Шкала электромагнитных волн

Все электромагнитные поля создаются ускоренно движущимися зарядами. Неподвижный заряд создает только электростатическое поле. Электромагнитных волн в этом случае нет. В простейшем случае источником излучения является заряженная частица, совершающая колебание. Так как электрические заряды могут колебаться с любыми частотами, то частотный спектр электромагнитных волн неограничен. Этим электромагнитные волны отличаются от звуковых волн. Классификация этих волн по частотам (в герцах) или длинам волн (в метрах) представляется шкалой электромагнитных волн (рис. 1.10). Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, а в некоторых случаях перекрываются. Различие свойств становится заметным только в том случае, когда длины волн различаются на несколько порядков.

Рис. 1.10

Рассмотрим качественные характеристики электромагнитных волн разных частотных диапазонов и способы их возбуждения и регистрации.

Радиоволны. Все электромагнитное излучение, длина волны которого больше полумиллиметра, относится к радиоволнам. Радиоволнам соответствует область частотот 3 · 10³ до 3 · 10¹⁴ Гц. Выделяют область длинных волн более 1 000 м, средних – от 1 000 м до 100 м, коротких – от 100 м до 10 м и ультракоротких – менее 10 м.

Радиоволны слабо поглощаются средой, поэтому изучение Вселенной в радиодиапазоне очень информативно для астрономов. Начиная с 40-х гг. ХХ столетия, бурно развивается радиоастрономия, в задачу которой входит изучение небесных тел по их радиоизлучению. Успешные полеты межпланетных космических станций к Луне, Венере и другим планетам продемонстрировали возможности современной радиотехники. Так, сигналы со спускаемого аппарата с планеты Венера, расстояние до которой примерно 60 миллионов километров, принимаются наземными станциями спустя 3,5 минуты после их отправления.

В 500 км к северу от Сан-Франциско (штат Калифорния) начал действовать необычный радиотелескоп. Его задача – поиск внеземных цивилизаций.

Снимок взят с сайта top.rbc.ru

Телескоп Allen Telescope Array (ATA) назван в честь одного из основателей компании Microsoft Пола Аллена, который выделил на его создание 25 миллионов долларов. В настоящее время ATA состоит из 42 антенн диаметром6 м, однако их число планируется довести до 350.

Создатели ATA надеются уловить сигналы других живых существ во Вселенной примерно к 2025 г. Ожидается также, что телескоп поможет собрать дополнительные данные о таких явлениях, как сверхновые звезды, «черные дыры» и различные экзотические астрономические объекты, существование которых теоретически предсказано, но на практике не наблюдалось.

Центр находится под совместным управлением Радиоастрономической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли и Института SETI, занимающегося поиском внеземных форм жизни. Технические возможности ATA значительно увеличивают способность SETI улавливать сигналы разумной жизни.

Радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере. С их помощью передаются радио- и телевизионные сигналы. На распространение радиоволн над земной поверхностью влияют свойства атмосферы. Роль атмосферы определяется наличием в ее верхних слоях ионосферы. Ионосфера – это ионизированная верхняя часть атмосферы. Особенностью ионосферы является высокая концентрация свободных заряженных частиц – ионов и электронов. Ионосфера для всех радиоволн, начиная от сверхдлинных (λ ≈ 10⁴ м) и до коротких (λ ≈ 10 м), является отражающей средой. Благодаря отражению от ионосферы Земли, радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях, обеспечивая передачу сигнала на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи.

Рис. 1.11. Параболические направленные антенны

Волны дециметрового диапазона не могут огибать земную поверхность, что ограничивает зону их приема областью прямого распространения, которая зависит от высоты антенны и мощности передатчика. Но и в этом случае роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера, берут на себя спутниковые ретрансляторы.

Электромагнитные волны радиоволновых диапазонов испускаются антеннами радиостанций, в которых возбуждаются электромагнитные колебания с помощью генераторов высокой и сверхвысокой частоты (рис. 1.11).

Однако, в исключительных случаях, волны радиочастот могут создаваться микроскопическими системами зарядов, например, электронами атомов и молекул. Так, электрон в атоме водорода способен излучать электромагнитную волну с длиной (такой длине отвечает частота Гц, которая принадлежит микроволновому участку радиодиапазона). В несвязанном состоянии атомы водорода находятся в основном в межзвездном газе. Причем каждый из них излучает в среднем один раз за 11 миллионов лет. Тем не менее, космическое излучение вполне наблюдаемо, так как в мировом пространстве рассеяно достаточно много атомарного водорода.

Это интересно

Снимок взят с сайта top.rbc.ru

Инфракрасное излучение. Диапазону инфракрасного излучения соответствуют длины волн от 1 мм до 7 · 10^–7 м. Инфракрасное излучение возникает при ускоренном квантовом движении зарядов в молекулах. Это ускоренное движение происходит при вращении молекулы и колебании ее атомов.

