Длина волны или связанная с ней частота волны 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:
Антена
1) Низкочастотные волны(λ>);
2) Радиоволны();
Атом
3) Инфракрасное излучение(м);
4) Световое излучение();
5) Рентгеновское излучение();
Атомные ядра
6) Гамма излучение(λ).
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.
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение – это часть спектра излучения Солнца, которая непосредственно примыкает к красной части видимой области спектра и которая обладает способностью нагревать большинство предметов. Человеческий глаз не в состоянии видеть в этой части спектра, но мы можем чувствовать тепло. Как известно, любой объект, чья температура превышает (– 273) градусов Цельсия излучает, а спектр его излучения определяется только его температурой и излучательной способностью. Инфракрасное излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) излучения и интенсивность. Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм).Инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.
Открытие
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 английским учёным В. Гершелем, который обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается (рис. 1). В 19 в. было доказано, что Инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет.Применение
Инфракрасные лучи для лечения болезней начали использоваться с античных времен, когда врачи применяли горящие угли, очаги, нагретое железо, песок, соль, глину и т.п. для излечения обмораживания, язв, карбункулов, ушибов, кровоподтеков и т.д. Гиппократ описывал способ их применения для обработки ран, язв, повреждений от холода и т.д. В 1894 г. Келлог ввел в терапию электрические лампы накаливания, после чего инфракрасные лучи были с успехом применены при заболеваниях лимфатической системы, суставов, грудной клетки (плевриты), органов брюшной полости (энтериты, рези и т.п.), печени и желчного пузыря.В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё».Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние.
Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.
Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.
Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например, для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей.
Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды)
Ультрафиолетовые лучи
К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400-10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных -- тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации. Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.
История открытия
Вскоре после того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном конце спектра, с длиной волны короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Тогда, многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также «актиническим излучением».Применение
Энергии ультрафиолетовых квантов достаточно для разрушения биологических молекул, в частности ДНК и белков. На этом основан один из методов уничтожения микробов.Он вызывает на коже загар и необходим для выработки витамина D. Но чрезмерное облучение чревато развитием рака кожи. УФ излучение вредно для глаз. Поэтому на воде и особенно на снегу в горах обязательно нужно носить защитные очки.
Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками, которые видны только в условиях ультрафиолетового освещения. Большинство паспортов, а также банкноты различных стран содержат защитные элементы в виде краски или нитей, светящихся в ультрафиолете.
Многие минералы содержат вещества, которые при освещении ультрафиолетовым излучением начинают испускать видимый свет. Каждая примесь светится по-своему, что позволяет по характеру свечения определять состав данного минерала.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от до м).Получение
Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (в основном электронов) либо же при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение ) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода, энергией (характеристическое излучение )В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.
Открытие
Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рентгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опубликована 28-го декабря 1895 года.Тщательное исследование показало Рентгену, «что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию». Рентген исследовал проникающую способность этого «агента», который он для краткости назвал «Х-лучи», для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом. 
Рисунок Опыт Крукса с катодым лучом
Затем он описывает сенсационный опыт: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген получил и первые рентгеновские снимки, приложив их к своей брошюре. Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. «Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела», - писал английский физик Шустер.
Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. «...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки»,- писал Рентген.
Рисунок Опыт с первой рентгеновской трубкой
Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.
Упомянув о гипотезе Герца - Ленарда, что катодные лучи «есть явление, происходящее в эфире», Рентген указывает, что «нечто подобное мы можем сказать и о наших лучах». Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства лучей, они «ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи». По своим химическим и люминесцентным действиям они, по мнению Рентгена, сходны с ультрафиолетовыми лучами. В первом сообщении он высказал оставленное потом предположение, что они могут быть продольными волнами в эфире.
Применение
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов.Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
Используются для технологического контроля микроэлектронных изделий и позволяют выявлять основные виды дефектов и изменения в конструкции электронных блоков.
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения.
При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Рентгенотерапия - раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения. Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи.
Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.Вывод:
Электромагнитным излучением называется изменение состояния электромагнитного поля (возмущение), способное распространяться в пространстве.С помощью квантовой электродинамики можно рассматривать электромагнитное излучение не только как электромагнитные волны, но и как поток фотонов, то есть частиц, представляющих собой элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля. Сами же волны характеризуются такими признаками как длина (или частота), поляризация и амплитуда. Причем свойства частиц тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 Г.Герцем.
