunjukkan pada Tabel 1.1.
| N | Penamaan | Bandwidth | Panjang gelombang, m | Nama rentang | Area aplikasi |
| 4 | VLF Frekuensi sangat rendah | 3…30 kHz | 10 5 …10 4 | Merimetri | Komunikasi di seluruh dunia dan jarak jauh. Navigasi radio. Komunikasi bawah air |
| 5 | LF frekuensi rendah | 30…300 kHz | 10 4 …10 3 | Kilometer | Komunikasi jarak jauh, stasiun referensi frekuensi dan waktu, siaran gelombang panjang |
| 6 | MF Frekuensi menengah | 300…3000 kHz | 10 3 …10 2 | Hektameter | Penyiaran lokal dan regional gelombang menengah. komunikasi kapal |
| 7 | HF frekuensi tinggi | 3…30MHz | 100…10 | Dekameter | Komunikasi jarak jauh dan siaran gelombang pendek |
| 8 | VHF frekuensi sangat tinggi | 30…300 MHz | 10…1 | Meter | Komunikasi dalam jarak pandang. Koneksi seluler. siaran TV dan FM. RRL |
| 9 | UHF frekuensi ultra tinggi | 300…3000 MHz | 1…0,1 | desimeter | VHF. Komunikasi dalam garis pandang dan komunikasi seluler. siaran televisi. RRL |
| 10 | gelombang mikro Frekuensi ultra tinggi | 3…30 GHz | 0,1…0,01 | sentimeter | VHF. RRL. Radar. Sistem komunikasi satelit |
| 11 | EHF Frekuensi tinggi ekstrim | 30…300 GHz | 0,01…0,001 | milimeter | VHF. Komunikasi antar-satelit dan komunikasi radio-telepon mikroselular |
Mari kita secara singkat mengkarakterisasi batas-batas rentang panjang gelombang (frekuensi) dalam spektrum gelombang elektromagnetik dalam rangka meningkatkan frekuensi radiasi, dan juga menunjukkan sumber utama radiasi dalam kisaran yang sesuai.
Gelombang frekuensi suara terjadi pada rentang frekuensi 0 sampai 2*10 4 Hz (λ = 1,5*10 4 m). Sumber gelombang frekuensi suara adalah arus bolak-balik dari frekuensi yang sesuai. Mengingat bahwa intensitas radiasi gelombang elektromagnetik sebanding dengan pangkat empat frekuensi, radiasi frekuensi yang relatif rendah tersebut dapat diabaikan. Karena alasan inilah emisi saluran AC 50 Hz sering kali dapat diabaikan.
Gelombang radio menempati rentang frekuensi 2*10 4 - 10 9 Hz (λ = 0,3 - 1,5*10 4 m). Sumber gelombang radio, serta gelombang frekuensi suara, adalah arus bolak-balik. Namun, frekuensi gelombang radio yang tinggi dibandingkan dengan gelombang frekuensi suara menyebabkan radiasi gelombang radio yang nyata ke ruang sekitarnya. Ini memungkinkan mereka untuk digunakan untuk mengirimkan informasi melalui jarak yang cukup jauh (penyiaran, televisi (TV)), radar, navigasi radio, sistem kontrol radio, saluran relai radio (RRL), sistem komunikasi seluler, sistem komunikasi seluler profesional - sistem trunking, sistem komunikasi satelit bergerak, sistem komunikasi telepon nirkabel (radio extender), dll.
Radiasi gelombang mikro, atau radiasi gelombang mikro, terjadi pada rentang frekuensi 10 9 - 3 * 10 n Hz (λ = 1 mm - 0,3 m). Sumber radiasi gelombang mikro adalah perubahan arah putaran elektron valensi suatu atom atau kecepatan rotasi molekul suatu zat. Mengingat transparansi atmosfer dalam kisaran ini, radiasi gelombang mikro digunakan untuk komunikasi ruang angkasa. Selain itu, radiasi ini digunakan dalam oven microwave rumah tangga.
Radiasi inframerah (IR) menempati rentang frekuensi 3*10 11 - 3,85*10 14 Hz (λ = 780 nm - 1 mm). Radiasi IR ditemukan pada tahun 1800 oleh astronom Inggris William Herschel. Mempelajari kenaikan suhu termometer yang dipanaskan oleh cahaya tampak, Herschel menemukan pemanasan terbesar termometer di luar wilayah cahaya tampak (di luar wilayah merah). Radiasi tak terlihat, mengingat tempatnya dalam spektrum, disebut inframerah.
Sumber radiasi inframerah adalah osilasi dan rotasi molekul materi, oleh karena itu, gelombang elektromagnetik IR memancarkan benda yang dipanaskan, molekul yang bergerak sangat intensif. Radiasi IR sering disebut sebagai radiasi termal. Sekitar 50% energi matahari dipancarkan dalam inframerah. Intensitas radiasi maksimum tubuh manusia jatuh pada panjang gelombang 10 mikron. Ketergantungan intensitas radiasi IR pada suhu memungkinkan untuk mengukur suhu berbagai objek, yang digunakan dalam perangkat penglihatan malam, serta saat mendeteksi formasi asing dalam pengobatan. Remote control TV dan VCR dilakukan dengan menggunakan radiasi infra merah.
Rentang ini digunakan untuk mengirimkan informasi melalui serat kuarsa optik. Mari kita perkirakan, seperti untuk gelombang radio, lebar jangkauan optik.
