По какому принципу построена шкала электромагнитных волн

По современным представлениям, свет это поток частиц электромагнитного поля, называемых фотонами и имеющих двойственные корпускулярно-волновые свойства (т.е. свет обладает свойствами потока частиц и волн). Основной характеристикой световых волн является частота колебаний ν (частота колебаний векторов напряженностей Е и Н электромагнитного поля). Чаще используется связанная с ней длина волны в вакууме λ = сТ = c/ν, где с - скорость света в вакууме округленно принимается с = 3 10 8 м/с, Т – период колебания.

В соответствии с условиями возбуждения и свойствами излучения электромагнитные волны делятся по частоте (или длине волны) на несколько диапазонов, составляющих шкалу электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Границы этих диапазонов условны, так как они в значительной мере определяются источниками излучения и поэтому могут взаимно перекрываться (рис.1).

Рис.2.

Электромагнитное излучение с длинами волн в пределах от 400 мкм до 10 нм называется оптическим излучением. Оптическое излучение в пределах длин волн от 760 до 380 нм, действуя на глаз, вызывает ощущение света. Оно называется видимым излучением. В сторону более длинных волн от него в спектре расположено невидимое инфракрасное излучение, в сторону более коротких волн - невидимое ультрафиолетовое.

Излучение может быть простым (или монохроматическим) и сложным. Монохроматическим называется излучение какой-либо одной длины волны. Это идеализированное представление; практически монохроматическим считают такое излучение, в котором длины составляющих его волн различаются не больше чем на десятые доли нанометра. Монохроматическое излучение в видимой части спектра определенной длины волны, действуя на глаз, вызывает ощущение соответствующего цвета. Излучение, состоящее из волн различной длины, называется сложным. В зависимости от его спектрального состава оно может вызывать различные цветовые ощущения,

Рис.3

Среди множества возможных видов сложного излучения выделяют белый свет. Белым светом называют видимую часть излучения Солнца (рис.2), а также излучения нагретых до высокой температуры (несколько тысяч градусов) непрозрачных твердых и жидких тел. Это излучение содержит все волны видимого диапазона в определенном соотношении по интенсивности.

Спектр электромагнитного излучения это упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра – хорошо известная всем радуга. Возможность разложения солнечного света на непрерывную последовательность лучей разных цветов впервые экспериментально показал И.Ньютон в 1666. Направив на трехгранную призму узкий пучок света (рис.3), проникавший в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне окна, он получил на противоположной стене изображение окрашенной полоски с радужным чередованием цветов, которая была названа им латинским словом spectrum. Проводя опыты с призмами, Ньютон пришел к следующим важным выводам: 1) обычный «белый» свет является смесью лучей, каждый из которых имеет свой собственный цвет; 2) лучи разных цветов, преломляясь в призме, отклоняются на различные углы, вследствие чего «белый» свет разлагается на цветные составляющие.

Исследование спектров. Спектральные приборы.

На дисперсии сложного излучения в трехгранной призме из прозрачного вещества (для видимого света - тяжелое стекло-флинт, для ультрафиолетового излучения - кварц и для инфракрасного - каменная соль или сильвин) основано устройство приборов для исследования спектра и измерения длины волн сложного излучения (спектроскопов и спектрографов).

Простейший призменный спектроскоп (рис. 4, б) состоит из штатива О, на котором укреплен горизонтальный диск Д с делениями. В центре диска устанавливается призма П, по краям диска расположены две трубы: коллиматор К и зрительная 3, которая с помощью винта В может устанавливаться под необходимым углом. Коллиматор (рис. 4, а) имеет на конце щель, перед которой помещается источник света; линза О, образует пучок параллельных лучей, что необходимо для того, чтобы лучи, прошедшие через призму, состояли также из параллельных пучков. Эти пучки объективом О2 зрительной трубы фокусируются в его фокальной плоскости FF и образуют каждый изображение щели соответствующего цвета, которое называется спектральной линией. Совокупность этих линий образует исследуемый спектр, который в увеличенном виде наблюдается через окуляр Ок. Спектрограф (рис. 5: а -общий вид и б - схема устройства) - более сложный прибор, приспособленный для фотографирования спектров. Свет через щель Д и линзу Л1 направляется на дисперсионную призму П, пучки спектрально разложенного света фокусируются линзой Л2 на фотопластинке Ф.

Рис. 5

Пользуясь спектральным прибором, можно получить монохроматический свет необходимой длины волны. Для этого в фокальной плоскости второй линзы Л2 помещают щелевую диафрагму, с помощью которой и выделяют из спектра желаемую линию. Такой прибор называется монохроматором.

Классификация спектров.

Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры.

Спектры, состоящие из ярких линий или полос на темном фоне, называются спектрами испускания. Они возникают, когда вещество сильно нагревается или подвергается бомбардировке электронами. Спектры поглощения, состоящие из темных участков на ярком фоне, получаются, когда белый свет проходит сквозь полупрозрачную среду, которая поглощает некоторые частоты.

Рис.6. Спектр испускания железа Fe

Линейчатый спектр является спектром, в котором появляются только определенные длины волн, или «линии». Полосатый спектр состоит из линий, сгруппированных в полосы. Спектры испускания и поглощения индивидуальны для каждого вещества, поэтому их применяют для идентификации веществ в науке спектроскопии. Спектры являются результатом переходов электронов между различными энергетическими уровнями в атомах или молекулах вещества, что приводит к испусканию или поглощению электромагнитного излучения.

Эмиссионные спектры (спектры испускания) возбуждаются для паров и газов путем электрического разряда, для жидких и твердых тел - путем нагревания до высокой температуры, например в бесцветном пламени газовой горелки. Для органических веществ, разрушающихся под действием высокой температуры, обычно исследуются абсорбционные спектры, или спектры поглощения. Спектром поглощения называется совокупность темных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную прозрачную среду. Для получения спектра поглощения в спектральном приборе между источником белого света (например, электрической дугой и щелью коллиматора или между коллиматором и призмой) по метается исследуемое вещество, например плоскопараллельная кювета с исследуемым раствором.

Теория Бopa. Спектр атома водорода

В 1913 г. Н. Бор предложил теорию механизма излучения света атомами, учитывающую квантовую природу света. Теория основывается на двух постулатах:

1. Внутренняя энергия атома дискретна; она может принимать только определенные дозволенные значения (или уровни), характерные для данного атома. Состояния атома, соответствующие этим уровням энергии, являются стационарными: в таком состоянии атом не излучает электромагнитных волн, несмотря на происходящее в нем движение электронов.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается (или поглощается) монохроматическое электромагнитное излучение, частота которого обусловлена энергией, равной разности энергетических уровней Е 2 и E 1 , соответствующих этим состояниям:

где h - постоянная Планка.

Используя ядерную модель атома, Бор предложит считать, что стационарным состояниям, или дозволенным энергетическим уровням, атома соответствует движение электронов по орбитам определенного радиуса.

Исходя из условия квантования, Бор рассчитал энергетические уровни для атома водорода. В атоме электрон удерживается на орбите силой кулоновского притяжения к ядру, обусловливающей центростремительное ускорение.

Для первой, основной, орбиты радиус r 1 = 0,53 10 -8 см, что согласуется с расчетами на основании кинетической теории газов. Скорость движения электрона по стационарной орбите для основной орбиты атома водорода v 1 = 2,3 10 8 см/с. Таков порядок скорости движения электронов по орбите.

Полная энергия электрона Ев = Ек + Еп, причем потенциальная энергия зависит от радиуса орбиты. Энергетические уровни обратно пропорциональны квадрату квантового числа и их значения представлены в таблице1.

Поскольку с увеличением радиуса орбиты отрицательные значения энергии электрона убывают по абсолютной величине, можно считать, что энергетические уровни при этом повышаются.

Таким образом, по мере удаления от ядра энергетические уровни атома возрастают:

Е1 < E2

С возрастанием числа n разность между каждыми двумя соседними уровнями по абсолютной величине уменьшается:

ΔE’> ΔE’’ > ΔE’’’ > …

где ΔE’=E 2 -E 1 ; ΔE’’=E 3 –E 2 ; ΔE’’’=E 3 –E 2 . Стационарный уровень с наименьшей энергией называется основным, он соответствуем состоянию атома, не подвергающегося никаким внешним воздействиям. Остальные стационарные уровни называются возбужденными. Возбуждение атома, т. е. переход электрона на орбиту большего радиуса, требует сообщения дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий: при соударении частиц в процессе интенсивного теплового движения, электрическом разряде в газах, поглощении электромагнитного излучения, в результате рекомбинации ионов в газе или электронов и дырок в полупроводнике, при действии на атом радиоактивного излучения и некоторых других воздействиях.

Возбужденное состояние атома неустойчиво, примерно через 10 -8 с электрон возвращается на основную орбиту, при этом излучается один фотон с энергией hv, равной энергии, полученной при возбуждении (рис.8, а), и атом переходит в основное состояние. Электрон может возвращаться на основную орбиту не только единым переходом, но и через промежуточные уровни. В этом случае при переходе будут излучаться несколько фотонов с энергиями hv" и hv", равными разности энергий этих уровней (рис.8, б).

Теория Бора объяснила не только происхождение линейчатых спектров, но и структуру спектра излучения атомов водорода. В зависимости от энергии, полученной при возбуждении атома, электрон переходит на различные возбужденные уровни. При возвращении его на основной уровень (особенно если этот переход совершается ступенчато) излучаются кванты различной энергии. Поэтому в спектре излучения атома водорода должно быть значительное число линий, расположение которых соответствует энергетическим уровням атома и возможным переходам электрона.

Еще до создания теории Бора было установлено, что в спектра водорода имеются группы, или серии, линий, частоты которых находятся между собой в определенных соотношениях, например, серия Лаймана (в ультрафиолетовой части спектра), Бальмера (в видимой части спектра), Пашенна (в инфракрасной области) и др.

Рис.9. Спектральные серии атома водорода. а- переход электрона, б- энергетические уровни, в- расположение линий в спектре излучения (видимая область спектра см. рис 7).

Теория Бора объяснила происхождение этих серий (риc. 9). Энергия излучаемых -фотонов равна разности энергетических уровней Еп и Ет перехода электрона: hv = Е n - Е n0 , откуда v = (Е n - E n 0)/h. Таким образом, по теории Бора, к серии Лаймана, например, относятся все переходы электронов с возбужденных уровней (n = 2, 3, 4, ...) на основной (n 0 = 1), к серии Бальмера - переходы с более высоких (n - 3, 4, 5, ...) на первый возбужденный уровень (n 0 = 2) и т. д.

Теория Бора получила подтверждение в спектральных закономерностях атома водорода. Однако попытка применить ее к спектрам более сложных атомов встретила значительные затруднения.

Молекулярные спектры

Если энергия, сообщенная атому, незначительна, то на возбужденные уровни в основном переходят валентные электроны. Частота излучения при этом соответствует оптической части спектра (видимое и близкие к нему части инфракрасного и ультрафиолетового излучений). У атомов с высоким порядковым номером более значительная энергия возбуждения обусловливает переходы электронов между уровнями, соответствующими внутренним слоям. Излучение при переходах электронов между этими уровнями имеет значительно более высокую частоту и относится к дальнему ультрафиолетовому и рентгеновскому.

Молекулы имеют более сложные спектры излучения (или поглощения), чем атомы того же вещества. При соединении атомов в молекулу изменяется конфигурация оболочки с валентными электронами, в твердых телах образуются энергетические зоны, в связи с чем число возможных переходов электронов и соответствующих им спектральных линии значительно возрастает.

Кроме уровней (Е e), связанных о переходами электронов, у молекул появляются энергетические уровни (Е м), обусловленные, во-первых, колебательным движением ядер атомов, образующих молекулу около положения равновесия (Е кол), и, во-вторых, вращательным движением самой молекулы (Е вр). Энергия этих видов движения также квантуется, т. е. имеет свои дозволенные (квантованные) энергетические уровни Таким образом, молекулярные спектры состоят из трех компонентов - электронного, колебательного и вращательного. Внешние воздействия усиливают интенсивность этих видов молекулярного движения, т. е. возбуждают молекулу, которая затем возвращается в основное состояние, излучая фотон с энергией, равной разности энергетических уровней перехода.

Все эти компоненты дают в спектре множество близко расположенных линий, которые в совокупности образуют полосатые (преимущественно у паров и газов) или сплошные (у твердых и жидких тел) спектры.

Как показывают теория и опыт, Е вр <

Анализ молекулярных спектров, особенно в инфракрасной области широко используется при изучении строения молекул.

Вращательная составляющая молекулярных спектров может занимать также область коротких радиоволн. Исследование спектров излучения и поглощения в этом диапазоне называют радиоспектроскопией. Эти данные дополняют сведения о строении молекул, полученные с помощью оптической спектроскопии.

