Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр – это полный спектр электромагнитного излучения , организованный по частоте или длине волны . Спектр разделен на отдельные полосы с разными названиями электромагнитных волн внутри каждой полосы. От низкой до высокой частоты это: радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый свет , ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . Электромагнитные волны в каждом из этих диапазонов имеют разные характеристики, например, то, как они производятся, как они взаимодействуют с веществом и их практическое применение.
Радиоволны на низкочастотном конце спектра имеют самую низкую энергию фотонов и самые длинные длины волн — тысячи километров и более. Они могут излучаться и приниматься антеннами , а также проходить через атмосферу, листву и большинство строительных материалов.
Гамма-лучи на высокочастотном конце спектра имеют самую высокую энергию фотонов и самые короткие длины волн — намного меньше, чем у атомного ядра . Гамма-лучи, рентгеновские лучи и крайние ультрафиолетовые лучи называются ионизирующим излучением , поскольку их высокая энергия фотонов способна ионизировать атомы, вызывая химические реакции. Более длинноволновое излучение, такое как видимый свет, является неионизирующим; фотоны не имеют достаточной энергии для ионизации атомов.
В большей части электромагнитного спектра спектроскопию можно использовать для разделения волн разных частот, так что интенсивность излучения можно измерить как функцию частоты или длины волны. Спектроскопия используется для изучения взаимодействия электромагнитных волн с веществом. [1]
История и открытия
[ редактировать ]Люди всегда знали о видимом свете и лучистом тепле , но на протяжении большей части истории не было известно, что эти явления связаны между собой или являются представителями более обширного принципа. Древние греки признавали, что свет распространяется по прямым линиям, и изучали некоторые его свойства, включая отражение и преломление . Свет интенсивно изучался с начала 17 века, что привело к изобретению таких важных инструментов, как телескоп и микроскоп . Исаак Ньютон был первым, кто использовал термин «спектр» для обозначения диапазона цветов, на которые можно разделить белый свет с помощью призмы . Начиная с 1666 года Ньютон показал, что эти цвета присущи свету и могут быть объединены в белый свет. Возникли дебаты о том, имеет ли свет волновую или корпускулярную природу: Рене Декарт , Роберт Гук и Христиан Гюйгенс отдали предпочтение волновому описанию, а Ньютон предпочел описание частиц. В частности, у Гюйгенса была хорошо разработанная теория, из которой он смог вывести законы отражения и преломления. Около 1801 года, Томас Янг измерил длину волны светового луча с помощью своего эксперимента с двумя щелями, тем самым убедительно продемонстрировав, что свет является волной.
В 1800 году Уильям Гершель открыл инфракрасное излучение. [2] Он изучал температуру различных цветов, проводя термометр через свет, разделенный призмой. Он заметил, что самая высокая температура была выше красной. Он предположил, что это изменение температуры произошло из-за «тепловых лучей», типа световых лучей, которые невозможно увидеть. В следующем году Иоганн Риттер , работавший на другом конце спектра, заметил то, что он назвал «химическими лучами» (невидимые световые лучи, вызывающие определенные химические реакции). Они вели себя аналогично видимым лучам фиолетового света, но превосходили их по спектру. [3] Позже их переименовали в ультрафиолетовое излучение.
Изучение электромагнетизма началось в 1820 году, когда Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электрические токи создают магнитные поля ( закон Эрстеда ). Впервые свет был связан с электромагнетизмом в 1845 году, когда Майкл Фарадей заметил, что поляризация света, проходящего через прозрачный материал, реагирует на магнитное поле (см. Эффект Фарадея ). В 1860-е годы Джеймс Клерк Максвелл разработал четыре уравнения в частных производных ( уравнения Максвелла ) для электромагнитного поля . Два из этих уравнений предсказывали возможность и поведение волн в поле. Анализируя скорость этих теоретических волн, Максвелл понял, что они должны двигаться со скоростью, близкой к известной скорости света . Это поразительное совпадение значений привело Максвелла к выводу, что свет сам по себе является разновидностью электромагнитной волны. Уравнения Максвелла предсказывали бесконечный диапазон частот электромагнитных волн , движущихся со скоростью света. Это было первое указание на существование всего электромагнитного спектра.
