Tabel spektrum radiasi elektromagnetik. Spektrum radiasi elektromagnetik

Teori menunjukkan bahwa radiasi elektromagnetik terbentuk ketika muatan listrik bergerak tidak merata dan dipercepat. Aliran yang bergerak beraturan (bebas). muatan listrik tidak memancarkan. Tidak ada radiasi medan elektromagnetik dan untuk muatan yang bergerak di bawah pengaruh kekuatan konstan, misalnya, untuk muatan yang menggambarkan lingkaran dalam medan magnet.

DI DALAM gerakan osilasi percepatannya terus berubah, sehingga getaran muatan listrik menghasilkan radiasi elektromagnetik. Selain itu, radiasi elektromagnetik akan terjadi ketika terjadi perlambatan muatan yang tajam dan tidak merata, misalnya ketika berkas elektron menabrak suatu penghalang (pembentukan sinar-X). Dalam pergerakan termal partikel yang kacau, radiasi elektromagnetik juga dihasilkan ( radiasi termal). Riak

muatan nuklir mengarah pada penciptaan radiasi elektromagnetik, dikenal sebagai sinar-y. Sinar ultraviolet dan cahaya tampak dihasilkan oleh gerakan elektron atom. Osilasi muatan listrik masuk skala kosmik menyebabkan emisi radio dari benda langit.

Seiring dengan proses alam yang mengakibatkan terciptanya radiasi elektromagnetik yang paling banyak berbagai properti, ada bermacam-macam kemungkinan eksperimental pada penciptaan radiasi elektromagnetik.

Ciri utama radiasi elektromagnetik adalah frekuensinya (jika yang sedang kita bicarakan HAI getaran harmonis) atau pita frekuensi. Tentu saja salah jika menghitung ulang frekuensi radiasi dengan panjang gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa menggunakan suatu hubungan.

Intensitas radiasi sebanding dengan pangkat empat frekuensi. Oleh karena itu, radiasi frekuensi sangat rendah dengan panjang gelombang ratusan kilometer tidak dapat dilacak. Jangkauan radio praktis dimulai, seperti diketahui, dengan panjang gelombang dengan urutan besarnya, yang sesuai dengan frekuensi urutan panjang gelombang dengan urutan besarnya disebut sebagai jangkauan menengah, puluhan meter - ini sudah gelombang pendek. Gelombang ultrapendek(VHF) membawa kita keluar dari jangkauan radio normal; panjang gelombang dengan urutan beberapa meter dan pecahan satu meter hingga satu sentimeter (yaitu, frekuensi urutan besarnya digunakan di televisi dan radar.

Gelombang elektromagnetik yang lebih pendek diperoleh pada tahun 1924 oleh Glagoleva-Arkadyeva. Dia menggunakannya sebagai generator percikan listrik, menyelinap di antara benda-benda yang tersuspensi dalam minyak serbuk besi, dan menerima gelombang dengan panjang hingga Di sini, tumpang tindih dengan panjang gelombang radiasi termal sudah tercapai.

Porsi cahaya tampak sangat kecil: hanya menempati panjang gelombang dari cm hingga cm. Berikutnya adalah sinar ultraviolet, tidak terlihat oleh mata, tetapi terekam dengan sangat baik oleh instrumen fisik. Ini adalah panjang gelombang dari cm ke cm.

Sinar ultraviolet diikuti oleh sinar-X. Panjang gelombangnya berkisar dari cm hingga cm. Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin lemah sinar-X yang diserap oleh suatu zat. Panjang gelombang terpendek dan radiasi elektromagnetik yang paling tembus disebut sinar-y (panjang gelombang dari cm ke bawah).

Karakteristik semua jenis radiasi elektromagnetik yang terdaftar akan komprehensif jika pengukuran berikut dilakukan. Pertama-tama, dengan satu atau lain metode, radiasi elektromagnetik harus diuraikan menjadi suatu spektrum. Dalam hal cahaya, sinar ultraviolet dan radiasi infra merah, hal ini dapat dilakukan dengan pembiasan melalui prisma atau dengan melewatkan radiasi kisi difraksi(lihat di bawah). Dalam kasus sinar-x dan sinar gamma, resolusi menjadi suatu spektrum diperoleh melalui pantulan dari kristal (lihat halaman 351). Ombak

jangkauan radio didekomposisi menjadi spektrum menggunakan fenomena resonansi.

Spektrum radiasi yang dihasilkan dapat kontinu atau berjajar, yaitu dapat terus menerus mengisi pita frekuensi tertentu, atau dapat juga terdiri dari garis-garis tajam individual yang sesuai dengan interval frekuensi yang sangat sempit. Dalam kasus pertama, untuk mengkarakterisasi spektrum, perlu untuk menentukan kurva intensitas sebagai fungsi frekuensi (panjang gelombang); dalam kasus kedua, spektrum akan dijelaskan dengan menentukan semua garis yang ada di dalamnya, menunjukkan frekuensinya dan intensitas.

