Elektromanyetik radyasyon spektrum tablosu. Elektromanyetik radyasyon spektrumu

Teori, elektromanyetik radyasyonun, elektrik yükleri düzensiz hareket ettiğinde, hızlandırıldığında oluştuğunu göstermektedir. Düzgün hareket eden (serbest) akış elektrik ücretleri yaymaz. Radyasyon yok elektromanyetik alan ve etki altında hareket eden yükler için sabit kuvvetörneğin manyetik alandaki bir daireyi tanımlayan yükler için.

İÇİNDE salınım hareketleri Hızlanma sürekli olarak değiştiğinden, elektrik yüklerinin titreşimleri elektromanyetik radyasyon üretir. Ek olarak, örneğin bir elektron ışını bir engele çarptığında (X-ışınlarının oluşumu) yüklerde keskin ve eşit olmayan bir yavaşlama olduğunda elektromanyetik radyasyon meydana gelecektir. Parçacıkların kaotik termal hareketinde elektromanyetik radyasyon da üretilir ( termal radyasyon). Dalgalanma

nükleer yük yaratıma yol açar elektromanyetik radyasyon y-ışınları olarak bilinir. Ultraviyole ışınları ve görünür ışık hareket tarafından üretilen atomik elektronlar. Elektrik yükü dalgalanmaları kozmik ölçek gök cisimlerinden radyo emisyonuna yol açar.

Elektromanyetik radyasyonun oluşmasıyla sonuçlanan doğal süreçlerle birlikte çeşitli özellikler, çeşitli var deneysel olanaklar elektromanyetik radyasyonun yaratılması üzerine.

Elektromanyetik radyasyonun temel özelliği frekansıdır (eğer hakkında konuşuyoruz O harmonik titreşim) veya frekans bandı. Bir ilişki kullanarak radyasyonun frekansını vakumdaki elektromanyetik dalganın uzunluğuna göre yeniden hesaplamak elbette yanlıştır.

Radyasyonun yoğunluğu frekansın dördüncü kuvvetiyle orantılıdır. Bu nedenle dalga boyları yüzlerce kilometreye ulaşan çok düşük frekanslı radyasyonun takibi mümkün değildir. Pratik radyo aralığı, bilindiği gibi, büyüklük sırasına göre dalga boyları ile başlar; bu, büyüklük sırasına göre orta aralık, onlarca metre olarak adlandırılan dalga boyları sırasına göre frekanslara karşılık gelir - bu zaten kısa dalgalar. Ultra kısa dalgalar(VHF) bizi normal radyo aralığının dışına çıkarır; Birkaç metre mertebesinde dalga boyları ve bir metrenin bir santimetreye kadar olan kesirleri (yani televizyon ve radarda büyüklük mertebesindeki frekanslar kullanılır).

Daha da kısa elektromanyetik dalgalar 1924'te Glagoleva-Arkadyeva tarafından elde edildi. Jeneratör olarak kullandı elektrik kıvılcımları, yağda asılı kalanlar arasında kayan demir talaşı, ve Buraya kadar uzunlukta alınan dalgalar, termal radyasyonun dalga boyları ile örtüşmeye zaten ulaşılmıştır.

Görünür ışığın kısmı çok küçüktür: yalnızca cm'den cm'ye kadar olan dalga boylarını kaplar. Ardından, gözle görülemeyen, ancak fiziksel cihazlar tarafından çok iyi kaydedilen ultraviyole ışınlar gelir. Bunlar cm'den cm'ye kadar olan dalga boylarıdır.

Ultraviyole ışınlarını X ışınları takip eder. Dalga boyları cm'den cm'ye kadar değişir. Dalga boyu ne kadar kısa olursa, X-ışınları maddeler tarafından o kadar zayıf emilir. En kısa dalga boyuna ve en nüfuz edici elektromanyetik radyasyona y-ışınları (cm ve altındaki dalga boyları) adı verilir.

Listelenen elektromanyetik radyasyonun herhangi bir türünün özellikleri, aşağıdaki ölçümlerin yapılması durumunda kapsamlı olacaktır. Her şeyden önce, şu ya da bu yöntemle elektromanyetik radyasyonun bir spektruma ayrıştırılması gerekir. Işık durumunda, ultraviyole ışınları ve kızılötesi radyasyon, bu bir prizma tarafından kırılma yoluyla veya radyasyonun içinden geçirilmesiyle yapılabilir. kırınım ızgarası(aşağıya bakın). X-ışınları ve gama ışınları durumunda, spektruma ayrıştırma kristalden yansımayla elde edilir (bkz. sayfa 351). Dalgalar

Radyo aralığı rezonans olgusu kullanılarak bir spektruma ayrıştırılır.

Ortaya çıkan radyasyon spektrumu sürekli veya çizgili olabilir, yani sürekli olarak belirli bir frekans bandını doldurabilir veya son derece dar bir frekans aralığına karşılık gelen bireysel keskin çizgilerden de oluşabilir. İlk durumda, spektrumu karakterize etmek için, frekansın (dalga boyu) bir fonksiyonu olarak bir yoğunluk eğrisi belirlemek gerekir; ikinci durumda, spektrum, içinde bulunan tüm çizgilerin frekanslarını ve işaretlerini belirterek tanımlanacaktır; yoğunluklar.

Deneyimler, belirli bir frekans ve yoğunluktaki elektromanyetik radyasyonun polarizasyon durumunda farklılık gösterebileceğini göstermektedir. O dalgalarla birlikte elektrik vektör birlikte salınır belli bir çizgi(doğrusal polarize dalgalar), ışının ekseni etrafında birbirine göre döndürülmüş doğrusal polarize dalgaların üst üste bindirildiği radyasyonla uğraşmak zorundayız. Radyasyonu kapsamlı bir şekilde karakterize etmek için polarizasyonunu belirtmek gerekir.