Biarkan rentang optik berubah dari 1 = 1200 nm menjadi 2 = 1620 nm. Mengetahui nilai kecepatan cahaya dalam ruang hampa c \u003d 2.997 * 108 m / s, (dibulatkan 3 * 108 m / s) dari rumus f=c/λ, untuk 1 dan 2 masing-masing diperoleh f1 = 250 THz dan f2 = 185 THz. Oleh karena itu, interval antar frekuensi F = f1 - f2 = 65 THz. Sebagai perbandingan: seluruh rentang frekuensi dari rentang audio hingga frekuensi atas rentang gelombang mikro hanya 30 GHz, dan gelombang mikro ultra 300 GHz, mis. 2000 - 200 kali lebih kecil dari optik.
Cahaya tampak adalah satu-satunya rentang gelombang elektromagnetik yang dirasakan oleh mata manusia. Gelombang cahaya menempati rentang yang cukup sempit: 380-780 nm (λ = 3,85 * 10 14 - 7,89 * 10 14 Hz).
Sumber cahaya tampak adalah elektron valensi dalam atom dan molekul yang mengubah posisinya di ruang angkasa, serta muatan bebas yang bergerak dengan laju yang dipercepat. Bagian spektrum ini memberi seseorang informasi maksimum tentang dunia di sekitarnya. Dalam hal sifat fisiknya, ia mirip dengan rentang spektrum lainnya, karena hanya sebagian kecil dari spektrum gelombang elektromagnetik. Sensitivitas maksimum mata manusia jatuh pada panjang gelombang = 560 nm. Panjang gelombang ini juga menjelaskan intensitas maksimum radiasi matahari dan pada saat yang sama transparansi maksimum atmosfer bumi.
Untuk pertama kalinya, sumber cahaya buatan diterima oleh ilmuwan Rusia A.N. Lodygin pada tahun 1872, melewatkan arus listrik melalui batang karbon yang ditempatkan di bejana tertutup dari mana udara dievakuasi, dan pada tahun 1879 penemu Amerika T.A. Edison menciptakan desain lampu pijar yang cukup tahan lama dan nyaman.
Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, mulai dari gelombang radio hingga sinar gamma. Semua jenis sinar elektromagnetik merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dan berbeda satu sama lain hanya dalam panjang gelombangnya.
Spektroskopi 1859
1864 persamaan Maxwell
1864 JANGKAUAN
RADIASI ELEKTROMAGNETIK
1900 radiasi
tubuh hitam
Setelah munculnya persamaan Maxwell, menjadi jelas bahwa mereka memprediksi keberadaan fenomena alam yang tidak diketahui sains - gelombang elektromagnetik transversal, yang merupakan osilasi medan listrik dan magnet yang saling berhubungan yang merambat di ruang angkasa dengan kecepatan cahaya. James Clark Maxwell sendiri adalah orang pertama yang menunjukkan kepada komunitas ilmiah konsekuensi dari sistem persamaan yang diturunkannya. Dalam pembiasan ini, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa ternyata menjadi konstanta universal yang penting dan mendasar sehingga ditentukan oleh huruf c terpisah, berbeda dengan semua kecepatan lainnya, yang biasanya dilambangkan dengan huruf v.
Setelah membuat penemuan ini, Maxwell segera menentukan bahwa cahaya tampak "hanya" berbagai gelombang elektromagnetik. Pada saat itu, panjang gelombang cahaya di bagian spektrum yang terlihat diketahui - dari 400 nm (sinar ungu) hingga 800 nm (sinar merah). (Nanometer adalah satuan panjang yang sama dengan sepersejuta meter, yang terutama digunakan dalam fisika atom dan sinar; 1 nm = 10 -9 m.) Semua warna pelangi sesuai dengan panjang gelombang berbeda yang terletak di dalam batas yang sempit. Namun, persamaan Maxwell tidak membatasi kemungkinan kisaran panjang gelombang elektromagnetik. Ketika menjadi jelas bahwa gelombang elektromagnetik dengan panjang yang sangat berbeda harus ada, pada kenyataannya, perbandingan segera diajukan tentang fakta bahwa mata manusia membedakan pita panjang dan frekuensi yang sedemikian sempit: seseorang disamakan dengan pendengar konser simfoni, yang pendengarannya hanya mampu menangkap bagian biola, tidak membedakan semua suara lainnya.
Tak lama setelah prediksi Maxwell tentang keberadaan gelombang elektromagnetik dalam rentang spektrum lain, serangkaian penemuan menyusul, membenarkan kebenarannya. Gelombang radio pertama kali ditemukan pada tahun 1888 oleh fisikawan Jerman Heinrich Hertz (1857-1894). Satu-satunya perbedaan antara gelombang radio dan cahaya adalah bahwa panjang gelombang radio dapat berkisar dari beberapa desimeter hingga ribuan kilometer. Menurut teori Maxwell, penyebab gelombang elektromagnetik adalah pergerakan muatan listrik yang dipercepat. Osilasi elektron di bawah pengaruh tegangan listrik bolak-balik di antena pemancar radio menciptakan gelombang elektromagnetik yang merambat di atmosfer bumi. Semua jenis gelombang elektromagnetik lainnya juga muncul sebagai akibat dari berbagai jenis pergerakan muatan listrik yang dipercepat.
Seperti gelombang cahaya, gelombang radio dapat melakukan perjalanan jarak jauh melalui atmosfer bumi tanpa kehilangan, menjadikannya pembawa informasi terkode yang paling berguna. Sudah pada awal tahun 1894 - hanya lebih dari lima tahun setelah penemuan gelombang radio - fisikawan Italia Gul-elmo Marconi (1874-1937) merancang
10" 10" 10* 10" 1
10 10* 10*
1SG 5 10* 10"" 10^ 10*
- Sinar-X 10""
sinar - 10 -i*
- 10""
- 10"
- 1(G"
- 1<Г"
sinar gamma
Gelombang elektromagnetik membentuk spektrum panjang gelombang dan energi (frekuensi) yang berkesinambungan, dibagi menjadi rentang bersyarat - dari gelombang radio hingga sinar gamma
telegraf nirkabel pertama yang berfungsi - prototipe radio modern - di mana ia dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1909.
