Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Коды баннеров проекта DPVA.xyzНачинка: KJR Publisiers
Спектр электромагнитных волн включает в себя все диапазоны электромагнитного излучения. Основными источниками электромагнитных волн являются Солнце и космические тела, линии электропередачи (ЛЭП) и прочие передатчики, приборы СВЧ, вышки сотовой связи и т.д. Само понятие электромагнитного излучения предполагает распространение в пространстве электромагнитного поля.
Что такое электромагнитные излучения
Электромагнитные излучения — это распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, излучаемые различными объектами.
Волновая природа излучения
Электромагнитное взаимодействие между предметами подчиняется электромагнитной теории, базирующейся на уравнениях Максвелла. Тот предположил, что электрическое и магнитное поля имеют замкнутые силовые линии — вектора напряженности, колеблющиеся перпендикулярно направлению распространения волны. Эти распространяющиеся в пространстве волны создают электромагнитное поле. Позднее их существование и волновая природа были доказаны экспериментально.
Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Причина ЭМ излучения
Электрические поля возникают при разнице электрических напряжений, например, при появлении в атмосфере заряженных частиц во время грозы. Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля, которые возбуждают вихревое электрическое поле.
Диапазон видимого света — самый узкий во всем спектре. Длина волны в нем меняется менее чем в два раза. На видимый свет приходится максимум излучения в спектре Солнца. Наши глаза в ходе эволюции адаптировались к его свету и способны воспринимать излучение только в этом узком участке спектра. Почти все астрономические наблюдения до середины XX века велись в видимом свете. Основной источник видимого света в космосе — звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет. На Земле применяются также нетепловые источники света, например, флюоресцентные лампы и полупроводниковые светодиоды.
Для сбора света от слабых космических источников используются зеркала и линзы. Приемниками видимого света служат сетчатка глаза, фотопленка, применяемые в цифровых фотоаппаратах полупроводниковые кристаллы (ПЗС-матрицы), фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Принцип действия приемников основан на том, что энергии кванта видимого света достаточно, чтобы спровоцировать химическую реакцию в специально подобранном веществе или выбить из вещества свободный электрон. Затем по концентрации продуктов реакции или по величине освободившегося заряда определяется количество поступившего света.
Что такое шкала электромагнитных волн, описание
Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота и длина различаются.
Принцип построения
Электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Длина волны обратно пропорциональна частоте и вычисляется через скорость света:
Границы между выделенными диапазонами условны, поэтому они могут перекрываться. Радио- и гамма-волны, расположенные по краям спектра, в принципе не имеют четких границ.
Кто создал шкалу
Электромагнитное взаимодействие между предметами подчиняется электромагнитной теории, базирующейся на уравнениях шотландского физика Джеймса Кларка Максвелла. В 1864 году тот построил теорию электромагнитных излучений, математически доказав существование колебаний в электрических и магнитных полях, скорость распространения которых совпадает со скоростью света. Так как до этого Максвелл занимался теорией цвета и цветным зрением, он описал видимый свет, как волны, соответствующие семи цветам радуги.
Максвелл высчитал длину волны каждого из основных цветов и предположил, что у спектра электромагнитных волн нет границ, они могут быть бесконечно малыми и бесконечно огромными. Невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи на тот момент уже были известны.
В 1888 году немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны и экспериментально доказал, что их природа тождественна природе световых волн, различается только длина волны. В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. В 1900 году, исследуя радий, Поль Виллар обнаружил гамма-лучи.
Почему оказывается необходимой беспроводная связь для обмена информацией?
Потому что не везде можно проложить провода.
Перечислите восемь основных диапазонов длин волн (частот) в спектре электромагнитных волн в порядке возрастания частоты излучения и укажите границы этих диапазонов.
Волны звуковых частот,
Волны звуковых частот – переменный ток со
Радиоволны – переменный ток.
СВЧ излучение – изменение скорости вращения молекул вещества или направления спина валентного электрона атома. Инфракрасное излучение – вращение и колебание молекул вещества.
Источником видимого света являются валентные электроны в молекулах и атомах, которые изменяют свое положение в пространстве и движущиеся ускоренно свободные заряды.
Красный — λ: 780 – 620 нм. Оранжевый — 620 – 590нм. Желтый — 590 – 560 нм. Зеленый — 560 – 500 нм. Голубой — 500 – 480 нм. Синий — 480 – 450 нм. Фиолетовый — 450 – 380 нм.
Свет помогает получать информацию об окружающем мире, чем способствует выживанию человека и всего живого. Излучение оказывает воздействие на сетчатку, вызывая ощущение цвета. Видимый свет влияет на фотосинтез.
Ультрафиолетовое излучение – ускоренно движущиеся свободные заряды и валентные электроны молекул и атомов. В малых дозах полезен организму, обладает бактерицидным действием. Рентгеновское излучение – ускоренно движущиеся свободные электроны, изменение состояния электронов внутренних оболочек молекул или атомов. Высокая проникающая способность, применяется при изучении структуры молекул, в медицине.
γ-излучение – ускоренно движущиеся свободные заряды, изменение энергетического состояния атомного ядра. Очень большая проникающая способность. Используется при изучении Вселенной.
Видимое
излучение — электромагнитные волны,
воспринимаемые человеческим глазом,
которые занимают участок спектра с
длинами волн приблизительно от 380
(фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие
волны занимают частотный диапазон от
400 до 790 терагерц. Электромагнитное
излучение с такими длинами волн также
называется видимым светом, или просто
светом (в узком смысле этого слова).
Наибольшую чувствительность к свету
человеческий глаз имеет в области 555 нм
(540 ТГц), в зелёной части спектра.
В
спектре содержатся не все цвета, которые
различает человеческий мозг. Таких
оттенков, как розовый или маджента, нет
в спектре видимого излучения, они
образуются от смешения других цветов.
Видимое
излучение также попадает в «оптическое
окно», область спектра электромагнитного
излучения, практически не поглощаемая
земной атмосферой. Чистый воздух
рассеивает голубой свет несколько
сильнее, чем свет с большими длинами
волн (в красную сторону спектра), поэтому
полуденное небо выглядит голубым.
Многие
виды животных способны видеть излучение,
не видимое человеческому глазу, то есть
не входящему в видимый диапазон. Например,
пчёлы и многие другие насекомые видят
свет в ультрафиолетовом диапазоне, что
помогает им находить нектар на цветах.
Растения, опыляемые насекомыми,
оказываются в более выгодном положении
с точки зрения продолжения рода, если
они ярки именно в ультрафиолетовом
спектре. Птицы также способны видеть
ультрафиолетовое излучение (300—400 нм),
а некоторые виды имеют даже метки на
оперении для привлечения партнёра,
видимые только в ультрафиолете.
Первые
объяснения спектра видимого излучения
дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и
Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов»,
однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал
оптический спектр в стакане с водой.
Лишь спустя четыре века после этого
Ньютон открыл дисперсию света в призмах.
Ньютон
первый использовал слово спектр (лат.
spectrum — видение, появление) в печати в
1671 году, описывая свои оптические опыты.
Он сделал наблюдение, что когда луч
света падает на поверхность стеклянной
призмы под углом к поверхности, часть
света отражается, а часть проходит через
стекло, образуя разноцветные полосы.
Учёный предположил, что свет состоит
из потока частиц (корпускул) разных
цветов, и что частицы разного цвета
движутся с различной скоростью в
прозрачной среде. По его предположению,
красный свет двигался быстрее чем
фиолетовый, поэтому и красный луч
отклонялся на призме не так сильно, как
фиолетовый. Из-за этого и возникал
видимый спектр цветов.
Ньютон
разделил свет на семь цветов: красный,
оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой,
индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал
из убеждения (происходящего от
древнегреческих софистов), что существует
связь между цветами, музыкальными
нотами, объектами Солнечной системы и
днями недели. Человеческий глаз
относительно слабо восприимчив к
частотам цвета индиго, поэтому некоторые
люди не могут отличить его от голубого
или фиолетого цвета. Поэтому после
Ньютона часто предлагалось считать
индиго не самостоятельным цветом, а
лишь оттенком фиолетового или голубого
(однако он до сих пор включён в спектр
в западной традиции). В русской традиции
индиго соответствует синему цвету.
Гёте,
в отличие от Ньютона, считал, что спектр
возникает при наложении разных составных
частей света. Наблюдая за широкими
лучами света, он обнаружил, что при
проходе через призму, на краях луча
проявляются красно-желтые и голубые
края, между которыми свет остаётся
белым, а спектр появляется, если приблизить
эти края достаточно близко друг к другу.
В
XIX веке, после открытия ультрафиолетового
и инфракрасного излучений, понимание
видимого спектра стало более точным.
В
начале XIX века Томас Юнг и Герман фон
Гельмгольц также исследовали взаимосвязь
между спектром видимого излучения и
цветным зрением. Их теория цветного
зрения верно предполагала, что для
определения цвета глаз использует три
различных вида рецепторов.
Характеристики
границ видимого излучения
При
разложении луча белого цвета в призме
образуется спектр, в котором излучения
разных длин волн преломляются под разным
углом. Цвета, входящие в спектр, то есть
такие цвета, которые могут быть получены
световыми волнами одной длины (или очень
узким диапазоном), называются спектральными
цветами. Основные спектральные цвета
(имеющие собственное название), а также
характеристики излучения этих цветов,
представлены в таблице:
Шкала электромагнитных излучений
Главными параметрами электромагнитной волны для ее описания являются:
Электромагнитное излучение обладает не только волновыми, но и квантовыми свойствами. Поэтому законы квантовой механики к электромагнитному полю также применимы.
Длина волны и частота связаны между собой. В вакуумной среде скорость распространения волн неизменна. Длина волны обратно пропорциональна частоте:
λ = c/v ,
где λ – длина волны, м;
ν – частота, Гц;
с – скорость света, м/с.
Диапазоны электромагнитных волн
Излучение делится на ряд диапазонов. Электромагнитный спектр в порядке возрастания частот и убывания длин волн подразделяется на:
Границы каждого диапазона могут перекрываться между собой, четкого деления не существует.
Начинается спектр с низких частот с длинами от 105 до 101 м. Граница радиоволн лежит вблизи ИК-диапазона и включает в себя микроволны и СВЧ. Частота радиоволн достигает 3 ТГц.
В зависимости от длины радиоволны бывают:
Большинство электроприборов работает в диапазоне радиоволн. Описанием радиоволн занимается классическая электродинамика. Ограничением в применении радиоволн в технике ограничивается зонами прямого распространения по поверхности Земли. Поэтому для улучшения сигналов могут применяться специальные передатчики, ретрансляторы и прочее.
Этот диапазон часто относят к радиоволнам. Частоты микро- и СВЧ волн лежат в интервале от 30 ГГц до 300 ГГц и имеют длины от 300 до 1 мм. Данный диапазон широко распространен в системах спутниковой связи. В быту всем известны микроволновые и СВЧ печи для разогрева и приготовления пищи.
ИК-диапазон
До границы видимой области лежит спектр инфракрасного излучения. Длины ИК волн могут быть от 2000 мкм до приблизительно 740 нм. При этом частоты варьируются от 150 ГГц до 405 ТГц. Человеческий глаз не способен распознать волну, однако воздействие может ощущаться как локально повышение температуры, т.е. тепло. У более коротких волн интенсивность излучения сильнее, и, как следствие, температура нагревания выше. Применение диапазона основано именно на этом свойстве. Ярким примером применения электромагнитных ИК волн в технике является тепловизор. Во время спасательных работ также используются детекторы ИК излучения.
Законы распространения и прочие расчеты для данного диапазона относятся к разделу «оптика».
Видимые лучи
В интервале от 740 до 380 нм находится световое излучение, различимое человеческим глазом. Это видимая область спектра. Волны имеют частоты от 400 до 790 ТГц. Излучение световой области свободно проходит через атмосферу, обладают свойством преломления и отражения. Каждый промежуток длин волн (шагом от 20 до 40 нм приблизительно) представляет собой монохроиатическое излучение, т.е. отличается определенным цветом. Мы с детства знаем их как цвета радуги: от красного (самые длинные волны) до фиолетового (наиболее короткие). Глаз человека наиболее восприимчив к длине волны порядка 555 нм, что находится на границе желтого и зеленого цветов.
УФ излучение
Длины волн в этом диапазоне лежат в пределах от 400 до 10 нм. Спектр в этой части делится на подгруппы:
Ультрафиолет излучается Солнцем в большом количестве. Также сегодня существует большое количество искусственных ламп с УФ излучением. Эти лучи обладают бактерицидным действием, но требуют соблюдения техники безопасности.
Рентгеновское излучение
Эти невидимые глазу лучи лежат в интервале от 10 до 0,1 нм (мягкое излучение) и от 0,1 до 0,01 нм (жёсткое излучение). Лучи выделяются при ядерных реакциях, излучении плазмы и в электронно-лучевых трубках при квантовых переходах внутри атомов тяжелых металлов. С помощью рентгена проводят диагностические и лечебные процедуры, а также проводят рентгено-дифракционный анализ соединений.
Гамма-излучение
Длины волн γ-лучей составляют менее 0,1 Å. Излучение образуется при ядерных реакциях. Также гамма-лучи испускаются космическими объектами. Воздействие этих электромагнитных волн разрушительно для живых тканей. Через слой атмосферы гамма-излучение пройти не способно.
Последние три вида излучений (УФ, рентген, γ) представляют опасность для человека и животных. Поэтому контакт, изучение и прочая деятельность с источниками этого вида волн должны производиться с использованием специальных средств защиты и с соблюдением необходимых мер предосторожности.
Что образует шкалу
Вдоль шкалы слева направо увеличивается длина волны. Каждая метка отличается от соседней в десять раз.
Диапазон по энергии квантов
Кроме частоты и длины, электромагнитная волна имеет и третью характеристику — энергию кванта (или фотона). Она пропорциональна частоте и высчитывается по формуле:
где — постоянная Планка, а греческая буква «ню» — частота.
Где применяется шкала ЭМ излучений
Радиолюбителям и пользователям раций важно знать допустимые для переговоров диапазоны, а также полосы военных и аварийных частот, чтобы не занимать чужие выделенные каналы. Собирая собственный приемник или передатчик, нужно заранее определиться, на какие частоты он будет настроен, чтобы использовать соответствующие детали.
Космическое инфракрасное излучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять классы, возраст звезд, химический состав их атмосфер. Например, протозвезды, еще не достигшие главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Расселла, интенсивно излучают энергию в инфракрасном спектре, но при этом полностью лишены теплового излучения.
Применение инфракрасной аппаратуры космического базирования позволяет решать практические задачи геологического картирования, изучать вулканы и геотермальные источники. Метеорологи, измеряя собственное инфракрасное излучение облачных образований, изучают свойства разных слоев атмосферы.
С помощью шкалы энергий излучения можно идентифицировать гамма-радиоактивные вещества, измеряя с помощью специальной установки поглощение испускаемых ими волн. УФ-спектроскопия и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей применяются в прикладной химии для идентификации органических соединений.
Какие бывают виды электромагнитных волн
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.
Первыми материалами о существовании предполагаемых электромагнитных волн поделился английский ученый-физик Фарадей в 1832 году. Позднее Дж.Максвелл выстроил теорию электромагнитного поля, обосновав ее математическим путем. Выводы Максвелла подтвердил практическим экспериментом Герц, хотя первоначально он стремился их опровергнуть.
Успешной в изучении электромагнитных волн была деятельность П.Н. Лебедева.
Электромагнитное поле распространяется в пространстве посредством электромагнитных волн (ЭМВ). Те из них, которые возникают вокруг электрического заряда и способны распространяться вдаль от самого движущегося заряда, относят к понятию «излучение». При этом его сила по мере увеличения расстояния постепенно затухает. Исключение составляет вакуумная среда, т.е. пространство, в котором нет прочих тел или веществ, способных поглотить существующие либо испустить новые волны.
В физике в зависимости от диапазона существует следующая классификация видов ЭМВ:
Для гамма-излучения существует параллельный термин «жесткое».
Скорость распространения ЭМВ зависит от ее длины. В вакууме она равна скорости света, в других средах имеет более низкие значения. Этим показателем определяется, будет ли излучение подчиняться законам геометрической оптики. Это происходит тогда, когда расстояние в несколько раз превышает длину волны.
Еще одной важной характеристикой является частота излучения, которая обозначается λ.
Частота излучения равна числу гребней, проходящих через регистрационное устройство за единицу времени — секунду.
С учетом положений теории колебаний и электродинамики, для ЭМВ характерно существование 3х векторов, располагающихся перпендикулярно друг к другу. Это вектора:
Что является источником электромагнитных волн
Синтезировать ЭМВ может электрический колебательный контур (проводник). Примером являются лампы, магнетроны, транзисторы. Наиболее простой источник — точечного характера. Его размеры намного меньше того расстояния, на протяжении которого действуют излучаемые им ЭМВ. Причем излучение происходит равномерно интенсивное во всех направлениях.
Самое коротковолновое излучение осуществляют атомные ядра, хотя большого различия между соседними по классификации группами нет. Обнаружение ЭМВ происходит по результатам воздействия на заряженные частицы.
Ученым удалось установить естественный волновой фон, в котором человек адаптировался. В то же время существование на Земле двух полюсов ведет к тому, что на человека постоянно оказывается излучение определенного спектра. Когда электромагнитное поле у живого индивидуума претерпевает изменения, у него могут возникнуть довольно серьезные проблемы со здоровьем.
Исторически доказаны факты, что во время и после вспышек на Солнце часты катаклизмы и войны. Это результат сдвига в магнитном поле Земли.
Классификация, частотные диапазоны
В основе классификации ЭМВ лежат характерные для каждой из подгрупп частотные диапазоны. Между ними не существует резких, четко очерченных границ, порой их значения могут перекрывать один другого. Скорость излучения постоянна только в вакууме, поэтому частота взаимосвязана с длиной ЭМВ в таких же условиях.
Радиоволны
Диапазон радиоволн занимает отрезок от низких до инфракрасных частот (до 3 ТГц). Их распространение происходит без волноводов, поэтому можно не учитывать атомистическое строение окружающей среды.
Радиоволны подразделяются на:
Источником являются атмосферные, а также магнитные природные явления. Второй источник — радиосвязь. Ультракороткие волны образуются при физических явлениях — грозах.
Ультракороткие радиоволны
Длина волны ультракоротких лучей — 10м-1мм, сверхдлинных — более 10км. При этом частота ультракоротких — 30 МГц-300 ГГц, ультрадлинных — менее 30 кГц.
Ультракороткие радиоволны можно зарегистрировать при прохождении тока переменной частоты, что используется в радиотехнике, например, при сооружении антенн.
Группа подразделяется на метровые, деци-, санти-, мили-, субмилли- и микрометровые. Если длина волны менее 1-го метра (при частоте сверх 300 МГц), то она относится к микроволнам или СВЧ (сверх высоких частот).
Инфракрасное излучение
Начиная от красного цвета видимого света (длина 0,74 мкм) до микроволны (1-2 мм) занимает инфракрасное излучение. Это самый большой промежуток спектра, который могут излучать твердые и жидкие тела, имеющие определенную температуру. В таком случае про них говорят, что происходит излучение энергии в инфракрасном диапазоне. Важно, что длина волн, которые такие тела излучают, прямо пропорциональна температуре.
Тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура нагретого тела и короче длина ЭМВ.
В том свете, который видит человеческий глаз, содержится 7 основных цветов. При этом красные области спектра находятся после инфракрасных, а за фиолетовыми следуют ультрафиолетовые. Однако ни тот, ни другой край не способен видеть глаз человека.
Поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру 6000оС. Ее цвет — желтый, а источник излучения является оптическим. Наши органы чувств способны воспринимать такой участок спектра излучения.
Оптический диапазон излучения обусловлен тепловым движением молекул и атомов. При определенной скорости их движения тело нагревается и начинает светиться сначала красным светом, затем — желтым.
В окружающей среде чаще встречаются тела, которые излучают свет, состоящий из ЭВМ разной длины, сложного состава спектра. Их энергия воспринимается глазом человека и может ощущаться неоднозначно. Происходит это по причине различной чувствительности глаза к волнам неодинаковой длины.
Наряду с тепловым излучением, излучать оптическую энергию могут химические и биологические процессы. В качестве примера приема оптического излучения можно привести фотографирование.
Жесткие лучи
К данной группе относятся рентгеновское излучение. В естественных условиях оно образуется в ходе ионизации атомов, сопровождающей радиоактивный распад. Еще одной причиной образования является космическое излучение.
Область рентгеновского излучения отделена от гамма-диапазона условно. Ориентировочно его энергия заключена в диапазоне 20 эВ-0,1 МэВ, в отличие от гамма-энергии, диапазон которой более 0,1 МэВ.
УФ лучи
«По соседству» с рентген-излучением находятся UV лучи. Их диапазон делится на ближний и дальний (вакуумный). Ближний занимает нишу 380-200 нм, дальний — 200-10 нм. Дальний также может называться вакуумным. Он интенсивно поглощается атмосферными массами и подвергается исследованиям в использованием вакуумного оборудования.
История открытия УФО связана с именем И.В. Риттера. который в 1801 году сделал вывод, что хлорид серебра под воздействием невидимого излучения с длиной волны, находящейся за пределами фиолетового света, разлагается быстрее.
УФ излучение с длинными волнами
Данный поддиапазон содержит волны не интенсивной активности. Однако они также вызывают пигментацию кожи и в небольших дозах оздоравливают человеческий организм.
Длинноволновое УФ излучение характеризуется свечением определенных веществ, благодаря чему оно находит применение в изготовлении люминесцентных предметов, а также в качестве маркера в некоторых химических реакциях.
УФ излучение со средней длиной волн
Под действием таких ЭМВ витамин D в организме человека превращается в физиологическую форму и служит для профилактики рахита. Средневолновое УФ излучение тонизирует системы организма, вызывает выработку мелатонина, однако губительно для растений.
УФ излучение с короткой длиной волн
Обладает бактерицидным эффектом, благодаря чему используется в обеззараживающих установках. С его участием идет дезинфекция и стерилизация медицинского оборудования и предметов быта.
УФ облучение поступает на землю от Солнца. Удельный вес различных вариантов данного излучения непостоянен, он зависит от многих факторов окружающей среды.
Существуют и искусственные доноры УФ излучения. Такие источники нашли применение в медицинских приборах, оборудовании санитарно-гигиенического профиля, а также в борьбе с вредителями сельского хозяйства.
Относится к коротковолновым ЭМИ. Характеризуются корпускулярными свойствами и обладают значительным травмирующим воздействием на человеческий организм. Его нельзя почувствовать или ощутить. Это ионизирующее излучение, при котором устойчивые атомы превращаются в ионы. Скорость лучей находится в световом диапазоне.
Среди источников гамма-излучения можно назвать квазары и пульсары. Когда звезда преобразуется в сверхновую, наблюдается выделение энергии и гамма-излучение.
Виды ЭМ волн
Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. У каждого цвета собственная длина волны.
Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Лучи света обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Монохроматические излучения, смешиваясь, образуют оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый.
Невидимая зона
Существование невидимых тепловых лучей предсказал французский физик Пьер Прево еще в 1791 году. В 1800 году они были обнаружены экспериментально при изучении температуры разных цветов и названы инфракрасными. Нижнюю часть инфракрасного спектра, наиболее удаленную от видимых лучей, называют микроволнами. Средняя часть спектра — излучение горячих тел, в том числе тела человека. Самые короткие инфракрасные волны схожи по своему поведению с лучами видимого света и могут быть обнаружены чувствительным фотооборудованием.
В 1801 году открыли лучи вне видимого спектра, схожие с фиолетовыми. Их фотоны обладают таким количеством энергии, что способны ионизировать атомы и тем самым вызывать химические процессы. Короткие ультрафиолетовые волны близки к рентгеновским и могут повреждать живые ткани. Волны средней длины не относятся к ионизирующим, но при длительном воздействии разрушают химические связи, например, вызывают рак кожи.
Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: длина волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра. Излучение возникает при столкновении электронов и поверхности анода на большой скорости, когда атомы анода меняют внутреннюю структуру. Частота зависит от материала анода; излучение делят на мягкое, с большей длиной волны и меньшей частотой, и жесткое. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь тело человека, поэтому используются в медицинской диагностике.
При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение, которое также обозначают греческой буквой . Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле:
где — постоянная Планка.
Это самые короткие волны. Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и так интенсивно воздействуют на живые клетки, что могут останавливать их атипичное деление при онкологии.
Радиоволны почти не задерживаются атмосферой, поэтому их удобно использовать для передачи закодированной информации. Они значительно различаются по длине: от нескольких сантиметров до тысяч километров. Длинные волны отражаются от ионосферы планеты и таким образом могут огибать земной шар. Также их используют для изучения астрономических объектов.
Можно разделить источники на два типа — микроскопические и макроскопические. Если заряд, колеблющийся с определенной частотой, перемещается внутри атомов и молекул, источник считается микроскопическим. Искусственно созданные источники, в которых колеблются электроны проводников — макроскопические.
Виды электромагнитных излучений, их характеристики
Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота, как и зависящая от нее длина, различается, что влияет на их взаимодействие с разными веществами. Поэтому основная классификация электромагнитных излучений делит их согласно частотным диапазонам.
Также электромагнитные излучения различаются по происхождению:
При появлении большого количества антропогенных источников излучения стали классифицировать не только по частоте и длине волн, но и по степени их вреда для человека. Ионизирующие излучения могут быть причиной реактивных изменений в организме человека, называемых лучевой болезнью. Заряженные частицы испускают столько энергии, что нарушают связи между молекулами облучаемого объекта. К ионизирующим относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя на атомы способны воздействовать и другие виды электромагнитных волн.
Видимый свет
Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Видимые излучения обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый, образуются при смешении монохроматических излучений.
Инфракрасное излучение занимает область спектра между видимым светом и микроволновым излучением. Чем выше температура излучающего тела, тем интенсивнее излучение и короче длина волны. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники. Излучение Солнца наполовину состоит из инфракрасных волн.
В спектре этого вида излучения выделяют:
Радиоволны относятся к низкочастотным электромагнитным волнам — до 3 ТГц. Их принято классифицировать по длине волны:
Также радиоволны можно разделить на амплитудно-модулированные (АМ) и частотно-модулированные (FM). FM-радиосигналы передают звук, меняя частоту несущего колебания, а не амплитуду, как AM-сигналы. Расстояние передачи FM-сигналов значительно меньше, но качество передаваемого звука выше, и они менее подвержены влиянию электромагнитных помех.
Ультрафиолетовое
Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое делят на три спектральных участка, ориентируясь на разное биологическое воздействие ультрафиолетовых волн:
Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, состоит из ближнего ультрафиолета и небольшого количества УФ-В лучей. УФ-С лучи поглощает атмосфера.
При распаде радиоактивных веществ ядра их атомов испускают гамма-излучение. Его частота определяется разностью энергий двух состояний ядра и рассчитывается по формуле , где — постоянная Планка.
Примеры источников ЭМ излучения
Сверхдлинные естественные радиоволны излучают астрономические объекты. Солнце испускает видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, поверхность Земли и облака отдают поглощенную энергию в атмосферу в виде инфракрасного излучения.
Искусственное излучение генерируют вышки радио- и телевещания, мобильной связи. При проходе тока по линиям электропередачи происходит паразитное излучение электромагнитных волн. Также паразитное излучение могут создавать системы распределения электроэнергии, токоведущие элементы работающих электроустановок: генераторов, трансформаторов, электромагнитов. Степень опасности для человека, находящегося в зоне действия поля, зависит от мощности его источника.
Диапазоны ЭМ излучения
Два главных параметра электромагнитных излучений — частота колебаний (число полных циклов колебаний в секунду) и длина волны lambda (расстояние, которое она проходит за одно колебание) — жестко связаны между собой. Зная частоту излучения, можно определить длину его волны, и наоборот, подставив известное значение в выражение , где — скорость света.
Обзоры неба
Здесь вновь отчетливо видна плоскость нашей Галактики — Млечного Пути. Ее свечение складывается из света сотен миллиардов звезд и туманностей. Также хорошо заметны темные волокна пылевых облаков, которые заслоняют от нас часть света звезд в галактической плоскости.
Туманные образования в нижней половине обзора — Большое и Малое Магеллановы облака, спутники нашей Галактики. Яркие звезды, которые кажутся нам основными объектами на небе, на такой мелкомасштабной карте практически незаметны.
Небо в линии водорода H-альфа, 656 нм
Спектральная линия H-альфа соответствует переходу электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй.
Это первая линия так называемой серии Бальмера, которая вся состоит из переходов с разных более высоких уровней на второй. Имеются аналогичные серии переходов на первый уровень (серия Лаймана), на третий уровень (серия Пашена) и на другие уровни. Отличительная особенность серии Бальмера состоит в том, что она практически целиком располагается в видимом диапазоне, что значительно облегчает наблюдения. В частности, линия H-альфа приходится на красный участок спектра.
Излучение в этой линии возникает в разреженных космических облаках атомарного водорода. Атомы в них возбуждаются ультрафиолетовым излучением горячих звезд, а потом отдают энергию, переходя на более низкие уровни. Выделяя при помощи фильтров линию H-альфа, можно целенаправленно наблюдать распределение нейтрального водорода.
Обзор неба в линии H-альфа показывает распределение газа в нашей Галактике. На нем видны крупные пузыри газа вокруг областей активного звездообразования.
Земное применение
При рассматривании предметов на расстоянии ясного зрения (25 см) человек может различить детали величиной около 0,1 мм (угловое разрешение глаза порядка одной угловой минуты 1′ = 2,3×10-4 рад). Чтобы увидеть более мелкие детали, смотреть надо с меньшего расстояния, но на расстояние менее 10 см глазу очень трудно настроиться.
Добиться этого можно, используя лупу, оптическая сила которой добавляется к оптической силе хрусталика. Но и в этом случае предел увеличения составляет примерно 25х, т. к. размер такой сильной лупы становится очень маленьким и размещать ее приходится близко к образцу. Фактически такая лупа становится объективом микроскопа. Смотреть в него глазом очень неудобно, но можно поступить иначе.
Тщательно отрегулировав расстояние от объектива до предмета, можно получить на некотором отдалении позади объектива его увеличенный образ. Поместив за ним другую лупу и рассматривая в нее построенный объективом образ, можно добиться увеличения в сотни и даже более тысячи раз.
Однако увеличения заметно более 1000 раз не имеют практического смысла, поскольку волновая природа света не позволяет рассмотреть детали размером меньше длины волны (400–700 нм). При увеличении в 2000 раз такие детали видны как миллиметровое деление на линейке, которую вы держите в руках.
Дальнейшее повышение увеличения не откроет вам новых подробностей. Чтобы увидеть детали с большим разрешением, требуются рентгеновские лучи с меньшей длиной волны или вообще потоки электронов, у которых (согласно квантовой механике) длина волны меньше. Также можно применять механический щуп с очень точной системой наводки — так называемый сканирующий микроскоп.
Лампа накаливания
Испускает видимый свет и инфракрасное излучение за счет нагрева электрическим током помещенной в вакуум вольфрамовой спирали. Спектр излучения очень близок к чернотельному с температурой около 2000 К.
При такой температуре максимум излучения приходится на ближнюю инфракрасную область и потому расходуется бесполезно для целей освещения. Существенно поднять температуру не удается, поскольку при этом спираль быстро выходит из строя. Поэтому лампы накаливания оказываются неэкономичным осветительным прибором. Лампы дневного света значительно эффективнее преобразуют электроэнергию в свет.
Далее: Инфракрасный диапазон
Практическое применение электромагнитных волн
Космическое радиоизлучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять координаты небесных тел, структуру, интенсивность излучения и другие характеристики. Астрономы отправляют зондирующие радиосигналы и регистрируют их эхо, исследуя планеты Солнечной системы, их спутники и кольца, астероиды, кометы, космический мусор.
Благодаря радиоволнам работает мобильная связь, радиосвязь, радиовещание, телевещание, спутниковая связь. Применение инфракрасных излучателей для обогрева помещений и сушки окрашенных поверхностей ускоряет процесс и уменьшает затраты электроэнергии. Инфракрасные каналы приема и передачи данных нечувствительны к электромагнитным помехам, что позволяет использовать инфракрасные волны в условиях, когда радиосвязь затруднена. Ультрафиолетовое излучение эффективно обеззараживает воздух и воду, а также применяется для сушки зубных пломб.
Рентгеновские лучи помогают получить изображение костей и внутренних органов человека, высвечивают дефекты в рельсах и сварочных швах. В аэропортах применяют рентгенотелевизионные интроскопы для бесконтактного просмотра содержимого багажа.
Практическое применение шкалы в решении задач
На какой из аварийных частот судну лучше всего передавать сигнал бедствия, если оно находится в 230 км от берега?
Переводим километры в морские мили (nm). 1 км = 0,54 nm, соответственно, 230 км = 124,19 nm. Судно находится в районе А2, в зоне действия береговой ПВ радиостанции, так что подавать сигналы бедствия должно по относящимся к ней частотам.
Изомерные 1,3-пентадиен и 1,4-пентадиен имеют в УФ-спектрах максимумы поглощения при 165 нм (спектр А) и 225 нм (спектр Б). Какому веществу принадлежит каждый спектр?
Двойные связи в 1,3-пентадиене (СН2=СН-СН=СН-СН3) сопряжены, а в 1,4-пентадиене (СН2=СН-СН2-СН=CH2) изолированы. Сопряженные системы поглощают свет в более длинноволновой области, чем системы с изолированными двойными связями. Поэтому спектр Б принадлежит 1,3-пентадиену, а спектр А — 1,4-пентадиену.
Шкала и сфера применения
Расположение ЭМВ в порядке возрастания частоты (либо уменьшения λ) возникает система, которая называется шкалой электромагнитных волн. По сути, это — непрерывный ряд частот ЭМИ, который носит условный характер.
Широко распространены приборы ночного видения, в основе работы которых лежит инфракрасное излучение. Разработаны и выпускаются специальные детекторы ИК лучей, которые помогают спасательным службам искать живые существа под завалами (в результате завалов при землетрясениях или прочих стихийных бедствиях). Сегодняшнее применение ЭМВ широко и разнообразно. Без них не обходится работа электротехнических приборов, например, сотовая связь, бескабельный интернет, радио и телевизионные приборы с пультом управления. Мы разогреваем пищу в микроволновой печи, а автомобилисты учитывают работу на трассе радаров.
ЭМВ появляются в окололампочном пространстве, а также рядом с работающими телевизорами и мониторами.
Широкая сфера применения у УФ лучей. В определенном диапазоне они обладают антисептическим и дезинфицирующим действием, что используется в борьбе с инфекциями. В банковских структурах, опираясь на механизм их действия, проверяют подлинность денежных купюр.
Поскольку УФ лучи оказывают губительное действие на любую живую клетку, в т.ч. бактерии и вирусы, то механизм УФ облучения используется для стерилизации медицинских изделий, оборудования, рабочих поверхностей.
Если бы над земной корой отсутствовала атмосфера, жесткие УФ лучи убили бы все живое на Земле. Однако озоновый слой атмосферы способен поглощать эти лучи, выбирая их из спектра радиации Солнца. Несмотря на это, часть жестких УФ лучей все-таки проникает на поверхность Земли и способна вызвать ожоги, а также озлокачествление клеток кожи.
Велико значение в медицине рентгеновских лучей. Проникая через мягкие ткани, они дают врачу представление о костной патологии, помогают диагностировать переломы и искривления.
Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. 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.
Космическая аппаратура использует устройства гамма-телескопы.
Приемники
В профессиональной астрономии визуальные наблюдения больше не применяются. Лет 20 назад их полностью вытеснили цифровая фотография, фотометрия, спектрометрия и компьютерная обработка данных.
Однако романтика визуальных наблюдений по-прежнему вдохновляет любителей астрономии. Невооруженному глазу доступны Солнце, Луна, пять планет, около 6 тысяч звезд и четыре галактики — Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы облака. Эпизодически появляются видимые глазом кометы и астероиды.
Практически каждую ночь можно наблюдать сгорающие в атмосфере космические песчинки — метеоры, а также неторопливо ползущие по небу искусственные спутники Земли. В высоких широтах наблюдаются полярные сияния, в низких при благоприятных условиях виден призрачный зодиакальный свет — освещенная Солнцем космическая пыль. И всё это разнообразие наблюдается в крайне узком спектральном диапазоне, который почти в тысячу раз уже инфракрасного диапазона.
В бинокль видно в десятки раз больше звезд и множество туманных объектов. Любительскому телескопу доступно в тысячи раз больше звезд, детали на поверхности планет, их спутники, а также сотни туманностей и галактик. Но при этом поле зрения у телескопа значительно меньше, и для успешных наблюдений его надо надежно закрепить, а еще лучше медленно поворачивать вслед за вращением неба.
Любительский телескоп
В современном мире любительская астрономия стала увлекательным и престижным хобби. Ряд фирм, таких как Meade и Celestron, производят телескопы специально для любителей. Простейшие инструменты с диаметром объектива от 50–70 мм стоят 200–500 долларов, самые крупные с диаметром 350–400 мм сравнимы по стоимости с престижным автомобилем и требуют стационарной установки на бетонном фундаменте под куполом. В умелых руках такие инструменты вполне могут дать вклад в большую науку.
Самые популярные в мире любительские телескопы имеют диаметр около 200 мм и построены по оптической схеме, изобретенной советским оптиком Максутовым. Они имеют короткую трубу, которую обычно устанавливают на вилочной монтировке и снабжают компьютером для автоматического наведения на различные объекты по их небесным координатам. Именно такой инструмент показан на плакате.
24-метровый телескоп «Магеллан» (строящийся)
В 1975 году в СССР построили 6-метровый телескоп БТА. Чтобы главное зеркало телескопа не деформировалось, его сделали толщиной около метра. Казалось, что дальше увеличивать размеры зеркал невозможно. Однако выход был найден. Зеркала стали делать относительно тонкими (15–25 см) и разгружать на множество опор, положением которых управляет компьютер. Возможность изгибать зеркала, гибко подстраивая их форму, позволила построить телескопы диаметром до 8 метров.
Но и на этом астрономы не остановились. На самых крупных инструментах зеркала делят на сегменты, совмещая положение частей с точностью до сотых долей микрона. Так устроены крупнейшие в мире 10-метровые телескопы Кека. Следующим шагом станет американский телескоп «Магеллан», в котором будет 7 зеркал, каждое диаметром 8 метров. Вместе они будут работать как 24-метровый телескоп. А в Европейском Союзе началась работа над еще более амбициозным проектом — телескопом диаметром 42 метра.
Главным препятствием для реализации возможностей таких инструментов становится земная атмосфера, турбулентность которой искажает изображение. Для компенсации помех, за состоянием атмосферы постоянно наблюдает специальная аппаратура и на ходу изгибает зеркало телескопа так, чтобы компенсировать искажения. Эта технология называется адаптивной оптикой.
Схема оптического телескопа-рефлектора
Телескоп выполняет две задачи: собрать как можно больше света слабого источника и различить как можно более мелкие его детали. Светособирающая способность телескопа определяется площадью главного зеркала, разрешающая способность — его диаметром. Именно поэтому астрономы стремятся построить как можно более крупные телескопы.
У небольших телескопов в качестве объектива может использоваться собирающая линза (телескоп-рефрактор), но чаще применяется вогнутое параболическое зеркало (телескоп-рефлектор). Главная функция объектива — построить изображение наблюдаемых источников в фокальной плоскости телескопа, где располагают фотокамеру или другое оборудование. В любительских телескопах для визуальных наблюдений позади фокальной плоскости ставят окуляр, представляющий собой, по сути, сильную лупу, в которую рассматривается созданное объективом изображение.
Однако у рефлектора фокальная плоскость находится перед зеркалом, что не всегда удобно при наблюдениях. Используют разные приемы, чтобы вывести пучок света за пределы тубы телескопа. В системе Ньютона для этого используется диагональное зеркало. В более сложной системе Кассегрена (на плакате) напротив главного зеркала ставят вторичное выпуклое зеркало в форме гиперболоида вращения. Оно отражает пучок назад, где он выходит через отверстие в центре главного зеркала. В системе Максутова на переднем конце трубы телескопа ставят тонкую выпукло-вогнутую линзу. Она не только предохраняет зеркала телескопа от повреждения, но и позволяет сделать главное зеркало не параболическим, а сферическим, что намного дешевле в изготовлении.
Космический телескоп «Хаббл»
Самый крупный орбитальный оптический телескоп. Диаметр его главного зеркала составляет 2,4 метра. Выведен на орбиту в 1991 году. Может вести наблюдения в видимом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Единственный космический телескоп, который посещали астронавты для ремонта и обслуживания.
Телескопу имени Хаббла астрономия обязана десятками открытий. В числе прочего он позволил увидеть, как выглядели галактики в эпоху их зарождения около 13 млрд лет назад. В настоящее время на смену телескопу Хаббла создается космический телескоп нового поколения — James Webb Space Telescope (JWST) диаметром 6,5 метров, который планируется вывести в космос в 2013 году. Правда, работать он будет не в видимом диапазоне, а в ближнем и среднем инфракрасном.