Elektromagnetinės spinduliuotės spektro lentelė. Elektromagnetinės spinduliuotės spektras

Teorija rodo, kad elektromagnetinė spinduliuotė susidaro, kai elektros krūviai juda netolygiai, pagreitėja. Tolygiai judantis (laisvas) srautas elektros krūviai neišskiria. Nėra radiacijos elektromagnetinis laukas ir už kaltinimus judant apsvaigus nuolatinė jėga, pavyzdžiui, krūviams, apibūdinantiems apskritimą magnetiniame lauke.

IN svyruojantys judesiai pagreitis nuolat kinta, todėl elektros krūvių virpesiai gamina elektromagnetinę spinduliuotę. Be to, elektromagnetinė spinduliuotė atsiras staigiai netolygiam krūvių lėtėjimui, pavyzdžiui, elektronų pluoštui atsitrenkus į kliūtį (susidaro rentgeno spinduliai). Chaotiškame dalelių šiluminiame judėjime taip pat susidaro elektromagnetinė spinduliuotė ( šiluminė spinduliuotė). Ripple

branduolinis krūvis veda į kūrybą elektromagnetinė spinduliuotė, žinomas kaip y spinduliai. Ultravioletiniai spinduliai ir matoma šviesa pagamintas judėjimo metu atominiai elektronai. Elektros krūvio svyravimai kosminis mastelis sukelti radijo spinduliavimą iš dangaus kūnų.

Kartu su natūraliais procesais, dėl kurių elektromagnetinės spinduliuotės susidaro daugiausia įvairių savybių, yra įvairių eksperimentines galimybes apie elektromagnetinės spinduliuotės kūrimą.

Pagrindinė elektromagnetinės spinduliuotės savybė yra jos dažnis (jei mes kalbame apie O harmoninė vibracija) arba dažnių juostą. Žinoma, klaidinga perskaičiuoti spinduliuotės dažnį pagal elektromagnetinės bangos ilgį vakuume naudojant ryšį.

Spinduliuotės intensyvumas yra proporcingas ketvirtajai dažnio laipsniai. Todėl negalima atsekti labai žemo dažnio spinduliuotės, kurios bangos ilgis siekia šimtus kilometrų. Praktinis radijo diapazonas, kaip žinoma, prasideda nuo bangų ilgių, kurių dydis atitinka bangų ilgių eilės dažnius, vadinamus vidutiniu diapazonu, dešimtys metrų - tai jau yra trumpos bangos. Ultratrumposios bangos(VHF) išvesti mus iš įprasto radijo diapazono; kelių metrų bangos ilgiai ir metro dalys iki centimetro (t. y. televizijoje ir radare naudojami tokio dydžio dažniai).

Dar trumpesnes elektromagnetines bangas 1924 metais gavo Glagoleva-Arkadjeva. Ji naudojo jį kaip generatorių elektros kibirkštys slysta tarp pakibusiųjų aliejuje geležies drožlių, ir priimtas bangas, kurių ilgis iki Čia jau pasiekiamas sutapimas su šiluminės spinduliuotės bangų ilgiais.

Matomos šviesos dalis yra labai maža: ji užima tik bangos ilgius nuo cm iki cm. Toliau ateina ultravioletiniai spinduliai, nematomi akiai, bet labai gerai fiksuojami fiziniais instrumentais. Tai bangos ilgiai nuo cm iki cm.

Ultravioletinius spindulius seka rentgeno spinduliai. Jų bangos ilgiai svyruoja nuo cm iki cm Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo silpnesni rentgeno spinduliai sugeriami medžiagų. Trumpiausio bangos ilgio ir labiausiai prasiskverbianti elektromagnetinė spinduliuotė vadinama y spinduliais (bangos ilgiai nuo cm ir žemiau).

Bet kurios išvardytos elektromagnetinės spinduliuotės rūšies charakteristikos bus išsamios, jei bus atlikti šie matavimai. Visų pirma, vienu ar kitu būdu elektromagnetinė spinduliuotė turi būti išskaidyta į spektrą. Esant šviesai, ultravioletiniai spinduliai ir infraraudonąją spinduliuotę, tai galima padaryti lūžiant prizme arba perduodant spinduliuotę difrakcinė gardelė(žr. žemiau). Rentgeno ir gama spindulių atveju skiriamoji geba į spektrą pasiekiama atspindžiu nuo kristalo (žr. 351 psl.). Bangos

radijo diapazonas suskaidomas į spektrą naudojant rezonanso reiškinį.

Gautas spinduliuotės spektras gali būti ištisinis arba linijinis, tai yra, gali nuolat užpildyti tam tikrą dažnių juostą, arba gali būti sudarytas iš atskirų aštrių linijų, atitinkančių itin siaurą dažnių intervalą. Pirmuoju atveju spektrui apibūdinti reikia nurodyti intensyvumo kreivę, kaip dažnio (bangos ilgio) funkciją, antruoju atveju spektras bus aprašomas nurodant visas jame esančias linijas, nurodant jų dažnius ir; intensyvumo.

Patirtis rodo, kad tam tikro dažnio ir intensyvumo elektromagnetinė spinduliuotė gali skirtis savo poliarizacijos būsena. Kartu su bangomis, kurios elektrinis vektorius svyruoja kartu tam tikra linija(tiesiškai poliarizuotos bangos), turime susidurti su spinduliuote, kurioje tiesiškai poliarizuotos bangos, pasuktos viena kitos atžvilgiu apie pluošto ašį, yra viena ant kitos. Norint visapusiškai apibūdinti spinduliuotę, būtina nurodyti jos poliarizaciją.