Наиболее распространенным методом радиоспектроскопии является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В случае непарамагнитных тел для аналогичных целей используется явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Возбужденное состояние атома или молекулы может разрешаться не только путем излучения фотона. Оно может вызвать фотохимическую реакцию, перестройку структуры сложной молекулы, а полученная при возбуждении энергия может быть передана другим частицам в процессе теплового движения. Эти явления носят название безызлучательных энергетических переходов.

Рассеяние и поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

При прохождении через вещественную среду световая волна постепенно ослабляется. Это происходит в связи с рассеянием и поглощением света.

Рассеяние света происходит в неоднородных средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. Если неоднородность среды образована посторонними частицами, беспорядочно распределенными в массе среды, то рассеяние света называют явлением Тиндаля, а среды - мутными, например мелкий туман, дым, различные взвеси и эмульсии и т. п. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей проходит сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках н весь пучок становится видимым при наблюдении с любой стороны.

Длина волны света при рассеянии не изменяется, а интенсивность рассеянного света тем выше, чем меньше размеры этих неоднородностей сравнительно с длиной волны. Интенсивность рассеяния зависит также от длины волны света: короткие волны рассеиваются значительно сильнее, чем длинные. Можно считать, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна примерно второй степени длины волны для более крупных и третьей степени - для более мелких частиц. Поэтому, например, мелкодисперсный туман имеет синий цвет, а состоящий из более крупных капелек - белый

Рассеяние света может происходить также и в однородной среде на мгновенных неоднородностях (флуктуациях) плотности вещества, образующихся в связи с тепловым движением атомов и молекул, например в чистом газе в процессе теплового движения молекулы в различные моменты сближаются в одних точках объема газа и разреживаются в других. Этот вид рассеяния называется молекулярным рассеянием. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света (закон Рэлея). В связи с этим, например, свечение неба наблюдается сине-голубым, а прямое солнечное излучение приобретает желто-красный оттенок, особенно при восходе и заходе Солнца, когда это излучение проходит более длинный путь в атмосфере.

При рассеянии света в однородных жидкостях и кристаллах в рассеянном свете кроме падающей волны частотой ω 0 появляются волны с частотой ω м, отличающейся от нее на определенную величину Δω, характерную для молекулярной структуры данного вещества. Этот вид молекулярного рассеяния называется комбинационным рассеянием света и имеет значение для изучения структуры вещества.

Рис. 10

При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу. При поглощении света она переходит в другие виды внутренней энергии, при этом в веществе могут происходить различные явления: повышение интенсивности теплового движения (тепловой эффект), возбуждение и ионизация атомов и молекул, активация молекул (фотохимический эффект) и т. п.

Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен Н. Бугером: в каждом последующем слое среды одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны, независимо от его абсолютной величины.

Определим на основании этого закона интенсивность I d световой волны, прошедшей слой среды толщиной d, если падающая на поверхность среды волна имеет интенсивность I 0 . Для этого выделим на расстоянии х от поверхности слой среды толщиной dx (рис. 10, а). Убывание dI x интенсивности I x волны вследствие поглощения света этим слоем по закону Бугера пропорционально величине I x и толщине слоя dx:

где α - коэффициент пропорциональности. Уравнению можно придать вид dI x /I x = - α dx.

Решая это уравнение, получим для слоя толщиной х = d

График изменения интенсивности света I x в зависимости от толщины слоя среды, который проходит свет, показан на рис. 10, б (экспоненциальная кривая).

Коэффициент пропорциональности α называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества.

Он зависит от его природы и состояния, а также от частоты (длины волны λ 0) света. У металлов показатель поглощения весьма высок (порядка 10 3 -10 8 см - 1) Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, вынужденные колебания которых легко возбуждаются и имеют значительную амплитуду. Падающая на поверхность металла световая волна быстро расходует свою энергию и потому проникает на самую малую глубину.

У диэлектриков показатель поглощения в общем невелик (порядка 10 -3 – 10 -5 см -1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волны, в которых показатель поглощения резко возрастает. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и значительное поглощение света происходит только при резонансных колебаниях, т. е. при частотах световой волны, близких к собственным (или кратным им) частотам колебаний электронов диэлектрика. Это явление объясняет, например, линейчатые спектры поглощения газов в атомарном состоянии.

Рис.11

Примерный характер зависимости показателя поглощения от длины волны к показан на рис. 11. На рис. 11, а - график 1 для тел, равномерно поглощающих свет любой длины волны (черные и серые тела), 2 - для тел, поглощающих свет любых длин волн начиная с некоторой граничной λ гр, 3 - для тел, имеющих широкую полосу поглощения в пределах длин волн от λ 1 до λ 2 . На рис. 11 б - для тел с селективным (резонансным) поглощением при определенных длинах волн λ 1 , λ 2 и λ 3.

Постепенное убывание интенсивности света при прохождении через среду вследствие рассеяния также подчиняется закону Бугера, формула которого с учетом как поглощения, так и рассеяния принимает вид

где σ - показатель ослабления света вследствие рассеяния.

Исследуя поглощение монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условии, что растворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию), А. Бер показал, что оно подчиняется закону Бугера, причем показатель поглощения α прямо пропорционален концентрации вещества в растворе (закон Бера): α = χС, где χ - показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Тогда формула закона Бугера-Ламберта-Бера примет вид

или в системе десятичных логарифмов , где

Отношение I d /I 0 = τ называют коэффициентом пропускания или прозрачностью раствора, а величину D = lg (I d /I 0) = -lg τ - оптической плотностью. В соответствии с приведенной выше формулой оптическая плотность раствора D = χ"Cd.

Рис.13

На законе Бугера-Бера основан метод определения концентрации растворов путем сравнения толщин d 1 и d 2 слоев двух растворов одного и того же вещества, исследуемого с концентрацией С 1 и стандартного С 2 , в которых имеет место одинаковое поглощение света. В приборе, называемом концентрационным колориметром, свет от одного и того же источника проходит через слои d 1 и d 2 растворов; изменением толщины слоев уравнивается яркость двух половин поля зрения, освещенного светом, прошедшим через эти растворы (рис. 13). При этом уравниваются и оптические плотности растворов: D 1 = D 2 , или C 1 d 1 = C 2 d 2 , откуда C 1 /C 2 = d 1 /d 2 , т. е. концентрации С 1 и С 2 обратно пропорциональны толщинам слоев d 1 и d 2 .