Pengalaman menunjukkan bahwa radiasi elektromagnetik dengan frekuensi dan intensitas tertentu dapat berbeda dalam keadaan polarisasinya. Seiring dengan ombak itu vektor listrik berosilasi bersama garis tertentu(gelombang terpolarisasi linier), kita harus berurusan dengan radiasi di mana gelombang terpolarisasi linier, yang diputar relatif satu sama lain terhadap sumbu berkas, ditumpangkan satu sama lain. Untuk mengkarakterisasi radiasi secara komprehensif, perlu untuk menunjukkan polarisasinya.

Harap dicatat bahwa bahkan untuk yang paling lambat sekalipun getaran elektromagnetik kita kehilangan kesempatan untuk mengukur listrik dan vektor magnetik ombak. Gambaran lapangan yang digambarkan di atas bersifat teoritis. Namun demikian, kebenarannya tidak diragukan lagi, mengingat kesinambungan dan integritas seluruh teori elektromagnetik.

Pernyataan bahwa jenis radiasi tertentu termasuk dalam gelombang elektromagnetik selalu tidak langsung. Akan tetapi, jumlah konsekuensi yang timbul dari hipotesis-hipotesis tersebut sangat besar dan mereka berada dalam kesesuaian yang kohesif satu sama lain sehingga hipotesis tentang spektrum elektromagnetik telah lama memperoleh semua fitur realitas langsung.

Disajikan dalam artikel tersendiri;

Transparansi suatu zat tidak bergantung pada sinar gamma, tidak seperti cahaya tampak bentuk kimia Dan keadaan agregasi zat, tetapi terutama dari muatan inti yang menyusun zat tersebut, dan dari energi sinar gamma. Oleh karena itu, kapasitas penyerapan suatu lapisan materi terhadap sinar gamma, pada perkiraan pertama, dapat dicirikan oleh kepadatan permukaan(dalam g/cm²). Lama sekali Namun, diyakini bahwa pembuatan cermin dan lensa untuk sinar-γ tidak mungkin dilakukan penelitian terbaru di area ini, pembiasan sinar γ dimungkinkan. Penemuan ini mungkin berarti penciptaan cabang optik baru - γ-optik.

Tidak ada batas bawah yang tajam untuk radiasi gamma, tetapi biasanya diyakini bahwa kuanta gamma dipancarkan oleh inti, dan kuanta sinar-X dipancarkan oleh kulit elektron atom (ini hanya perbedaan terminologis yang tidak mempengaruhi sifat fisik radiasi).

radiasi sinar-X

• dari 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) hingga 0,01 nm = 0,1 Å (124.000 eV) - keras radiasi sinar-x . Sumber: beberapa reaksi nuklir, tabung sinar katoda.
• 10 nm (124 eV) hingga 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) - rontgen lembut. Sumber: tabung sinar katoda, radiasi plasma termal.

Kuanta sinar-X dipancarkan terutama selama transisi elektron kulit elektron atom berat ke orbit dataran rendah. Kekosongan di orbit dataran rendah biasanya disebabkan oleh tumbukan elektron. Sinar-X yang dihasilkan dengan cara ini mempunyai spektrum garis dengan karakteristik frekuensi atom tertentu (lihat radiasi karakteristik); Hal ini memungkinkan, khususnya, untuk mempelajari komposisi zat (analisis fluoresensi sinar-X). Sinar-X termal, bremsstrahlung, dan sinkrotron memiliki spektrum kontinu.

Dalam sinar-X, difraksi oleh kisi kristal diamati, karena panjangnya gelombang elektromagnetik pada frekuensi ini mendekati periode kisi kristal. Metode analisis difraksi sinar-X didasarkan pada hal ini.

Radiasi ultraviolet

Rentang: 400 nm (3,10 eV) hingga 10 nm (124 eV)

Radiasi optik

Radiasi dalam jangkauan optik (cahaya tampak dan radiasi infra merah dekat [ ]) melewati atmosfer dengan bebas dan dapat dengan mudah dipantulkan dan dibiaskan dalam sistem optik. Sumber: radiasi termal (termasuk Matahari), fluoresensi, reaksi kimia, LED.

Warna radiasi tampak sesuai dengan radiasi monokromatik disebut spektral. Spektrum dan warna spektral dapat dilihat ketika melewati jalan sempit sinar cahaya melalui prisma atau media bias lainnya. Secara tradisional, spektrum tampak dibagi lagi menjadi rentang warna:

Radiasi inframerah-dekat menempati kisaran dari 207 THz (0,857 eV) hingga 405 THz (1,68 eV). Batas atas ditentukan oleh kemampuan mata manusia dalam memandang warna merah, yang bervariasi tergantung pada orang yang berbeda. Sebagai aturan, transparansi dalam waktu dekat radiasi infra merah sesuai dengan transparansi dalam cahaya tampak.

Radiasi inframerah

Radiasi inframerah terletak di antara cahaya tampak dan radiasi terahertz. Rentang: 2000 µm (150 GHz) hingga 740 nm (405 THz).

Himpunan semua frekuensi (panjang gelombang) radiasi elektromagnetik disebut spektrum elektromagnetik. Interval panjang gelombang dari 10 -10 hingga 10 -1 m dibagi menjadi beberapa wilayah (Gbr. 2): wilayah ultraviolet (UV) mencakup rentang ~10 - 380 nm; inframerah (IR) wilayah 750-10 5 nm; Cahaya tampak, yang digunakan dalam metode analisis paling umum, menempati wilayah sempit 380 -750 nm.

Aliran foton dengan frekuensi yang sama disebut monokromatik, dengan frekuensi berbeda - polikromatik. Fluks radiasi yang biasa diamati dari benda pijar, khususnya sinar matahari, bersifat polikromatik.

Beras. 2. Wilayah spektrum elektromagnetik

2. Struktur materi dan asal usul spektrum

Dari berbagai permasalahan yang berkaitan dengan struktur materi (struktur benda kristal dan non kristal, teori ikatan kimia, struktur atom, molekul dan inti), kami hanya akan fokus pada hal-hal yang berhubungan langsung dengan metode analisis spektroskopi - ini adalah struktur atom dan molekul.

2.1. Struktur atom dan asal usul spektrum atom

Atom adalah partikel materi terpisah berukuran ~10 -8 cm, terdiri dari inti bermuatan positif dengan jari-jari ~10 -12 cm dan elektron bermuatan negatif yang bergerak mengelilinginya. Kecepatan elektron sangat tinggi sehingga sifat gelombangnya mendominasi atom. Panjang gelombang elektron yang bergerak ~10 -8 cm sebanding dengan dimensi atom, oleh karena itu elektron tidak dapat direpresentasikan sebagai benda diskrit, seperti yang dilakukan pada fisika klasik, misalnya, selama pergerakan elektron dalam tabung pelepasan gas. Elektron seolah-olah tersebar di seluruh atom dalam bentuk gelombang, dan kita hanya dapat berbicara tentang kemungkinan kehadirannya di suatu titik di dalam atom atau distribusi kerapatan muatan negatif di sekitar inti, yang dapat menjadi cukup kompleks.

Daerah yang mempunyai kerapatan muatan maksimum disebut orbital elektron atau tingkat energi, karena setiap orbital mempunyai energi tertentu. Keadaan energi seluruh atom ditentukan terutama oleh energi orbital elektron.

Setiap elektron dan atom, dan karenanya tingkat energinya, dijelaskan oleh serangkaian empat bilangan kuantum: utama, sekunder, magnetik, dan spin.

Bilangan kuantum utama n mencirikan jarak elektron dari inti dan mengambil nilai 1, 2, 3, .... Semakin besar n, semakin jauh jarak orbital elektron dari inti.

Bilangan kuantum sampingaku menentukan bentuk orbital dan mengambil nilai 0, 1, 2, 3, ..., yang ditandai dengan huruf S, P,D, F, .... Elektron yang bergerak mempunyai momentum sudut. Pada aku= 0 momentum sudut sama dengan nol dan muatan listrik tersebar di seluruh bola, dengan aku= 1 orbital berbentuk seperti halter.

Bilangan kuantum magnetik t mencirikan lokasi orbital di ruang angkasa dan mengambil nilai dari – aku ke aku. Pada aku = 0 bilangan kuantum magnetik adalah nol, di aku= 1 mengambil nilai -1, 0, +1, dan orbital berbentuk halter terletak di sepanjang sumbu sistem koordinat persegi panjang.

Putar bilangan kuantum m s sama dengan -1/2 dan +1/2 mencerminkan momentum sudut elektron itu sendiri.

Menurut prinsip Pauli, sebuah atom tidak boleh memiliki dua elektron dengan himpunan bilangan kuantum yang sama (setidaknya satu bilangan harus berbeda). Jika tidak, gaya tolak menolak akan “mendorong” salah satu dari mereka ke orbital lain. Oleh karena itu, atom multielektron memiliki struktur kompleks: elektron dengan inti yang sama bilangan kuantum membentuk lapisan-kulit elektron (level), dilambangkan dengan huruf K, L, M, ... untuk /1 = 1, 2, 3, ..., dan elektron dengan bilangan kuantum sisi yang sama membentuk subkulit (sublevel ) dalam satu cangkang. elektron dengan arti yang berbeda aku Dan T, tapi dengan hal yang sama N mungkin memiliki energi yang sama (merosot), namun, ketika terkena medan eksternal apa pun (listrik, magnet, dll.), degenerasi tersebut hilang.

Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik, mulai dari gelombang radio hingga sinar gamma. Sinar elektromagnetik semua jenis merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dan berbeda satu sama lain hanya dalam panjang gelombang

spektroskopi 1859

1864 Persamaan Maxwell

1864 SPEKTRUM

RADIASI ELEKTROMAGNETIK

radiasi tahun 1900

Tubuh hitam

Setelah munculnya persamaan Maxwell, menjadi jelas bahwa persamaan tersebut memprediksi keberadaan sesuatu yang tidak diketahui sains fenomena alam- gelombang elektromagnetik transversal, yaitu osilasi medan listrik dan magnet yang saling berhubungan yang merambat di ruang angkasa dengan kecepatan cahaya. James Clark Maxwell sendiri adalah orang pertama yang menunjukkan kepada komunitas ilmiah konsekuensi dari sistem persamaan yang diturunkannya. Dalam pembiasan ini, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa ternyata merupakan konstanta universal yang penting dan mendasar sehingga disebut surat terpisah c berbeda dengan semua kecepatan lainnya, yang biasanya dilambangkan dengan huruf v.

