Шкала электромагнитных волн

Мы уже с вами знаем, что в 1864 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме с предельно возможной скоростью — скоростью света. Этот факт дал возможность Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Благодаря этому произошло объединение в одно учение оптики и электромагнетизма.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем и их последующего изучения было установлено, что свойства волн сильно зависят от их частоты. А так как все электромагнитные волны имеют одну и ту же природу, то было решено свести их в единую шкалу электромагнитных волн. Вдоль шкалы слева направо непрерывно возрастает одна величина — частота (или уменьшается длина волны). Ввиду огромного различия длин волн эта шкала построена в логарифмическом масштабе: метки на шкале соответствуют длинам, каждая из которых отличается в 10 раз от соседней. На шкале указаны участки длин волн (или частоты), занимаемые различными типами электромагнитных волн. А распределение электромагнитных волн по типам сделано в соответствии со способами их генерации и их взаимодействия с веществом. Несмотря на то, что границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны, всё же принято выделять семь (иногда восемь) типов электромагнитных волн.

Итак, первый участок шкалы содержит волны, которые возбуждаются низкочастотными электромагнитными колебаниями. Их генерируют устройства, обладающие большой индуктивностью и ёмкостью, например, генераторы переменного тока. Такие волны очень быстро затухают и практически не излучаются в пространство.

Далее следуют радиоволны. Их, в свою очередь, принято делить на две части. К первой части относятся волны, которые излучаются открытыми колебательными контурами. По длине волны их делят на длинные (или километровые) (3 ∙ 10³ м < λ ≤ 3 ∙ 10⁴ м), средние (или гектометровые) (2 ∙ 10² м < λ ≤ 3 ∙ 10³ м) и короткие (декаметровые) волны (10 м < λ ≤ 2 ∙ 10² м).

Длинные волны распространяются на расстояния 1—2 тысяч километров за счёт дифракции на сферической поверхности Земли (то есть они могут огибать земную поверхность). Средние волны способны распространяться на сотни и тысячи километров благодаря огибанию земной поверхности, а также (преимущественно в ночное время) отражаясь от ионосферы Земли. А короткие волны распространяются, поочерёдно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли с малыми потерями мощности.

Ко второй части данного участка шкалы относят ультракороткие волны — это диапазон радиоволн, объединяющий метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны. Ультракороткие волны излучаются специальными электромагнитными вибраторами и регистрируются радиотехническими устройствами. Такие волны распространяются прямолинейно. Они способны проходить через ионосферу Земли и уходить в космос. Поэтому их используют для космической связи. А на Земле (в условиях прямой видимости) — в телевидении и радиолокации.

С третьего участка шкалы электромагнитных волн начинаются волны, которые излучаются атомами и молекулами вещества. Участки три, четыре и пять шкалы относятся к оптическому излучению.

Четвёртый участок — это видимое излучение, то есть электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Ранее мы с вами показали, что чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны излучения, при этом максимум чувствительности приходится на зелёную часть спектра.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с большими длинами волн, поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Изучая опыты Ньютона по дисперсии света, мы с вами показали, что белый свет является сложным цветом, так как он состоит из простых монохроматических цветов. Как мы помним, Ньютон выделил из белого света семь основных цветов. Число семь он выбрал из убеждения, что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели.

Дальнейшие исследования спектра видимого излучения показали, что кроме видимых лучей, он содержит ещё и невидимые лучи. Так в 1800 году английский астрономом Уильям Гершель параллельно с изучением и исследованием Солнца искал способы уменьшения нагревания инструментов для наблюдения. Для этого учёный изучал температуру различных участков солнечного спектра, помещая в них края чувствительных термометров. Какого же было удивление учёного, когда он обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением».

Из-за повышенной способности этих невидимых лучей нагревать тела, они были названы тепловыми, а затем (уже учитывая их расположение в спектре) — инфракрасными.

В настоящее время к инфракрасному излучению относят электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением.

Исследования инфракрасного излучения показали, что оно испускается любыми телами, температура которых выше абсолютного нуля. При этом чем выше температура излучающего тела, тем больше интенсивность инфракрасного излучения и тем больше его частота.

На регистрации инфракрасных лучей основана тепловизионная техника, позволяющая вести наблюдение в полной темноте: это тепловизоры, приборы ночного видения, оптические прицелы ночного видения и так далее. Общее у всех этих приборов то, что все они преобразуют инфракрасное излучение в видимый нами свет.

Свойства инфракрасного излучения позволяют широко применять его в бытовой технике. Наиболее известный пример применения такого излучения — пульт дистанционного управления электронным устройством. Световой сигнал, исходящий от такого пульта, невидим для человека, что делает его применение удобным.

После того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения с противоположного конца видимого спектра. И уже в 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра белого цвета в течение нескольких минут темнеет на свету. Однако разные участки спектра по-разному влияют на скорость потемнения. А быстрее всего это происходит перед фиолетовой областью спектра. Обнаруженный вид излучения был назван ультрафиолетовым (от латинских слов «сверх, за пределами» и «фиолетовый»).