Setelah keberadaan gelombang elektromagnetik di luar spektrum tampak, yang diprediksi oleh persamaan Maxwell, pertama kali dikonfirmasi secara eksperimental, relung spektrum yang tersisa terisi dengan sangat cepat. Hari ini, gelombang elektromagnetik dari semua rentang tanpa kecuali ditemukan, dan hampir semuanya menemukan aplikasi yang luas dan berguna dalam sains dan teknologi. Frekuensi gelombang dan energi kuanta radiasi elektromagnetik yang sesuai (lihat konstanta batang) meningkat dengan menurunnya panjang gelombang. Totalitas semua gelombang elektromagnetik membentuk apa yang disebut spektrum radiasi elektromagnetik kontinu. Ini dibagi menjadi rentang berikut (dalam urutan peningkatan frekuensi dan penurunan panjang gelombang):
gelombang radio
Seperti yang telah dicatat, panjang gelombang radio dapat bervariasi secara signifikan - dari beberapa sentimeter hingga ratusan dan bahkan ribuan kilometer, yang sebanding dengan jari-jari bola dunia (sekitar 6400 km). Gelombang dari semua pita radio banyak digunakan dalam teknologi - gelombang desimeter dan ultrashort meter digunakan untuk siaran televisi dan radio dalam gelombang ultrashort termodulasi frekuensi (VHF / BYU), memberikan penerimaan sinyal berkualitas tinggi dalam zona perambatan gelombang langsung. Gelombang radio dari jarak meter dan kilometer digunakan untuk penyiaran dan komunikasi radio jarak jauh menggunakan modulasi amplitudo (AM), yang, meskipun dengan mengorbankan kualitas sinyal, memastikan transmisinya melalui jarak jauh yang sewenang-wenang di dalam Bumi karena pantulan dari gelombang dari ionosfer planet. Namun, saat ini jenis komunikasi ini menjadi ketinggalan zaman karena perkembangan komunikasi satelit. Gelombang dengan rentang desimeter tidak dapat mengelilingi cakrawala bumi seperti gelombang meter, yang membatasi area penerimaan ke area propagasi langsung, yang, tergantung pada ketinggian antena dan kekuatan pemancar, berkisar dari beberapa hingga beberapa puluh kilometer. . Dan di sini repeater satelit datang untuk menyelamatkan, mengambil peran sebagai reflektor gelombang radio, yang dimainkan ionosfer dalam kaitannya dengan gelombang meter.
gelombang mikro
Gelombang mikro dan gelombang radio dalam rentang microwave (SHF) memiliki panjang 300 mm hingga 1 mm. Gelombang sentimeter, seperti gelombang radio desimeter dan meter, praktis tidak diserap oleh atmosfer dan oleh karena itu banyak digunakan di satelit.
kovoy dan komunikasi seluler dan sistem telekomunikasi lainnya. Ukuran parabola khas hanya sama dengan beberapa panjang gelombang gelombang tersebut.
Gelombang mikro yang lebih pendek juga memiliki banyak aplikasi di industri dan di rumah. Cukuplah untuk menyebutkan oven microwave, yang saat ini dilengkapi dengan toko roti industri dan dapur rumah. Pengoperasian oven microwave didasarkan pada rotasi cepat elektron dalam perangkat yang disebut klystron. Akibatnya, elektron memancarkan gelombang mikro elektromagnetik dengan frekuensi tertentu, di mana mereka mudah diserap oleh molekul air. Saat Anda memasukkan makanan ke dalam microwave, molekul air dalam makanan menyerap energi gelombang mikro, bergerak lebih cepat, dan dengan demikian memanaskan makanan. Dengan kata lain, tidak seperti oven atau oven konvensional, di mana makanan dipanaskan dari luar, oven microwave memanaskannya dari dalam.
sinar infra merah
Bagian dari spektrum elektromagnetik ini mencakup radiasi dengan panjang gelombang dari 1 milimeter hingga delapan ribu diameter atom (sekitar 800 nm). Seseorang merasakan sinar bagian spektrum ini langsung dengan kulit - sebagai panas. Jika Anda merentangkan tangan ke arah api atau benda merah-panas dan merasakan panas yang memancar darinya, Anda merasakan radiasi infra merah sebagai panas. Beberapa hewan (misalnya, ular beludak penggali) bahkan memiliki organ sensorik yang memungkinkan mereka menemukan mangsa berdarah panas dengan radiasi infra merah dari tubuhnya.
Karena sebagian besar objek di permukaan bumi memancarkan energi dalam rentang panjang gelombang inframerah, detektor inframerah memainkan peran penting dalam teknologi deteksi modern. Lensa mata inframerah dari perangkat penglihatan malam memungkinkan orang untuk "melihat dalam gelap", dan dengan bantuan mereka dimungkinkan untuk mendeteksi tidak hanya orang, tetapi juga peralatan dan struktur yang memanas di siang hari dan mengeluarkan panasnya ke lingkungan di malam dalam bentuk sinar infra merah. Detektor inframerah banyak digunakan oleh layanan penyelamatan, misalnya, untuk mendeteksi orang yang hidup di bawah reruntuhan setelah gempa bumi atau bencana alam dan buatan manusia lainnya.
cahaya tampak
Seperti yang telah disebutkan, panjang gelombang gelombang elektromagnetik dalam rentang cahaya tampak berkisar dari delapan hingga empat ribu diameter atom (800-400 nm). Mata manusia adalah alat yang ideal untuk merekam dan menganalisis gelombang elektromagnetik dalam kisaran ini. Ini karena dua alasan. Pertama, sebagaimana dicatat, gelombang dari bagian spektrum yang terlihat merambat secara praktis tanpa hambatan di atmosfer yang transparan bagi mereka. Kedua, suhu permukaan Matahari (sekitar 5000 °C) sedemikian rupa sehingga puncak energi matahari berada di bagian spektrum yang terlihat. Jadi, sumber energi utama kita memancarkan sejumlah besar energi dalam rentang cahaya tampak, dan lingkungan di sekitar kita sebagian besar transparan terhadap radiasi ini. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa mata manusia dalam proses evolusi dibentuk sedemikian rupa untuk menangkap dan mengenali bagian khusus dari spektrum gelombang elektromagnetik ini.