Аналогичный метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией. При этом сравниваются интенсивности света, рассеянного частицами в стандартном и исследуемом растворах: при относительно невысоких концентрациях они пропорциональны концентрации взвешенных частиц и высоте столба раствора. Растворы освещаются боковым светом.

Спектральный анализ

Спектры (как эмиссионный, так и абсорбционный) тесно связаны со строением атомов и молекул вещества. Поэтому по их характеру можно судить о природе и составе как простых, так и сложных веществ. Метод качественного или количественного определения состава вещества по его спектру называется спектральным анализом Основное преимущество его в том, что для анализа требуется исключительно малое количество вещества Путем спектрального анализа может быть обнаружено присутствие вещества в количестве до 10 -8 г. С помощью спектрального анализа, например, было установлено, что живые организмы содержат в крайне незначительных количествах многие металлы - кобальт, хром, титан и др. Спектральный анализ позволяет установить следы крови (судебная медицина), микропримеси металлов в консервированных продуктах (пищевая гигиена и т. п.).

Абсорбционная спектрофотометрия.

Для исследования молекулярного состава органических веществ применяют абсорбционную спектроскопию, обычно при этом исследуемое вещество растворяют в воде, которая сама не дает спектра поглощения в области видимого света. С помощью абсорбционной спектроскопии, например, был установлен молекулярный состав многих витаминов, гормонов и т. п.

Применение абсорбционной спектрофотометрии в видимой и ультрафиолетовой областях спектра для методик количественного определения основано на том факте, что поглощаемость вещества обычно является константой, независимой от интенсивности падающего излучения, длины кюветы и концентрации, вследствие чего концентрация может быть определена фотометрически. Отклонения от приведенных выше величин могут быть обусловлены физическими, химическими или инструментальными переменными. Отклонения вследствие инструментальной ошибки могут быть вызваны влиянием ширины щели, рассеянием света или полихроматическим излучением. Очевидные ошибки могут также появиться в результате изменения концентрации растворенных молекул вследствие ассоциации между молекулами растворенного вещества, между молекулами растворенного вещества и растворителя, а также вследствие диссоциации или ионизации

Свойство атомов и молекул поглощать свет с определенной длиной волны, характерной для данного вещества, широко используется в медицине и фармации для качественных и количественных исследований. Измерение спектров поглощения позволяет судить о химическом составе вещества и его состоянии в биологических структурах. Для регистрации спектров поглощения используются приборы спектрофотометры.

Спектр поглощения - часто выражаемое графически отношение поглощения или любой функции поглощения к длине волны или любой функции длины волны (см. рис.7, 11). Спектры поглощения веществ определяются разностью энергий между энергетическими уровнями молекул, составляющими вещество, а также вероятностями перехода между ними. Разность энергий определяет длину волны, на которой происходит поглощение света, вероятность перехода - коэффициент поглощения вещества. Для биологически важных молекул характерны широкие полосы поглощения, обусловленные электронными, колебательными и вращательными уровнями. Молекулярные группы, поглощающие свет, называют хромофорами.

Стандартный диапазон измерений в абсорбционной спектрофотометрии: 180-1100 нм. Он включает в себя три области спектра: ближнюю ультрафиолетовую область (УФ) -180-380 нм; видимую (ВИД) - 380-760 нм и ближнюю инфракрасную (ИК) - 760-1100 нм.

Нуклеиновые кислоты поглощают только в УФ области (180-220 и 240-280 нм). Их хромофорами являются, в основном, пуриновые и пиримидиновые основания.

Белки имеют три типа хромофорных групп: собственно пептидные группы, боковые группы аминокислотных остатков и простетические группы. Первые две поглощают в УФ области и не поглощают в видимой области. Пептидные группы -CO-NH- поглощают в районе 190 нм. Боковые группы трех ароматических кислот - триптофана, тирозина и фенилаланина - также поглощают на этих длинах волн, причем значительно сильнее, чем пептидные группы. Кроме того они имеют полосу поглощения в диапазоне 260-280 нм.

Простетические группы (гем в гемоглобине и др. хромофоры) поглощают в УФ и в видимой области. Именно они придают белку цвет (например, красный цвет гемоглобину). Спектр поглощения гемоглобина (рис. 15) имеет характерные максимумы в видимой области (~400 нм и 525-580 нм), а также в ближней ИК-области (900 нм). Спектры поглощения гемоглобина, связавшего кислород (оксигемоглобин) – красная линия и свободного гемоглобина (деоксигемоглобин) – синяя иния отличаются. Поэтому с помощью спектров поглощения можно измерить содержание кислорода в крови человека.

Рис.15. Спектры поглощения гемоглобина и оксигемоглобина в оптической области излучения

Примеры использования спектрофотометрии в биологии, медицине и фармации.

· Измерение концентрации белков и нуклеиновых кислот.

· Оценка кровоснабжения тканей на основе измерений степени оксигенации гемоглобина.

· Измерение рН среды с помощью красителей, изменяющих спектр поглощения с изменением рН.

· Определение концентрации различных лекарственных средств, имеющих характерные спектры поглощения (рутин, берберин).

· Отслеживание динамики размножения микроорганизмов по изменению оптической плотности среды, в которой они находятся.

Принципиальная схема спектрофотометра.

Спектрофотометр состоит из следующих основных блоков (рис.16): источника света (И), монохроматора (М), измерительной кюветы (К1) и кюветы сравнения (К2), фотоприемника (Ф) и регистратора (индикатора) (Р).

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной: от значений порядка 103 м (радиоволны) до 10-8 см (рентгеновские 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.

Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые ускоренно движущимися заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны в конечном счете по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяются со скоростью 300000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.

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.

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 гамма-излучениям, сильно поглощаемым атмосферой.

По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.

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 волн. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.

Радиоволны

n= 105-1011 Гц, l»10-3-103 м.

Получают с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов.

Свойства: Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.

Применение: Радиосвязь, телевидение, радиолокация.

Инфракрасное излучение (тепловое)

n=3*1011-4*1014 Гц, l=8*10-7-2*10-3 м.

Излучается атомами и молекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны l»9*10-6 м.

Свойства:

1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь, дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.

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):

n=4*1014-8*1014 Гц, l=8*10-7-4*10-7 м.

Свойства: Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.

Ультрафиолетовое излучение

n=8*1014-3*1015 Гц, l=10-8-4*10-7 м (меньше, чем у фиолетового света).

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

Излучается всеми твердыми телами, у которых t>1000оС, 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.

Применение: В медицине, в промышленности.

