Материал из Википедии - свободной энциклопедии

К:Википедия:Страницы на КУЛ (тип: не указан)

Длина волны - частота - энергия фотона

В качестве спектральной характеристики электромагнитного излучения используют следующие величины :

• Частоту колебаний - шкала частот приведена в отдельной статье;
• Энергию фотона (кванта электромагнитного поля).

Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма-квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма-квантов в первом приближении можно охарактеризовать его поверхностной плотностью (в г/см²). Длительное время считалось, что создание зеркал и линз для γ-лучей невозможно, однако, согласно последним исследованиям в данной области, преломление γ-лучей возможно. Это открытие, возможно, означает создание нового раздела оптики - γ-оптики .

Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма-кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты - электронной оболочкой атома (это лишь терминологическое различие, не затрагивающее физических свойств излучения).

Рентгеновское излучение

• от 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 эВ) - жёсткое рентгеновское излучение . Источники: некоторые ядерные реакции , электронно-лучевые трубки .
• от 10 нм (124 эВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) - мягкое рентгеновское излучение . Источники: электронно-лучевые трубки, тепловое излучение плазмы.

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжёлых атомов на низколежащие орбиты. Вакансии на низколежащих орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое излучение); это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгено-флюоресцентный анализ). Тепловое , тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решётках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решёток. На этом основан метод рентгено-дифракционного анализа .

Ультрафиолетовое излучение

Диапазон: От 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)

Оптическое излучение

Излучение оптического диапазона (видимый свет и ближнее инфракрасное излучение [ ]) свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломлено в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

• от 30 ГГц до 300 ГГц - микроволны .
• от 3 ГГц до 30 ГГц - сантиметровые волны (СВЧ) .
• от 300 МГц до 3 ГГц - дециметровые волны .
• от 30 МГц до 300 МГц - метровые волны .
• от 3 МГц до 30 МГц - короткие волны .
• от 300 кГц до 3 МГц - средние волны .
• от 30 кГц до 300 кГц - длинные волны .
• от 3 кГц до 30 кГц - сверхдлинные (мириаметровые) волны .

См. также

Напишите отзыв о статье "Электромагнитный спектр"