Saya ingin menekankan sekali lagi bahwa tidak ada yang istimewa dari sudut pandang fisik dalam kisaran sinar elektromagnetik yang terlihat. Ini hanya strip sempit dalam spektrum gelombang yang dipancarkan (lihat gambar). Bagi kami, ini sangat penting hanya sejauh otak manusia dilengkapi dengan alat untuk mendeteksi dan menganalisis gelombang elektromagnetik di bagian spektrum tertentu.
Sinar ultraviolet
Sinar ultraviolet termasuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang dari beberapa ribu hingga beberapa diameter atom (400-10 nm). Di bagian spektrum ini, radiasi mulai mempengaruhi aktivitas vital organisme hidup. Sinar ultraviolet lembut dalam spektrum matahari (dengan panjang gelombang mendekati bagian spektrum yang terlihat), misalnya, menyebabkan penyamakan dalam dosis sedang, dan luka bakar parah secara berlebihan. Ultraviolet keras (panjang gelombang pendek) berbahaya bagi sel biologis dan oleh karena itu digunakan, khususnya, dalam pengobatan untuk mensterilkan instrumen bedah dan peralatan medis, membunuh semua mikroorganisme di permukaannya.
Semua kehidupan di Bumi dilindungi dari efek berbahaya radiasi ultraviolet keras oleh lapisan ozon atmosfer bumi, yang menyerap sebagian besar sinar ultraviolet keras dalam spektrum radiasi matahari (lihat lubang ozon). Jika bukan karena perisai alami ini, kehidupan di Bumi hampir tidak akan datang ke daratan dari perairan lautan. Namun, terlepas dari lapisan ozon pelindung, beberapa sinar ultraviolet yang keras mencapai permukaan bumi dan dapat menyebabkan kanker kulit, terutama pada orang yang secara alami rentan terhadap pucat dan tidak berjemur dengan baik di bawah sinar matahari.
sinar X
Radiasi dalam rentang panjang gelombang dari beberapa diameter atom sampai beberapa ratus diameter inti atom disebut sinar-x. Sinar-X menembus jaringan lunak tubuh dan karena itu sangat diperlukan dalam diagnosis medis.
kutu. Seperti dalam kasus gelombang radio, jarak waktu antara penemuan mereka pada tahun 1895 dan awal penerapan praktis, yang ditandai dengan penerimaan sinar-x pertama di salah satu rumah sakit di Paris, adalah hitungan tahun. (Sangat menarik untuk dicatat bahwa surat kabar Paris pada waktu itu begitu asyik dengan gagasan bahwa sinar-X dapat menembus pakaian sehingga mereka hampir tidak melaporkan apa pun tentang aplikasi medis unik mereka.)
sinar gamma
Panjang gelombang terpendek dan sinar frekuensi dan energi tertinggi dalam spektrum elektromagnetik adalah sinar-y (sinar gamma). Mereka terdiri dari foton berenergi sangat tinggi dan saat ini digunakan dalam onkologi untuk mengobati tumor kanker (atau lebih tepatnya, untuk membunuh sel kanker). Namun, efeknya pada sel hidup sangat merusak sehingga harus sangat berhati-hati agar tidak merusak jaringan dan organ sehat di sekitarnya.
Sebagai kesimpulan, penting untuk ditekankan sekali lagi bahwa, meskipun semua jenis radiasi elektromagnetik yang dijelaskan di atas memanifestasikan dirinya secara lahiriah dengan cara yang berbeda, pada dasarnya mereka adalah kembar. Semua gelombang elektromagnetik di bagian spektrum mana pun adalah osilasi transversal medan listrik dan magnet yang merambat dalam ruang hampa atau dalam medium, semuanya merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya c dan berbeda satu sama lain hanya dalam panjang gelombangnya dan, sebagai akibatnya , dalam energi yang mereka bawa. Tinggal menambahkan bahwa batas-batas rentang yang saya sebutkan bersifat agak sewenang-wenang (dan di buku-buku lain kemungkinan besar Anda akan menemukan nilai-nilai yang sedikit berbeda dari panjang gelombang batas). Secara khusus, radiasi gelombang mikro dengan panjang gelombang yang panjang sering dan tepat disebut sebagai gelombang radio gelombang mikro. Tidak ada batasan yang jelas antara sinar ultraviolet keras dan sinar-X lunak, dan antara sinar-X keras dan radiasi gamma lunak.
Spektroskopi
Keberadaan atom unsur kimia dalam suatu zat dapat diketahui dengan adanya garis-garis karakteristik pada spektrum emisi atau serapan
Sifat radiasi elektromagnetik. Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda memiliki beberapa perbedaan, tetapi semuanya, dari gelombang radio hingga radiasi gamma, memiliki sifat fisik yang sama. Semua jenis radiasi elektromagnetik, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, menunjukkan sifat-sifat interferensi, difraksi, dan karakteristik polarisasi gelombang. Pada saat yang sama, semua jenis radiasi elektromagnetik menunjukkan sifat kuantum pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil.
Umum untuk semua radiasi elektromagnetik adalah mekanisme kemunculannya: gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang apa pun dapat terjadi selama pergerakan muatan listrik yang dipercepat atau selama transisi molekul, atom, atau inti atom dari satu keadaan kuantum ke keadaan kuantum lainnya. Osilasi harmonik muatan listrik disertai dengan radiasi elektromagnetik yang memiliki frekuensi sama dengan frekuensi osilasi muatan.
Gelombang radio. Dengan osilasi yang terjadi pada frekuensi dari 10 5 hingga 10 12 Hz, radiasi elektromagnetik terjadi, yang panjang gelombangnya berkisar dari beberapa kilometer hingga beberapa milimeter. Bagian skala radiasi elektromagnetik ini mengacu pada rentang gelombang radio. Gelombang radio digunakan untuk komunikasi radio, televisi, dan radar.
Radiasi infra merah. Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang kurang dari 1-2 mm, tetapi lebih besar dari 8 * 10 -7 m, mis. terletak di antara rentang gelombang radio dan rentang cahaya tampak disebut radiasi infra merah.
Wilayah spektrum di luar tepi merahnya pertama kali diselidiki secara eksperimental pada tahun 1800. Astronom Inggris William Herschel (1738-1822). Herschel menempatkan termometer bola hitam di luar ujung merah spektrum dan mendeteksi peningkatan suhu. Bola termometer dipanaskan oleh radiasi, tidak terlihat oleh mata. Radiasi ini disebut sinar infra merah.
Radiasi inframerah dipancarkan oleh benda yang dipanaskan. Sumber radiasi infra merah adalah kompor, pemanas air, lampu pijar listrik.
Dengan bantuan perangkat khusus, radiasi inframerah dapat diubah menjadi cahaya tampak dan gambar objek yang dipanaskan dapat diperoleh dalam kegelapan total. Radiasi inframerah digunakan untuk mengeringkan produk yang dicat, dinding bangunan, kayu.
cahaya tampak. Cahaya tampak (atau hanya cahaya) mencakup radiasi dengan panjang gelombang kira-kira 8*10-7 hingga 4*10-7 m, dari cahaya merah hingga ungu.
Pentingnya bagian dari spektrum radiasi elektromagnetik ini dalam kehidupan manusia sangat tinggi, karena seseorang menerima hampir semua informasi tentang dunia di sekitarnya dengan bantuan penglihatan.
Cahaya adalah prasyarat untuk pengembangan tanaman hijau dan, oleh karena itu, kondisi yang diperlukan untuk keberadaan kehidupan di Bumi.
Radiasi ultraviolet. Pada tahun 1801, fisikawan Jerman Johann Ritter (1776 - 1810), saat mempelajari spektrum, menemukan bahwa di luar tepi ungunya ada area yang diciptakan oleh sinar yang tidak terlihat oleh mata. Sinar ini mempengaruhi senyawa kimia tertentu. Di bawah aksi sinar tak kasat mata ini, penguraian perak klorida terjadi, kilau kristal seng sulfida dan beberapa kristal lainnya.
Radiasi elektromagnetik yang tidak terlihat oleh mata dan memiliki panjang gelombang lebih pendek dari cahaya ungu disebut radiasi ultraviolet. Radiasi ultraviolet termasuk radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang dari 4 * 10 -7 hingga 1 * 10 -8 m.
Radiasi ultraviolet mampu membunuh bakteri patogen, sehingga banyak digunakan dalam pengobatan. Radiasi ultraviolet dalam komposisi sinar matahari menyebabkan proses biologis yang menyebabkan penggelapan kulit manusia - terbakar sinar matahari.
Lampu pelepasan digunakan sebagai sumber radiasi ultraviolet dalam pengobatan. Tabung lampu semacam itu terbuat dari kuarsa, transparan terhadap sinar ultraviolet; oleh karena itu lampu ini disebut lampu kuarsa.
sinar X. Jika tegangan konstan beberapa puluh ribu volt diterapkan dalam tabung vakum antara katoda yang dipanaskan yang memancarkan elektron dan anoda, maka elektron pertama-tama akan dipercepat oleh medan listrik dan kemudian diperlambat secara tajam dalam zat anoda ketika berinteraksi dengan atomnya. Selama perlambatan elektron cepat dalam materi atau selama transisi elektron pada kulit bagian dalam atom, gelombang elektromagnetik muncul dengan panjang gelombang lebih pendek daripada radiasi ultraviolet. Radiasi ini ditemukan pada tahun 1895 oleh fisikawan Jerman Wilhelm Roentgen (1845-1923). Radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang dari 10 -14 hingga 10 -7 m disebut sinar-x.
Sinar-X tidak terlihat oleh mata. Mereka lewat tanpa penyerapan yang signifikan melalui lapisan material yang signifikan yang tidak tembus cahaya tampak. Sinar-X dideteksi oleh kemampuannya untuk menyebabkan cahaya tertentu dari kristal tertentu dan bekerja pada film fotografi.
Kemampuan sinar-X untuk menembus lapisan materi yang tebal digunakan untuk mendiagnosis penyakit pada organ dalam manusia. Dalam teknik, sinar-X digunakan untuk mengontrol struktur internal berbagai produk, lasan. Radiasi sinar-X memiliki efek biologis yang kuat dan digunakan untuk mengobati penyakit tertentu.
Radiasi gamma. Radiasi gamma disebut radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh inti atom yang tereksitasi dan timbul dari interaksi partikel elementer.
Radiasi gamma adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang terpendek (l < 10 -10 m). Fiturnya adalah sifat sel yang diucapkan. Oleh karena itu, radiasi gamma biasanya dianggap sebagai aliran partikel - sinar gamma. Dalam rentang panjang gelombang dari 10 -10 hingga 10 -14 dan rentang sinar-X dan radiasi gamma tumpang tindih, di daerah ini, sinar-X dan sinar gamma adalah identik di alam dan hanya berbeda dalam asal.
Jenis radiasi
radiasi termal – radiasi, di mana hilangnya energi oleh atom untuk emisi cahaya dikompensasi oleh energi gerakan termal atom (atau molekul) dari tubuh yang memancar. Sumber panasnya adalah matahari, lampu pijar, dll.
elektroluminesensi(dari luminescence Latin - "cahaya") - pelepasan dalam gas disertai dengan cahaya. Cahaya utara adalah manifestasi dari electroluminescence. Digunakan dalam tabung untuk prasasti iklan.
katodoluminesensi– pancaran padatan yang disebabkan oleh pemboman mereka oleh elektron. Berkat dia, layar tabung sinar katoda TV bersinar.
Kemiluminesensi– emisi cahaya dalam beberapa reaksi kimia dengan pelepasan energi. Hal ini dapat diamati pada contoh kunang-kunang dan organisme hidup lainnya yang memiliki sifat bercahaya.
Fotoluminesensi– pancaran benda-benda langsung di bawah aksi radiasi yang menimpanya. Contohnya adalah cat bercahaya yang menutupi dekorasi Natal, mereka memancarkan cahaya setelah disinari. Fenomena ini banyak digunakan pada lampu siang hari.
Agar atom mulai memancarkan, ia perlu mentransfer sejumlah energi. Dengan memancar, sebuah atom kehilangan energi yang telah diterimanya, dan untuk pancaran suatu zat secara terus-menerus, diperlukan aliran energi ke atom-atomnya dari luar.
spektrum
Spektrum Bergaris
Spektrum bergaris terdiri dari pita individu yang dipisahkan oleh celah gelap. Dengan bantuan yang sangat baik aparatus spektral, dapat ditemukan bahwa setiap pita adalah kumpulan dari sejumlah besar garis yang berjarak sangat dekat. Tidak seperti spektrum garis, spektrum bergaris diproduksi bukan oleh atom, tetapi oleh molekul yang tidak terikat atau terikat lemah satu sama lain.
Untuk mengamati spektrum molekul, serta untuk mengamati spektrum garis, biasanya menggunakan pancaran uap dalam nyala api atau pancaran pelepasan gas.
Analisis spektral
Analisis spektral adalah seperangkat metode untuk penentuan kualitatif dan kuantitatif komposisi suatu objek, berdasarkan studi spektrum interaksi materi dengan radiasi, termasuk spektrum radiasi elektromagnetik, gelombang akustik, distribusi massa dan energi elemen dasar. partikel, dll. Tergantung pada tujuan analisis dan jenis spektrum, beberapa metode analisis spektral dibedakan. Analisis spektral atom dan molekul memungkinkan untuk menentukan komposisi unsur dan molekul masing-masing zat. Dalam metode emisi dan penyerapan, komposisi ditentukan dari spektrum emisi dan serapan. Analisis spektrometri massa dilakukan dengan menggunakan spektrum massa ion atom atau molekul dan memungkinkan untuk menentukan komposisi isotop suatu objek. Alat spektral yang paling sederhana adalah spektrograf.
Skema perangkat spektrograf prisma
Cerita
Garis-garis gelap pada garis-garis spektral telah diketahui sejak lama (misalnya, mereka dicatat oleh Wollaston), tetapi studi serius pertama dari garis-garis ini dilakukan hanya pada tahun 1814 oleh Josef Fraunhofer. Efeknya dinamai Fraunhofer Lines untuk menghormatinya. Fraunhofer menetapkan stabilitas posisi garis, menyusun tabelnya (dia menghitung total 574 garis), menetapkan kode alfanumerik untuk masing-masing garis. Yang tidak kalah pentingnya adalah kesimpulannya bahwa garis-garis itu tidak terkait dengan bahan optik atau atmosfer bumi, tetapi merupakan karakteristik alami sinar matahari. Dia menemukan garis serupa dalam sumber cahaya buatan, serta dalam spektrum Venus dan Sirius.
Garis Fraunhofer
Untuk menguji metode ini pada tahun 1868, Akademi Ilmu Pengetahuan Paris mengadakan ekspedisi ke India, di mana gerhana matahari total akan datang. Di sana, para ilmuwan menemukan bahwa semua garis gelap pada saat gerhana, ketika spektrum emisi mengubah spektrum penyerapan korona matahari, menjadi, seperti yang diperkirakan, terang dengan latar belakang gelap.
Sifat masing-masing garis, hubungannya dengan unsur-unsur kimia secara bertahap dijelaskan. Pada tahun 1860, Kirchhoff dan Bunsen, menggunakan analisis spektral, menemukan cesium, dan pada tahun 1861, rubidium. Dan helium ditemukan di Matahari 27 tahun lebih awal daripada di Bumi (masing-masing 1868 dan 1895).
Prinsip operasi
Atom-atom dari setiap elemen kimia memiliki frekuensi resonansi yang ditentukan secara ketat, sebagai akibatnya pada frekuensi inilah mereka memancarkan atau menyerap cahaya. Ini mengarah pada fakta bahwa dalam spektroskop, garis-garis (gelap atau terang) terlihat pada spektrum di tempat-tempat tertentu yang menjadi ciri masing-masing zat. Intensitas garis tergantung pada jumlah materi dan keadaannya. Dalam analisis spektral kuantitatif, kandungan zat uji ditentukan oleh intensitas relatif atau absolut dari garis atau pita dalam spektrum.