Atkreipkite dėmesį, kad net ir lėčiausiai elektromagnetinės vibracijos mums atimama galimybė matuoti elektros ir magnetiniai vektoriai bangos. Aukščiau nupiešti lauko paveikslėliai yra teorinio pobūdžio. Nepaisant to, jų tiesa neabejotina, turint omenyje visos elektromagnetinės teorijos tęstinumą ir vientisumą.

Teiginys, kad tam tikras spinduliuotės tipas priklauso elektromagnetinėms bangoms, visada yra netiesioginis. Tačiau iš hipotezių kylančių pasekmių skaičius yra toks didžiulis ir jie taip rišliai sutampa, kad hipotezė apie elektromagnetinis spektras jau seniai įgijo visus betarpiškos tikrovės bruožus.

Pateikta atskirame straipsnyje;

Medžiagos skaidrumas gama spinduliams, skirtingai nuo matomos šviesos, nepriklauso nuo cheminė forma Ir agregacijos būsena medžiaga, bet daugiausia iš branduolių, sudarančių medžiagą, krūvio ir gama spindulių energijos. Todėl medžiagos sluoksnio gebėjimas sugerti gama spindulius, pirmiausia apytiksliai, gali būti apibūdinamas pagal paviršiaus tankis(g/cm²). Ilgai buvo manoma, kad neįmanoma sukurti veidrodžių ir lęšių γ spinduliams, tačiau, pasak naujausius tyrimusšioje srityje galimas γ spindulių lūžimas. Šis atradimas gali reikšti naujos optikos šakos – γ-optikos – sukūrimą.

Ryškios apatinės gama spinduliuotės ribos nėra, tačiau dažniausiai manoma, kad gama kvantus skleidžia branduolys, o rentgeno kvantus – atomo elektronų apvalkalas (tai tik terminologinis skirtumas, neturintis įtakos fizines savybes spinduliuotė).

Rentgeno spinduliuotė

• nuo 0,1 nm = 1 Å (12 400 eV) iki 0,01 nm = 0,1 Å (124 000 eV) - sunku rentgeno spinduliuotė . Šaltiniai: kai kurios branduolinės reakcijos, katodinių spindulių vamzdžiai.
• nuo 10 nm (124 eV) iki 0,1 nm = 1 Å (12 400 eV) – minkšti rentgeno spinduliai. Šaltiniai: katodinių spindulių vamzdžiai, terminė plazminė spinduliuotė.

Rentgeno spindulių kvantai išspinduliuojami daugiausia elektronų perėjimų metu elektronų apvalkalas sunkiuosius atomus į žemas orbitas. Laisvos vietos žemose orbitose dažniausiai susidaro dėl elektronų smūgio. Tokiu būdu pagaminti rentgeno spinduliai turi linijų spektras su dažniais, būdingais tam tikram atomui (žr. būdinga spinduliuotė); tai leidžia visų pirma ištirti medžiagų sudėtį (rentgeno fluorescencinė analizė). Terminis, bremsstrahlung ir sinchrotroninis rentgeno spinduliai turi ištisinį spektrą.

Rentgeno spinduliuose stebima kristalų gardelių difrakcija, nes ilgiai elektromagnetines bangasšiais dažniais yra artimi laikotarpiams kristalinės grotelės. Rentgeno spindulių difrakcinės analizės metodas yra pagrįstas tuo.

Ultravioletinė spinduliuotė

Diapazonas: nuo 400 nm (3,10 eV) iki 10 nm (124 eV)

Optinė spinduliuotė

Spinduliuotė optiniame diapazone (matoma šviesa ir artimoji infraraudonoji spinduliuotė [ ]) laisvai praeina per atmosferą ir gali lengvai atsispindėti bei lūžti optinėse sistemose. Šaltiniai: šiluminė spinduliuotė (įskaitant saulę), fluorescencija, cheminės reakcijos, šviesos diodai.

Spalvos matoma spinduliuotė atitinkantys monochromatinę spinduliuotę vadinami spektriniu. Spektras ir spektrinės spalvos galima pamatyti pravažiuojant siaurą šviesos spindulys per prizmę ar kitą laužiamąją terpę. Tradiciškai matomas spektras savo ruožtu skirstomas į spalvų diapazonus:

Infraraudonoji spinduliuotė yra nuo 207 THz (0,857 eV) iki 405 THz (1,68 eV). Viršutinė riba lemia žmogaus akies gebėjimas suvokti raudoną spalvą, kuri skiriasi priklausomai nuo skirtingi žmonės. Kaip taisyklė, skaidrumas netoli infraraudonoji spinduliuotė atitinka skaidrumą matomoje šviesoje.

Infraraudonoji spinduliuotė

Infraraudonoji spinduliuotė yra tarp matomos šviesos ir terahercinės spinduliuotės. Diapazonas: nuo 2000 µm (150 GHz) iki 740 nm (405 THz).

Visų elektromagnetinės spinduliuotės dažnių (bangos ilgių) rinkinys vadinamas elektromagnetiniu spektru. Bangos ilgio intervalas nuo 10 -10 iki 10 -1 m skirstomas į sritis (2 pav.): ultravioletinė (UV) sritis apima ~10 - 380 nm diapazoną; infraraudonųjų spindulių (IR) sritis 750-10 5 nm; Matoma šviesa, naudojama dažniausiai analizės metoduose, užima siaurą 380–750 nm sritį.

