ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

Причина звука? - вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незамтны для нашего глаза.

Источники звука — физические тела, которые колеблются , т.е. дрожат или вибрируют с частотой  от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или в свистке или жидким, например, волны на воде.

Вокруг колеблющегося тела возникают колебания окружающей среды, которые распространяются в пространстве. Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах. Волны, которые вызывают ощущение звука, с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц называют  звуковыми волнами (в основном продольные).

СДЕЛАЙ САМ !

Если поднести к стакану или стеклянной банке бусинку на ниточке и ударить, например,  карандашом по стенке стакана, то мы увидим колебания бусинки и услышим ее позванивание.

ЧТОБЫ УСЛЫШАТЬ ЗВУК

необходимы: 1. источник звука; 2. упругая среда между ним и ухом; 3. определенный диапазон частот колебаний источника звука – между 16 Гц и 20 кГц, достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

Громкость. . Громкость зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне.

За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ). 1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;  50 дБ – разговор средней громкости; 70 дБ – шум пишущей машинки;

80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля; 120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м 130 дБ – порог болевого ощущения.

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Высота тона.

- определяется частотой колебаний источника звука.  Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов:

бас – 80–350 Гц, баритон – 110–149 Гц,  тенор – 130–520 Гц,  дискант – 260–1000 Гц, сопрано – 260–1050 Гц,  колоратурное сопрано – до 1400 Гц.

Частотный спектр звуков музыкальных инструментов.

 

Согласно легенде, Пифагор все музыкальные звуки расположил в ряд, разбив этот ряд на части – октавы, – а октаву – на 12 частей (7 основных тонов и 5 полутонов). Всего насчитывается 10 октав, обычно при исполнении музыкальных произведений используются 7–8 октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не используются, они слишком резки и пронзительны.

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН ЗВУКОВ, ВОСПРИНИМАЕМЫХ ЖИВОТНЫМИ

Бабочка	8 000 - 160 000 Гц
Дельфин	40 - 200 000 Гц
Кошка	250 - 100 000 Гц
Кузнечик	50 - 50 000 Гц
Летучая мышь	2 000 - 150 000 Гц
Медведь	300 - 70 000 Гц
Попугай	300 - 15 000 Гц
Собака	200 - 50 000 Гц
Человек	16 - 20 000 Гц

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Как помочь тугоухим? Где в нашем организме "жилище Минотавра"? Какое же оно - наше ухо? Сухарик хрустит, будто трактор едет! А какой у нас голос? На какой высоте звука мы общаемся? Сможешь ли ты перекричать рев самолета? Жужжание насекомых. Стирает ультразвук.

ИНТЕРЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ !

Снег скрипит. Акустика снега и льда. "Высоты грозного шума". Есть ли что-нибудь не поющее в мире? Островок слышимости в океане невоспринимаемых звуков. Победное шествие ультразвука. Новая опасность ползет из глухого угла.

 

О ЗВУКАХ В ЛИТЕРАТУРЕ ...

( Шум - это беспорядочная смесь музыкальных звуков.)

НЕ ШУМИТЕ!  А разве мы шумели?  Ну, Андрюша стучал еле-еле  Молотком по железной трубе,  Я тихонько играл на губе,  Восемь пятых размер соблюдая,  Таня хлопала дверью сарая,  Саша камнем водил по стеклу,  Толя бил по кастрюле в углу.  Кирпичом! Но негромко и редко.  «Не шумите!» — сказала соседка,  А никто и не думал шуметь .....

Ал. Кушнер.

В КАКОЙ КНИГЕ ВЫ МОГЛИ ПРОЧИТАТЬ ЭТО ?

Почему барабан звучит?

