Спектральні діапазони електромагнітного випромінювання. Спектр електромагнітних випромінювань

Видиме світло - це лише мала частина широкого спектру електромагнітного випромінювання, що включає радіохвильове, мікрохвильове, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання. Кожен вид випромінювання являє собою хвилю із взаємно перпендикулярних електричної та магнітної компонент, що періодично змінюються з певними частотами (інакше кажучи, хвиля має певну довжину). Хвилі, що сприймаються оком людини, належать видимій області; саме до неї свого часу належав введений Ньютоном термін «спектр». У сучасній науці цей термін поширений весь діапазон електромагнітного випромінювання.

Спектральні дослідження відіграли ключову роль у пізнанні Всесвіту. З їхньою допомогою вдалося зрозуміти будову не тільки атомів і молекул, але й таких астрофізичних об'єктів, як Сонце, зірки, планети, і отримати докладну інформацію про їхній рух. Розроблена теорія спектрів та накопичені емпіричні дані дозволили створити метод спектрального аналізу для якісного та кількісного визначення складу хімічних речовин. Див. такожЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ; РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ;СВІТЛО.

СПЕКТРАЛЬНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Спектральні методи аналізу засновані на реєстрації спектрів випромінювання або поглинання атомів і молекул та вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання у вузькому енергетичному діапазоні. Методи спектрального аналізу поділяються на радіочастотну, оптичну, рентгенівську та ін. Види спектрометрії в залежності від того, в якій галузі електромагнітного спектра проводяться вимірювання.

Електромагнітне випромінювання може бути охарактеризовано або хвильовим, або енергетичнимпараметрами. Всі ці величини взаємопов'язані та вибір тієї чи іншої величини визначається зручностями при роботі.

Хвильовий параметр виражається довжиною хвилі l(м, см, мкм, нм або Å), частотою коливань n(з -1 чи герц, 1 Гц = 1 з -1), чи хвильовим числом uu(М-1, см-1). У деяких книгах хвильове число позначають знаком. Частота електромагнітних коливань nпов'язана з довжиною хвилі lспіввідношенням n = c/l,де з- швидкість світла у вакуумі, що дорівнює 2.997925∙10 8 м/с (приблизно 3∙10 8 м/с). У спектроскопії прийнято називати частотою також хвильове число u = 1/l, Що показує, скільки довжин хвиль уміщається на інтервалі 1 см (тобто якщо l= 10-5 м = 10-3 см, то u= 1000 см-1). Порушуючи вимоги про використання системи СІ хвильові числа вимірюють, як і раніше, у зворотних сантиметрах (см -1). 1 см ≡ 11.9631 Дж/моль.

Частота лінії спектру поглинання пов'язана з різницею енергій Δ Езбудженого та основного станів:

ΔЕ = hν = Е зб. - Е осн.,

де h- Константа Планка ( h= 6.626 · 10 -34 Дж · с).

Як випливає з наведеної вище формули кванти випромінювання з більш короткою довжиною хвилі (з більш високою частотою) мають більш високу енергію.

Рис.1. Схема квантування енергії електрона в атомарному водні (на схемі не вказані р- та d – підрівні). Енергія електрона з основним квантовим числом n= 1 відповідає основному стану атома (1 s 1). Інші стани (2s 1, 3s 1, 4s 1, ….) – збуджені. Перехід електрона зі збуджених станів 2s 1 , 3s 1 , 4s 1 , … на рівень 1s 1 відповідає серії Лаймана, станів 3s 1 , 4s 1 , … на рівень 2s 1 - серії Бальмера і т.д.

Мал. 2. Спектр випромінювання атомарного водню - світлі лінії та смуги на чорному тлі. чорні лінії на білому тлі. Спектри поглинання виглядають інакше – чорні лінії та смуги (на тому самому місці) на білому тлі. білі лінії та смуги на чорному тлі. Розширення ліній пов'язано з

Спектр електромагнітного випромінювання

Екванта →

Електромагнітний спектр простягається від жорсткого g-випромінювання з дуже короткою довжиною хвилі до довгих радіохвиль. Кожна з сфер спектра пов'язана з певними видами внутрішньомолекулярних рухів, процесами в атомах та ядрах. При поглинанні чи випромінюванні квантів світла змінюється енергія електронів в електронних оболонках атомів і молекул, енергія коливання атомних ядер у молекулі та енергія обертання молекули.

Усі види внутрішньомолекулярних рухів взаємопов'язані, але кожного з них існує певний набір допустимих (дозволених) значень енергії.

1.1.1 Молекулярні спектри випромінювання, поглинання та комбінаційного (див.п 1.4) розсіювання

Сучасне вчення про спектри електромагнітного випромінювання базується на квантовій теорії, згідно з якою атомна система є стійкою лише у певних стаціонарних станах, що відповідають певній дискретній послідовності значень енергії. Перехід між двома квантовими станами « 2 з енергіями Е 1 і Е 2 призводить до поглинання (абсорбції), ‌E 1< E 2‌ , або випромінювання (емісії), ‌E 1 > E 2‌енергії у вигляді електромагнітного випромінювання з частотою n,визначається рівнянням Бору:

DE =‌‌|E 1 - E 2‌|‌‌= hn,

де E 1і E 2- енергія початкового та кінцевого станів відповідно, hh- Постійна Планка, n- частота випромінювання, що поглинається або випускається. h= 6.616 10 -34 Дж∙с

Відповідно до рівняння частот Бора у спектрі виникає лінія із частотою (з -1)

n = |E 1 - E 2‌|/h

або з хвильовим числом (см -1)

u = |E 1 - E 2‌|/hc.

Переходи з нижнього енергетичного рівня верхній породжують спектр поглинання (абсорбції), з верхнього на нижній - спектр випромінювання (емісії) (рис.2).

В оптико-спектрометричних методах аналізу використовують дискретність енергетичних рівнів молекул і випромінювання або поглинання випромінювання, яке пов'язане з переходом молекули або атома з одного енергетичного рівня на інший (Рис.1). Енергію квантів світла у спектроскопії виражають у зворотних сантиметрах, враховуючи, що 1 см -1 ≡ 11.9631 Дж/моль. Найбільш високу енергію мають кванти, що виникають при електронних переходах (від 40 до 400 кДж/моль), потім слідують коливальні кванти (від 4 до 40 кДж/моль) і потім обертальні, з найменшою енергією (0.4 - 4 кДж/моль). Електронний перехід одночасно супроводжується коливальними та обертальними переходами, тобто. являє собою електронно - коливально - обертальнийперехід. (Рис.3).

Мал. 31. Схема енергетичних рівнів двоатомної молекули: Ее – рівні енергії електронів; Е v– рівні коливальної енергії (vibration – вібрація, коливання): Е r – рівні обертальної енергії (rotation –обертання): v evr– переходи, що відповідають електронно – коливально – обертальному спектру: v v r- переходи, що відповідають коливально-обертальному спектру; v r- Переходи, що відповідають обертальному спектру. [Золотів. Основи аналітичної хімії. Книга 2. с.207]

Енергія кванта такого переходу виражається формулою

e ел.-кол.-вр = e ел + e кіль + e вр = hn ел + hn кіль + hn вр,

а частота відповідної лінії у спектрі дорівнює сумі частот (це одна лінія):

n ел.-кол.-вр = n ел + n кіль + n вр.