Setelah menemukan hal ini, Maxwell segera menyimpulkan bahwa cahaya tampak “hanya” sejenis gelombang elektromagnetik. Pada saat itu, panjang gelombang gelombang cahaya di bagian spektrum tampak telah diketahui - dari 400 nm (sinar ungu) hingga 800 nm (sinar merah). (Nanometer adalah satuan panjang yang sama dengan sepersejuta meter, yang terutama digunakan dalam fisika atom dan fisika sinar; 1 nm = 10 -9 m.) Semua warna pelangi berhubungan dengan panjang gelombang berbeda yang berada dalam batas yang sangat sempit ini. Namun, persamaan Maxwell tidak mengandung batasan apa pun pada kemungkinan rentang panjang gelombang elektromagnetik. Ketika menjadi jelas bahwa gelombang elektromagnetik dengan panjang yang sangat berbeda pasti ada, sebuah perbandingan segera diajukan mengenai fakta bahwa mata manusia membedakan pita sempit dengan panjang dan frekuensinya: seseorang diibaratkan sebagai pendengar konser simfoni. , yang pendengarannya hanya mampu menangkap bagian biola saja, tidak dapat membedakan semua suara lainnya.

Segera setelah prediksi Maxwell tentang keberadaan gelombang elektromagnetik dalam rentang spektral lain, serangkaian penemuan menyusul yang mengkonfirmasi kebenarannya. Gelombang radio pertama kali ditemukan pada tahun 1888 oleh fisikawan Jerman Heinrich Hertz (1857-1894). Satu-satunya perbedaan antara gelombang radio dan cahaya adalah panjang gelombang radio dapat berkisar dari beberapa desimeter hingga ribuan kilometer. Menurut teori Maxwell, penyebab terjadinya gelombang elektromagnetik adalah percepatan pergerakan muatan listrik. Getaran elektron di bawah pengaruh bolak-balik tegangan listrik di antena pemancar radio menciptakan gelombang elektromagnetik yang merambat masuk atmosfer bumi. Semua jenis gelombang elektromagnetik lainnya juga dihasilkan dari berbagai jenis percepatan pergerakan muatan listrik.

Seperti gelombang cahaya, gelombang radio dapat merambat jarak jauh di atmosfer bumi, dan ini menjadikannya pembawa informasi tersandi yang paling berguna. Sudah di awal tahun 1894, hanya lima detik kemudian berumur kecil setelah penemuan gelombang radio, insinyur-fisikawan Italia Guglielmo Marconi (1874-1937) merancang

10" 10" 10* 10" 1

10 10* 10*

1SG 5 10* 10"" 10^ 10*

- 10"" sinar-X

sinar - 10 -i*

- 10""

- 10"

- 1(G"

- 1<Г"

Sinar gamma

Gelombang elektromagnetik membentuk spektrum panjang gelombang dan energi (frekuensi) yang berkesinambungan, dibagi menjadi rentang konvensional - dari gelombang radio hingga sinar gamma

telegraf nirkabel pertama yang berfungsi - prototipe radio modern - dan ia dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1909.

Setelah keberadaan gelombang elektromagnetik di luar spektrum tampak, yang diprediksi oleh persamaan Maxwell, pertama kali dikonfirmasi secara eksperimental, sisa spektrum terisi dengan sangat cepat. Saat ini, gelombang elektromagnetik dari semua rentang tanpa kecuali telah ditemukan, dan hampir semuanya dapat diterapkan secara luas dan berguna dalam sains dan teknologi. Frekuensi gelombang dan energi kuanta radiasi elektromagnetik yang sesuai (lihat konstanta Plank) meningkat seiring dengan menurunnya panjang gelombang. Totalitas semua gelombang elektromagnetik membentuk apa yang disebut spektrum radiasi elektromagnetik kontinu. Ini dibagi menjadi rentang berikut (dalam urutan peningkatan frekuensi dan penurunan panjang gelombang):

Gelombang radio

Seperti yang telah disebutkan, panjang gelombang radio dapat sangat bervariasi - dari beberapa sentimeter hingga ratusan bahkan ribuan kilometer, yang sebanding dengan radius bumi (sekitar 6400 km). Gelombang dari semua pita radio banyak digunakan dalam teknologi - gelombang desimeter dan meter ultrapendek digunakan untuk siaran televisi dan radio dalam rentang gelombang ultrapendek dengan modulasi frekuensi (VHF/UB), memberikan penerimaan sinyal berkualitas tinggi dalam zona perambatan gelombang langsung. Gelombang radio dalam jangkauan meter dan kilometer digunakan untuk penyiaran radio dan komunikasi radio jarak jauh menggunakan modulasi amplitudo (AM), yang, meskipun mengorbankan kualitas sinyal, memastikan transmisinya dalam jarak yang sangat jauh di dalam Bumi karena pantulan gelombang dari ionosfer planet. Namun, saat ini komunikasi jenis ini sudah ketinggalan zaman berkat perkembangan komunikasi satelit. Gelombang dalam rentang desimeter tidak dapat membelok di sekitar cakrawala bumi seperti gelombang meter, yang membatasi area penerimaan pada wilayah propagasi langsung, yang bergantung pada ketinggian antena dan kekuatan pemancar, berkisar dari beberapa hingga beberapa puluh kilometer. . Dan di sini repeater satelit datang untuk menyelamatkan, mengambil peran sebagai reflektor gelombang radio yang dimainkan ionosfer dalam kaitannya dengan gelombang meter.

gelombang mikro

Gelombang mikro dan gelombang radio gelombang mikro memiliki panjang 300 mm hingga 1 mm. Gelombang sentimeter, seperti gelombang radio desimeter dan meter, praktis tidak diserap oleh atmosfer dan oleh karena itu banyak digunakan di satelit.

kovaya dan komunikasi seluler dan sistem telekomunikasi lainnya. Ukuran parabola pada umumnya sama dengan beberapa panjang gelombang gelombang tersebut.