Однажды встретились вождь Соколиный глаз и шаман Змеиный язык.  " Почему звучит барабан?" - спросил шаман. Вождь быстро ответил: "Потому, что его ударили".  Шаман очень быстро отозвался: "Звук после удара длится заметно дольше, чем сам удар".  Тут же вождь и шаман потребовали себе самый большой барабан.  Сначала вождь ударял, а шаман трогал барабанную шкуру, потом — наоборот. В конце концов, они заметили, что шкура дрожит, и когда она дрожит — слышен звук.  Тут вождь, который был так же силен в догадках, как шаман в загадках, высказал Великую Догадку:  ВСЕ ЗВУЧАЩЕЕ — ДРОЖИТ!!!  При этом вождь завопил от восторга так, что у шамана в ушах зазвенело. Не помня себя от боли, шаман ухватил вождя за горло. Горло дрожало!  Шаман отпустил вождя и взял за загривок Сторожевого Ягуара, который мурлыкал у входа.  Загривок дрожал!  Тут вождь перестал вопить и выдал вторую Великую Догадку: ВСЕ ДРОЖАЩЕЕ — ЗВУЧИТ!!!  Шаман вместо коварного вопроса приблизил к носу вождя судорожно сжатый кулак. Кулак (и вся рука) дрожали — но не звучали. Вторую великую догадку пришлось поправить:  НЕ ВСЕ ДРОЖАЩЕЕ ЗВУЧИТ!  Тем временем у шамана созрел очередной коварный вопрос: "Как дрожать, чтобы звучать? " Вождь вспомнил недавний бой: если в ствол дерева вонзается длинная стрела — она беззвучно дрожит, если короткая — звучит. Шаман вытащил самую длинную стрелу, прижал оперенный конец к плоскому камню, а вождь пригнул острый конец вниз — и тут же отпустил. Потом сделал свободный конец покороче — и опять отпустил.  Ответ вождя, недаром его звали Соколиный Глаз, был таков:  " Стрела начинает звучать, когда ее дрожание перестает быть заметным глазу — настолько оно частое."  Шаман попросил вождя поменяться местами: теперь вождь держал оперенный конец стрелы, а  шаман отклонял и отпускал острие. Шаман Змеиный язык был слабее вождя, и каждый раз отклонял острие не так сильно. Как менялось звучание? 

РУПОР - УСИЛИТЕЛЬ ЗВУКА

Часто на соревнованиях, когда тренеру или судье необходимо сообщить что-либо спортсмену на большом расстоянии, используютрупор. Это может быть достаточно сложный прибор – мегафон, но можно обойтись и простой газетой свернутой в кулек. Можно сделать рупоры из больших листов ватмана. Если в классе два таких рупора поставить у противоположных стенок, то разговаривать с их помощью можно шепотом.

СЛУШАЕМ МУЗЫКУ!

Чтобы продемонстрировать, как рупор усиливает звук, сделайте из плотной бумаги  небольшой рупор, и в тонкий его конец  перпендикулярно поверхности бумаги воткните  швейную иголку.  Вставьте карандаш в отверстие  пластинки с записью какой-нибудь музыки.  Уприте   острый конец карандаша  с пластинкой  в поверхность стола и начните вращать  пластинку,  быстро проворачивая карандаш.  Другой рукой  поставьте острие иголки  рупора на звуковую бороздку пластинки. Прислушайтесь!  Должен появиться звук!

ПОПРОБУЙ !

А если взять 2 тонкие резиновые трубочки, вставить в узкий конец рупора, замотать изоляционной лентой, а свободные концы этих трубок вставить в оба уха, то с таким несложным приспособлением далекие и слабые звуки будут слышны гораздо лучше.  Для примера вспомни, для чего врачу нужен стетоскоп? С помощью чего Э.К.Циолковский пытался компенсировать глухоту? Для чего человек прикладывает ладонь к уху, пытаясь разобрать плохо слышимые звуки?

ВОТ ЭТО ДА-А !

Обнаружили, что когда растению становится трудно добывать воду из пересохшей почвы, стебель растения начинает издавать ультразвуковые шумы. Присоединив к стеблям специальные микрофоны, можно уловить эти шумы и включать поливальные установки  только тогда, когда сами растения этого требуют

___

Звук храпа может достигать 69 децибелл, что сравнимо со звуком отбойного молотка.  ___

Самый громкий шум, полученный в лабораторных условиях, был равен 210 дБ.  Он был получен  за счёт отражения звука железобетонным испытательным стендом,  предназначенным для испытаний ракеты  в Центре космических полётов США, в  1965 г. Звуковой волной такой силы можно было бы сверлить отверстия в твёрдых материалах. Шум был слышен в пределах161 км.

___

Самая высокая из полученных нот имеет частоту 60 гигагерц. Она была сгенерирована лазерным лучом, направленным на кристалл сапфира, в США, в 1964 г.

___

Самое тихое место - это «Мёртвая комната»  в Лаборатории концерна «Белл телефон систем» в США,  она является самой звукопоглощающей комнатой в мире, в которой исчезает 99,98% отражаемого звука.

СДЕЛАЙ САМ!

Самодельный телефон из нитки и спичечных коробок.

Возьми 2 спичечных коробочки ( или любые другие коробочки подходящих размеров: из-под пудры, зубного порошка, скрепок) и нитку длиной несколько метров (можно на всю длину школьного класса).Проткни иголкой с ниткой донышко коробка и завяжи на нитке узелок, чтобы она не выскакивала.Таким образом, оба коробка будут соединены с помощью нитки.В телефонном разговоре участвуют двое: один говорит в коробок, как в микрофон, другой- слушает, приложив коробок к уху. Нить во время разговора должна быть натянута и не должна касаться каких-либо предметов, включая и пальцы, которыми держат коробки. Если прикоснешься пальцем к нитке, разговор тут же прекратится. Почему?

