9. Электромагнитные волны.

Источником электромагнитных волн является заряд, движущийся с ускорением. Исключение составляет лишь излучение Вавилова-Черенкова, источником которого является заряд, движущийся равномерно в среде со скоростью большей, чем скорость света в этой среде.

В озьмем числовую ось, проградуированную в метрах. Каждая точка этой оси отражает наличие в природе электромагнитной волны с данной длиной волны. Вся ось называется шкалой электромагнитных излучений и отражает весь спектр (совокупность) электромагнитных волн. Электромагнитные волны разной частоты имеют разные свойства, поэтому их делят на группы – диапазоны, которые имеют название и измеряются в герцах (частота) или в метрах (длина волны).

1. Низкочастотное излучение λ 5 км получают с помощью электрических генераторов,быстро затухают и практического использования не имеют.

2. Радиоволны 5 км λ100 мкм получают с помощью электронных генераторов.

А. Длинные радиоволны λ>1000м. Огибают Землю

Б. Средние радиоволны 100м<λ< 1000м.

В. Короткие радиоволны 10 м <λ<100м – многократно отражаются от поверхности Земли и ионосферы.

Г. Ультракороткие радиоволны λ<10 м – проникают через ионосферу и не огибают Землю. Используются для связи между пунктами в пределах прямой видимости, а так же для связи с космическими кораблями.

Источником волн может являться атом.

3. Инфракрасные лучи 760 мкм<λ< 100 мкм (тепловое излучение)

Примерами естественных источников инфракрасного излучения являются: Солнце, Земля, звёзды, планеты. Например, 50% энергии солнечного излучения доходит до Земли в виде энергии инфракрасного излучения. Искусственными источниками являются тела, температура которых выше температуры окружающей среды: костёр, двигатель внутреннего сгорания, человек. Инфракрасное излучение поглощается водяным паром и углекислым газом, поэтому на Венере, атмосфера которой состоит на 97% из углекислого газа наблюдается парниковый эффект и температура близка к 480^оС.

4. Видимый свет 400нм<λ<760 нм

5. Ультрафиолетовые лучи 10 нм<λ<400 нм.

Естественными источниками ультрафиолетового излучения являются Солнце, звёзды, туманности. Солнце переносит 10% всей энергии в виде ультрафиолетового излучения. Искусственными источниками являются нагретые до температуры 3000К и выше твёрдые тела, высокотемпературная плазма. Для практических целей применяются ртутные и ксеноновые лампы с кварцевым стеклом.

У льтрафиолетовое излучение сильно поглощается атмосферой Земли. Оно оказывает сильное биологическое действие. Малые дозы оказывают благотворное действие на организм человека, способствуют образованию витаминов группы Д, улучшают иммунобиологические свойства. Большие дозы вызывают ожоги, повреждение глаз и даже могут привести к возникновению злокачественных опухолей.

По классической теории атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Электрон движется с центростремительным ускорением, значит должен излучать. Кстати, такое свечение (электрон движется по окружности) было открыто в циклических ускорителях и названо синхротронным. Однако для атома это невозможно, т.к. при излучении волн электрон терял бы энергию и упал бы на ядро. Атомов не существовало бы.

По теории Бора электрон в атоме имеет несколько стационарных орбит (возбужденных состояний), на которых электрон не излучает, и лишь при переходе с вышестоящей орбиты на нижестоящую атом излучает порцию электромагнитной волны (квант), энергия которой из уравнения Бора равна

hν=W_m-W_n

h-постоянная Планка, ν – частота, W_m – энергия уровня m,W_n – энергия уровня n.

Пусть электрон в атоме имеет три энергетических уровня. Тогда этот атом излучает электромагнитные волны трех частот.

ν₁=(W₂-W₁)/h, ν₂=(W₃-W₁)/h, ν₃=(W₃-W₂)/h

Эти электромагнитные волны могут быть из разных диапазонов.

Каждая электромагнитная волна видимого света вызывает у человека цветовое ощущение, в зависимости от длины волны.