Gelombang mikro yang lebih pendek juga mempunyai banyak aplikasi industri dan rumah tangga. Cukuplah untuk menyebutkan oven microwave, yang sekarang tersedia di toko roti industri dan dapur rumah. Pengoperasian oven microwave didasarkan pada perputaran elektron yang cepat dalam alat yang disebut klystron. Akibatnya, elektron memancarkan gelombang gelombang mikro elektromagnetik dengan frekuensi tertentu, yang mudah diserap oleh molekul air. Saat Anda memasukkan makanan ke dalam oven microwave, molekul air di dalam makanan menyerap energi dari gelombang mikro, bergerak lebih cepat, dan dengan demikian memanaskan makanan. Dengan kata lain, tidak seperti oven atau oven konvensional yang makanannya dipanaskan dari luar, oven microwave memanaskannya dari dalam.

Sinar inframerah

Bagian dari spektrum elektromagnetik ini mencakup radiasi dengan panjang gelombang dari 1 milimeter hingga delapan ribu diameter atom (sekitar 800 nm). Seseorang merasakan sinar dari bagian spektrum ini langsung melalui kulit - sebagai panas. Jika Anda mengulurkan tangan ke arah api atau benda panas dan merasakan panas yang memancar darinya, Anda menganggap radiasi infra merah sebagai panas. Beberapa hewan (misalnya ular berbisa liang) bahkan memiliki organ sensorik yang memungkinkan mereka menentukan lokasi mangsa berdarah panas melalui radiasi infra merah tubuhnya.

Karena sebagian besar objek di permukaan bumi memancarkan energi dalam rentang panjang gelombang inframerah, detektor inframerah memainkan peran penting dalam teknologi pendeteksian modern. Lensa mata inframerah pada perangkat penglihatan malam memungkinkan orang untuk "melihat dalam kegelapan", dan dengan bantuannya dimungkinkan untuk mendeteksi tidak hanya orang, tetapi juga peralatan dan struktur yang memanas di siang hari dan mengeluarkan panasnya di malam hari ke cahaya. lingkungan dalam bentuk sinar infra merah. Detektor sinar inframerah banyak digunakan oleh layanan penyelamatan, misalnya, untuk mendeteksi orang yang hidup di bawah reruntuhan setelah gempa bumi atau bencana alam dan bencana akibat ulah manusia lainnya.

Cahaya tampak

Seperti telah disebutkan, panjang gelombang elektromagnetik dalam rentang cahaya tampak berkisar antara delapan hingga empat ribu diameter atom (800-400 nm). Mata manusia adalah alat yang ideal untuk merekam dan menganalisis gelombang elektromagnetik dalam rentang ini. Hal ini disebabkan oleh dua alasan. Pertama, sebagaimana telah disebutkan, gelombang dari bagian spektrum yang terlihat merambat hampir tanpa hambatan di atmosfer yang transparan. Kedua, suhu permukaan matahari (sekitar 5000°C) sedemikian rupa sehingga energi puncak sinar matahari jatuh tepat pada bagian spektrum tampak. Oleh karena itu, sumber energi utama kita memancarkan sejumlah besar energi dalam rentang cahaya tampak, dan lingkungan di sekitar kita sebagian besar transparan terhadap radiasi ini. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika mata manusia, dalam proses evolusi, dibentuk sedemikian rupa untuk menangkap dan mengenali dengan tepat bagian spektrum gelombang elektromagnetik ini.

Saya ingin tekankan sekali lagi bahwa tidak ada yang istimewa dari sudut pandang fisik dalam jangkauan sinar elektromagnetik tampak. Ini hanyalah sebuah strip sempit dalam spektrum gelombang yang dipancarkan luas (lihat gambar). Bagi kami, hal ini hanya penting jika otak manusia dilengkapi dengan alat untuk mengidentifikasi dan menganalisis gelombang elektromagnetik di bagian spektrum tertentu.

Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet termasuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang beberapa ribu hingga beberapa diameter atom (400-10 nm). Di bagian spektrum ini, radiasi mulai mempengaruhi fungsi organisme hidup. Sinar ultraviolet ringan pada spektrum matahari (dengan panjang gelombang mendekati bagian spektrum tampak), misalnya, menyebabkan kulit terbakar dalam dosis sedang, dan luka bakar parah pada dosis berlebihan. Radiasi ultraviolet keras (gelombang pendek) merusak sel biologis dan oleh karena itu digunakan, khususnya, dalam pengobatan untuk mensterilkan instrumen bedah dan peralatan medis, membunuh semua mikroorganisme di permukaannya.