To paties dažnio fotonų srautas vadinamas vienspalvis, su skirtingais dažniais - polichromatinis.Įprastas stebimas kaitinamųjų kūnų, ypač saulės šviesos, spinduliuotės srautas yra polichromatinis.

Ryžiai. 2. Elektromagnetinio spektro sritys

2. Medžiagos sandara ir spektrų kilmė

Iš įvairių klausimų, susijusių su materijos sandara (kristalinių ir nekristalinių kūnų sandara, teorija cheminis ryšys, atomų, molekulių ir branduolių sandara), koncentruosimės tik į tuos, kurie tiesiogiai susiję su spektroskopiniais analizės metodais – tokia yra atomų ir molekulių sandara.

2.1. Atomo sandara ir atomų spektrų kilmė

Atomas yra ~10 -8 cm dydžio atskira medžiagos dalelė, susidedanti iš teigiamai įkrauto ~10 -12 cm spindulio branduolio ir aplink jį judančių neigiamo krūvio elektronų. Elektrono greitis toks didelis, kad atome dominuoja jo banginės savybės. Judančio elektrono bangos ilgis ~10 -8 cm yra palyginamas su atominiais matmenimis, todėl elektrono negalima pavaizduoti kaip atskiro objekto, kaip tai daroma klasikinė fizika, pavyzdžiui, elektronų judėjimo metu dujų išlydžio vamzdyje. Elektronas yra tarsi bangos pavidalu pasklidęs ant atomo, ir mes galime kalbėti tik apie jo buvimo tikimybę tam tikrame taške atomo viduje arba neigiamo krūvio tankio pasiskirstymą aplink branduolį, kuris gali būti gana sudėtinga.

Sritys su didžiausiu krūvio tankiu vadinamos elektronų orbitalės arba energijos lygiai, nes kiekvienai orbitalei būdinga tam tikra energija. Viso atomo energetinę būseną daugiausia lemia elektronų orbitų energija.

Kiekvienas elektronas ir atomas, taigi ir energijos lygis, apibūdinami keturių kvantinių skaičių rinkiniu: pagrindinis, antrinis, magnetinis ir sukinys.

Pagrindinis kvantinis skaičius n apibūdina elektrono atstumą nuo branduolio ir paima reikšmes 1, 2, 3, .... Kuo didesnis n, tuo toliau elektrono orbita yra nuo branduolio.

Šoninis kvantinis skaičiusl nustato orbitos formą ir įgauna reikšmes 0, 1, 2, 3, ..., kurios žymimos raidėmis s, p,d, f, .... Judantis elektronas turi kampinį impulsą. At l= 0 kampinis momentas lygus nuliui o elektros krūvis pasklinda po sferą, su l= 1 orbitalė yra hantelio formos.

Magnetinis kvantinis skaičius t apibūdina orbitos vietą erdvėje ir paima reikšmes iš – lį l. At l = 0 magnetinis kvantinis skaičius yra nulis, at l= 1, tai reiškia -1, 0, +1, o hantelio formos orbitalės yra išilgai stačiakampės koordinačių sistemos ašių.

Sukimosi kvantinis skaičius m s lygus -1/2 ir +1/2 atspindi paties elektrono kampinį impulsą.

Pagal Pauli principą, atomas negali turėti dviejų elektronų, turinčių vienodą kvantinių skaičių rinkinį (bent vienas skaičius turi skirtis). Priešingu atveju atstumiančios jėgos vieną iš jų „stumtų“ į kitą orbitą. Todėl daugiaelektroninis atomas turi sudėtingą struktūrą: elektronai su ta pačia pagrindine kvantiniai skaičiai sudaro elektroninius sluoksnius-apvalkalus (lygius), žymimus raidėmis K, L, M, ..., kai atitinkamai /1 = 1, 2, 3, ..., o elektronai su vienodais šoniniais kvantiniais skaičiais sudaro subapvalus (polygius). ) viename apvalkale. Elektronai su skirtingos reikšmės l Ir T, bet su tuo pačiu n gali pasirodyti vienoda energija (degeneruoti), tačiau veikiant bet kokiam išoriniam laukui (elektriniam, magnetiniam ir pan.), išsigimimas pašalinamas.

Yra keletas elektromagnetinės spinduliuotės tipų, pradedant radijo bangomis ir baigiant gama spinduliais. Elektromagnetiniai spinduliai visi tipai sklinda vakuume šviesos greičiu ir skiriasi vienas nuo kito tik bangos ilgiais

1859 metų spektroskopija

1864 Maksvelo lygtys

1864 SPEKTRAS

ELEKTROMAGNETINĖ SPINDULIJA

1900 radiacija

Juodas korpusas

Pasirodžius Maksvelo lygtims tapo aišku, kad jos numato kažko nežinomo mokslui egzistavimą gamtos reiškinys- skersinės elektromagnetinės bangos, kurios yra tarpusavyje sujungtų elektrinių ir magnetinių laukų virpesiai, sklindantys erdvėje šviesos greičiu. Pats Jamesas Clarkas Maxwellas pirmasis mokslo bendruomenei atkreipė dėmesį į šią savo išvestos lygčių sistemos pasekmę. Šioje refrakcijoje elektromagnetinių bangų sklidimo vakuume greitis pasirodė esąs tokia svarbi ir esminė universali konstanta, kad ji buvo paskirta atskiras laiškas c priešingai nei visi kiti greičiai, kurie paprastai žymimi raide v.