Музыкальные инструменты.

Если взять несколько пустых одинаковых бутылок, выстроить их в ряд и наполнить водой ( первую небольшим количеством воды, последующие заполнять по нарастающей, а последнюю наполнить доверху), то получится музыкальный ударный инструмент. Ударяя по бутылкам ложкой, мы заставим воду колебаться. Звуки от бутылок будут различаться по высоте.

Берем картонную трубку, вставляем в неё, как поршень, пробку с воткнутой вязальной спицей и перемещая поршень, дуем в край трубки. Звучит флейта!

Берем коробку с не проминающимися краями, надеваем на нее кольцевые резинки (чем туже обхватывают они коробку, тем лучше), и готова арфа! Перебирая резинки, как струны, слушаем мелодию!

Еще одна “музыкальная” игрушка. Если взять кусок гофрированной пластиковой трубки и раскрутить его над головой, то раздастся музыкальный звук. Чем больше скорость вращения, тем выше высота звука. Поэкспериментируй! Интересно, чем вызвано появление звука в этом случае?

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Самолёт, летящий со сверхзвуковой скоростью, обгоняет создаваемые им звуки. Эти звуковые волны сливаются в одну ударную волну. Достигая поверхности земли, ударная волна выбивает стёкла, разрушает постройки, оглушает.

___

Звук издаваемый синим китом громче, чем звук выстрела рядом стоящего тяжелого орудия, или громче, чем звук стартующей ракеты.

___

При прохождении метеоритами атмосферы Земли возбуждается ударная волна, скорость которой в сто раз выше звуковой, при этом возникает резкий звук, похожий на звук рвущейся материи.

___

При умелом ударе кнутом вдоль него образуется мощная волна, скорость распространения которой на кончике кнута может достигатьогромных значений! В результате возникает мощная ударная звуковая волна, сравнимая со звуком выстрела.

ТАИНСТВЕННАЯ ГАЛЕРЕЯ ШЕПОТОВ

Лорд Рэлей первым объяснил загадку галереи шепотов, расположенной под куполом лондонского собора Святого Павла. На этой большой галерее очень хорошо слышен шепот. Если, например, ваш приятель шепнул что-нибудь, обернувшись к стене, то вы услышите его, в каком бы месте галереи вы ни стояли. Как ни странно, вы слышите его тем лучше, чем более “прямо в стенку” он говорит и чем ближе к ней стоит. Сводится ли эта задача просто к отражению и фокусировке звука? Чтобы исследовать это, Рэлей изготовил большую модель галереи. В одной точке ее он поместил манок — свистульку, какой охотники приманивают птиц, в другой — чувствительное пламя, которое чутко реагировало на звук. Когда звуковые волны от свистульки достигали пламени, оно начинало мерцать и таким образом служило индикатором звука. Вы, наверное, нарисовали бы путь звука так, как показано стрелкой на рисунке. Но, чтобы не принимать это на веру, представьте себе, что где-то между пламенем и свистулькой у стены галереи помещен узкий экран. Если ваше предположение относительно хода звуковых волн верно, то при звуке свистульки пламя все равно должно мерцать, так как экран, казалось бы, находится в стороне! Однако в действительности, когда Рэлей установил этот экран, пламя перестало мерцать. Каким-то образом экран преградил путь звуку. Но как? Ведь это всего лишь узенький экранчик и расположен он вроде бы в стороне от пути звука. Полученный результат дал Рэлею ключ к разгадке секрета галереи шепотов.

. Галерея шепотов (в разрезе)

Модель галереи шепотов, сделанная Рэлеем. Звук свистка заставляет пламя мерцать.

Если у стенки модели галереи установлен тонкий экран, пламя не реагирует на звуки свистков. Почему? Непрерывно отражаясь от стен купола, звуковые волны распространяются в узком поясе вдоль стены. Если наблюдатель стоит внутри этого пояса, он слышит шепот. За пределами этого пояса, дальше от стены, шепот не слышен. Шепот слышен лучше, чем обычная речь, так как он богаче звуками высокой частоты, а “пояс слышимости” для высоких частот шире. Звук при этом распространяется как бы в цилиндрическом волноводе и его интенсивность убывает с расстоянием значительно медленнее, чем при распространении в открытом пространстве.

Шумящие водопроводные трубы.

Почему водопроводные трубы порой начинают рычать и стонать, когда мы открываем или закрываем кран? Почему это не происходит непрерывно? Где именно возникает звук: в водопроводном кране, в части трубы, примыкающей непосредственно к крану, или в каком-нибудь изгибе ее где-то дальше? Почему шум начинается только при определенных уровнях расхода воды? Наконец, почему шум можно устранить, присоединив к водопроводной трубе закрытую с другого конца вертикальную трубку, в которой находится воздух ? При увеличении скорости потока в местах сужений в трубах может возникать турбулентность, которая приводит к кавитации (образованию и разрыву пузырьков). Колебания пузырьков усиливаются трубами, а также стенами, полами, потолками, к которым трубы прикреплены!. Иногда шум может быть вызван и периодическими ударами турбулентного потока о препятствия (например, сужения) в трубе.