Для стислості електронно – коливально – обертальний спектр називають просто електроннимспектром. Він складається з безлічі серій смуг в УФ та видимій області. Кожна серія відповідає одному електронному переходу з вищих рівнів на який-небудь розташований нижче (рис.1). Енергія квантів, які збуджують такі переходи, повторимо, лежить в області 40 ÷ 400 кДж/моль. Хвильові числаЧастоти νuквантів електронного переходова лежать у діапазоні (3.3 ÷ 33.3)∙10 3 см -1 , що відповідає довжинам хвиль. lвід 0,3 до 3 мкм.

Кванти нижчої енергії в області 4 ÷ 40 кДж/моль відповідають переходам між коливальними рівнями. При цьому неминуче відбувається і зміна обертальних станів, ще нижчих за енергією, і виникає коливально-обертальнийСпектр. Енергія переходу та частота ліній у коливально-обертальному спектрі пов'язані співвідношеннями:

e кільк.-вр = e кіль + e вр = hn кіль + hn вр.

n кільк.-вр = n кіль + n вр.

При цьому коливальному переході з частотою n кільвиникає смуга, окремі лінії якої відповідають різним комбінаціям доданків у сумі nкіл + nвр. Хвильові числа uЧастоти коливальних квантів nпростягаються від 30 до 4000 см -1 ( lвід 2.5 мкм до 0.3 мм. Це далека інфрачервона область, що впритул змикається з областю міліметрових радіохвиль.

Кванти ще нижчої енергії (0.4 ÷ 4 кДж/моль) можуть викликати лише переходи між обертальними рівнями і дають початок чисто обертальномуспектру. Енергії переходу та частоти у обертовому спектрі пов'язані співвідношенням

e вр = hn вр.

Кожна лінія у такому спектрі має частоту n вр, що відповідає i-му обертального переходу. Обертальний спектр має частоти порядку 10 -1 ÷ 1 см -1 і простягається в область субміліметрових (МВ - мікрохвильова область) і сантиметрових (НВЧ - надвисокочастотна область) радіохвиль.

Форма смуг у молекулярних спектрах: а- Гладкий колокоподібний контур; б -смуга з вираженою тонкою структурою. Характеристики смуги: I max , v max , Δ v.Спектральна смуга - це сукупність близько розташованих спектральних ліній, що утворюються в результаті накладання на електронний перехід супутніх йому коливальних і обертальних переходів.

Контур спектральної смуги в молекулярних спектрах може бути гладким дзвоноподібним або виявляти тонку структуру (рис.3). Смугу без дозволеної тонкої структури прийнято характеризувати, як і спектральну лінію, трьома параметрами: частотою n max(довжиною хвилі l max); значенням максимальної інтенсивності (пікової інтенсивності) I max; шириною Δ v (Δ λ ). Ширина смуг у коливально-обертальному спектрі може досягати кількох десятків зворотних сантиметрів, а в електронному – кілька тисяч зворотних сантиметрів.

1.1.2 Порушення спектра

Енергетична дія на речовину може здійснюватися тепловим, електромагнітним, хімічним та іншими шляхами. Всі ці дії призводять до випромінювання речовиною електромагнітних випромінювань. Енергія випромінюється у вигляді лінійного спектру, що характеризується дискретними значеннями довжин хвиль. При проходженні випромінювання суцільного спектра через речовину, навпаки, відбувається поглинання енергії та утворюється спектр поглинання, що також характеризується дискретними значеннями довжин хвиль. Відношення інтенсивностей смуги, що відповідає одному й тому переходу m « n, у спектрі поглинання (абсорбції) I aта спектрі випромінювання (емісії) I eпо-різному і залежить від частоти переходу. Теорія призводить до співвідношення

тобто. інтенсивність випромінювання I eу багато разів перевищує інтенсивність поглинання I aв області високих частот. Тому спектри випромінювання зручніше вивчати вивчають у видимій та ультрафіолетовій області. В області малих частот (ІЧ- та НВЧ-області) зручніше вивчати спектри поглинання. На цих частотах, навпаки, інтенсивніше спектри абсорбції.

З іншого боку, спектри випромінювання відомі для атомів (вивчені атомні спектри) і лише порівняно невеликої кількості досить простих молекул. Тому молекулярні спектри вивчають головним чином як спектри поглинанняколи випромінювання джерела суцільного спектру (наприклад, лампи розжарювання) проходить через кювету, наповнену розчином речовини. Так як кожен структурний елемент молекули поглинає енергію тільки в характерній для нього області, то визначивши частоту і кількісно оцінивши інтенсивність випромінювання, що поглинається, можна встановити структуру сполуки (якісний аналіз) і визначити кількість досліджуваної речовини (кількісний аналіз).

Муніципальна бюджетна загальноосвітня установа середня загальноосвітня школа №39

Семінар на тему:

"Спектр електромагнітних випромінювань"

«Довкола нас, у нас самих, всюди і скрізь, вічно змінюючись, збігаючись і зіштовхуючись, йдуть випромінювання різної довжини хвилі… Обличчя Землі ними змінюються, ними значною мірою ліпиться»

В.І.Вернадський

Клочкова Н.Ф. - вчитель фізики

Г.Вороніж – 2013р.

Навчальні цілі уроку:

1.Засвоїти такі елементи неповного досвіду учнів у межах окремого урока:

2. Низькочастотне випромінювання, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання, гамма-промені; їх застосування у життєдіяльності людини.

3.Систематизувати та узагальнити знання про електромагнітні хвилі.

Розвиваючі цілі уроку:

1. Продовжити формування наукового світогляду на основі знань про електромагнітні хвилі.

2.показати комплексне вирішення проблем на основі знань фізики та інформатики.

3. сприяти розвитку аналітико-синтетичного та образного мислення, для чого спонукати учнів до осмислення та знаходження причинно-наслідкових зв'язків. 4.формувати та розвивати ключові компетенції: інформаційну, організаційну, самоорганізаційну, комунікаційну.

5.При роботі у парі та у групі сформувати такі важливі якості та вміння школяра, як: бажання брати участь у спільній діяльності, впевненість у успіху, відчуття позитивних емоцій від спільної діяльності;

вміння презентувати себе та свою роботу;

вміння будувати ділові відносини у спільній діяльності на уроці (приймати мету спільної діяльності та супровідні вказівки до неї, розділяти обов'язки, узгоджувати способи досягнення результату запропонованої мети);

аналізувати та оцінювати отриманий досвід взаємодії.

Виховні цілі уроку:

1.розвивати смак, акцентуючи увагу на оригінальному дизайні презентації з ефектами анімації.

2.виховувати культуру сприйняття теоретичного матеріалу за допомогою комп'ютера для отримання знань про історію відкриття, властивості та застосування електромагнітних хвиль

3. Виховання почуття гордості за свою Батьківщину, за вітчизняних учених, які працювали в галузі електромагнітних хвиль, застосували їх у життєдіяльності людини.

Обладнання:

Ноутбук, проектор, електронна бібліотека "Освіта" диск 1 (10-11клас), матеріали з інтернету.

План уроку:

1 . Вступне слово вчителя.

2.Вивчення нового матеріалу.

1) Низькочастотне електромагнітне випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

2) Радіохвилі: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

3) Інфрачервоне електромагнітне випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

4) Видиме електромагнітне випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

5) Ультрафіолетове електромагнітне випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

6) Рентгенівське випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

7) Гамма - випромінювання: історія відкриття, джерела та приймачі, властивості та застосування.