Такой дуализм подтверждается формулой Планка ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.
В зависимости от диапазона частоты выделяется несколько видов электромагнитного излучения. Хотя границы между этими типами достаточно условны, ведь скорость распространения волн в вакууме одинакова (равна 299 792 458 м/с), следовательно, частота колебания обратно пропорциональна длине электромагнитной волны.
Виды электромагнитного излучения различаются способом получения:
Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. 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 (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими . В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания.
Различаются методами регистрации:
Видимый свет воспринимается глазом. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением. Его регистрируют тепловыми методами, а также частично фотоэлектрическими и фотографическими методами. Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию (свечение) ряда веществ. Его регистрируют фотографическими и фотоэлектрическими методами.
Также они по-разному поглощаются и отражаются одинаковыми средами:
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.
Оказывают разное воздействие на биологические объекты при одинаковой интенсивности излучения:
Воздействия разных видов излучения на организм человека различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений – в сущности разные стороны одного явления.
Шкала электромагнитных излучений условно включает в себя семь диапазонов:
1. Низкочастотные колебания
2. Радиоволны
3. Инфракрасное излучение
4. Видимое излучение
5. Ультрафиолетовое излучение
6. Рентгеновское излучение
7. Гамма излучение
Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 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 g-излучениям, сильно поглощаемом 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 волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.
Инфракрасное излучение
Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм). Это невидимое излучение с ярко выраженным тепловым действием.
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 г. английским учёным У. Гершелем.
Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:
коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;
средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;
длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;
Применение
ИК (инфракрасные) диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Они не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости. Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей.
Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей. Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.
Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах.
Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств.
В приборах ночного видения: биноклях, очках, прицелах для стрелкового оружия, ночных фото- и видеокамерах. Здесь невидимое глазом инфракрасное изображение объекта преобразуется в видимое.
Тепловизоры используют в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. С их помощью можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.
Сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может вызывать опасность для глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолет, УФ, UV) - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением (380 - 10 нм, 7,9×1014 - 3×1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380-200 нм) и дальний, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами. Это невидимое излучение обладающее высокой биологической и химической активностью.
Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у индийского философа 13-го века. Атмосфера описанной им местности содержала фиолетовые лучи, которые невозможно увидеть обычным глазом.
В 1801 году физик Иоганн Вильгельм Риттер обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра.
Источники ультрафиолета
Природные источники
Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле - Солнце.
Искусственные источники
УФ ОУ типа «Искусственный солярий», в которых используются УФ ЛЛ, вызывающие достаточно быстрое образование загара.
Ультрафиолетовые лампы используются для стерилизации (обеззараживания) воды, воздуха и различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека.
Бактерицидное УФ излучение на этих длинах волн вызывает димеризацию тимина в молекулах ДНК. Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит к замедлению темпов их размножения и вымиранию.
Ультрафиолетовая обработка воды, воздуха и поверхности не обладает пролонгированным эффектом.
Биологическое воздействие
Разрушает сетчатку глаза, вызывает ожоги кожи и рак кожи.
Полезные свойства УФ излучения
Попадая на кожу вызывает образование защитного пигмента – загара.
Способствует образованию витаминов группы Д
Вызывает гибель болезнетворных бактерий
Применение УФ излучения
Использование невидимых УФ-красок для защиты банковских карт и денежных знаков от подделки. На карту наносят невидимые в обычном свете изображения, элементы дизайна или делают светящейся в УФ-лучах всю карту.
Длины электромагнитных волн, которые могут быть зарегистрированы приборами, лежат в очень широком диапазоне. Все эти волны обладают общими свойствами: поглощение, отражение, интерференция, дифракция, дисперсия. Свойства эти могут, однако, проявляться по-разному. Различными являются источники и приемники волн.
Радиоволны
ν =10 5 - 10 11 Гц, λ =10 -3 -10 3 м.
Получают с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Свойства. Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. Применение Радиосвязь, телевидение, радиолокация. В природе радиоволны излучаются различными внеземными источниками (ядра галактик, квазары).