Умеют ли рыбы разговаривать ?

Рыбы говорят человеческим языком, только в сказках, но они вовсе не глухи и могут издавать звуки. Различные звуки они издают с помощью зубов, воздушного пузыря, хвоста. Звуки им служат для общения и для отпугивать врагов. Рыбаки знают, что пескарь может пищать, а лещи издавать булькающие звуки.

Но рыбы и воспринимают звук. Так хищники спешат на то место, где произошел всплеск другой, мелкой рыбы.

___

Самый громкий шум, полученный в лабораторных условиях, был равен 210 дБ, или 400 тыс. ак. Вт (акустических ватт), сообщило агентство НАСА. Он был получен за счёт отражения звука железобетонным испытательным стендом размером 14,63 м и фундаментом глубиной 18,3 м, предназначенным для испытаний ракеты «Сатурн V», в Центре космических полётов им. Маршалла, Хантсвилл, штат Алабама, США, в октябре 1965 г. Звуковой волной такой силы можно было бысверлить отверстия в твёрдых материалах. Шум был слышен в пределах 161 км.

___

Энергия, которую обычно переносят звуковые волны, очень мала. Если бы стакан с водой полностью поглощал всю падающую на него звуковую энергию, соответствующую громкости достаточно громкой речи, и был бы полностью теплоизолирован от окружающей среды, то для того, чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения потребовалось бы примерно 30 тысяч лет!

УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ !

Попробуй выполнить этот опыт и удиви своих родственников!

Инструментом же у тебя будет стеклянный ( не хрустальный ) тонкостенный бокал на ножке, вместимостью от половины до стакана жидкости.

Стекло бокала должно быть чистое, гладкое, ничем не разрисованное. Подобрав инструмент, приступай к проверке его музыкальных качеств. Прежде чем приступить к опыту, хорошо вымой руки с мылом. Затем, слегка намочив чистой водой пальцы правой руки, поставь бокал на стол, а левой рукой крепко держи его за ножку. Средним или указательным пальцем правой руки начни вкруговую водить по краю бокала.. Через несколько секунд ты должен услышать мелодичный звук. Звук не будет прекращаться пока ты водишь по краю бокала. Если это успешно получилось, налей в бокал чистую воду, немного не доходя до края,и продолжай водить пальцем. Ты должен услышать звук значительно ниже того, который был без воды. Продолжая круговые движения пальцем, посмотри на поверхность воды. На ней образовались маленькие волны. Они призошли от колеблющихся , звучащих стенок бокала. Теперь начни постепенно удалять воду небольшими порциями. Звук будет постепенно повышаться и самый высокий будет у пустого бокала.

Если ты удивишь этим опытом и меня, то в журнале появится "5"!

ЗВУКОВОЙ УДАР

Проделайте в дне пластмассового ведерка из под майонеза отверстие около 1см в диаметре, закройте ведро крышкой, напротив отверстия поставьте горящую свечу. Ударьте рукой по крышке – свеча погаснет. Звук тушит свечу.

САМОДЕЛЬНАЯ СИРЕНА

Возьмите деревянный круг, проделайте в нем отверстия вдоль окружностей разного радиуса через правильные промежутки. Начните его вращать, расположив вертикально. Направьте струю воздуха из шланга пылесоса в отверстия каждой из окружностей. Будут ли отличаться звуки? Как сделать звук громче, выше или ниже ? Можете ли вы объяснить принцип работы сирены?

ЗВУКИ ПУСТЫНЬ

Очень часто в литературе упоминаются о таинственных звуках, которые можно услышать в пустыне. Сегодня известно, что эти звуки возникают в результате движения слоёв песка, но полного объяснения этих явлений ещё нет.  Различают два вида звучащих песков — „гудящие“ и „свистящие“, которые отличаются частотой и длительностью звука и возникают при разных условиях. Свистящие звуки - лёгкое посвистывание песка под ногами можно услышать на морских побережьях, на берегах рек и озёр по всему миру. Это акустические колебания песчинок с частотой от 500 до 2500 Гц. Гудящие звуки - они возникают глубоко в пустыне вблизи отдельных больших дюн. Это громкий звук низкой частоты 50–300 Гц, длящийся обычно от несколько секунд до 15 минут. Они разносятся на расстояния до 10 километров, и нередко сопровождается вибрациями почвы. Свистят и гудят пески, состоящие из кварца. А вот звучание песков Гавайских островов напоминает лай собаки. Гавайские пески — единственные звучащие пески, состоящие не из кварца.

Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение

Оптическая часть спектра включает инфракрасный (ИК), видимый и ультрафиолетовый (УФ) диапазон. Излучение и поглощение в нем связано со строением и переходами, колебанием и вращением электронов, атомов и молекул.

ИК- и УФ-лучи невидимы и обнаружились при измерении температуры на краях спектра, за границей видимых лучей. Поскольку они сильно поглощаются стеклом, то для них нужно брать призмы из кварца, соли и др.

ИК область включает волны от мм до 0.75 мкм (красного света). ИК-излучение также называют тепловым, оно связано с тепловым движением и быстро растет при повышении температуры тел выше обычной. Оно невидимы, но ощущается некоторыми животными (как змеи) и тепловизорами или приборами ночного видения. Помимо людей, так можно контролировать распределение температуры, качество теплоизоляции и т.п. Для видения можно увеличить частоту ИК, например, удвоить, что может делать нелинейная оптика. Чаще используют фотоэффект (с 1 мкм) или изменение фосфоресценции от тепла излучения, используя ИК-прожектор (как на границе). Повышение частоты и энергии может вызывать даже преобразование реликтового излучения в рентгеновское у сверхскоплений галактик, лежит в основе прямого измерения их скоростей и характеристик (эффект Зельдовича-Синяева).

В космосе также открыли естественные мазеры - источники ИК света и даже ультрафиолетовый лазер – ярчайшая в Галактике звезда Eta Carinae со сложной фотофизикой (двухфотонное поглощение и ионизация, автоионизационнная лестница и др.).

Энергия квантов видимого света имеет порядок 2-4 эв или 200-400 кДж/моль, как у химических связей. Поэтому они вызывают химические реакции и запас энергии в химическом виде, при фотосинтезе. А УФ и рентген-Х-лучи имеют большую частоту и энергию, различаются по жесткости, разрушают вещества и опасны.

УФ разделяют на ближний (400-290), средний (290-230 нм), дальний и вакуумный (230-180-50 нм), переходящий в рентген, Х-лучи. Они также показывают свойства волн, света, но с большей энергией и невидимы, не воспринимаются зрением. Их можно увидеть по люминесценции и фотоэффектам веществ, используются в химии, фотографии. Ближний УФ частично пропускается атмосферой, вызывает загар. Как считают, большие дозы его влекут повреждения и мутации клеток, ДНК, рак кожи. УФ убивает бактерии и бактерицидное действие используют в медицине, для обеззараживания помещений. Средний УФ поглощается кислородом, образуя озон (и стратосферу, слой, защищающий от УФ).

Рентгеновское излучение получается при торможении электронов, обратно фотоэффекту (Т.1), при изменении внутренних оболочек атомов. Слабо реагируя с внешними, оно легко проходит через легкие элементы и материалы, показывая более тяжелые – металлы (Са костей). Его изучил в1895 г. Рентген и назвал Х-лучами. Он обнаружил гораздо большую проницаемость тел для них, возможность применения при диагностике, обнаружении инородных предметов, сделал рентген-снимки тела. Кроме этого, они применяются против опухолей, как и у- и другие излучения. Их длина порядка размеров атомов дает возможности картины дифракции и их анализа в кристаллах, включая органические соединения, белки. Чем короче длина волны, тем более жесткими и проникающими они считаются. За рентгеновским диапазоном начинаются γ-лучи, связанные с реакциями ядер и частиц (с энергией порядка Мэв).

УФ и рентген-Х- и γ-изучение Солнца имеет не тепловую природу, особенно при вспышках, растут в периоды активности Солнца. Они могут определять солнечный ветер, ионизацию, конденсацию влаги и погоду на Земле.

Шкала электромагнитных волн

Спектр электромагнитных волн.

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны   или связанной с ней частотой волны . Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в данном томе, а во втором - квантовыми законами, изучаемыми в томе 5 настоящего пособия.

Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:

1) Радиоволны;

2) Инфракрасное излучение;

3) Световое излучение;

4) Рентгеновское излучение;

5) Гамма излучение.

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ.

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма излучение изучается в квантовой и ядерной физике.

Рассмотрим спектр электромагнитных волн более подробно.

Радиоволны.

Радиоволны представляют собой электромагнитные волны, длины которых превосходят 0.1мм( частота меньше 3 10¹²гц = 3000 Ггц).

Радиоволны делятся на:

1. Сверхдлинные волны с длиной волны больше 10км( частота меньше 3 10⁴гц=30кгц);

2. Длинные волны в интервале длин от10км до 1км( частота в диапазоне 3 10⁴ гц ^-3 10⁵гц=300кгц);

3. Средние волны в интервале длин от1км до 100м(частота в диапазоне 3 10⁵ гц -310⁶гц=3мгц);

4. Короткие волны в интервале длин волн от 100м до 10м (частота в диапазоне 310⁶гц-310⁷гц=30мгц);

5. Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 310⁷гц=30Мгц).

Ультракороткие волны в свою очередь делятся на :

а) метровые волны;

б) сантиметровые волны;

в) миллиметровые волны;

г) субмиллиметровые или микрометровые.

Волны с длиной волны меньше, чем 1м(частота меньше чем 300мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот(СВЧ - волны).

Из-за больших значений длин волн радиодиапазона по сравнению с размерами атомов распространение радиоволн можно рассматривать без учета атомистического строения среды, т.е. феноменологически, как принято при построении теории Максвелла. Квантовые свойства радиоволн проявляются лишь для самых коротких волн, примыкающих к инфракрасному участку спектра и при распространении т.н. сверхкоротких импульсов с длительностью порядка 10^-12сек- 10^-15сек, сравнимой со временем колебаний электронов внутри атомов и молекул.

Инфракрасное и световое излучения.

Инфракрасное, световое, включая ультрафиолетовое, излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.).

С другой стороны излучение оптической области спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые могут быть получены с помощью геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как оптических приборов, так и каналов распространения оптических сигналов.

Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 210^-6м= 2мкм до 10^-8м=10нм (по частоте от1.510¹⁴гц до 310¹⁶гц). Верхняя граница оптического диапазонаопределяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя коротковолновой границей ультрафиолета (рис.2.14).

Рис. 1.14.

Ширина оптического диапазона по частоте составляет примерно 18 октав¹, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава( ); на ультрафиолет - 5 октав ( ), на инфракрасное излучение - 11 октав (

).

В оптической части спектра становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине наряду с волновыми свойствами оптического излучения проявляются квантовые свойства.

Рентгеновское и гамма излучение.

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.

Гамма излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате ядерных реакций. Граница между рентгеновским и гамма излучением определяются условно по величине кванта энергии  ², соответствующего данной частоте   излучения.

Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной от50 нм до 10^-3нм, что соответствует энергии квантов от 20эв до 1Мэв.

Гамма излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10^-2нм, что соответствует энергии квантов больше 0.1Мэв.

Электромагнитная природа света.

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн, длины волн которых занимают интервал от 0.4мкм до 0.76мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определённый цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излучения определяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Красный свет, соответствующий наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовый свет - соответствует фиолетовой границе.

Естественный свет не окрашен и представляет суперпозицию электромагнитных волн из всего видимого спектра. Естественный свет появляется в результате испускания электромагнитных волн возбужденными атомами. Характер возбуждения может быть различным: тепловой, химический, электромагнитный и др. В результате возбуждения атомы излучают хаотическим образом электромагнитные волны примерно в течении 10^-8сек. Поскольку энергетический спектр возбуждения атомов достаточно широкий, то излучаются электромагнитные волны из всего видимого спектра, начальная фаза, направление и поляризация которых имеет случайный характер . По этой причине естественный свет не поляризован. Это означает, что "плотность" спектральных составляющих электромагнитные волны естественного света, имеющих взаимно перпендикулярные поляризации одинаково.

Гармонические электромагнитные волны светового диапазона называются монохроматическими. Для световой монохроматической волны одной из главных характеристик является интенсивность.Интенсивность световой волны  представляет собой среднее значение величины плотности потока энергии (1.25) переносимого волной:

,

(1.42)

где   - вектор Пойнтинга.

Расчет интенсивности световой, плоской, монохроматической волны с амплитудой электрического поля   в однородной среде с диэлектрической   и магнитной   проницаемостями по формуле(1.35) с учетом (1.30) и (1.32) дает :

,

(1.43)

где   - коэффициент преломления среды;   - волновое сопротивление вакуума.

Традиционно оптические явления рассматриваются с помощью лучей. Описание оптических явлений с помощью лучей называется геометрооптическим. Правила нахождения траекторий лучей, разработанные в геометрической оптике, широко используются на практике для анализа оптических явлений и при построении различных оптических приборов.

Дадим определение луча, исходя из электромагнитного представления световых волн. Прежде всего, лучи - это линии, вдоль которых распространяются электромагнитные волны. По этой причинелуч - это линия, в каждой точке которой усредненный вектор Пойнтинга   электромагнитной волны направлен по касательной к этой линии.

В однородных изотропных средах направление среднего вектора Пойнтинга   совпадает с нормалью к волновой поверхности (эквифазной поверхности), т.е. вдоль волнового вектора  .

Таким образом, в однородных изотропных средах лучи перпендикулярны соответствующему волновому фронту электромагнитной волны.