Atlikęs šį atradimą, Maxwellas iš karto nustatė, kad matoma šviesa yra „tik“ elektromagnetinės bangos rūšis. Iki to laiko buvo žinomi šviesos bangų bangų ilgiai matomoje spektro dalyje – nuo ​​400 nm (violetiniai spinduliai) iki 800 nm (raudonieji spinduliai). (Nanometras yra ilgio vienetas, lygus vienai milijardajai metro daliai, kuris dažniausiai naudojamas atominė fizika ir spindulių fizika; 1 nm = 10 -9 m.) Visos vaivorykštės spalvos atitinka skirtingus bangos ilgius, esančius šiose labai siaurose ribose. Tačiau Maksvelo lygtyse nebuvo jokių apribojimų galimam elektromagnetinių bangų ilgių diapazonui. Paaiškėjus, kad turi egzistuoti labai skirtingo ilgio elektromagnetinės bangos, iš tikrųjų iš karto buvo pateiktas palyginimas dėl to, kad žmogaus akis išskiria tokią siaurą jų ilgio ir dažnio juostą: žmogus buvo lyginamas su simfoninio koncerto klausytoju. , kurio klausa geba pagauti tik smuiko partiją, neskiria visų kitų garsų.

Netrukus po Maxwello numatymo apie elektromagnetinių bangų egzistavimą kituose spektro diapazonuose, sekė daugybė atradimų, patvirtinančių jo teisingumą. Radijo bangas pirmieji 1888 m. atrado vokiečių fizikas Heinrichas Hercas (1857–1894). Vienintelis skirtumas tarp radijo bangų ir šviesos yra tas, kad radijo bangų ilgis gali svyruoti nuo kelių decimetrų iki tūkstančių kilometrų. Pagal Maksvelo teoriją, elektromagnetinių bangų priežastis yra pagreitėjęs elektros krūvių judėjimas. Elektronų virpesiai, veikiami kintamųjų elektros įtampa radijo siųstuvo antenoje sukuria elektromagnetines bangas, kurios sklinda žemės atmosfera. Visi kiti elektromagnetinių bangų tipai taip pat atsiranda dėl įvairių tipų pagreitintas elektros krūvių judėjimas.

Kaip ir šviesos bangos, radijo bangos gali sklisti beveik be nuostolių. dideli atstumaižemės atmosferoje, todėl jie yra naudingiausi užkoduotos informacijos nešėjai. Jau 1894 m. pradžioje, praėjus vos penkioms sekundėms mažų metų atradus radijo bangas, italų inžinierius fizikas Guglielmo Marconi (1874-1937) suprojektavo

10" 10" 10* 10" 1

10 10* 10*

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

- 10 colių rentgeno spinduliai

spinduliai - 10 -i*

- 10""

- 10"

- 1(G"

- 1<Г"

Gama spinduliai

Elektromagnetinės bangos sudaro nenutrūkstamą bangų ilgių ir energijų (dažnių) spektrą, suskirstytą į įprastinius diapazonus – nuo ​​radijo bangų iki gama spindulių.

pirmasis veikiantis belaidis telegrafas – šiuolaikinio radijo prototipas – už kurį 1909 m. buvo apdovanotas Nobelio premija.

Pirmą kartą eksperimentiškai patvirtinus elektromagnetinių bangų egzistavimą už matomo spektro ribų, numatytų Maksvelo lygtimis, likusios spektro nišos buvo užpildytos labai greitai. Šiandien buvo aptiktos visų be išimties diapazonų elektromagnetinės bangos ir beveik visos jos plačiai ir naudingos pritaikytos moksle ir technikoje. Bangų dažniai ir atitinkamų elektromagnetinės spinduliuotės kvantų energijos (žr. Planko konstantą) didėja mažėjant bangos ilgiui. Visų elektromagnetinių bangų visuma sudaro vadinamąjį nenutrūkstamą elektromagnetinės spinduliuotės spektrą. Jis skirstomas į šiuos diapazonus (didėjančio dažnio ir mažėjančio bangos ilgio tvarka):

Radijo bangos

Kaip jau minėta, radijo bangų ilgis gali labai skirtis – nuo ​​kelių centimetrų iki šimtų ir net tūkstančių kilometrų, o tai prilygsta Žemės rutulio spinduliui (apie 6400 km). Technologijoje plačiai naudojamos visų radijo dažnių juostų bangos – decimetrinės ir ultratrumposios metro bangos naudojamos televizijos ir radijo transliavimui ultratrumpųjų bangų diapazone su dažnio moduliacija (VHF/UB), užtikrinančiu aukštos kokybės signalo priėmimą tiesioginio bangų sklidimo zonoje. Radijo bangos metro ir kilometrų diapazone naudojamos radijo transliacijai ir radijo ryšiams dideliais atstumais naudojant amplitudinę moduliaciją (AM), kuri, nors ir kenkia signalo kokybei, tačiau dėl atspindžio užtikrina jo perdavimą savavališkai dideliais atstumais Žemėje. bangų iš planetos jonosferos. Tačiau šiandien toks ryšys dėl palydovinio ryšio plėtros tampa praeitimi. Decimetro diapazono bangos negali lenktis aplink žemės horizontą kaip metro bangos, o tai riboja priėmimo sritį iki tiesioginio sklidimo srities, kuri, priklausomai nuo antenos aukščio ir siųstuvo galios, svyruoja nuo kelių iki kelių dešimčių kilometrų. . Ir čia į pagalbą ateina palydoviniai kartotuvai, kurie atlieka radijo bangų reflektorių vaidmenį, kurį jonosfera atlieka metro bangų atžvilgiu.