Кожна група будинку готувала таблицю:

Історія відкриття

Джерела та приймачі

Властивості

Застосування

Історик вивчав та записував у свою таблицю історію відкриття випромінювання,

Конструктор вивчав джерела та приймачі різних типів випромінювань,

Теоретик-ерудит вивчав характерні властивості електромагнітних хвиль,

Практик вивчав практичне застосування електромагнітних випромінювань у різних галузях діяльності.

Кожен учень до уроку креслив 7 таблиць, одна з яких вдома заповнювалася ним.

Вчитель: Шкала ЕМ випромінювань має два розділи:

1 розділ – випромінювання вібраторів;

2 розділ – випромінювання молекул, атомів, ядер.

1 розділ ділиться на 2 частини (діапазону): низькочастотне випромінювання та радіохвилі.

2 розділ містить 5 діапазонів: інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання та гамма-промені.

Ми починаємо вивчення з низькочастотних електромагнітних хвиль, координатору групи 1 надається слово.

Координатор 1:

Низькочастотне електромагнітне випромінювання -

це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 10 7 - 10 5 м

,

Історія відкриття:

Вперше звернув увагу на низькочастотні

електромагнітні хвилі радянський фізикВологдін В.П., творець сучасної високочастотної електротехніки. Він виявив, що під час роботи індукційних генераторів підвищеної частоти виникали електромагнітні хвилі довжиною від 500 метрів до 30 км.

Вологдін В.П.

Джерела та приймачі

Електричні коливання низької частоти створюються генераторами в електричних мережах частотою 50 Гц, магнітними генераторами підвищеної частоти до 200 Гц, і навіть у телефонних мережах частотою 5000 Гц.

Електромагнітні хвилі понад 10 км називають низькочастотними хвилями. За допомогою коливального контуру можна отримати електромагнітні хвилі (радіохвилі). Це доводить, що різкої межі між НЧ та РВ немає. НЧ хвилі генеруються електричними машинами та коливальними контурами.

Властивості

Відображення, заломлення, поглинання, інтерференція, дифракція, поперечність (хвилі з певним напрямом коливань Е і називаються поляризованими),

Швидке згасання;

У речовині, яка пронизує НЧ хвилі, індукуються вихрові струми, викликаючи глибоке прогрівання цієї речовини.

Застосування

Низькочастотне електромагнітне поле індукує вихрові струми, викликаючи глибоке нагрівання – це індуктотермія. НЧ використовується на електростанціях, двигунах, медицині.

Вчитель: Розкажіть про низькочастотне електромагнітне випромінювання.

Учні кажуть.

Вчитель: Наступний діапазон – радіохвилі, слово надається координатору2 .

Координатор 2:

Радіохвилі

Радіохвилі - це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі від кількох км до кількох мм і частотою від 10 5 -10 12 Гц.

Історія відкриття

Про радіохвилі вперше у своїх роботах у 1868 році розповівДжеймс Максвелл.Він запропонував рівняння, яке описує світлові та радіохвилі, як хвилі електромагнетизму.

У 1896 роціГенріх Герцекспериментально підтвердив

теорію Максвелла, отримавши у своїй лабораторії радіохвилізавдовжки кілька десятківсантиметрів.

У 1895 році 7 травняА.С.Поповдоповів Російському фізико-хімічному суспільству про винахід приладу, що може вловлювати та реєструвати електричні розряди.

24 березня 1896 року, використовуючи ці хвилі, він передав на відстань 250 м першу у світі радіограму з двох слів «Генріх Герц».

У 1924р.А.А. Глаголєва-Аркадьєваза допомогою створеного нею масового випромінювача отримала ще більш короткі ЕМ хвилі, що входять в область ІКІ випромінювання.

М.А.Левитська,професор Воронезького Державного Університету в якості випромінюючих вібраторів брала металеві кульки та маленькі тяганини, наклеєні на скло. Нею отримані ЕМ хвилі із довжиною хвилі 30мкм.

М.В. Шулейкінрозробив математичний аналіз процесів радіозв'язку.

Б.А.Введенськийрозробив теорію огинання радіохвилями землі.

О.В.Лосєввідкрив властивість кристалічного детектора генерувати незагасаючі коливання.

Джерела та приймачі

РВ випромінюються вібраторами (антенами, з'єднаними з ламповими або напівпровідниковими генераторами. Залежно від призначення генератори і вібратори можуть мати різну конструкцію, але завжди антена перетворює ЕМ хвилі, що підводяться до неї.

У природі є природні джерела РВ у всіх частотних діапазонах. Це зірки, сонце, галактики, метагалактики.

РВ генеруються і при деяких процесах, що відбуваються в земній атмосфері, наприклад, при розряді блискавок.

Приймаються РВ також антенами, які перетворюють падаючі на них ЕМ хвилі, в електромагнітні коливання, які потім впливають на приймач (телевізор, радіоприймач, ЕОМ та ін.)

Властивості радіохвиль:

Відображення, заломлення, інтерференція, дифракція, поляризація, поглинання, короткі хвилі добре відбиваються від іоносфери, ультракороткі проникають через іоносферу.

Вплив на здоров'я людини

Як зазначають медики, найбільш чутливими системами організму людини до електромагнітних випромінювань є: нервова, імунна, ендокринна та статева.

Вивчення радіовипромінювання від мобільних телефонів на людей дає перші невтішні результати.

Ще на початку 90-х років американський вчений Кларк звернула увагу, що здоров'я покращують…. радіохвилі!

У медицині існує навіть напрямок – магнітотерапія, а деякі вчені, наприклад, доктор медичних наук, професор В.А. Іванченко, використовує працюючі на цьому принципі свої медичні прилади з лікувальною метою.

Здається неймовірним, але знайдені частоти, згубні для сотень мікроорганізмів і найпростіших, а на певних частотах відновлення організму варто на кілька хвилин включити прилад і, залежно від певної частоти, органи, відзначені як хворі, відновлюють свої функції, приходять в діапазон норми.

Захист від негативної дії

Не останню роль можуть грати засоби індивідуального захисту з урахуванням текстильних матеріалів.
Багато зарубіжних фірм створили тканини, що дозволяють ефективно захищати організм людини від більшості видів електромагнітного випромінювання.

Застосування радіохвиль

Телескоп - Гігант дозволяє вести радіовиміри.

Комплекс "Спектр-М" дозволяє аналізувати в будь-якій області спектру будь-які зразки: тверді, рідкі, газоподібні.

Унікальний мікроендоскоп підвищує точність діагнозу.

Радіотелескоп субміліметрового діапазону реєструє випромінювання з частини Всесвіту, який закритий шаром космічного пилу.

Компактна камера. Перевага: можливість прати знімки.

Радіотехнічні методи та пристрої застосовуються в автоматиці, обчислювальній техніці, астрономії, фізиці, хімії, біології, медицині тощо.

Мікрохвильове випромінювання використовують для швидкого приготування їжіНВЧ-печах.

Воронеж - Місто радіоелектроніки. Магнітофони та телевізори, радіоприймачі та радіостанції, телефон та телеграф, радіо та телебачення.

Вчитель: Розкажіть про радіохвилі. Порівняйте властивості низькочастотного випромінювання з властивостями радіохвиль.

Учні кажуть.Короткі хвилі добре відбиваються від іоносфери.Ультракороткі проникають через іоносферу.

Вчитель: Наступний діапазон – інфрачервоне випромінювання, слово надається координатору 3 .

Координатор 3:

Інфрачервоне випромінювання

Частотний діапазон інфрачервоних випромінювань

3 . 10 11 – 4 . 10 14 Гц

Історія відкриття

Інфрачервоне випромінювання було виявлено англійським астрономом та фізиком Вільямом Гершелем у 1800 році.

Розщепивши сонячне світло призмою, Гершель помістив термометр одразу за червоною смугою видимого спектру та виявив, що температура термометра підвищується. Отже, на термометр впливає випромінювання, недоступне для людського погляду.

Джерела інфрачервоного випромінювання

ІЧ хвилі випромінюють нагріті тіла, молекули яких рухаються інтенсивно. Це випромінювання називають тепловим: електрична дуга, квантові генератори (лазери), тіло людини.

50% енергії Сонця випромінюється в інфрачервоному діапазоні, найпотужніший джерело ІКІ.

Основна частина випромінювання лампи розжарювання лежить у невидимому інфрачервоному діапазоні та сприймається у вигляді тепла. ККД цих ламп лише 15%.

Приймачі інфрачервоного випромінювання

Їхня дія заснована на перетворенні енергії ІКІ в інші види енергії, що вимірюються звичайними методами.

Це термоелементи, болометри, фотоелементи, фоторезистори, чутливі до ІКІ.

Властивості

1.Все властивості електромагнітних хвиль (відображення, заломлення, інтерференція, дифракція, поглинання та ін.)

2. Характерною особливістю ІКІ є теплова дія, а також здатність сильно поглинатися деякими речовинами.

3. Проходячи через земну атмосферу, ІКІ послаблюється в результаті розсіювання азотом та киснем та поглинання парами води.

4.Наявність в атмосфері зважених частинок пилу, диму, крапель води призводить до «парникового ефекту».

5.Хімічна дія.

6.Невидиме.

Застосування ІЧ випромінювання

Для сушіння лакофарбових покриттів, овочів, фруктів.

Переваги:

Швидке нагрівання виробів і матеріалів до заданої температури,

Невелика тривалість ІЧ-сушіння для ряду лакофарбових матеріалів порівняно з конвективним способом сушіння;

Можливість нагрівання частини виробу (зонне нагрівання).

Інфрачервоне випромінювання застосовується у медицині, т.к. має болезаспокійливу, антиспазматичну, протизапальну, циркуляторну, стимулюючу та відволікаючу дію.

У приладах нічного бачення:

біноклях,

окулярах,

приціли для стрілецької зброї,

нічних фото- та відеокамер.

Тут невидиме оком інфрачервоне зображення об'єкта перетворюється на видиме.

Тепловізор - пристрій спостереження за розподілом температури досліджуваної поверхні. Розподіл температури відображається на дисплеї як поле кольору, де певній температурі відповідає певний колір.

Термограма – зображення в інфрачервоних променях, що показує картину розподілу температурних полів.

Тепловізори застосовують на підприємствах, де необхідний контроль за тепловим станом об'єктів, та в організаціях, які займаються пошуком несправностей мереж різного призначення.

Так, сканування тепловізором може показати місце відходу контактів у системах електропроводки.

Тепловізори використовують у будівництві при оцінці теплоізоляційних властивостей конструкцій. З їх допомогою можна визначити області найбільших тепловтрат у будинку, що будується, і зробити висновок про якість застосовуваних будівельних матеріалів і утеплювачів.

Тепловізійний знімок цегляного фасаду для оцінки втрат тепла

Термограми використовують у медицині для діагностики захворювань.

Так, інфрачервоні знімки вен дозволяють виявляти місця закупорки судин, місця локалізації тромбів або злоякісних пухлин, навіть якщо їхня температура перевищує навколишню температуру на соті частки градуса.

Термограма тіла людини

У телефонному зв'язку, фотографування в ІЧ променях дозволяють виявляти невидимі оку зірки та слабо нагріті туманності, для сортування матеріалів, виявлення невидимих ​​плям, підписів, пошкоджень та вивчення тонких структур.

Радіоспектроскопія – наука, що використовує методи радіофізики вивчення електромагнітних хвиль сантиметрового і міліметрового діапазону.

Дистанційне керування телевізором або відеомагнітофоном здійснюється за допомогою інфрачервоного випромінювання. У пультах дистанційного керування пучок інфрачервоного випромінювання випромінює світлодіод.

Вчитель: Розкажіть про інфрачервоне випромінювання. Порівняйте властивості інфрачервоного випромінювання з властивостями радіохвиль.

Учні кажуть.

Вчитель: Наступний діапазон – видиме випромінювання, слово надається координатору 4 .

Координатор 4:

Видиме випромінювання

Довжина хвиль приблизно від 380 нм (фіолетовий) до 780 нм (червоний).

Історія відкриття

У працях Піфогора, Аристотеля, Платона та Евкліда розглядаються питання природи та поширення світла, але тільки в середні віки було закладено справді науковий фундамент вчення про світло. В його основі роботи Ньютона, Ломоносова, Гюйгенса, Гримальді та ін. Саме в 16-17столітті була виявлена ​​дифракція, дисперсія, поляризація світла, вивчено відображення та заломлення світла, виміряно його швидкість, побудовано перші телескопи та мікроскопи. Ломоносов був великим фахівцем у галузі теоретичної оптики.

У 1756р. Він виступив на зборах Академії наук із промовою «Слово про походження світла». У ній він висловив припущення про хвильову природу світла. Вперше вказав на єдину природу теплових та світлових променів, виклав основи кольоробачення.

Перші пояснення спектра видимого випромінювання дали Ісаак Ньютон у книзі «Оптика» та Йоганн Ґете в роботі «Теорія Квітів», проте ще до них Роджер Бекон спостерігав оптичний спектр у склянці з водою. Лише через чотири століття після цього Ньютон відкрив дисперсію світла призмах.Фізики 20 століття показали, що світла характерна двоїстість властивостей. Залежно від умов світло виявляє хвильові чи квантові властивості.

Ньютон Гете Бекон

Джерела випромінювання

Сонце

Зірки

Електролампи

Люмінісцентні лампи

Електрична дуга

Лазери

Полярне сяйво

Властивості світлових хвиль

Відображення

Заломлення

Світлові хвилі заломлюються сильніше, ніж радіохвилі, але менше інфрачервоних випромінювань.

Дисперсія

Інтерференція

Дифракція

Поляризація

Властивості світлових хвиль

Впливає на око,

Робить видимим навколишні предмети,

Сприяє появі вільних електронів,

Викликає фотоефект,

Має здатність надавати:

Фотохімічне та

Біологічна дія.

Застосування видимого випромінювання

Освітлення

3) Геометрична оптика в медичних приладах

Окуляри - найпростіший медичний прилад.

Лазерне випромінювання

є спеціальним видом світлового випромінювання електромагнітної природи, одержуване з допомогою оптичних квантових генераторів - лазерів.

Мікроскопи

Застосовують для отримання більших збільшень.

Телескопи

Основне призначення телескопів - зібрати якнайбільше випромінювання від небесного тіла. У другу чергу телескопи є для розгляду об'єктів під великим кутом або, як кажуть, для збільшення. Телескопи бувають лінзові та

дзеркальні.

Вчитель: Розкажіть про видиме випромінювання. Порівняйте властивості видимого випромінювання із властивостями інфрачервоного випромінювання. Учні розповідають. Видиме випромінювання дає можливість пізнання навколишнього світу.

Вчитель: Наступний діапазон – ультрафіолетове випромінювання, слово надається координатору5 .

