У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от ν=0 Гц до ν=∞ Гц), есть объективные причины. Они заключаются в том, что световые волны обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что накладывает на их длину определенные ограничения.
Инфракрасная съемка позволяет JWST увидеть небесные объекты, которые ранее были скрыты плотными облаками, а также дает возможность учесть красное смещение света в космосе. Поэтому она позволяет нам взглянуть на старые и далекие звезды и галактики из ранней Вселенной.
JWST (также известный как “Уэбб”), предоставил нам свежий взгляд и новый метод наблюдения за событиями далекого прошлого (около 13,5 миллиарда лет назад).
Однако модифицированный глаз, который он предоставляет, не обладает той же механикой, что и человеческий глаз. Вместо того чтобы наблюдать видимый спектр света (который может видеть человек), JWST предпочитает наблюдать инфракрасный свет, а не другие спектры света. Поскольку глаз не может видеть большую часть света, испускаемого небесными объектами, то, учитывая его возможности и прорывные открытия, уместно говорить о нем как о “новом глазе”.
Но в чем преимущества просмотра инфракрасного диапазона перед более длинными волнами, такими как микроволновый и радиоволновый спектры? Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо понять, что различные спектры света – это просто разные длины волн энергии, производимой одним и тем же источником света (см. изображение ниже). Когда длина волны короче, энергия, которую несет свет, больше. Вот почему мы должны избегать ультрафиолетового излучения, испускаемого Солнцем! Это мощные длины волн, которые могут вызвать повреждение ДНК.
Электромагнитный спектр; длины волн энергии, производимой источником света.
Что такое спектры света? И что используют другие телескопы для формирования изображений?
Шесть из семи спектров света невидимы для нас. В результате наши глаза могут видеть только крошечный процент любого объекта, излучающего свет – длины волн “видимого света” – в диапазоне от 4྾10-7 до 7྾10-7. Как показано на графике выше, радиоволны имеют самую большую длину волны, гамма-лучи – самую короткую, а инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет.
Название “инфракрасный” используется потому, что этот диапазон света находится немного ниже длин волн видимого красного света, в то время как длины волн выше видимого спектра кажутся более синими/фиолетовыми, отсюда и название “ультрафиолетовый”. Так какое отношение имеют световые спектры к телескопическим изображениям?
Телескопы используют детекторы и камеры для фильтрации различных длин волн, гарантируя, что только нужные длины волн будут собраны и преобразованы в электронном виде для просмотра. По сравнению со своими предшественниками, JWST имеет множество чувствительных детекторов (включая камеру среднего инфракрасного диапазона и камеру ближнего инфракрасного диапазона), позволяющих увидеть весь спектр инфракрасного света и предложить нам более четкие и детальные фотографии света, исходящего с расстояния в миллиарды световых лет.
С другой стороны, космический телескоп Хаббл обнаруживает свет в видимом спектре, а космический телескоп Спитцер наблюдает свет в более коротком диапазоне инфракрасного спектра. Кроме того, рентгеновская обсерватория “Чандра” наблюдает свет в рентгеновском спектре. В результате можно сказать, что каждый телескоп дает нам различные перспективы для наблюдения за Вселенной.
Диапазоны электромагнитного спектра, на которых фокусируются различные телескопы.
Электромагнитные волны различной частоты пронизывают всё пространство вокруг нас. Сейчас они разделены на диапазоны, границы которых условны и имеют общие частоты. Шкала электромагнитных волн демонстрирует распределение электромагнитных волн на диапазоны.
Рисунок (1). Шкала электромагнитных волн
(1) — радиоволны;
(2) — рентгеновское излучение;
(3) — гамма-излучение.
В зависимости от частоты электромагнитные волны имеют свою скорость распространения, проникающую способность, цветность, видимость, по-разному действуют на живые организмы.
используются для осуществления радиосвязи, радиолокации, телепередач, космической связи.
(тепловое) — имеет большое значение для жизни человека, животных, растений, которые могут осуществлять свою деятельность только в определённом интервале температур.
