Электромагнитный спектр. Что такое электромагнитные волны

Вселенная пронизана энергией электромагнитного излучения. Из многих способов его проявления только видимый свет и тепловое излучение воспринимаются органами чувств человека. Среди других видов излучения - широкий спектр от инфракрасного до рентгеновского излучения и гамма-лучей. Фотоны света распространяются от Солнца через космический вакуум со скоростью света благодаря превращению переменного электрического поля в магнитное.

Что такое электромагнитные волны. Любой вид электромагнитного излучения можно представить как волны энергии, генерируемые осцилляцией электрических и магнитных полей.

Радиоволны, например, являются формой электромагнитного излучения, которую можно создать колебаниями электрического тока в проводнике. Отрицательно заряженные субатомные частицы - электроны, перемещаясь по проводнику, создают зону (или поле) электрического влияния вокруг себя. Они также создают магнитное поле. Если электроны заставить быстро двигаться взад и вперед, т.е. колебаться, создаваемые ими электрические и магнитные поля будут изменяться в унисон, генерируя радиоволны.

Частота и длина волны. Различие в частоте и длине позволяет отличать разные виды излучения.

Частота - это количество раз в секунду, когда электрическое и магнитное поле достигает своего максимального значения. Она измеряется в герцах (Гц).

Длина волны - это расстояние, которое проходит волна за время, необходимое для одного колебания. Она измеряется в метрах (м).

Чем выше частота, тем короче длина волны, и наоборот. Математически длина волны равна скорости света, деленной на частоту.

Энергия электромагнитных волн зависит от длины волны. Радиоволны, микроволны и инфракрасное излучение имеют большую длину волны (меньшую частоту), чем видимый свет, и несут меньше энергии. Ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи имеют более короткую длину волны (более высокую частоту), чем видимый свет, и несут больше энергии.

Волны или частицы. В большинстве случаев электромагнитное излучение ведет себя как поток волн, но иногда оно скорее подобно пучку отдельных частиц. Частицы электромагнитного излучения называются квантами, или фотонами - в случае частиц света.

Волновые эффекты. Излучение проявляет волновую природу, когда оно отражается от поверхности. Свет, например, отражается от зеркала, а радиоволны - от самолета.

Эффекты частиц. Излучение демонстрирует свойство частиц, когда оно реагирует с чем-либо, приводя к физическим или химическим изменениям. Например, фотоны, падающие на солнечную батарею, превращаются в электрический ток. Это называется фотоэлектрическим эффектом.

Положение, согласно которому электромагнитные волны сочетают свойства как волн, так и частиц, известно как корпускулярно-волновой дуализм и является фундаментальным принципом квантовой физики.

Увидеть цвет. Свет улавливается чувствительными клетками сетчатки, выстилающими внутреннюю поверхность глаза. Белый свет является смесью различных цветов - от красного (с наибольшей длиной волны) через оранжевый, желтый и синий до фиолетового (с наименьшей). Однако наш глаз не воспринимает разницу между «чистыми» цветами определенной длины волны и смесью некоторых цветов. Например, смесь красного и зеленого света выглядит как желтый. Это происходит оттого, что наш глаз имеет только три вида цветовых рецепторов, отвечающих на красный, зеленый и синий. Наш мозг интерпретирует сигналы от этих рецепторов, создавая палитру всех вариаций цветов, которые мы видим.

Инфракрасное:
- 3000 ГГц до 430 ТГц
- 10^-4 до 7 х 10^-7 _м (0,1 мм до 700 миллионных мм)
- Теплые и горячие объекты, включая лампы со специальным фильтром; инфракрасный лазер
- Термофил (тепловой сенсор); тепловой сенсор изображения; специальная фотографическая пленка
- Вызывает нагревание, когда излучение поглощается
- Излучающие нагреватели; плиты и тостеры; пульт дистанционного управления; приборы ночного видения и камеры теплового изображения; инфракрасная астрономия; аэрофотосъемка
- Инфракрасные изображения, полученные с самолетов или спутников, могут указать на созревание посевов, определяя тепло, исходящее от растений; также используется для обнаружения очагов лесных пожаров.

Видимый свет:
- 430 ДО 750 ТГц
- 7 х 10 ^-7 ДО 4 х IO ^-7 м (700 до 400 миллионных мм)
- Горячие или горящие объекты, включая Солнце и звезды; флуоресцентные материалы; электрический разряд; лазер; химические реакции
- Глаза; фотографическая пленка; фотоумножитель; фотоэлектрическая ячейка
- Вызывает некоторые химические реакции; возбуждает сенсоры в глазах животных; при поглощении хлоропластами растений дает энергию для фотосинтеза
- Зрение; фотография, кинематограф и телевидение; отбеливание; генерация тока (в фотоэлементах); зрелища и коммуникации (с лазерами и оптоволокном)
- Цвета, что мы различаем, не что иное, как световые волны разной длины: красный свет имеет наибольшую длину волны, а фиолетовый - наименьшую.

Ультрафиолетовое:
- 750 ТГц до 300 ПГц
- 4 х 10^-7 до 10 ^-9 м (400 миллионных до 1 миллиардной мм)
- Горячие объекты, включая Солнце и звезды; некоторые флуоресцентные материалы; электрический разряд; ультрафиолетовый лазер
- Флуоресцентные материалы; фотографическая пленка; глаза насекомых; электронные приборы
- Загар и ожог кожи, что может вызвать рак; в высоких дозах вызывает слепоту, убивает бактерии и вирусы, повреждает и разрушает растительные организмы
- Зрение у насекомых (чтобы распознать некоторые «невидимые» узоры цветков); оптические отбеливатели в моющих порошках; стерилизация в больницах; приборы ночного видения
- Некоторые цветки имеют узоры, видимые только в ультрафиолетовых лучах. Большинство интенсивных ультрафиолетовых солнечных лучей поглощаются озоновым слоем в стратосфере. Он не дает большей части ультрафиолетового излучения достичь Земли.

Рентгеновские лучи:
- 300 ПГц до 30 ЭГц
- 10^-9 до 100 ^-11 _м (1 миллиардная до 100 миллиардных мм)
- Бомбардировка металлической мишени быстрыми электронами; Солнце, звезды и другие космические источники
- Флуоресцентные материалы; фотографическая пленка; опосредовано путем детекции любого вызываемого ими излучения
- Проникают через многие твердые материалы; могут вызывать генетические мутации и рак; могут повредить чувствительное электронное оборудование
- Исследование костей и внутренних органов (плотные части менее проницаемы для рентгеновских лучей); проверка металлических соединений и сварных швов; разрушение раковых клеток
- Многие звезды излучают рентгеновские лучи; Солнце выбрасывает наиболее мощные рентгеновские лучи во время «вспышек» солнечной активности. Эти лучи могут повредить аппаратуру искусственных спутников Земли и электронное оборудование на ее поверхности.

Гамма-лучи:
- более 30 ЭГц
- Менее 10 ^-11 м (менее 10 миллиардных мм)
- Ядерные реакции, включая радиоактивный распад, ядерный реактор или взрыв; звезды и другие космические источники
- Флуоресцентные материалы; фотографическая пленка; опосредовано путем детекции вызываемого ими излучения
- Проходят через все, даже очень толстые или массивные материалы; вызывают мутации и повреждают клетки, приводя к лучевой болезни и часто к смерти
- Исследование плотных структур, таких, как подшипники в самолетах, для обнаружения трещин и других дефектов; разрушение раковых клеток
- Гамма-лучи хотя и опасны, но не вызывают таких больших поражений тканей, как некоторые другие типы ядерной радиации. Особенно толстая бетонная оболочка необходима, чтобы защитить людей от гамма- лучей, исходящих из ядерных реакторов.