Диапазон частот, излучаемых электромагнитными волнами, огромен. Он определяется всеми возможными частотами колебаний заряженных частиц. Такие колебания возникают при переменном токе в линиях электропередачи, антеннах радио- и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах, лазерах, лампах накаливания и люминесцентных лампах, радиоактивных элементах, рентгеновских аппаратах. Диапазон частот электромагнитных волн, фиксируемых в настоящее время, простирается от 0 до 3*10 22 Гц. Этот диапазон соответствует спектру (от лат. spectrum видение, образ) электромагнитных волн с длиной волны λ, изменяющейся от 10 - 14 м до бесконечности. Длина волны λ= c/ν, где c=3*10 8 м/с - скорость света, а ν - частота. На рис. 1.1 представлен рассматриваемый спектр электромагнитных волн.
Рис. 1.1 Спектр электромагнитного излучения
Радиоволны различных частот по-разному распространяются в пределах Земли и в космическом пространстве и в связи с этим находят различное применение в радиосвязи и в научных исследованиях. С учётом особенностей распространения, генерации весь диапазон радиоволн принято делить по длине волны (или частоте) условно на двенадцать диапазонов. Деление радиоволн на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи. Каждый диапазон соответствует полосе частот от 0,3*10 N до 3*10 N , где N номер диапазона. В заданном диапазоне частот N можно расположить лишь конечное число не мешающих друг другу радиостанций. Это число, называемое канальной емкостью, определяется как:
m=(3*10 N - 0.3*10 N)/Δf
где Δf - полоса частот радиосигнала.
Пусть ширина полосы частот аналогового телевизионного сигнала (TV) равна 8 МГц, с учетом защитных промежутков примем Δf=10 МГц, тогда в метровом диапазоне (N=8) число TV каналов будет 27. При тех же условиях в дециметровом диапазоне число каналов возрастет до 270. Это и является одной из главных причин стремления осваивать все более высокие частоты. Примеры деления наиболее используемых диапазонов и области их использования приведены в таблице 1.1.
| N | Обозначение | Полоса частот | Длина волны, м | Название диапазона | Область применения |
| 4 | ОНЧ Очень низкие частоты | 3…30 кГц | 10 5 …10 4 | Мериаметровый | Связь по всему миру и на большие расстояния. Радионавигация. Подводная связь |
| 5 | НЧ Низкие частоты | 30…300 кГц | 10 4 …10 3 | Километровый | Связь на большие расстояния, станции эталонных частот и времени, длинноволновое вещание |
| 6 | СЧ Средние частоты | 300…3000 кГц | 10 3 …10 2 | Гектаметровый | Средневолновое местное и региональное вещание. Судовая связь |
| 7 | ВЧ Высокие частоты | 3…30 МГц | 100…10 | Декаметровый | Связь на большие расстояния и коротковолновое вещание |
| 8 | ОВЧ Очень высокие частоты | 30…300 МГц | 10…1 | Метровый | Связь в пределах прямой видимости. Мобильная связь. Телевизионное и FM вещание. РРЛ |
| 9 | УВЧ Ультравысокие частоты | 300…3000 МГц | 1…0,1 | Дециметровый | УКВ. Cвязь в пределах прямой видимости и мобильная связь. Телевизионное вещание. РРЛ |
| 10 | СВЧ Сверхвысокие частоты | 3…30 ГГц | 0,1…0,01 | Сантиметровый | УКВ. РРЛ. Радиолокация. Спутниковые системы связи |
| 11 | КВЧ Крайневысокие частоты | 30…300 ГГц | 0,01…0,001 | Миллиметровый | УКВ. Межспутниковая связь и микросотовая радиотелефонная связь |
Охарактеризуем кратко границы диапазонов длин волн (частот) в спектре электромагнитных волн в порядке возрастания частоты излучения, а также укажем основные источники излучения в соответствующем диапазоне.
Волны звуковых частот возникают в диапазоне частот от 0 до 2*10 4 Гц (λ = 1,5*10 4 ÷ ∞ м). Источником волн звуковых частот является переменный ток соответствующей частоты. Учитывая, что интенсивность излучения электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени частоты, излучением таких, сравнительно малых, частот можно пренебречь. Именно по этой причине часто можно пренебречь излучением линии передачи переменного тока с частотой 50 Гц.
Радиоволны занимают диапазон частот 2*10 4 - 10 9 Гц (λ = 0,3 - 1,5*10 4 м). Источником радиоволн, так же как и волн звуковых частот, является переменный ток. Однако большая частота радиоволн по сравнению с волнами звуковых частот приводит к заметному излучению радиоволн в окружающее пространство. Это позволяет использовать их для передачи информации на значительное расстояние (радиовещание, телевидение (TV)), радиолокация, радионавигация, системы радиоуправления, радиорелейные линии связи (РРЛ), сотовые системы связи, системы профессиональной подвижной связи - транкинговые системы, системы подвижной спутниковой связи, системы беспроводной телефонной связи (радиоудлинители) и др.
Сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, или микроволновое излучение, возникает в диапазоне частот 10 9 - 3*10 n Гц (λ = 1 мм - 0,3 м). Источник СВЧ-излучения изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества. Учитывая прозрачность атмосферы в этом диапазоне, СВЧ-излучение используют для космической связи. Кроме того, это излучение используют в бытовых микроволновых СВЧ-печах.
Инфракрасное (ИК) излучение занимает частотный диапазон 3*10 11 - 3,85*10 14 Гц (λ = 780 нм - 1 мм). ИК-излучение было открыто в 1800 г. английским 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 являются колебание и вращение молекул вещества, поэтому ИК электромагнитные волны излучают нагретые тела, молекулы которых движутся особенно интенсивно. Часто ИК-излучение называют тепловым. Около 50% энергии Солнца излучается в инфракрасном диапазоне. Максимальная интенсивность излучения человеческого тела приходится на длину волны 10 мкм. Зависимость интенсивности ИК-излучения от температуры позволяет измерять температуру различных объектов, что используется в приборах ночного видения, а также при обнаружении инородных образований в медицине. Дистанционное управление телевизором и видеомагнитофоном осуществляется с помощью ИК-излучения.
Этот диапазон используется для передачи информации по оптическим кварцевым волокнам. Оценим, как и для радиоволн, ширину оптического диапазона.
Пусть оптический диапазон изменяется от λ1 = 1200 нм до λ2=1620 нм. Зная величину скорости света в вакууме с = 2,997*10 8 м/с, (округленно 3*10 8 м/с) из формулы f=c/λ , для λ1 и λ2 получим соответственно f1 = 250 ТГц и f2 = 185 ТГц. Следовательно, интервал между частотами ΔF = f1 - f2 = 65 ТГц. Для сравнения: весь диапазон частот от звукового диапазона до верхней частоты диапазона СВЧ составляет только 30 ГГц, а ультра СВЧ 300 ГГц, т.е. в 2000 - 200 раз меньше оптического.
Видимый свет - единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом. Световые волны занимают достаточно узкий диапазон: 380-780 нм (λ = 3,85*10 14 - 7,89*10 14 Гц).
Источником видимого света 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. Максимум чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны λ= 560 нм. На эту длину волны приходится также максимум интенсивности излучения Солнца и одновременно максимум прозрачности атмосферы Земли.
Впервые искусственный источник света получил русский ученый А.Н. Лодыгин в 1872 году, пропуская электрический ток через угольный стержень, помещенный в замкнутый сосуд, из которого был откачан воздух, а в 1879 году американский изобретатель Т.А. Эдисон создал достаточно долговечную и удобную конструкцию лампы накаливания.
Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн
1859 спектроскопия
1864 уравнения максвелла
1864 СПЕКТР
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1900 излучение
Черного тела
После появления уравнений максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления - поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.
Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра - от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр - единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10 -9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.
Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны - сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857-1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.
Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года-всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн - итальянский инженер-физик Гуль-ельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874-1937) сконструировал
10" 10" 10* 10" 1
10 10* 10*
1СГ 5 10* 10"" 10^ 10*
- 10"" Рентгеновские
лучи - 10 -і*
- 10""
- 10"
- 1(Г"
- 1<Г"
Гамма-лучи
Электромагнитные волны образуют сплошной спектр длин волн и энергий (частот), подразделяемый на условные диапазоны - от радиоволн до гамма-лучей
первый работающий беспроволочный телеграф - прообраз современного радио, - за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.
После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. постоянная планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):
Радиоволны
Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине - от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике - дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/БЫ), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.
Микроволны
Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутни
ковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.
Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.
Инфракрасные лучи
Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей - как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.
Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Видимый свет
Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800-400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.
Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.
Ультрафиолетовые лучи
К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400-10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных - тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.
Все живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.
Рентгеновские лучи
Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагнос
тике. Как и в случае с радиоволнами, временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)
Гамма-лучи
Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре - это у-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.
В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.
Спектроскопия
Наличие атомов химических элементов в веществе можно выявить по присутствию характерных линий в спектре излучения или поглощения
Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.
Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 – 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10-7 до 4*10-7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 – 1810), исследуя спектр, открыл, что за его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару.
В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи . Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.
Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний.
Гамма-излучение . Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение (l< 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.
Виды излучений
Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.
Электролюминесценция (от латинского люминесценция - «свечение») – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.
Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.
Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Спектры
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектральный анализ
Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.
Схема устройства призменного спектрографа
История
Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.
Фраунгоферовы линии
Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году - рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).
Принцип работы
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Спектр электромагнитных излучений
Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны . При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью
специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет
и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное
излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.
В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение (<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.
Теория показывает, что электромагнитное излучение образуется тогда, когда электрические заряды движутся неравномерно, ускоренно. Равномерно движущийся (свободный) поток электрических зарядов не излучает. Нет излучения электромагнитного поля и у зарядов, движущихся под действием постоянной силы, например у зарядов, описывающих окружность в магнитном поле.
В колебательных движениях ускорение непрерывно меняется, поэтому колебания электрических зарядов дают электромагнитное излучение. Кроме того, электромагнитное излучение произойдет при резком неравномерном торможении зарядов, например при попадании пучка электронов на препятствие (образование рентгеновских луей). В хаотическом тепловом движении частиц также рождается эдектррмагнитное излучение (тепловое излучение). Пульсации
ядерного заряда приводят к созданию электромагнитного излучения, известного под названием у-лучей. Ультрафиолетовые лучи и видимый свет производятсядвижением атомных электронов. Колебания электрического заряда в космических масштабах приводят к радиоизлучению небесных тел.
Наряду с естественными процессами, в результате которых создается электромагнитное излучение самых различных свойств, имеются разнообразные экспериментальные возможности по созданию электромагнитного излучения.
Основной характеристикой электромагнитного излучения является его частота (если речь идет о гармоническом колебании) или полоса частот. Ложно, разумеется, при помощи соотношения пересчитать частоту излучения на длину электромагнитной волны в пустоте.
Интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому излучение очень низких частот с длинами волн порядка сотен километров не прослеживается. Практический радиодиапазон начинается, как известно, с длин волн порядка что соответствует частотам порядка длины волн порядка относят к среднему диапазону, десятки метров - это уже короткие волны. Ультракороткие волны (УКВ) выводят нас из обычного радиодиапазона; длины волн порядка нескольких метров и долей метра вплоть до сантиметра (т. е. частоты порядка употребляются в телевидении и радиолокации.
Еще более короткие электромагнитные волны были получены в 1924 г. Глаголевой-Аркадьевой. Она использовала в качестве генератора электрические искры, проскакивающие между взвешенными в масле железными опилками, и получила волны длиной до Здесь уже достигается перекрывание с длинами волн теплового излучения.
Участок видимого света весьма мал: он занимает всего лишь длины волн от см до см. Далее следуют ультрафиолетовые лучи, невидимые глазом, но весьма хорошо фиксируемые физическими приборами. Это - длина волн от см до см.
За ультрафиолетовыми следуют рентгеновские лучи. Их длины волн - от см до см. Чем меньше длина волны, тем слабее рентгеновские учи поглощаются веществами. Наиболее коротковолновое и проникающее электромагнитное излучение носит название у-лучей (длины волн от см и ниже).
Характеристика любого вида из перечисленных электромагнитных излучений будет исчерпывающей, если будут произведены следующие измерения. Прежде всего, тем или иным методом электромагнитное излучение должно быть разложено в спектр. В случае света, ультрафиолетовых лучей и инфракрасного излучения это может быть сделано с помощью преломления призмой или пропусканием излучения через дифракционную решетку (см. ниже). В случае рентгеновских и гамма-лучей разложение в спектр достигается отражением от кристалла (см. стр. 351). Волны
радиотехнического диапазона раскладываются в спектр с использованием явления резонанса.
Полученный спектр излучения может быть сплошным или линейчатым, т. е. может заполнять непрерывно некоторую полосу частот, а может также состоять из отдельных резких линий, соответствующих крайне узкому частотному интервалу. В первом случае для характеристики спектра надо задать кривую интенсивности в функции частоты (длины волны), во втором случае спектр будет описан заданием всех имеющихся в нем линий с указанием их частот и интенсивностей.
Опыт показывает, что электромагнитное излучение заданной частоты и интенсивности может отличаться своим поляризационным состоянием. Наряду с волнами, у которых электрический вектор колеблется вдоль определенной линии (линейно поляризованные волны), приходится сталкиваться с таким излучением, в котором линейно поляризованные волны, повернутые друг по отношению к другу около оси луча, наложены друг на друга. При исчерпывающей характеристике излучения надо указывать его поляризацию.
Следует обратить внимание, что даже для самых медленных электромагнитных колебаний мы лишены возможности измерять электрические и магнитные векторы волны. Нарисованные выше картины поля имеют теоретический характер. Тем не менее в их истинности не приходится сомневаться, имея в виду неразрывность и целостность всей электромагнитной теории.
Утверждение о принадлежности того или иного вида излучения к электромагнитным волнам всегда носит косвенный характер. Однако число следствий, вытекающих из гипотез, столь огромно и они находятся между собой в таком спаянном согласии, что гипотеза об электромагнитном спектре давно приобрела все черты непосредственной реальности.