Для примера рассмотрим лучи, испускаемые точечным монохроматическим источником света. С точки зрения геометрической оптики из точки источника исходит множество лучей в радиальном направлении. С позиции электромагнитной сущности света из точки источника распространяется сферическая электромагнитная волна. На достаточно большом расстоянии от источника кривизной волнового фронта можно пренебречь, считая локально сферическую волну плоской. Разбивая поверхность волнового фронта на большое количество локально плоских участков, можно через центр каждого участка провести нормаль, вдоль которого распространяется плоская волна, т.е. в геометрооптической интерпретации луч. Таким образом, оба подхода дают одинаковое описание рассмотренного примера.

Основная задача геометрической оптики состоит в нахождении направления луча (траектории). Уравнение траектории находится после решения вариационной задачи нахождения минимума т.н. действия на искомых траекториях. Не вдаваясь в подробности строгой формулировки и решения указанной задачи, можно полагать, что лучи представляют собой траектории с наименьшей суммарной оптической длиной. Данное утверждение является следствием принципа Ферма.

Вариационный подход определения траектории лучей может быть применен и к неоднородным средам, т.е. таким средам, у которых показатель преломления   является функция координат точек среды. Если описать функцией   форму поверхности волнового фронта в неоднородной среде, то её можно найти исходя из решения уравнения в частных производных, известного какуравнение эйконала, а в аналитической механике как уравнение Гамильтона - Якоби:

Таким образом, математическую основу геометрооптического приближения электромагнитной теории составляют различные методы определения полей электромагнитных волн на лучах, исходя из уравнения эйконала или каким - либо другим способом. Геометрооптическое приближение широко используется на практике в радиоэлектронике для расчета т.н. квазиоптических систем.

В заключение заметим, что возможность описать свет одновременно и с волновых позиций путем решения уравнений Максвелла и с помощью лучей, направление которых определяется из уравнений Гамильтона - Якоби, описывающих движение частиц, является одним из проявлений дуализма света, приведшего, как известно, к формулировке основных принципов квантовой механики.

История открытия нейтрона

История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра атома а-частицами. Этим методом удалось также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924), которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.

Разгорелась дискуссия, в которой Резерфорд оспаривал расщепление указанных трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить» руководителям и видевших вспышки там, где их не было.

В 1930 г. Вальтер Боте (1891-1957) и Г. Беккер бомбардировали бериллий а-частицами полония. При этом они обнаружили, что бериллий, а также бор испускают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким у-излучением.

И января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на заседании Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Беккером. Они показали, что это излучение «способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость».

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

В следующем сообщении, сделанном 7 марта 1932 г., Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали фотографии следов протонов в камере Вильсона, выбиваемых из парафина бериллиевым излучением.

Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны, в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чедвик предлагает допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов — частиц с единичной массой и нулевым зарядом».

Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, то объяснение появления длиннопробежных протонов требует рождения в бериллии фотонов с энергией в 50 МэВ. При этом энергия фотона оказывается зависящей от вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.

Эту коллизию разрешил Чедвик. Он помещал бериллиевый источник перед ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой пластинки. Располагая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из алюминия, Чедвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина протоны с энергией до 5,7 МэВ. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен сам обладать энергией в 55 МэВ. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 МэВ. Чтобы передать азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию, по меньшей мере, 90 МэВ. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллиевого излучения.

Чедвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что бе-риллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чедвик опубликовал статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако предварительная заметка о нейтроне была опубликована в номере «Nature» от 27 февраля 1932 г. В дальнейшем И. и ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг. подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении а-лучами.

Деление ядра́ 

Деление ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бываетспонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Краткая история открытия

Отто Ган и Лиза Майтнер в лаборатории, 1925 год.

Почти сразу после открытия нейтрона в 1932 году Джеймсом Чедвиком начались исследования их взаимодействия с ядрами. В этом же году вСША Эрнест Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили первый ускоритель протонов, способный расщеплять ядра.

В ближайшие годы несколькими учёными — Нильсом Бором, Яковом Френкелем и Джоном Уилером были разработаны важнейшие теоретические модели — капельная модель ядра и составное ядро, которые вплотную приблизили их к открытию деления. В 1934 году Ирен Кюри и Фредериком Жолио была открыта искусственная радиоактивность, ставшая серьёзным толчком на пути к открытию. В это же время Энрико Ферми с сотрудниками подвергали различные элементы облучению пучком нейтронов. Среди этих элементов они исследовали и уран — самый тяжёлый из существующих в природе элементов. Выводы, которые сделал Ферми из своих экспериментов, были сведены им к открытию трансурановых элементов и также не привели к разгадке реакции деления, так как дальнейшие результаты экспериментов для Ферми стали непонятными и неожиданными.

