Шкала электромагнитных волн

Содержание:

07 августа 2023
9 минут
970

Преподаватель физики

У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от $ν = 0 Г ц$ до $ν = \infty Г ц$ ), 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 – $h = 6, 62 \cdot 10^{- 34} Д ж \cdot c$ , а $h = \frac{h}{2 π} = 1, 05 \cdot 10^{- 34} Д ж \cdot с$ – 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.

Замечание 1

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	$λ < 1, 2 \cdot 10^{- 3} н м$	$W > 1 М э В$
рентгеновское излучение	$1, 2 \cdot 10^{- 3} н м < λ < 12 н м$	$100 э В > W > 1 М э В$
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	$760 н м < λ < 10^{6} н м$	$1, 2 \cdot 10^{- 3} э В > W > 1, 6 э В$
радиоволны	$λ > 10^{6} н м$	$W < 1, 2 \cdot 10^{- 3} э В$

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.

Определение 1

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

Определение 2

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

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

Специфика различных видов электромагнитных волн

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

Замечание 2

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.

Определение 3

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 $10^{- 10} - 10^{- 14} м$ .

Пример 1

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

Решение

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

Пример 2

Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.

Решение

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

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

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

$ω = 2 π ν$ .

Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна $c = 3 \cdot 10^{8} \frac{м}{с}$ , запишем:

$λ = с T \to T = \frac{λ}{c}$ .

В этом случае для границ видимого диапазона получим:

$ν = \frac{c}{λ}, ω = 2 π \frac{c}{λ}$ .

Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:

$ν_{1} = \frac{3 \cdot 10^{8}}{0, 38 \cdot 10^{- 6}} = 7, 9 \cdot 10^{14} (Г ц); v_{2} = \frac{3 \cdot 10^{8}}{0, 76 \cdot 10^{16}} = 3, 9 \cdot 10^{14} (Г ц); ω_{1} = 2 \cdot 3, 14 \cdot 7, 9 \cdot 10^{14} = 5 \cdot 10^{15} (с^{- 1}); ω_{2} = 2 \cdot 3, 14 \cdot 3, 9 \cdot 10^{14} = 2, 4 \cdot 10^{15} (с^{- 1}) .$

Ответ: $3, 9 \cdot 10^{14} Г ц$ .

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.