Свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма.
реклама
Свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма. Джеймс Максвелл После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v. Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Свет - это определенный диапазон электромагнитных волн Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения Между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны «Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона ...» Курс физики. Т.И.Трофимова. 1998. С.384. «Фотон ... квант электромагнитного излучения» Физический энциклопедический словарь Различные участки электромагнитного спектра отличаются друг от друга длиной волны λ и частотой ν ν = ω/2π = 1/T Радиоволны Радиоволнами называются электромагнитные излучения, длины волн которых превосходят примерно 0,1 мм. Их принято делить на: сверхдлинные волны с λ > 10 км, частота ν < 30 кГц; длинные волны λ = 10—1 км, ν = 30—300 кГц; средние волны λ = 1 км — 100 м, ν =300 кГц — 3 МГц; короткие волны λ = 100—10 м, ν = 3—30 МГц; ультракороткие волны λ < 10 м, ν > 30 МГц. ультракороткие волны принято подразделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. волны с длиной λ < 1 м ( ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать феноменологически без учета атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. Практически не сказываются и квантовые свойства радиоизлучения. Радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера. Микроволны Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн. Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри. Оптическая область спектра Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для ее исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусировки излучения, призмы, дифракционные решетки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.) Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитного излучения - инфракрасную и ультрафиолетовую Энергия световой волны зависит от частоты света, поэтому различные составляющие светового потока оказывают и различные действия на датчики. Оптический спектр занимает диапазон от условной границы инфракрасного излучения (λ = 2 мм, ν = 1,5 1011 Гц) до условной коротковолновой границы ультрафиолета ( λ = 10 нм, ν = 3 1011 Гц) инфракрасное излучение λ = 760 - 2 мм видимое излучение занимает λ = 400 - 760 нм, ν = 4 1014 - 7,6 1014 Гц ультрафиолет λ = 10 - 400 нм, В оптической области спектра частоты ν уже перестают быть малыми по сравнению с собственными частотами атомов и молекул, а длины волн большими по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По той же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света Фотоны, с точки зрения квантовой теории представляют собой волновой пакет, локализованный в пространстве и времени. Фотоны имеют длительность всего в 0.1 пикосекунды. (1 пс = 10-12 сек). Every physicist thinks he knows what a photon is, I spent my life trying to find out what a photon is, and I still don’t know A. Einstein Каждый физик думает, что он знает что такое фотон, я провел мою жизнь пытаясь выяснить что такое фотон, и я все еще не знаю Энергия светового кванта определяется выражением ε = h ν (1) где h = 6,63 10 -27 эрг с — постоянная Планка. Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 6·10-18 Дж. Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина. Для длины волны λ = 1000 нм энергия соответствующего кванта составляет ε = 1,23 эВ, или приблизительно один электрон-вольт (эВ). На концах видимого спектра ( λ = 400 - 760 нм) для энергии кванта формула (1) дает ε ~ 1,6 эВ, e ~ 3 эВ. Инфракрасные лучи Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела. Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Видимый свет Длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн. Ультрафиолетовые лучи К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности. Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации. Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр,), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Источники рентгеновского излучения - вакуумные рентгеновские трубки, радио - активные элементы, космическое излучение. Дифракция рентгеновских лучей на атомах кристаллических решеток твердых тел составляет основу рентгеноструктурного анализа атомнокристаллических структур Рентгеновские лучи Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Гамма-лучи Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц. Характерные энергии гамма-квантов — порядка одного или нескольких МэВ. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения, в особенности коротковолновые, могут быть определены лишь весьма условно Для общей ориентировки можно принять, что энергия ренгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ - 1 МэВ ( λ = 50 - 10-3 нм) , энергия гамма-квантов - больше 0,1 МэВ ( λ < 10-2 нм) Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Волновые и квантовые явления являются общими для всего спектра электромагнитного излучения В оптическом диапазоне существуют датчики и системы, с помощью которых можно производить измерения волновых характеристик. В то же время в этом диапазоне уже значимы квантовые эффекты. Оптические методы исследований являются наиболее тонкими и точными. Поэтому оптике принадлежит фундаментальных исследованиях представлений о строении материи ведущая роль и развитии во многих физических