Примечания

Отрывок, характеризующий Электромагнитный спектр

В 10 м часу вечера Вейротер с своими планами переехал на квартиру Кутузова, где и был назначен военный совет. Все начальники колонн были потребованы к главнокомандующему, и, за исключением князя Багратиона, который отказался приехать, все явились к назначенному часу.
Вейротер, бывший полным распорядителем предполагаемого сражения, представлял своею оживленностью и торопливостью резкую противоположность с недовольным и сонным Кутузовым, неохотно игравшим роль председателя и руководителя военного совета. Вейротер, очевидно, чувствовал себя во главе.движения, которое стало уже неудержимо. Он был, как запряженная лошадь, разбежавшаяся с возом под гору. Он ли вез, или его гнало, он не знал; но он несся во всю возможную быстроту, не имея времени уже обсуждать того, к чему поведет это движение. Вейротер в этот вечер был два раза для личного осмотра в цепи неприятеля и два раза у государей, русского и австрийского, для доклада и объяснений, и в своей канцелярии, где он диктовал немецкую диспозицию. Он, измученный, приехал теперь к Кутузову.
Он, видимо, так был занят, что забывал даже быть почтительным с главнокомандующим: он перебивал его, говорил быстро, неясно, не глядя в лицо собеседника, не отвечая на деланные ему вопросы, был испачкан грязью и имел вид жалкий, измученный, растерянный и вместе с тем самонадеянный и гордый.
Кутузов занимал небольшой дворянский замок около Остралиц. В большой гостиной, сделавшейся кабинетом главнокомандующего, собрались: сам Кутузов, Вейротер и члены военного совета. Они пили чай. Ожидали только князя Багратиона, чтобы приступить к военному совету. В 8 м часу приехал ординарец Багратиона с известием, что князь быть не может. Князь Андрей пришел доложить о том главнокомандующему и, пользуясь прежде данным ему Кутузовым позволением присутствовать при совете, остался в комнате.
– Так как князь Багратион не будет, то мы можем начинать, – сказал Вейротер, поспешно вставая с своего места и приближаясь к столу, на котором была разложена огромная карта окрестностей Брюнна.
Кутузов в расстегнутом мундире, из которого, как бы освободившись, выплыла на воротник его жирная шея, сидел в вольтеровском кресле, положив симметрично пухлые старческие руки на подлокотники, и почти спал. На звук голоса Вейротера он с усилием открыл единственный глаз.
– Да, да, пожалуйста, а то поздно, – проговорил он и, кивнув головой, опустил ее и опять закрыл глаза.
Ежели первое время члены совета думали, что Кутузов притворялся спящим, то звуки, которые он издавал носом во время последующего чтения, доказывали, что в эту минуту для главнокомандующего дело шло о гораздо важнейшем, чем о желании выказать свое презрение к диспозиции или к чему бы то ни было: дело шло для него о неудержимом удовлетворении человеческой потребности – .сна. Он действительно спал. Вейротер с движением человека, слишком занятого для того, чтобы терять хоть одну минуту времени, взглянул на Кутузова и, убедившись, что он спит, взял бумагу и громким однообразным тоном начал читать диспозицию будущего сражения под заглавием, которое он тоже прочел:
«Диспозиция к атаке неприятельской позиции позади Кобельница и Сокольница, 20 ноября 1805 года».
Диспозиция была очень сложная и трудная. В оригинальной диспозиции значилось:
Da der Feind mit seinerien linken Fluegel an die mit Wald bedeckten Berge lehnt und sich mit seinerien rechten Fluegel laengs Kobeinitz und Sokolienitz hinter die dort befindIichen Teiche zieht, wir im Gegentheil mit unserem linken Fluegel seinen rechten sehr debordiren, so ist es vortheilhaft letzteren Fluegel des Feindes zu attakiren, besondere wenn wir die Doerfer Sokolienitz und Kobelienitz im Besitze haben, wodurch wir dem Feind zugleich in die Flanke fallen und ihn auf der Flaeche zwischen Schlapanitz und dem Thuerassa Walde verfolgen koennen, indem wir dem Defileen von Schlapanitz und Bellowitz ausweichen, welche die feindliche Front decken. Zu dieserien Endzwecke ist es noethig… Die erste Kolonne Marieschirt… die zweite Kolonne Marieschirt… die dritte Kolonne Marieschirt… [Так как неприятель опирается левым крылом своим на покрытые лесом горы, а правым крылом тянется вдоль Кобельница и Сокольница позади находящихся там прудов, а мы, напротив, превосходим нашим левым крылом его правое, то выгодно нам атаковать сие последнее неприятельское крыло, особливо если мы займем деревни Сокольниц и Кобельниц, будучи поставлены в возможность нападать на фланг неприятеля и преследовать его в равнине между Шлапаницем и лесом Тюрасским, избегая вместе с тем дефилеи между Шлапаницем и Беловицем, которою прикрыт неприятельский фронт. Для этой цели необходимо… Первая колонна марширует… вторая колонна марширует… третья колонна марширует…] и т. д., читал Вейротер. Генералы, казалось, неохотно слушали трудную диспозицию. Белокурый высокий генерал Буксгевден стоял, прислонившись спиною к стене, и, остановив свои глаза на горевшей свече, казалось, не слушал и даже не хотел, чтобы думали, что он слушает. Прямо против Вейротера, устремив на него свои блестящие открытые глаза, в воинственной позе, оперев руки с вытянутыми наружу локтями на колени, сидел румяный Милорадович с приподнятыми усами и плечами. Он упорно молчал, глядя в лицо Вейротера, и спускал с него глаза только в то время, когда австрийский начальник штаба замолкал. В это время Милорадович значительно оглядывался на других генералов. Но по значению этого значительного взгляда нельзя было понять, был ли он согласен или несогласен, доволен или недоволен диспозицией. Ближе всех к Вейротеру сидел граф Ланжерон и с тонкой улыбкой южного французского лица, не покидавшей его во всё время чтения, глядел на свои тонкие пальцы, быстро перевертывавшие за углы золотую табакерку с портретом. В середине одного из длиннейших периодов он остановил вращательное движение табакерки, поднял голову и с неприятною учтивостью на самых концах тонких губ перебил Вейротера и хотел сказать что то; но австрийский генерал, не прерывая чтения, сердито нахмурился и замахал локтями, как бы говоря: потом, потом вы мне скажете свои мысли, теперь извольте смотреть на карту и слушать. Ланжерон поднял глаза кверху с выражением недоумения, оглянулся на Милорадовича, как бы ища объяснения, но, встретив значительный, ничего не значущий взгляд Милорадовича, грустно опустил глаза и опять принялся вертеть табакерку.
– Une lecon de geographie, [Урок из географии,] – проговорил он как бы про себя, но довольно громко, чтобы его слышали.
Пржебышевский с почтительной, но достойной учтивостью пригнул рукой ухо к Вейротеру, имея вид человека, поглощенного вниманием. Маленький ростом Дохтуров сидел прямо против Вейротера с старательным и скромным видом и, нагнувшись над разложенною картой, добросовестно изучал диспозиции и неизвестную ему местность. Он несколько раз просил Вейротера повторять нехорошо расслышанные им слова и трудные наименования деревень. Вейротер исполнял его желание, и Дохтуров записывал.
Когда чтение, продолжавшееся более часу, было кончено, Ланжерон, опять остановив табакерку и не глядя на Вейротера и ни на кого особенно, начал говорить о том, как трудно было исполнить такую диспозицию, где положение неприятеля предполагается известным, тогда как положение это может быть нам неизвестно, так как неприятель находится в движении. Возражения Ланжерона были основательны, но было очевидно, что цель этих возражений состояла преимущественно в желании дать почувствовать генералу Вейротеру, столь самоуверенно, как школьникам ученикам, читавшему свою диспозицию, что он имел дело не с одними дураками, а с людьми, которые могли и его поучить в военном деле. Когда замолк однообразный звук голоса Вейротера, Кутузов открыл глава, как мельник, который просыпается при перерыве усыпительного звука мельничных колес, прислушался к тому, что говорил Ланжерон, и, как будто говоря: «а вы всё еще про эти глупости!» поспешно закрыл глаза и еще ниже опустил голову.
Стараясь как можно язвительнее оскорбить Вейротера в его авторском военном самолюбии, Ланжерон доказывал, что Бонапарте легко может атаковать, вместо того, чтобы быть атакованным, и вследствие того сделать всю эту диспозицию совершенно бесполезною. Вейротер на все возражения отвечал твердой презрительной улыбкой, очевидно вперед приготовленной для всякого возражения, независимо от того, что бы ему ни говорили.