Lütfen en yavaş için bile unutmayın elektromanyetik titreşimler elektriği ölçme fırsatından mahrum kalıyoruz ve manyetik vektörler dalgalar. Yukarıda çizilen saha resimleri doğası gereği teoriktir. Bununla birlikte, tüm elektromanyetik teorinin sürekliliği ve bütünlüğü göz önüne alındığında, bunların doğruluğu konusunda hiçbir şüphe yoktur.

Belirli bir radyasyon türünün elektromanyetik dalgalara ait olduğu ifadesi her zaman dolaylıdır. Bununla birlikte, hipotezlerden kaynaklanan sonuçların sayısı o kadar büyüktür ve birbirleriyle o kadar tutarlı bir uyum içindedirler ki, hipotez elektromanyetik spektrum uzun zamandır yakın gerçekliğin tüm özelliklerini kazanmıştır.

Ayrı bir makalede sunulan;

Görünür ışıktan farklı olarak bir maddenin gama ışınlarına karşı şeffaflığı şunlara bağlı değildir: kimyasal form Ve toplama durumu madde, ancak esas olarak maddeyi oluşturan çekirdeklerin yükünden ve gama ışınlarının enerjisinden. Bu nedenle, bir madde katmanının gama ışınlarına yönelik soğurma kapasitesi, ilk yaklaşımla şu şekilde karakterize edilebilir: yüzey yoğunluğu(g/cm² cinsinden). Uzun zaman Ancak γ-ışınları için ayna ve merceklerin yaratılmasının imkansız olduğuna inanılıyordu. son araştırma bu alanda γ ışınlarının kırılması mümkündür. Bu keşif, yeni bir optik dalının (γ-optik) yaratılması anlamına gelebilir.

Gama radyasyonu için kesin bir alt sınır yoktur, ancak genellikle gama kuantumunun çekirdek tarafından, X-ışını kuantumunun ise atomun elektron kabuğu tarafından yayıldığına inanılır (bu yalnızca terminolojik bir farktır ve bu durumu etkilemez). fiziksel özellikler radyasyon).

X-ışını radyasyonu

• 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) ila 0,01 nm = 0,1 Å (124.000 eV) arası - zor x-ışını radyasyonu . Kaynaklar: bazı nükleer reaksiyonlar, katot ışın tüpleri.
• 10 nm (124 eV) ila 0,1 nm = 1 Å (12.400 eV) - yumuşak röntgenler. Kaynaklar: katot ışın tüpleri, termal plazma radyasyonu.

X-ışını kuantumu esas olarak elektron geçişleri sırasında yayılır elektron kabuğu ağır atomlar alçak yörüngelere yerleşir. Alçakta bulunan yörüngelerdeki boşluklar genellikle elektron etkisi ile yaratılır. Bu şekilde üretilen X-ışınları çizgi spektrumu Belirli bir atomun karakteristik frekansları ile (bkz. karakteristik radyasyon); bu özellikle maddelerin bileşiminin incelenmesine olanak tanır (x-ışını floresans analizi). Termal, bremsstrahlung ve sinkrotron X-ışınları sürekli bir spektruma sahiptir.

X-ışınlarında kristal kafeslerin uzunlukları nedeniyle kırınım gözlenir. elektromanyetik dalgalar bu frekanslarda periyotlara yakındır kristal kafesler. X-ışını kırınım analizinin yöntemi buna dayanmaktadır.

Ultraviyole radyasyon

Aralık: 400 nm (3,10 eV) ila 10 nm (124 eV)

Optik radyasyon

Optik aralıktaki radyasyon (görünür ışık ve yakın kızılötesi radyasyon [ ]) atmosferden serbestçe geçer ve optik sistemlerde kolaylıkla yansıtılıp kırılabilir. Kaynaklar: termal radyasyon (Güneş dahil), floresans, kimyasal reaksiyonlar, LED'ler.

Renkler görünür radyasyon monokromatik radyasyona karşılık gelenlere spektral denir. Spektrum ve spektral renkler dar bir geçitten geçerken görülebilir ışık huzmesi bir prizma veya başka bir kırılma ortamı aracılığıyla. Geleneksel olarak görünür spektrum sırasıyla renk aralıklarına bölünür:

Yakın kızılötesi radyasyon 207 THz (0,857 eV) ila 405 THz (1,68 eV) aralığını kaplar. Üst sınır insan gözünün kırmızı rengi algılama yeteneği ile belirlenir ve bu, duruma göre değişir. farklı insanlar. Kural olarak, yakınlarda şeffaflık kızılötesi radyasyon görünür ışıkta şeffaflığa karşılık gelir.

Kızılötesi radyasyon

Kızılötesi radyasyon, görünür ışık ile terahertz radyasyonu arasında bulunur. Aralık: 2000 µm (150 GHz) ila 740 nm (405 THz).

Elektromanyetik radyasyonun tüm frekanslarının (dalga boylarının) kümesine elektromanyetik spektrum denir. 10 -10 ila 10 -1 m arasındaki dalga boyu aralığı bölgelere bölünmüştür (Şekil 2): ​​ultraviyole (UV) bölgesi ~10 - 380 nm aralığını kapsar; kızılötesi (IR) bölgesi 750-10 5 nm; En yaygın analitik yöntemlerde kullanılan görünür ışık, 380-750 nm'lik dar bir bölgeyi kaplar.