Красные 640<λ<760 нм

Желтые и оранжевые 590<λ<640 нм

Зеленые 495<λ<580 нм

Синие и голубые 440 <λ<495 нм

Фиолетовые 400 <λ<440 нм

Е сли расположить все видимые электромагнитные волны по возрастанию длины волны, мы получим спектр видимого света. Это будет непрерывный спектр излучения, его можно наблюдать – это радуга. Однако наш атом, излучает только на трех частотах, значит, вместо радуги мы получим три линии, например, красную, зеленую и фиолетовую, а между ними будет пустота. Такой спектр называется линейчатым, его излучает вещество в газообразном состоянии. У каждого вещества свой линейчатый спектр. На этом основан спектральный анализ – определение химического состава вещества по его спектру. Если свет сплошного спектра пропустить через газ, то атомы газа поглотят только те кванты, которые сами испускают и в сплошном спектре будут темные линии – это спектр поглощения.

6. Торможение электрона, а также переходы электронов внутренних орбит являются источником рентгеновского излучения – 10^-14< λ <10^-7м. В первом случае электромагнитное излучение называется тормозным или белым (сплошной спектр), во втором – характеристическим (линейчатый спектр).

Рентгеновское излучение применяется для получения снимков отдельных органов человека в целях определения очагов заболеваний (рентгенодиагностика), для лечения злокачественных опухолей (рентгенотерапия). В промышленности применяется для обнаружения внутренних дефектов деталей (дефектоскопия). Исключительно велико значение рентгеновского излучения для изучения строения кристаллов.

В 1971 г. была обнаружена звезда, дающая электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне. Это дало начало новому разделу астрономии – рентгеновской астрономии.

7. Источником электромагнитного излучения может являться и ядро атома. В этом случае возникает гамма-излучение. Это излучение сопровождает ядерные реакции. Оно хорошо проникает даже через свинцовые стены.

Вопросы:

1. Что является источником электромагнитных волн?

2. Чему равна энергия фотона?

3. Как определить энергию фотона при переходе с одной орбиты на другую?

4. Что такое сплошной спектр излучения?

5. Что такое линейчатый спектр излучения?

6. Где применяется линейчатый спектр?

7. Как получить рентгеновское излучение?

8. Какое излучение сопровождает ядерные реакции?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 9

1. Расстояние от Луны до Земли 300000 км, а от Земли до Солнца 150000000 км. Сколько времени идет радиосигнал от Земли до Луны и до Солнца?

Ответ: 1 с; 500 с

2. Свет от одной из ближайших к нам звезд Альфа из созвездия Центавра идет до Земли 3 года. Определить рассто­яние до этой звезды.

Ответ: 2,8х10¹³ км

3. Уравнение волны y =0,5sin(4лt - πх). Дать характеристику волны. Записать уравнение колебания для точек x₁ = 1 м, х₂ = 2 м. Найти разность фаз указанных точек.

Ответ: y₁ =0,5sin(4nt -π); y₂ =0,5sin4nt; л.

4. Камертон создает колебания, частота которых 400 Гц. Амплитуда колебания 0,2 см, начальная фаза равна π. Записать уравнение волны.

Ответ: y = 0,2sin(800πt - 2,7π + л}

5. Колебательный контур имеет индуктивность 50 мкГн и конденсатор емкостью 0,2 мФ. Амплитуда колебания 5 В. На­чальная фаза 0. Записать уравнение электромагнитной волны, которую излучает контур.

Ответ: y=5sin(t-3,3x10^-4x)

6. Электрон движется со скоростью 5x10 м/с. Определить длину волны, которую он излучает при ударе о преграду.

Ответ: 0,175 нм

7. Атомы вещества излучают световые волны длиной от 760 нм до 400 нм. Определить период, частоту и энергию квантов све­тового диапазона.

Ответ: 2,5x10¹⁵ Гц; 1,3x10¹⁵ Гц.

8. Что общего и в чем различие звука и света?

9. Что такое волновая поверхность и луч?

10. Чем отличаются автоколебания от свободных и вынужден­ных колебаний?

11. Длина волны 300 нм. Определить частоту и энергию кванта.

Ответ: 1,0х10¹⁵ Гц; 6,62х10^-19 Дж

12. Сколько квантов, длина волны которых 500 нм, потребу­ется, чтобы нагреть 1 г воды на 1 К?

Ответ: 4,0х10²⁰