Предсказанные Максвеллом волны включали волны очень низких частот по сравнению с инфракрасными, которые теоретически могли быть созданы колеблющимися зарядами в обычной электрической цепи определенного типа. Пытаясь доказать уравнения Максвелла и обнаружить столь низкочастотное электромагнитное излучение, в 1886 году физик Генрих Герц построил аппарат для генерации и обнаружения того, что сейчас называют радиоволнами . Герц нашел волны и смог сделать вывод (измерив их длину волны и умножив ее на частоту), что они движутся со скоростью света. Герц также продемонстрировал, что новое излучение может как отражаться, так и преломляться различными диэлектрическими средами так же, как свет. Например, Герцу удалось сфокусировать волны с помощью линзы из древесной смолы . В более позднем эксперименте Герц аналогичным образом произвел и измерил свойства микроволн . Эти новые типы волн проложили путь к таким изобретениям, как беспроводной телеграф и радио .
В 1895 году Вильгельм Рентген заметил новый тип излучения, испускаемого во время эксперимента с вакуумной трубкой, подвергнутой воздействию высокого напряжения . Он назвал это излучение « рентгеновскими лучами » и обнаружил, что оно может проходить через части человеческого тела, но отражается или останавливается более плотной материей, например костями. Вскоре для этой рентгенографии было найдено множество применений .
Последняя часть электромагнитного спектра была заполнена открытием гамма-лучей . В 1900 году Поль Виллар изучал радиоактивное излучение радия , когда он определил новый тип излучения, который, как он сначала подумал, состоит из частиц, подобных известным альфа- и бета-частицам , но обладающих гораздо большей проникающей способностью, чем они оба. Однако в 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг продемонстрировал, что гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение, а не частицы, а в 1914 году Эрнест Резерфорд (который назвал их гамма-лучами в 1903 году, когда понял, что они фундаментально отличаются от заряженных альфа- и бета-частиц). ) и Эдвард Андраде измерили их длины волн и обнаружили, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.
Споры о волновых частицах возобновились в 1901 году, когда Макс Планк обнаружил, что свет поглощается только дискретными « квантами », которые теперь называются фотонами , подразумевая, что свет имеет корпускулярную природу. Эта идея была сформулирована Альбертом Эйнштейном в 1905 году, но так и не была принята Планком и многими другими современниками. Современное положение науки состоит в том, что электромагнитное излучение имеет как волновую, так и корпускулярную природу, корпускулярно-волновой дуализм . Противоречия, вытекающие из этой позиции, до сих пор обсуждаются учеными и философами.
Диапазон
[ редактировать ]волны обычно описываются любым из следующих трех физических свойств: частотой f , длиной волны λ или энергией фотона E. Электромагнитные Частоты, наблюдаемые в астрономии, варьируются от 2,4 × 10 23 Гц (гамма-лучи 1 ГэВ ) вплоть до локальной плазменной частоты ионизованной межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны, [1] поэтому гамма-лучи имеют очень короткие длины волн, составляющие доли размера атомов , тогда как длины волн на противоположном конце спектра могут быть бесконечно длинными. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны, поэтому фотоны гамма-излучения имеют самую высокую энергию (около миллиарда электронвольт ), тогда как фотоны радиоволн имеют очень низкую энергию (около фемтоэлектронвольта ). Эти отношения иллюстрируются следующими уравнениями:
где:
- c - скорость света в вакууме
- h — постоянная Планка .
Всякий раз, когда электромагнитные волны распространяются в среде с веществом , их длина уменьшается. Длины волн электромагнитного излучения, независимо от среды, через которую они распространяются, обычно выражаются в терминах длины волны в вакууме , хотя это не всегда указывается явно.
Обычно электромагнитное излучение подразделяется по длине волны на радиоволны , микроволновое , инфракрасное , видимый свет , ультрафиолетовое , рентгеновское и гамма-лучи . Поведение ЭМ излучения зависит от его длины волны. Когда ЭМ-излучение взаимодействует с отдельными атомами и молекулами , его поведение также зависит от количества энергии на квант (фотон), которое оно несет.
Спектроскопия может обнаружить гораздо более широкую область ЭМ-спектра, чем видимый диапазон длин волн от 400 до 700 нм в вакууме. Обычный лабораторный спектроскоп может обнаруживать длины волн от 2 до 2500 нм. [1] Подробную информацию о физических свойствах объектов, газов или даже звезд можно получить с помощью устройств этого типа. Спектроскопы широко используются в астрофизике . Например, многие водорода атомы излучают фотоны радиоволн с длиной волны 21,12 см. Кроме того, частоты 30 Гц и ниже могут создаваться и важны при изучении некоторых звездных туманностей. [4] и частоты до 2,9 × 10 27 Гц были обнаружены из астрофизических источников. [5]
Регионы
[ редактировать ]
Типы электромагнитного излучения в общих чертах подразделяются на следующие классы (области, полосы или типы): [1]
- Гамма-излучение
- Рентгеновское излучение
- Ультрафиолетовое излучение
- Видимый свет (свет, который могут видеть люди)
- Инфракрасное излучение
- Микроволновое излучение
- Радиоволны
Эта классификация идет в порядке возрастания длины волны, характерной для типа излучения. [1]
Между полосами электромагнитного спектра нет четко определенных границ; скорее они переходят друг в друга, как полосы радуги (которая является подспектром видимого света). Излучение каждой частоты и длины волны (или в каждом диапазоне) обладает смесью свойств двух ограничивающих его областей спектра. Например, красный свет напоминает инфракрасное излучение в том смысле, что он может возбуждать и добавлять энергию к некоторым химическим связям и действительно должен делать это для питания химических механизмов, ответственных за фотосинтез и работу зрительной системы .
Различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами частично основано на источниках: фотоны, генерируемые в результате ядерного распада или других ядерных и субъядерных/частичных процессов, всегда называются гамма-лучами, тогда как рентгеновские лучи генерируются электронными переходами с участием высокоэнергетических внутренних атомных электронов. . [6] [7] [8] В целом ядерные переходы гораздо более энергичны, чем электронные переходы, поэтому гамма-лучи более энергичны, чем рентгеновские лучи, но существуют исключения. Говорят , что по аналогии с электронными переходами переходы мюонных атомов также производят рентгеновские лучи, хотя их энергия может превышать 6 мегаэлектронвольт (0,96 пДж). [9] тогда как существует множество (77, как известно, энергии менее 10 кэВ (1,6 фДж)) низкоэнергетических ядерных переходов ( например с энергией 7,6 эВ (1,22 аДж) , ядерный переход тория-229m ), и, несмотря на то, что они в один миллион раз меньше Энергичнее, чем некоторые мюонные рентгеновские лучи, испускаемые фотоны до сих пор называются гамма-лучами из-за их ядерного происхождения. [10]
Однако соглашение о том, что ЭМ-излучение, которое, как известно, исходит из ядра, всегда называется «гамма-излучением», является единственным соглашением, которое соблюдается повсеместно. Известно, что многие астрономические источники гамма-излучения (такие как гамма-всплески ) слишком энергичны (как по интенсивности, так и по длине волны), чтобы иметь ядерное происхождение. Довольно часто в физике высоких энергий и в медицинской лучевой терапии ЭМИ очень высоких энергий (в диапазоне > 10 МэВ), которые имеют более высокую энергию, чем любое ядерное гамма-лучи, не называют рентгеновскими или гамма-лучами, а называют общий термин «фотоны высокой энергии».
Область спектра, куда попадает конкретное наблюдаемое электромагнитное излучение, зависит от системы отсчета (из-за доплеровского сдвига света), поэтому ЭМ-излучение, которое, по словам одного наблюдателя, находится в одной области спектра, может показаться наблюдателю, движущемуся со скоростью существенная часть скорости света по отношению к первой находится в другой части спектра. Например, рассмотрим космический микроволновый фон . Он образовался при разделении вещества и излучения путем девозбуждения атомов водорода в основное состояние . Эти фотоны были результатом переходов серии Лаймана , что помещало их в ультрафиолетовую (УФ) часть электромагнитного спектра. Теперь это излучение претерпело достаточное космологическое красное смещение , чтобы поместить его в микроволновую область спектра для наблюдателей, движущихся медленно (по сравнению со скоростью света) относительно космоса.