Semua kehidupan di Bumi dilindungi dari efek berbahaya radiasi ultraviolet keras oleh lapisan ozon di atmosfer bumi, yang menyerap sebagian besar sinar ultraviolet keras dalam spektrum radiasi matahari (lihat lubang ozon). Jika bukan karena perisai alami ini, kehidupan di Bumi tidak akan muncul dari perairan Samudra Dunia. Namun, meskipun terdapat lapisan ozon yang melindungi, beberapa sinar ultraviolet yang keras mencapai permukaan bumi dan dapat menyebabkan kanker kulit, terutama pada orang yang secara alami cenderung pucat dan tidak dapat berjemur dengan baik di bawah sinar matahari.

sinar-X

Radiasi dalam rentang panjang gelombang dari beberapa diameter atom hingga beberapa ratus diameter inti atom disebut sinar-X. Sinar-X menembus jaringan lunak tubuh dan oleh karena itu sangat diperlukan dalam diagnosis medis.

kutu. Seperti halnya gelombang radio, jarak waktu antara penemuannya pada tahun 1895 dan awal penerapan praktisnya, yang ditandai dengan diterimanya sinar-X pertama di rumah sakit Paris, hanya dalam hitungan tahun. (Menarik untuk dicatat bahwa surat kabar Paris pada saat itu begitu terpikat dengan gagasan bahwa sinar-X dapat menembus pakaian sehingga mereka tidak melaporkan apa pun tentang kegunaan unik sinar-X dalam bidang medis.)

Sinar gamma

Panjang gelombang terpendek dan frekuensi serta energi tertinggi dalam spektrum elektromagnetik adalah sinar y (sinar gamma). Mereka terdiri dari foton berenergi sangat tinggi dan saat ini digunakan dalam onkologi untuk mengobati tumor kanker (atau lebih tepatnya, untuk membunuh sel kanker). Namun, pengaruhnya terhadap sel-sel hidup sangat merusak sehingga harus sangat berhati-hati agar tidak membahayakan jaringan dan organ sehat di sekitarnya.

Sebagai kesimpulan, penting untuk ditekankan sekali lagi bahwa, meskipun semua jenis radiasi elektromagnetik yang dijelaskan memanifestasikan dirinya secara eksternal berbeda, pada intinya mereka adalah kembar. Semua gelombang elektromagnetik di bagian mana pun dari spektrum mewakili osilasi transversal medan listrik dan magnet yang merambat dalam ruang hampa atau medium; semuanya merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya c dan berbeda satu sama lain hanya dalam panjang gelombang dan, sebagai konsekuensinya , dalam energi yang mereka bawa. Tinggal menambahkan bahwa batas rentang yang saya sebutkan sifatnya agak sewenang-wenang (dan di buku lain kemungkinan besar Anda akan menemukan nilai panjang gelombang batas yang sedikit berbeda). Secara khusus, emisi gelombang mikro dengan panjang gelombang yang panjang seringkali dan secara tepat diklasifikasikan dalam rentang frekuensi gelombang radio yang sangat tinggi. Tidak ada batasan yang jelas antara sinar ultraviolet keras dan sinar X lunak, serta antara sinar X keras dan radiasi gamma lunak.

Spektroskopi

Keberadaan atom-atom unsur kimia dalam suatu zat dapat diketahui dengan adanya garis-garis ciri pada spektrum emisi atau serapan

Spektrum gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik diklasifikasikan berdasarkan panjang gelombang lambda atau frekuensi gelombang f yang terkait. Perhatikan juga bahwa parameter ini tidak hanya mencirikan gelombang, tetapi juga sifat kuantum medan elektromagnetik. Oleh karena itu, dalam kasus pertama, gelombang elektromagnetik dijelaskan oleh hukum klasik yang dipelajari dalam buku ini, dan dalam kasus kedua oleh hukum kuantum yang dipelajari dalam volume 5 manual ini.

Mari kita perhatikan konsep spektrum gelombang elektromagnetik. Spektrum gelombang elektromagnetik adalah pita frekuensi gelombang elektromagnetik yang ada di alam.

Spektrum radiasi elektromagnetik berdasarkan kenaikan frekuensinya adalah:

1) Gelombang radio;

2) Radiasi inframerah;

3) Radiasi cahaya;

4) radiasi sinar-X;

5) Radiasi gamma.

Bagian spektrum elektromagnetik yang berbeda berbeda dalam cara mereka memancarkan dan menerima gelombang yang termasuk dalam bagian spektrum tertentu. Oleh karena itu, tidak ada batasan tegas antara berbagai bagian spektrum elektromagnetik.

Gelombang radio dipelajari oleh elektrodinamika klasik. Cahaya inframerah dan radiasi ultraviolet dipelajari oleh optik klasik dan fisika kuantum. Sinar-X dan radiasi gamma dipelajari dalam fisika kuantum dan nuklir.

Mari kita perhatikan spektrum gelombang elektromagnetik lebih detail.

Gelombang radio.

Gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik yang panjangnya melebihi 0,1 mm (frekuensi kurang dari 3 10 12 Hz = 3000 GHz).