Инфракрасное излучение (тепловое)
ν =3-10 11 - 4 . 10 14 Гц, λ =8 . 10 -7 - 2 . 10 -3 м.
Излучается атомами и молекулами вещества.
Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре.
Человек излучает электромагнитные волны λ≈9 . 10 -6 м.
Свойства
- Проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь дождь, дымку, снег.
- Производит химическое действие на фотопластинки.
- Поглощаясь веществом, нагревает его.
- Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
- Невидимо.
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.
Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового):
Свойства . В оздействует на глаз.
(меньше, чем у фиолетового света)
Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).
Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, 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.
Рентгеновские лучи
Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 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 0,01 им). 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).
γ-излучение
Источники : атомное ядро (ядерные реакции). Свойства . Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие. Применение . В медицине, производстве (γ -дефектоскопия). Применение . В медицине, в промышленности.
Общим свойством электромагнитных волн является также то, 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.
Хемилюминесценция При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света,причем источник света остается холодным. Светлячок Кусок дерева, пронизанный светящейся грибницей Рыба,обитающая на большой глубине
Электромагнитные излучения Радио излучение Радио излучение Инфракрасное излучение Инфракрасное излучение Видимое излучение Видимое излучение Ультрафиолетовое излучение Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Рентгеновское излучение Гамма излучение Гамма излучение
Шкала электромагнитных излучений Шкала электромагнитных волн простирается от длинных Радиоволн до гамма – лучей. Электромагнитные волны различной Длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом).
Все виды излучений имеют, по существу, одну и ту же физическую природу Луи де Бройль Самостоятельная работа по заполнению таблицы Виды излученийДиапазон длин волн ИсточникСвойстваПрименение Радио излучение Инфракрасное излучение Видимое излучение Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение -излучение
Виды излучений Диапазон длин волн Источник СвойстваПрименение Радиоволны 10 км (310^4 – 310 ^12 Гц) Транзисторные цепиОтражение, Преломление Дифракция Поляризация Связь и навигация Инфракрас- ное излучение 0,1 м – 770 нм (310^ 12 – 4 10 ^14 Гц) Электрический камин Отражение, Преломление Дифракция Поляризация Приготовление пищи Нагревание, сушка, Тепловое фотокопирование Видимый свет 770 – 380 нм (410^ 14 – 810 ^14 Гц) Лампа накаливания, Молнии, Пламя Отражение, Преломление Дифракция Поляризация Наблюдение за видимым миром, Преимущественно путем отражения Ультрафио летовое излучение 380 – 5 нм (810^ 14 – 610 ^16 Гц) Разрядная трубка, углеродная Дуга ФотохимическиеЛечение заболеваний кожи, уничтожение бактерий, сторожевые устройства Рентгеновс- кое излучение 5 нм– 10^ –2 нм (610^ 16 – 310 ^19 Гц) Рентгеновская трубка Проникающая способность Дифракция Рентгенография, радиология, обнаружение подделок произведений искусства - излучение 510^ ^-15 м Циклотрон Кобальт - 60 Порождаются космически ми объектами Стерилизация, Медицина, лечение рака Проверьте свои ответы
Тема: «Виды излучений. Источники света. Шкала электромагнитных волн».
Цель: установить общие свойства и различия по теме «Электромагнитные излучения»; сравнить разные виды излучений.
Оборудование: презентация «Шкала электромагнитных волн».
Ход урока.
I. Организационный момент.
II. Актуализация знаний.
Фронтальная беседа.
Какой волной является свет? Что такое когерентность? Какие волны называют когерентными? Что называют интерференцией волн, и при каких условиях происходит это явление? Что называют разностью хода? Оптической разностью хода? Как записываются условия образования интерференционных максимумов и минимумов? Применение интерференции в технике. Что называют дифракцией света? Сформулируйте принцип Гюйгенса; принцип Гюйгенса-Френеля. Назовите дифракционные картины от различных препятствий. Что представляет собой дифракционная решетка? Где применяют дифракционную решетку? Что такое поляризация света? Для чего используют поляроиды?
III. Изучение нового материала.
Вселенная – это океан электромагнитных излучений. Люди живут в нем, по большей части, не замечая пронизывающих окружающее пространство волн. Греясь у камина или зажигая свечу, человек заставляет работать источник этих волн, не задумываясь об их свойствах. Но знание - сила: открыв природу электромагнитного излучения, человечество в течение XX столетия освоило и поставило к себе на службу самые различные его виды.
Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой разной. Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. При изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и г-излучение.
Более ста лет, фактически с начала XIX в., продолжалось открытие все новых и новых волн. Единство волн было доказано теорией Максвелла. До него многие волны рассматривались как явления разной природы. Рассмотрим шкалу электромагнитных волн, которая разделена на диапазоны по частоте, но и по способу излучения. Строгих границ между отдельными диапазонами электромагнитных волн нет. На границах диапазонов вид волны устанавливают по способу её излучения, т. е. электромагнитная волна с одной и той же частоты может быть в том или другом случае отнесена к разному виду волн. Например, излучение с длиной волны в 100 мкм может быть отнесено к радиоволнам или к инфракрасным волнам. Исключение - видимый свет.
Виды излучений.
вид излучения | длина волны, частота | источники | свойства | применение | скорость распространения в вакууме |
Низкочастотное | от 0 до 2 104 Гц от1,5 104 до ∞ м. | генераторы переменного тока. | Отражение, поглощение, преломление. | Применяются при плавке и закалке металлов. | |
Радиоволны | переменный ток. генератор радиочастот, звезды, в том числе Солнце, галактики и метагалактики. |
интерференция, дифракция. | Для передачи информации на различные расстояния. Передаются речь, музыка (радиовещание), телеграфные сигналы (радиосвязь), изображения различных объектов (радиолокация). | ||
Инфракрасное | 3*1011- 3,85*1014 Гц. 780нм –1мм. | Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Мощный источник инфракрасного излучения – Солнце | Отражение, поглощение, преломление, интерференция, дифракция. | ||
3,85 1014- 7,89 1014 Гц | Валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно. | Отражение, поглощение, преломление, интерференция, дифракция. | Поглощение растениями углекислого газа в результате процесса фотосинтеза и выделения кислорода способствует поддержанию биологической жизни на Земле. Также видимое излучение применяется при освещении различных объектов | ||
Ультрафиолетовое | от 0,2 мкм до 0,38 мкм 8*1014-3*1016 Гц | валентные электроны атомов и молекул, также ускорено движущиеся свободные заряды. Газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).Твердые телами, у которых T>1000°С, а также светящие пары ртути. Высокотемпературная плазма. | 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. | Медицина. Люминес центные лампы. Криминалистика (по обнаруживают подделки документов). Искусствоведение (с ультрафиолетовых лучей можно обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставрации) | |
Рентгеновское | 10-12- 10-8 м (частот 3*1016-3-1020 Гц | Некоторые радиоактивные изотопы, синхротроны накопители электронов. Естественными источниками рентгеновского излучения является Солнце и др. космические объекты | Высокая проникающая способность. Отражение, поглощение, преломление, интерференция, дифракция. | Рентгеноструктур- ный анализ, медицина, криминалистика, искусствоведение. | |
Гамма - излучение | Ядерные процессы. | Отражение, поглощение, преломление, интерференция, дифракция. | При исследовании ядерных процессов, в дефектоскопии. |
Сходство и различия.
Общие свойства и характеристики электромагнитных волн.
Свойства | Характеристики |
Распространение в пространстве с течением времени | Скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна приблизительно 300 000 км/с |
Все волны поглощаются веществом | Различные коэффициенты поглощения |
Все волны на границе раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. | Законы отражения и преломления. Коэффициенты отражения для разных сред и разных волн. |
Все электромагнитные излучения проявляют свойства волн: складываются, огибают препятствия. Несколько волн одновременно могут существовать в одной области пространства | Принцип суперпозиции. Для когерентных источников правила определения максимумов. Принцип Гюйгенса-Френеля. Волны между собой не взаимодействуют |
Сложные электромагнитные волны при взаимодействии с веществом раскладываются в спектр - дисперсия. | Зависимость показателя преломления среды от частоты волны. Скорость волны в веществе зависит от показателя преломления среды v = c/n |
Волны разной интенсивности | Плотность потока излучения |
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 поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.
1 Низкочастотное излучение
Низкочастотное излучение возникает в диапазоне частот от 0 до 2 104 Гц. Этому излучению соответствует длина волны от1,5 104 до ∞ м. Излучением таких, сравнительно малых частот, можно пренебречь. Источником низкочастотного излучения являются генераторы переменного тока. Применяются при плавке и закалке металлов.
2 Радиоволны
Радиоволны занимают диапазон частот 2*104-109 Гц. Им соответствует длина волны 0,3-1,5*104 м. Источником радиоволн, так же как и низкочастотного излучения является переменный ток. Также источником являются генератор радиочастот, звезды, в том числе Солнце, галактики и метагалактики. Индикаторами являются вибратор Герца, колебательный контур.
Большая частота радиоволн, по сравнению с низкочастотным излучением приводит к заметному излучению радиоволн в пространство. Это позволяет использовать их для передачи информации на различные расстояния. Передаются речь, музыка (радиовещание), телеграфные сигналы (радиосвязь), изображения различных объектов (радиолокация). Радиоволны используются для изучения структуры вещества и свойств той среды, в которой они распространяются. Исследование радиоизлучения космических объектов – предмет радиоастрономии. В радиометеорологии изучают процессы по характеристикам принимаемых волн.
3 Инфракрасное излучение (ИК)
Инфракрасное излучение занимают диапазон частот 3*1011- 3,85*1014 Гц. Им соответствует длина волны 780нм –1мм. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году астрономом Уильямом Гершлем. Изучая повышение температуры термометра, нагреваемого видимым светом, Гершель обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, было названо инфракрасным. Источником инфракрасного излучения является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Мощный источник инфракрасного излучения – Солнце, около 50% его излучения лежит в инфракрасной области. На инфракрасное излучение приходится значительная доля (от 70 до 80 %) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Инфракрасное излучение испускает электрическая дуга и различные газоразрядные лампы. Излучения некоторых лазеров лежит в инфракрасной области спектра. Индикаторами инфракрасного излучения являются фото и терморезисторы, специальные фотоэмульсии. Инфракрасное излучение используют для сушки древесины, пищевых продуктов и различных лакокрасочных покрытий (инфракрасный нагрев), для сигнализации при плохой видимости, дает возможность применять оптические приборы, позволяющие видеть в темноте, а также при дистанционном управлении. Инфракрасные лучи используются для наведения на цель снарядов и ракет, для обнаружения замаскированного противника. Эти лучи позволяют определить различие температур отдельных участков поверхности планет, особенности строения молекул вещества (спектральный анализ). Инфракрасная фотография применяется в биологии при изучении болезней растений, в медицине при диагностике кожных и сосудистых заболеваний, в криминалистике при обнаружении подделок. При воздействии на человека вызывает повышение температуры человеческого тела.
Видимое излучение (свет)
Видимое излучение - единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемым человеческим глазом. Световые волны занимают достаточно узкий диапазон: 380-780 нм (ν = 3,85 1014- 7,89 1014 Гц). Источником видимого излучения являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно. Эта часть спектра дает человеку максимальную информацию об окружающем мире. По своим физическим свойствам она аналогична другим диапазонам спектра, являясь лишь малой частью спектра электромагнитных волн. Излучение, имеющее разную длину волны (частоты) в диапазоне видимого излучения, оказывает различное физиологическое воздействие на сетчатку человеческого глаза, вызывая психологическое ощущение света. Цвет - не свойство электромагнитной световой волны самой по себе, а проявление электрохимического действия физиологической системы человека: глаз, нервов, мозга. Приблизительно можно назвать семь основных цветов, различаемых человеческим глазом в видимом диапазоне (в порядке возрастания частоты излучения): красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Запоминание последовательности основных цветов спектра облегчает фраза, каждое слово которой начинается с первой буквы названия основного цвета: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Видимое излучение может влиять па протекание химических реакций в растениях (фотосинтез) и в организмах животных и человека. Видимое излучение испускают отдельные насекомые (светлячки) и некоторые глубоководные рыбы за счет химических реакций в организме. Поглощение растениями углекислого газа в результате процесса фотосинтеза выделения кислорода способствует поддержанию биологической жизни на Земле. Также видимое излучение применяется при освещении различных объектов.
Свет - источник жизни на Земле и одновременно источник наших представлении об окружающем мире.
5. Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовое излучение, не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучением в пределах длин волн 10 – 380 нм(ν=8*1014-3*1016 Гц). Ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 году немецким ученым Иоганном Риттером. Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, Риттер обнаружил, что серебро чернеет еще более эффективно в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение, вызвавшее это почернение, было названо ультрафиолетовым. Источник ультрафиолетового излучения — валентные электроны атомов и молекул, также ускорено движущиеся свободные заряды. Излучение накаленных до температур - 3000 К твердых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощный источник ультрафиолетового излучения - любая высокотемпературная плазма. Для различных применений ультрафиолетового излучения используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы. Естественные источники ультрафиолетового излучения - Солнце, звезды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения (λ>290 нм) достигает земной поверхности. Для регистрации ультрафиолетового излучения при λ= 230 нм используются обычные фотоматериалы, в более коротковолновой области к нему чувствительны специальные маложелатиновые фотослои. Применяются фотоэлектрические приемники, использующие способность ультрафиолетового излучения, вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды, ионизационные камеры, счетчики фотонов, фотоумножители.
В малых дозах ультрафиолетовое излучение оказывает благотворное, оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза ультрафиолетового излучения может вызвать ожог кожи и раковые новообразования (в 80 % излечимые). Кроме того, чрезмерное ультрафиолетовое излучение ослабляет иммунную систему организма, способствуя развитию некоторых заболеваний. Ультрафиолетовое излучение оказывает также бактерицидное действие: под действие этого излучения гибнут болезнетворные бактерии.
Ультрафиолетовое излучение применяется в люминесцентных лампах, в криминалистике (по снимкам обнаруживают подделки документов), в искусствоведении (с помощью ультрафиолетовых лучей можно обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставрации). Практически не пропускает ультрафиолетовое излучение оконное стекло, т. к. его поглощает оксид железа, входящий в состав стекла. По этой причине даже в жаркий солнечный день нельзя загореть в комнате при закрытом окне. Человеческий глаз не видит ультрафиолетовое излучение, т. к. роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают ультрафиолет. Ультрафиолетовое излучение видят некоторые животные. Например, голубь ориентируется по Солнцу даже в пасмурную погоду.
6. Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение - это электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма - и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-12- 10-8 м (частот 3*1016-3-1020 Гц). Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким физиком. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой ускоренные электрическим нолем электроны бомбардируют металлический анод. Рентгеновское излучение может быть получено при бомбардировке мишени ионами высокой энергии. В качестве источников рентгеновского излучения могут служить также некоторые радиоактивные изотопы, синхротроны накопители электронов. Естественными источниками рентгеновского излучения является Солнце и др. космические объекты
Изобранения предметов в рентгеновском излучении получают на специальной рентгеновской фотопленке. Рентгеновское излучение можно регистрировать с помощью ионизационной камеры, сцинтилляционным счетчиком, вторично-электронных или каналовых электронных умножителей, микроканальных пластин. Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение применяется в рентгеноструктурном анализе (исследовании структуры кристаллической решетки), при изучении структуры молекул, обнаружении дефектов в образцах, в медицине (рентгеновские снимки, флюорография, лечение раковых заболеваний), в дефектоскопии (обнаружение дефектов в отливках, рельсах), в искусствоведении(обнаружение старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи), в астрономии(при изучении рентгеновских источников), криминалистике. Большая доза рентгеновского излучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека. Создание приемников рентгеновского излучения и размещение их на космических станциях позволило обнаружить рентгеновское излучение сотен звезд, а также оболочек сверхновых звезд и целых галактик.
7. Гамма излучение (γ - лучи)
Гамма излучение - коротковолновое электромагнитное излучение, занимающее весь диапазон частот ν> З*1020Гц, что соответствует длинам волн λ<10-12 м. Гамма излучение было открыто французским ученым Полем Вилларом в 1900 году. Изучая излучение радия в сильном магнитном поле, Виллар обнаружил коротковолновое электромагнитное излучение, не отклоняющееся, как и свет, магнитным полем. Оно было названо Iгамма излучением. Гамма излучение связано с ядерными процессами, явлениями радиоактивного распада, происходящими с некоторыми веществами, как на Земле, так и в космосе. Гамма излучение можно регистрировать с помощью ионизационных и пузырьковых камер, а также с помощью специальных фотоэмульсий. Используются при исследовании ядерных процессов, в дефектоскопии. Гамма излучение отрицательно воздействует на человека.
IV. Закрепление изученного материала.
Низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, γ-излучение представляют собой различные виды электромагнитного излучения.
Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений (учитель показывает шкалу). Деление электромагнитных излучений по диапазонам условное. Четкой границы между областями нет. Названия областей сложились исторически, они лишь служат удобным средством классификации источников излучений.
Все диапазоны шкалы электромагнитных излучений имеют общие свойства:
- Физическая природа всех излучений одинакова Все излучения распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, равной 3*108 м/с Все излучения обнаруживают общие волновые свойства (отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию).
А). Выполните задания по определению вида излучения и его физической сущности.
1. Излучают ли электромагнитные волны горящие дрова? Негорящие? (Излучают. Горящие – инфракрасные и видимые лучи, а негорящие – инфракрасные).
2. Чем объясняется белый цвет снега, черный цвет сажи, зеленый цвет листьев, красный цвет бумаги? (Снег все волны отражает, сажа все поглощает, листья отражают зелёные, бумага – красные).
3. Какую роль играет атмосфера в жизни на Земле? (Защита от ультрафиолета).
4. Почему темное стекло защищает глаза сварщика? (Стекло не пропускает ультрафиолет, а тёмное стекло и яркое видимое излучение пламени, которое возникает при сварке).
5. Когда через ионизированные слои атмосферы проходят спутники или космические корабли, то они становятся источниками рентгеновского излучения. Почему? (В атмосфере быстро движущиеся электроны ударяются по стенкам движущихся объектов и возникает рентгеновское излучение).
6.Что такое СВЧ излучение и где используется? (Сверхвысокочастотное излучение, микроволновые печи).
Б). Проверочный тест.
1. Инфракрасное излучение имеет длину волны:
А. Меньше 4*10-7 м. Б. Больше 7,6*10-7 м В. Меньше 10 –8 м
2. Ультрафиолетовое излучение:
А. Возникает при резком торможении быстрых электронов.
Б. Интенсивно испускается нагретыми до высокой температуры телами.
В. Испускается любым нагретым телом.
3. Каков диапазон длин волн видимого излучения?
А. 4*10-7- 7,5*10-7 м. Б. 4*10-7- 7,5*10-7 см. В. 4*10-7- 7,5*10-7 мм.
4. Наибольшую проходящую способность имеет:
А. Видимое излучение Б. Ультрафиолетовое излучение В. Рентгеновское излучение
5. Изображение предмета в темноте получают при помощи:
А. Ультрафиолетового излучения. Б. Рентгеновского излучения.
В. Инфракрасного излучения.
6. Кем впервые было открыто γ–излучение?
А. Рентгеном Б. Вилларом В. Гершелем
7. С какой скоростью распространяется инфракрасное излучение?
А. Больше чем 3*108 м/с Б. Меньше чем 3*10 8 м/с В. 3*108 м/с
8. Рентгеновское излучение:
А. Возникает при резком торможении быстрых электронов
Б. Испускается твердыми телами, нагретыми до большой температуры
В. Испускается любым нагретым телом
9. Какие излучения используются в медицине?
Инфракрасное излучение Ультрафиолетовое излучение Видимое излучение Рентгеновское излучение
А. 1,2,4 Б. 1,3 В. Все излучения
10. Обычное стекло практически не пропускает:
А. Видимое излучение. Б. Ультрафиолетовое излучение. В. Инфракрасное излучение Правильные ответы:1(Б); 2 (Б); 3(А); 4(В); 5(В); 6(Б); 7(В); 8(А); 9(А); 10(Б).
Шкала оценок: 5 - 9-10 заданий; 4 – 7-8 заданий; 3 - 5-6 заданий.
IV. Итог урока.
V. Домашнее задание: §80,86 .