| Сорт | Волна- длина | Частота- беглость | Энергия на фотон | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ионизирующий радиация | с | Гамма-лучи | 22:00 | 30 ЭГц | 124 кэВ | |
| 22:00 | 3 | 12,4 кэВ | ||||
| ХХ | Жесткие рентгеновские лучи | |||||
| SX | Мягкие рентгеновские лучи | 10 нм | 30 ФГц | 124 эВ | ||
| EUV | Экстрим ультрафиолет | 121 нм | 3 ФГц | 10,2 эВ | ||
| НУВ | Ближний ультрафиолет | 400 нм | 750 ТГц | |||
| Видимый спектр | 700 нм | 480 ТГц | ||||
| Инфракрасный | НИР | Ближний инфракрасный диапазон | 1 мкм | 300 ТГц | 1,24 эВ | |
| 10 мкм | 30 ТГц | 124 м эВ | ||||
| МНЕ | Средний инфракрасный диапазон | |||||
| 100 мкм | 3 ТГц | 12,4 мэВ | ||||
| ДЛЯ | Дальний инфракрасный диапазон | |||||
| 1 мм | 300 ГГц | 1,24 мэВ | ||||
| Микро- волны | ЕГФ | Чрезвычайно высокий частота | ||||
| 1 см | 30 ГГц | 124 мкэВ | ||||
| СВЧ | Супер высокий частота | |||||
| 1 дм | 3 ГГц | 12,4 мкэВ | ||||
| УВЧ | Ультра высокий частота | |||||
| 1 м | 300 МГц | 1,24 мкэВ | ||||
| Радио волны | УКВ | Очень высокий частота | ||||
| 10 м | 30 МГц | 124 н эВ | ||||
| ВЧ | Высокий частота | |||||
| 100 м | 3 МГц | 12,4 нэВ | ||||
| МФ | Середина частота | |||||
| 1 км | 300 кГц | 1,24 нэВ | ||||
| НЧ | Низкий частота | |||||
| 10 км | 30 кГц | 124 п эВ | ||||
| ОНЧ | Очень низкий частота | |||||
| 100 км | 3 кГц | 12,4 пэВ | ||||
| УНЧ | Ультра низкий частота | |||||
| 1 мм | 300 Гц | 1,24 пэВ | ||||
| СЛФ | Супер низкий частота | |||||
| 10 мм | 30 Гц | 124 ф эВ | ||||
| ЭЛЬФ | Чрезвычайно низкий частота | |||||
| 100 мм | 3 Гц | 12,4 феВ | ||||
| Источники: Файл:Light Spectrum.svg. [11] [12] [13] В таблице указаны нижние пределы для указанного класса. | ||||||
Обоснование названий
[ редактировать ]Электромагнитное излучение взаимодействует с веществом по-разному во всем спектре. Эти типы взаимодействия настолько различны, что исторически разные части спектра назывались по-разному, как если бы это были разные типы излучения. Таким образом, хотя эти «разные виды» электромагнитного излучения образуют количественно непрерывный спектр частот и длин волн, спектр остается разделенным по практическим причинам, возникающим из этих качественных различий взаимодействия.
| Область спектра | Основные взаимодействия с материей |
|---|---|
| Радио | Коллективные колебания носителей заряда в объемном материале ( плазменные колебания ). Примером могут служить колебательные перемещения электронов в антенне . |
| Микроволновая печь в дальнем инфракрасном диапазоне | Плазменные колебания, вращение молекул |
| Ближний инфракрасный диапазон | Молекулярная вибрация, плазменная вибрация (только в металлах) |
| Видимый | Молекулярное электронное возбуждение (в том числе молекулы пигментов, обнаруженные в сетчатке человека), плазменные колебания (только в металлах) |
| Ультрафиолетовый | Возбуждение молекулярных и атомных валентных электронов, включая выброс электронов ( фотоэлектрический эффект ) |
| Рентгеновские лучи | Возбуждение и выброс остовных атомных электронов, Комптоновское рассеяние (для малых атомных номеров) |
| Гамма-лучи | Энергетический выброс остовных электронов тяжелых элементов, комптоновское рассеяние (для всех атомных номеров), возбуждение атомных ядер, включая диссоциацию ядер. |
| высокой энергии Гамма-лучи | Создание пар частица-античастица . При очень высоких энергиях одиночный фотон при взаимодействии с веществом может создать поток частиц и античастиц высоких энергий. |
Виды радиации
[ редактировать ]Радиоволны
[ редактировать ]Радиоволны излучаются и принимаются антеннами , которые состоят из проводников, таких как металлические стержневые резонаторы . При искусственной генерации радиоволн электронное устройство, называемое передатчиком, генерирует переменный электрический ток , который подается на антенну. Колеблющиеся электроны в антенне генерируют колеблющиеся электрические и магнитные поля , которые излучаются от антенны в виде радиоволн. При приеме радиоволн колеблющиеся электрические и магнитные поля радиоволны соединяются с электронами в антенне, толкая их вперед и назад, создавая колебательные токи, которые подаются на радиоприемник . Атмосфера Земли в основном прозрачна для радиоволн, за исключением слоев заряженных частиц в ионосфере , которые могут отражать определенные частоты.
Радиоволны чрезвычайно широко используются для передачи информации на расстояния в системах радиосвязи , таких как радиовещание , телевидение , двусторонняя радиосвязь , мобильные телефоны , спутники связи и беспроводные сети . В системе радиосвязи радиочастотный ток модулируется информационным сигналом в передатчике путем изменения амплитуды, частоты или фазы и подается на антенну. Радиоволны переносят информацию через пространство к приемнику, где она принимается антенной, а информация извлекается путем демодуляции в приемнике. Радиоволны также используются для навигации в таких системах, как система глобального позиционирования (GPS) и навигационные маяки , а также для определения местоположения удаленных объектов в радиолокации и радаре . Они также используются для дистанционного управления и для промышленного отопления.