Mikrobangų krosnelė

Mikrobangų krosnelės ir radijo bangos itin aukšto dažnio (UHF) diapazone yra nuo 300 mm iki 1 mm ilgio. Centimetrinės bangos, kaip ir decimetrinės bei metro radijo bangos, praktiškai nėra sugeriamos atmosferoje, todėl yra plačiai naudojamos palydovuose.

kovaya ir korinio ryšio bei kitos telekomunikacijų sistemos. Įprastos palydovinės antenos dydis yra lygus keliems tokių bangų ilgiams.

Trumpesnės mikrobangų bangos taip pat gali būti naudojamos pramonėje ir buityje. Užtenka paminėti mikrobangų krosneles, kurios dabar įrengtos ir pramoninėse kepyklėlėse, ir namų virtuvėse. Mikrobangų krosnelės veikimas pagrįstas greitu elektronų sukimu įrenginyje, vadinamame klistronu. Dėl to elektronai skleidžia tam tikro dažnio elektromagnetines mikrobangų bangas, kurias esant lengvai sugeria vandens molekulės. Dedant maistą į mikrobangų krosnelę, maiste esančios vandens molekulės sugeria mikrobangų energiją, greičiau juda ir taip maistą įkaitina. Kitaip tariant, skirtingai nei įprastoje orkaitėje ar orkaitėje, kur maistas šildomas iš išorės, mikrobangų krosnelė jį šildo iš vidaus.

Infraraudonieji spinduliai

Ši elektromagnetinio spektro dalis apima spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra nuo 1 milimetro iki aštuonių tūkstančių atomų skersmenų (apie 800 nm). Šios spektro dalies spindulius žmogus jaučia tiesiai per odą – kaip šilumą. Jei ištiesi ranką link ugnies ar įkaitusio daikto ir pajunti iš jo sklindančią šilumą, infraraudonąją spinduliuotę suvoki kaip šilumą. Kai kurie gyvūnai (pavyzdžiui, angiai) turi net jutimo organus, leidžiančius nustatyti šiltakraujo grobio vietą pagal jo kūno infraraudonąją spinduliuotę.

Kadangi dauguma Žemės paviršiaus objektų skleidžia infraraudonųjų spindulių bangų ilgių diapazoną, infraraudonosios spinduliuotės detektoriai atlieka svarbų vaidmenį šiuolaikinėse aptikimo technologijose. Naktinio matymo prietaisų infraraudonųjų spindulių okuliarai leidžia žmonėms „matyti tamsoje“, o jų pagalba galima aptikti ne tik žmones, bet ir įrangą bei konstrukcijas, kurios per dieną įšilo ir naktį atiduoda šilumą. aplinka infraraudonųjų spindulių pavidalu. Infraraudonųjų spindulių detektorius plačiai naudoja gelbėjimo tarnybos, pavyzdžiui, aptikdamos gyvus žmones po griuvėsiais po žemės drebėjimų ar kitų stichinių ir žmogaus sukeltų nelaimių.

Matoma šviesa

Kaip jau minėta, elektromagnetinių bangų ilgiai matomos šviesos diapazone svyruoja nuo aštuonių iki keturių tūkstančių atomų skersmenų (800-400 nm). Žmogaus akis yra ideali priemonė šio diapazono elektromagnetinėms bangoms įrašyti ir analizuoti. Taip yra dėl dviejų priežasčių. Pirma, kaip pažymėta, matomos spektro dalies bangos beveik netrukdomos sklinda joms skaidrioje atmosferoje. Antra, Saulės paviršiaus temperatūra (apie 5000°C) yra tokia, kad saulės spindulių didžiausia energija patenka būtent į matomą spektro dalį. Taigi, mūsų pagrindinis energijos šaltinis matomos šviesos diapazone išspinduliuoja didžiulį energijos kiekį, o mus supanti aplinka šiai spinduliuotei iš esmės yra skaidri. Todėl nenuostabu, kad žmogaus akis evoliucijos procese susiformavo taip, kad užfiksuotų ir atpažintų būtent šią elektromagnetinių bangų spektro dalį.

Noriu dar kartą pabrėžti, kad matomų elektromagnetinių spindulių diapazone fiziniu požiūriu nėra nieko ypatingo. Tai tik siaura juostelė plačiame skleidžiamų bangų spektre (žr. pav.). Mums tai svarbu tik tiek, kiek žmogaus smegenys turi įrankį elektromagnetinėms bangoms nustatyti ir analizuoti šioje konkrečioje spektro dalyje.

Ultravioletiniai spinduliai

Ultravioletiniai spinduliai apima elektromagnetinę spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra nuo kelių tūkstančių iki kelių atomų skersmenų (400–10 nm). Šioje spektro dalyje spinduliuotė pradeda veikti gyvų organizmų veiklą. Pavyzdžiui, silpni ultravioletiniai spinduliai saulės spektre (kurių bangos ilgiai artėja prie matomos spektro dalies) sukelia įdegį, kai yra vidutinės dozės, ir stiprius nudegimus, kai yra per didelės dozės. Kietoji (trumpųjų bangų) ultravioletinė spinduliuotė naikina biologines ląsteles, todėl ypač naudojama medicinoje chirurginiams instrumentams ir medicinos įrangai sterilizuoti, naikindama visus mikroorganizmus ant jų paviršiaus.