Только через 5 лет, в 1939 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом был открыт процесс деления ядер. Эти учёные решили проверить необъяснимые результаты опытов, которые осуществили в Париже Ирен Кюри и Павел Савич^[1]. После облучения урана медленными нейтронаминемецкие физики выделили радиоактивный продукт, который выпал в осадок при химической реакции на барий. Сначала они предположили, что выделенный элемент — изотоп радия, химически родственного барию, однако дальнейшие исследования привели их к заключению, что выделенный продукт является барием, а не более тяжёлым элементом с аналогичными свойствами. Эта гипотеза, опубликованная в статье «О доказательстве возникновения щёлочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах»^[2], содержала революционное заключение, что облучение ядра урана (Z=92) нейтронами может привести к образованию ядра с массой примерно в 2 раза меньше первоначальной (для бария Z=56).

Вскоре после этого Отто Фриш и Лиза Мейтнер дали физическое объяснение процесса деления ядра урана, о чём Фриш незамедлительно сообщил Бору. Во вскоре опубликованной статье^[3] Фриш и Мейтнер впервые употребили термин «деление» (англ. fission), подсказанный Фришу американским биологом Арнольдом.

Тем временем Бор на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Не дожидаясь конца доклада, физики один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях.

Летом 1939 года Бор и Уилер представили статью «Механизм деления ядер»^[4], в которой было дано объяснение механизма деления ядра на основе капельной модели ядра. Эта модель, которая могла бы предсказать деление ядер, начала активно работать при объяснении его механизма^[5][6][7][8].

Механизм деления

Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Посколькуудельная энергии связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом  .

Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.

Описание на основе капельной модели

Стадии деления ядра-капли.

Инерционное движение капли воды на горячей поверхности.

Фотография делящейся капли воды.

Изменение потенциальной энергии и её составляющих в процессе деления ядра.

Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра, этот подход восходит к работе Бора и Уилера 1939 года^[4].

Для деления с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергией возбуждения, равной сумме энергии отделения^[9] (энергии связи^[10][11][12]) нейтрона и кинетической энергии захваченного нейтрона. Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями.

Физически аналогичную ситуацию можно получить, если поместить каплю воды на горячую горизонтальную поверхность. Если поверхность достаточно горячая, то капля будет плавать на изолирующем слое пара, поддерживающем её над поверхностью в свободном состоянии. При этом могут возникнуть колебания формы капли, при которых она примет последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Такое колебательное движение представляет собой состояние динамического равновесия между инерционнымдвижением вещества капли и поверхностным натяжением, которое стремится поддерживать сферически симметричную форму капли. Если силы поверхностного натяжения достаточно велики, то процесс вытягивания капли прекратится раньше, чем капля разделится. Если же кинетическая энергия инерционного движения вещества капли окажется большой, то капля может принять гантелеобразную форму и при своём дальнейшем движении разделиться на две части^[11].

В случае ядра процесс происходит аналогично, только к нему добавляется электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Если ядро находится в возбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт к разрыву исходной капли и образованию двух новых. Колебательные движения возможны под действием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских. На поясняющем рисунке показано изменение потенциальной энергии и отдельных её составляющих в процессе деления заряженной капли. Энергия поверхностного натяжения резко возрастает с ростом малых деформаций (состояния 1-3) и остаётся практически неизменной после того, как капля приобретает гантелевидную форму (3-4). Энергия кулоновского взаимодействия плавно уменьшается с ростом деформаций практически во всём диапазоне состояний. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил и потенциальная энергия превращается в кинетическую (4-5). В итоге суммарная потенциальная энергия возрастает до момента деления капли, а затем уменьшается.

Барьер деления   равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления  .

Энергетически выгодно деление тяжёлых ядер (  больше нуля почти для всех ядер с  ). Значения   и   зависят от массового числа ядра. Для ядер с   барьер деления примерно равен 40—60 МэВ, с ростом   значение   уменьшается и для самых тяжёлых ядер становится равным приблизительно 6 МэВ. Для ядер с   барьер деления равен практически нулю, поэтому таких ядер в природе нет. Энергия реакции деления   возрастает с ростом массового числа от отрицательных значений для ядер с   до около 200 МэВ для ядер с  . Оценочные значения   и   для некоторых ядер:

A	16	60	100	140	200	236
, МэВ	−14,5	−16	13,5	44	135	205
, МэВ	18,5	48	47	62	40	6

Таким образом, для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извне энергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один — образование возбуждённого составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах (в том числе фотоделение гамма-квантами) составляет меньше 1 %. Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двум причинам:

• пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта, приблизительно на величину   (энергия связи нейтрона в составном ядре), что следует из формулы для энергии возбуждения составного ядра;

• деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основу для протекания цепной реакции деления^[13].