Рис. 1.12

Наличие инфракрасных волн было установлено в 1800 г. Вильямом Гершелем. В. Гершель случайно обнаружил, что используемые им термометры нагреваются и за границей красного конца видимого спектра. Ученый сделал вывод, что существует электромагнитное излучение, продолжающее спектр видимого излучения за красным светом. Это излучение он назвал инфракрасным. Его еще называют тепловым, так как инфракрасные лучи излучает любое нагретое тело, даже если оно не светится для глаза. Можно легко почувствовать излучение от горячего утюга даже тогда, когда он нагрет не настолько сильно, чтобы светиться. Обогреватели в квартире испускают инфракрасные волны, вызывающие заметное нагревание окружающих тел (рис. 1.12). Инфракрасное излучение – это тепло, которое в разной степени отдают все нагретые тела (Солнце, пламя костра, нагретый песок, камин).

Рис. 1.13

Инфракрасное излучение человек ощущает непосредственно кожей – как тепло, исходящее от огня или раскаленного предмета (рис. 1.13). У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела. Человек создает инфракрасное излучение в диапазоне от 6 мкм до 10 мкм. Молекулы, входящие в состав кожного покрова человека, «резонируют» на инфракрасных частотах. Поэтому именно инфракрасное излучение преимущественно поглощается, согревая нас.

Земная атмосфера пропускает совсем небольшую часть инфракрасного излучения. Оно поглощается молекулами воздуха, и особенно молекулами углекислого газа. Углекислым газом обусловлен и парниковый эффект, обусловленный тем, что нагретая поверхность излучает тепло, которое не уходит обратно в космос. В космосе углекислого газа немного, поэтому тепловые лучи с небольшими потерями проходят сквозь пылевые облака.

Для регистрации инфракрасного излучения в области спектра, близкого к видимому (от l = 0,76 мкм до 1,2 мкм), применяют фотографический метод. В других диапазонах применяют термопары, полупроводниковые болометры, состоящие из полосок полупроводников. Сопротивление полупроводников при освещении инфракрасным излучением меняется, что регистрируется обычным образом.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Приборы ночного видения позволяют 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.

Рис. 1.14

Видимый свет. Видимый свет и ультрафиолетовые лучи создаются колебаниями электронов в атомах и ионах. Область спектра видимого электромагнитного излучения очень мала и имеет границы, определяемые свойствами органа зрения человека. Длины волн видимого света лежат в диапозоне от 380 нм до 760 нм. Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Излучение в узком интервале длин волн глаз воспринимает как одноцветное, а сложное излучение, содержащее все длины волн, – как белый свет (рис. 1.14). Длины световых волн, соответствующие основным цветам, приведены в таблице 7.1. С изменением длины волны цвета плавно переходят друг в друга, образуя множество промежуточных оттенков. Средний человеческий глаз начинает различать разницу в цветах, соответствующую разности длин волн в 2 нм.

Для того чтобы атом мог излучать, он должен получить энергию извне. Наиболее распространены тепловые источники света: Солнце, лампы накаливания, пламя и др. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников, например, свечением сопровождается разряд в газе.

Самой важной характеристикой видимого излучения является, разумеется, его видимость для человеческого глаза. Температура поверхности Солнца, равная примерно 5 000 °С, такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра, а окружающая нас среда в значительной степени 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.

Максимальная чувствительность глаза при дневном зрении приходится на длину волны и соответствует желто-зеленому свету. В связи с этим специальное покрытие на объективах фотоаппаратов и видеокамер должно пропускать внутрь аппаратуры желто-зеленый свет и отражать, лучи, которые глаз ощущает слабее. Поэтому блеск объектива и кажется нам смесью красного и фиолетового цветов.

Наиболее важные способы регистрации электромагнитных волн в оптическом диапазоне основаны на измерении переносимого волной потока энергии. Для этой цели используются фотоэлектрические явления (фотоэлементы, фотоумножители), фотохимические явления (фотоэмульсия), термоэлектрические явления (болометры).

Ультрафиолетовое излучение. К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (390–10 нм). Это излучение было открыто в 1802 г. физиком И. Риттером. Ультрафиолетовое излучение обладает большей энергией, чем видимый свет, поэтому солнечное излучение в ультрафиолетовом диапазоне становится опасным для человеческого организма. Ультрафиолетовое излучение, как известно, щедро посылает нам Солнце. Но, как уже говорилось, Солнце сильнее всего излучает в видимых лучах. Напротив, горячие голубые звезды – мощный источник ультрафиолетового излучения. Именно это излучение нагревает и ионизует излучающие туманности, благодаря чему мы их и видим. Но поскольку ультрафиолетовое излучение легко поглощается газовой средой, то из далеких областей Галактики и Вселенной оно почти не доходит к нам, если на пути лучей есть газопылевые преграды.