В настоящее время под ультрафиолетовым излучением понимают электромагнитное излучение с длиной волны 10—380 нм.

Ультрафиолетовое излучение химически и биологически активно. Оно вызывает явление фотоэффекта, флуоресценцию и фосфоресценцию ряда веществ. Однако сами по себе ультрафиолетовые лучи не вызывают зрительных образов, так как они невидимы. Но их действие на биологические объекты очень велико и разрушительно. Например, ультрафиолетовое излучение Солнца недостаточно поглощается верхними слоями атмосферы. Вот почему высоко в горах нельзя оставаться длительное время без одежды и тёмных очков, так как это может привести не только к ожогам, но и к развитию рака кожи. По этой же причине не рекомендуется загорать на пляже под полуденным Солнцем, когда ультрафиолетовое излучение наиболее интенсивно. А для защиты глаз следует применять стеклянные очки, прозрачные только для видимого спектра, так как стекло сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Достаточно широко ультрафиолетовое излучение применяется для обеззараживания воды, воздуха и различных поверхностей. Используют его и для защиты денежных купюр и банковских карт.

Шестой участок шкалы электромагнитных волн образует рентгеновское излучение. Открыто оно было в конце XIX века совершенно случайно. В то время многие учёные изучали газовый разряд, происходящий при очень малом давлении. В этих условиях в газоразрядной трубке создавались потоки очень быстрых электронов. Но так как об электроне, как о частице, тогда ничего не знали, то их потоки называли катодными лучами, так как они рождались на катоде трубки. Так вот, изучая катодные лучи немецкий физик Вильгельм Конрад Рёнтген скоро заметил, что фотопластинка, помещённая вблизи разрядной трубки, оказывалась засвеченной даже в том случае, когда она была завёрнута в чёрную бумагу.

Это натолкнуло учёного на мысль о том, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его Х-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи». А сам Вильгельм Рёнтген в 1901 году стал первым в истории физики лауреатом Нобелевской премии.

Что интересно, открытые Рёнтгеном лучи вызывали ионизацию воздуха, не отражались от веществ и не испытывали преломления. Поэтому было высказано предположение, что рентгеновские лучи, возникающие при резком торможении быстрых электронов атомами твёрдых тел, являются электромагнитными волнами с очень малой длиной волны.

Что бы доказать (или опровергнуть) это предположение в тысяча девятьсот двенадцатом (1912) году немецкий физик Макс фон Лауэ совместно с двумя студентами (они-то и проводили опыт) направили узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, за которым расположили фотопластинку.

После проявления пластинки оказалось, что вокруг большого центрального пятна, которые давали лучи, распространяющиеся по прямой, были обнаружены регулярно расположенные небольшие пятнышки. Их появление можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла. Дальнейшее исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения, и по порядку величины была равна размерам атома.

Таким образом было доказано, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Для генерации рентгеновского излучения разработаны электровакуумные приборы, называемые рентгеновскими трубками. Их основными конструктивными элементами являются металлические катод, в виде вольфрамовой спирали, и анод. Катод при нагревании испускает электроны (происходит термоэлектронная эмиссия). Далее из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт) поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод, где электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя бо́льшую часть приобретённой энергии.

Большая её часть (около 99 %) превращается в тепло, вызывая нагревание анода. И лишь около 1 %энергии превращается в тормозное излучение рентгеновского диапазона.

При изучении рентгеновских лучей было также установлено, что их поглощение веществом пропорционально плотности вещества: они легко могут пройти через алюминиевую пластинку толщиной до десяти сантиметров, но легко задерживаются сантиметровым слоем свинца.

Свойство рентгеновских лучей проходить через вещество используется на практике уже со времени их открытия.  В частности, в медицине просвечивание человеческого тела рентгеновскими лучами даёт возможность получать фотографии скелета и внутренних органов человека. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удаётся установить порядок расположения атомов в пространстве — то есть структуру кристаллов. А с помощью рентгеноструктурного анализа можно расшифровать строение сложнейших органических соединений, в том числе и белков.

Седьмой (и последний) участок шкалы электромагнитных волн занимают гамма-лучи, которые возникает в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, и сопровождают ядерные реакции. Гамма-излучение характеризуется чрезвычайно малой длиной волны (менее 0,2 нм). Вследствие этого оно обладает громадной проникающей способностью. Например, в воздухе длина свободного пробега гамма-лучей достигает нескольких сот метров, и около 5 см в свинце.

Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых (при локальном воздействии на них) и других быстро делящихся клеток.

В заключение отметим, что с уменьшением длины электромагнитных волн всё сильнее проявляются квантовые свойства излучения и всё с большим основанием вместо слова «волны» можно использовать выражение «поток фотонов». Однако о фотонах мы с вами будем говорить немного позже.