Перечислите диапазоны электромагнитных волн в порядке возрастания частоты излучения

Шкала электромагнитных излучений: распределение электромагнитных волн

Содержание:

Факт, что в природе не существует электромагнитных волн (ЭМВ) всех длин от 0 до ∞, физиками неоспорим. Причина ограничений кроется в двойственности их природы. Они одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами – являются волной и потоком элементарных частиц. Для простоты классификации при решении практических задач создана шкала электромагнитных колебаний.

Свойства электромагнитных волн

Спектральная характеристика ЭМ-излучения базируется на:

• Длине волны – расстоянии, где она пребывает в одной фазе.
• Частоте – количество повторений за единицу времени (секунду).
• Энергии фотона, который переносит волны.

Частота колебаний вычисляется как: λ = сn / υ, где:

• с – скорость ЭМВ в вакууме;
• υ – в среде;
• n – коэффициент преломления.

Последний всегда больше единицы, значит, в любом веществе электромагнитная волна распространяется медленнее, чем в физическом вакууме.

Таблица свойств электромагнитных волн, присущих излучению любой частоты из спектра.

Особенность

Подчинение закону отражения

Углы падения и отражения равны. Отношение синуса первого к синусу второго – величина постоянная, она пропорциональна отношению скоростей распространения в обеих средах.

Отклонение волн от прямолинейной траектории у края преград для их огибания, при прохождении отверстий.

Способность когерентных волн к наложению, вследствие которого они усиливаются либо гасятся в определённых местах.

Зависимость коэффициента преломления от частоты излучения.

Отчасти поглощаются при переходе между средами.

Частота при переходе ЭМВ между средами сохраняется.

Электромагнитные излучения всегда поперечны.

На границе сред основное излучение проходит далее, преломляясь, часть – отражается тем сильнее, чем меньше частота волны.

Шкала электромагнитных излучений

Физики условно разделили колебания электромагнитной природы на спектры, о которых большинство, наверное, слышали.

Гамма-излучение (γ)

Сверхкороткие излучения длиной до 0,01 нм или ангстрема с потенциалом 124 кэВ. Возникают вследствие одноимённого радиоактивного распада; это приходящие из космического пространства лучи. Прозрачны практически для всех соединений на Земле, разрушительно влияют на живую материю.

Рентгеновское

Появляются вследствие сильного разгона заряженных частиц или переходах электронов между оболочками с огромной разницей потенциалов в атомах. Для них невозможно изготовить линзу из-за длины волны, сравнимой с размерами атомов. Оптические системы строятся с применением алмазов.

Ультрафиолетовое

Ультрафиолет близок к видимому спектру, при определённых условиях человеческий глаз замечает излучения близкие к 400 нм. Основной источник – Солнце. Обладает разнообразным воздействием на биологические ткани, эффект зависит от длины волны.

Оптическое

Видимый для человека спектр лежит в диапазоне 400–740 нм. Лучи легко преодолевают атмосферу, отражаются и поглощаются в оптических установках. Появляются вследствие явлений флюоресценции, протекания химических реакций, свечения Солнца, ламп и светодиодов.

Инфракрасное

Излучение, ощущаемое человеком как тепло. Исходит от нагретых поверхностей, чем они горячее, тем короче волна и выше энергия.

Терагерцовое

Неионизирующие субмиллиметровые лучи. Проводятся диэлектриками и поглощаются проводниками (за редким исключением). Применяются в системах безопасности, медицине – томографы.

Радиоволны

Самый широкий спектр, наиболее применяемый человеком для обмена информацией в пределах планеты и ближнего космоса.

Таблица спектров электромагнитных волн.

Название лучей

Длина волны, нм

Космос, ускорители частиц, радиоактивные материалы

Рентгеновские трубки, ускорители частиц

Солнце, разнообразные искусственные лампы, лазеры

Солнце, световая техника, химические реакции

Электрические разряды в газах, раскалённые (горячие) тела

Лазеры на свободных электронах

Вспышки молний, космические объекты, техника

Шкала электромагнитных излучений в графическом виде.

Естественно, на картинке реальные масштабы спектров не изобразить, у них слишком разнятся диапазоны.

Источник

Спектр электромагнитных волн

Спектр электромагнитных волн – это весь диапазон частот или длин вол электромагнитного поля, которое существует в природе. Этот спектр достаточно широк, поэтому его, для удобства классификации и работы с ним, разделяют на несколько диапазонов.

Все диапазоны электромагнитных вол по мере возрастания их частоты или длины волны располагают на так называемой «шкале электромагнитных волн». На этой шкале размещены (в порядке возрастания частоты) следующие диапазоны:

1. Низкочастотные электромагнитные волны (от нескольких Гц до 100 кГц).
2. Радиоволны (от 100 кГц до 300 ГГц).
3. Инфракрасное излучение (от 300 ГГц до 400 тыс. ГГц).
4. Видимый свет (от 400 до 800 тыс. ГГц).
5. Ультрафиолетовое излучение (от 800 тыс. ГГц до 30 млн. ГГц).
6. Рентгеновское излучение.
7. Гамма излучение.

Рассмотрим более подробно каждый из этих диапазонов.

Низкочастотные электромагнитные волны – это самый низкий диапазон спектра. Именно в этом диапазоне работает большинство электронных приборов. Дело в том, что с низкочастотным диапазоном легче всего работать и им легче всего управлять.

Радиоволны идут следующим диапазоном в спектре. Как мы знаем, с помощью радиоволн работают практически все беспроводные системы и устройства для передачи информации. В свою очередь радиоволны разделяются на несколько поддиапазонов: длинные, средние, короткие, ультракороткие и сверхвысокочастотные (СВЧ).

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение входят в так называемый «оптический диапазон» или оптический спектр. Этот диапазон находится в промежутке частот между 3·10 11 до 3·10 16 Гц. Оптический спектр также широко используется в системах передачи информации, но кроме этого еще и в системах отображения визуальной информации: дисплеях, мониторах, информационных табло и т.д.

Рентгеновское излучение возникает в результате различных процессов, возникающих в электронной оболочке атомов различных веществ. Например, при резком торможении быстрых заряженных частиц: электронов, протонов и других. Используется в основном в медицине.

Гамма излучение, также как и рентгеновское генерируется внутри ядер, правда не в результате торможения частиц, а в процессе реакции их деления. Используется, а точнее является следствием использования радиоактивных материалов в энергетике.

Источник

Шкала электромагнитных волн

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

Ограничения длины волны

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

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

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

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

Шкала электромагнитных волн

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

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

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

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

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

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

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

Специфика различных видов электромагнитных волн

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.

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

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

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

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

В этом случае для границ видимого диапазона получим:

Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:

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

Источник