Рис. 1.15

Основной жизненный опыт, связанный с ультрафиолетовым излучением, мы приобретаем летом, когда много времени проводим на солнце. Наши волосы выгорают, а кожа покрывается загаром и ожогами. Все прекрасно знают, как благотворно влияет солнечный свет на настроение и здоровье человека. Ультрафиолетовое излучение улучшает кровообращение, дыхание, мышечную активность, способствует образованию витамина и лечению некоторых кожных заболеваний, активизирует иммунные механизмы, несет заряд бодрости и хорошего настроения (рис. 1.15).

Жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение, соответствующее длинам волн, примыкающим к рентгеновскому диапазону, губительно для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Рис. 1.16

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим б о льшую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (рис. 1.16). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана.

Озоновый слой образуется в стратосфере на высоте от 20 км до 50 км. В результате вращения Земли наибольшая высота озонового слоя – у экватора, наименьшая – у полюсов. В близкой к Земле зоне над полярными областями образовались уже «дыры», которые в течение последних 15 лет постоянно увеличиваются. В результате прогрессирующего разрушения озонового слоя увеличивается интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Вплоть до длин волн ультрафиолетовые лучи могут быть изучены теми же экспериментальными методами, что и видимые лучи. В области длин волн меньше 180 нм встречаются существенные трудности, обусловленные тем, что эти лучи поглощаются различными веществами, например, стеклом. Поэтому в установках для исследования ультрафиолетового излучения применяют не обычное стекло, а кварц или искусственные кристаллы. Однако для столь короткого ультрафиолета непрозрачны и газы при обычном давлении (например, воздух). Поэтому для исследования такого излучения используются спектральные установки, из которых выкачан воздух (вакуумспектрографы).

На практике регистрация ультрафиолетового излучения производится часто с помощью фотоэлектрических приемников излучения. Регистрация ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 160 нм производится специальными счетчиками, аналогичными счетчикам Гейгера–Мюллера.

Рентгеновское излучение. Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Это излучение было открыто в 1895 г. В. Рентгеном (Рентген назвал его Х -лучами). В 1901 г. В. Рентген первым из физиков получил Нобелевскую премию за открытие излучения, названного в его честь. Это излучение может возникать при торможении любым препятствием, в т.ч. металлическим электродом, быстрых электронов в результате преобразования кинетической энергии этих электронов в энергию электромагнитного излучения. Для получения рентгеновского излучения служат специальные электровакуумные приборы – рентгеновские трубки. Они состоят из вакуумного стеклянного корпуса, в котором на определенном расстоянии друг от друга находятся катод и анод, включенные в цепь высокого напряжения. Между катодом и анодом создается сильное электрическое поле, разгоняющее электроны до энергии . Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода электронами, обладающими большими скоростями. При торможении электронов в материале анода возникает тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр. Кроме того, в результате электронной бомбардировки происходит возбуждение атомов материала, из которого изготовлен анод. Переход атомных электронов в состояние с меньшей энергией сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения, частоты которого определяются материалом анода.

Рентгеновские лучи свободно проходят сквозь мышцы человека, проникают сквозь картон, древесину и другие тела, непрозрачные для света.

Рис. 1.17. Рентгеновский снимок руки человека

Они вызывают свечение ряда веществ. В. Рентген не только открыл рентгеновское излучение, но и исследовал его свойства. Им было обнаружено, что материал малой плотности более прозрачен, чем материал большой плотности. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Расположив между источником рентгеновского излучения и экраном руку, можно увидеть слабую тень руки, на которой резко выделяются более темные тени костей (рис. 1.17).

Рис. 1.18. Сверхмощная рентгеновская вспышка на Солнце. Рисунок с сайта universetoday.com

Мощные вспышки на Солнце являются также источником рентгеновского излучения (рис. 1.19). Земная атмосфера является прекрасным щитом для рентгеновского излучения.

В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При захватывании вещества вблизи магнитных полюсов звезды выделяется много энергии, которая и излучается в рентгеновском диапазоне.

Для регистрации рентгеновского излучения используют те же физические явления, что и при исследовании ультрафиолетового излучения. Главным образом, применяют фотохимические, фотоэлектрические и люминесцентные методы.

Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение с длинами волн менее 0,1 нм. Оно связано с ядерными процессами, явлениями радиоактивного распада, происходящими с некоторыми веществами, как на Земле, так и в космосе.

Гамма-лучи вредны для живых организмов. Земная атмосфера не пропускает космическое гамма-излучение. Это обеспечивает существование всего живого на Земле. Регистрируется гамма-излучение детекторами гамма-излучения, сцинтилляционными счетчиками.

Таким образом, электромагнитные волны различных диапазонов получили разные названия и обнаруживают себя в совершенно непохожих физических явлениях. Эти волны излучаются различными вибраторами, регистрируются различными методами, но они имеют единую электромагнитную природу, распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, обнаруживают явления интерференции и дифракции. Различают два основных типа источников электромагнитного излучения. В микроскопических источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Следует подчеркнуть, что с изменением длины волны возникают и качественные различия: лучи с малой длиной волны наряду с волновыми свойствами более ярко проявляют корпускулярные (квантовые) свойства.

Шкала электромагнитных волн

Поиск по сайту