Aynı frekansa sahip foton akışına denir tek renkli, farklı frekanslarla - çok renkli. Akkor cisimlerden, özellikle de güneş ışığından gözlemlenen olağan radyasyon akışı çok renklidir.

Pirinç. 2. Elektromanyetik spektrumun bölgeleri

2. Maddenin yapısı ve spektrumların kökeni

Maddenin yapısıyla ilgili tüm konuların (kristalin ve kristalin olmayan cisimlerin yapısı, teori kimyasal bağ, atomların, moleküllerin ve çekirdeklerin yapısı), yalnızca spektroskopik analiz yöntemleriyle doğrudan ilgili olanlara odaklanacağız - bu, atomların ve moleküllerin yapısıdır.

2.1. Atomik yapı ve atom spektrumlarının kökeni

Atom, ~10-8 cm büyüklüğünde, yarıçapı ~10-12 cm olan pozitif yüklü bir çekirdek ve onun etrafında hareket eden negatif yüklü elektronlardan oluşan ayrı bir madde parçacığıdır. Elektronun hızı o kadar yüksektir ki atomda dalga özellikleri hakimdir. Hareket eden bir elektronun dalga boyu ~10-8 cm atomik boyutlarla karşılaştırılabilir, bu nedenle elektron, aşağıda yapıldığı gibi ayrı bir nesne olarak temsil edilemez. klasik fizikörneğin elektronların bir gaz deşarj tüpündeki hareketi sırasında. Elektron, adeta bir dalga şeklinde atomun üzerine yayılmıştır ve biz ancak atomun içinde bir noktada bulunma olasılığından ya da negatif yük yoğunluğunun çekirdek etrafındaki dağılımından söz edebiliriz. oldukça karmaşık olabilir.

Maksimum yük yoğunluğuna sahip bölgelere denir elektron yörüngeleri veya enerji seviyeleri, çünkü her yörünge belirli bir enerjiyle karakterize edilir. Tüm atomun enerji durumu esas olarak elektron yörüngelerinin enerjisi tarafından belirlenir.

Her elektron ve atom ve dolayısıyla enerji seviyesi dört kuantum sayısıyla tanımlanır: ana, ikincil, manyetik ve spin.

Baş kuantum sayısı n bir elektronun çekirdeğe olan mesafesini karakterize eder ve 1, 2, 3, ... değerlerini alır. n ne kadar büyükse, elektron yörüngesi çekirdekten o kadar uzaktır.

Yan kuantum sayısıben yörüngenin şeklini belirler ve harflerle gösterilen 0, 1, 2, 3, ... değerlerini alır S, P,D, F, .... Hareket eden bir elektronun açısal momentumu vardır. Şu tarihte: ben= 0 açısal momentum sıfıra eşit ve elektrik yükü kürenin üzerine yayılır. ben= 1 yörünge dambıl şeklindedir.

Manyetik kuantum sayısı t Yörüngenin uzaydaki konumunu karakterize eder ve değerleri alır – ben ile ben. Şu tarihte: ben = 0 manyetik kuantum sayısı sıfırdır, ben= 1 -1, 0, +1 değerlerini alır ve dambıl şeklindeki yörüngeler dikdörtgen koordinat sisteminin eksenleri boyunca yer alır.

Spin kuantum sayısı ms'nin -1/2 ve +1/2'ye eşit olması elektronun kendi açısal momentumunu yansıtır.

Pauli ilkesine göre, bir atom aynı kuantum sayılarına sahip iki elektrona sahip olamaz (en az bir sayı farklı olmalıdır). Aksi takdirde itici kuvvetler bunlardan birini farklı bir yörüngeye “itecektir”. Bu nedenle çok elektronlu bir atom karmaşık bir yapıya sahiptir: aynı ana elektronlara sahip elektronlar kuantum sayıları/1 = 1, 2, 3, ... için sırasıyla K, L, M, ... harfleriyle gösterilen elektron katmanları-kabukları (seviyeleri) oluşturur ve aynı yan kuantum sayılarına sahip elektronlar alt kabukları (alt düzeyler) oluşturur ) bir kabuk içinde. Elektronlar farklı anlamlar ben Ve T, ama aynısıyla N enerji bakımından eşit (dejenere) ortaya çıkabilir, ancak herhangi bir dış alana (elektrik, manyetik vb.) maruz bırakıldığında dejenerasyon ortadan kalkar.

Radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar çeşitli elektromanyetik radyasyon türleri vardır. Elektromanyetik ışınlar tüm türler boşlukta ışık hızında yayılır ve birbirlerinden yalnızca dalga boyları bakımından farklılık gösterir

1859 spektroskopisi

1864 Maxwell denklemleri

1864 SPEKTRUM

ELEKTROMANYETİK RADYASYON

1900 radyasyon

Siyah gövde

Maxwell denklemlerinin ortaya çıkmasından sonra, bunların bilim tarafından bilinmeyen bir şeyin varlığını öngördüğü anlaşıldı. doğal fenomen- uzayda ışık hızında yayılan, birbirine bağlı elektrik ve manyetik alanların salınımları olan enine elektromanyetik dalgalar. James Clark Maxwell, türettiği denklem sisteminin bu sonucunu bilim camiasına ilk kez belirten kişiydi. Bu kırılmada, elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızının o kadar önemli ve temel bir evrensel sabit olduğu ortaya çıktı ki, ayrı mektup c, genellikle v harfiyle gösterilen diğer tüm hızların aksine.

Bu keşfi yaptıktan sonra Maxwell, görünür ışığın "yalnızca" bir tür elektromanyetik dalga olduğunu hemen belirledi. O zamana kadar, spektrumun görünür kısmındaki ışık dalgalarının dalga boyları biliniyordu - 400 nm'den (mor ışınlar) 800 nm'ye (kırmızı ışınlar). (Nanometre, metrenin milyarda birine eşit olan bir uzunluk birimidir. atom fiziği ve ışın fiziği; 1 nm = 10 -9 m.) Gökkuşağının tüm renkleri, bu çok dar sınırlar içinde kalan farklı dalga boylarına karşılık gelir. Ancak Maxwell denklemleri elektromanyetik dalga boylarının olası aralığına ilişkin herhangi bir kısıtlama içermiyordu. Elektromanyetik dalgaların çok farklı uzunluklarda olması gerektiği ortaya çıkınca, aslında hemen insan gözünün bunların uzunluk ve frekanslarından oluşan bu kadar dar bir bandı ayırt edebildiği gerçeğiyle ilgili bir karşılaştırma ortaya atıldı: İnsan, bir senfoni konseri dinleyicisine benzetiliyordu. işitme yeteneği yalnızca keman kısmını yakalayabilen, diğer tüm sesleri ayırt edemeyen.

Maxwell'in diğer spektral aralıklarda elektromanyetik dalgaların varlığına ilişkin öngörüsünden kısa bir süre sonra, onun doğruluğunu doğrulayan bir dizi keşif takip etti. Radyo dalgaları, 1888'de Alman fizikçi Heinrich Hertz (1857-1894) tarafından keşfedilen ilk dalgalardı. Radyo dalgaları ile ışık arasındaki tek fark, radyo dalgalarının uzunluğunun birkaç desimetreden binlerce kilometreye kadar değişebilmesidir. Maxwell'in teorisine göre elektromanyetik dalgaların nedeni, elektrik yüklerinin hızlanan hareketidir. Alternatif etkisi altında elektronların titreşimleri elektrik voltajı Bir radyo vericisinin anteni, içinde yayılan elektromanyetik dalgalar yaratır. dünyanın atmosferi. Diğer tüm elektromanyetik dalga türleri de aşağıdakilerden kaynaklanır: çeşitli türler elektrik yüklerinin hızlandırılmış hareketi.

Işık dalgaları gibi radyo dalgaları da yayılabilir uzun mesafeler Dünya atmosferinde bulunurlar ve bu da onları kodlanmış bilginin en kullanışlı taşıyıcıları yapar. Zaten 1894'ün başında, sadece beş saniye sonra küçük yaşında Radyo dalgalarının keşfinden sonra İtalyan mühendis-fizikçi Guglielmo Marconi (1874-1937) radyo dalgalarını tasarladı.

10" 10" 10* 10" 1

10 10* 10*

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

- 10"" X-ışını

ışınlar - 10 -i*

- 10""

- 10"

- 1(G"

- 1<Г"

Gama ışınları

Elektromanyetik dalgalar, radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar geleneksel aralıklara bölünmüş sürekli bir dalga boyu ve enerji spektrumu (frekanslar) oluşturur.

Çalışan ilk kablosuz telgraf - modern radyonun prototipi - ve 1909'da Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Maxwell denklemleriyle tahmin edilen görünür spektrumun dışındaki elektromanyetik dalgaların varlığı deneysel olarak doğrulandıktan sonra spektrumun geri kalan boşlukları çok hızlı bir şekilde doldu. Günümüzde istisnasız her aralıkta elektromanyetik dalgalar keşfedilmiş olup, bunların neredeyse tamamı bilim ve teknolojide geniş ve yararlı uygulamalar bulmaktadır. Dalgaların frekansları ve karşılık gelen elektromanyetik radyasyon kuantumlarının enerjileri (bkz. Plank sabiti), dalga boyu azaldıkça artar. Tüm elektromanyetik dalgaların toplamı, elektromanyetik radyasyonun sürekli spektrumu olarak adlandırılan alanı oluşturur. Aşağıdaki aralıklara bölünmüştür (artan frekans ve azalan dalga boyu sırasına göre):

Radyo dalgaları

Daha önce belirtildiği gibi, radyo dalgalarının uzunluğu önemli ölçüde değişebilir - birkaç santimetreden yüzlerce ve hatta binlerce kilometreye kadar, bu da dünyanın yarıçapıyla (yaklaşık 6400 km) karşılaştırılabilir. Tüm radyo bantlarının dalgaları teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır - desimetre ve ultra kısa metre dalgaları, frekans modülasyonlu (VHF/UB) ultra kısa dalga aralığında televizyon ve radyo yayıncılığı için kullanılır ve doğrudan dalga yayılım alanı içinde yüksek kaliteli sinyal alımı sağlar. Metre ve kilometre aralığındaki radyo dalgaları, sinyal kalitesinden ödün verilmesine rağmen yansıma nedeniyle Dünya içinde keyfi olarak büyük mesafeler üzerinden iletilmesini sağlayan genlik modülasyonu (AM) kullanılarak uzun mesafelerde radyo yayını ve radyo iletişimi için kullanılır. Gezegenin iyonosferinden gelen dalgalar. Ancak günümüzde uydu iletişiminin gelişmesiyle birlikte bu tür iletişim geçmişte kaldı. Desimetre aralığındaki dalgalar, metre dalgaları gibi dünya ufku etrafında bükülemez; bu, alım alanını, antenin yüksekliğine ve vericinin gücüne bağlı olarak birkaç ila birkaç on kilometre arasında değişen doğrudan yayılma bölgesiyle sınırlar. . Ve burada uydu tekrarlayıcılar, iyonosferin metre dalgalarıyla ilişkili olarak oynadığı radyo dalgası reflektörlerinin rolünü üstlenerek kurtarmaya geliyor.