Координатор 5:

Ультрафіолетове випромінювання

Ультрафіолетове випромінювання це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 3,8*10 -7 – 10 -8 м.

Історія відкриття

Англійський лікар Волластон та німецький вчений Йоганн Ріттер скористалися фотопластинкою (фотохімічною дією електромагнітного випромінювання).

Вони встановили, що за фіолетовим кінцем видимого спектру плівка засвічується набагато сильніше, ніж за фіолетовими променями.

Оскільки спектр вони отримали, розкладаючи біле світло, стало ясно, що до складу сонячного випромінювання входить більш короткохвильове, ніж фіолетове світло, випромінювання.

Воно отримало назву ультрафіолетового випромінювання.

Йоганн Вільгельм Ріттер та

Волластон Вільям Хайд(1801)

Джерела та приймачі

Джерела: Усі тіла, нагріті до 3000 градусів Цельсія (Сонце, зірки, високотемпературна плазма, електрична дуга, газорозрядні лампи: ртутні, ксенонові, водневі та ін.)

Сонце Ртутно-кварцові лампи

Приймачі: Для реєстрації ультрафіолетового випромінювання використовують звичайні фотоматеріали. Ультрафіолетове випромінювання виявляється за допомогою фотоелементів, фотопомножувачів, люмінофорів, що світяться під дією ультрафіолетових променів.

Властивості

Невидиме

Виявляє всі властивості електромагнітних хвиль: відбиття, заломлення, поглинання, інтерференція, дифракція, поперечність та ін.)

Чинить сильну біологічну дію (вбиває хвороботворні мікроби, впливає на ЦНС)

Іонізує повітря

Чинить хімічну дію (на люмінісцентний екран, фотопапір та ін.)

Для УФІ кварц прозорий, скло непрозоре)

УФІ у малих дозах:

підвищує тонус живого організму;

активує захисні механізми;

підвищує рівень імунітету, і навіть збільшує секрецію низки гормонів;

утворюються речовини, які мають судинорозширювальну дію, підвищують проникність шкірних судин;

змінюється вуглеводний та білковий обмін речовин в організмі;

змінює легеневу вентиляцію - частоту та ритм дихання; підвищується газообмін;

утворюється в організмі вітамінD2, що зміцнює кістково-м'язову систему і має антирахітну дію;

вбиває бактерії.

УФІ у великих кількостях :

Дія ультрафіолетового опромінення на шкіру, що перевищує природну захисну здатність шкіри (загар) призводить до .

Тривала дія ультрафіолету сприяє розвитку різних видів шкіри, прискорює старіння і появу зморшок.

Ультрафіолетове випромінювання невідчутне для очей людини, але при інтенсивному опроміненні викликає типово радіаційне ураження (опік сітківки). Так, 1 серпня 2008 року десятки росіян пошкодили сітківку ока, незважаючи на численні попередження про шкоду його спостереження без захисту очей. Вони скаржилися на різке зниження зору та пляму перед очима.

Застосування

Медицина:бактерицидні лампи

Промисловість:будівництво, ртутні лампи, спеціальна фотографія та ін.

Наука:астрономія, хімія, дефектоскопія та ін.

Сільське господарство:сушіння овочів, зерна та ін

Люмінісцентні лампи Солярій Кварцювання інструмент у лабораторії

Вчитель: Розкажіть про ультрафіолетове випромінювання. Порівняйте властивості ультрафіолетового випромінювання із властивостями видимого випромінювання.

Учні розповідають.

Вчитель: Наступний діапазон – рентгенівське випромінювання, слово надається координатору6 .

Рентгенівське випромінювання

Рентгенівське випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною

від 50 нм до 10 -3 нм та

частотою 3·10 17 - 3·10 20 Гц

Першовідкривачі

Рентгенівське випромінювання відкрили німецьким фізиком В.Рентгеном (1845-1923). У 1895 році. Його ім'я увічнено й у деяких інших фізичних термінах, пов'язаних із цим випромінюванням.

Джерела рентгенівського випромінювання

У 1895 р. Вільгельм багато експериментував із газорозрядними трубками, вивчав катодні промені. При цьому виявив свічення люмінесцентного екрана, розташованого поблизу трубки. Помістивши трубку в коробку з чорного картону, на свій подив, не помітив жодного зменшення яскравості свічення, більше того, свічення можна було виявити навіть тоді, коли екран був видалений на 2 м.

Рентген зрозумів, що відкрив новий вид випромінювання.

Він назвав його Х-променями і взявся до вивчення властивостей відкритого випромінювання.

Джерела та приймачі рентгенівського випромінювання

Джерелом РВ є рентгенівська трубка, в якій прискорені електричним полем електрони бомбардують металевий анод.

При різкому гальмуванні заряджених часток виникає РІ.

Джерелом РІ є деякі радіоактивні ізотопи.

Дія приймачів РІ заснована на їх сильному хімічному іонізуючому впливі, а також здатність викликати люмінесценцію.

Приймачі рентгенівського випромінювання

Виявляють рентгенівські промені за здатністю викликати певне світіння деяких кристалів і на фотоплівку.

У будь-якій сучасній фізичній лабораторії, що займається проблемами ядерної фізики або вивченні космічних променів, можна побачити прилад, що носить ім'я його винахідника, - камера Вільсона

Властивості рентгенівського випромінювання

Рентген встановив, що відкриті їм промені мають:

величезною проникаючою здатністю,

має фотохімічну дію,

відкриті їм промені не відхилялися ні магнітному, ні електричному полях,

викликали люмінесценцію випромінювання світла джерелами за рахунок надходження до них енергії в результаті різних процесів,

РІ поглинається речовиною, ступінь поглинання пропорційна щільності речовини,

має всі властивості електромагнітних хвиль (відображення, заломлення та ін),

невидиме.

Вплив на здоров'я людини

Опромінення у великих кількостях викликає променеву хворобу

Способи захисту від негативного впливу рентгенівського випромінювання

Екранами можуть захищатися віконні отвори та стіни будівель та споруд, що знаходяться під впливом електромагнітного випромінювання (ЕМІ).

Лікарі, що працюють у рентгенівських апаратів, стали захищатися свинцевим екраном: свинець - це захисна броня, він не пропускає рентгенівських променів.

Медицина: рентгенограми

Техніка: рентгенівська дефектоскопія

Наука: вивчення структури кристалів та білкових молекул, рентгенівська спектроскопія, рентгенівський мікроскоп та ін.

Апарат для флюорографії Мамограф

Застосування рентгенівського випромінювання

Медицина та культура

Діагностика хвороб (переломи, пухлини та ін.)

Лікування хвороб

Визначення дефектів картин

Відділення підроблених діамантів від справжніх

Томограф Знімок у рентгенівських променях

Застосування рентгенівського випромінювання

Наука і техніка

Рентгенівський мікроскоп: вивчення біологічних об'єктів (клітини, їх складові та ін.)

Рентгеноструктурний аналіз: визначення дефектів у кристалах, вивчення структури речовини

Рентгенодефектоскопія: визначення тріщин, раковин, товщини швів та ін.

Рентгенівська спектроскопія: вивчення будови та властивостейатомів

Рентгенівська голографія об'єктів

Рентгенівський телескоп : вивчення зірок, визначення їх координат та ін.

Апарати для проведення рентгеноструктурного аналізу речовини

Вчитель: Розкажіть про рентгенівське випромінювання. Порівняйте властивості рентгенівського випромінювання із властивостями ультрафіолетового випромінювання.

Учні розповідають. Вчитель: Наступний діапазон – гамма-випромінювання, слово надається координатору7

Гамма - випромінювання

Довжина хвилі -< 5·10 −3 нм

Історія відкриття

Гамма-випромінювання було відкрито французьким фізиком Полем Віллардом у 1900 році при дослідженні випромінювання радію.

Гамма-кванти надвисоких енергій народжуються при зіткненні заряджених частинок, розігнаних потужними електромагнітними полями космічних об'єктів або прискорювачів земних елементарних частинок. В атмосфері вони трощать ядра атомів, породжуючи каскади частинок, що летять із навколосвітньою швидкістю.

Джерела гамма-випромінювання

Атомні ядра, що змінюють енергетичний стан.

Заряджені частинки, що прискорено рухаються.

Зірки, галактики.

Ядерні реакції, радіоактивний розпад ядер.

Властивості гамма-випромінювання

Велика проникаюча здатність.

Висока хімічна активність

Є іонізуючим, викликає променеву хворобу, променевий опік та злоякісні пухлини.

Застосування

Гама-дефектоскопія, контроль виробів просвічуванням -променями.

Консервування харчових продуктів

Стерилізація медичних матеріалів та обладнання.

Променева терапія.

Рівноміри.

Гамма-каротаж у геології.

Гамма-висотомір, вимірювання відстані до поверхні при приземленні космічних апаратів, що спускаються.

Гама-стерилізація спецій, зерна, риби, м'яса та інших продуктів збільшення терміну зберігання.

Усі властивості електромагнітних хвиль.

Вчитель: Розкажіть про гамма-випромінювання. Порівняйте властивості гамма-випромінювання із властивостями рентгенівського випромінювання.

Учні розповідають. Висновки

Різні види електромагнітних випромінювань мають низку загальних властивостей, що дозволяє розглядати їх як складові єдиної шкали електромагнітних випромінювань.

Принципової різниці між окремими випромінюваннями немає. Всі вони є електромагнітними хвилями, що породжуються зарядженими частинками. Виявляються електромагнітні хвилі, зрештою, з їхньої дії на заряджені частки. У вакуумі випромінювання будь-якої довжини хвилі поширюється зі швидкістю 300 000 км/с. Межі між окремими областями шкали випромінювань дуже умовні.

Чи є чіткі межі між окремими діапазонами?

Учні: Ні. Між окремими видами випромінювань немає принципової відмінності. Роботи Левитської, Вологдіна та ін. показали, випромінювання граничних частот можуть бути отримані двома способами: і як низькочастотні і як високочастотні, так і властивості їх подібні.

Все говорить про умовність кордонів між окремими областями спектру /шкали/електромагнітних випромінювання, але кожен вид випромінювання має свою характерну властивість, зумовлену частотою випромінювання.
Вчитель: Чи закінчується шкала електромагнітних випромінювань із довжиною хвилі λ = 10-13см?

Учні: Шкала немає кордонів, бо немає меж пізнання природи. Вчені, безумовно, знайдуть ще методи отримання більш коротких хвиль.

Пройдемо за властивостями хвиль, починаючи з радіохвиль.

Інфрачервоне випромінювання має теплові властивості.

За допомогою видимого випромінювання людина пізнає навколишній світ.

Ультрафіолетове випромінювання має бактерицидні та іонізуючі властивості.

Рентгенові промені мають велику проникаючу здатність і біологічну активність.

Гамма - промені мають ще більш проникаючу здатність і біологічну активність.

Висновок 1 Кількісні характеристики хвиль: довжина та частота визначають їхню якість.

Пройдемо знову за властивостями хвиль зліва направо. У цьому переході (довжина хвилі зменшується, а частота збільшується) наростають квантові властивості, а зменшуються хвильові.

Висновок 2. Всі випромінювання поєднують, здавалося б, протилежні властивості: хвильові та квантові.

Тут чітко виражений дуалізм у природі, єдність та боротьба двох протилежностей

(Чим коротше довжина хвилі, тим чіткіше виражені квантові властивості).

Вчитель: Ми бачимо на уроці підтвердження двох законів діалектики: закону переходу кількісних змін у якісні на прикладі властивостей НІ, РВ, ІКІ, ВІ, УФІ, РІ, гамма-випромінювання та закону єдності та боротьби двох протилежностей на основі хвильових та квантових властивостей світла.

Завдання додому.

1.записи у зошитах, доповнити записи.

2. § 84-86 Г.Я. Мякішев Б.Б. Буховцев В.М. Чаругін

Література:

1.Підручник фізики-11 Г.Я. Мякішев Б.Б. Буховцев В.М. Чаругін

2.Рєзніков Л.І. "Фізична оптика в середній школі"

3. Орєхов В.П. «Коливання та хвилі в курсі фізики середньої школи»

4.А.Луїзов, Н.Теребинська «Світло без тепла»

5. Матеріали Інтернету

та інші.

Основною характеристикою електромагнітного спектру представляє сукупність діапазонів частот є хвильовий процес. В результаті електромагнітний спектр можна визначити за його довжиною хвилі та частотою.

Частота - як швидко хвиля вібрує або йде вгору та вниз. Довжина хвилі - це відстань між двома піками. Частота і довжина назад пов'язані, що означає, що хвилі низької частоти мають довші коливання і навпаки.

Людина може бачити світло у певному діапазоні довжин коливань та частот. Цей діапазон називається видимим спектром. Частотний діапазон видимого спектру становить від 405 терагерц до 790 терагерц.

Типи хвиль та електромагнітний спектр

Електромагнітний спектр включає широкий спектр хвиль, що люди не можуть бачити. Невидимі типи хвиль представляють радіохвилі, інфрачервоні та рентгенівські промені. Ці типи коливань широко застосовують у різних галузях науки і техніки.

Якби в людини очі були як у гримучої змії чи сови, він міг би добре бачити вночі. Для того, щоб допомогти пілотам побачити в темряві або при поганій погоді в кабіні встановлюється радар, що відображає радіохвиль. І якби очі людини були чутливі як промені рентгенівської камери, люди могли б навіть бачити через органи чи будівлі!

Світло, яке можуть бачити люди, це лише одна частина всієї електричної та магнітної енергії навколо нашого світу. Радіохвилі, Х-промені, гамма-промені та світлові хвилі працюють аналогічним чином. Вся разом ця енергія називається електромагнітним спектром.

У видимому діапазоні колір світла залежить від частоти. представляє складну комбінацію, що складається з багатьох довжин. Якщо пропустити видимий спектр через призму, створиться «райдуга» шляхом перенаправлення кожної довжини хвилі під дещо іншим кутом. Порядок кольорів червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, синій, індиго (темно синій) та фіолетовий.

Кольори світла

Що бачимо, коли спостерігаємо відбите світло від об'єкта. Коли світло потрапляє на об'єкт кілька довжин коливань поглинаються цим об'єктом, деякі відбиваються. Світло різних довжин хвиль виглядає як різні кольори. Коли бачимо об'єкт певного кольору, це означає, що світло цього кольору відбивається від об'єкта. Наприклад, коли ви бачите червону сорочку, сорочка поглинає всі кольори світла, крім червоного. Частота світла, яке ми бачимо, є відображенням червоного і ми бачимо цю сорочку як червону.