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.

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

Основной характеристикой электромагнитного спектра представляющего совокупность диапазонов частот является волновой процесс. В результате электромагнитный спектр можно определить по его длине волны и частоте.

Частота - как быстро волна вибрирует или идет вверх и вниз. Длина волны - это расстояние между двумя пиками. Частота и длина обратно связаны, что означает, что волны низкой частоты имеют длиннее колебания и наоборот.

Человек может видеть свет в определенном диапазоне длин колебаний и частот. Этот диапазон называется видимым спектром. Частотный диапазон видимого спектра составляет от 405 терагерц до 790 терагерц.

Типы волн и электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр включает широкий спектр волн, который люди не могут видеть. Невидимые типы волн представляют радиоволны, инфракрасные и рентгеновские лучи. Эти типы колебаний широко применяются в различных областях науки и техники.

Если бы у человека глаза были как у гремучей змеи или совы он мог бы хорошо видеть ночью. Для того чтобы помочь пилотам увидеть в темноте или при плохой погоде в кабине устанавливается радар, обнаруживающий отражение радиоволн. И если бы глаза человека были чувствительны как лучи рентгеновской камеры люди могли бы даже видеть через органы или здания!

Свет, который могут видеть люди, это только одна часть всей электрической и магнитной энергии вокруг нашего мира. Радиоволны, Х-лучи, гамма-лучи и световые волны работают аналогичным образом. Вся вместе эта энергия называется электромагнитным спектром.

В видимом спектре цвет света зависит от частоты. представляет сложную комбинацию состоящую из многих длин. Если пропустить видимый спектр через призму создастся «радуга» путем перенаправления каждой длины волны под несколько иным углом. Порядок цветов красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго (темно синий) и фиолетовый.

Цвета света

Что мы видим, когда наблюдаем отраженный свет от объекта. Когда свет попадает на объект несколько длин колебаний поглощаются этим объектом, а некоторые отражаются. Свет различных длин волн выглядит как разные цвета. Когда мы видим объект определенного цвета, что означает, что свет этого цвета отражается от объекта. Например, когда вы видите красную рубашку, рубашка поглощает все цвета света, за исключением красного. Частота света, который мы видим, является отражение красного и мы видим эту рубашку как красную.

Черный и белый немного отличается от других цветов. Белый — это сочетание всех цветов, поэтому когда мы видим белый, объект отражает все цвета света. Черный является противоположностью. Когда мы видим черный объект, то это означает, что почти все цвета света поглощаются.

Аддитивные цвета

Аддитивность –целое значение величины равно сумме значений его составный частей.

Аддитивные основные цвета могут быть объединены, чтобы сделать любой другой цвет. Это три цвета красный, синий и зеленый. Этот факт используется все время в технологиях, таких как компьютерные экраны и телевизоры. Объединяя только три основных вида света различными способами, можно сделать любой цвет.

Субтрактивные цвета

Субтрактивный – вычитание из равномерного белого составляющих.

Если есть белый свет и хотите вычесть цвета, чтобы получить любой другой цвет, то необходимо использовать основные субтрактивные цвета для фильтрации или удаления света определенных цветов. Первичные субтрактивные цвета - голубой, пурпурный и желтый.

Что такое электромагнитное излучение?

Световые волны и другие виды энергии, которые излучаются вызывают электромагнитное излучение. Вместе они составляют то, что называется электромагнитный спектр . Наши глаза могут видеть только ограниченную часть электромагнитного спектра - красочные радуги мы видим в солнечный, но дождливый день, когда невероятно узкая часть электромагнитного излучения преломляется в капельках дождя. Это энергия видимого света, и как радиоволны и все остальное состоит из электромагнитных волн.

Эти волнообразные формы модели электричества и магнетизма на скорости 300000 км в секунду распространяются вокруг.

Свет, который видят люди тянется в спектре от красного (самая низкая частота и большая длина волны, которую глаза могут зарегистрировать) далее оранжевый, желтый, зеленый, синий и индиго (темно синий) и фиолетовый.

Как электромагнитная волна двигается

Если бы мы могли заглянуть внутрь светового луча (или других электромагнитных волн), что можно увидеть: электрическая волна вибрирует в одном направлении, а магнитная вибрирует в перпендикулярном. Две волны вибрируют в идеальной зависимости, перпендикулярном направлении путешествуете всегда вместе.

С XIX века ученые понимают, что электричество и магнетизм являются равноправными партнерами, которые работают вместе, близко во все времена.

Какие виды энергии составляют электромагнитный спектр?

Другие виды электромагнитного излучения, которые испускают объекты

• Радиоволны : если бы наши глаза могут видеть радиоволны, мы бы могли (в теории) смотреть ТВ программы просто глядя на небо! Длина радиоволны: 30 см – 500 м. Радиоволны охватывают огромную полосу частот варьируемой от десятков сантиметров высокой частоты до сотен метров в низкочастотном диапазоне. Электромагнитная волна больше, чем СВЧ радиоволна микроволновой печи.
• СВЧ : такие радиоволны используются не только для приготовления пищи в микроволновой печи, но и для передачи информации в радиолокационной технике. Типичный размер: 15 см (длина карандаша).
• Инфракрасное : просто с частотой немного короче чем красный цвет. Есть своего рода невидимый «горячий свет» называемый ИК. Хотя мы не можем видеть излучение, мы можем почувствовать путем потепления кожи, когда он попадает на наше лицо — это то, что мы думаем как излучаемое тепло. Если бы глаза человека были бы как у гремучих змей человек бы видел инфракрасное излучение, как линзы ночного видения, встроенные в наших головах. Типичная длина колебания: 0,01 мм
• Видимый спектр о котором пояснено выше.
• Ультрафиолетовое : это выше частоты фиолетового света, который наши глаза могут обнаружить. Солнце передает мощное ультрафиолетовое излучение, которое человек не может видеть. Вот почему человек получает загар, даже когда плавает в море или в пасмурные дни. Вот почему так важен солнцезащитный крем. Типичная длина колебания: 500 Нм (как большая бактерия).
• Рентгеновские лучи : очень полезный тип высокочастотных волн, широко используются в медицине и безопасности. Типичный размер: 0,1 Нм (ширина атома).
• Гамма лучи : излучаются радиоактивными веществами и опасны для жизни. Типичный размер: 0,02 Нм (ядро атома).

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.

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.