Mikrodalga

Ultra yüksek frekans (UHF) aralığındaki mikrodalgalar ve radyo dalgalarının uzunluğu 300 mm ila 1 mm arasındadır. Desimetre ve metre radyo dalgaları gibi santimetre dalgaları da pratikte atmosfer tarafından emilmez ve bu nedenle uydularda yaygın olarak kullanılır.

kovaya ve hücresel iletişim ve diğer telekomünikasyon sistemleri. Tipik bir uydu anteninin boyutu, bu tür dalgaların birkaç dalga boyuna eşittir.

Daha kısa mikrodalga dalgalarının birçok endüstriyel ve evsel uygulaması da vardır. Artık hem endüstriyel fırınlarda hem de ev mutfaklarında bulunan mikrodalga fırınlardan bahsetmek yeterli. Mikrodalga fırının çalışması, klistron adı verilen bir cihazdaki elektronların hızlı dönüşüne dayanır. Sonuç olarak elektronlar, su molekülleri tarafından kolayca emildikleri belirli bir frekansta elektromanyetik mikrodalga dalgaları yayarlar. Yiyeceği mikrodalga fırına koyduğunuzda, yiyeceğin içindeki su molekülleri mikrodalgalardan gelen enerjiyi emer, daha hızlı hareket eder ve dolayısıyla yiyeceği ısıtır. Başka bir deyişle, yiyeceğin dışarıdan ısıtıldığı geleneksel fırın veya fırından farklı olarak, mikrodalga fırın onu içeriden ısıtır.

Kızılötesi ışınlar

Elektromanyetik spektrumun bu kısmı, 1 milimetreden sekiz bin atom çapına (yaklaşık 800 nm) kadar dalga boylarına sahip radyasyonu içerir. Bir kişi, spektrumun bu kısmının ışınlarını doğrudan deri yoluyla - ısı olarak hisseder. Elinizi ateşe veya sıcak bir cisme doğru uzattığınızda, ondan yayılan ısıyı hissederseniz, kızılötesi radyasyonu ısı olarak algılarsınız. Bazı hayvanlarda (örneğin yuva engerekleri), sıcak kanlı avın yerini vücudunun kızılötesi radyasyonuyla belirlemelerine olanak tanıyan duyu organları bile vardır.

Dünya yüzeyindeki çoğu nesne kızılötesi dalga boyu aralığında enerji yaydığından, kızılötesi dedektörler modern algılama teknolojilerinde önemli bir rol oynamaktadır. Gece görüş cihazlarının kızılötesi göz mercekleri, insanların "karanlıkta görmesini" sağlar ve onların yardımıyla sadece insanları değil, aynı zamanda gün içinde ısınan ve geceleri ısısını çevreye veren ekipman ve yapıları da tespit etmek mümkündür. Kızılötesi ışınlar şeklinde çevre. Kızılötesi ışın dedektörleri, kurtarma hizmetleri tarafından, örneğin depremlerden veya diğer doğal ve insan yapımı felaketlerden sonra enkaz altında yaşayan insanları tespit etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Görünür ışık

Daha önce de belirtildiği gibi, görünür ışık aralığındaki elektromanyetik dalgaların uzunlukları, sekiz ila dört bin atom çapı (800-400 nm) arasında değişmektedir. İnsan gözü bu aralıktaki elektromanyetik dalgaları kaydetmek ve analiz etmek için ideal bir araçtır. Bunun iki nedeni var. İlk olarak, belirtildiği gibi, spektrumun görünür kısmındaki dalgalar, kendilerine karşı şeffaf olan bir atmosferde neredeyse hiçbir engelle karşılaşmadan yayılır. İkincisi, güneş yüzeyinin sıcaklığı (yaklaşık 5000°C), güneş ışınlarının tepe enerjisi tam olarak spektrumun görünür kısmına düşecek şekildedir. Böylece ana enerji kaynağımız görünür ışık aralığında çok büyük miktarda enerji yayar ve etrafımızdaki ortam bu radyasyona karşı büyük ölçüde şeffaftır. Bu nedenle, evrim sürecinde insan gözünün elektromanyetik dalga spektrumunun bu bölümünü tam olarak yakalayacak ve tanıyacak şekilde oluşması şaşırtıcı değildir.

Görünür elektromanyetik ışınlar aralığında fiziksel açıdan özel bir şeyin olmadığını bir kez daha vurgulamak istiyorum. Yayılan dalgaların geniş bir spektrumunda sadece dar bir şerittir (şekle bakın). Bizim için bu, insan beyni, spektrumun bu özel bölümündeki elektromanyetik dalgaları tanımlayacak ve analiz edecek bir araçla donatıldığı sürece çok önemlidir.

Ultraviyole ışınları

Ultraviyole ışınlar, birkaç bin ila birkaç atom çapı (400-10 nm) arasında dalga boyuna sahip elektromanyetik radyasyon içerir. Spektrumun bu bölümünde radyasyon, canlı organizmaların işleyişini etkilemeye başlar. Örneğin güneş spektrumundaki hafif ultraviyole ışınlar (dalga boyları spektrumun görünür kısmına yaklaşan), orta dozlarda bronzlaşmaya, aşırı dozlarda ise ciddi yanıklara neden olur. Sert (kısa dalga) ultraviyole radyasyon biyolojik hücrelere zarar verir ve bu nedenle özellikle tıpta cerrahi aletleri ve tıbbi ekipmanı sterilize etmek ve yüzeylerindeki tüm mikroorganizmaları öldürmek için kullanılır.

Dünyadaki tüm yaşam, güneş radyasyonu spektrumundaki sert ultraviyole ışınların çoğunu emen dünya atmosferinin ozon tabakası tarafından sert ultraviyole radyasyonun zararlı etkilerinden korunur (bkz. ozon deliği). Bu doğal kalkan olmasaydı, Dünya Okyanusu'nun sularından Dünya'daki yaşamın ortaya çıkması pek mümkün olmazdı. Ancak koruyucu ozon tabakasına rağmen sert ultraviyole ışınlarının bir kısmı Dünya yüzeyine ulaşarak, özellikle doğal olarak solgunluğa yatkın olan ve güneşte iyi bronzlaşamayan kişilerde cilt kanserine neden olabiliyor.

X ışınları

Birkaç atom çapından atom çekirdeğinin birkaç yüz çapına kadar olan dalga boyu aralığındaki radyasyona X-ışını denir. X ışınları vücudun yumuşak dokularına nüfuz eder ve bu nedenle tıbbi teşhiste vazgeçilmezdir.

işaretleyin. Radyo dalgalarında olduğu gibi, bunların 1895'teki keşfi ile Paris'teki bir hastanede ilk röntgen filminin alınmasıyla işaretlenen pratik kullanımın başlangıcı arasındaki zaman aralığı birkaç yıl sürdü. (O dönemde Paris gazetelerinin, X ışınlarının giysilere nüfuz edebileceği fikrine o kadar hayran olduklarını ve benzersiz tıbbi uygulamaları hakkında neredeyse hiçbir şey yazmadıklarını belirtmek ilginçtir.)

Gama ışınları

Elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boylu, en yüksek frekanslı ve enerjili ışınlar y-ışınlarıdır (gamma ışınları). Ultra yüksek enerjili fotonlardan oluşurlar ve günümüzde onkolojide kanser tümörlerini tedavi etmek (veya daha doğrusu kanser hücrelerini öldürmek) için kullanılmaktadırlar. Ancak canlı hücreler üzerindeki etkileri o kadar yıkıcıdır ki, çevredeki sağlıklı doku ve organlara zarar vermemek için son derece dikkatli olunması gerekir.

Sonuç olarak, tanımlanan tüm elektromanyetik radyasyon türlerinin kendilerini dışarıdan farklı şekilde gösterseler de, özünde ikiz olduklarını bir kez daha vurgulamak önemlidir. Spektrumun herhangi bir kısmındaki tüm elektromanyetik dalgalar, bir boşlukta veya ortamda yayılan elektrik ve manyetik alanların enine salınımlarını temsil eder; hepsi bir boşlukta ışık c hızında yayılır ve birbirlerinden yalnızca dalga boyu bakımından farklılık gösterir ve sonuç olarak , taşıdıkları enerjide. Geriye sadece adlandırdığım aralık sınırlarının doğası gereği oldukça keyfi olduğunu eklemek kalıyor (ve diğer kitaplarda büyük olasılıkla sınır dalga boylarının biraz farklı değerleri ile karşılaşacaksınız). Özellikle, uzun dalga boylarına sahip mikrodalga emisyonları sıklıkla ve doğru bir şekilde radyo dalgalarının ultra yüksek frekans aralığında sınıflandırılır. Sert ultraviyole ve yumuşak X-ışınları arasında ve ayrıca sert X-ışınları ile yumuşak gama radyasyonu arasında net sınırlar yoktur.

Spektroskopi

Bir maddede kimyasal elementlerin atomlarının varlığı, emisyon veya absorpsiyon spektrumundaki karakteristik çizgilerin varlığıyla belirlenebilir.

Elektromanyetik dalgaların spektrumu.

Elektromanyetik dalgalar lambda dalga boylarına veya ilgili f dalgası frekansına göre sınıflandırılır. Bu parametrelerin yalnızca dalgayı değil aynı zamanda elektromanyetik alanın kuantum özelliklerini de karakterize ettiğini de belirtelim. Buna göre, ilk durumda, elektromanyetik dalga bu ciltte incelenen klasik yasalarla, ikinci durumda ise bu kılavuzun 5. cildinde incelenen kuantum yasalarıyla açıklanmaktadır.

Elektromanyetik dalgaların spektrumu kavramını ele alalım. Elektromanyetik dalgaların spektrumu doğada var olan elektromanyetik dalgaların frekans bandıdır.

Artan frekans sırasına göre elektromanyetik radyasyon spektrumu:

1) Radyo dalgaları;

2) Kızılötesi radyasyon;

3) Işık radyasyonu;

4) X-ışını radyasyonu;

5) Gama radyasyonu.

Elektromanyetik spektrumun farklı kısımları, spektrumun bir veya başka bir kısmına ait dalgaları yayma ve alma biçimleri bakımından farklılık gösterir. Bu nedenle elektromanyetik spektrumun farklı bölümleri arasında keskin sınırlar yoktur.

Radyo dalgaları klasik elektrodinamik tarafından incelenir. Kızılötesi ışık ve ultraviyole radyasyon hem klasik optik hem de kuantum fiziği tarafından incelenmektedir. X-ışını ve gama radyasyonu kuantum ve nükleer fizikte incelenir.

Elektromanyetik dalgaların spektrumunu daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Radyo dalgaları.