Чорний та білий трохи відрізняється від інших кольорів. Білий – це поєднання всіх кольорів, тому коли ми бачимо білий, об'єкт відображає всі кольори світла. Чорний є протилежністю. Коли ми бачимо чорний об'єкт, це означає, що майже всі кольори світла поглинаються.

Адитивні кольори

Адитивність - ціле значення величини дорівнює сумі значень його складових частин.

Адитивні основні кольори можуть бути об'єднані, щоб зробити будь-який інший колір. Це три кольори червоний, синій та зелений. Цей факт використовується весь час у технологіях, таких як комп'ютерні екрани та телевізори. Поєднуючи лише три основні види світла різними способами, можна зробити будь-який колір.

Субтрактивні кольори

Субтрактивний - віднімання з рівномірного білого складових.

Якщо є біле світло і хочете відняти кольори, щоб отримати будь-який інший колір, необхідно використовувати основні субтрактивні кольори для фільтрації або видалення світла певних кольорів. Первинні субтрактивні кольори – блакитний, пурпуровий та жовтий.

Що таке електромагнітне випромінювання?

Світлові хвилі та інші види енергії, що випромінюються, викликають електромагнітне випромінювання. Разом вони становлять те, що називається електромагнітний спектр. Наші очі можуть бачити лише обмежену частину електромагнітного спектру – барвисті веселки ми бачимо у сонячний, але дощовий день, коли неймовірно вузька частина електромагнітного випромінювання переломлюється у краплинах дощу. Це енергія видимого світла, і як радіохвилі та решта складається з електромагнітних хвиль.

Ці хвилеподібні форми моделі електрики та магнетизму на швидкості 300 000 км в секунду поширюються навколо.

Світло, яке бачать люди тягнеться в спектрі від червоного (найнижча частота і велика довжина хвилі, яку очі можуть зареєструвати) далі помаранчевий, жовтий, зелений, синій та індиго (темно синій) та фіолетовий.

Як електромагнітна хвиля рухається

Якби ми могли заглянути всередину світлового променя (або інших електромагнітних хвиль), то можна побачити: електрична хвиля вібрує в одному напрямку, а магнітна вібрує в перпендикулярному. Дві хвилі вібрують в ідеальній залежності, перпендикулярному напрямі подорожуєте завжди разом.

З ХІХ століття вчені розуміють, що електрика та магнетизм є рівноправними партнерами, які працюють разом, близько у всі часи.

Які види енергії складають електромагнітний спектр?

Інші види електромагнітного випромінювання, що випромінюють об'єкти

• Радіохвилі: якби наші очі можуть бачити радіохвилі, ми б могли (теоретично) дивитися ТБ програми просто дивлячись на небо! Довжина радіохвилі: 30 см – 500 м. Радіохвилі охоплюють величезну смугу частот варіюється від десятків сантиметрів високої частоти до сотень метрів у низькочастотному діапазоні. Електромагнітна хвиля більша, ніж НВЧ радіохвиль мікрохвильової печі.
• НВЧ: такі радіохвилі використовуються не тільки для приготування їжі в мікрохвильовій печі, але і для передачі інформації в техніці радіолокації. Типовий розмір: 15 см (довжина олівця).
• Інфрачервоне: просто з частотою трохи коротше ніж червоний колір Є свого роду невидиме «гаряче світло» зване ІЧ. Хоча ми не можемо бачити випромінювання, ми можемо відчути шляхом потепління шкіри, коли він потрапляє на наше обличчя – це те, що ми думаємо як тепло, що випромінюється. Якби очі людини були б як у гримучих змій людина б бачила інфрачервоне випромінювання, як лінзи нічного бачення, вбудовані в наших головах. Типова довжина коливання: 0,01 мм
• Видимий спектрпро яке пояснено вище.
• Ультрафіолетове: це вище частоти фіолетового світла, яке наші очі можуть виявити. Сонце передає сильне ультрафіолетове випромінювання, яке людина не може бачити. Ось чому людина отримує засмагу, навіть коли плаває в морі чи в похмурі дні. Ось чому так важливий сонцезахисний крем. Типова довжина коливання: 500 Нм (як велика бактерія).
• Рентгенівське проміння: дуже корисний тип високочастотних хвиль, що широко використовуються в медицині та безпеці. Типовий розмір 0,1 Нм (ширина атома).
• Гамма промені: випромінюються радіоактивними речовинами та небезпечні для життя. Типовий розмір 0,02 Нм (ядро атома).

Спектр електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі класифікуються за довжиною хвилі лямбда або пов'язаною з нею частотою хвилі f. Зазначимо також, що ці параметри характеризують як хвильові, а й квантові властивості електромагнітного поля. Відповідно в першому випадку електромагнітна хвиля описується класичними законами, що вивчаються в цьому томі, а в другому - квантовими законами, що вивчаються в томі 5 цього посібника.

Розглянемо поняття діапазону електромагнітних хвиль. Спектр електромагнітних хвильназивається смуга частот електромагнітних хвиль, що у природі.

Спектр електромагнітного випромінювання у порядку збільшення частоти становлять:

1) Радіохвилі;

2) інфрачервоне випромінювання;

3) Світлове випромінювання;

4) Рентгенівське випромінювання;

5) Гамма випромінювання.

Різні ділянки електромагнітного спектра відрізняються за способом випромінювання та прийому хвиль, що належать тій чи іншій ділянці спектру. З цієї причини між різними ділянками електромагнітного спектру немає різких меж.

Радіохвилі вивчає класична електродинаміка. Інфрачервоне світлове та ультрафіолетове випромінювання вивчає як класична оптика, так і квантова фізика. Рентгенівське та гамма-випромінювання вивчається у квантовій та ядерній фізиці.

Розглянемо спектр електромагнітних хвиль докладніше.

Радіохвилі.

Радіохвилі є електромагнітні хвилі, довжини яких перевищують 0.1мм (частота менше 3 10 12 гц = 3000 Ггц).

Радіохвилі поділяються на:

1. Наддовгі хвилі з довжиною хвилі більше 10км (частота менше 3104 гц = 30кгц);

2. Довгі хвилі в інтервалі довжин від 10км до 1км (частота в діапазоні 3104 гц - 3105 гц = 300кгц);

3. Середні хвилі в інтервалі довжин від 1 км до 100 м (частота в діапазоні 3 10 5 гц -310 6 гц = 3мгц);

4. Короткі хвилі в інтервалі довжин хвиль від 100м до 10м (частота в діапазоні 310 6 гц-310 7 гц = 30мгц);

5. Ультракороткі хвилі з довжиною хвилі менше 10м (частота більша за 310 7 гц=30Мгц).

Ультракороткі хвилі у свою чергу поділяються на:

а) метрові хвилі;

б) сантиметрові хвилі;

в) міліметрові хвилі;

г) субміліметрові чи мікрометрові.

Хвилі з довжиною хвилі менше, ніж 1м (частота менше ніж 300мгц) називаються мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ - хвилі).

Через великі значення довжин хвиль радіодіапазону проти розмірами атомів поширення радіохвиль можна розглядати без урахування атомістичного будови середовища, тобто. феноменологічно, як заведено при побудові теорії Максвелла. Квантові властивості радіохвиль виявляються лише найкоротших хвиль, прилеглих до інфрачервоному ділянці спектра і за поширенні т.зв. надкоротких імпульсів з тривалістю порядку 10 -12 сек- 10 -15 сек, порівнянної з часом коливань електронів усередині атомів та молекул.

Інфрачервоне та світлове випромінювання.