Рентгеновские лучи

Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (p=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 0,01нм).

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).

g-Излучение

n=3*1020 Гц и более, l=3,3*10-11 м.

Источники: атомное ядро (ядерные реакции).

Свойства: Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие.

Применение: В медицине, производстве (g-дефектоскопия).

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).

«УФ излучение» - На фотоэффекте, вызываемом УФ излучением, основана Фотоэлектронная спектроскопия. Входящими в состав стекла. Вакуумное УФ излучение до 130 нм. Более мощный источник Ультрафиолетового излучения – любая высокотемпературная плазма. Приёмники Ультрафиолетового излучения. Интенсивное УФ излучение непрерывного спектра испускают электроны в ускорителе.

«Влияние электромагнитного излучения» - Ослабление памяти. Российские ученые. Негативное влияние ПК. Влияние телевизора на человека. Здоровье человека. Влияние мобильных телефонов на человека. Влияние ЭМИ на эндокринную систему. Организм. Профессор Генри Лей. Слабые электромагнитные поля. Психотронное воздействие. Исследование. Излучение телефонов.

«Виды электромагнитных излучений» - Низкочастотные колебания. Ультрафиолетовое излучение. Радиоволны. Биологическое действие. Шкала электромагнитных излучений. Гамма излучение. Рентгеновское излучение. Видимое излучение. Психологический тест. Инфракрасное излучение.

«Видимое излучение» - Применение. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы. Видимое излучение (свет) далеко не исчерпывает возможные виды излучений. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. Инфракрасное излучение. С видимым излучением соседствует инфракрасное. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.

«Шкала электромагнитных волн» - Интерактивная модель шкалы электромагнитных волн. Шкала электромагнитных излучений.

«Физика Инфракрасное излучение» - Термограмма - изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Способы защиты. ИК волны излучают нагретые тела, молекулы которых движутся интенсивно. Флюорография. Термограммы используют в медицине для диагностики заболеваний. Источники УФ излучения. Рентгеновская трубка, ускорители заряженных частиц, радиоактивный распад ядер.

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.

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 · 10 3 до 3 · 10 14 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 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 ≈ 10 4 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.

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

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.

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 бо 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.

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).

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.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

на тему: «Шкала электромагнитных волн»

Выполнила: студентка гр. ЗСС-2

Уракова Ю.Е.

г. Йошкар-Ола, 2012 г.

Введение

1. Низкочастотные волны

2. Радиоволны

Заключение

Введение

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны или связанной с ней частотой волны. Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в этом курсе.

Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:

1) Низкочастотные волны;

2) Радиоволны;

3) Инфракрасное излучение;

4) Световое излучение;

5) Рентгеновское излучение;

6) Гамма излучение.

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Рассмотрим спектр электромагнитных волн более подробно.

1. Низкочастотные волны

Низкочастотные волны представляют собой электромагнитные волны, частота колебаний которых не превышает 100 КГц). Именно этот диапазон частот традиционно используется в электротехнике. В промышленной электроэнергетике используется частота 50 Гц, на которой осуществляется передача электрической энергии по линиям и преобразование напряжений трансформаторными устройствами. В авиации и наземном транспорте часто используется частота 400 Гц, которая дает преимущества по весу электрических машин и трансформаторов в 8 раз по сравнению с частотой 50 Гц. В импульсных источниках питания последних поколений используются частоты трансформирования переменного тока единицы и десятки кГц, что делает их компактными, энергонасышенными. Коренным отличием низкочастотного диапазона от более высоких частот является падение скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

2. Радиоволны

Радиоволны - это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.). Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) - единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц - это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) - миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ - частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением - догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации. Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить - вспомните американский самолет-невидимку «Stealth». Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции - всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

Распространение радиоволн

Самый простой случай -- это распространение радио волны в своодном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

Конечно, это важное правило применимо в том случае, если не приняты специальные меры для того, чтобы создать узконаправленный поток радиоволн.

Существуют различные технические приемы для создания направленных радиолучей. Один из способов решения этой задачи состоит в использовании правильной решетки антенн. Антенны должны быть расположены так, чтобы посылаемые ими волны отправлялись в нужном направлении “горб к горбу”. Для этой же цели используются зеркала разной формы.

Радиоволны, путешествующие в космосе, будут отклоняться от прямолинейного направления -- отражаться, рассеиваться, преломляться -- в том случае, если на их пути встретятся препятствия, соизмеримые с длиной волны и даже несколько меньшие.

Наибольший интерес представляет для нас поведение волн, идущих вблизи с земной поверхности. В каждом отдельном случаи картина может быть весьма своеобразной, в зависимости от того, какова длина волны.

Кардинальную роль играют электрические свойства земли и атмосферы. Если поверхность способна проводить ток, то она “не отпускает” от себя радиоволны. Электрические силовые линии электромагнитного поля подходит к металлу (шире -- к любому проводнику) под прямым углом.

Теперь представьте себе, что радиопередача происходит вблизи морской поверхности. Морская вода содержит растворенные соли, т. е. является электролитом. Морская вода -- превосходный проводник тока. Поэтому она “держит” радиоволну, заставляет ее двигаться вдоль поверхности моря.

Но и равнинная, а так же лесистая местности являются хорошими проводниками для токов не слишком высокой частоты. Иными словами, для длинных волн лес равнина ведут себя как металл.

Поэтому длинные волны удерживаются всей земной поверхностью и способна обогнуть земной шар. Кстати говоря, этим способом можно определить скорость радиоволн. Радиотехникам известно, что на то, чтобы обогнуть земной шар, радиоволна затрачивает 0.13 с. А как же горы? Ну что же, для длинных волн они не столь уж высоки, и радиоволна длиной в километр более или менее способна обогнуть гору.

Что же касается коротких волн, то возможность дальнего радиоприема на этих волнах обязана наличию над Землей ионосферы. Солнечные лучи обладают способностью разрушать молекулы воздуха в верхних областях атмосферы. Молекулы превращаются в ионы и на расстояниях 100-300 км от земли образуют несколько заряженных слоев. Так что для коротких волн пространство, в котором движется волна, -- это слой диэлектрика, зажатого между двумя проводящими поверхностями.

Поскольку равнинная и лесистая поверхности не являются хорошими проводниками для коротких волн то они не способны их удержать. Короткие волны отправляются в свободное путешествие, но натыкаются на ионосферу, отражающую их, как поверхность металла.

Ионизация ионосферы не однородна и, конечно, различна днем и ночью. По этому пути коротких радиоволн могут быть самыми различными. Они могут добраться до вашего радиоприемника и после многократных отражений с Землей и ионосферой. Судьба короткой волны зависит от того, под каким углом попадает она на ионосферный слой. Если этот угол близок к прямому, то отражение не произойдет и волна уйдет в мировое пространство. Но чаще имеет место полное отражение и волна возвращается на Землю.

Для ультракоротких волн ионосфера прозрачна. Поэтому на этих длинах волн возможен радиоприем в пределах прямой видимости или с помощью спутников. Направляя волну на спутник, мы можем ловить отраженные от него сигналы на огромных расстояниях.

Спутники открыли новую эпоху в техники радиосвязи, обеспечив возможность радиоприема и телевизионного приема на ультракоротких волнах.

Интересные возможности предоставляет передача на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Волны этой длины могут поглощаться атмосферой. Но, оказывается, имеются ”окна”, и, подобрав нужным образом длину волны, можно использовать волны, залезающие в оптический диапазон. Ну, а достоинства этих волн нам известны: в малой волновой интервал можно “вложить” огромное число не перекрывающихся передач.

волна спектр электродинамика радиосвязь ионосфера

3. Инфракрасное и световое излучения

Инфракрасное, световое, включая ультрафиолетовое, излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.).

С другой стороны излучение оптической области спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые могут быть получены с помощью геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как оптических приборов, так и каналов распространения оптических сигналов.

Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 210 -6 м= 2мкм до 10 -8 м=10нм (по частоте от1.510 14 гц до 310 16 гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя коротковолновой границей ультрафиолета (рис.2.14).

Ширина оптического диапазона по частоте составляет примерно 18 октав, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава(); на ультрафиолет - 5 октав (), на инфракрасное излучение - 11 октав (

В оптической части спектра становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине наряду с волновыми свойствами оптического излучения проявляются квантовые свойства.

Самым большим естественным излучателем инфракрасной радиации является солнце. Его инфракрасные, ультрафиолетовые и видимые световые лучи представляют собой разновидности электромагнитного излучения. В целом же электромагнитное излучение включает: гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовый спектр, видимый глазом свет, инфракрасный спектр ирадиоволны. Уникальность систем инфракрасного прогревания заключается в использовании инфракрасного теплового излучения, которое глубоко проникает в ткани тела человека.

Любая инфракрасная сауна использует инфракрасное излучение, которое представляет собой электромагнитные колебания в диапазоне 0,7-400 мкм. Не стоит путать этот вид излучения с ультрафиолетовым и тем более с микроволновым.Инфракрасное излучение - это тепловое излучение, которое в той или иной степени генерируют все нагретые тела (солнце, песок на пляже и т. д.). Еще до появления инфракрасных саун человек начал использовать инфракрасные волны различной длины во всевозможных бытовых агрегатах. Напомним, что простейшими искусственными излучателями света инфракрасного диапазона являются обыкновенные бытовые лампы накаливания.

Еще их называют короткими (ИК-А), средними (ИК-B) и длинными волнами (ИК-С). Самые длинные волны длинноволнового диапазона (от 15 - 40мкм) применяются бытовых инфракрасных обогревателях типа УФО, для обогрева в доме или на улице.

В следующем за инфракрасным радиоволновом спектре СВЧ находятся волны, использующиеся в "микроволновках". Инфракрасное излучение является непрерывно действующим на человека фактором окружающей среды. Наше тело постоянно излучает и поглощает инфракрасные лучи. Любой нагретый объект выделяет инфракрасные волны. На этом основано действие различных устройств, например: приборов ночного видения, инфракрасных микроскопов, телескопов, и конечно, инфракрасных излучателей.

4. Рентгеновское и гамма излучение

Гамма излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10 -2 нм, что соответствует энергии квантов больше 0.1Мэв. Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов, поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключения в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение возникает либо при торможении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в веществе (сплошной спектр), либо при высокоэнергетических переходах внутри атома (линейчатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излучение может также возникать в результате явления адгезолюминесценции, которая наблюдается при очень быстром отрыве от гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может происходить, например, при быстром качении по металлической поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разогнанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, испуская при этом рентгеновское излучение.

Рентгеновские лучи применяют для просвещения различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При деформации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наблюдается размытие в определенных направлениях интерференционных пятен (явление астеризма). Появление астеризма объясняется тем, что монокристалл в процессе деформации разбивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм. С увеличением деформации монокристалла интерференционные пятна удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна можно судить о количестве размере и форме фрагмента и исследовать характер протекания деформации.

Из других областей применения рентгеновских лучей можно назвать:

Рентгеновскую дефектоскопию - занимающуюся просвечиванием твердых тел с целью установления размера и места нахождения эффекта внутри материала;
- рентгеновскую спектроскопию - рентгено-спектральный анализ. Основная цель - исследование электронного строениявеществ по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследования химического строения веществ, технологические процессы горнорудной и металлургической промышленности
- рентгеновскую микроскопию - широко применяющуюся для исследования объектов непрозрачных для видимого света и электронов (биология, медицина, минералогия, химия, металлургия).

Способ измерения моментов инерции неоднородных, несвободных тел, заключающийся в поступательном перемещении исследуемого тела относительно пространственной оси, отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемого передвигают источник гамма излучения с детектором, регистрирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела гамма излучения.

5. Электромагнитная природа света

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн, длины волн которых занимают интервал от 0.4мкм до 0.76мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определённый цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излученияопределяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Красный свет, соответствующий наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовый свет - соответствует фиолетовой границе. Естественный свет не окрашен и представляет суперпозицию электромагнитных волн из всего видимого спектра. Естественный свет появляется в результате испускания электромагнитных волн возбужденными атомами. Характер возбуждения может быть различным: тепловой, химический, электромагнитный и др. В результате возбуждения атомы излучают хаотическим образом электромагнитные волны примерно в течении 10 -8 сек. Поскольку энергетический спектр возбуждения атомов достаточно широкий, то излучаются электромагнитные волны из всего видимого спектра, начальная фаза, направление и поляризация которых имеет случайный характер. По этой причине естественный свет не поляризован. Это означает, что "плотность" спектральных составляющих электромагнитные волны естественного света, имеющих взаимно перпендикулярные поляризации одинаково. Гармонические электромагнитные волны светового диапазона называются монохроматическими. Для световой монохроматической волны одной из главных характеристик является интенсивность. Интенсивность световой волны представляет собой среднее значение величины плотности потока энергии (1.25) переносимого волной:

где - коэффициент преломления среды; - волновое сопротивление эфира .

Традиционно оптические явления рассматриваются с помощью лучей. Описание оптических явлений с помощью лучей называется геометрооптическим. Правила нахождения траекторий лучей, разработанные в геометрической оптике, широко используются на практике для анализа оптических явлений и при построении различных оптических приборов.

Дадим определение луча, исходя из электромагнитного представления световых волн. Прежде всего, лучи - это линии, вдоль которых распространяются электромагнитные волны. По этой причине луч - это линия, в каждой точке которой усредненный вектор Пойнтинга электромагнитной волны направлен по касательной к этой линии.

В однородных изотропных средах направление среднего вектора Пойнтинга совпадает с нормалью к волновой поверхности (эквифазной поверхности), т.е. вдоль волнового вектора.

Таким образом, в однородных изотропных средах лучи перпендикулярны соответствующему волновому фронту электромагнитной волны.

Для примера рассмотрим лучи, испускаемые точечным монохроматическим источником света. С точки зрения геометрической оптики из точки источника исходит множество лучей в радиальном направлении. С позиции электромагнитной сущности света из точки источника распространяется сферическая электромагнитная волна. На достаточно большом расстоянии от источника кривизной волнового фронта можно пренебречь, считая локально сферическую волну плоской. Разбивая поверхность волнового фронта на большое количество локально плоских участков, можно через центр каждого участка провести нормаль, вдоль которого распространяется плоская волна, т.е. в геометрооптической интерпретации луч. Таким образом, оба подхода дают одинаковое описание рассмотренного примера.

Основная задача геометрической оптики состоит в нахождении направления луча (траектории). Уравнение траектории находится после решения вариационной задачи нахождения минимума т.н. действия на искомых траекториях. Не вдаваясь в подробности строгой формулировки и решения указанной задачи, можно полагать, что лучи представляют собой траектории с наименьшей суммарной оптической длиной. Данное утверждение является следствием принципа Ферма.

Вариационный подход определения траектории лучей может быть применен и к неоднородным средам, т.е. таким средам, у которых показатель преломления является функция координат точек среды. Если описать функцией форму поверхности волнового фронта в неоднородной среде, то её можно найти исходя из решения уравнения в частных производных, известного как уравнение эйконала, а в аналитической механике как уравнение Гамильтона - Якоби:

Таким образом, математическую основу геометрооптического приближения электромагнитной теории составляют различные методы определения полей электромагнитных волн на лучах, исходя из уравнения эйконала или каким - либо другим способом. Геометрооптическое приближение широко используется на практике в радиоэлектронике для расчета т.н. квазиоптических систем.

В заключение заметим, что возможность описать свет одновременно и с волновых позиций путем решения уравнений Максвелла и с помощью лучей, направление которых определяется из уравнений Гамильтона - Якоби, описывающих движение частиц, является одним из проявлений кажущегося дуализма света, приведшего, как известно, к формулировке логически противоречивых принципов квантовой механики.

На самом деле никакого дуализма в природе электромагнитных волн нет. Как показал Макс Планк в 1900 году в своей классической работе "О нормальном спектре излучения" , электромагнитные волны представляют собой отдельные квантованные колебания частотой v и энергией E=hv, где h =const, в эфире . Последний есть сверхтекучая среда, имеющая стабильное свойство разрывности мерой h - постоянная Планка. При воздействии на эфир энергией, превышающей hv во время излучения происходит образование квантованного "вихря". Точно такое же явление наблюдается во всех сверхтекучих средах и образование в них фононов - квантов звукового излучения.

За "copy-and-paste" совмещение открытия Макса Планка 1900 года к открытому еще в 1887 году Генрихом Герцем фотоэффекта, в 1921 году Нобелевский комитет присудил премию Альберту Эйнштейну

1) Октавой по определению называется диапазон частот между произвольной частотой w и её второй гармоникой, равной 2w.

2) h=6.6310 -34 Джсек - постоянная Планка.

Электромагнитная природа света подтверждена окончательно. Лишь в 2009 году физики создали методику, способную измерить колебания магнитной компоненты света. Их работа пригодится для создания шапок-невидимок и других чудес нанооптики.

Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет -- электромагнитная волна. Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света. Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей - видимые и инфракрасные).

В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.

Электричество заметнее магнетизма

Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.

Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света - хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.

Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой к скорости света, влияние электрической и магнитной составляющих сравнивается. Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует. Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв - все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.

Генрих Герц в миниатюре

В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно. К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны. Публикация в престижном журнале - превосходный подарок к завершению аспирантуры: диссертацию Буррези защитил буквально неделю назад.

Оборудование и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны. Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал. А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.

Буррези также использовал стоячую волну и кольцо с прорезью, только микроскопических размеров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В роли кольца выступало металлическое покрытие на кончике зонда сканирующего микроскопа, а прорезь в нем, ширина которой всего 40 нанометров, пришлось вытравливать сфокусированным потоком ионов. Ученые опустили зонд в 20 нм от волновода, где распространялся лазерный луч с длиной волны 1550 нм; это ближний инфракрасный диапазон, и для работы с таким светом используются технологии оптики, а не радиофизики.

Методика измерений довольно сложна, однако в результате у авторов не осталось сомнений - их зонд измерил именно магнитное поле волны. И его поведение оказалось ровно таким, какое предсказывают уравнения Максвелла.

Наноневидимки

Разумеется, в том, что свет -- электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.

Заключение

В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. При перемещении Земли на противоположную сторону ее орбиты расстояние между Землёй и Юпитером увеличилось на диаметр земной орбиты, т.е. на 300млн. км. Разделив это расстояние на кажущееся время запаздывания, Ремер нашел, что скорость света превышает 200 000 км/с. Более точные измерения показывают, что скорость света равна 299 792 км/с или примерно 300 000 км/с. Электромагнитная природа света. Одним из наиболее трудных для волновой теории света был вопрос о том, что же колеблется при распространении световых волн, в какой среде они распространяются. На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет - электромагнитные волны. Эта гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризации света. Корпускулярно-волновой дуализм. Законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом электромагнитная теория света объяснить не может. В 20 веке в физике утвердились представления о корпускулярно- волновом дуализме свойств света. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других - корпускулярные, означает, что природа света более сложна, чем природа привычных нам тел окружающего мира. Свет не является совокупностью частиц, подобных маленьким дробинкам, нельзя его представлять себе и подобным звуковым волнам или волнам на поверхности воды. В любых световых явлениях при глубоком их изучении обнаруживается неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств света. Основная частьРассматривая двойственную природу света, следует понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие у света молекулярных и волновых свойств. Так какие же свойства присущи свету и как их отличать друг от друга? Я предлогаю следущую таблицу: Свойства света Волновые Квантовые -отражение -фотоэффект -преломление -давление света -интерференция -эффект Комптона -поляризация -отражение -дисперсия -давление света Сначала напомню ключевые понятия. Интерференция - физическое явление перераспределения волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн. Поляризация - физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне. Дисперсия - зависимость показателя преломления вещества от длинны волны падающего излучения.