Gelombang radio dibagi menjadi:

1. Gelombang ultra panjang dengan panjang gelombang lebih dari 10 km (frekuensi kurang dari 3 10 4 Hz = 30 kHz);

2. Gelombang panjang dengan panjang berkisar antara 10 km sampai dengan 1 km (frekuensi pada rentang 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz);

3. Gelombang sedang dengan panjang berkisar antara 1 km sampai dengan 100 m (frekuensi pada rentang 3 10 5 Hz -310 6 Hz = 3 MHz);

4. Gelombang pendek dengan rentang panjang gelombang 100m hingga 10m (frekuensi pada rentang 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);

5. Gelombang ultrapendek dengan panjang gelombang kurang dari 10m (frekuensi lebih besar dari 310 7 Hz = 30 MHz).

Gelombang ultrapendek, pada gilirannya, dibagi menjadi:

a) gelombang meteran;

b) gelombang sentimeter;

c) gelombang milimeter;

d) submilimeter atau mikrometer.

Gelombang dengan panjang gelombang kurang dari 1 m (frekuensi kurang dari 300 MHz) disebut gelombang mikro atau gelombang frekuensi ultra tinggi (gelombang microwave).

Karena besarnya panjang gelombang jangkauan radio dibandingkan dengan ukuran atom, maka perambatan gelombang radio dapat dipertimbangkan tanpa memperhitungkan struktur atom mediumnya, yaitu. secara fenomenologis, seperti yang biasa dilakukan ketika mengkonstruksi teori Maxwell. Sifat kuantum gelombang radio hanya muncul untuk gelombang terpendek yang berdekatan dengan bagian spektrum inframerah dan selama propagasi yang disebut. pulsa ultrashort dengan durasi sekitar 10 -12 detik - 10 -15 detik, sebanding dengan waktu osilasi elektron di dalam atom dan molekul.

Radiasi inframerah dan cahaya.

Inframerah, lampu, termasuk ultraungu, radiasi berjumlah wilayah optik dari spektrum gelombang elektromagnetik dalam arti luas. Kedekatan wilayah spektral gelombang yang terdaftar menentukan kesamaan metode dan instrumen yang digunakan dalam penelitian dan penerapan praktisnya. Secara historis, lensa, kisi difraksi, prisma, diafragma, dan zat aktif optik yang merupakan bagian dari berbagai perangkat optik (interferometer, polarizer, modulator, dll.) digunakan untuk tujuan ini.

Di sisi lain, radiasi dari wilayah optik spektrum memiliki pola umum transmisi berbagai media, yang dapat diperoleh dengan menggunakan optik geometris, yang banyak digunakan untuk perhitungan dan konstruksi perangkat optik dan saluran propagasi sinyal optik.

Spektrum optik menempati rentang panjang gelombang elektromagnetik dalam rentang 210 -6 m = 2 μm hingga 10 -8 m = 10 nm (frekuensi dari 1,510 14 Hz hingga 310 16 Hz). Batas atas jangkauan optik ditentukan oleh batas gelombang panjang jangkauan inframerah, dan batas ultraviolet gelombang pendek yang lebih rendah(Gbr. 2.14).

Bandwidth optik berdasarkan frekuensi adalah sekitar 18 oktaf 1 , yang jangkauan optiknya kira-kira satu oktaf(); untuk ultraviolet - 5 oktaf (), untuk radiasi inframerah - 11 oktaf (

Di bagian spektrum optik, fenomena yang disebabkan oleh struktur atom suatu materi menjadi signifikan. Oleh karena itu, seiring dengan sifat gelombang radiasi optik, sifat kuantum juga muncul.

Sinar-X dan radiasi gamma.

Di bidang sinar-X dan radiasi gamma, sifat kuantum radiasi mengemuka.

radiasi sinar-X terjadi ketika partikel bermuatan cepat (elektron, proton, dll.) diperlambat, serta sebagai akibat dari proses yang terjadi di dalam kulit elektronik atom.

Radiasi gamma merupakan akibat dari fenomena yang terjadi di dalam inti atom, serta akibat reaksi nuklir. Batas antara sinar-X dan radiasi gamma ditentukan secara konvensional oleh besarnya kuantum energi 2 , sesuai dengan frekuensi radiasi tertentu.

Radiasi sinar-X terdiri dari gelombang elektromagnetik dengan panjang 50 nm hingga 10 -3 nm, yang setara dengan energi kuantum dari 20 eV hingga 1 MeV.

Radiasi gamma terdiri dari gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang kurang dari 10 -2 nm, yang setara dengan energi kuantum lebih besar dari 0,1 MeV.

Sifat elektromagnetik cahaya.

Lampu mewakili bagian tampak dari spektrum gelombang elektromagnetik, yang panjang gelombangnya menempati interval dari 0,4 µm hingga 0,76 µm. Setiap komponen spektral radiasi optik dapat diberi warna tertentu. Pewarnaan komponen spektral radiasi optik ditentukan oleh panjang gelombangnya. Warna radiasi berubah seiring dengan berkurangnya panjang gelombang sebagai berikut: merah, jingga, kuning, hijau, cyan, nila, ungu.

Lampu merah, sesuai dengan panjang gelombang terpanjang, menentukan ujung spektrum merah. Cahaya ungu - sesuai dengan batas ungu.

Cahaya alami tidak berwarna dan mewakili superposisi gelombang elektromagnetik dari seluruh spektrum tampak. Cahaya alami terjadi sebagai akibat dari emisi gelombang elektromagnetik oleh atom-atom yang tereksitasi. Sifat eksitasi bisa berbeda-beda: termal, kimia, elektromagnetik, dll. Akibat eksitasi, atom secara acak memancarkan gelombang elektromagnetik selama kurang lebih 10 -8 detik. Karena spektrum energi eksitasi atom cukup luas, gelombang elektromagnetik dipancarkan dari seluruh spektrum tampak, fase awal, arah dan polarisasinya acak. Oleh karena itu, cahaya alami tidak terpolarisasi. Artinya “densitas” komponen spektral gelombang elektromagnetik cahaya alami yang mempunyai polarisasi saling tegak lurus adalah sama.

Gelombang elektromagnetik harmonik yang berada dalam jangkauan cahaya disebut monokromatik. Untuk gelombang cahaya monokromatik, salah satu ciri utamanya adalah intensitas. Intensitas gelombang cahaya mewakili nilai rata-rata kerapatan fluks energi (1.25) dibawa oleh gelombang:

dimana adalah vektor Poynting.

Perhitungan intensitas cahaya, bidang, gelombang monokromatik dengan amplitudo medan listrik dalam medium homogen dengan permeabilitas dielektrik dan magnet menggunakan rumus (1.35) dengan mempertimbangkan (1.30) Dan (1.32) memberikan:

dimana indeks bias medium; - impedansi gelombang vakum.

Secara tradisional, fenomena optik dianggap menggunakan sinar. Deskripsi fenomena optik dengan menggunakan sinar disebut geometris-optik. Aturan untuk menemukan lintasan sinar, yang dikembangkan dalam optik geometris, banyak digunakan dalam praktik untuk analisis fenomena optik dan dalam konstruksi berbagai instrumen optik.

Mari kita definisikan sinar berdasarkan representasi elektromagnetik gelombang cahaya. Pertama-tama, sinar adalah garis di mana gelombang elektromagnetik merambat. Untuk alasan ini balok adalah garis di setiap titik yang rata-rata vektor Poynting gelombang elektromagnetiknya diarahkan secara tangensial ke garis tersebut.

Dalam media isotropik homogen, arah vektor rata-rata Poynting bertepatan dengan garis normal permukaan gelombang (permukaan ekuifase), yaitu. sepanjang vektor gelombang.

Jadi, dalam media isotropik homogen, sinarnya tegak lurus terhadap muka gelombang gelombang elektromagnetik yang bersesuaian.

Misalnya, perhatikan sinar yang dipancarkan oleh sumber cahaya titik monokromatik. Dari sudut pandang optik geometris, banyak sinar yang memancar dari titik sumber dalam arah radial. Dari posisi esensi elektromagnetik cahaya, gelombang elektromagnetik berbentuk bola merambat dari titik sumber. Pada jarak yang cukup jauh dari sumber, kelengkungan muka gelombang dapat diabaikan, mengingat gelombang lokal berbentuk bola datar. Dengan membagi permukaan muka gelombang menjadi sejumlah besar bagian datar lokal, dimungkinkan untuk menggambar garis normal melalui pusat setiap bagian, di mana gelombang bidang merambat, yaitu. dalam sinar interpretasi geometris-optik. Dengan demikian, kedua pendekatan memberikan gambaran yang sama tentang contoh yang dipertimbangkan.

Tugas utama optika geometri adalah mencari arah sinar (lintasan). Persamaan lintasan ditemukan setelah menyelesaikan masalah variasional untuk menemukan nilai minimum yang disebut. tindakan pada lintasan yang diinginkan. Tanpa merinci rumusan dan penyelesaian masalah ini secara tegas, kita dapat berasumsi bahwa sinar adalah lintasan dengan total panjang optik terpendek. Pernyataan ini merupakan konsekuensi dari prinsip Fermat.

Pendekatan variasional untuk menentukan lintasan sinar juga dapat diterapkan pada media tidak homogen, yaitu. media yang indeks biasnya merupakan fungsi dari koordinat titik-titik medium tersebut. Jika suatu fungsi menggambarkan bentuk permukaan muka gelombang pada medium tidak homogen, maka fungsi tersebut dapat dicari berdasarkan penyelesaian persamaan diferensial parsial yang disebut persamaan eikonal, dan dalam mekanika analitik sebagai persamaan Hamilton-Jacobi:

Dengan demikian, dasar matematis pendekatan geometri-optik teori elektromagnetik terdiri dari berbagai metode untuk menentukan medan gelombang elektromagnetik pada sinar, berdasarkan persamaan eikonal atau cara lain. Pendekatan geometris-optik banyak digunakan dalam praktik elektronik radio untuk menghitung apa yang disebut. sistem kuasi-optik.

Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa kemampuan mendeskripsikan cahaya secara bersamaan baik dari posisi gelombang dengan menyelesaikan persamaan Maxwell maupun menggunakan sinar, yang arahnya ditentukan dari persamaan Hamilton-Jacobi yang menggambarkan pergerakan partikel, merupakan salah satu manifestasi dari dualisme. cahaya, yang, seperti diketahui, mengarah pada perumusan prinsip-prinsip dasar mekanika kuantum.