Інфрачервоне, світлове, включаючи ультрафіолетове, випромінювання складають оптичну область спектра електромагнітних хвильу сенсі цього терміну. Близькість ділянок спектра перерахованих хвиль зумовило подібність методів і приладів, що застосовуються для їх дослідження та практичного застосування. Історично для цих цілей застосовували лінзи, дифракційні грати, призми, діафрагми, оптично активні речовини, що входять до складу різних оптичних приладів (інтерферометрів, поляризаторів, модуляторів та ін.).

З іншого боку випромінювання оптичної області спектра має загальні закономірності проходження різних середовищ, які можна одержати з допомогою геометричної оптики, широко використовуваної для розрахунків і побудови, як оптичних приладів, і каналів поширення оптичних сигналів.

Оптичний спектр займає діапазон довжин електромагнітних хвиль в інтервалі від 210 -6 м = 2мкм до 10 -8 м = 10нм (по частоті від 1510 14 гц до 310 16 гц). Верхня межа оптичного діапазонувизначається довгохвильовою межею інфрачервоного діапазону, а нижня короткохвильова межа ультрафіолету(Рис.2.14).

Ширина оптичного діапазону за частотоюстановить приблизно 18 октав 1 , З яких на оптичний діапазон припадає приблизно одна октава (); на ультрафіолет – 5 октав (), на інфрачервоне випромінювання – 11 октав (

В оптичній частині спектру стають суттєвими явища, зумовлені атомістичним будовою речовини. З цієї причини поряд із хвильовими властивостями оптичного випромінювання виявляються квантові властивості.

Рентгенівське та гама випромінювання.

В області рентгенівського та гамма випромінювання на перший план виступають квантові властивості випромінювання.

Рентгенівське випромінюваннявиникає при гальмуванні швидких заряджених частинок (електронів, протонів та ін), а також в результаті процесів, що відбуваються всередині електронних оболонок атомів.

Гамма випромінюванняє наслідком явищ, що відбуваються всередині атомних ядер, і навіть внаслідок ядерних реакцій. Кордон між рентгенівським та гама-випромінюванням визначається умовно за величиною кванта енергії 2 , що відповідає даній частоті випромінювання.

Рентгенівське випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною від 50 нм до 10 -3 нм, що відповідає енергії квантів від 20 до 1 Мев.

Гамма випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше 10 -2 нм, що відповідає енергії квантів більше 0.1 Мев.

Електромагнітна природа світла.

Світлоє видима ділянка спектра електромагнітних хвиль, довжини хвиль яких займають інтервал від 0.4мкм до 0.76мкм. Кожна спектральна складова оптичного випромінювання може бути поставлена ​​у відповідність певний колір. Забарвлення спектральних складових оптичного випромінюваннявизначається їх довжиною хвилі. Колір випромінювання змінюється зі зменшенням його довжини хвилі так: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Червоне світло, яке відповідає найбільшій довжині хвилі, визначає червону межу спектру. Фіолетове світло - відповідає фіолетовому кордону.

Природне світлоне пофарбований і представляє суперпозицію електромагнітних хвиль із усього видимого спектру. Природне світло з'являється внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль збудженими атомами. Характер збудження може бути різним: тепловий, хімічний, електромагнітний та ін. В результаті збудження атоми хаотично випромінюють електромагнітні хвилі приблизно на протязі 10 -8 сек. Оскільки енергетичний спектр збудження атомів досить широкий, випромінюються електромагнітні хвилі з усього видимого спектра, початкова фаза, напрям і поляризація яких має випадковий характер. З цієї причини природне світло не поляризоване. Це означає, що "щільність" спектральних складових електромагнітних хвиль природного світла, що мають взаємно перпендикулярні поляризації однаково.

Гармонічні електромагнітні хвилі світлового діапазону називаються монохроматичними. Для світлової монохроматичної хвилі однією з основних показників є інтенсивність. Інтенсивність світлової хвиліє середнє значення величини щільності потоку енергії (1.25) переносимого хвилею:

де - вектор Пойнтінг.

Розрахунок інтенсивності світлової, плоскої, монохроматичної хвилі з амплітудою електричного поля в однорідному середовищі з діелектричною та магнітною проникністю за формулою (1.35) з урахуванням (1.30) і (1.32) дає:

де - Коефіцієнт заломлення середовища; - хвильовий опір вакууму.

Традиційно оптичні явища розглядаються з допомогою променів. Опис оптичних явищ за допомогою променів називається геометрооптичним. Правила знаходження траєкторій променів, розроблені в геометричній оптиці, широко використовуються на практиці для аналізу оптичних явищ та при побудові різних оптичних приладів.

Дамо визначення променя, виходячи з електромагнітного уявлення світлових хвиль. Насамперед, промені - це лінії, вздовж яких поширюються електромагнітні хвилі. З цієї причини промінь- це лінія, у кожній точці якої усереднений вектор Пойнтінга електромагнітної хвилі спрямований по дотичній до цієї лінії.

У однорідних ізотропних середовищах напрям середнього вектора Пойнтинга збігається з нормаллю до хвильової поверхні (еквіфазної поверхні), тобто. вздовж хвильового вектора.

Таким чином, в однорідних ізотропних середовищах промені перпендикулярні до відповідного хвильового фронту електромагнітної хвилі.

Наприклад розглянемо промені, що випускаються точковим монохроматичним джерелом світла. З погляду геометричної оптики з точки джерела виходить безліч променів у радіальному напрямку. З позиції електромагнітної сутності світла з джерела поширюється сферична електромагнітна хвиля. На досить великій відстані джерела кривизною хвильового фронту можна знехтувати, вважаючи локально сферичну хвилю плоскою. Розбиваючи поверхню хвильового фронту велику кількість локально плоских ділянок, можна центр кожного ділянки провести нормаль, вздовж якого поширюється плоска хвиля, тобто. у геометрооптичній інтерпретації промінь. Таким чином, обидва підходи дають однаковий опис прикладу.

Основне завдання геометричної оптики полягає у знаходженні напрямку променя (траєкторії). Рівняння траєкторії перебуває після вирішення варіаційного завдання знаходження мінімуму т.зв. дії на шуканих траєкторіях. Не вдаючись у подробиці суворого формулювання і розв'язання зазначеної задачі, можна вважати, що промені є траєкторією з найменшою сумарною оптичною довжиною. Це твердження є наслідком принципу Ферма.

Варіаційний підхід визначення траєкторії променів можна застосовувати і до неоднорідним середовищах, тобто. таким середовищам, які мають заломлення є функція координат точок середовища. Якщо описати функцією форму поверхні хвильового фронту в неоднорідному середовищі, її можна знайти виходячи з рішення рівняння в приватних похідних, відомого як рівняння ейконалу, а в аналітичній механіці як рівняння Гамільтона - Якобі:

Таким чином, математичну основу геометрооптичного наближення електромагнітної теорії складають різні методи визначення полів електромагнітних хвиль на променях, виходячи з рівняння ейконалу або якимсь іншим способом. Геометрооптичне наближення широко використовується практично у радіоелектроніці до розрахунку т.зв. квазіоптичних систем.

На закінчення зазначимо, що можливість описати світло одночасно і з хвильових позицій шляхом вирішення рівнянь Максвелла і за допомогою променів, напрямок яких визначається з рівнянь Гамільтона - Якобі, що описують рух частинок, є одним із проявів дуалізму світла, що призвело, як відомо, до формулювання основних принципів квантової механіки