Visą gyvybę Žemėje nuo žalingo kietosios ultravioletinės spinduliuotės poveikio saugo žemės atmosferos ozono sluoksnis, kuris sugeria didžiąją dalį saulės spinduliuotės spektre esančių kietųjų ultravioletinių spindulių (žr. ozono skylę). Jei ne šis natūralus skydas, gyvybė Žemėje vargu ar būtų atsiradusi iš Pasaulinio vandenyno vandenų. Tačiau, nepaisant apsauginio ozono sluoksnio, dalis kietųjų ultravioletinių spindulių pasiekia Žemės paviršių ir gali sukelti odos vėžį, ypač žmonėms, kurie iš prigimties linkę į blyškumą ir prastai įdega saulėje.

rentgeno spinduliai

Radiacija bangos ilgio diapazone nuo kelių atomų skersmenų iki kelių šimtų atomo branduolio skersmenų vadinama rentgeno spinduliuote. Rentgeno spinduliai prasiskverbia pro minkštuosius kūno audinius, todėl yra būtini medicininėje diagnozėje.

varnele. Kaip ir radijo bangų atveju, laiko tarpas nuo jų atradimo 1895 m. iki praktinio panaudojimo pradžios, pažymėto pirmosios rentgeno nuotraukos gavimu Paryžiaus ligoninėje, buvo metų klausimas. (Įdomu pastebėti, kad to meto Paryžiaus laikraščiai buvo taip susižavėję mintimi, kad rentgeno spinduliai gali prasiskverbti pro drabužius, kad beveik nieko nepranešė apie savo unikalų pritaikymą medicinoje.)

Gama spinduliai

Trumpiausio bangos ilgio ir didžiausio dažnio bei energijos spinduliai elektromagnetiniame spektre yra y spinduliai (gama spinduliai). Jie susideda iš itin didelės energijos fotonų ir šiandien naudojami onkologijoje vėžiniams navikams gydyti (tiksliau, vėžinėms ląstelėms naikinti). Tačiau jų poveikis gyvoms ląstelėms yra toks destruktyvus, kad reikia būti ypač atsargiems, kad nebūtų pakenkta aplinkiniams sveikiems audiniams ir organams.

Apibendrinant, svarbu dar kartą pabrėžti, kad nors visi aprašyti elektromagnetinės spinduliuotės tipai išoriškai pasireiškia skirtingai, savo esme jie yra dvyniai. Visos elektromagnetinės bangos bet kurioje spektro dalyje yra skersiniai elektrinių ir magnetinių laukų svyravimai, sklindantys vakuume arba terpėje, jos visos sklinda vakuume šviesos greičiu ir skiriasi viena nuo kitos tik bangos ilgiu ir dėl to; , jų nešamą energiją. Belieka tik pridurti, kad mano įvardytos diapazono ribos yra gana savavališkos (ir kitose knygose greičiausiai susidursite su šiek tiek kitokiomis ribinių bangų ilgių reikšmėmis). Visų pirma, ilgų bangų ilgio mikrobangų spinduliuotė dažnai ir pagrįstai priskiriama itin aukštų radijo bangų dažnių diapazonui. Nėra aiškių ribų tarp kietųjų ultravioletinių ir minkštųjų rentgeno spindulių, taip pat tarp kietųjų rentgeno spindulių ir minkštosios gama spinduliuotės.

Spektroskopija

Cheminių elementų atomų buvimą medžiagoje galima atpažinti pagal charakteringas linijas emisijos arba sugerties spektre

Elektromagnetinių bangų spektras.

Elektromagnetinės bangos klasifikuojamos pagal jų lambda bangos ilgį arba susijusį f bangos dažnį. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad šie parametrai apibūdina ne tik bangą, bet ir kvantines elektromagnetinio lauko savybes. Atitinkamai, pirmuoju atveju elektromagnetinė banga apibūdinama klasikiniais dėsniais, tirtais šiame tome, o antruoju – kvantiniais dėsniais, išnagrinėtais šio vadovo 5 tome.

Panagrinėkime elektromagnetinių bangų spektro sąvoką. Elektromagnetinių bangų spektras yra gamtoje egzistuojančių elektromagnetinių bangų dažnių juosta.

Elektromagnetinės spinduliuotės spektras dažnio didėjimo tvarka yra:

1) Radijo bangos;

2) Infraraudonoji spinduliuotė;

3) Šviesos spinduliavimas;

4) Rentgeno spinduliuotė;

5) Gama spinduliuotė.

Skirtingos elektromagnetinio spektro dalys skiriasi tuo, kaip skleidžia ir priima vienai ar kitai spektro daliai priklausančias bangas. Dėl šios priežasties tarp skirtingų elektromagnetinio spektro dalių nėra ryškių ribų.

Radijo bangas tiria klasikinė elektrodinamika. Infraraudonąją šviesą ir ultravioletinę spinduliuotę tiria tiek klasikinė optika, tiek kvantinė fizika. Rentgeno ir gama spinduliuotė tiriama kvantinėje ir branduolinėje fizikoje.

Išsamiau panagrinėkime elektromagnetinių bangų spektrą.

Radijo bangos.

Radijo bangos yra elektromagnetinės bangos, kurių ilgis didesnis kaip 0,1 mm (dažnis mažesnis nei 3 10 12 Hz = 3000 GHz).