— видимый свет, который даёт возможность ориентироваться живым организмам в пространстве, видеть окружающие предметы, участвует в реакции фотосинтеза зелёных насаждений, обеспечивающей образование кислорода, обязательного для дыхания.
Основной источник УФ-излучения — Солнце. Защитой от ультрафиолета является озоновый слой в атмосфере Земли. В больших дозах вызывает ожог кожи, глаз и раковые заболевания кожи, мутации и старение.
УФ-лампы применяют в процессах:
Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки.
Применение рентгеновского излучения в медицине, в промышленности, в науке:
Большие дозы и частые обследования приводят к серьёзным заболеваниям.
образуется при ядерных реакциях, обладает большой проникающей способностью, оказывает губительное действие на человека. Гамма-излучение, поступающее из космоса (ядерные реакции в недрах Солнца и звёзд), поглощается атмосферой Земли, благодаря чему сохраняется жизнь на Земле.
Ультрафиолетовое излучение
Всего получено оценок: 276.
Одним из видов электромагнитного излучения является ультрафиолетовое (УФ). Являясь не самым мощным излучением Солнца, УФ-излучение тем не менее играет достаточно большую роль в формировании условий на Земле. Познакомимся со свойствами и применением УФ-излучения.
Свойства ультрафиолетового излучения
Итак, ультрафиолетовое излучение (УФ) — это один из видов электромагнитных волн. На шкале излучений оно располагается между видимым светом и рентгеновскими лучами.
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн.
Длина волны УФ-излучения сравнима с расстояниями между атомами и молекулами в веществе, поэтому УФ-излучение обладает достаточно высокой химической активностью. Многие химические реакции требуют УФ-облучение для нормального хода. Большинство фотоматериалов и фотодатчиков весьма чувствительны к УФ-спектру.
Объясняется это тем фактом, что энергия кванта излучения определяется простой формулой:
То есть энергия кванта пропорциональна частоте излучения $
u$, и, поскольку частота УФИ-излучения выше, чем частота видимого света, то и энергия кванта у него выше.
Солнце достаточно ярко «светит» в УФ-диапазоне, но, хотя воздух прозрачен для УФ-излучения, кислород воздуха $O_2$ под действием его энергии меняет конфигурацию молекулы, становится гораздо более активным озоном $O_3$. Озон же поглощает УФ-спектр гораздо интенсивнее обычного кислорода. Таким образом в верхних слоях атмосферы Земли образуется озоновый слой, который задерживает большую часть солнечного УФ-излучения.
Рис. 2. Озоновый слой Земли.
Использование УФ-излучения
Поскольку до поверхности Земли доходит небольшая часть солнечного УФ-излучения, далеко не все живые существа на Земле выработали рецепторы, воспринимающие эту часть спектра. Более того, большая доза ультрафиолета губительна для живых организмов.
Эта особенность УФ-излучения лежит в основе кварцевых ламп, которые используются в медицинских учреждениях для обеззараживания помещений. Кварцевая лампа устроена примерно так же, как обычная люминесцентная лампа, — это трубка, наполненная парами ртути, которые при пропускании сквозь них электрического тока начинают излучать в УФ-диапазоне. Но если в обычных люминесцентных лампах это излучение полностью задерживается стеклом трубки, а светится люминофор, которым покрыта трубка изнутри, то кварцевые лампы не имеют люминофора, а состоят из специального кварцевого стекла, пропускающего УФ-лучи. В результате кварцевая лампа слабо светит в видимом диапазоне, но мощность УФ-лучей у нее достаточна, чтобы уничтожать большинство микроорганизмов в помещении.
Кварцевые лампы специальных типов используются в медицине в лечебных целях: точно дозируя силу УФ-излучения, можно, к примеру, уничтожать кожные новообразования, не повредив живые ткани.
Небольшие дозы УФ-излучения являются даже полезными для человека: под их действием в коже вырабатывается витамин $D_2$, необходимый для формирования костей и для стимуляции нервной системы.
Также УФ-излучение используется при специальной фотосъемке, которая позволяет видеть некоторые особенности объектов, невидимые в обычных лучах, проводить измерения, невозможные при обычном освещении.
Рис. 3. Кварцевая бактерицидная лампа.
Что мы узнали?
Ультрафиолетовое излучение (УФ) — это электромагнитная волна, имеющая длину от от 10 до 400 нм, лежащая на шкале электромагнитных волн между видимым светом и рентгеновскими лучами. УФ-излучение имеет большую химическую активность и обладает бактерицидным эффектом.
Тест по теме
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
Оценка доклада
А какая ваша оценка?
Версия для печати и копирования в MS Word
Учёные считают, что внутри газопылевых туманностей находятся вновь образовавшиеся звезды. Почему на Земле эти объекты наблюдают в ИК-диапазоне, а не в видимом свете? Ответ обоснуйте.
С поверхности Земли человек издавна наблюдает космические объекты в видимой части спектра электромагнитного излучения (диапазон видимого света включает волны с длиной примерно от 380 нм до 760 нм).
При этом большой объём информации о небесных телах не доходит до поверхности Земли, т. к. большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности нашей планеты. Для изучения космических объектов в этих лучах необходимо вывести телескопы за пределы атмосферы. Результаты, полученные в космических обсерваториях, перевернули представление человека о Вселенной. Общее количество космических обсерваторий превышает уже несколько десятков.
Так, с помощью наблюдений в инфракрасном (ИК) диапазоне были открыты тысячи галактик с мощным инфракрасным излучением, в том числе такие, которые излучают в ИК-диапазоне больше энергии, чем во всех остальных частях спектра. Активно изучаются инфракрасные источники в газопылевых облаках. Интерес к газопылевым облакам связан с тем, что, согласно современным представлениям, в них рождаются и вспыхивают звёзды.
Ультрафиолетовый спектр разделяют на ультрафиолет-А (УФ-A) с длиной волны 315–400 нм, ультрафиолет-В (УФ-B) – 280–315 нм и ультрафиолет-С (УФ-С) – 100–280 нм. Практически весь УФ-C и приблизительно 90% УФ-B поглощаются озоновым слоем при прохождении лучей через земную атмосферу. УФ-A не задерживается озоновым слоем.
С помощью ультрафиолетовых обсерваторий изучались самые разные объекты: от комет и планет до удалённых галактик. В УФ-диапазоне исследуются звёзды, в том числе, с необычным химическим составом.
Гамма-лучи доносят до нас информацию о мощных космических процессах, связанных с экстремальными физическими условиями, в том числе и ядерных реакциях внутри звёзд. Детекторы рентгеновского излучения относительно легки в изготовлении и имеют небольшую массу. Рентгеновские телескопы устанавливались на многих орбитальных станциях и межпланетных космических кораблях. Оказалось, что рентгеновское излучение во Вселенной явление такое же обычное, как и излучение оптического диапазона. Большое внимание уделяется изучению рентгеновского излучения нейтронных звёзд и чёрных дыр, активных ядер галактик, горячего газа в скоплении галактик.
1. Видимый свет этих звёзд не пропускает пыль. Поэтому в видимом диапазоне нельзя вести наблюдения.
2. Нагреваясь за счёт излучения звезды, пыль начинает излучать в инфракрасном диапазоне
Вставьте в предложение пропущенные слова (сочетания слов), используя информацию из текста.
Ультрафиолетовый спектр разделяют на ультрафиолет-А (УФ-A) с длиной волны 315–400 нм, ультрафиолет-В (УФ-B) – 280–315 нм и ультрафиолет-С (УФ-С) – ________ нм. Практически весь УФ-C и приблизительно 90% УФ-B ___________ озоновым слоем при прохождении лучей через земную атмосферу. УФ-A же можно использовать для наземных лабораторий.
В ответ запишите слова (сочетания слов) по порядку, без дополнительных символов.
В спектре излучения (поглощения) атомарного водорода выделяют несколько серий спектральных линий: серия Лаймана, Бальмера, Пашена, Брэкетта, Пфунда и др. (см. рис.)
К какой части спектра электромагнитного излучения принадлежит серия Бальмера (Б)? В ответе заполните пропуск в предложении «Серия Бальмера относится к _________ части электромагнитного спектра».
Задания Д16 C3 № 1064
Электромагнитные волны какого из диапазонов (радиоволны, ультрафиолетовое излучение или гамма-излучение), идущие от космических объектов, доступны для изучения с поверхности Земли?
Задания Д16 C3 № 1136
Какую часть ультрафиолетового спектра можно использовать для наземных обсерваторий?
Ультрафиолетовый спектр разделяют на ультрафиолет-А (УФ-A) с длиной волны 315–400 нм, ультрафиолет-В (УФ-B) – 280–315 нм и ультрафиолет-С (УФ-С) – 100–280 нм. Практически весь УФ-C и приблизительно 90% УФ-B поглощаются озоновым слоем при прохождении лучей через земную атмосферу. УФ-A же можно использовать для наземных лабораторий.
Шкала электромагнитных волн
Всего получено оценок: 164.
Колебания электрических зарядов порождает распространяющиеся электромагнитные волны. Свойства этих волн существенно зависят от частоты колебаний. Рассмотрим особенности этой зависимости.
Длина электромагнитной волны
Колеблющийся электрический заряд порождает вокруг себя колебания вихревого магнитного поля. Это поле порождает колебания вихревого электрического поля, которое, в свою очередь опять порождает колеблющееся вихревое магнитное поле. Структура распространяющихся взаимно порождаемых колебаний электрических и магнитных полей – называется электромагнитной волной.
Рис. 1. Распространяющаяся электромагнитная волна вектора B и H.
Электромагнитная волна распространяется с постоянной скоростью, равной примерно $3×10^8$ м/с. Учитывая частоту колебаний волны $
u$ можно найти расстояние между двумя одинаковыми значениями вектора индукции поля, длину волны $lambda$:
Рис. 2. Длина электромагнитной волны.
Электромагнитные волны различных частот существенно различаются по своим свойствам. Поэтому их можно условно разделить на виды, построив шкалу электромагнитных волн.
Низкочастотные (сверхдлинные) волны ($10^4$ Гц и менее)
Электромагнитные волны такой частоты имеют большую длину волны (порядка километров), они способны огибать препятствия больших размеров, способны проникать в толщу воды и грунта. Но, их сложно генерировать и принимать. Кроме того, низкая частота обуславливает малую информационную емкость таких волн. Поэтому, хотя электрические колебания низких частот находят очень широкое применение в народном хозяйстве, электромагнитные волны этого диапазона используются в основном лишь в научных исследованиях Земли.
Радиоволны ($10^4$ Гц – $10^{11}$ Гц)
Электромагнитные волны этого диапазона имеют длину от сантиметров до километра, достаточно легко генерируются и принимаются. При этом, радиоволны частотой менее 3 МГц достаточно хорошо огибают кривизну Земли, способны проходить сквозь не слишком толстые непроводящие преграды и распространяются на несколько сотен километров, а радиоволны частотой до 30МГц – дополнительно способны отражаться от верхних слоев атмосферы, и полностью огибать Землю. Поэтому радиоволны этих диапазонов очень широко используются для связи.
Радиоволны частотами свыше 1 ГГц очень слабо проходят сквозь препятствия, отражаясь от них. Поэтому радиоволны такой частоты используются в радиолокации.
Световое излучение ($10^{11}$ Гц – $10^{18}$ Гц)
Электромагнитные волны данного диапазона имеют длину волны от единиц до тысяч нанометров и включают себя инфракрасное излучение нагретых тел, видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Такие волны генерируются нагретыми предметами, чем больше температура – тем больше частота излучения.
Рентгеновское излучение ($10^{18}$ Гц – $10^{20}$ Гц)
Для генерации излучения таких частот необходимы либо очень высокие температуры, либо возбуждение атомов вещества потоком частиц (так происходит в катодных трубках), поскольку длина волны сравнима с размерами атомов. Это излучение обладает высокой проникающей способностью сквозь непроводящие вещества, что дает возможность широкого использования его в медицине и дефектоскопии.
Гамма-излучение ($10^{20}$ Гц и выше)
Излучение таких высоких частот генерируют ядра атомов при ядерных реакциях, длина волны здесь сравнима с размером атомных ядер. Также гамма-излучение является основной составляющей космических лучей, в которых оно имеет наиболее высокие частоты (и наиболее высокие энергии). Поэтому гамма-излучение играет большую роль при космических исследованиях. Кроме того, поскольку гамма-лучи оказывают разрушительное влияние на живую ткань, они находят применение в лечении онкологических заболеваний.
Резюмируя все сказанное, можно построить таблицу шкалы электромагнитных волн:
Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.
Весь диапазон электромагнитных волн можно условно разбить на поддиапазоны, в которых свойства волн достаточно отличаются друг от друга, составив своеобразную шкалу. В нее войдут свехдлинные волны, радиоволны, световое, рентгеновское и гамма-излучение.
Видимый свет — это видимая часть электромагнитного излучения, т.е. видимое излучение, воспринимаемое сетчаткой человеческого глаза.
Видимый свет — единственный тип электромагнитных волн, известный людям с незапамятных времен, хотя его природа была неизвестна до 1860-х годов. Люди были очарованы оптическими явлениями, такими как радуга, видимая на фотографии. На протяжении веков спорили о том, имеет ли свет конечную скорость или распространяется мгновенно.
Из этой статьи вы узнаете, как стала понятна природа света и почему мы видим мир в цветах.
В 1861 году Джеймс Максвелл опубликовал уравнения, в которых доказал, что электричество и магнетизм являются двумя видами одного и того же явления — электромагнетизма. Уравнения Максвелла не только связно объяснили все электрические и магнитные явления, но и предсказали существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света c = 3 * 108 м / с. Естественным выводом было предположить, что свет — это электромагнитная волна.
Электромагнитная волна характеризуется:
Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: ν = c / λ , где где c — скорость света.
Видимый свет охватывает очень узкий диапазон в спектре электромагнитных волн, от 380 до 780 нм. Излучение меньшей длины волны является ультрафиолетовым, а излучение большей длины волны — инфракрасным.
Поэтому мы видим только очень ограниченную часть электромагнитного спектра, для остальной части электромагнитного спектра у нас нет сенсорных клеток, и мы вынуждены прибегать к техническим средствам. Часто информация, которую мы регистрируем с помощью технических средств, таких как инфракрасные камеры, затем «переводится» в цвета, которые мы видим.
Человеческий глаз воспринимает свет разной длины волны как впечатление различных цветов (рис. 1).
Рис. 1. Спектр видимого света
Белый свет — это смесь всех цветов. Вы можете увидеть это, разложив свет в призме или посмотрев на радугу, которая возникает в результате дисперсии белого света на капельках воды в облаках.
Как получается, что мы видим мир в красках? Когда белый свет падает на тело, часть излучения поглощается, а часть отражается от его поверхности. Если тело поглощает свет от красного до зеленого и отражает синий и фиолетовый свет, то при рассмотрении в белом свете оно будет иметь оттенок синего или фиолетового, в зависимости от соотношения этих цветов в отраженном свете.
Видимый свет лишь слегка поглощается как атмосферой Земли, так и водой. Эта особенность чрезвычайно важна для жизни на Земле. Ему мы обязаны не только способностью видеть окружающее нас пространство, но и самим происхождением жизни на Земле. Жизнь не могла бы существовать без фотосинтеза, для которого необходим свет.
Свет имеет волновую природу, т.е. он подвержен различным физическим явлениям, характерным для волн, таким как дифракция или интерференция. Но в то же время он имеет корпускулярную природу — он состоит из фотонов, элементарных частиц с нулевым зарядом и массой покоя. Отсутствие массы покоя означает, что фотон не существует в состоянии покоя, он может двигаться только со скоростью света.
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны:
E = h * ν = ( h * c ) / λ, где
где ν — частота волны, λ — длина волны, c = 3 * 108 — скорость света, h — постоянная Планка, h = 6,63*10-34 Дж*с = 4,14*10-15 эВ·c.
Смешивая вместе красные, синие и зеленые лучи света, можно получить любой цвет. Смешивание света равной интенсивности этих трех цветов дает белый свет (рис. 2). Изменяя пропорцию каждого цвета, можно получить другой цвет. Явление создания новых цветов путем наложения лучей видимого света разной длины называется аддитивным синтезом.
Рис. 2. Аддитивный синтез цвета
Чувствительность человеческого глаза к цветам обусловлена наличием в сетчатке трех типов фоторецепторов, называемых колбочками. Каждый тип колбочек чувствителен к разным цветам света: красному, зеленому и синему. В зависимости от соотношения этих трех цветов, регистрируемых колбочками, в мозге формируется впечатление о полученном цвете.
Центр области видимого света находится на длине волны около 555 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. К свету этого цвета чувствительность глаза наиболее высока. Кривая чувствительности глаза стремится к нулю как на длинноволновой, так и на коротковолновой стороне (рис. 3).
Рис. 3. Чувствительность глаз к свету разной длины волны
Все современные мониторы, телевизоры, цифровые камеры и подобные устройства работают по принципу аддитивного смешивания цветов. Комбинируя цвета RGB (красный, зеленый, синий) в любом количестве комбинаций, можно получить широкий спектр производных цветов на экране.
Источником видимого света может быть пламя свечи, газ в люминесцентной лампе или зажженная лампочка, а также отражающий солнечный свет объект.
Электромагнитный спектр обобщает всю совокупность электромагнитного излучения и классифицирует его по категориям различных типов излучения, включая хорошо известный цветовой спектр видимого света.
Электромагнитные волны, используемые в радиовещании, телевидении и радиолокации, являются лишь частью полного набора, называемого электромагнитным спектром. Разделение электромагнитного спектра на определенные диапазоны частот и соответствующие диапазоны длин волн, является результатом способа создания и использования охватываемых волн. Однако эти диапазоны не являются строго ограниченными и перекрывают друг друга, а некоторые типы волн могут быть получены разными способами.
Разделение электромагнитного спектра
В электромагнитном спектре излучение характеризуется длиной волны λ или частотой f. Поскольку электромагнитные волны всегда распространяются со скоростью света с ≈ 10*8 м/с, применяется зависимость длины волны от частоты: λ = c / f .
Здесь важна обратная пропорциональность длины волны и частоты λ ~ f-1. Чем больше λ, тем меньше f и наоборот.
Обычно электромагнитный спектр задается только до верхней и нижней границы частоты и длины волны, так как излучение выше или ниже этого практически не встречается в природе. В этих пределах спектр делится на множество небольших поддиапазонов, так что все излучения с частотами в этих диапазонах имеют определенные, одинаковые характеристики. Эти характерные свойства различаются между частотными диапазонами настолько, что можно говорить о различных типах излучения.
В порядке увеличения частоты f и уменьшения длины волны λ, электромагнитный спектр (см. рисунок 1) включает низкочастотное излучение, радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение или тепловое излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и, наконец, гамма-излучение (γ — излучение).
Рис. 1. Электромагнитный спектр. (Ширина видимого светового диапазона значительно увеличена для наглядности рисунка — ( I ) ).
Границы отдельных диапазонов, конечно, лишь приблизительны, а переходы между различными видами излучения плавные, потому что, в конце концов, мы искусственно разделили электромагнитное излучение на эти категории.
Типы электромагнитных волн и их характеристики
Таблица: Виды электромагнитных волн и их свойства
Более непонятные из используемых здесь префиксов единиц измерения — «ф» для «фемто» и 10-15, «п» для «пико» и 10-12, «Т» для «тера» и 1012, «П» для «пента» и 1015, и «Э» для «экса» и 1018. Кроме того, у нас есть преобразование 1 эВ ≈ 1,602 * 10-19 Дж через элементарный заряд e.
Гамма-излучение фактически относится к любому излучению с длиной волны менее 10 пм. Мы также видим, что видимый свет — это лишь очень малая часть всего электромагнитного спектра. Наконец, следует отметить, что это лишь приблизительная классификация, и каждый из этих типов излучения на практике разбивается на еще большее количество подтипов.
Применение
Каждый тип электромагнитных волн встречается в природе и находит свое применение в технике. Далее мы приведем несколько примеров.
Излучение низкой частоты.
Каковы преимущества использования инфракрасного излучения в телескопах?
Поскольку различные длины волн света показывают различные процессы и события в космосе, использование инфракрасного спектра дает нам другую перспективу и возможность взглянуть на нашу Вселенную. В результате существует несколько причин, по которым инфракрасное излучение предпочтительнее более длинных волн, таких как микроволны или радиоволны. Способность инфракрасного света проходить через плотные и холодные облака пыли и газа (по сравнению с другими длинами волн), явление, известное как “красное смещение”, и связь между длиной волны и температурой – вот три основные причины, по которым JWST использует инфракрасные наблюдения.
Красное смещение может сбивать с толку
Начнем с того, что одной из основных целей JWST является изучение одних из первых звезд, галактик и планет, возникших после зарождения Вселенной. В результате “Уэбб” должен анализировать невообразимо далекие области космоса! Заглядывая все глубже в космос, мы можем заглянуть дальше в прошлое благодаря времени, которое требуется свету, чтобы добраться до нас. С космической точки зрения скорость света может показаться астрономам довольно медленной!
Здесь вводится принцип красного смещения, который иногда может озадачить, но давайте попробуем понять этот принцип сейчас, поскольку это важное физическое явление, происходящее в световых волнах. В 1920-х годах не кто иной, как Эдвин Хаббл, обнаружил, что Вселенная расширяется с ускорением! Он также заметил, что по мере того, как мы смотрим дальше в пространстве, объекты удаляются от нас быстрее из-за расширения Вселенной, что вызывает красное смещение.
По мере расширения Вселенной свет, излучаемый старыми и удаленными объектами, растягивается на более длинные волны. В результате свет от галактик и звезд в ранней Вселенной был настолько сильно растянут расширяющейся тканью пространства-времени, что сейчас он обнаруживается в основном в инфракрасном спектре.
Это явление увеличения/растяжения длин световых волн в сторону инфракрасного спектра называется “красным смещением”. Поэтому для наблюдения за древней Вселенной Уэбб должен использовать инфракрасные детекторы, чтобы увидеть самый древний свет, который “сдвинулся” за 13,6-13,8 миллиардов лет!
Специфика различных видов электромагнитных волн
Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.
На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.
Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.
Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.
В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).
В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.
Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10-10-10-14 м.
Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.
Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.
Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.
К видимому диапазону относятся волны, воспринимаемые человеческим глазом. Границы зрения индивидуальны и находятся в пределе λ=0,38-0,76 мкм.
В оптике используются два основных вида частот. Первая из них – круговая – может быть определена как ω=2πT (Т – период колебания волны). Вторая определяется как ν=1T.
Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:
Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна c=3·108 мс, запишем:
В этом случае для границ видимого диапазона получим:
Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:
Ограничения длины волны
Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.
Формула содержит постоянную Планка – h=6,62·10-34 Дж·c, а h=h2π=1,05·10-34 Дж·с – это постоянная Планка с чертой.
Из формулы можно сделать вывод о невозможности существования бесконечной частоты, поскольку квантов с бесконечной величиной энергии не бывает. Также данное выражение ограничивает и низкие частоты, поскольку энергия кванта имеет минимально возможное значение W0, следовательно, существует и минимальная частота, ниже которой волна иметь не может.
Важно отметить, что пока не существует явных доказательств наличия нижней границы энергии у фотонов. В стабильных электромагнитных волнах между земной поверхностью и ионосферой отмечена минимальная частота, равная примерно 8 Гц.
Тепловые глаза в космосе
Давайте на минутку рассмотрим тепловые камеры. Все эти камеры, как и JWST, содержат инфракрасные датчики. От аэропортов до космоса инфракрасное излучение лучше всего обнаруживает даже самые слабые изменения температуры, что упрощает понимание таких связанных с температурой понятий, как светимость, яркость, молекулярный состав и так далее. Вопреки распространенному мнению, многие небесные объекты, такие как туманности, планеты и старые звезды, на самом деле довольно холодные (по сравнению с яркими звездами).
Выше представлено тепловое (инфракрасное) сканирование рук человека. На этих снимках синие участки более холодные, а желтые/оранжевые/красные – более теплые. Мы привыкли ассоциировать красный цвет с теплом, но это справедливо только для тепловидения по обычным причинам. В электромагнитном спектре ярко-синий цвет значительно горячее, чем красный!
Мы можем обнаружить инфракрасный свет, чтобы сделать вывод о том, что скрывают массивные объекты, такие как облака пыли, которые иначе непрозрачны для видимого света. Это возможно, поскольку чем холоднее (менее энергично) что-то, тем больше длина волны. Свет, яркость и температура имеют прямую связь, которую можно лучше заметить и понять при использовании инфракрасного излучения, поскольку самые старые звезды и галактики холоднее и менее энергичны.
Более молодые и горячие звезды излучают больше видимого света!
Понимание того, как работает инфракрасное излучение, позволяет нам осознать, что оно имеет больше преимуществ по сравнению с другими длинами волн света в плане обнаружения самых ранних структур во Вселенной. Более того, ученые часто объединяют данные телескопов “видимого света” (Хаббл) и инфракрасных телескопов (таких как JWST) для создания составного изображения. Затем данные с каждого телескопа объединяются для получения еще более детальных изображений. Так что не волнуйтесь, никто никогда не забудет того, чего достиг для нас Хаббл – и будет продолжать достигать. К счастью, сейчас у нас больше космических глаз, чем когда-либо прежде!
Прозрачные облака?
Инфракрасное излучение обладает уникальной способностью проникать сквозь плотные облака пыли и газа, которые не могут пробить другие длины волн света. При наблюдении в видимом или ультрафиолетовом диапазоне эти холодные и плотные облака непрозрачны, так как мелкие частицы пыли внутри них могут поглощать более короткие длины волн света. Следовательно, когда эти короткие длины волн используются для визуализации, свет от объектов за или внутри облаков не обнаруживается, и заметно только свечение облака. Это неудобно, поскольку внутри этих облаков находятся области звездообразования!
После сканирования инфракрасным светом пыль начинает терять свою способность маскировать и скрывать все, что находится внутри и позади нее. Поэтому JWST способен видеть сквозь объекты, которые ранее казались непроницаемыми, и в конечном итоге он откроет самые ранние звезды и галактики в нашей Вселенной, которые ранее были скрыты.
Изображение туманности Карина, сделанное Уэббом (в инфракрасном диапазоне) и Хабблом (в видимом свете); на инфракрасном изображении Уэбба больше деталей, поскольку внутри туманности видны звездные ясли.
На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:
Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.
В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.
Оптика изучает так называемый оптический диапазон электромагнитных волн – часть спектра с включением фрагментов зон инфракрасного и ультрафиолетового излучения, которая доступна человеческому глазу.
Кванты, которые присутствуют в видимой части излучения, называются фотонами.
Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.