Analisis spektral optik dicirikan oleh penerapan yang relatif mudah, tidak adanya persiapan sampel yang kompleks untuk analisis, dan sejumlah kecil zat (10–30 mg) yang diperlukan untuk analisis untuk sejumlah besar elemen. Spektrum atom (penyerapan atau emisi) diperoleh dengan mentransfer zat ke keadaan uap dengan memanaskan sampel hingga 1000-10000 °C. Sebagai sumber eksitasi atom dalam analisis emisi bahan konduktif, percikan, busur arus bolak-balik digunakan; sedangkan sampel ditempatkan di kawah salah satu elektroda karbon. Api atau plasma dari berbagai gas banyak digunakan untuk menganalisis larutan.
Spektrum radiasi elektromagnetik
Sifat radiasi elektromagnetik. Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda memiliki beberapa perbedaan, tetapi semuanya, dari gelombang radio hingga radiasi gamma, memiliki sifat fisik yang sama. Semua jenis radiasi elektromagnetik, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, menunjukkan sifat-sifat interferensi, difraksi, dan karakteristik polarisasi gelombang. Pada saat yang sama, semua jenis radiasi elektromagnetik menunjukkan sifat kuantum pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil.
Umum untuk semua radiasi elektromagnetik adalah mekanisme kemunculannya: gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang apa pun dapat terjadi selama pergerakan muatan listrik yang dipercepat atau selama transisi molekul, atom, atau inti atom dari satu keadaan kuantum ke keadaan kuantum lainnya. Osilasi harmonik muatan listrik disertai dengan radiasi elektromagnetik yang memiliki frekuensi sama dengan frekuensi osilasi muatan.
gelombang radio. Dengan osilasi yang terjadi pada frekuensi dari 10 5 hingga 10 12 Hz, radiasi elektromagnetik terjadi, yang panjang gelombangnya berkisar dari beberapa kilometer hingga beberapa milimeter. Bagian skala radiasi elektromagnetik ini mengacu pada rentang gelombang radio. Gelombang radio digunakan untuk komunikasi radio, televisi, dan radar.
Radiasi infra merah. Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang kurang dari 1-2 mm, tetapi lebih besar dari 8 * 10 -7 m, mis. terletak di antara rentang gelombang radio dan rentang cahaya tampak disebut radiasi infra merah.
Radiasi inframerah dipancarkan oleh benda yang dipanaskan. Sumber radiasi infra merah adalah kompor, pemanas air, lampu pijar listrik.
Dengan bantuan perangkat khusus, radiasi inframerah dapat diubah menjadi cahaya tampak dan gambar objek yang dipanaskan dapat diperoleh dalam kegelapan total. Radiasi inframerah digunakan untuk mengeringkan produk yang dicat, dinding bangunan, kayu.
cahaya tampak.Cahaya tampak (atau hanya cahaya) mencakup radiasi dengan panjang gelombang kira-kira 8*10 -7 hingga 4*10 -7 m, dari cahaya merah hingga ungu.
Pentingnya bagian dari spektrum radiasi elektromagnetik ini dalam kehidupan manusia sangat tinggi, karena seseorang menerima hampir semua informasi tentang dunia di sekitarnya dengan bantuan penglihatan. Cahaya adalah prasyarat untuk pengembangan tanaman hijau dan, oleh karena itu, kondisi yang diperlukan untuk keberadaan kehidupan di Bumi.
Radiasi ultraviolet. Pada tahun 1801, fisikawan Jerman Johann Ritter (1776 - 1810), ketika mempelajari spektrum, menemukan bahwa
Radiasi elektromagnetik yang tidak terlihat oleh mata dan memiliki panjang gelombang lebih pendek dari cahaya ungu disebut radiasi ultraviolet. Radiasi ultraviolet termasuk radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang dari 4 * 10 -7 hingga 1 * 10 -8 m.
Radiasi ultraviolet mampu membunuh bakteri patogen, sehingga banyak digunakan dalam pengobatan. Radiasi ultraviolet dalam komposisi sinar matahari menyebabkan proses biologis yang menyebabkan penggelapan kulit manusia - terbakar sinar matahari.
Lampu pelepasan digunakan sebagai sumber radiasi ultraviolet dalam pengobatan. Tabung lampu semacam itu terbuat dari kuarsa, transparan terhadap sinar ultraviolet; oleh karena itu lampu ini disebut lampu kuarsa.
Sinar X. Jika tegangan konstan beberapa puluh ribu volt diterapkan dalam tabung vakum antara katoda yang dipanaskan yang memancarkan elektron dan anoda, maka elektron pertama-tama akan dipercepat oleh medan listrik dan kemudian diperlambat secara tajam dalam zat anoda ketika berinteraksi dengan atomnya. Selama perlambatan elektron cepat dalam materi atau selama transisi elektron pada kulit bagian dalam atom, gelombang elektromagnetik muncul dengan panjang gelombang lebih pendek daripada radiasi ultraviolet. Radiasi ini ditemukan pada tahun 1895 oleh fisikawan Jerman Wilhelm Roentgen (1845-1923). Radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang dari 10 -14 hingga 10 -7 m disebut sinar-x.
Kemampuan sinar-X untuk menembus lapisan materi yang tebal digunakan untuk mendiagnosis penyakit pada organ dalam manusia. Dalam teknik, sinar-X digunakan untuk mengontrol struktur internal berbagai produk, lasan. Radiasi sinar-X memiliki efek biologis yang kuat dan digunakan untuk mengobati penyakit tertentu. Radiasi gamma. Radiasi gamma disebut radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh inti atom yang tereksitasi dan timbul dari interaksi partikel elementer.
Radiasi gamma- radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang terpendek (<10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.
Teori menunjukkan bahwa radiasi elektromagnetik terbentuk ketika muatan listrik bergerak tidak merata, dipercepat. Aliran muatan listrik yang bergerak seragam (bebas) tidak memancar. Tidak ada radiasi medan elektromagnetik untuk muatan yang bergerak di bawah aksi gaya konstan, misalnya, untuk muatan yang menggambarkan lingkaran dalam medan magnet.