Использование радиоспектра строго регулируется правительствами и координируется Международным союзом электросвязи (ITU), который распределяет частоты разным пользователям для разных целей.
Микроволновые печи
[ редактировать ]
Микроволны — это радиоволны короткой длины , примерно от 10 сантиметров до одного миллиметра, в диапазонах частот СВЧ и КВЧ . Микроволновая энергия вырабатывается с помощью клистронных и магнетронных трубок, а также с помощью твердотельных устройств, таких как диоды Ганна и IMPATT . Хотя они излучаются и поглощаются короткими антеннами, они также поглощаются полярными молекулами , взаимодействуя с колебательными и вращательными модами, что приводит к объемному нагреву. В отличие от волн более высокой частоты, таких как инфракрасный и видимый свет , которые поглощаются в основном поверхностями, микроволны могут проникать в материалы и отдавать свою энергию под поверхностью. Этот эффект используется для разогрева пищи в микроволновых печах , а также для промышленного обогрева и медицинской диатермии . Микроволны являются основными длинами волн, используемыми в радарах , а также используются для спутниковой связи и технологий беспроводных сетей , таких как Wi-Fi . Медные кабели ( линии передачи ), которые используются для передачи низкочастотных радиоволн к антеннам, имеют чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, а металлические трубы, называемые волноводы для их переноса используются . Хотя на нижнем конце диапазона атмосфера в основном прозрачна, на верхнем конце диапазона поглощение микроволн атмосферными газами ограничивает практическое расстояние распространения до нескольких километров.
Терагерцовое излучение или субмиллиметровое излучение представляет собой область спектра от примерно 100 ГГц до 30 терагерц (ТГц) между микроволнами и дальним инфракрасным диапазоном, которую можно рассматривать как принадлежащую к любому из диапазонов. До недавнего времени этот диапазон редко изучался, и существовало мало источников микроволновой энергии в так называемом терагерцовом диапазоне , но теперь появляются такие приложения, как визуализация и связь. Ученые также планируют применить терагерцовую технологию в вооруженных силах, где высокочастотные волны могут быть направлены на войска противника, чтобы вывести из строя их электронное оборудование. [14] Терагерцовое излучение сильно поглощается атмосферными газами, что делает этот диапазон частот бесполезным для связи на большие расстояния.
Инфракрасное излучение
[ редактировать ]Инфракрасная . часть электромагнитного спектра охватывает диапазон примерно от 300 ГГц до 400 ТГц (1 мм – 750 нм) Его можно разделить на три части: [1]
- Дальний инфракрасный диапазон : от 300 ГГц до 30 ТГц (1 мм – 10 мкм). Нижнюю часть этого диапазона можно также назвать микроволнами или терагерцовыми волнами. Это излучение обычно поглощается так называемыми вращательными модами в молекулах газовой фазы, молекулярными движениями в жидкостях и фононами в твердых телах. Вода в атмосфере Земли поглощает в этом диапазоне настолько сильно, что фактически делает атмосферу непрозрачной. Однако в непрозрачном диапазоне существуют определенные диапазоны длин волн («окна»), которые допускают частичную передачу и могут использоваться в астрономии. Диапазон длин волн от примерно 200 мкм до нескольких мм часто называют субмиллиметровой астрономией , оставляя дальний инфракрасный диапазон для длин волн ниже 200 мкм.
- Средний инфракрасный диапазон , от 30 ТГц до 120 ТГц (10–2,5 мкм). Горячие объекты ( излучатели черного тела ) могут сильно излучать в этом диапазоне, а кожа человека при нормальной температуре тела сильно излучает в нижнем конце этого диапазона. Это излучение поглощается молекулярными колебаниями, когда различные атомы в молекуле колеблются вокруг своих положений равновесия. Этот диапазон иногда называют областью отпечатка пальца , поскольку спектр поглощения соединения в средней инфракрасной области очень специфичен для этого соединения.
- Ближний инфракрасный диапазон : от 120 ТГц до 400 ТГц (2500–750 нм). Физические процессы, соответствующие этому диапазону, аналогичны процессам для видимого света. Самые высокие частоты в этой области могут быть обнаружены непосредственно некоторыми типами фотопленки, а также многими типами твердотельных датчиков изображения для инфракрасной фотографии и видеосъемки.
