Виды электромагнитного излучения таблица: Электромагнитное излучение: виды, влияние, характеристики, применение

Содержание

Электромагнитное излучение: виды, влияние, характеристики, применение

Электромагнитное излучение существует ровно столько, сколько живет наша Вселенная. Оно сыграло ключевую роль в процессе эволюции жизни на Земле. По факту, это возмущение состояние электромагнитное поля, распространяемого в пространстве.

 Характеристики электромагнитного излучения

Любую электромагнитную волну описывают с помощью трех характеристик.

1. Частота.

2. Поляризация.

3. Длина.

Поляризация – одна из основных волновых атрибутов. Описывает поперечную анизотропию электромагнитных волн. Излучение считается поляризованным тогда, когда все волновые колебания происходят в одной плоскости.

Это явление активно используют на практике. Например, в кино при показе 3D фильмов.

С помощью поляризации очки IMAX разделяют изображение, которое предназначено для разных глаз.

Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.

Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.

Электромагнитное излучение может распространяться практически в любой среде: от плотного вещества до вакуума.

Скорость распространения в вакууме равна 300 тыс. км за секунду.

Интересное видео о природе и свойствах ЭМ волн смотрите в видео ниже:

Виды электромагнитных волн

Все электромагнитное излучение делят по частоте.

1. Радиоволны. Бывают короткими, ультракороткими, сверхдлинными, длинными, средними.

Длина радиоволн колеблется от 10 км до 1 мм, а частота от 30 кГц до 300 ГГц.

 Их источниками может быть как деятельность человека, так и различные естественные атмосферные явления.

2.19 Гц, а длина порядка 10нм — 5пм.

6. Гамма волны. Сюда относят любое излучение, частота которого больше, чем в рентгеновских лучах, а длина – меньше. Источником таких электромагнитных волн являются космические, ядерные процессы.

Сфера применения

Где-то начиная с конца XIX столетия, весь человеческий прогресс был связан с практическим применением электромагнитных волн.

Первое о чем стоит упомянуть – радиосвязь. Она дала возможность людям общаться, даже если они находились далеко друг от друга.

Спутниковое вещание, телекоммуникации – являются дальнейшим развитием примитивной радиосвязи.

Именно эти технологии сформировали информационный облик современного общества.

Источниками электромагнитного излучения следует рассматривать как крупные промышленные объекты, так и различные линии электропередач.

Электромагнитные волны активно используются в военном деле (радары, сложные электрические устройства). Также без их применения не обошлась и медицина. Для лечения многих болезней могут использовать инфракрасное излучение.

Рентгеновские снимки помогают определить повреждения внутренних тканей человека.

С помощью лазеров проводят ряд операций, требующих ювелирной точности.

Важность электромагнитного излучения в практической жизни человека сложно переоценить.

Советское видео о электромагнитном поле:

Возможное негативное влияние на человека

Несмотря на свою полезность, сильные источники электромагнитного излучения могут вызывать такие симптомы:

• усталость;

• головную боль;

• тошноту.

Чрезмерное воздействие некоторых видов волн вызывают повреждения внутренних органов, центральной нервной системы, мозга. Возможны изменения в психике человека.

Интересное виде о влиянии ЭМ волн на человека:

Чтобы избежать таких последствий практически во всех странах мира действуют стандарты, регулирующие электромагнитную безопасность. Для каждого типа излучений существуют свои регулирующие документы (гигиенические нормы, нормы радиационной безопасности). Влияние электромагнитных волн на человека до конца не изучено, поэтому ВОЗ рекомендует минимизировать их воздействие.

Электромагнитное излучение. Виды и применение. Влияние

Электромагнитное излучение представлено одноименными волнами, которые приводятся в возбуждение под воздействием различных объектов излучения в виде молекулярных, атомных и заряженных частиц.

Существует несколько его разновидностей:
  • Видимый свет. Это излучение, способное восприниматься человеческим зрением. Волновая длина достаточно короткая и варьируется в пределах 380-780 нанометров.
  • Инфракрасное. Представляет собой что-то среднее между световым излучением и волнами радио.
  • Радиоволны. Отличаются наибольшей длиной и вмещают в себя все разновидности излучения, волны которых характеризуются длиной от полумиллиметра.
  • Ультрафиолетовое. Излучение, приносящее вред живому организму.
  • Рентгеновское. Производится электронными частицами и нашло широкое применение в медицине.
  • Гамма-излучение. Имеет самую короткую длину волн, представляя высокий уровень опасности для человеческого организма.
Устройство
Характеристику любой электромагнитной волны составляют три основных параметра:
  1. Частота. Выражает количество гребней волны, проходящих в течение одной секунды. Мера измерения -герцы.
  2. Поляризация. Описывает колебания электромагнитных волн в поперечном направлении. Поляризованным излучение становится при волновых колебаниях, происходящих в одной плоскости. На практике данное явление можно встретить в кинотеатрах на сеансах 3Д. Посредством поляризации в 3Д-очках происходит разделение картинки.
  3. Длина. Представляет собой расстояние, соединяющее точки электромагнитного излучения, которые колеблются в пределах одной фазы.

Распространение электромагнитного излучения возможно в любой среде, начиная плотным веществом и заканчивая вакуумом. При этом скорость распространения волны в вакуумном пространстве достигает 300 тысяч км в секунду. К примеру звуковые волны, в вакууме не распространяются.

Принцип действия

Электромагнитное излучение имеет энергию, основной характеристикой которой является ее напряженность. Существует постоянное и переменное поле электромагнитных волн.

Первое — характеризуется напряженностью, которая обуславливается силой, оказывающей каталитическое действие на токовый проводник. В качестве единицы напряжения выступает ампер. Переменная разновидность совмещает в себе магнитную и электрическую разновидности магнитных полей, которые расширяются в пространстве в виде волн.

Область распространения включает в себя три зоны:
  • Ближнюю – индукционную.
  • Промежуточную – интерференционную.
  • Дальнюю — волновую.
Свойства

Известно, что для электромагнитных волн характерны определенные свойства, о которых впервые заговорил Максвелл. Эти свойства обуславливаются различиями и зависимостью от параметра длины. Именно в соответствии с этими параметрами волны электромагнитных полей подразделяются на диапазоны, которые, в свою очередь, имеют достаточно условную шкалу, поскольку расположенные рядом частоты накладывают свои свойства друг на друга.

К таковым — относятся:
  • Высокая проникающая способность.
  • Быстрая скорость растворения в веществе.
  • Негативное и благотворное влияние на человека.
Применение и влияние

Свое широкое применение электромагнитное излучение получило только в конце 19-го века, когда активно развивалась радиосвязь, посредством которой стало возможно общение на далеком расстоянии.

В качестве главных электромагнитных источников выступают крупные объекты промышленного масштаба, а также различные электрические линии передач. Помимо этого, рассматриваемый вид излучения получил активное применение в военной сфере. Там они представлены радарами и другими электрическими приборами, имеющих сложное устройство.

В медицинской области для лечения разнообразных болезней применяется инфракрасное излучение. Кроме этого:
  • Посредством рентгеновского обследования становится возможным выявление внутренних повреждений в человеческом организме.
  • Лазер позволяет проводить операции, которые требуют ювелирной точности и т.п.
Однако, несмотря на перечисленную выше пользу, электромагнитное излучение может спровоцировать возникновение ряда негативных признаков:
  • Повышенную усталость.
  • Боли в голове.
  • Тошнотные позывы и т.п.

Повышенное воздействие определенных видов электромагнитных волн способно привести к повреждениям органов, расположенных внутри, и мозговой центральной нервной системы, что впоследствии чревато психическими расстройствами.

Во избежание столь отрицательных влияний существуют определенные стандарты, которые регулируют безопасность электромагнитного воздействия. Так, для каждого из видов электромагнитного излучения разработаны конкретные документы регулирующего характера в виде гигиенических норм и радиационных стандартов.

Электромагнитное излучение влияет на человеческий организм и остается до конца неизученным, по причине чего рекомендуется свести к минимуму его воздействие.

Достоинства и недостатки

Главным преимуществом ЭМИ является его активное применение в медицинской сфере. Посредством рентгеновского и инфракрасного излучений становится возможным обследование внутренних органов с последующим выявлением возможных заболеваний.

К недостатку же электромагнитного излучения следует отнести негативное воздействие на организм человека в случаях, когда это влияние превышает нормы. По возможности его необходимо избегать. Более того, известен накопительный эффект биологического влияния излучения: чем он длительней, тем более негативнее последствия.

Многолетнее воздействие способно привести к:
  • Серьезным сбоям в гормональной системе.
  • Злокачественным заболеваниям.
  • Болезням крови и т.п.
Особенности
Простым обывателям может быть непонятна схожесть между разными, на первый взгляд, объектами электромагнитного излучения, к примеру:
  • Трубка рентгена.
  • Печка, от которой исходит тепло.
  • Фотопленка.
  • Радиоприемник.
  • Антенна телевизора.
Первые объекты — электромагнитные источники, вторые — представлены приемниками. Также отличается и влияние определенных видов излучения на живой организм, к примеру:

  • Рентген и излучение гамма-частицами провоцируют повреждение тканевых структур и внутренних органов.
  • Видимый свет при определенных условиях может негативно повлиять на зрение.
  • Инфракрасные лучи могут оказывать чрезмерный нагрев на организм.
  • При этом радиоволны практически никак не ощущаются.

Однако перечисленные выше отличия выступают различными аспектами одного явления. Электромагнитное излучение обладает волнами, которые имеют схожую распространительную скорость в пространстве. При этом количество колебаний в течение временной единицы может измеряться в широких диапазонных значениях. Окружающее нас пространство насыщено электромагнитным излучением, которое связано не только с радиоволнами, но и с окружающими телами.

Похожие темы:

Урок 10. электромагнитные волны — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 10. Электромагнитные волны

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. Основные положения электромагнитной теории Максвелла и опытное доказательство Герцем существования электромагнитных волн.
  2. Электромагнитная волна и её характеристики, вихревое поле, шкала электромагнитных волн.

Глоссарий по теме

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные

волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово «волна», что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота — обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны — это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Скорость — υ, м/с

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости — волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека — с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики — электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Генрих Герц

(1857–1894)

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

υ = λ·ν

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов  и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность — плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10-10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы  и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Дано:

𝛌=200 м

с=3·108 м/с

𝞶 -?

Решение:

Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Дано:

𝛌= 1000 м

с=3·108 м/с

L- ?

Решение:

Формула Томсона для периода колебаний:

Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

Обобщающий урок «Шкала электромагнитных излучений»

Цель урока: обеспечить в ходе урока повторение основных законов, свойств электромагнитных волн;

Образовательная: Систематизировать материал по теме, осуществить коррекцию знаний, некоторое  ее углубление;

Развивающая: Развитие устной речи учащихся,  творческих навыков учащихся, логики, памяти; познавательных способностей;

Воспитательная: Формировать интерес учащихся к изучению физики. воспитывать аккуратность  и навыки рационального использования своего  времени;

Тип урока: урок повторения и коррекции знаний;

Оборудование :  компьютер, проектор, презентация «Шкала электромагнитных излучений», диск « Физика. Библиотека наглядных пособий».

Ход урока:

1. Объяснение нового материала.

1. Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 1013 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (g- лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Тем не менее,  именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.
   2.  Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и g-излучение. Со всеми этими излучениями, кроме g-излучения, вы уже знакомы. Самое коротковолновое g-излучение испускают атомные ядра.
3. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
  4.  Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации.
   5.  Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами и успешно исследуются с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. В первую очередь это относится к рентгеновскому и g-излучениям, сильно поглощаемом атмосферой.
   6.   По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.
7. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно g-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Обобщим знания о волнах и  запишем все виде таблиц. 

1. Низкочастотные колебания

  Низкочастотные колебания
Длина волны(м) 1013  —  105
Частота(Гц) 3· 10 -3  — 3  ·10 3
Энергия(ЭВ) 1 – 1,24 ·10 -10
Источник Реостатный альтернатор, динамомашина,
Вибратор Герца,
Генераторы в электрических сетях (50 Гц)
Машинные генераторы повышенной ( промышленной) частоты ( 200 Гц)
Телефонные сети ( 5000Гц)
Звуковые генераторы ( микрофоны, громкоговорители)
Приемник  Электрические приборы и двигатели
История открытия Лодж ( 1893 г.), Тесла ( 1983 )
 Применение Кино, радиовещание( микрофоны, громкоговорители)

2. Радиоволны

 

   Радиоволны
Длина волны(м)   10 5  —  10 -3
Частота(Гц) 3 ·103 — 3 ·10 11
Энергия(ЭВ) 1,24 ·10-10  — 1,24 · 10 -2
Источник  Колебательный контур
Макроскопические вибраторы
Приемник Искры в зазоре приемного вибратора
Свечение газоразрядной трубки, когерера
История открытия  Феддерсен ( 1862 г.), Герц ( 1887 г.), Попов , Лебедев, Риги
 Применение Сверхдлинные— Радионавигация, радиотелеграфная связь,     передача метеосводок       
Длинные – Радиотелеграфная и радиотелефонная связь,    радиовещание, радионавигация
Средние— Радиотелеграфия и радиотелефонная связь радиовещание, радионавигация
Короткие— радиолюбительская связь
УКВ— космическая радио связь
ДМВ— телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, сотовая телефонная связь
СМВ- радиолокация, радиорелейная связь, астронавигация, спутниковое телевидение
ММВ— радиолокация

  Инфракрасное излучение
Длина волны(м) 2 ·10 -3   — 7,6· 10 -7
Частота(Гц) 3 ·1011  — 3 ·10 14
Энергия(ЭВ) 1,24· 10 -2 – 1,65
Источник Любое нагретое тело: свеча, печь, батарея водяного отопления, электрическая лампа накаливания
Человек излучает электромагнитные  волны длиной 9 10 -6 м
Приемник Термоэлементы, болометры, фотоэлементы, фоторезисторы, фотопленки
История открытия  Рубенс и Никольс ( 1896 г.), 
Применение В криминалистике, фотографирование земных объектов в тумане и темноте, бинокль и прицелы для стрельбы в темноте,  прогревание тканей живого организма ( в медицине), сушка древесины и окрашенных кузовов автомобилей, сигнализация при охране помещений, инфракрасный телескоп,

4. Видимое излучение

   Видимое излучение
Длина волны(м) 6,7· 10-7  — 3,8 ·10 -7
Частота(Гц) 4·  1014  — 8· 1014
Энергия(ЭВ) 1,65 – 3,3 ЭВ
Источник  Солнце, лампа накаливания, огонь
Приемник Глаз, фотопластинка, фотоэлементы, термоэлементы
История открытия Меллони
 Применение Зрение
Биологическая жизнь

5. Ультрафиолетовое излучение

  Ультрафиолетовое излучение
Длина волны(м)   3,8 10 -7  —  3 ·10 -9
Частота(Гц) 8 ·1014  —  10 17
Энергия(ЭВ) 3,3 – 247,5 ЭВ
Источник   Входят в состав солнечного света
Газоразрядные лампы с трубкой из кварца
Излучаются всеми  твердыми телами , у которых температура больше 1000 ° С, светящиеся ( кроме ртути)
Приемник  Фотоэлементы,
Фотоумножители,
Люминесцентные вещества
История открытия Иоганн Риттер, Лаймен
 Применение Промышленная электроника и автоматика,
Люминисценнтные лампы,
Текстильное производство
Стерилизация воздуха

6. Рентгеновское излучение

  Рентгеновское излучение
Длина волны(м)    10 -9  —  3 ·10 -12
Частота(Гц) 3 ·1017  — 3 ·10 20
Энергия(ЭВ) 247,5 – 1,24 ·105 ЭВ
Источник Электронная рентгеновская трубка ( напряжение на аноде – до 100 кВ. давление в баллоне – 10-3 – 10-5 н/м2, катод – накаливаемая нить . Материал анодов W,Mo, Cu, Bi, Co, Tl и др.
Η = 1-3%,  излучение – кванты большой энергии)
Солнечная корона
Приемник Фотопленка,
Свечение некоторых кристаллов
История открытия В. Рентген , Милликен
 Применение Диагностика и лечение заболеваний ( в медицине), Дефектоскопия ( контроль внутренних структур, сварных швов)

7. Гамма — излучение

  Гамма — излучение
Длина волны(м)   3,8 ·10 -11  — меньше
Частота(Гц) 8· 1014  —   больше
Энергия(ЭВ) 9,03 ·103 – 1, 24 ·1016 ЭВ
Источник Радиоактивные атомные ядра, ядерные реакции, процессы превращения вещества в излучение
Приемник счетчики
История открытия  
 Применение Дефектоскопия;
Контроль технологических процессов;
Терапия и диагностика в медицине

Вывод
Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко — при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко — при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Все это служит подтверждением закона диалектики (переход количественных изменений в  качественные ).

  Приложение 1 шкала электромагнитных излучений.ppt

Приложение 2

Литература:

  1. « Физика- 11» Мякишев 
  2. Диск «Уроки физики Кирилла и Мефодия. 11 класс»( ))) «Кирилл и Мефодий, 2006)
  3. Диск « Физика. Библиотека наглядных пособий. 7-11 классы»( ( 1С: «Дрофа» и «Формоза» 2004)
  4. Ресурсы Интернета

Краткая характеристика видов электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение — это очень интересное и одновременно сложное физическое явление, исследование которого началось еще в далекие годы XVII века. Первые волновые теории света (старые варианты электромагнитного излучения) восходят к временам Гюйгенса. Плодотворным периодом, с точки зрения интенсивного исследования и развития электромагнитного излучения является XVIII-XIX вв., поскольку именно в это время были изобретены инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения, была построена теория электромагнитного поля классической физики, а также начато изучение квантовой физики др.

Подробнее о измерении электромагнитного излучения в квартире

Электромагнитное излучение подразделяется на радиоволны, видимый свет, терагерцовое, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение).

Радиоволны — электромагнитные волны с длиной волны> 500 мкм (частотой <6×10 12 гц). Они обладают многофункциональным применением: радиовещание, радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация, радиометрология др. Во всех перечисленных случаях радиоволны являются средством передачи на расстояние без проводов той или иной информации: речи, телеграфных сигналов, изображения.

Видимый свет — область спектра электромагнитных волн, которая непосредственно воспринимается человеческим глазом. Волны с длиной меньше 380 нм называют ультрафиолетовыми, больше 750 нм — инфракрасными. Чувствительность человеческого глаза к волнам разной частоты в видимом диапазоне разная. Она имеет максимум в середине диапазона (зеленый цвет) и уменьшается в направлении границ. Это значит, что среди источников света одинаковой интенсивности, зеленый источник казаться ярче, чем красный или голубой.

Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Данный вид излучения уже находит применение в некоторых отраслях народного хозяйства и повседневной жизни людей. Например, в системах безопасности используется терагерцовое излучение для сканирования багажа и людей, которое, в отличие от рентгеновского, не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров. Очень важным является его использование в медицинской практике, в частности, внедрение терагерцовых томографов с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров.

Инфракрасное излучение — оптическое излучение с длиной волны больше, чем у видимого излучения, соответствующего длине волны, превышающей примерно 750 нм. Человеческий глаз не видит инфракрасного излучения, органы чувств некоторых других животных, например, змей и летучих мышей, воспринимают инфракрасное излучение, что помогает им хорошо ориентироваться в темноте. Инфракрасные лучи излучаются всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля, максимум интенсивности излучения зависит от температуры.

Ультрафиолетовое излучение — спектр электромагнитных колебаний, которое составляет около 5% плотности потока солнечного излучения и является жизненно необходимым фактором, оказывающий благотворное влияние на организм, снижает чувствительность организма к некоторым воздействиям. Оптимальные дозы лучей активизируют действие сердца, обмен веществ, повышают активность ферментов дыхания, улучшают кровообразование, оказывают антирахитическое и бактерицидное действие. Продолжительность воздействия больших доз излучения может привести к поражениям кожи и органов зрения. Эффективным методом защиты от ультрафиолетового излучения является экранирование источников излучения. Рабочие места ограждают ширмами, щитами, оборудуют кабины, как средства индивидуальной защиты используют спецодежду, спецобувь, перчатки, защитные очки и щитки со светофильтрами.

Рентгеновское излучение, пулюевское излучение или Х-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны от 10 нм до 0.01 нм. В электромагнитном спектре диапазон частот рентгеновского излучения лежит между ультрафиолетом и гамма-лучами. Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и попадая потом на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачны для него части объекта дают более светлые участки на фотографии, чем те, по которым излучение проникает хорошо.

Жесткое (гамма-излучение) — электромагнитное излучение высокой энергии с длиной волны менее 1 ангстрем. Образуется в реакциях с участием атомных ядер и элементарных частиц. Гамма-лучи имеют наибольшую проницаемость из всех видов радиации, соответственно, от них труднее защититься. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так, выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений. Влияние радиации на живой организм вызывает в нем различные оборотные и не оборотные биологические изменения (подробнее о измерении уровня радиации в кравтире). И эти изменения делятся на две категории — соматические, вызванные непосредственно у человека, и генетические, возникающие у потомков. Тяжесть воздействия радиации на организм человека зависит от того, как происходит это влияние — сразу или порциями. Большинство органов успевает восстановиться, поэтому они лучше переносят серию кратковременных доз, по сравнению с той же суммарной дозой облучения за один раз.

Спектр электромагнитного излучения • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10–9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.

Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. Постоянная Планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

Радиоволны

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.

Инфракрасные лучи

Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Видимый свет

Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

Ультрафиолетовые лучи

К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. Озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

Рентгеновские лучи

Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)

Гамма-лучи

Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.

См. также:

Диапазоны излучения и вещество

Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света, их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты (а равным образом от длины волны и энергии кванта). По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.

Видимое излучение

Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 1014 раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 1020 энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.

Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.

Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.

Ультрафиолетовое излучение

С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и вакуумный. Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород (O2).

Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.

Рентгеновское излучение

Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.

Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.

От рентгена к гамма

Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.

Гамма-излучение

Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.

Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий. Это отмечено на плакате красными стрелками.

Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 1020 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 1021–1024 эВ.

Инфракрасное излучение

Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу.

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне — именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.

В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы. Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы — в Мексике 50-метровый, а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.

Микроволны и радиоволны

К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.

При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.

Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.

Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.

Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.

Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.

Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).

Далее: Что изображено на плакате

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр — это распределение электромагнитных излучения по энергии (или, что то же самое, в силу соотношений в предыдущий раздел, в зависимости от частоты или длины волны).

Области электромагнитного спектра

В следующей таблице приведены приблизительные длины волн, частоты и энергии. для выбранных областей электромагнитного спектра.
Спектр электромагнитного излучения Радиация
Регион Длина волны
(Ангстрем)
Длина волны
(сантиметры)
Частота
(Гц)
Энергия
(эВ)
Радио > 10 9 > 10 <3 x 10 9 <10 -5
Микроволновая печь 10 9 — 10 6 10 — 0.01 3 x 10 9 — 3 x 10 12 10 -5 — 0,01
Инфракрасный 10 6 — 7000 0,01 — 7 x 10 -5 3 x 10 12 — 4,3 x 10 14 0,01 — 2
Видимый 7000–4000 7 x 10 -5 — 4 x 10 -5 4,3 x 10 14 — 7,5 x 10 14 2–3
Ультрафиолет 4000–10 4 x 10 -5 -10 -7 7.5 х 10 14 — 3 х 10 17 3–10 3
Рентгеновские снимки 10–0,1 10 -7 -10 -9 3 x 10 17 — 3 x 10 19 10 3 — 10 5
Гамма-лучи <0,1 <10 -9 > 3 x 10 19 > 10 5

Обозначение «эВ» означает электрон-вольт, обычную единицу измерения энергии в атомная физика.Графическое представление электромагнитного спектра: показано на рисунке ниже.

Электромагнитный спектр

Таким образом, мы видим, что видимый свет, гамма-лучи и микроволны на самом деле одно и то же. вещи. Все они представляют собой электромагнитное излучение; они просто отличаются своими длины волн.

Спектр видимого света

Точно так же, как мы воспринимаем частоту звука как высоту тона, мы воспринимаем частоту света как цвет.Обратите внимание, насколько мал видимый спектр во всем диапазоне электромагнитный спектр.

Видимая часть спектра может быть разделена по цвету, с красным на длинноволновом конце и фиолетовым на коротковолновом конце, так как проиллюстрировано (схематично) на следующем рисунке.

Видимый спектр

Как Рой Г. Б. потерял гласную

Последовательность красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового цветов может быть запомнил, запомнив имя того молодца «РОЙ Г.BV «. Изначально это был» ROY G. BIV «, потому что раньше было принято называть область между синим и фиолетовым «индиго». В современном обиходе индиго обычно не выделяют как отдельный цвет в видимом спектре; таким образом, у Роя больше нет гласных в последнем название.

Инфракрасное излучение

За пределами красного конца видимого спектра инфракрасное излучение. Диапазон составляет от 700 нм до 0,1 см. Мы чувствуем такое излучение от тепловой лампы, но не видим этого радиация.

Радиоволны

Мы знакомы с радиоволнами в диапазонах UHF, VHF, FM и AM.У них очень длинные волны. Радиоволны AM имеют самую длинную длины волн в этой группе и, следовательно, самые маленькие частоты.

УФ, рентгеновские лучи, гамма-лучи

Эти лучи с более короткой длиной волны и более высокой энергией в значительной степени заблокирован атмосферой Земли. (Мы позже узнать больше о том, почему блокируются определенные длины волн по сравнению с другими. (см. следующий слайд). Таким образом, «рентгеновское зрение» Супермена в принципе бесполезно. на земле.

Электромагнитный спектр | COSMOS

Электромагнитный спектр (EMS) — это общее название известного диапазона электромагнитного излучения.Длины волн увеличиваются примерно с 10 -18 м до 100 км, что соответствует уменьшению частот с 3 × 10 26 Гц до 3 × 10 3 Гц.

На изображении ниже показаны названия, присвоенные различным регионам EMS. Обратите внимание, что видимая часть спектра, единственный тип электромагнитного излучения, который мы можем обнаружить нашими глазами, составляет лишь крошечную часть EMS.


В вакууме все электромагнитные волны распространяются со скоростью света: c = 299 792 458 м / с.Энергия ( E ) может быть связана с каждой областью EMS, используя уравнение:

, где f — частота, а h — постоянная Планка, которая имеет значение:

В таблице ниже перечислены типичные длины волн, частоты и энергии для различных регионов EMS.

Регион Длина волны Частота Энергия
Жесткая гамма 1 × 10 -9 нм 3 × 10 26 Гц 1.2 × 10 12 эВ
Гамма 1 × 10 -6 нм 3 × 10 23 Гц 1,2 ГэВ
Гамма / рентген 0,001 нм 3 × 10 19 Гц 12 МэВ
Рентгеновский снимок 1 нм 3 × 10 17 Гц 120 кэВ
Рентген / ультрафиолет 10 нм 3 × 10 16 Гц 12 кэВ
Ультрафиолет 100 нм 3 × 10 15 Гц 1.2 кэВ
Видимый (синий) 400 нм 7,5 × 10 14 Гц 3,1 эВ
Видимый (красный) 700 нм 4,3 × 10 14 Гц 1,8 эВ
Инфракрасный 10000 нм 3 × 10 13 Гц 0,12 эВ
Микроволновая печь 1 см 30 ГГц 1.2 × 10 -4 эВ
Микроволновая печь / радио 10 см 3 ГГц 1,2 × 10 -5 эВ
Радио 100 метров 3 МГц 1,2 × 10 -8 эВ
Радио 100 км 3 кГц 1,2 × 10 -11 эВ

Что такое электромагнитное излучение? | Живая наука

Электромагнитное (ЭМ) излучение — это форма энергии, которая окружает нас и принимает различные формы, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи.Солнечный свет также является формой электромагнитной энергии, но видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра, который содержит широкий диапазон длин электромагнитных волн.

Электромагнитная теория

Когда-то считалось, что электричество и магнетизм — это отдельные силы. Однако в 1873 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал единую теорию электромагнетизма. Изучение электромагнетизма касается того, как электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом и с магнитными полями.

Существует четыре основных электромагнитных взаимодействия:

  • Сила притяжения или отталкивания между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
  • Магнитные полюса попарно притягиваются и отталкиваются, как электрические заряды.
  • Электрический ток в проводе создает магнитное поле, направление которого зависит от направления тока.
  • Движущееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот.

Максвелл также разработал набор формул, называемых уравнениями Максвелла, для описания этих явлений.

Волны и поля

ЭМ-излучение создается, когда атомная частица, например электрон, ускоряется электрическим полем, заставляя ее двигаться. Движение создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые движутся под прямым углом друг к другу в пучке световой энергии, называемой фотоном. Фотоны перемещаются в гармонических волнах с самой высокой скоростью во Вселенной: 186 282 миль в секунду (299 792 458 метров в секунду) в вакууме, также известной как скорость света.Волны обладают определенными характеристиками, такими как частота, длина волны или энергия.

Электромагнитные волны образуются, когда электрическое поле (показано красными стрелками) соединяется с магнитным полем (показано синими стрелками). Магнитное и электрическое поля электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению волны. (Изображение предоставлено NOAA.)

Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками волны. Это расстояние указывается в метрах (м) или долях от него.Частота — это количество волн, которые формируются за определенный промежуток времени. Обычно он измеряется как количество волновых циклов в секунду или герц (Гц). По данным Университета Висконсина, короткая длина волны означает, что частота будет выше, потому что один цикл может пройти за более короткое время. Точно так же более длинная волна имеет более низкую частоту, потому что каждый цикл занимает больше времени.

Спектр ЭМ

ЭМ излучение охватывает огромный диапазон длин волн и частот.Этот диапазон известен как электромагнитный спектр. Спектр ЭМ обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общие обозначения: радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолет (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи. Обычно излучение с более низкой энергией, такое как радиоволны, выражается как частота; микроволны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет обычно выражаются длиной волны; а излучение более высоких энергий, такое как рентгеновские лучи и гамма-лучи, выражается в единицах энергии на фотон.

Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты: радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. (Изображение предоставлено: Biro Emoke Shutterstock)

Радиоволны

Радиоволны находятся в самом низком диапазоне электромагнитного спектра с частотами примерно до 30 миллиардов герц, или 30 гигагерц (ГГц), и длинами волн более примерно 10 миллиметров ( 0.4 дюйма). Радио используется в основном для связи, включая передачу голоса, данных и развлечений.

Микроволны

Микроволны попадают в диапазон электромагнитного спектра между радио и ИК. Они имеют частоты от примерно 3 ГГц до примерно 30 триллионов герц, или 30 терагерц (ТГц), и длины волн от примерно 10 мм (0,4 дюйма) до 100 микрометров (мкм) или 0,004 дюйма. Микроволны используются для связи с высокой пропускной способностью, радаров и в качестве источника тепла для микроволновых печей и промышленных приложений.

Инфракрасный

Инфракрасный находится в диапазоне электромагнитного спектра между микроволнами и видимым светом. ИК-диапазон имеет частоты от примерно 30 ТГц до примерно 400 ТГц и длины волн от примерно 100 мкм (0,004 дюйма) до 740 нанометров (нм) или 0,00003 дюйма. ИК-свет невидим для человеческого глаза, но мы можем ощущать его как тепло, если его интенсивность достаточна.

Видимый свет

Видимый свет находится в середине ЭМ спектра, между ИК и УФ. Он имеет частоты от 400 до 800 ТГц и длину волны около 740 нм (0.00003 дюйма) до 380 нм (0,000015 дюйма). В более общем смысле, видимый свет определяется как длины волн, которые видны большинству человеческих глаз.

Ультрафиолет

Ультрафиолетовый свет находится в диапазоне электромагнитного спектра между видимым светом и рентгеновскими лучами. Он имеет частоты от 8 × 10 14 до 3 × 10 16 Гц и длины волн от около 380 нм (0,00000015 дюйма) до около 10 нм (0,0000004 дюйма). УФ-свет — это составляющая солнечного света; однако это невидимо для человеческого глаза.Он имеет множество медицинских и промышленных применений, но может повредить живые ткани.

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи примерно подразделяются на два типа: мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкое рентгеновское излучение включает диапазон ЭМ-спектра между УФ и гамма-лучами. Мягкое рентгеновское излучение имеет частоты от примерно 3 × 10 16 до примерно 10 18 Гц и длины волн от примерно 10 нм (4 × 10 -7 дюймов) до примерно 100 пикометров (пм) или 4 × 10 −8 дюймов. Жесткое рентгеновское излучение занимает ту же область электромагнитного спектра, что и гамма-лучи.Единственное различие между ними заключается в их источнике: рентгеновские лучи производятся ускорением электронов, а гамма-лучи производятся атомными ядрами.

Гамма-излучение

Гамма-излучение находится в диапазоне спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты более 10 18 Гц и длины волн менее 100 пм (4 × 10 -9 дюймов). Гамма-излучение вызывает повреждение живых тканей, что делает его полезным для уничтожения раковых клеток при применении в тщательно отмеренных дозах на небольшие участки.Однако неконтролируемое воздействие чрезвычайно опасно для человека.

Дополнительные ресурсы

Электромагнитное излучение — обзор

Электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение — это электрическое и магнитное возмущение, перемещающееся в пространстве со скоростью света (2,998 × 108 м / с). Он не содержит ни массы, ни заряда, а перемещается в пакетах лучистой энергии, называемых фотонами или квантами. Примеры электромагнитного излучения включают радиоволны и микроволны, а также инфракрасное, ультрафиолетовое, гамма и рентгеновское излучение.Некоторые источники электромагнитного излучения включают источники в космосе (например, солнце и звезды), радиоактивные элементы и промышленные устройства. ЭМ проявляет двойственную природу волн и частиц.

Электромагнитное излучение распространяется в форме волны с постоянной скоростью. Волновые характеристики электромагнитного излучения находятся в зависимости скорости от длины волны (расстояние по прямой линии одного цикла) и частоты (циклов в секунду или герц, Гц), выраженных в формуле

c = λv

, где c = скорость, λ = длина волны и v = частота.

Поскольку скорость постоянна, любое увеличение частоты приводит к последующему уменьшению длины волны. Следовательно, длина волны и частота обратно пропорциональны. Все формы электромагнитного излучения сгруппированы в соответствии с длиной волны в электромагнитный спектр, показанный на Рисунке 1-3.

Частичностная природа электромагнитного излучения проявляется во взаимодействии ионизирующих фотонов с веществом. Количество энергии (E), обнаруженное в фотоне, равно его частоте ( ν ), умноженной на постоянную Планка (h):

E = νh

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте фотона.Энергия фотона измеряется в эВ или кэВ (килоэлектронвольтах). Энергетический диапазон диагностического рентгеновского излучения составляет от 40 до 150 кэВ. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые лучи обладают достаточной энергией (> 10 кэВ), чтобы вызвать ионизацию.

Энергия электромагнитного излучения определяет его полезность для диагностической визуализации. Из-за чрезвычайно короткой длины волны гамма-лучи и рентгеновские лучи способны проникать через большие части тела. Гамма-лучи используются при визуализации радионуклидов. Рентгеновские лучи используются для получения изображений на обычной пленке и компьютерной томографии (КТ).Видимый свет применяется для наблюдения и интерпретации изображений. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастотное электромагнитное излучение в качестве среды передачи (см. Рис. 1-3).

7 типов электромагнитных волн

Электромагнитный (ЭМ) спектр охватывает все частоты волн, включая радио, видимый свет и рентгеновские лучи. Все электромагнитные волны состоят из фотонов, которые путешествуют в пространстве, пока не взаимодействуют с материей; одни волны поглощаются, а другие отражаются. Хотя науки обычно подразделяют электромагнитные волны на семь основных типов, все они являются проявлениями одного и того же явления.

Радиоволны: мгновенная связь

••• seroz4 / iStock / Getty Images

Радиоволны — это волны с самой низкой частотой в электромагнитном спектре. Радиоволны могут использоваться для передачи других сигналов приемникам, которые впоследствии преобразуют эти сигналы в полезную информацию. Многие объекты, как природные, так и созданные руками человека, излучают радиоволны. Все, что излучает тепло, испускает излучение во всем спектре, но в разном количестве. Звезды, планеты и другие космические тела излучают радиоволны.Радио- и телевизионные станции, а также компании сотовой связи производят радиоволны, которые несут сигналы, принимаемые антеннами вашего телевидения, радио или мобильного телефона.

Микроволны: данные и тепло

••• Райан Маквей / Photodisc / Getty Images

Микроволны занимают второе место по частоте среди волн в электромагнитном спектре. Радиоволны могут достигать нескольких миль в длину, а микроволны — от нескольких сантиметров до фута. Из-за своей более высокой частоты микроволны могут проникать через препятствия, мешающие радиоволнам, такие как облака, дым и дождь.Микроволновые печи передают радар, звонки на стационарные телефоны и передачу компьютерных данных, а также готовят ваш обед. Микроволновые остатки «Большого взрыва» излучаются со всех сторон по всей вселенной.

Инфракрасные волны: невидимое тепло

••• Бенджамин Хаас / Hemera / Getty Images

Инфракрасные волны находятся в нижнем и среднем диапазоне частот в электромагнитном спектре, между микроволнами и видимым светом. Размер инфракрасных волн колеблется от нескольких миллиметров до микроскопических длин.Более длинноволновые инфракрасные волны выделяют тепло и включают излучение, испускаемое огнем, солнцем и другими выделяющими тепло объектами; Более коротковолновые инфракрасные лучи не выделяют много тепла и используются в пультах дистанционного управления и технологиях визуализации.

Лучи видимого света

••• Goodshoot / Goodshoot / Getty Images

Волны видимого света позволяют видеть окружающий мир. Различные частоты видимого света воспринимаются людьми как цвета радуги.Частоты перемещаются от более низких длин волн, определяемых как красные, до более высоких видимых длин волн, обнаруживаемых как фиолетовые оттенки. Самым заметным естественным источником видимого света, конечно же, является солнце. Объекты воспринимаются как разные цвета в зависимости от того, какие длины волн света объект поглощает, а какие отражает.

Ультрафиолетовые волны: энергичный свет

••• malija / iStock / Getty Images

Ультрафиолетовые волны имеют даже более короткие длины волн, чем видимый свет.Ультрафиолетовые волны являются причиной солнечных ожогов и могут вызвать рак у живых организмов. Высокотемпературные процессы испускают УФ-лучи; их можно обнаружить по всей Вселенной по каждой звезде на небе. Обнаружение УФ-волн помогает астрономам, например, узнать о структуре галактик.

Рентгеновские лучи: проникающее излучение

••• DAJ / amana images / Getty Images

Рентгеновские лучи — это волны чрезвычайно высокой энергии с длинами волн от 0,03 до 3 нанометров — не намного длиннее атома.Рентгеновские лучи излучаются источниками с очень высокими температурами, такими как корона Солнца, которая намного горячее, чем поверхность Солнца. К естественным источникам рентгеновского излучения относятся космические явления с огромной энергией, такие как пульсары, сверхновые и черные дыры. Рентгеновские лучи обычно используются в технологиях визуализации для просмотра костных структур внутри тела.

Гамма-лучи: ядерная энергия

••• parisvas / iStock / Getty Images

Гамма-волны — это электромагнитные волны самой высокой частоты, которые излучаются только самыми энергичными космическими объектами, такими как пульсары, нейтронные звезды, сверхновые и черные дыры .Наземные источники включают молнии, ядерные взрывы и радиоактивный распад. Длины гамма-волн измеряются на субатомном уровне и могут фактически проходить через пустое пространство внутри атома. Гамма-лучи могут разрушать живые клетки; К счастью, атмосфера Земли поглощает любые гамма-лучи, которые достигают планеты.

Какие бывают типы излучения?

AB Наука о знаниях и возможности трудоустройства 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

AB Физика 30 (2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитное излучение

AB Физика 30 (2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок D: Атомная физика

AB Наука 30 (2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

AB Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

До нашей эры Естественные науки 8 класс (июнь 2016 г.) 8 Большая идея: энергия может передаваться как частица, так и волна.

МБ Естественные науки 8 класс (2000 г.) 8 Кластер 2: Оптика

МБ Старший 3-й факультет физики (2003 г.) 11 Тема 2: Природа света

МБ Старший 4-й по физике (2005) 12 Тема 4: Медицинская физика

NB Физика 11 (2003) 11 Волны

NB Естественные науки 8 класс (2002) 8 Оптика

NL Физика 3204 (2019) 12 Раздел 4: Введение в квантовую физику

NS Структура результатов обучения: естественные науки 8 класс (2014 г.) 8 Физические науки: оптика

NS Физика 12 (2002) 12 Радиация

NS Физика 12 (2002) 12 Волны и современная физика

NT Наука о знаниях и возможностях трудоустройства 8 (Альберта, редакция 2009 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

NT Физика 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитное излучение

NT Физика 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок D: Атомная физика

NT Наука 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

NT Наука 8 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

НУ Наука о знаниях и возможностях трудоустройства 8 (Альберта, редакция 2009 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

НУ Физика 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок D: Атомная физика

НУ Наука 30 (Альберта, 2007 г., обновлено 2014 г.) 12 Блок C: Электромагнитная энергия

НУ Наука 8 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.) 8 Блок C: Световые и оптические системы

НА Науки о Земле и космосе, 12 класс, Университет (SES4U) 12 Строка C: Планетарная наука (Наука о Солнечной системе)

НА Экология, 11 класс, рабочее место (SVN3E) 11 Направление C: Здоровье человека и окружающая среда

НА Физика, 12 класс, Университет (СПх5У) 12 Strand E: Волновая природа света

НА Естественные науки 10 класс, академический (SNC2D) 10 Strand E: свет и геометрическая оптика

НА Прикладная наука 10 класс (SNC2P) (2008) 10 Strand E: свет и применение оптики

PE Естественные науки 8 класс (в редакции 2016 г.) 8 Блок 3: Оптика

PE Естественные науки 9 класс (2018) 9 Блок 4: Исследование космоса

КК Прикладная наука и технологии Раздел III Материальный мир

КК Экологическая наука и технологии Раздел IV Материальный мир

КК Наука и технология Раздел III Материальный мир

КК Наука и окружающая среда Раздел IV Материальный мир

SK Физические науки 20 (2016) 11 Свойства волн

SK Физика 30 (2017) 12 Современная физика

SK Естественные науки 8 класс (2009 г.) 8 Физические науки — оптика и зрение (OP)

YT Science Grade 8 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.) 8 Большая идея: энергия может передаваться как частица, так и волна.

Электромагнитный спектр

Свет передает информацию способами, о которых вы даже не подозреваете. Сотовые телефоны используют свет для отправки и приема звонков и сообщений. Беспроводные маршрутизаторы используют свет для отправки изображений кошек из Интернета на ваш компьютер. Автомобильные радиоприемники используют свет для приема музыки с близлежащих радиостанций. Даже в природе свет несет множество видов информации.

Телескопы

являются коллекторами света, и все, что мы знаем от телескопа Хаббла, связано со светом.Поскольку мы не можем путешествовать к звезде или брать образцы из далекой галактики, мы должны полагаться на электромагнитное излучение — свет — для передачи нам информации от далеких объектов в космосе.

Космический телескоп Хаббла может видеть объекты не только в видимом свете, включая ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет. Эти наблюдения позволяют астрономам определять определенные физические характеристики объектов, такие как их температура, состав и скорость.

Электромагнитный спектр состоит не только из видимого света.Он включает в себя длины волн энергии, которые человеческий глаз не может воспринимать.
Что такое электромагнитный спектр?

Электромагнитный спектр описывает все виды света, в том числе те, которые человеческий глаз не видит. Фактически, большая часть света во Вселенной невидима для наших глаз.

Свет, который мы видим, состоящий из отдельных цветов радуги, представляет лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра. Другие типы света включают радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все они незаметны для человеческого глаза.

Весь свет или электромагнитное излучение движется в космосе со скоростью 186 000 миль (300 000 километров) в секунду — это скорость света. Это примерно столько, сколько может пройти автомобиль за свою жизнь, пройдя его на свету за одну секунду!

Как мы измеряем свет

Свет распространяется волнами, очень похожими на волны в океане. Как волна, свет имеет несколько основных свойств, которые его описывают. Один из них — частота, которая подсчитывает количество волн, которые проходят через заданную точку за одну секунду.Другой — длина волны, расстояние от пика одной волны до пика следующей. Эти свойства тесно и обратно связаны: чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот. Третья — энергия, которая похожа на частоту в том смысле, что чем выше частота световой волны, тем больше энергии она несет.

Ваши глаза обнаруживают электромагнитные волны размером примерно с вирус. Ваш мозг интерпретирует различные энергии видимого света как разные цвета, от красного до фиолетового.Красный имеет самую низкую энергию, а фиолетовый — самую высокую.

Помимо красного и фиолетового, есть много других видов света, которые наши человеческие глаза не могут видеть, так же как есть звуки, которые наши уши не слышат. На одном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, длина которых в миллиарды раз превышает длину волны видимого света. На другом конце спектра находятся гамма-лучи с длинами волн в миллиарды раз меньше, чем у видимого света.

Значение света и цвета

Ученые используют цвет как инструмент для передачи информации.Читать статью

Ученые используют различные методы работы с телескопами для выделения различных типов света. Например, хотя наши глаза не могут видеть ультрафиолетовый свет от звезды, один из способов воспринять его — это позволить свету звезды пройти через фильтр на телескопе, который удаляет все другие виды света и падает на специальную камеру телескопа, чувствительную к ультрафиолетовому свету. .

Сравнение различных типов света, включая длину волны и частоту.
О чем говорят разные типы света

Для изучения Вселенной астрономы используют весь электромагнитный спектр.Разные типы света говорят нам разные вещи. См. Интерактивные примеры

Радиоволны и микроволны, которые имеют самую низкую энергию, позволяют ученым проникать сквозь плотные межзвездные облака, чтобы увидеть движение холодного газа.

Инфракрасный свет позволяет видеть сквозь холодную пыль; изучать теплый газ и пыль и относительно холодные звезды; и обнаруживать молекулы в атмосферах планет и звезд.

Большинство звезд излучают основную часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, той части спектра, которую могут видеть наши глаза.Более горячие звезды излучают свет с более высокой энергией, поэтому цвет звезды показывает, насколько она горячая. Это означает, что красные звезды — холодные, а синие — горячие.

За пределами фиолетового находится ультрафиолетовый (УФ) свет, энергия которого слишком велика для человеческого глаза. Ультрафиолетовый свет отслеживает горячее сияние звездных яслей и используется для идентификации самых горячих и самых энергичных звезд.

Рентгеновские лучи исходят от самого горячего газа, содержащего атомы. Они излучаются из перегретого материала, вращающегося по спирали вокруг черной дыры, бурлящих нейтронных звезд или облаков газа, нагретых до миллионов градусов.

Гамма-лучи имеют самую высокую энергию и самую короткую длину волны в электромагнитном спектре. Они происходят из свободных электронов и очищенных ядер атомов, ускоряемых мощными магнитными полями взрывающихся звезд, сталкивающихся нейтронных звезд и сверхмассивных черных дыр.

Это очень подробное изображение Крабовидной туманности объединяет данные телескопов, охватывающих почти весь электромагнитный спектр. Изображение включает данные с пяти различных телескопов: космического телескопа Спитцера (инфракрасный), выделенного желтым; Карл Г.Jansky Very Large Array (радио) красным цветом; Космический телескоп Хаббла (виден) в зеленом цвете; XMM-Newton (ультрафиолет) синего цвета; и рентгеновская обсерватория Чандра (рентгеновский снимок) фиолетовым цветом.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.