Закон фотоэффекта вносит совершенно новые черты в представлении о свете. Он означает, что свет частоты? сообщает электрону энергию, равную? h , какова бы ни была интенсивность света. При сильном свете большее количество электронов получает указанные порции энергии, при слабом - меньшее, но сами порции остаются неизменно равными? h. Таким образом, световой энергии приписывается атомистический характер; энергия света данной частоты? не может делиться на произвольные части, а проявляет себя в виде совершенно определенных равных порций - “атомов световой энергии”. Для этих порций энергии установлено специальное название; они именуются световыми квантами или фотонами. Представление о световых квантах было введено Эйнштейном в 1905 г. То обстоятельство, что в большинстве оптических опытов не обнаруживается квантового характера световой энергии, не удивительно. Действительно, h - очень малая величина, равная 6,6 10-34 Дж с. Вычислим энергию кванта зеленого цвета для? =500 нм. Соответствующее? = с/ ? =3 108/5 10-7 = = 6 1014 Гц и следовательно, ? h =4 10-19Дж; это - очень маленькая величина. Энергия, с которой мы имеем дело в большинстве опытов, состоит из очень большого числа квантов; естественно, что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда равна целому числу квантов. Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из целого числа минимальных порций - атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов. В специальных же опытах, к которым и относятся вышеперечисленные опыты по фотоэффекту, с полной ясностью выступает квантовая природа световой энергии. Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта - пропорциональность между световым потоком и фототоком; световой поток, т. е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется числом световых квантов, поступающих за единицу времени. Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретает дополнительную энергию, приносимую квантами, и тем больше электронов вылетит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами металла и поведет к нагреванию его. Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1%) световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванию металлов. Шкала электромагнитных волн Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и да гамма-излучения, одной физической природы.

Новые черты открываются через кристаллы, в частности через турмалин. Возьмем две одинаковые пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Серия опытов показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через пластинки турмалина, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90(от первоначального положения, то свет через него не проходит. Итак, свет, прошедший сквозь турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, становится анизотропным, т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через луч и ось турмалина. Поэтому способность такого света проходить через вторую пластинку турмалина зависит от ориентации оптической оси этой пластинки относительно оптической оси первой пластинки. Такой анизотропии не было в пучке, идущем непосредственно от фонаря (или солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация турмалина была безразлична. Можно объяснить все наблюдавшиеся явления, если сделать следующие выводы. 1) Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны). 2) Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно оси (например, параллельно оси). 3) В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что одно направление не является преимущественным. Я буду в дальнейшем называть свет, в котором в одинаковой доле представлены все направления поперечных колебаний, естественным светом. Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Действительно, как бы ни был ориентирован турмалин, в естественном свете всегда кажется одна и та же доля колебаний, направление которых совпадает с направлением, пропускаемых турмалином. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет называется линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскость поляризации. Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого.

Условия излучения и поглощения волн Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное - внутри катушки индуктивности. Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин конденсатора, а также раздвигая их (рис.2 а,б), совершил переход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стержня, разделенных искровым промежутком (рис. 2, в). Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое тюле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 2, с), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис.2,а), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э. д. с, подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки. Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца 8 подключался к индуктору И (рис. 3). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значении, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. Затем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называемым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра. С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц и получил волны, длина я7l которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков, получил миллиметровые электромагнитные волны с я7l =6-4мм. Электромагнитные волны, электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны cя7 ~ 300 000 км/c (скорость света). В однородных изотропных средах направления напряжённостей электрических (Е) и магнитных (Н) полей электромагнитных волн перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е. электромагнитные волны являются поперечной.

Список литературы

1. Карпенков С.Х.

2 “Концепции современного естествознания ”

3 М.: ЮНИТИ, 1997. Ландсберг Г.С.

4“Элементарный учебник физики” М.: АОЗТ “ШРАЙК”, 1995.

3. Кабардин О.Ф. “Физика” М.: “ПРОСВЕЩЕНИЕ”, 1988.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.

реферат , добавлен 25.02.2009


Диапазон шкалы электромагнитных волн, особенности ее спектра (полоса частот). Скорость света, основные виды радиоволн. Излучение как поток квантов - фотонов, распространяющихся со скоростью света. Инфракрасное, световое и рентгеновское излучение.

презентация , добавлен 10.04.2014


Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.

реферат , добавлен 10.07.2011


Экспериментальное получение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Получение модуля вектора плотности потока энергии. Вычисление давления электромагнитных волн и уяснение его происхождения.

реферат , добавлен 08.04.2013


Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга, свойства. Импульс, давление электромагнитного поля. Излучение света возбужденным атомом. Задача на определение тангенциальной силы, действующей на единицу поверхности зеркала со стороны падающего излучения.

контрольная работа , добавлен 20.03.2016


Предсказание Максвелла Дж.К. - английского физика, создателя классической электродинамики о существовании электромагнитных волн. Их экспериментальное получение немецким ученым Г. Герцем. Изобретение радио А.С. Поповым, основные принципы его действия.

реферат , добавлен 30.03.2011


Изучение явлений интерференции и дифракции. Экспериментальные факты, свидетельствующие о поперечности световых волн. Вывод о существовании электромагнитных волн, электромагнитная теория света. Пространственная структура эллиптически-поляризованной волны.

презентация , добавлен 11.12.2009


Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.

курсовая работа , добавлен 15.08.2011


Основные методы описания распространения электромагнитных волн в периодических средах с использованием волновых уравнений. Теории связанных волн, вывод уравнений. Выбор метода для описания генерации второй гармоники в периодически поляризованной среде.

дипломная работа , добавлен 17.03.2014


Анализ теорий распространения электромагнитных волн. Характеристика дисперсии, интерференции и поляризации света. Методика постановки исследования дифракции Фраунгофера на двух щелях. Влияние дифракции на разрешающую способность оптических инструментов.