Раздел 1. Характеристики электромагнитного излучения

1.1. Излучение

Электромагнитное излучение представляет собой одну из форм существования материи и состоит из потока элементарных частиц – фотонов. Фотон существует только в непрерывном поступательном движении. Скорость движения фотона равна скорости света в вакууме c~Зх10⁸ мс^-1. Фотон обладает энергией, массой, скоростью и определенными волновыми свойствами, которые можно характеризовать частотой ν_ф или длиной волны λ_ф. То, что фотон обладает массой, доказано опытами П. Н. Лебедева (1866 – 1912), обнаружившего давление света. Его опыты подтвердили электромагнитную теорию света, разработанную Максвеллом. Фотон – элементарная частица материи, которая движется со скоростью света и не обладает массой покоя. Это следует из выражения, описывающего связь между массами неподвижной m₀ и движущейся m_д частиц:

(1.1)

где ν и с – скорость элементарной частицы и света.

В конце XVIII в. физики обнаружили, что масса электрона зависит от скорости его движения и определяется его электромагнитными свойствами. Исчезает масса электрона как классическая масса – мера материи, определяемая ее объемом и плотностью. Планк показал, что энергия фотона

, (1.2)

где h – постоянная величина, носящая название постоянной Планка и равная 6,626х10^-34 Джс; ν – частота волны, характеризующая волновые свойства фотона, с^-1.

Движение частицы материи (атома, молекулы, фотона) сопровождает волновой процесс с длиной волны

, (1.3)

где т – масса частицы; ν – скорость ее движения.

Это соотношение называется формулой де Бройля.

Используя закон пропорциональности массы и энергии, определяют массу фотона

. (1.4)

Излучение – понятие, одинаково применимое к различным областям электромагнитных полей (гамма, рентгеновское, оптическое, радиоизлучение). К оптической области спектра относится часть электромагнитного спектра с длинами воли от λ₁=0,01 мкм до λ_n= 1000 мкм. Излучение оптической области спектра создается в результате электронного возбуждения атомов, колебательного и вращательного движения молекул.

Электромагнитное излучение делится на следующие основные диапазоны:

1. Оптическое излучение – электромагнитное излучение с длинами волн, расположенными в диапазоне между переходной областью рентгеновских лучей (~1нм) и переходной областью радиоизлучений (~1мм). Излучение оптической области спектра создается в результате электронного возбуждения атомов, колебательного и вращательного движения молекул.

2. Рентгеновское излучение (Х – лучи) с длинами волн от 0,01 до5нм.

3. Гамма лучи с длинами волн от 0,001 до 0,1 нм.

4. Космические лучи с длинами волн < 0,001 нм.

5. Радиоволны с длинами волн > 1 мм до 10 км.

Оптическая область спектра делится на три основные части – инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую.

• Инфракрасное излучение (ИК) соответствует длинам волн монохроматических составляющих, которые больше длин волн видимого излучения и меньше 1 мм. МКО различает ИК–А от 780 до 1400 нм (ближняя ИК – область); ИК–В от 1,4 до 3 мкм (средняя ИК – область); ИК–С от 3 мкм до 1 мм (дальняя ИК – область).

• Видимое излучение – свет. Излучение, которое может непосредственно вызывать зрительное ощущение. Нижняя граница считается обычно лежащей между 380 и 400 нм, а верхняя – между 760 и 780 нм.

• Ультрафиолетовое излучение (УФ) соответствует длинам волн монохроматических составляющих, которые меньше длин волн видимого излучения и больше примерно 1 нм. В спектральной области между 100 и 400 нм. МКО различает УФ–А от 315 до 400 нм (ближняя УФ – область); УФ–В от 280 до 315 нм (средняя УФ – область); УФ – С от 100 до 280 нм (дальняя УФ – область).

Инфракрасное излучение имеют фотоны с меньшей энергией, чем фотоны видимого и ультрафиолетового излучений. Характерным для излучения этого участка спектра является его тепловое действие и в значительно меньшей степени – фотоэлектрическое и фотохимическое действия. Все воспринимаемые человеком цветовые ощущения образуются видимым диапазоном, что позволяет человеку получать большой объем информации. Излучение видимого участка спектра характерно тем, что только оно позволяет видеть нам все многообразие окружающего нас мира. Видимое излучение обладает значительным фотоэлектрическим и фотохимическим действиями. Из всех излучений оптической области спектра ультрафиолетовое обладает самыми высокоэнергетическими фотонами. УФ – лучи оказывают сильное биологическое воздействие. Дальняя УФ область используется для обеззараживания и уничтожения бактерий, а ближняя и средняя области в строго дозированном виде для получения лечебного или оздоровительного эффекта. При облучении ультрафиолетом люминофора мы получаем источник видимого излучения. На этом принципе основаны экономичные источники света – люминесцентные лампы. УФ излучение оказывает сильное воздействие на самые различные приемники. Ультрафиолетовое излучение обладает сильным фотохимическим действием и широко применяется в фотографической технике для получения негативных и позитивных изображений. Без ультрафиолетового излучения невозможно нормальное функционирование организма человека. Большие дозы этого излучения вызывают ожоги кожи и воспаление слизистых оболочек.

Энергия излучения может быть измерена в джоулях (Дж) в системе СИ или других единицах энергии.