Radijo bangos skirstomos į:

1. Itin ilgas bangas, kurių bangos ilgis didesnis kaip 10 km (dažnis mažesnis kaip 3 10 4 Hz = 30 kHz);

2. Ilgosios bangos ilgio diapazone nuo 10 km iki 1 km (dažnis diapazone 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz);

3. Vidutinės bangos ilgio diapazone nuo 1 km iki 100 m (dažnis diapazone 3 10 5 Hz -310 6 Hz = 3 MHz);

4. Trumposios bangos bangų ilgių diapazone nuo 100m iki 10m (dažnis diapazone 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz);

5. Ultratrumposios bangos, kurių bangos ilgis mažesnis nei 10 m (dažnis didesnis kaip 310 7 Hz = 30 MHz).

Ultratrumposios bangos savo ruožtu skirstomos į:

a) metrų bangos;

b) centimetrines bangas;

c) milimetrines bangas;

d) submilimetras arba mikrometras.

Bangos, kurių bangos ilgis mažesnis nei 1 m (dažnis mažesnis nei 300 MHz), vadinamos mikrobangomis arba itin aukšto dažnio bangomis (mikrobangų bangomis).

Dėl didelių radijo diapazono bangų ilgių, palyginti su atomų dydžiu, radijo bangų sklidimas gali būti svarstomas neatsižvelgiant į terpės atominę sandarą, t.y. fenomenologiškai, kaip įprasta kuriant Maksvelo teoriją. Kvantinės radijo bangų savybės atsiranda tik trumpiausioms bangoms, esančioms greta infraraudonosios spektro dalies ir sklindant vadinamajai. ultratrumpieji impulsai, kurių trukmė yra 10–12 sek. – 10–15 sek., panaši į elektronų virpesių laiką atomų ir molekulių viduje.

Infraraudonųjų spindulių ir šviesos spinduliuotė.

Infraraudonųjų spindulių, šviesos, įskaitant ultravioletinis, radiacijos kiekiai elektromagnetinių bangų spektro optinė sritis plačiąja to žodžio prasme. Išvardintų bangų spektrinių sričių artumas lėmė jų tyrimams ir praktiniam pritaikymui naudojamų metodų ir instrumentų panašumą. Istoriškai šiems tikslams buvo naudojami lęšiai, difrakcinės gardelės, prizmės, diafragmos, optiškai aktyvios medžiagos, įtrauktos į įvairius optinius prietaisus (interferometrus, poliarizatorius, moduliatorius ir kt.).

Kita vertus, spinduliuotė iš optinio spektro srities turi bendrus įvairių terpių perdavimo modelius, kuriuos galima gauti naudojant geometrinę optiką, plačiai naudojamą tiek optinių įrenginių, tiek optinio signalo sklidimo kanalų skaičiavimams ir konstravimui.

Optinis spektras užima elektromagnetinių bangų ilgių diapazoną nuo 210 -6 m = 2 μm iki 10 -8 m = 10 nm (dažnis nuo 1,510 14 Hz iki 310 16 Hz). Viršutinė optinio diapazono riba nustatoma pagal infraraudonųjų spindulių diapazono ilgųjų bangų ribą ir apatinė trumpųjų bangų ultravioletinių spindulių riba(2.14 pav.).

Optinis dažnių juostos plotis yra maždaug 18 oktavų 1 , kurio optinis diapazonas sudaro maždaug vieną oktavą (); ultravioletiniams spinduliams - 5 oktavos (), infraraudonajai spinduliuotei - 11 oktavų (

Optinėje spektro dalyje reikšmingi tampa reiškiniai, kuriuos sukelia atominė medžiagos sandara. Dėl šios priežasties kartu su optinės spinduliuotės banginėmis savybėmis atsiranda ir kvantinės savybės.

Rentgeno ir gama spinduliuotė.

Rentgeno ir gama spinduliuotės srityje išryškėja kvantinės spinduliuotės savybės.

Rentgeno spinduliuotė atsiranda greitai įkraunamų dalelių (elektronų, protonų ir kt.) lėtėjimo metu, taip pat dėl ​​procesų, vykstančių atomų elektroniniuose apvalkaluose.

Gama spinduliuotė yra atominių branduolių viduje vykstančių reiškinių, taip pat branduolinių reakcijų pasekmė. Riba tarp rentgeno ir gama spinduliuotės paprastai nustatoma pagal energijos kvanto dydį 2 , atitinkantis tam tikrą spinduliuotės dažnį.

Rentgeno spinduliuotę sudaro elektromagnetinės bangos, kurių ilgis nuo 50 nm iki 10 -3 nm, o tai atitinka kvantinę energiją nuo 20 eV iki 1 MeV.

Gama spinduliuotę sudaro elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis mažesnis nei 10 -2 nm, o tai atitinka kvantinę energiją, didesnę nei 0,1 MeV.

Elektromagnetinė šviesos prigimtis.

Šviesa reiškia matomą elektromagnetinių bangų spektro dalį, kurių bangos ilgiai užima intervalą nuo 0,4 µm iki 0,76 µm. Kiekvienam optinės spinduliuotės spektriniam komponentui galima priskirti tam tikrą spalvą. Optinės spinduliuotės spektrinių komponentų dažymas nustatomi pagal jų bangos ilgį. Spinduliuotės spalva keičiasi mažėjant jos bangos ilgiui: raudona, oranžinė, geltona, žalia, žalsvai mėlyna, indigo, violetinė.

Raudona šviesa, atitinkanti ilgiausią bangos ilgį, apibrėžia raudoną spektro galą. Violetinė šviesa – atitinka violetinį kraštą.

