Чем излучаются электромагнитные волны. Электромагнитные волны: происхождение, свойства и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как возникают электромагнитные волны. Какими свойствами они обладают. Где применяются электромагнитные волны в современном мире. Почему небо голубое.

Содержание

Природа электромагнитных волн

Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении заряженных частиц. Когда заряженная частица ускоряется, часть ее электрического поля «отрывается» и распространяется в пространстве со скоростью света, образуя электромагнитное излучение.

Основные характеристики электромагнитных волн:

Состоят из колеблющихся электрического и магнитного полей
Распространяются со скоростью света в вакууме
Обладают определенной длиной волны и частотой колебаний
Переносят энергию в пространстве

Спектр электромагнитных волн

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны и частоте колебаний:

Радиоволны — длина волны от нескольких километров до миллиметров
Микроволны — от сантиметров до миллиметров
Инфракрасное излучение — от миллиметров до 700 нанометров

Видимый свет — 380-760 нанометров
Ультрафиолетовое излучение — 10-380 нанометров
Рентгеновское излучение — 0,01-10 нанометров
Гамма-излучение — менее 0,01 нанометра

Механизм возникновения электромагнитных волн

Рассмотрим процесс возникновения электромагнитных волн на примере колеблющегося электрического заряда:

При ускорении заряженной частицы происходит деформация ее электрического поля
Часть поля «отрывается» и начинает распространяться в пространстве
Движущееся электрическое поле порождает переменное магнитное поле
Переменное магнитное поле, в свою очередь, создает вихревое электрическое поле
Процесс повторяется, формируя самоподдерживающуюся электромагнитную волну

Энергия электромагнитного излучения

Энергия, излучаемая ускоренной заряженной частицей, описывается формулой Лармора:

P = (q²a²)/(6πε₀c³)

где:

P — мощность излучения
q — заряд частицы
a — ускорение частицы
ε₀ — электрическая постоянная
c — скорость света

Из формулы следует, что мощность излучения пропорциональна квадрату ускорения частицы. Чем больше ускорение, тем интенсивнее излучение.

Применение электромагнитных волн

Электромагнитные волны широко используются в современных технологиях:

Радиосвязь и телевидение (радиоволны)
Мобильная связь (микроволны)
Тепловизоры и приборы ночного видения (инфракрасное излучение)
Освещение и оптические приборы (видимый свет)
Стерилизация и обеззараживание (ультрафиолет)
Медицинская диагностика (рентгеновское излучение)
Ядерная медицина и астрофизика (гамма-излучение)

Почему небо голубое: рассеяние света в атмосфере

Цвет неба объясняется рассеянием солнечного света молекулами воздуха. Этот процесс можно описать следующим образом:

Солнечный свет содержит волны различной длины (разных цветов)
Молекулы воздуха колеблются под действием проходящих электромагнитных волн
Колеблющиеся молекулы сами становятся источниками вторичного излучения
Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея)
Синий свет рассеивается примерно в 16 раз сильнее, чем красный
В результате небо кажется голубым, а закатное солнце — красным

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация — это ориентация колебаний электрического и магнитного полей в пространстве. Различают следующие виды поляризации:

Линейная поляризация — колебания происходят в одной плоскости
Круговая поляризация — конец вектора напряженности поля описывает окружность
Эллиптическая поляризация — конец вектора напряженности поля описывает эллипс

Поляризация имеет важное практическое значение в оптике, радиосвязи и других областях.

Интерференция и дифракция электромагнитных волн

Интерференция и дифракция — это явления, характерные для волновых процессов, включая электромагнитные волны:

Интерференция — это сложение волн, приводящее к усилению или ослаблению результирующего колебания. Условия интерференции:

Когерентность волн (постоянная разность фаз)
Одинаковая частота колебаний
Одинаковое направление поляризации

Дифракция — это огибание волнами препятствий и проникновение в область геометрической тени. Дифракция проявляется, когда:

Размер препятствия сопоставим с длиной волны
Волна проходит через узкое отверстие или щель
Волна падает на край экрана

Эти явления используются в различных оптических приборах и системах связи.

Как возникают электромагнитные волны / Хабр

Bremsstrahlung («тормозное излучение») — ударная волна света, которая генерируется, когда заряженные частицы «застревают» в твердом теле (классический процесс генерации излучения в рентгеновских вакуумных трубках).

Для многих вполне естественно ассоциировать электрическое и магнитное поля с векторами и силовыми линиями. Но как этими математическими объектами описать волны? Когда они возникают? Ответы на эти вопросы можно получить с помощью школьных формул с щепоткой специальной теории относительности.

По старой традиции, начинаем плясать от печки. Пусть имеются две заряженные параллельные пластины. Электрическое поле между ними равномерно, и равно нулю снаружи (пренебрегаем краевыми эффектами). Также мы сажаем на систему неподвижную гауссову поверхность — это абстрактная рамка, через которую вычисляется поток векторного поля. Каково электрическое поле нашего конденсатора в системе отсчета, где он находится в движении?

Начнем со случая, где движение происходит в направлении, параллельном пластинам. Они начинают претерпевать лоренцево сокращение, при этом расстояние между ними не меняется, и общий заряд на каждой пластине сохраняется. Далее предполагаем, что читатель провел достаточное количество бессонных ночей разбираясь с парадоксами специальной теории относительности (Чтобы освежевать память, предлагаю просмотреть ламповый советский видеоролик). Таким образом, рамка фиксирует что заряд на единицу площади увеличивается в , а поле также возрастает на этот Лоренц-фактор.

Разберем детальней. Гауссова рамка оседлала положительно-заряженную пластину, причем одна грань снаружи, а другая — внутри области ненулевого электрического поля. Применяя закон Гаусса можно показать, что величина электрического поля между пластинами равна

где штрих обозначает величину, измеренную в рамке в которой пластины движутся, а сигма — поверхностная плотность заряда пластины. Поскольку пластины сокращаются по длине, поверхностная плотность заряда отличается от оной для неподвижных пластин вот так

Поглядывая на первую формулу заключаем, что величина поля тоже претерпевает действие лоренцева множителя. То есть, электрическое поле в загрунтованной рамке сильнее, чем в той, что будет двигаться вместе с пластинами.

А как будет выглядеть ситуация, если движение происходит в направлении, перпендикулярном пластинам, то есть параллельно полю Е? В этом случае сокращение длины не влияет на размер пластин, хотя и уменьшает расстояние между ними. Но расстояние между парой близко расположенных, равномерно заряженных пластин не влияет на напряженность поля между ними.

Тогда рассмотрим самый общий случай, когда движение происходит в некотором диагональном направлении относительно поля. В этом случае мы можем рассматривать поле как суперпозицию поля параллельного и поля перпендикулярного движению. Каждое из них как бы порождается своим набором соответствующим образом ориентированных пластин. Затем одна пара пластин сжимается по длине, как описано выше, и вносит вклад в общее поле:

Важно помнить, что такого рода телодвижения применимы только в том случае, если источник поля с точки зрения незакрепленной рамки будет находиться в состоянии покоя. Поскольку всегда существует некоторая система отсчета, в которой любой конкретный источник находится в состоянии покоя, этих уравнений достаточно для решения широкого круга задач. Заметим, что закон преобразования для вектора электрического поля сильно отличается от закона преобразования для обычных векторов перемещения (которые сжимаются в направлении вдоль движения и неизменны в перпендикулярных направлениях).

Равномерное движение точечного заряда

Следующим шагом будет рассмотрение поля единичного точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью. В своей системе покоя электрическое поле положительного точечного заряда имеет одинаковую силу во всех направлениях. Как выглядит это поле в какой-то другой системе отсчета? Применяя наш подход к неоднородному электрическому полю, мы должны быть очень осторожны, так как придется следить не только за величиной поля, но и за тем, где оно имеет эту величину. Поэтому представим себе, что наш точечный заряд окружен сферической оболочкой. В нашей системе отсчета и частица, и ее сфера движутся.

Таким образом, сокращение длины говорит о том, что сфера сплющивается в сфероид, как показано в поперечном сечении на рисунке:

(a) Точечный заряд в состоянии покоя, окруженный воображаемой сферой. Электрическое поле в любой точке сферы направлено прямо в сторону от заряда. (b) В системе отсчета, где заряд и сфера движутся вправо, сфера сжимается по длине, но вертикальная составляющая поля становится сильнее. Эти два эффекта объединяются, чтобы заставить поле снова указывать прямо от текущего местоположения заряда.

Теперь рассмотрим величину электрического поля в некой точке поверхности сферы. Ее координата имеет х и у компоненты. Вектор поля идущий от заряда через эту некую точку также вполне представим как пара компонент, причем справедливо соотношение:

В нашей системе отсчета, где заряд движется, длина x в направлении движения уменьшается:

(в то время как y-составляющая смещения одинакова в обоих случаях). Однако, согласно результатам предыдущего раздела, y-составляющая поля усиливается аналогичным множителем:

(в то время как х-компонента поля одинакова на обеих картинках). Таким образом, соотношение компонентов поля

Другими словами, поле в фиксированной рамке указывает прямо на заряд, как и в движущейся. Накидаем схематически электрическое поле точечного заряда, движущегося с постоянной скоростью:

Электрическое поле точечного заряда движущегося вправо с постоянной скоростью, равной 4/5 скорости света.

Чем быстрее движется заряд, тем заметнее становится усиление перпендикулярной составляющей поля. Если скорость заряда намного меньше скорости света, то это усиление часто пренебрежимо мало.

Поле ускоряющегося заряда

Итак, когда точечный заряд движется с постоянной скоростью, его электрическое поле всегда направлено прямо от него, радиально. В свете специальной теории относительности это может показаться странным, поскольку никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Почему же тогда поле в каком-то отдаленном месте указывает прямо на то место, где заряд находится сейчас, а не на то, где он был некоторое время назад? Означает ли это, что информация о движении заряда мгновенно распространяется по всей Вселенной? Ну, не обязательно.

Видите ли, частица уже некоторое время движется с постоянной скоростью по предсказуемому курсу. Поэтому, если вы находитесь в далеком месте, вы могли бы организоваться так, чтобы частица посылала вам информацию о своем положении и скорости, а вы, получив эту информацию, экстраполировали бы движение чтобы выяснить, где частица должна находиться. Однако ваша схема предсказания положения частицы будет разрушена, если частица претерпит некоторое ускорение между тем моментом, когда она послала вам информацию, и настоящим.

Вы могли бы подумать, что частица продолжает двигаться с постоянной скоростью, и поле в вашем местоположении указывало бы в сторону того места, где частица была бы сейчас, если бы не было факта ускорения. Но на самом деле частицы там нет.

Например, предположим, что частица сначала движется вправо со скоростью 1/4 скорости света, а затем внезапно отскакивает от стены и с той же скоростью летит обратно. Через одну секунду новость об отскоке не могла пройти дальше одной световой секунды (300 000 км). Если вы находитесь ближе, чем на одну световую секунду к месту отскока, то вы уже получили известие, и поле в вашем местоположении указывает туда, где сейчас находится частица. Но если вы находитесь дальше, чем на одну световую секунду от места отскока, то новость еще не дошла до вас, и поле в вашем местоположении указывает туда, где частица была бы сейчас, если бы не было отскока.

Положительно заряженная частица, первоначально движущаяся вправо со скоростью 1/4 скорости света, отскакивает от стены в точке В. Частица сейчас находится в точке А, но если бы не было отскока, она была бы сейчас в точке С. Окружность (фактически поперечное сечение сферы) охватывает область пространства, в которую уже поступила новость об отскоке; внутри этой окружности (как в точке D) электрическое поле указывает прямо на точку A. Вне окружности (как в точке E) новость еще не поступила, поэтому поле указывает прямо на точку C. Со временем круг расширяется наружу со скоростью света, а точки А и С удаляются от точки В со скоростью 1/4 скорости света.

Из специальной теории относительности мы знаем, что никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света. Предположим наилучший возможный случай: информация распространяется точно со скоростью света, но не быстрее. Этого предположения вместе с законом Гаусса достаточно, чтобы определить электрическое поле повсюду вокруг ускоренного заряда. Полная карта электрического поля ускоренного заряда оказывается довольно сложной. Вместо того чтобы представлять поле в виде пучка стрелок, гораздо удобнее использовать более абстрактное представление в виде линий поля. Силовые линии — это непрерывные линии в пространстве, идущие параллельно направлению электрического поля. Таким образом, рисунок силовых линий в некой области немедленно сообщает нам направление электрического поля, хоть определить его величину и не так просто.

Так будет выглядеть карта полевых линий для нашей ситуации

Линии поля через серую сферическую оболочку опускаем, так как эта область как раз в разгаре получения новостей об ускорении частицы. Чтобы определять направление поля здесь, представьте, что гауссовская рамка изогнута (на рисунке обозначена пунктирной линией, которая оседлает серую оболочку. Эта поверхность должна быть симметричной относительно линии, по которой движется частица; если смотреть вдоль этой линии, рамка будет круглой).

Гауссова поверхность не содержит электрического заряда, поэтому закон Гаусса говорит нам, что полный поток E через нее должен быть равен нулю. Теперь рассмотрим поток, проходящий через различные части поверхности. На внешней (правой) части есть положительный поток, в то время как на внутренней (левой) части есть отрицательный поток. Но эти два вклада в поток не отменяют друг друга, так как поле значительно сильнее снаружи, чем внутри. Это происходит потому, что поле снаружи — это поле точечного заряда, расположенного в точке С, в то время как поле внутри — это поле точечного заряда, расположенного в точке А, и С значительно ближе, чем А. Таким образом, общий поток через внутреннюю и внешнюю части поверхности является положительным. Чтобы отменить этот положительный поток, остальные края рамки должны пропускать отрицательный поток.

Таким образом, электрическое поле внутри серой оболочки должно иметь ненулевую составляющую вдоль оболочки, по направлению к центру гауссовой поверхности. Будем называть эту составляющую поперечным полем, поскольку она указывает в поперечном (то есть перпендикулярном) чисто радиальном направлении поля с обеих сторон. Чтобы быть более точными относительно направления поля внутри серой оболочки, рассмотрим модифицированную гауссову поверхность

Ужимаем внешнюю поверхность ef до тех пор, пока она не уменьшится до того же угла относительно точки С, что и внутренняя поверхность ab, если смотреть с точки A. Теперь потоки через ab и ef действительно взаимокомпенсируются. Отрезки bc и de выбраны так, чтобы они были точно параллельны линиям поля в их местоположении, поэтому поток через эти участки поверхности отсутствует.

И тогда, для того, чтобы общий поток был равен нулю, он должен быть нулевым и через сегмент cd. Это означает, что электрическое поле внутри серой оболочки должно быть параллельно cd. Если стартануть с точки А и пойти по любой линии поля наружу, то придется навернуть резкий угол на внутреннем краю серой оболочки, а затем пройти вдоль оболочки и медленно выйти наружу, сделав еще один резкий поворот на внешнем краю. (Толщина серой оболочки определяется длительностью ускорения заряда.)

И вот выходит итоговая иллюстрация силовых линий. Поперечная часть электрического поля ускоренного заряда также называется полем излучения, поскольку со временем она «излучается» наружу в сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если ускорение заряженной частицы достаточно велико, то поле излучения может быть достаточно сильным, воздействуя на далекие заряды гораздо сильнее, чем обычное радиальное поле заряда, движущегося с постоянной скоростью. Поле излучения может также накапливать относительно большое количество энергии, которая уносится от создавшего ее заряда.

Сила поля излучения

Чтобы превратить качественные идеи предыдущего раздела в количественные формулы,

рассмотрим несколько более простую ситуацию, в которой положительно заряженная частица вначале летит вправо, а потом внезапно останавливается. Пусть v₀ — начальная скорость, и пусть замедление начинается в момент времени t = 0 и заканчивается в момент времени t = t₀. Предположим, что ускорение является постоянным в течение этого временного интервала:

Также положим, что v₀ намного меньше скорости света, так что релятивистское сжатие и растяжение электрического поля, обсуждаемые ранее, пренебрежимо малы. Покажем ситуацию в некоторый момент времени T, значительно более поздний, чем t₀. «Импульс» излучения содержится в сферической оболочке толщиной ct₀ и радиусом cT. Вне этой оболочки электрическое поле указывает в сторону от того места, где была бы частица, если бы она продолжала двигаться; эта точка находится на расстоянии v₀T справа от ее фактического местоположения.

(Расстояние, пройденное во время торможения ничтожно мало в этом масштабе.) На рисунке для ясности показана только одна полевая линия, выходящая под углом θ от направления движения частицы. В этой линии есть резкий изгиб, когда она проходит через оболочку, как обсуждалось выше. Мы хотели бы знать, насколько сильно электрическое поле внутри оболочки.

Давайте разберем искривленное поле на две составляющие: радиальную составляющую , которая указывает в сторону от местоположения частицы, и поперечную составляющую , которая указывает в перпендикулярном направлении

Соотношение этих компонентов определяется направлением излома

Мы можем найти радиальную компоненту, применив закон Гаусса к крошечной рамке, расположенной на внутренней поверхности оболочки (Gaussian pillbox на рисунке). Пусть стороны рамки будут бесконечно короткими, чтобы поток через них был ничтожен. Тогда, поскольку чистый поток через рамку равен нулю, радиальная составляющая вектора

E (то есть составляющая, перпендикулярная верхней и нижней частям рамки) должна быть одинаковой с каждой стороны внутренней поверхности оболочки.

Но внутри сферы излучения электрическое поле задается законом Кулона. Таким образом, радиальная составляющая искривленного поля равна

где q — заряд частицы. Подставим это уравнение в предыдущее и используем тот факт, что R = cT:

Хотя выражение выводилось для частного случая, когда конечная скорость частицы равна нулю, оно верно и в более общих случаях. (Чтобы убедиться в этом, рассмотрите случай, когда частица сначала находится в состоянии покоя, а затем получает внезапный удар вправо).

Таким образом, у нас есть все, что нужно знать о силе импульса излучения. Во-первых, обратите внимание, что поперечное поле пропорционально

1/R, а не квадрату. Это означает, что с течением времени и увеличением R, поперечное поле становится намного сильнее радиального; на очень больших расстояниях радиальным полем можно полностью пренебречь, и поле будет чисто поперечным. Во-вторых, рассмотрим зависимость от угла θ: она слабее всего вдоль направления движения (θ = 0 или 180°) и сильнее всего под прямым углом к движению (θ = 90°).

Оглядываясь на предыдущий рисунок, мы видим, что размер излома в поле является качественным показателем напряженности поля. Наконец, обратите внимание, что сила поперечного поля пропорциональна а, величине ускорения частицы. Чем больше ускорение, тем сильнее импульс излучения.

Этот импульс излучения несет в себе энергию. Вспомним из электростатики, что энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, пропорциональна квадрату напряженности поля. В нашем случае это подразумевает

Поскольку объем сферической оболочки (самой оболочки, а не области, которую она охватывает) пропорционален квадрату радиуса, полная энергия, содержащаяся в ней, не изменяется с течением времени и увеличением R. Таким образом, когда заряженная частица ускоряется, она теряет энергию для своего окружения в количестве, пропорциональном квадрату ее ускорения. Этот процесс является основным механизмом, лежащим в основе всего электромагнитного излучения: видимого света и его невидимых собратьев, от радиоволн до гамма-лучей.

Формула Лармора

Теперь можно перейти к приложениям. Выведем точную формулу для энергии, излучаемой ускоренной заряженной частицей. Энергия на единицу объема, запасенная в любом электрическом поле, равна

Как только импульс становится достаточно большим, мы можем пренебречь радиальной составляющей поля и просто подключить для . В результате получается

Если нас не волнует направление, в котором идет энергия, то удобно усреднить уравнение по всем направлениям. Провернем один математический трюк. Введем координатную систему с началом координат в центре сферы и осью вдоль первоначального направления движения частицы. Тогда для любой точки (x, y, z) на сферической оболочке cosθ = x/R. Используя угловые скобки〈〉для обозначения среднего значения по всем точкам на оболочке, запишем тождество

Теперь, поскольку начало координат находится в центре сферы, придется согласиться, что среднее значение квадрата икс равно среднему значению и для квадратов других компонент:

но тогда выходит, что

Ну, а так как и R — константа по всей оболочке, то:

Таким образом, средняя энергия на единицу объема, запасенная в поперечном электрическом поле, равна

Для получения полной энергии, накопленной в поперечном электрическом поле, необходимо умножить полученное выражение на объем сферической оболочки. Площадь поверхности оболочки равна 4πR², а ее толщина — ct₀, поэтому ее объем является произведением этих множителей. Тогда общая энергия

Заметим, что полная энергия не зависит от R; то есть оболочка несет в себе фиксированное количество энергии, которое не уменьшается по мере ее расширения. До сих пор в обсуждениях фигурировало только электрическое поле ускоренного заряда. Но оказывается, что есть еще и магнитное поле, которое уносит равное количество энергии. В принципе, ошибка в два раза не так существенна для нашей формулы, но все же будем честными. Оставим все интересности связанные с магнитным полем на следующий раз, а пока все же учтем, что суммарная энергия, переносимая импульсом излучения, в два раза больше, чем в последнем уравнении, или

Обычно удобнее разделить обе стороны этого уравнения на длительность ускорения частицы t₀. Левая сторона тогда становится энергией, излучаемой частицей в единицу времени, или мощностью, выделяемой во время ускорения:

Этот результат называется формула Лармора, так как он был впервые получен (с использованием более сложного метода) Джозефом Лармором в 1897 году. Вывод, приведенный здесь, был впервые опубликован Джозефом Томсоном (первооткрывателем электрона) в 1907 году. Хотя наш вывод опиратся на частный случай, когда конечная скорость частицы равна нулю, формула Лармора справедлива для любого вида ускоренного движения при условии, что скорость частицы всегда намного меньше скорости света. Тем не менее, можно сделать и обобщение на релятивистский случай.

Электромагнитные Волны

В предыдущем разделе мы пришли к выводу, что когда заряженная частица ускоряется, часть ее электрического поля вырывается на свободу и удаляется со скоростью света, образуя импульс электромагнитного излучения. Часто на практике заряженные частицы непрерывно колеблются взад и вперед, посылая один импульс за другим в периодической последовательности. Вот пример электрического поля вокруг колеблющегося заряда

Если проследить прямую линию от заряда в центре рисунка, можно заметить, что поле колеблется взад и вперед. Расстояние, на котором повторяется направление поля, называется длиной волны. Например, точки А и В находятся на расстоянии одной длины волны друг от друга.

Если вы сидите в неподвижной точке и наблюдаете, как электрическое поле проходит мимо, вы обнаружите, что его направление колеблется. Время, за которое паттерн повторяется один раз, называется периодом волны и равно времени, за которое заряд источника повторяет один цикл своего движения. Период также равен времени, за которое волна проходит расстояние в одну длину волны. Поскольку она движется со скоростью света, мы можем заключить, что длина волны и период связаны пропорцией

где λ («лямбда») — стандартный символ для длины волны, а Т — это стандартный символ для периода, и с — скорость света. Частота колебания обратнопропорциональна периоду. Из соображений традиции и удобства, электромагнитные волны разной длины называются по-разному. Радиоволны с длиной волны в метр и более генерируются относительно легко, когда заряд проходит вверх и вниз по антенне. Несколько более короткие длины волн используются для телевизионной и микроволновой связи. Инфракрасные волны — длина волны от миллиметра до 700 нанометров; случайные микроскопические движения, присутствующие во всей материи при комнатной температуре, вызывают излучение инфракрасного излучения с длиной волны около сотой доли миллиметра. Более горячие объекты, такие как Солнце, испускают излучение в видимом спектре, который охватывает диапазон 400-700 нанометров, к которому чувствителен человеческий глаз. Длина волны видимого света определяет его цвет, причем красный свет имеет самую длинную длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Еще более коротковолновые волны относятся к ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучам.

Почему небо голубое?

Солнце испускает видимый свет всех цветов, который бомбардирует атмосферу Земли. Атмосфера относительно прозрачна для большей части этого света. Но если бы атмосфера была полностью прозрачной, небо казалось бы черным. По-видимому, часть света от Солнца рассеивается или отклоняется молекулами воздуха. Когда мы смотрим на небо в направлении от Солнца, мы видим этот рассеянный свет, который в основном синий, и наоборот, красный свет легче проходит толщу атмосферы, что делает его видимым, когда Солнце находится вблизи горизонта. Но почему молекулы воздуха рассеивают синий свет больше, чем красный? Очевидно, короткие волны рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные. Мы можем понять это явление, представив простую модель процесса рассеяния и применив результаты вышепроведенных выкладок, согласно которым энергия, излучаемая ускоренным зарядом, пропорциональна квадрату ускорения. Рассмотрим один атом азота или кислорода в атмосфере.

Для наших целей лучше всего представить атом как крошечную точку с положительным зарядом (ядро), окруженную большим облаком размазанного отрицательного заряда (электроны). Заряды компенсируются, и атом электрически нейтрален. Теперь предположим, что мимо проходит электромагнитная волна. Электрическое поле в месте расположения атома сначала указывает вверх, затем вниз, затем снова вверх, снова вниз… (Для видимого света длина волны намного больше, чем размер атома. ) Хотя нейтральный атом не чувствует чистой силы от этого электрического поля, его составляющие действительно чувствуют силы, поэтому они слегка отклоняются в противоположных направлениях. Впрочем, далеко они не уходят, так как потенциал дает о себе знать. Это похоже на то, как если бы электроны и ядро были соединены вместе жесткой пружиной. Когда волна проходит мимо, ядро слегка колеблется вверх и вниз на той же частоте, что и волна. Мы можем описать его положение как:

где ω = 2πc/λ и λ-длина волны. Пока «пружина» очень жесткая, амплитуда x₀ будет зависеть только от силы электрического поля, а не от длины волны. Поскольку ядро колеблется вверх и вниз, оно само испускает электромагнитное излучение с одинаковой частотой и длиной волны. Согласно предыдущим пунктам, излучаемая энергия пропорциональна квадрату ускорения. Ускорение ядра определяется как вторая производная его положения:

Теперь мы можем определить, как количество излучаемой энергии зависит от длины волны:

Эта формула гласит, что коротковолновая волна заставляет ядро излучать гораздо больше энергии, чем длинноволновая. То же самое верно и в отношении излучения, испускаемого электронами, которые колеблются в противоположном направлении с той же частотой. Это электромагнитное излучение, испускаемое атомом, несет в себе энергию, и энергия должна откуда-то браться. Должно быть правдоподобным, что энергия исходит от поступающей волны, возбуждающей атомные колебания. Эта волна продолжает свой путь, но часть ее энергии была потеряна. Не будем вдаваться в точный механизм этого процесса на данном этапе — просто уповаем на сохранение энергии.

Таким образом, можно заключить, что когда проходит световая волна, атом забирает из нее некоторую энергию и вновь излучает эту энергию как волну той же длины во все направления. Из последнего уравнения видно, что этот процесс гораздо эффективнее для коротковолнового (то есть фиолетового и синего) света, чем для длинноволнового. Вот почему небо голубое. И наоборот, когда смесь различных цветов света проходит через большое количество воздуха, большая часть синего света удаляется, оставляя в основном красный. Вот почему так прекрасны закаты.

P.S.

Кто-то может возразить, дескать, небо фиолетовое, но на восприятии человека сказывается предрасположенность к синему спектру из-за строения колбочек в глазах, да и вообще, в ваших расчетах слишком много частностей и допущений. Наиболее правильным будет обратить его внимание на неравномерность интенсивности спектра Солнца. А более строгий вывод формулы Лармора осуществляется через уравнения Максвелла, потенциалы Лиенара-Вихерта и функции Грина. Подобные строгие выкладки приводят к тому же результату и описаны во многих книжках по электродинамике (Например Е.Ю.Петров Излучение электромагнитных волн движущимися заряженными частицами). Мы же использовали лекционные наброски Дэниела Шрёдера, который в свою очередь опирался на потрясающий учебник Эдварда Перселла «Электричество и магнетизм», что во многом наглядней и более интуитивно.

От облысения до нарушения сна: как электромагнитное излучение воздействует на человека

— Что представляет собой электромагнитное излучение в современных городах, из чего оно складывается?

— Электромагнитная волна имеет двойную природу. С одной стороны, это поле, которое распространяется в пространстве, с другой — это элементарные частицы (кванты или корпускулы). Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света. Видимый глазом свет — это тоже электромагнитная волна определенной длины. Любая электромагнитная волна (поле) — это энергия, которая может оказывать воздействие на организм человека.

Воздействие электромагнитного излучения зависит от мощности передатчика, который его генерирует. В соответствии с законом физики мощность электромагнитного поля обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. В первую очередь, из этого вытекает один из основных гигиенических законов — защита расстоянием. Если увеличить расстояние до источника в два раза, поле уменьшится в четыре. Поэтому нужно стараться быть как можно дальше от источников.

— Все бытовые приборы генерируют электромагнитное поле?

— Абсолютно все. Мы отдельно выделяем электромагнитное излучение промышленной частоты — это 50 Гц (внутридомовая сеть, от которой работают все бытовые приборы) — и электромагнитные волны радиочастотного диапазона, которые используются для передачи информации. Они находятся в диапазоне частот от 30 килогерц до 300 гигагерц. Это поле разделено на диапазоны: низкочастотный (НЧ), высокочастотный (ВЧ), сверхвысокочастотный (СВЧ). Для каждого диапазона частот утвержден свой гигиенический норматив. Это такой уровень воздействия фактора окружающей среды, который при действии в течение длительного времени, в идеале в течение всей жизни, не приводит к изменению состояния здоровья человека или его последующих поколений.

— Вредными считаются волны именно радиочастотного диапазона?

— Нет вредных или полезных электромагнитных полей. Степень вредности воздействия зависит от мощности излучения. Однако электромагнитное поле радиочастотного диапазона, по данным Международного агентства по изучению рака (МАИР), относится к группе факторов 2В — это «возможная канцерогенность для человека».

Накопление канцерогенного и/или мутагенного эффекта излучения в конечном итоге может привести к развитию новообразования (преимущественно в крови или тканях головного мозга).

— Вред электромагнитного излучения для детей, насколько я знаю, не доказан на 100%, но берутся в расчет параметры черепа ребенка, толщина костей которого меньше, чем у взрослого.

— Действительно, кости свода черепа ребенка намного тоньше. До 2 лет имеются незаросшие участки — роднички, хрящи. Также головной мозг ребенка более гидратирован, — то есть содержит в целом больше жидкости и меньшей жировых включений. Доказано, что жировые ткани поглощают электромагнитное поле меньше, а гидратированные — больше. Первичный эффект поглощения электромагнитного излучения проявляется в виде незначительного нагрева тканей — индукционный эффект.

Происходит изменение температуры тканей на десятые доли градуса, но при температурном постоянстве (гомеостазе) головного мозга иногда и этого может быть достаточно для появления патологических эффектов.

— Есть еще теория об образовании вихревых токов в межтканевой жидкости из-за воздействия электромагнитного поля на дипольные молекулы воды. Вы ее учитываете?

— При действии электромагнитного поля на биологические объекты в межтканевой жидкости образуются вихревые токи, которые нефизиологичны. Межтканевая жидкость имеет определенное направление движения. Вихревые токи вызывают круговые колебательные смещения крупных биомолекул, что приводит к изменению работы мембран, внутриклеточных элементов. Вихревые токи также вызывают вращательные движения ионов. Из-за этого могут измениться физико-химические свойства межтканевой жидкости и нарушиться физиологические функции.

— Так какие именно приборы или объекты действительно опасны для здоровья?

— Те, которые излучают электромагнитное поле, превышающее в среде обитания человека свой гигиенический норматив.

Наиболее частым источником мощных электромагнитных полей являются радиотехнические объекты, которые передают на дальние расстояния большие объемы информации.

Это, в первую очередь, радиотехнические объекты, которые размещаются в жилой территории — например,

базовые станции сотовой связи. Есть земные станции спутниковой связи, радиорелейные станции, есть ближние и дальние приводы (радиолокационные установки) у аэропортов, которые следят за воздушным пространством. На местности работают также радары (радиолокаторы) гидрометеорологического, военного и специального назначения, которые также сканируют пространство и излучают электромагнитное поле. Не стоит забывать о ретрансляторах радио- и телевизионного сигнала гражданского назначения.

— Чем фиксируется и как часто проверяется уровень электромагнитного излучения, который дает представление о силе воздействия?

— Нормируемое значение мощности электромагнитного поля (гигиенический норматив) зависит от его частоты. Электромагнитные поля промышленной частоты (50 Гц) нормируются по двум составляющим: электрической и магнитной. Электрическое поле измеряется и нормируется в вольтах на метр (киловольтах на метр), магнитное поле — в амперах на метр или в микротеслах. Есть целый парк специального оборудования для измерения уровней электромагнитного поля, которое представлено на рынке широким ассортиментом. Это В&Е-метры, линейка оборудования P3 (P3-40, P3-80, Р3-90 и т.д.), СТ-01 — для измерения электростатического потенциала в воздухе, анализаторы спектра Narda.

— Насколько точны приборы?

— Точны. Погрешность таких приборов измеряется в логарифмических величинах — децибелах, но при переводе в относительные значения это примерно 5-15%.

— Как часто проверяется сила электромагнитного излучения?

— Роспотребнадзор в рамках социально-гигиенического мониторинга контролирует электромагнитную обстановку на жилых территориях. Кроме того, при размещении базовых станций сотовой связи оператор сотовой связи должен представить в Роспотребнадзор проект, в котором указаны все данные передатчиков и значения уровней мощности на местности. На проект оформляется санитарно-эпидемиологическое заключение. Только при его наличии базовая станция может работать безопасно. Кроме того, проводится инструментальный контроль по обращениям граждан.

— Какова грань, за которой электромагнитное излучение считается вредным?

— Роспотребнадзором установлены разные гигиенические нормативы — отдельно для населения, отдельно для профессионального воздействия в рабочей зоне. Эти нормативы утверждены Санитарными правилами и нормами. Они являются результатом более чем 60-летней практической работы гигиенической науки, наших научно-исследовательских институтов. Эти нормативы действуют уже более 30 лет. Когда кто-нибудь из представителей бизнеса сомневается в актуальности и современности действующих уровней, я всегда отвечаю, что организм человека за это время никак не изменился и те негативные последствия для организма человека, на основе которых были установлены нормативы, проявляются на тех же уровнях и сегодня.

— Они же имеют в виду, наверное, уровень электромагнитного загрязнения…

— Мы знаем, что они имеют в виду. Они хотят сделать его таким же неконтролируемым, как в Европе, в сто раз увеличить норматив.

— Почему нормы в Российской Федерации, Европе, США разные?

— Российские нормативы появились еще в Советском Союзе, который был социально ориентированным государством, в первую очередь заботившимся о сохранении здоровья человека. Нормативы Европы и США — это результат договоренности общества с бизнесом.

— Они там чуть ли не в десять раз различаются…

— В десять раз, а в некоторых странах и в сто. По мобильным телефонам: у нас норматив 10 микроватт на квадратный сантиметр, в Америке, Европе — 100. Представители российского бизнеса интересуются, почему у нас такой маленький норматив? Потому что проведенные рандомизированные, когортные, проспективные научные исследования показали статистически значимую разницу между облученными и необлученными. Кроме того, у нас есть так называемый гигиенический запас.

— Для чего он нужен?

— Есть особо чувствительные к излучению организмы. К нам поступают жалобы от людей, которые «чувствуют» электромагнитное поле. Конечно, у человека нет таких специальных рецепторов, позволяющих его почувствовать, но есть определенная группа чувствительных людей, о которых мы тоже думаем.

— В какой момент разговора по мобильному телефону излучение достигает наибольшей силы?

— На самую большую мощность мобильный телефон выходит, когда связь плохая.

В момент установления связи (в первую секунду) достигается максимальная мощность, — и потом, если связь теряется. Допустим, вы отошли от окна вглубь комнаты, — мобильный телефон начитает работать в 2, 3, 5 раз мощнее.

Когда не было антенн базовых станций сотовой связи в метрополитене, мобильный телефон быстрее всего разряжался там. За 40-50-минутную поездку он мог разрядиться наполовину. Это происходило из-за того, что все это время он излучал: искал базовую станцию и не находил, — увеличивал мощность и опять искал.

— Кто чаще всего подвергается наибольшему излучению, если взять разные профессии?

— Если мы говорим про промышленную частоту, это люди, которые работают рядом с КТП (комплектными трансформаторными подстанциями), понижающими, повышающими трансформаторными подстанциями. Опасны мощные электродвигатели больше 1000 кВт, которые при работе своей излучают. Если говорить про радиочастоту, то это передающие радиотехнические объекты постоянного обслуживания.

— Какие именно болезни может вызвать большая доза электромагнитного излучения?

— Возникает целый симптомокомплекс, который сопровождается много чем, начиная от повышенной чувствительности и заканчивая алопецией, патологическими изменениями во внутренних органах, а также психоэмоциональной сфере.

Отмечаются функциональные нарушения работы нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем, нарушения вегетативных процессов, нарушения сна, аппетита.

Конкретной болезни, такой, как, например, «лучевая болезнь», для ионизирующего излучения, для электромагнитного нет.

— Как именно Роспотребнадзор находит и что делает, когда видит превышающее допустимые уровни электромагнитное излучение?

— Мы проводим мониторинговые исследования на местности, определяем этот источник излучения, находим его владельца. Дальше применяем меры воздействия, в том числе административные: предписание о приведении в соответствие, штраф, приостановление деятельности источника. Бывают такие ситуации, когда оператор базовой станции заявляет одну мощность, а в процессе эксплуатации может увеличить ее, причем дистанционно, даже не трогая оборудование физически. Мы стараемся их контролировать, в том числе по уровню энергопотребления.

— Какие города в России самые загрязненные?

— Те, где больше всего источников электромагнитного излучения: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Новосибирск, Владивосток, Краснодар.

— Какие районы в Москве особенно загрязнены?

— У нас сильное антенное поле в районе Останкинской башни, — это Останкинский район и три к нему примыкающих. Но превышения там нет, мы все это отслеживаем. Локальные электромагнитные загрязнения формируются в спальных районах, где население плотно сконцентрировано, и поэтому операторы сотовой связи устанавливают больше базовых станций сотовой связи.

— В докладе Роспотребнадзора 2020 года сказано, что развивается негативная тенденция — увеличение воздействия электромагнитного излучения от мобильных средств телефонной связи…

— Это началось с момента начала использования мобильников, установления базовых станций. С каждым годом электромагнитное воздействие на среду обитания человека увеличивается.

— Говорят, в сетях 5G будет меньше электромагнитного излучения, хотя вышек будет больше. Это так?

— Там другая частота. Если сейчас 1900 мегагерц, 2100 мегагерц, там будет 20 гигагерц и выше. На этой частоте электромагнитная волна быстрее затухает, ей нужна меньшая мощность. Скорость будет повышаться за счет увеличения частоты сигнала.

В целом мощность каждого передатчика тоже уменьшится. Но их действительно будет больше. Из-за увеличения количества передатчиков суммарная мощность или не изменится, или все-таки станет больше.

— У современного человека рядом компьютер, «умный телевизор», «умная» колонка, несколько телефонов. Какие из них наиболее излучающие?

— Те, которые потребляют больше электрической энергии. Радиочастотные электромагнитные поля компьютер и планшет не излучают, только Wi-Fi-передатчики, — но там малые уровни сигнала. Частота и мощность Wi-Fi-сигнала сравнима со стационарным телефоном, у которого трубка работает на радиоудлинителе. На сегодняшний день мы не выявляем превышения от работы Wi-Fi-роутеров и других передатчиков в этом стандарте.

Значимым источником электромагнитного излучения радиочастотного диапазона в быту остается мобильный телефон, который каждый человек практически всегда носит с собой, а некоторые — по два или даже три аппарата.

Негативным фактором в этой ситуации остается и то, что мобильными телефонами пользуются дети, начиная с самого младшего возраста.

Что создает электромагнитное излучение?

Как и почему мы управлять теплом на космическом корабле?

Электромагнитное излучение — это форма энергии. Свет, который мы видим, является типом электромагнитного излучения. Однако это лишь очень малая часть всего электромагнитный спектр. Звук, другая форма энергии, не является частью этого спектр. Электромагнитное излучение отличается от звука тем, что оно может распространяться в космосе и не нуждается в среде, такой как воздух или вода, чтобы путешествовать.

Электромагнитное излучение возникает, когда атом поглощает энергию. Поглощенный Энергия заставляет один или несколько электронов менять свое местонахождение внутри атома. Когда электрон возвращается в исходное положение, электромагнитная волна производится. В зависимости от вида атома и количества энергии эта электромагнитная излучение может принимать форму тепла, света, ультрафиолета или других электромагнитных волны.

Есть несколько способов заставить атомы поглощать энергию. Один из способов — возбудить атомы с электрической энергией. Мы делаем это в неоновых вывесках. Электричество мы пропустим через неоновые трубки, которые возбудит или добавит энергии атомам неона. Эти электроны в этих атомах находятся в высокоэнергетическом состоянии. Электроны не нравится быть в состоянии высокой энергии и падать обратно в низкое энергетическое состояние государство испускает излучение, которое мы видим как свет.

Это объясняет, почему мы видим свет, но не объясняет, почему неоновые вывески имеют красновато-фиолетовый цвет. (Неоновые вывески бывают других цветов, но это потому, что они сделаны из цветных стекла.) Причина, по которой неоновые вывески имеют определенный цвет, заключается в том, что когда газ возбуждается электричеством, он имеет тенденцию излучать только определенные цвета. Если мы возьмем неоновую вывеску и разделить цвета с помощью призмы, мы увидим следующее спектр:

Теперь наблюдательный студент мог бы спросить — теперь я вижу, как свет может создавать цвета, но откуда берется белый свет? Ответ заключается в том, что он исходит из всех цветов. Когда вы возьмете все цвета и соедините их, вы получите белый. Если мы поместите солнечный свет или свет от лампы накаливания через призму, которую мы см. следующий спектр:

Теперь этот спектр отличается от неонового света, потому что он непрерывен. Это целая полоса света, а не просто несколько разных линий. Причина почему этот спектр выглядит иначе, потому что он не был сгенерирован электричеством возбуждающие определенные газы. Он был создан атомами, возбуждающими тепло. В обоих лампочка и на Солнце атомы нагреваются до очень высокой температуры. Эта температура достаточно высока, чтобы заставить атомы излучать свет. Этот свет излучается в непрерывном цветовом спектре.

Что такое тепло?
Как движется тепло?
Что атом?

Тепло распространяется по-другому в космосе, чем на Земле?
Какую роль играет Солнце в космических миссиях, таких как DS1?

Откуда берется энергия от и идти?
Почему электрическая ток сделать тепло?

Электромагнитное излучение — Химия LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 1779

Сейчас, когда вы читаете распечатку с экрана этого компьютера, вы читаете страницы о колебаниях энергии и магнитных полей. Свет, электричество и магнетизм — все это разные формы электромагнитного излучения.

Введение

Электромагнитное излучение представляет собой форму энергии, которая создается колебательными электрическими и магнитными возмущениями или движением электрически заряженных частиц, проходящих через вакуум или материю. Электрические и магнитные поля приходят под прямым углом друг к другу, и комбинированная волна движется перпендикулярно как магнитному, так и электрическому колеблющимся полям, таким образом, возникает возмущение. Электронное излучение высвобождается в виде фотонов, представляющих собой пучки световой энергии, движущиеся со скоростью света в виде квантованных гармонических волн. Затем эта энергия группируется по категориям на основе ее длины волны в электромагнитном спектре. Эти электрические и магнитные волны распространяются перпендикулярно друг другу и имеют определенные характеристики, включая амплитуду, длину волны и частоту.

Общие свойства всех электромагнитных излучений:

Электромагнитное излучение может проходить через пустое пространство. Большинство других типов волн должны проходить через какое-то вещество. Например, звуковые волны нуждаются в газе, твердом веществе или жидкости, чтобы быть услышанными.
Скорость света всегда постоянна. (Скорость света: 2,99792458 x 10 ⁸ м с ^-1 )
Длины волн измеряются между гребнями или впадинами. Обычно обозначается греческим символом \(\лямбда\).

Волны и их характеристики

Рис. 1 и 2: Электромагнитные волны

Рис. 3: EM -волна

Amplitude

. до середины волны. Это измеряет величину колебаний конкретной волны. Короче говоря, амплитуда — это, по сути, высота волны. Большая амплитуда означает более высокую энергию, а более низкая амплитуда означает более низкую энергию. Амплитуда важна, потому что она говорит вам об интенсивности или яркости волны по сравнению с другими волнами.

Длина волны

Длина волны (\(\лямбда\)) — это расстояние одного полного цикла колебаний. Волны с большей длиной волны, такие как радиоволны, несут низкую энергию; вот почему мы можем слушать радио без каких-либо вредных последствий. Волны с более короткой длиной волны, такие как рентгеновские лучи, несут более высокую энергию, которая может быть опасна для нашего здоровья. Следовательно, свинцовые фартуки носят для защиты нашего тела от вредного излучения, когда мы подвергаемся рентгеновским лучам. Для этой длины волны соотношение часто характеризуется:

\[ c = \lambda\nu \]

где

c — скорость света,
\( \lambda \) это длина волны, а
\(\nu\) — частота.

Более короткая длина волны означает большую частоту, а большая частота означает более высокую энергию. Длины волн важны тем, что они сообщают человеку, с каким типом волны он имеет дело.

Рис. 4: Различные длины волн и частоты

Помните, Длина волны говорит вам о типе света и Амплитуда говорит вам об интенсивности света

Частота

Частота определяется как количество циклов в секунду и выражается как сек ^-1 или Герц (Гц) . Частота прямо пропорциональна энергии и может быть выражена как:

\[ E = h\nu \]

где

E — энергия,
ч — постоянная Планка (h = 6,62607 x 10 ^-34 Дж), а

Электромагнитный спектр

Рисунок 24.5.1 : Электромагнитный спектр с выделенным светом. из Википедии.

По мере увеличения длины волны частота уменьшается, а по мере уменьшения длины волны частота увеличивается. Когда электромагнитная энергия высвобождается по мере увеличения уровня энергии, длина волны уменьшается, а частота уменьшается. Таким образом, электромагнитное излучение затем группируется в категории на основе его длины волны или частоты в электромагнитном спектре. Различные типы электромагнитного излучения, показанные в электромагнитном спектре, состоят из радиоволн, микроволн, инфракрасных волн, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и гамма-лучей. Та часть электромагнитного спектра, которую мы можем видеть, — это спектр видимого света.

Рис. 6: Электромагнитный спектр с типами излучения

Типы излучения

Длина волны радиоволн приблизительно равна 10 ³ м. Как следует из названия, радиоволны передаются радиопередачами, телепередачами и даже мобильными телефонами. Радиоволны имеют самые низкие энергетические уровни. Радиоволны используются в дистанционном зондировании, когда газообразный водород в космосе испускает радиоэнергию с низкой частотой и собирается в виде радиоволн. Они также используются в радиолокационных системах, где выделяют радиоэнергию и собирают обратно отраженную энергию. Радиолокационные системы, особенно полезные в погоде, используются для иллюстрации карт поверхности Земли и прогнозирования погодных условий, поскольку радиоэнергия легко проникает сквозь атмосферу. ;

Микроволны можно использовать для передачи информации через космос, а также для разогрева еды. Они также используются в дистанционном зондировании, при котором микроволны испускаются и отражаются обратно для сбора информации об их отражениях.

Микроволны можно измерять в сантиметрах. Они хороши для передачи информации, потому что энергия может проходить через такие вещества, как облака и небольшой дождь. Короткие микроволны иногда используются в доплеровских радарах для предсказания прогнозов погоды.

Инфракрасное излучение может выделяться в виде тепла или тепловой энергии. Он также может отражаться, что называется ближним инфракрасным излучением из-за его сходства с энергией видимого света. Инфракрасное излучение чаще всего используется в дистанционном зондировании, поскольку инфракрасные датчики собирают тепловую энергию, сообщая нам о погодных условиях.

Это изображение представляет собой моментальный снимок в среднем инфракрасном диапазоне.

Видимый свет — единственная часть электромагнитного спектра, которую люди могут видеть невооруженным глазом. Эта часть спектра включает в себя ряд различных цветов, каждый из которых представляет определенную длину волны. Таким образом образуются радуги; свет проходит через вещество, в котором он поглощается или отражается в зависимости от длины волны. Таким образом, некоторые цвета отражаются больше, чем другие, что приводит к созданию радуги.

Цветовая область	Длина волны (нм)
Фиолетовый	380-435
Синий	435-500
Голубой	500-520
Зеленый	520-565
Желтый	565-590
Оранжевый	590-625
Красный	625-740

Рис. 7: Цветовые области видимого спектра

Рис. 8: Рассеивание света через призму

Ультрафиолетовое, радиационное, рентгеновское и гамма-излучение связаны с происходящими событиями в космосе. УФ-излучение наиболее широко известно из-за его серьезного воздействия на кожу солнца, что приводит к раку. Рентгеновские лучи используются для получения медицинских изображений тела. Гамма-лучи могут использоваться в химиотерапии для избавления от опухолей в организме, поскольку они имеют такой высокий уровень энергии. Самые короткие волны, гамма-лучи, составляют примерно 10 ^-12 м длины волны. В этом огромном спектре человеческий глаз может обнаружить только волны от 390 до 780 нм.

Уравнения волн

Математическое описание волны:

\[ y = A\sin(kx — \omega{t}) \]

где A — амплитуда, k — волновое число, x — смещение по оси x.

\[ k = \dfrac{2\pi}{\lambda} \]

, где \(\lambda\) — длина волны. Угловая частота описывается как:

\[ \omega = 2\pi \nu = \dfrac{2\pi}{T} \]

где \(\nu\) — частота, а период (T) — время, за которое волна проходит одну длину волны.

Интерференция

Важным свойством волн является способность объединяться с другими волнами. Различают два типа вмешательства: конструктивное и деструктивное. Конструктивная интерференция возникает, когда две или более волны находятся в фазе и их смещения складываются, создавая более высокую амплитуду. Напротив, деструктивная интерференция возникает, когда две или более волны не совпадают по фазе, а их смещения нейтрализуют друг друга, создавая меньшую амплитуду.

Рис. 9 и 10: Конструктивная и деструктивная интерференция

Интерференция может быть эффективно продемонстрирована в эксперименте с двумя щелями. Этот эксперимент состоит из источника света, направленного на пластину с одной щелью, и второй пластины с двумя щелями. Когда свет проходит через щели, мы замечаем полосы переменной интенсивности на стене за второй пластиной. Полосы в середине наиболее интенсивны, потому что две волны в этой точке идеально совпадают по фазе и, таким образом, конструктивно интерферируют. Темные полосы вызваны противофазными волнами, которые приводят к деструктивной интерференции. Вот почему вы наблюдаете узлы на рисунке 4. Аналогичным образом, если вместо света использовать электроны, электроны будут представлены как в виде волн, так и в виде частиц.

Рис. 11 и 12: Эксперимент с двухщелевой интерференцией

Корпускулярно-волновой дуализм

Электромагнитное излучение может действовать либо как волна, либо как частица, фотон. Как волна, она представлена скоростью, длиной волны и частотой. Свет — это электромагнитная волна, поскольку скорость электромагнитных волн равна скорости света. Как частица ЭМ представлена фотоном, переносящим энергию. Когда фотон поглощается, электрон может перемещаться вверх или вниз на энергетический уровень. Когда он движется вверх, он поглощает энергию, когда он движется вниз, энергия высвобождается. Таким образом, поскольку каждый атом имеет свой собственный набор энергетических уровней, каждый элемент излучает и поглощает разные частоты. Фотоны с более высокими энергиями производят более короткие волны, а фотоны с более низкими энергиями производят более длинные волны.

Рис. 13: Фотон до и после излучения

Ионизирующее и неионизирующее излучение

Электромагнитное излучение также подразделяется на две группы, ионизирующее и неионизирующее, в зависимости от серьезности излучения. Ионизирующее излучение содержит большое количество энергии для удаления электронов и ионизации вещества. Таким образом, волны более высокой частоты, такие как рентгеновские и гамма-лучи, обладают ионизирующим излучением. Однако волны более низкой частоты, такие как радиоволны, не имеют ионизирующего излучения и относятся к неионизирующим.

Электромагнитное излучение и температура

Испускаемое электромагнитное излучение связано с температурой тела. Закон Стефана-Больцмана гласит, что если это тело является черным телом, полностью поглощающим и испускающим излучение, то испускаемое излучение равно температуре, возведенной в четвертую степень. Поэтому при повышении температуры количество выделяемой радиации сильно возрастает. Объекты, которые очень хорошо испускают излучение, также очень хорошо поглощают излучение на определенных длинах волн. Это объясняется законом Кирхгофа. Длина волны также связана с температурой. При повышении температуры длина волны максимального излучения уменьшается.

Задачи

Какова длина волны с частотой 4,28 Гц?
Какова частота волны с длиной волны 200 см?
Какова частота волны с длиной волны 500 пм?
Какова длина волны с частотой 2,998 × 10 ⁵ Гц?
Радио передает на частоте 100 Гц. Какова длина волны этой волны?

Ответы:

700м
1,5 × 10 ⁸ Гц
4,0 × 10 ¹⁷ Гц
100м
2,998 × 10 ⁶ м

Ссылки

Аткинс, Питер и Хулио де Паула. Физическая химия для наук о жизни.