Dalam gerakan osilasi, percepatannya terus berubah, sehingga osilasi muatan listrik mengeluarkan radiasi elektromagnetik. Selain itu, radiasi elektromagnetik akan terjadi selama deselerasi muatan yang tidak seragam secara tajam, misalnya, ketika berkas elektron menabrak penghalang (pembentukan berkas sinar-x). Dalam gerakan termal partikel yang kacau, radiasi elektromagnetik (radiasi termal) juga lahir. Riak
muatan nuklir mengarah pada penciptaan radiasi elektromagnetik, yang dikenal sebagai sinar-y. Sinar ultraviolet dan cahaya tampak dihasilkan oleh pergerakan elektron atom. Fluktuasi muatan listrik pada skala kosmik menyebabkan emisi radio dari benda langit.
Seiring dengan proses alam yang menciptakan radiasi elektromagnetik dari berbagai sifat, ada berbagai kemungkinan eksperimental untuk menciptakan radiasi elektromagnetik.
Karakteristik utama radiasi elektromagnetik adalah frekuensinya (jika kita berbicara tentang osilasi harmonik) atau pita frekuensi. Tentu saja salah untuk menghitung ulang frekuensi radiasi dengan panjang gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa menggunakan hubungan.
Intensitas radiasi sebanding dengan pangkat empat frekuensi. Oleh karena itu, radiasi frekuensi sangat rendah dengan panjang gelombang orde ratusan kilometer tidak terlacak. Rentang radio praktis dimulai, seperti diketahui, dengan panjang gelombang urutan besarnya, yang sesuai dengan frekuensi urutan panjang gelombang urutan yang disebut rentang tengah, puluhan meter sudah gelombang pendek. Gelombang ultrashort (VHF) membawa kita keluar dari jangkauan radio normal; panjang gelombang orde beberapa meter dan pecahan meter hingga sentimeter (yaitu, frekuensi orde digunakan di televisi dan radar.
Bahkan gelombang elektromagnetik yang lebih pendek diperoleh pada tahun 1924 oleh Glagoleva-Arkadyeva. Dia digunakan sebagai generator percikan listrik antara serbuk besi tersuspensi dalam minyak, dan diperoleh gelombang hingga 1000. Di sini, tumpang tindih dengan panjang gelombang radiasi termal sudah tercapai.
Area cahaya tampak sangat kecil: hanya menempati panjang gelombang dari cm hingga cm, diikuti oleh sinar ultraviolet, tidak terlihat oleh mata, tetapi sangat baik ditentukan oleh instrumen fisik. Ini adalah panjang gelombang dari cm ke cm.
Ultraviolet diikuti oleh sinar-x. Panjang gelombangnya dari cm sampai cm.Semakin pendek panjang gelombang, semakin lemah sinar-X yang diserap oleh zat. Panjang gelombang terpendek dan radiasi elektromagnetik penetrasi disebut sinar-y (panjang gelombang dari cm ke bawah).
Karakteristik dari setiap jenis radiasi elektromagnetik yang terdaftar akan lengkap jika pengukuran berikut dilakukan. Pertama-tama, dengan satu atau lain metode, radiasi elektromagnetik harus diuraikan menjadi spektrum. Dalam kasus cahaya, sinar ultraviolet dan radiasi infra merah, ini dapat dilakukan dengan pembiasan oleh prisma atau dengan melewatkan radiasi melalui kisi difraksi (lihat di bawah). Dalam kasus sinar-x dan sinar gamma, dekomposisi menjadi spektrum dicapai dengan refleksi dari kristal (lihat hal. 351). Ombak
jangkauan radio didekomposisi menjadi spektrum menggunakan fenomena resonansi.
Spektrum emisi yang dihasilkan dapat terus menerus atau berjajar, yaitu, dapat terus menerus mengisi pita frekuensi tertentu, dan juga dapat terdiri dari garis-garis tajam individu yang sesuai dengan interval frekuensi yang sangat sempit. Dalam kasus pertama, untuk mengkarakterisasi spektrum, perlu untuk mengatur kurva intensitas sebagai fungsi frekuensi (panjang gelombang), dalam kasus kedua, spektrum akan dijelaskan dengan mengatur semua garis yang ada di dalamnya, menunjukkan frekuensi dan intensitas.
Pengalaman menunjukkan bahwa radiasi elektromagnetik dengan frekuensi dan intensitas tertentu dapat berbeda dalam keadaan polarisasinya. Seiring dengan gelombang di mana vektor listrik berosilasi sepanjang garis tertentu (gelombang terpolarisasi linier), kita harus berurusan dengan radiasi di mana gelombang terpolarisasi linier berotasi terhadap satu sama lain tentang sumbu berkas ditumpangkan satu sama lain. Dengan karakterisasi radiasi yang lengkap, perlu untuk menunjukkan polarisasinya.
Perlu dicatat bahwa bahkan untuk osilasi elektromagnetik paling lambat, kita tidak dapat mengukur vektor listrik dan magnet dari gelombang. Gambar-gambar lapangan yang digambar di atas bersifat teoritis. Namun demikian, tidak ada keraguan tentang kebenarannya, mengingat kontinuitas dan integritas seluruh teori elektromagnetik.
Pernyataan bahwa satu atau lain jenis radiasi termasuk gelombang elektromagnetik selalu tidak langsung. Namun, jumlah konsekuensi yang timbul dari hipotesis sangat besar dan mereka sangat cocok satu sama lain sehingga hipotesis spektrum elektromagnetik telah lama memperoleh semua fitur realitas langsung.