Natūrali šviesa nėra spalvotas ir yra viso matomo spektro elektromagnetinių bangų superpozicija. Natūrali šviesa atsiranda dėl sužadintų atomų skleidžiamų elektromagnetinių bangų. Sužadinimo pobūdis gali būti įvairus: terminis, cheminis, elektromagnetinis ir kt. Dėl sužadinimo atomai atsitiktinai skleidžia elektromagnetines bangas maždaug 10-8 sekundes. Kadangi atomų sužadinimo energijos spektras yra gana platus, elektromagnetinės bangos skleidžiamos iš viso regimo spektro, kurių pradinė fazė, kryptis ir poliarizacija yra atsitiktinės. Dėl šios priežasties natūrali šviesa nėra poliarizuota. Tai reiškia, kad natūralios šviesos elektromagnetinių bangų, turinčių viena kitai statmeną poliarizaciją, spektrinių komponentų „tankis“ yra vienodas.

Harmoninės elektromagnetinės bangos šviesos diapazone vadinamos vienspalvis. Viena iš pagrindinių monochromatinės šviesos bangos charakteristikų yra intensyvumas. Šviesos bangos intensyvumas reiškia vidutinę energijos srauto tankio vertę (1.25) neša banga:

kur yra Poyntingo vektorius.

Šviesos, plokštumos, monochromatinės bangos su elektrinio lauko amplitudės intensyvumo apskaičiavimas homogeninėje terpėje su dielektrine ir magnetine pralaidumu pagal formulę (1.35) atsižvelgiant į (1.30) Ir (1.32) suteikia:

kur yra terpės lūžio rodiklis; - vakuumo banginė varža.

Tradiciškai optiniai reiškiniai laikomi naudojant spindulius. Optinių reiškinių aprašymas naudojant spindulius vadinamas geometrinis-optinis. Geometrinėje optikoje sukurtos spindulių trajektorijų radimo taisyklės plačiai taikomos praktikoje optinių reiškinių analizei ir įvairių optinių instrumentų konstravimui.

Apibrėžkime spindulį, pagrįstą elektromagnetiniu šviesos bangų vaizdavimu. Visų pirma, spinduliai yra linijos, kuriomis sklinda elektromagnetinės bangos. Dėl šios priežasties sija yra tiesė, kurios kiekviename taške vidutinis elektromagnetinės bangos Poynting vektorius yra nukreiptas į šią tiesę.

Vienalytėse izotropinėse terpėse vidutinio Poyntingo vektoriaus kryptis sutampa su normalia bangos paviršiui (ekvifazis paviršius), t.y. palei bangos vektorių.

Taigi vienalytėse izotropinėse terpėse spinduliai yra statmeni atitinkamam elektromagnetinės bangos bangos frontui.

Pavyzdžiui, apsvarstykite taškinio vienspalvio šviesos šaltinio skleidžiamus spindulius. Geometrinės optikos požiūriu daugelis spindulių sklinda iš šaltinio taško radialine kryptimi. Iš šviesos elektromagnetinės esmės padėties iš šaltinio taško sklinda sferinė elektromagnetinė banga. Esant pakankamai dideliam atstumui nuo šaltinio, bangos fronto kreivumą galima nepaisyti, nes lokaliai sferinė banga yra plokščia. Padalijus bangos fronto paviršių į daugybę lokaliai plokščių atkarpų, per kiekvienos atkarpos centrą galima nubrėžti normalų, kuriuo sklinda plokštuminė banga, t.y. geometrinės-optinės interpretacijos spindulyje. Taigi abu požiūriai pateikia tą patį nagrinėjamo pavyzdžio aprašymą.

Pagrindinis geometrinės optikos uždavinys – rasti pluošto kryptį (trajektoriją). Trajektorijos lygtis randama išsprendus variacinį vadinamojo minimumo radimo uždavinį. veiksmus norimomis trajektorijomis. Nesigilindami į griežtą šios problemos formulavimą ir sprendimą, galime daryti prielaidą, kad spinduliai yra trumpiausio bendro optinio ilgio trajektorijos. Šis teiginys yra Ferma principo pasekmė.

Variacinis požiūris nustatant spindulių trajektoriją gali būti taikomas ir nehomogeninėms terpėms, t.y. tokios terpės, kuriose lūžio rodiklis yra terpės taškų koordinačių funkcija. Jei funkcija apibūdina bangos fronto paviršiaus formą nehomogeninėje terpėje, tada ją galima rasti remiantis dalinės diferencialinės lygties, žinomos kaip eikonalinė lygtis, o analitinėje mechanikoje kaip lygtis Hamiltonas – Jacobi:

Taigi elektromagnetinės teorijos geometrinio-optinio aproksimacijos matematinį pagrindą sudaro įvairūs spindulių elektromagnetinių bangų laukų nustatymo metodai, pagrįsti eikonaline lygtimi ar kitu būdu. Geometrinė-optinė aproksimacija plačiai naudojama praktikoje radijo elektronikoje skaičiuojant vadinamąjį. kvazioptinės sistemos.

Apibendrinant pažymime, kad galimybė vienu metu aprašyti šviesą tiek iš bangų pozicijų, sprendžiant Maksvelo lygtis, tiek naudojant spindulius, kurių kryptis nustatoma pagal Hamiltono-Jacobi lygtis, apibūdinančias dalelių judėjimą, yra viena iš dualizmo apraiškų. šviesos, kuri, kaip žinoma, paskatino suformuluoti pagrindinius kvantinės mechanikos principus.