Видимый свет
[ редактировать ] | |||
|---|---|---|---|
| Цвет | Длина волны ( нм ) | Частота ( ТГц ) | Фотонная энергия ( эВ ) |
| 380–450 | 670–790 | 2.75–3.26 | |
| 450–485 | 620–670 | 2.56–2.75 | |
| 485–500 | 600–620 | 2.48–2.56 | |
| 500–565 | 530–600 | 2.19–2.48 | |
| 565–590 | 510–530 | 2.10–2.19 | |
| 590–625 | 480–510 | 1.98–2.10 | |
| 625–750 | 400–480 | 1.65–1.98 | |
по частоте выше инфракрасного Видимый свет . Солнце . излучает свою пиковую мощность в видимой области, хотя интегрирование всего спектра мощности излучения по всем длинам волн показывает, что Солнце излучает немного больше инфракрасного света, чем видимого света [15] По определению, видимый свет — это часть ЭМ-спектра, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Видимый свет (и ближний инфракрасный свет) обычно поглощается и излучается электронами в молекулах и атомах, которые переходят с одного энергетического уровня на другой. Это действие активирует химические механизмы, лежащие в основе человеческого зрения и фотосинтеза растений. Свет, который возбуждает зрительную систему человека , представляет собой очень небольшую часть электромагнитного спектра. Радуга показывает оптическую ( видимую ) часть электромагнитного спектра; инфракрасное излучение (если бы его можно было увидеть) располагалось бы сразу за красной стороной радуги, а ультрафиолетовое — сразу за противоположным фиолетовым концом.
Электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 760 нм (400–790 ТГц) обнаруживается человеческим глазом и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно ближнюю инфракрасную (длиннее 760 нм) и ультрафиолетовую (короче 380 нм), также иногда называют светом, особенно когда видимость для человека не важна. Белый свет представляет собой комбинацию светов разной длины волны видимого спектра. Прохождение белого света через призму разделяет его на несколько цветов света, наблюдаемых в видимом спектре от 400 до 780 нм.
Если излучение, имеющее частоту видимой области ЭМ спектра, отражается от предмета, скажем, вазы с фруктами, а затем попадает в глаза, это приводит к зрительному восприятию сцены. Зрительная система мозга обрабатывает множество отраженных частот в различные оттенки и оттенки, и благодаря этому недостаточно изученному психофизическому феномену большинство людей воспринимают вазу с фруктами.
Однако на большинстве длин волн информация, переносимая электромагнитным излучением, не воспринимается непосредственно органами чувств человека. Природные источники производят электромагнитное излучение во всем спектре, а технологии также позволяют манипулировать широким диапазоном длин волн. Оптическое волокно передает свет, который, хотя и не обязательно находится в видимой части спектра (обычно это инфракрасный диапазон), может нести информацию. Модуляция аналогична той, которая используется с радиоволнами.
Ультрафиолетовое излучение
[ редактировать ]
Следующим по частоте идет ультрафиолет (УФ). По частоте (и, следовательно, энергии) УФ-лучи находятся между фиолетовым концом видимого спектра и рентгеновским диапазоном. Спектр длин волн УФ-излучения колеблется от 399 до 10 нм и разделен на 3 части: UVA, UVB и UVC.
УФ — это самый низкий энергетический диапазон, достаточно энергичный, чтобы ионизировать атомы, отделяя от них электроны и, таким образом, вызывая химические реакции . Таким образом, УФ-лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи вместе называются ионизирующим излучением ; их воздействие может повредить живые ткани. УФ-излучение также может вызывать свечение веществ видимым светом; это называется флюоресценцией . УФ-флуоресценция используется судебно-медицинской экспертизой для обнаружения любых доказательств, таких как кровь и моча, оставленных на месте преступления. Также УФ-флуоресценция используется для обнаружения фальшивых денег и удостоверений личности, поскольку они пропитаны материалом, который может светиться под УФ-излучением.
В среднем диапазоне УФ-излучения УФ-лучи не могут ионизировать, но могут разрушать химические связи, делая молекулы необычайно реакционноспособными. Солнечные ожоги , например, вызваны разрушительным воздействием УФ-излучения среднего диапазона на кожи клетки , что является основной причиной рака кожи . УФ-лучи среднего диапазона могут непоправимо повредить сложные молекулы ДНК в клетках, производящие димеры тимина , что делает его очень мощным мутагеном . Из-за рака кожи, вызванного УФ-излучением, была изобретена индустрия солнцезащитных кремов для борьбы с повреждением УФ-излучением. Длины волн средней длины ультрафиолета называются UVB, а лучи UVB, такие как бактерицидные лампы, используются для уничтожения микробов, а также для стерилизации воды.
