Все электромагнитные поля создаются ускоренно движущимися зарядами. Неподвижный заряд создает только электростатическое поле. Электромагнитных волн в этом случае нет. В простейшем случае источником излучения является заряженная частица, совершающая колебание. Так как электрические заряды могут колебаться с любыми частотами, то частотный спектр электромагнитных волн неограничен. Этим электромагнитные волны отличаются от звуковых волн. Классификация этих волн по частотам (в герцах) или длинам волн (в метрах) представляется шкалой электромагнитных волн (рис. 1.10). Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, а в некоторых случаях перекрываются. