Что такое шкала электромагнитных волн
Перейти к содержимому

Что такое шкала электромагнитных волн

  • автор:

3. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны различной частоты пронизывают всё пространство вокруг нас. Сейчас они разделены на диапазоны, границы которых условны и имеют общие частоты. Шкала электромагнитных волн демонстрирует распределение электромагнитных волн на диапазоны.

Рисунок \(1\). Шкала электромагнитных волн
\(1\) — радиоволны;
\(2\) — рентгеновское излучение;
\(3\) — гамма-излучение.

В зависимости от частоты электромагнитные волны имеют свою скорость распространения, проникающую способность, цветность, видимость, по-разному действуют на живые организмы.

Радиоволны используются для осуществления радиосвязи, радиолокации, телепередач, космической связи.

Инфракрасное (тепловое) излучение — имеет большое значение для жизни человека, животных, растений, которые могут осуществлять свою деятельность только в определённом интервале температур.

Видимое излучение — видимый свет, который даёт возможность ориентироваться живым организмам в пространстве, видеть окружающие предметы, участвует в реакции фотосинтеза зелёных насаждений, обеспечивающей образование кислорода, обязательного для дыхания.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10\) до \(400\) нм и частотой от \(7,5⋅10^<14>\) до \(3⋅10^\) Гц.

Основной источник УФ-излучения — Солнце. Защитой от ультрафиолета является озоновый слой в атмосфере Земли. В больших дозах вызывает ожог кожи, глаз и раковые заболевания кожи, мутации и старение.

Искусственные источники:

  • УФ-лампы с содержанием ртути;
  • ртутно-кварцевые лампы;
  • люминесцентные лампы дневного света;
  • эксилампы;
  • светодиоды;
  • газовые разряды при электрической сварке;
  • аргоновый, азотный, эксимерный лазеры.

УФ-лампы применяют в процессах:

  • обеззараживания инструментов, поверхностей, воды и воздуха;
  • лечения гнойных воспалений;
  • облучения зубных пломб;
  • сушки красок и лаков;
  • выявления старения лаковой плёнки в реставрации;
  • проверки подлинности денежных купюр и документов.

Рентгеновское излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10^2\) до \(10^<-3>\) нм и частотой от \(2⋅10^\) до \(6⋅10^\) Гц.

Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки.
Применение рентгеновского излучения в медицине, в промышленности, в науке:

  • рентгенография;
  • дозиметрия;
  • выявление дефектов в изделиях;
  • рентгеноструктурный анализ (химия, биология);
  • электронные микроскопы
  • рентгенотелевизионные интроскопы в аэропортах;
  • криптография.

Большие дозы и частые обследования приводят к серьёзным заболеваниям.

Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, обладает большой проникающей способностью, оказывает губительное действие на человека. Гамма-излучение, поступающее из космоса (ядерные реакции в недрах Солнца и звёзд), поглощается атмосферой Земли, благодаря чему сохраняется жизнь на Земле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНЫХ ВОЛН ШКАЛА́, шкала физических величин, представляющих собой непрерывную последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, характеризующих распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ) .
Границы по длинам и частотам волн между различными видами электромагнитного излучения условны, последовательные участки шкалы переходят друг в друга.
Электромагнитную волну характеризует длина волны — l, измеряемая в метрах (м), и соответствующая ей частота электромагнитных колебаний — n,измеряемая в герцах (см. ГЕРЦ (единица частоты)) (Гц).
Соответственно, волны:
Сверхдлинные волны (см. СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ) , если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 6 -10 4 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА 3 . 10 2 -3 . 10 4 ;
Длинные волны (радиоволны) (см. ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ) , если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 4 -10 3 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 4 -3 . 10 5 ;
Средние волны (см. СРЕДНИЕ ВОЛНЫ) (радиоволны), если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 3 -10 2 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 5 -3 . 10 6 ;
Короткие волны (см. КОРОТКИЕ ВОЛНЫ) (радиоволны), если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 2 -10 1 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 6 -3 . 10 7 ;
Ультракороткие волны (см. УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ (УКВ)) , если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 1 -10 -1 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 7 -3 . 10 9 ;
Сверхвысокочастотные (телевизионные), если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -1 -10 -2 , 3 . 10 9 -3 . 10 10 ;
Сверхвысокочастотные (радиолокационные), если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -2 -10 -3 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 10 -3 . 10 11 ;
Инфракрасное излучение (см. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ) , если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -3 -10 -6 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 11 -3 . 10 14 ;
Видимый свет, если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -6 -10 -7 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 14 -3 . 10 15 ;
Ультрафиолетовое излучение (см. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ) , если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -7 -10 -9 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 15 -3 . 10 17 ;
Рентгеновское излучение (см. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКОЕ) (мягкое), если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -9 -10 -12 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 17 -3 . 10 20 ;
Гамма-излучение (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ) , (жесткое), ядерные процессы, если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -12 -10 -14 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 20 -3 . 10 22 ;
Космическое излучение, если lЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА10 -14 , nЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ШКАЛА3 . 10 22 .
Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (длин волн) и отличаются по способам их генерации и регистрации. Электромагнитные излучения, частоты которых отличаются на несколько порядков величины, такие, например, как радиоволны и рентгеновские лучи, имеют качественно различные свойства.
Международная классификация электромагнитных волн по частотам.
Крайние низкие частоты, КНЧ, частота (3 — 30) Гц, Декамегаметровые — длина 100 — 10 Мм;
Сверхнизкие частоты, СНЧ, частота (30 — 300) Гц, Мегаметровые — длина 10 — 1 Мм;
Инфранизкие частоты, ИНЧ, частота (0,3 — 3) кГц, Гектокилометровые — длина 1000 — 100 км;
Очень низкие частоты, ОНЧ, частота (3 — 30) кГц, Мириаметровые – длина -100 — 10 км;
Низкие частоты, НЧ, частота (30 – 300) кГц, Километровые – длина -10 — 1 км;
Средние частоты, СЧ, частота (0,3 – 3) МГц, Гектометровые – длина — 1 — 0,1 км;
Высокие частоты, ВЧ, частота (3 – 30) МГц, Декаметровые — длина -100 — 10 м;
Очень высокие частоты, ОВЧ, частота (30 – 300) МГц, Метровые – длина — 10 — 1 м;
Ультравысокие частоты, УВЧ, частота (0,3 – 3) ГГц, Дециметровые – длина -1 — 0,1 м;
Сверхвысокие частоты, СВЧ, частота (3 – 30) ГГц, Сантиметровые – длина — 10 — 1 см;
Крайне высокие частоты, КВЧ, частота (30..300) ГГц, Миллиметровые – длина –10 -1 мм;
Гипервысокие частоты, ГВЧ, частота (300..3000) ГГц, Децимиллиметровые – длина (1.-.0,1 мм.

Энциклопедический словарь . 2009 .

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ОРУЖИЕ
  • ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Шкала электромагнитных волн

Длины электромагнитных волн, которые могут быть зарегистрированы приборами, лежат в очень широком диапазоне. Все эти волны обладают общими свойствами: поглощение, отражение, интерференция, дифракция, дисперсия. Свойства эти могут, однако, проявляться по-разному. Различными являются источники и приемники волн.

ν=10 5 — 10 11 Гц, λ=10 -3 -10 3 м.

Получают с помощью коле­бательных контуров и макро­скопических вибраторов. Свойства. Радиоволны различных ча­стот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. Применение Радиосвязь, телевидение, радиолокация. В природе радиоволны излучаются различными внеземными источниками (ядра галактик, квазары).

Инфракрасное излучение (тепловое)

ν=3-10 11 — 4 . 10 14 Гц, λ=8 . 10 -7 — 2 . 10 -3 м.

Излучается атомами и мо­лекулами вещества.

Инфракрасное излучение дают все тела при любой тем­пературе.

Человек излучает электро­магнитные волны λ≈9 . 10 -6 м.

  1. Проходит через некото­рые непрозрачные тела, а так­же сквозь дождь, дымку, снег.
  2. Производит химическое действие на фотопластинки.
  3. Поглощаясь веществом, нагревает его.
  4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
  5. Невидимо.

Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Применение. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.

Видимое излучение

Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового):

Видимое излучение

Свойства. Воздействует на глаз.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение

(меньше, чем у фиолетового света)

Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).

Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, а также светящимися парами ртути.

Свойства. Высокая химическая активность (разложение хлорида сереб­ра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в неболь­ших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздей­ствие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.

Рентгеновские лучи

Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 10 -3 -10 -5 Па) ускоряются электриче­ским полем при высоком напряжении, достигая анода, при со­ударении резко тормозятся. При торможении электроны движут­ся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 им). Свойства Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облуче­ние в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение. В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).

γ-излучение

Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства. Имеет огромную проникающую способность, оказывает силь­ное биологическое воздействие. Применение. В медицине, производстве (γ-дефектоскопия). Применение. В медицине, в промышленности.

Общим свойством электромагнитных волн является также то, 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.

Шкала электромагнитных волн

У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от ν = 0 Г ц до ν = ∞ Г ц ), есть объективные причины. Они заключаются в том, что световые волны обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что накладывает на их длину определенные ограничения.

Ограничения длины волны

Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.

Формула содержит постоянную Планка – h = 6 , 62 · 10 — 34 Д ж · c , а h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · с – это постоянная Планка с чертой.

Из формулы можно сделать вывод о невозможности существования бесконечной частоты, поскольку квантов с бесконечной величиной энергии не бывает. Также данное выражение ограничивает и низкие частоты, поскольку энергия кванта имеет минимально возможное значение W 0 , следовательно, существует и минимальная частота, ниже которой волна иметь не может.

Важно отметить, что пока не существует явных доказательств наличия нижней границы энергии у фотонов. В стабильных электромагнитных волнах между земной поверхностью и ионосферой отмечена минимальная частота, равная примерно 8 Г ц .

Шкала электромагнитных волн

На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:

Название Граница диапазона по длине волны λ Граница диапазона по энергии квантов W
гамма — излучение λ < 1 , 2 · 10 - 3 н м W > 1 М э В
рентгеновское излучение 1 , 2 · 10 — 3 н м < λ < 12 н м 100 э В > W > 1 М э В
ультрафиолетовое излучение 12 н м < λ < 380 н м 3 , 2 э В > W > 100 э В
видимый спектр излучения 380 н м < λ < 760 н м 1 , 6 э В > W > 3 , 2 э В
инфракрасное излучение 760 н м < λ < 10 6 н м 1 , 2 · 10 — 3 э В > W > 1 , 6 э В
радиоволны λ > 10 6 н м W < 1 , 2 · 10 - 3 э В

Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.

В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.

Оптика изучает так называемый оптический диапазон электромагнитных волн – часть спектра с включением фрагментов зон инфракрасного и ультрафиолетового излучения, которая доступна человеческому глазу.

Определение 2

Кванты, которые присутствуют в видимой части излучения, называются фотонами.

Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.

Специфика различных видов электромагнитных волн

Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.

На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.

Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.

Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.

В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).

В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.

Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10 — 10 — 10 — 14 м .

Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.

Решение

Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.

Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.

Решение

К видимому диапазону относятся волны, воспринимаемые человеческим глазом. Границы зрения индивидуальны и находятся в пределе λ = 0 , 38 — 0 , 76 м к м .

В оптике используются два основных вида частот. Первая из них – круговая – может быть определена как ω = 2 π T ( Т — период колебания волны). Вторая определяется как ν = 1 T .

Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:

Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна c = 3 · 10 8 м с , запишем:

В этом случае для границ видимого диапазона получим:

ν = c λ , ω = 2 π c λ .

Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:

ν 1 = 3 · 10 8 0 , 38 · 10 — 6 = 7 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; v 2 = 3 · 10 8 0 , 76 · 10 16 = 3 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; ω 1 = 2 · 3 , 14 · 7 , 9 · 10 14 = 5 · 10 15 ( с — 1 ) ; ω 2 = 2 · 3 , 14 · 3 , 9 · 10 14 = 2 , 4 · 10 15 ( с — 1 ) .

Ответ: 3 , 9 · 10 14 Г ц .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *