Шкала електромагнітних хвиль

  1. Причини обмеження хвиль по часте Здавалося б, що повинні існувати хвилі всіх частот ($ \ nu $) від...
  2. Особливості різних видів електромагнітного випромінювання

Причини обмеження хвиль по часте

Здавалося б, що повинні існувати хвилі всіх частот ($ \ nu $) від $ \ nu = 0 \ Гц $ до $ \ nu = \ infty \ Гц. $ Однак так як світлова хвиля володіє крім хвильових властивостей корпускулярним властивостями, існують деякі обмеження . Квантова теорія стверджує, що електромагнітне випромінювання випускається у вигляді квантів (порцій енергії). Енергія кванта (W) пов'язана з його частотою виразом:

де $ h = 6,62 \ cdot {10} ^ {- 34} Дж \ cdot з $ - постійна Планка, $ \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} = 1,05 \ cdot {10} ^ {- 34} Дж \ cdot з $ - постійна Планка з межею. З виразу (1) випливає, що нескінченні частоти неможливі, тому що не існує квантів з нескінченно великою енергією. Це ж вираз накладає обмеження на низькі частоти, так як існує мінімальне значення ванта енергії ($ W_0 $), з чого випливає, що мінімальна частота ($ {\ nu} _0 $) дорівнює:

Примітка 1

Треба сказати, що до цього дня в фізиці не доведено існування нижньої межі енергії фотонів. Мінімальна частота близько 8 Гц спостерігається в стоячих електромагнітних хвиль ах між іоносферою і земною поверхнею.

Нічого не зрозуміло?

Спробуй звернутися за допомогою до викладачів

Шкала електромагнітних хвиль

Всі відомі на сьогоднішній день електромагнітні хвилі поділяють на:

Малюнок 1
Малюнок 1.

Кожен з діапазонів має свої особливості. З ростом частоти збільшується прояв корпускулярних властивостей випромінювання. Хвилі різних частин спектра різні способами генерації. Кожен діапазон хвиль вивчає свій розділ фізики. Дані ділянки спектра відрізняються не фізичною природою, а способом їх отримання і прийому. Між цими видами хвиль не існує різких переходів, ділянки можуть перекриватися, межі є умовними.

Видиму частину спектру електромагнітних хвиль в сукупності з зоною ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання досліджують в оптиці (так званий оптичний діапазон). Кванти випромінювання видимого діапазону називаються фотонами. Їх енергія укладена в інтервалі:

Хвильові та квантові властивості є у всього спектра електромагнітного випромінювання, але в залежності від довжини хвилі один вид властивостей превалює за значимістю над іншим, відповідно, застосовуються різні в методи їх дослідження. Залежно від довжини хвилі різні групи хвиль мають різні види практичного застосування.

Особливості різних видів електромагнітного випромінювання

Особливостями оптичного діапазону є:

  • виконання законів геометричної оптики,
  • слабка взаємодія світла з речовиною.

Примітка 2

Для частот нижче, ніж оптичний діапазон перестають діяти закони геометричної оптики, тоді як електромагнітне поле високих частот або проходить крізь речовину, або руйнує його. Видиме світло, є необхідною умовою життя на Землі, так як є обов'язковою умовою для фотосинтезу.

Радіохвилі застосовуються для радіозв'язку, телебачення, радіолокації. Це найдовші хвилі з спектра електромагнітних хвиль. Радіохвилі легко штучно генерувати за допомогою коливального контуру (з'єднання ємності та індуктивності). Атоми і молекули здатні випромінювати радіохвилі, що використовують в радіоастрономії. У найзагальнішому вид, слід зазначити, що випромінювачем електромагнітних хвиль є прискорено рухомі заряджені частинки, що знаходяться в атомах і ядрах.

Інфрачервону область спектра вперше експериментально була вивчена в 1800 р В. Гершелем. Вчений помістив термометр за червоним краєм спектра і зафіксував підвищення температури, що означало нагрівання термометра невидимим оку випромінюванням. Інфрачервоне випромінювання випускають будь-які нагріті тіла. Використовуючи спеціальні засоби інфрачервоне випромінювання можна перетворити в видиме світло. Так отримують зображення нагрітих тел в темряві. Інфрачервоне випромінювання використовують для сушки чого - або.

Ультрафіолетове випромінювання відкрив І. Ріттер. Він виявив, що за фіолетовим краєм спектра існують промені, невидимі оку, які впливають на деякі хімічні сполуки. Воно здатне вбивати хвороботворних бактерій, через це його широко використовують в медицині. Ультрафіолетове випромінювання в складі сонячних променів впливає на шкіру людини, викликаючи її потемніння (загар).

Рентгенівські промені виявлені В. Рентгеном в 1895 р Вони невидимі оком, проходять без істотного поглинання через великі шари речовини, які непрозорі для видимого світла. Виявляються рентгенівські промені по здатності викликати світіння деяких кристалів і впливати на фотоплівку. Ці промені використовуються зокрема в медичній діагностиці. Рентгенівське випромінювання має сильне біологічну дію.

визначення 1

Гамма випромінювання - це випромінювання, яке випускають порушені атомні ядра і взаємодіють елементарні частинки. Це саме короткохвильове випромінювання. У нього самі яскраво виражені корпускулярні властивості. Зазвичай гамма випромінювання розглядається як потік гамма - квантів. В області довжин хвиль близько $ {10} ^ {- 10} - {10} ^ {- 14} м $ діапазони гамма випромінювання і рентгенівський перекриваються.

приклад 1

Завдання: Що є випромінювачем для різних видів електромагнітних хвиль?

Рішення:

Випромінювачем електромагнітних хвиль завжди є рухомі заряджені частинки. В атомах і ядрах ці частинки рухаються з прискоренням, отже, є джерелами електромагнітних хвиль. Радіо хвилі випромінюють атоми і молекули. Це єдиний тип хвиль, які можна штучно генерувати, використовуючи коливальний контур. Інфрачервоне випромінювання виходить в основному за рахунок коливань атомів в молекулах. Ці коливання носять назву теплових, так як породжуються тепловими зіткненнями молекул. Зі збільшенням температури частота коливань збільшується.

Видимі промені генеруються окремими збудженими атомами.

Ультрафіолетове світло, також відносять до атомарному.

Рентгенівські промені випромінюються за рахунок того, що електрони, що володіють високою кінетичної енергією, взаємодіють з атомами і ядрами атомів або ядра атомів самі випромінюють за рахунок власного збудження.

Гамма - промені генеруються збудженими ядрами атомів і виникають при взаємодії і взаємних перетвореннях елементарних частинок.

приклад 2

Завдання: Чому рівні частоти хвиль видимого діапазону?

Рішення:

Відомий діапазон - сукупність хвиль, які сприймає людське око. Межі цього діапазону залежать від індивідуальних особливостей зору людини, і знаходиться приблизно в межах $ \ lambda = 0,38-0,76 \ мкм. $

В оптиці використовують два види частот. Кругову частоту ($ \ omega $), яка визначається як:

\ [\ Omega = \ frac {2 \ pi} {T} \ left (2.1 \ right), \]

де $ T $ - період коливань хвилі. Також використовують частоту $ \ nu $, яка зв'язується з періодом коливань як:

\ [\ Nu = \ frac {1} {T} \ left (2.2 \ right). \]

Отже, обидві частоти пов'язані між собою співвідношенням:

\ [\ Omega = 2 \ pi \ nu \ left (2.3 \ right). \]

Знаючи, що швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі дорівнює $ c = 3 \ cdot {10} ^ 8 \ frac {м} {з} $, маємо:

\ [\ Lambda = cT \ to T = \ frac {\ lambda} {c} \ left (2.4 \ right). \]

У такому випадку для кордонів видимого діапазону отримаємо:

\ [\ Nu = \ frac {c} {\ lambda}, \ \ omega = 2 \ pi \ frac {c} {\ lambda}. \]

Використовуючи те, що довжини хвиль для видимого світла нам відомі, отримаємо:

\ [{\ Nu} _1 = \ frac {3 \ cdot {10} ^ 8} {0,38 \ cdot {10} ^ {- 6}} = 7,9 \ cdot {10} ^ {14} \ left (Гц \ right), \ {\ nu} _2 = \ frac {3 \ cdot {10} ^ 8} {0,76 \ cdot {10} ^ {- 6}} = 3,9 \ cdot {10} ^ {14} \ left (Гц \ right). \] \ [{\ omega} _1 = 2 \ cdot 3,14 \ cdot 7,9 \ cdot {10} ^ {14} = 5 \ cdot {10} ^ { 15} \ left (з ^ {- 1} \ right), {\ omega} _1 = 2 \ cdot 3,14 \ cdot 3,9 \ cdot {10} ^ {14} = 2,4 \ cdot {10} ^ {15} \ left (з ^ {- 1} \ right). \ \]

Відповідь: $ 3,9 \ cdot {10} ^ {14} Гц

Нічого не зрозуміло?