Солнце излучает УФ-излучение (около 10% своей общей мощности), в том числе ультрафиолетовое излучение с чрезвычайно короткой длиной волны, которое потенциально может уничтожить большую часть жизни на суше (океанская вода обеспечит некоторую защиту жизни там). Однако большая часть разрушительных длин волн ультрафиолетового излучения Солнца поглощается атмосферой еще до того, как они достигнут поверхности. Диапазоны УФ-излучения с более высокой энергией (самая короткая длина волны) (называемые «вакуумным УФ») поглощаются азотом, а на более длинных волнах — простым двухатомным кислородом в воздухе. Большая часть УФ-излучения среднего диапазона энергии блокируется озоновым слоем, который сильно поглощает в важном диапазоне 200–315 нм, нижняя энергетическая часть которого слишком длинна для обычного дикислорода поглощения в воздухе. В результате на уровне моря остается менее 3% солнечного света в УФ-диапазоне, причем весь остаток приходится на более низкие энергии. Остальное — это УФ-А, а также некоторое количество УФ-В. Самый низкий энергетический диапазон УФ-излучения между 315 нм и видимым светом (называемый УФ-А) плохо блокируется атмосферой, но не вызывает солнечных ожогов и наносит меньший биологический ущерб. Однако он не безвреден и создает кислородные радикалы, мутации и повреждения кожи.
Рентгеновские лучи
[ редактировать ]После УФ-излучения идут рентгеновские лучи , которые, как и верхний диапазон УФ-излучения, также являются ионизирующими. Однако из-за своей более высокой энергии рентгеновские лучи также могут взаимодействовать с веществом посредством эффекта Комптона . Жесткие рентгеновские лучи имеют более короткие длины волн, чем мягкие рентгеновские лучи, и, поскольку они могут проходить сквозь многие вещества с небольшим поглощением, их можно использовать для «видения насквозь» объектов с «толщиной», меньшей, чем эквивалентная нескольким метрам воды. Одним из примечательных применений является диагностическая рентгеновская визуализация в медицине (процесс, известный как рентгенография ). Рентгеновские лучи полезны в качестве зондов в физике высоких энергий. В астрономии аккреционные диски вокруг нейтронных звезд и черных дыр излучают рентгеновские лучи, что позволяет изучать эти явления. Рентгеновские лучи также испускаются звездной короной и сильно излучаются некоторыми типами туманностей . Однако для наблюдения астрономических рентгеновских лучей рентгеновские телескопы необходимо размещать вне земной атмосферы, поскольку большая глубина атмосферы Земли непрозрачна для рентгеновских лучей (с поверхностной плотностью 1000 г/см2). 2 ), что соответствует толщине воды 10 метров. [16] Этого количества достаточно, чтобы заблокировать почти все астрономическое рентгеновское излучение (а также астрономическое гамма-лучи — см. ниже).
Гамма-лучи
[ редактировать ]После жестких рентгеновских лучей идут гамма-лучи , которые были открыты Полем Ульрихом Виллардом в 1900 году. Это самые энергичные фотоны , не имеющие определенного нижнего предела длины волны. В астрономии они ценны для изучения высокоэнергетических объектов или регионов, однако, как и в случае с рентгеновскими лучами, это можно сделать только с помощью телескопов за пределами атмосферы Земли. Гамма-лучи используются физиками экспериментально из-за их проникающей способности и производятся рядом радиоизотопов . Их используют для облучения пищевых продуктов и семян для стерилизации, а в медицине их иногда применяют при лучевой терапии рака . [17] Чаще всего гамма-лучи используются для диагностической визуализации в ядерной медицине , например, ПЭТ-сканирование . Длину волны гамма-лучей можно измерить с высокой точностью благодаря эффектам комптоновского рассеяния .
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Мехта, Акул (25 августа 2011 г.). «Введение в электромагнитный спектр и спектроскопию» . Pharmaxchange.info . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ «Гершель открывает инфракрасный свет» . Классные занятия в классе «Космос» . Архивировано из оригинала 25 февраля 2012 г. Проверено 4 марта 2013 г.
Он направил солнечный свет через стеклянную призму, чтобы создать спектр [...], а затем измерил температуру каждого цвета. [...] Он обнаружил, что температура цветов увеличилась от фиолетовой до красной части спектра. [...] Гершель решил измерить температуру сразу за красной частью спектра в области, где не было видно солнечного света. К своему удивлению, он обнаружил, что в этом регионе самая высокая температура из всех.
- ^ Дэвидсон, Майкл В. «Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810)» . Университет штата Флорида . Проверено 5 марта 2013 г.
