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.
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.
Электромагнитные волны (также называют как электромагнитное излучение) — это распространение в пространстве переменных электрических и магнитных полей. Другими словами, это поперечные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с в вакууме. Электромагнитные волны включают: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Приведенные волны различаются по длине и частоте.
В этой статье вы узнаете, что такое электромагнитные волны, как они используются, а также важные формулы, которые математически их описывают.
Что такое электромагнитная волна?
Название «электромагнитные волны» состоит из двух частей — «электромагнитные» и «волны». Волны» говорит о том, что что-то периодически колеблется вверх и вниз. Добавление слова «электромагнитный» говорит о том, что это «что-то» — электрические и магнитные поля.
Это означает, что электромагнитные волны (также называемые электромагнитным излучением) описывают периодическое колебание электрического и магнитного полей. Поля не колеблются беспорядочно вверх и вниз, а связаны друг с другом так, что электрическое поле перпендикулярно магнитному полю (см. рисунок 1).
Рис. 1. Электромагнитная волна
Когда мы помещаем куда-либо положительный или отрицательный электрический заряд, в пространстве вокруг него возникают силы, действующие на другие заряды; например, явление поляризации (разделение электрических зарядов в проводнике). Мы говорим, что электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, и это поле оказывает влияние на другие заряды. Это электрическое поле отвечает за протекание электрического тока.
Если заряд, создающий поле, перемещается, т.е. приближается к одним зарядам и удаляется от других, то действующие силы будут меняться. Из этого следует, что поле будет меняться. Поэтому мы можем иметь дело с полем, постоянным во времени (статическим), или с полем, изменяющимся во времени. Если электрическое поле в проводнике постоянно, то постоянна и сила тока. Если поле меняется, то меняется и электрический ток.
То же самое справедливо и для магнитных сил — они возникают в пространстве вокруг магнита, электромагнита или проводника, в котором течет электрический ток. Это означает, что эти тела являются источниками магнитного поля. Если источники поля неподвижны, а электрический ток в обмотках электромагнита или одиночного проводника имеет постоянное значение, то создаваемое поле будет статическим. Движение источников и изменение силы тока создадут переменное поле.
Вы уже знаете, что изменение положения магнита относительно проводника может вызвать протекание в нем электрического тока. Поскольку для этого потока необходимо электрическое поле, следует, что переменное магнитное поле создает электрическое поле. Вы также знаете, что при протекании электрического тока в проводнике возникает магнитное поле вокруг проводника, и если электрический ток течет то в одну, то в другую сторону, или его интенсивность увеличивается или уменьшается, то магнитное поле, создаваемое этим электрическим током, будет переменным.
Что происходит, когда в каком-либо месте возникает переменное магнитное поле? Сразу же появится переменное электрическое поле. Там не обязательно должен быть проводник. А когда в определенном месте появляется изменяющееся электрическое поле (например, при движении)? Да, вы правы — в этом месте появится переменное магнитное поле. Именно так эти поля переносятся в пространстве.
Деформация поверхности воды распространяется, создавая волну, а сгущение воздуха, вызванное движением струны, передается по воздуху, создавая звуковую волну. В отношении переменных электрических и магнитных полей мы говорим об электромагнитной волне. Во второй половине 19 века теория распространения волн была разработана Джеймсом Клерком Максвеллом. Известно, что он как-то сказал, что это чрезвычайно красивая теория, которая никогда не будет полезна.
Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем в 1886 году. Теория Максвелла была подтверждена, но Герц не дожил до рождения радио.
Как видно из вышесказанного, для того чтобы возбудить электромагнитную волну, необходимо где-то индуцировать изменение магнитного или электрического поля. А как узнать, что волна куда-то дошла? Если мы возбудим механическую волну на одном берегу озера, то, когда она достигнет лодки, плывущей по воде на другом берегу, мы заметим, что она начнет подниматься и опускаться. Электромагнитная волна, создаваемая переменными электрическим и магнитным полями, вызывает электрический ток в замкнутой цепи приемника. Наиболее важное различие между обоими типами волн заключается в том, что механическая волна требует материальной среды, в которой она может распространяться. Электромагнитная волна может распространяться в вакууме.
Свойства электромагнитных волн
Существует ряд свойств, которыми обладают электромагнитные волны. В этом подразделе мы перечислим наиболее важные свойства и их значение.
Формулы
В этом разделе мы покажем вам, как преобразовать длину волны, частоту и энергию электромагнитной волны.
Связь длины волны с частотой и энергии с частотой.
В вакууме все типы электромагнитных волн распространяются с одинаковой скоростью (c). В любой другой среде считаем, что электромагнитные волны распространяются со скоростью v.
Если обозначить длину волны через λ, а частоту через f, то получится следующее: с = λ * f (1), где c — скорость света.
Между энергией E волны и ее частотой f действует соотношение: E = h * f (2), где h — постоянная Планка.
Если мы возьмем первое соотношение и преобразуем его к частоте, то получим f = c / λ .
Если мы теперь заменим частоту f во второй формуле на c / λ , то получим E = h * c / λ = ( h*c ) / λ .
Это означает, что все три величины связаны друг с другом. Таким образом, если вы задали одну из трех величин, вы можете рассчитать две другие. Например, если вы знаете длину волны, вы можете использовать формулу f = c / λ и вычислить частоту, а далее использовать формулу E = ( h*c ) / λ для того, чтобы вычислить энергию электромагнитной волны E.
Преобразование единиц измерения.
Таким образом, выражение ( h*c ) / λ имеет единицу измерения: ( Дж * с * м / c ) / м = Дж.
Виды электромагнитных волн и их диапазоны длин
Диапазоны длин электромагнитных волн
Волны располагаются в порядке возрастания частоты и уменьшения длины, поскольку чем длиннее волна, тем ниже ее частота. Волны с высокой частотой, т.е. ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, несут в себе высокую энергию. Взаимодействие этих волн с живыми организмами может привести к повреждению клеток или даже смерти (при высокой дозе излучения).
Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие частоты. Они используются в основном для общения. Они позволяют передавать изображения и звук, что является основой радио- и телевизионных станций. Радиоволны делятся на длинные и короткие в зависимости от их длины. Коротковолновые радиостанции используют разные частоты для разных частей страны. Существуют также станции, которые вещают на одной частоте для всей страны — тогда используются так называемые длинные волны.
Радиоволны также использовались в астрономических наблюдениях. В космосе есть небесные тела, которые являются естественными источниками радиоволн. Радиотелескопы (рисунок 2) используются в обсерваториях для проведения так называемого прослушивания, то есть исследования отдаленных частей космоса.
Рис. 2. Радиотелескоп расположен в северной части Чили в пустыне Атакама. Его диаметр составляет 12 м, а масса — 125 тонн. Он был построен в результате сотрудничества между Институтом радиоастрономии Макса Планка, Онсальской обсерваторией (OSO) и Европейской южной обсерваторией (ESO).
Микроволны чаще всего ассоциируются с микроволновой печью, и это лишь одно из многих возможных применений. Они производятся специальными электронными трубками. Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Именно поэтому они используются в радарах — устройствах, применяемых для определения местоположения. Радары используются в метеорологии, например, для отслеживания дождевых облаков. Микроволны также используются в радио- и спутниковой связи, т.е. между спутником и Землей (телефоны, факсы, передача данных) и между спутниками. Частота, соответствующая микроволнам, также используется в: мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth и беспроводных компьютерных сетях WLAN.
Помните! Микроволны — это электромагнитные волны, используемые в радарах, спутниковой связи и GPS-навигации.
Инфракрасное излучение испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Источниками инфракрасного излучения являются горячий утюг, лампочка, кожа человека, солнце и т.д. Некоторые термометры работают путем измерения частоты излучения, испускаемого кожей. Поскольку человеческое тело является источником инфракрасного излучения, для наблюдения в ночное время можно использовать камеры ночного видения и тепловизоры. Гадюки наблюдают за окружающей средой таким же образом, поскольку у них есть рецепторы, которые работают как приборы ночного видения.
Поверхности твердых тел и жидкостей нагреваются инфракрасным излучением, поскольку частота волны и частота колебаний молекул твердых тел и жидкостей одинаковы. Инфракрасное излучение не нагревает газы, поэтому астрономы используют это свойство для наблюдения за зарождающимися звездами в туманностях. Инфракрасное излучение также нашло применение в передаче данных — в камерах сотовой связи IRDA и в оптических волокнах. Для считывания компакт-дисков используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 650-790 нм.
Помните! Инфракрасный свет излучается различными телами, например, лампочками, Солнцем, человеческим телом. Он нагревает твердые вещества и жидкости, на которые падает. Он используется, например, в камерах ночного видения и тепловизорах.
Видимый свет, т.е. свет, регистрируемый человеческим зрением, находится в диапазоне от 400 нм до 780 нм. Глаз воспринимает волны различных частот и их комбинации, а мозг интерпретирует их как цвета.
Ультрафиолет (УФ) — это излучение, которое достигает нас вместе с солнечными лучами. Он необходим для выработки витамина D в организме человека, но избыток этого излучения может иметь серьезные последствия. Когда вы загораете, загар возникает под воздействием ультрафиолетового излучения, но иногда кожа обгорает. Длительный загар вызывает повреждение коллагеновых волокон кожи и ускоряет ее старение (образование морщин).
Слишком высокие дозы ультрафиолетового излучения могут привести к необратимым изменениям кожи, вплоть до рака. Поэтому важно защитить себя от этого излучения. Рекомендуется использовать кремы с УФ-фильтрами (чем выше фактор защиты от солнца, тем лучше), которые действительно защищают кожу. Помните также, что ультрафиолетовое излучение включает в себя свет электрической дуги, который образуется при электросварке (мы видим такой свет, например, при сварке трамвайных рельсов). Если смотреть на такую дугу в течение нескольких секунд, это повредит зрению.
Ультрафиолетовое излучение можно использовать для считывания водяных знаков на банкнотах (см. рисунок 4). Его источником являются кварцевые лампы. Ультрафиолет оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицинского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови.
Рис. 4. Водяные знаки на банкнотах, которые считываются с помощью ультрафиолета
Помните! Ультрафиолет — это электромагнитная волна с частотой выше, чем у видимого света. Источниками ультрафиолета являются Солнце и кварцевые лампы. Он используется, в частности, для стерилизации больничных палат и в судебной медицине.
В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи (Х-лучи). Его источником являются специальные лампы. Они испускают излучение в результате замедления блуждающих электронов на металлическом электроде. Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике (рентген, маммография и другие), поскольку они проникают через кожу и поглощаются костями. Слишком высокая доза этого излучения может привести к повреждению внутренних органов и поражениям, поэтому во время обследований используются экраны — фартуки из резины с содержанием оксида свинца. Такое излучение может повредить генетический материал клеток и привести к генетическим изменениям в потомстве.
Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, алюминий. Но, в тоже время, гамма-излучение отлично поглощается слоем свинца. Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.
Список использованной литературы
Ряд диапазонов электромагнитного излучения, расположенных по порядку увеличения длин волн
Является одной из разновидностей физических спектров. Характеризуется спектральной плотностью. Возможные размерности: (Дж/м3)/Гц, (Дж/м3)/м и другие, нередко приводится в относительных безразмерных единицах. Экспериментально регистрируется путём детектирования интенсивности излучения в выделяемых из сигнала (скажем, при помощи монохроматора) узких эквидистантных спектральных интервалах.
Длина волны — частота — энергия фотона
Характеристика электромагнитного спектра — спектральная плотность энергии излучения — представляет собой энергию, приходящуюся на малый интервал по некоторой переменной и отнесённую к ширине этого интервала. В качестве переменной, определяющей положение точек спектра, могут выступать
Энергия фотона, согласно квантовой механике, пропорциональна частоте: , где h — постоянная Планка, Е — энергия, — частота; в данном контексте значения энергии обычно выражаются в электронвольтах. Длина электромагнитной волны в вакууме обратно пропорциональна частоте: , где — скорость света. Говоря о длине электромагнитных волн в среде, обычно подразумевают эквивалентную величину длины волны в вакууме, которая отличается на коэффициент преломления, так как частота волны при переходе из одной среды в другую сохраняется, а длина волны — изменяется.
Размерность спектра определяется выбором переменной: например, если это частота, то будет (Дж/м3)/Гц, а если длина волны то (Дж/м3)/м. Иногда вместо объёмной плотности энергии рассматривается поверхностная плотность мощности электромагнитного излучения — тогда размерности, соответственно, (Вт/м2)/Гц или (Вт/м2)/м.
Шкала частот (длин волн, энергий фотонов) является непрерывной, но традиционно разбивается (см. ниже) на ряд диапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.
Основные электромагнитные диапазоны
Гамма-лучи имеют энергию выше 124 000 эВ и длину волны меньше 0,01 нм = 0,1 Å.
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).
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.
Диапазон: От 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)
Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению, называются спектральными. Спектр и спектральные цвета можно увидеть при прохождении узкого светового луча через призму или какую-либо другую преломляющую среду. Традиционно, видимый спектр делится, в свою очередь, на диапазоны цветов:
Ближнее инфракрасное излучение занимает диапазон от 207 ТГц (0,857 эВ) до 405 ТГц (1,68 эВ). Верхняя граница определяется способностью человеческого глаза к восприятию красного цвета, различной у разных людей. Как правило, прозрачность в ближнем инфракрасном излучении соответствует прозрачности в видимом свете.
Инфракрасное излучение расположено между видимым светом и терагерцовым излучением. Диапазон: от 2000 мкм (150 ГГц) до 740 нм (405 ТГц).
Электромагнитное терагерцовое излучение
Терагерцовое (субмиллиметровое) излучение расположено между инфракрасным излучением и микроволнами, в диапазоне от 1 мм (300 ГГц) до 0,1 мм (3 ТГц).
ТГц излучение — не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода — нет.
Электромагнитные микро- и радиоволны
Для электромагнитных волн с частотой ниже 300 ГГц существуют достаточно монохроматичные источники, излучение которых пригодно для амплитудной и частотной модуляции. Поэтому распределение частот в этой области всегда имеет в виду задачи передачи сигналов.
Не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение. Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн.
Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с бо́льшими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.
Круг цветов Ньютона из книги «Оптика» (1704), показывающий взаимосвязь между цветами и музыкальными нотами. Цвета спектра от красного до фиолетового разделены нотами, начиная с ре (D). Круг составляет полную октаву. Ньютон расположил красный и фиолетовый концы спектра друг рядом с другом, подчёркивая, что из смешения красного и фиолетового цветов образуется пурпурный.
Ньютон первый использовал слово спектр (лат. — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, 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 в прозрачной среде с различной скоростью. 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.
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-жёлтые 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 рецепторы трёх различных типов.
Спектр видимого излучения
Для запоминания последовательности основных спектральных цветов в русском языке используется мнемоническая фраза «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В английском языке аналогично используется фраза Richard of York gave battle in vain (Red Orange Yellow Green Blue Indigo Violet), в британском английском — акроним Roy G. Biv.
Характеристики границ видимого излучения
- Coffey, Peter. The Science of Logic: An Inquiry Into the Principles of Accurate Thought (англ.). — Longmans, 1912.
- John Charles Drury Brand. Lines Of Light: The Sources Of. — CRC Press, 1995.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 декабря 2022 года; проверки требуют 4 правки.
Электромагни́тные во́лны / электромагни́тное излуче́ние (ЭМИ) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
Электромагнитный спектр подразделяется на:
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).
Классификация диапазонов спектра электромагнитного излучения по-английски. Колонки: 1 (чёрная) — аббревиатуры обозначения диапазонов, 2 — частота, 3 — длина волны, 4 — энергия фотона
Характеристики электромагнитного излучения
Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.
Связь с более фундаментальными науками
Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определённого диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.
Некоторые особенности электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:
Диапазоны электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.
Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше . В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).
Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.
Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Этот раздел статьи ещё не написан.
Здесь может располагаться Помогите Википедии, написав его. (28 февраля 2017)
Инфракрасное излучение (тепловое)
Как и радио- и микроволны, инфракрасное излучение (ИК) отражается от металлов (а также от большинства электромагнитных помех, находящихся в ультрафиолетовом диапазоне). Однако, в отличие от низкочастотного радио- и микроволнового излучения, инфракрасное излучение обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые изменяются при колебании атомов на концах одной химической связи.
Следовательно, оно поглощается широким спектром веществ, что приводит к повышению их температуры при рассеивании вибраций в виде тепла. Тот же самый процесс, происходящий в обратном порядке, вызывает спонтанное излучение массивных веществ в инфракрасном диапазоне.
Инфракрасное излучение делится на спектральные поддиапазоны. Хотя существуют различные схемы деления, спектр обычно делится на ближний инфракрасный (0,75-1,4 мкм), коротковолновый инфракрасный (1,4-3 мкм), средневолновый инфракрасный (3-8 мкм), длинноволновый инфракрасный (8-15 мкм) и дальний инфракрасный (15-1000 мкм).
Видимое излучение (оптическое)
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 K и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения — 550 нм — расположен в «зелёной» области, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.
По мере того, как частота увеличивается в ультрафиолетовом диапазоне, фотоны несут достаточно энергии (около трех электрон-вольт или более), чтобы возбудить определенные молекулы с двойными связями в необратимую химическую перегруппировку. В ДНК это вызывает необратимые повреждения. ДНК также косвенно повреждается активными формами кислорода, продуцируемыми ультрафиолетом А (УФА), энергия которого слишком мала для непосредственного повреждения ДНК. Вот почему ультрафиолет на всех длинах волн может повредить ДНК и вызвать рак, а также (для УФ-В) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем при простом нагреве (повышении температуры). Это свойство вызывать молекулярные повреждения, непропорциональные тепловым эффектам, характерно для всех ЭМИ с частотами в диапазоне видимого света и выше. Эти свойства высокочастотного ЭМИ обусловлены квантовыми эффектами, которые необратимо повреждают материалы и ткани на молекулярном уровне.
В верхней части ультрафиолетового диапазона энергия фотонов становится достаточно большой, чтобы передать достаточно энергии электронам, чтобы вызвать их высвобождение из атома в процессе, называемом фотоионизацией. Энергия, необходимая для этого, всегда превышает примерно 10 электрон-вольт (эВ), что соответствует длинам волн менее 124 нм (некоторые источники предлагают более реалистичное ограничение в 33 эВ, что является энергией, необходимой для ионизации воды). Этот верхний конец ультрафиолетового спектра с энергиями примерно в диапазоне ионизации иногда называют «экстремальным ультрафиолетовым излучением». Ионизирующее ультрафиолетовое излучение сильно фильтруется земной атмосферой.
В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.
Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц.
Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов
Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.
Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.
Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, других животных и живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования и др.
Влияние на живых существ
Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.
Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.
Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.
Установлены биологические последствия сильного воздействия полей высоких уровней (значительно выше 100 µT), которые объясняются действием признанных биофизических механизмов. Внешние магнитные поля крайне низкой частоты (КНЧ) индуцируют электрические поля и токи в организме человека, которые, при очень высокой мощности поля, оказывают стимулирующее воздействие на нервы и мышцы и вызывают изменение возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе.
Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.
В России нормативными документами, регламентирующими предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитного излучения, являются:
Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).
«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, то есть максимально уменьшить время использования сотовой связи».
Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.
Влияние на радиотехнические устройства
Существуют административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Украинский частотный надзор, который регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром).
Часть электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом
Белый светрассеивается с помощью призмы на цвета видимый спектр.
Лазерные лучи с видимым спектром
видимый спектр – это часть электромагнитного спектра, которая видима для человеческий глаз. Электромагнитное излучение в этом диапазоне длин волн называется видимым светом или просто светом. Типичный человеческий глаз реагирует на волны длиной от примерно 380 до 740 нанометров. Что касается частоты, это соответствует полосе в районе 405–790 ТГц.
. Спектр не содержит всех цветов, которые может зрительная система человека. отличать. Ненасыщенные цвета, такие как розовый, или фиолетовые варианты, такие как пурпурный, например, отсутствуют, потому что они могут быть получены только из смеси нескольких длин волн. Цвета, содержащие только одну длину волны, также называются чистыми цветами или спектральными цветами.
Видимые длины волн проходят в основном без ослабления через атмосферу Земли через область «оптического окна » электромагнитного спектра. Примером этого явления является случай, когда чистый воздух рассеивает синий свет больше, чем красный, и поэтому полуденное небо кажется голубым (кроме области вокруг солнца, которая кажется белой, потому что свет рассеивается не так сильно). Оптическое окно также называют «видимым окном», потому что оно перекрывает видимый спектр реакции человека. Окно ближнего инфракрасного диапазона (NIR) находится вне поля зрения человека, так же как окно среднего инфракрасного диапазона (MWIR) и окно длинноволнового или дальнего инфракрасного диапазона (LWIR или FIR), хотя другие животные может испытать их.