A. Электромагнитные излучения

Шкала электромагнитных волн. Электромагнитные излучения разных длин волн. Свойства и применение этих излучений

Исследования, проводившиеся в самых разнообразных областях физики, позволили установить, что диапазон частот (или длин волн) электромагнитных волн чрезвычайно широк. Из теории Максвелла следует, что различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. Поэтому их удобно представить в виде единой шкалы, имеющей диапазон частот от нескольких герц до 10²² Гц, что соответствует длинам волн от тысяч километров до 10^-14 м.

Исключительным успехом электромагнитной теории Максвелла явилось создание шкалы электромагнитных волн. Вдоль шкалы слева направо не-прерывно возрастает одна величина — частота (уменьшается длина волны), а ее увеличение приводит к появлению качественно различных излучений.

В виду огромного различия длин волн эта шкала построена в логарифмическом масштабе: метки на шкале соответствуют длинам, каждая из которых отличается в 10 раз от соседней. На шкале указаны участки длин волн (или \(\lambda\)), занимаемые различными типами электромагнитных волн. Распределение электромагнитных волн по типам сделано в соответствии со способами их генерации. С изменением длины электромагнитных волн изменяется и их взаимодействие с веществом, поэтому методы их регистрации и изучения различны. Различают следующие участки на шкале:

1) электромагнитные колебания низкой частоты \((3 \cdot 10^4 \) м \( < \lambda < \infty );\)

2) радиоволны \((1 \cdot 10^{-4}\) м \( < \lambda \le 3 \cdot 10^4\) м\(~);\)

3) инфракрасное излучение \(~(7,6 \cdot 10^{-7}\) м \( < \lambda \le 1 \cdot 10^{-4}\) м \(~);\)

4) видимый свет \(~(4 \cdot 10^{-7}\) м \(~ < \lambda \le 7,6 \cdot 10^{-7}\) м \(~);\)

5) ультрафиолетовое излучение \(~(6 \cdot 10^{-9}\) м \(~ < \lambda \le 4 \cdot 10^{-7}\) м \(~);\)

6) рентгеновское излучение \(~(10^{-12} \) м \(~ < \lambda \le 10^{-8} \) м \(~);\)

7) \(~\gamma\)-излучение \(~(\lambda < 10^{-11}\) м \(~).\)

Первый участок шкалы содержит волны, возбуждаемые низкочастотными электромагнитными колебаниями, происходящими в устройствах, обладающих большой индуктивностью и емкостью (в генераторах переменного тока). Такие волны практически не излучаются в окружающее пространство и быстро затухают.

Второй участок шкалы — радиоволны. Он, в свою очередь, делится на две части. К первой из них относятся: длинные (3•10³ м < \(\lambda\) < 3•10⁴ м), средние (2•10² м < \(\lambda\) < 3•10³ м) и короткие волны (10 м < \(\lambda\) < 2•10² м). Эти волны излучаются открытыми колебательными контурами и распространяются в пространстве. Длинные волны способны огибать земную поверхность, а короткие волны распространяются, поочередно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли.

Ко второй части данного участка шкалы относятся ультракороткие (метровые) радиоволны, сантиметровые и миллиметровые волны. Эти волны излучаются специальными электромагнитными вибраторами и регистрируются радиотехническими устройствами. Такие волны распространяются прямолинейно, через ионосферу они способны уходить в космос. Их используют для космической связи, передачи телеметрической информации, а на Земле (в условиях прямой видимости) — в телевидении и радиолокации. (Следует отметить, что волны, относящиеся к первому и второму участкам шкалы электромагнитных волн, излучаются свободными зарядами, движущимися ускоренно, и представляют собой электромагнитное излучение, получаемое с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов.)

С третьего участка шкалы электромагнитных волн начинаются волны, которые излучаются атомами и молекулами вещества. Участки третий, четвертый и пятый данной шкалы (т.е. инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения) относятся к оптическому излучению. Эти волны излучаются внутриатомными электронами. Они распространяются прямолинейно (при отсутствии дифракции).

Видимый свет воспринимается глазом. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением. Его регистрируют тепловыми методами, а также частично фотоэлектрическими и фотографическими методами. Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию (свечение) ряда веществ. Его регистрируют фотографическими и фотоэлектрическими методами. Для получения спектра ультрафиолетового излучения используют призмы и дифракционные решетки из кварцевого стекла. Для изучения ультрафиолетового излучения, длина волны которого короче 2•10^-7 м, используют вакуумные спектрографы, потому что это излучение сильно поглощается воздухом.

Шестой участок шкалы электромагнитных волн образует рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с атомами твердых тел и обусловлено переходами электронов на внутренних оболочках атомов. Его получают с помощью специальных рентгеновских трубок. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью. Его регистрируют фотографическими, флюорографическими и ионизационными методами.

Седьмой участок шкалы электромагнитных волн — гамма-излучение. Оно возникает в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, и сопровождает ядерные реакции. Гамма-излучение обладает громадной проникающей способностью. Его регистрируют ионизационными методами. Гамма-излучение используют в дефектоскопии.

С уменьшением длины электромагнитных волн все сильнее проявляются квантовые свойства излучения и все с большим основанием вместо слова "волны" можно использовать выражение "поток фотонов".

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 528-529.