Риттер [...] выдвинул гипотезу о том, что за пределами фиолетового конца спектра также должно существовать невидимое излучение, и начал эксперименты, чтобы подтвердить свое предположение. Он начал работать с хлоридом серебра, веществом, разлагающимся под действием света, измеряя скорость, с которой свет разных цветов его разрушает. [...] Риттер [...] продемонстрировал, что самая быстрая скорость разложения происходит при излучении, которое невозможно увидеть, но которое существует в области за пределами фиолетового. Первоначально Риттер называл новый тип излучения химическими лучами, но со временем предпочтительным термином стало название «ультрафиолетовое излучение».
- ^ Кондон, Джей-Джей; Рэнсом, С.М. «Основы радиоастрономии: свойства пульсаров» . Национальная радиоастрономическая обсерватория . Архивировано из оригинала 4 мая 2011 г. Проверено 5 января 2008 г.
- ^ Абдо, А.А.; Аллен, Б.; Берли, Д.; Блауфусс, Э.; Казанова, С.; Чен, К.; Койн, Д.Г.; Задержка, RS; Дингус, Британская Колумбия ; Эллсуорт, RW; Флейшер, Л.; Флейшер, Р.; Гебауэр, И.; Гонсалес, ММ; Гудман, Дж.А.; Хейс, Э.; Хоффман, CM; Колтерман, Б.Е.; Келли, Луизиана; Лансделл, CP; Линнеманн, Дж. Т.; МакЭнери, Дж. Э.; Минсер, А.И.; Москаленко И.В.; Немети, П.; Нойес, Д.; Райан, Дж. М.; Самуэльсон, ФРВ; Саз Паркинсон, премьер-министр; и др. (2007). «Открытие ТэВ гамма-излучения из области Лебедя в галактике». Астрофизический журнал . 658 (1): L33–L36. arXiv : astro-ph/0611691 . Бибкод : 2007ApJ...658L..33A . дои : 10.1086/513696 . S2CID 17886934 .
- ^ Фейнман, Ричард; Лейтон, Роберт; Сэндс, Мэтью (1963). Фейнмановские лекции по физике, Том 1 . США: Аддисон-Уэсли. стр. 2–5 . ISBN 978-0-201-02116-5 .
- ^ Л'Аннунциата, Майкл; Барадей, Мохаммед (2003). Справочник по анализу радиоактивности . Академическая пресса. п. 58. ИСБН 978-0-12-436603-9 .
- ^ Групен, Клаус; Коуэн, Г.; Эйдельман, SD; Стро, Т. (2005). Астрофизика частиц . Спрингер. п. 109 . ISBN 978-3-540-25312-9 .
- ^ Поправки к мюонному рентгеновскому излучению и возможному протонному гало slac-pub-0335 (1967)
- ^ «Гамма-лучи» . HyperPhysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 16 октября 2010 г.
- ^ Что такое Свет? Архивировано 5 декабря 2013 г. в Wayback Machine - Калифорнийского университета в Дэвисе. слайды лекций
- ^ Элерт, Гленн. «Электромагнитный спектр» . Гиперучебник по физике . Проверено 21 января 2022 г.
- ^ Стимак, Томислав. «Определение диапазонов частот (ОНЧ, СНЧ... и т.д.)» . vlf.it. Проверено 21 января 2022 г.
- ^ «Передовые системы вооружения, использующие смертоносное короткоимпульсное терагерцовое излучение высокоинтенсивной лазерной плазмы» . Индия Дейли . 6 марта 2005 г. Архивировано из оригинала 6 января 2010 г. Проверено 27 сентября 2010 г.
- ^ «Эталонная солнечная спектральная освещенность: воздушная масса 1,5» . Проверено 12 ноября 2009 г.
- ↑ Кунц, Стив (26 июня 2012 г.) Разработка планов космических кораблей и операций миссий с учетом дозы радиации летного экипажа . Семинар НАСА/MIT. См. страницы I-7 (атмосфера) и I-23 (вода).
- ^ Использование электромагнитных волн | выпускной экзамен, физика, волны, использование электромагнитных волн | Ревизия мира
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Таблица распределения радиочастотного спектра Австралии (от Австралийского управления по коммуникациям и средствам массовой информации)
- Канадская таблица распределения частот. Архивировано 9 декабря 2008 г. в Wayback Machine (от Industry Canada ).
- Таблица распределения частот в США – диапазон от 3 кГц до 300 ГГц (от Министерства торговли )
- Таблица распределения частот Великобритании (от Ofcom , унаследовавшего обязанности Агентства радиосвязи , формат pdf)
- Презентация/инструмент Flash EM Spectrum – очень полный и настраиваемый.
- Плакат "Спектр электромагнитного излучения" (992 кБ)
Цветовые темы |
|---|