Radyo dalgaları uzunlukları 0,1 mm'yi aşan elektromanyetik dalgalardır (frekans 3 10 12 Hz = 3000 GHz'den az).

Radyo dalgaları ikiye ayrılır:

1. Dalga boyu 10 km'den büyük olan ultra uzun dalgalar (frekans 3 10 4 Hz = 30 kHz'den az);

2. Uzunluğu 10 km ile 1 km arasında değişen uzun dalgalar (frekans 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz aralığındadır);

3. Uzunluğu 1 km'den 100 m'ye kadar olan orta dalgalar (frekans 3 10 5 Hz -310 6 Hz = 3 MHz aralığında);

4. 100m ila 10m dalga boyu aralığındaki kısa dalgalar (frekans 310 6 Hz-310 7 Hz=30 MHz aralığında);

5. Dalga boyu 10 m'den az olan ultra kısa dalgalar (frekans 310 7 Hz = 30 MHz'den büyük).

Ultra kısa dalgalar ise şu şekilde ayrılır:

a) metre dalgaları;

b) santimetre dalgalar;

c) milimetre dalgaları;

d) milimetre altı veya mikrometre.

Dalga boyu 1 m'den (frekansı 300 MHz'den az) küçük olan dalgalara mikrodalga veya ultra yüksek frekanslı dalgalar (mikrodalga dalgaları) adı verilir.

Radyo aralığının dalga boylarının atomların boyutuna kıyasla büyük olması nedeniyle, radyo dalgalarının yayılımı ortamın atomik yapısı dikkate alınmadan düşünülebilir; Maxwell'in teorisini oluştururken alışılmış olduğu gibi fenomenolojik olarak. Radyo dalgalarının kuantum özellikleri, yalnızca spektrumun kızılötesi kısmına bitişik en kısa dalgalar için ve sözde yayılım sırasında ortaya çıkar. atomların ve moleküllerin içindeki elektron salınımlarının zamanıyla karşılaştırılabilecek, 10 -12 saniye - 10 -15 saniye civarında bir süreye sahip ultra kısa darbeler.

Kızılötesi ve ışık radyasyonu.

Kızılötesi, ışık, içermek ultraviyole, radyasyon miktarları elektromanyetik dalga spektrumunun optik bölgesi kelimenin geniş anlamıyla. Listelenen dalgaların spektral bölgelerinin yakınlığı, araştırma ve pratik uygulamaları için kullanılan yöntem ve araçların benzerliğini belirledi. Tarihsel olarak, çeşitli optik cihazlarda (interferometreler, polarizörler, modülatörler vb.) yer alan mercekler, kırınım ızgaraları, prizmalar, diyaframlar ve optik olarak aktif maddeler bu amaçlar için kullanılmıştır.

Öte yandan, spektrumun optik bölgesinden gelen radyasyon, hem optik cihazların hem de optik sinyal yayılım kanallarının hesaplamaları ve yapımında yaygın olarak kullanılan, geometrik optikler kullanılarak elde edilebilen çeşitli ortamların genel iletim modellerine sahiptir.

Optik spektrum, 210 -6 m = 2 μm ila 10 -8 m = 10 nm (frekans 1,510 14 Hz ila 310 16 Hz) aralığındaki elektromanyetik dalga boyları aralığını kaplar. Optik aralığın üst sınırı kızılötesi aralığın uzun dalga sınırı tarafından belirlenir ve alt kısa dalga ultraviyole sınırı(Şekil 2.14).

Frekansa göre optik bant genişliği yaklaşık 18 oktavdır 1 , bunun optik aralığı yaklaşık olarak bir oktav()'a karşılık gelir; ultraviyole için - 5 oktav (), kızılötesi radyasyon için - 11 oktav (

Spektrumun optik kısmında maddenin atomik yapısından kaynaklanan olaylar önem kazanmaktadır. Bu nedenle optik radyasyonun dalga özelliklerinin yanı sıra kuantum özellikleri de ortaya çıkar.

X-ışını ve gama radyasyonu.

X-ışını ve gama radyasyonu alanında radyasyonun kuantum özellikleri ön plana çıkmaktadır.

X-ışını radyasyonu hızlı yüklü parçacıklar (elektronlar, protonlar vb.) yavaşladığında ve ayrıca atomların elektronik kabuklarında meydana gelen süreçlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Gama radyasyonu atom çekirdeği içinde meydana gelen olayların yanı sıra nükleer reaksiyonların bir sonucudur. X-ışını ve gama radyasyonu arasındaki sınır geleneksel olarak enerji kuantumunun büyüklüğü ile belirlenir. 2 belirli bir radyasyon frekansına karşılık gelir.

X-ışını radyasyonu, 20 eV'den 1 MeV'ye kadar bir kuantum enerjisine karşılık gelen, 50 nm'den 10-3 nm'ye kadar uzunluktaki elektromanyetik dalgalardan oluşur.

Gama radyasyonu, 0,1 MeV'den daha büyük bir kuantum enerjisine karşılık gelen, 10-2 nm'den daha düşük dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalardan oluşur.

Işığın elektromanyetik doğası.

Işık dalga boyları 0,4 µm ila 0,76 µm aralığını kaplayan elektromanyetik dalga spektrumunun görünür kısmını temsil eder. Optik radyasyonun her spektral bileşenine belirli bir renk atanabilir. Optik radyasyonun spektral bileşenlerinin renklendirilmesi dalga boylarına göre belirlenir. Dalga boyu azaldıkça radyasyonun rengi şu şekilde değişir: kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, camgöbeği, çivit mavisi, mor.

En uzun dalga boyuna karşılık gelen kırmızı ışık, spektrumun kırmızı ucunu tanımlar. Mor ışık - menekşe sınırına karşılık gelir.

Doğal ışık renkli değildir ve görünür spektrumun tamamındaki elektromanyetik dalgaların üst üste binmesini temsil eder. Doğal ışık, uyarılmış atomların elektromanyetik dalga yayması sonucu oluşur. Uyarma doğası farklı olabilir: termal, kimyasal, elektromanyetik vb. Uyarma sonucunda atomlar yaklaşık 10-8 saniye boyunca rastgele elektromanyetik dalgalar yayar. Atomların uyarılmasının enerji spektrumu oldukça geniş olduğundan, başlangıç ​​​​fazı, yönü ve polarizasyonu rastgele olan görünür spektrumun tamamından elektromanyetik dalgalar yayılır. Bu nedenle doğal ışık polarize değildir. Bu, karşılıklı dik polarizasyonlara sahip doğal ışığın elektromanyetik dalgalarının spektral bileşenlerinin "yoğunluğunun" aynı olduğu anlamına gelir.

Işık aralığındaki harmonik elektromanyetik dalgalara denir tek renkli. Tek renkli bir ışık dalgası için ana özelliklerden biri yoğunluktur. Işık dalgası yoğunluğu enerji akısı yoğunluğunun ortalama değerini temsil eder (1.25) dalganın taşıdığı:

Poynting vektörü nerede.

Formülü kullanarak dielektrik ve manyetik geçirgenliğe sahip homojen bir ortamda elektrik alan genliğine sahip bir ışık, düzlem, monokromatik dalganın yoğunluğunun hesaplanması (1.35) dikkate alarak (1.30) Ve (1.32) verir:

ortamın kırılma indisi nerede; - vakumun dalga empedansı.

Geleneksel olarak optik olaylar ışınlar kullanılarak değerlendirilir. Optik olayların ışınlar kullanılarak tanımlanmasına denir geometrik-optik. Geometrik optikte geliştirilen ışın yörüngelerini bulma kuralları, pratikte optik olayların analizinde ve çeşitli optik cihazların yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Işık dalgalarının elektromanyetik temsiline dayanarak bir ışın tanımlayalım. Her şeyden önce ışınlar, elektromanyetik dalgaların yayıldığı çizgilerdir. Bu nedenle ışın her noktasında bir elektromanyetik dalganın ortalama Poynting vektörünün bu çizgiye teğet olarak yönlendirildiği bir çizgidir.

Homojen izotropik ortamda, ortalama Poynting vektörünün yönü dalga yüzeyine (eş fazlı yüzey) normalle çakışır; dalga vektörü boyunca.

Böylece, homojen izotropik ortamda ışınlar, elektromanyetik dalganın karşılık gelen dalga cephesine diktir.

Örneğin, noktasal tek renkli bir ışık kaynağından yayılan ışınları düşünün. Geometrik optik açısından bakıldığında, birçok ışın kaynak noktasından radyal yönde yayılır. Işığın elektromanyetik özünün konumundan, kaynak noktasından küresel bir elektromanyetik dalga yayılır. Kaynaktan yeterince uzak bir mesafede, yerel küresel dalganın düz olduğu düşünüldüğünde dalga cephesinin eğriliği ihmal edilebilir. Dalga cephesinin yüzeyini çok sayıda yerel olarak düz bölümlere bölerek, her bölümün merkezinden boyunca bir düzlem dalganın yayıldığı bir normal çizmek mümkündür; geometrik-optik yorumlama ışınında. Dolayısıyla her iki yaklaşım da ele alınan örneğin aynı tanımını verir.

Geometrik optiğin asıl görevi ışının yönünü (yörünge) bulmaktır. Yörünge denklemi, sözde minimumu bulma varyasyon problemini çözdükten sonra bulunur. İstenilen yörüngelerde eylemler. Bu problemin kesin formülasyonu ve çözümünün ayrıntılarına girmeden, ışınların toplam optik uzunluğu en küçük olan yörüngeler olduğunu varsayabiliriz. Bu ifade Fermat ilkesinin bir sonucudur.

Işın yörüngesini belirlemeye yönelik değişken yaklaşım aynı zamanda homojen olmayan ortamlara da uygulanabilir; kırılma indisinin ortamdaki noktaların koordinatlarının bir fonksiyonu olduğu bu tür ortamlar. Eğer bir fonksiyon homojen olmayan bir ortamda dalga cephesinin yüzeyinin şeklini tanımlıyorsa, bu durumda kısmi diferansiyel denklemin çözümüne dayanarak bulunabilir. eikonal denklem ve analitik mekanikte denklem olarak Hamilton-Jacobi:

Bu nedenle, elektromanyetik teorinin geometrik-optik yaklaşımının matematiksel temeli, eikonal denklemi temel alarak veya başka bir şekilde ışınlar üzerindeki elektromanyetik dalgaların alanlarını belirlemek için çeşitli yöntemlerden oluşur. Geometrik-optik yaklaşım, radyo elektroniğinde sözde hesaplamak için pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. yarı optik sistemler.

Sonuç olarak, Maxwell denklemlerini çözerek ve yönleri parçacıkların hareketini tanımlayan Hamilton-Jacobi denklemlerinden belirlenen ışınları kullanarak ışığı hem dalga konumlarından aynı anda tanımlama yeteneğinin, dualizmin tezahürlerinden biri olduğunu not ediyoruz. Bilindiği gibi kuantum mekaniğinin temel ilkelerinin formüle edilmesine yol açan ışık.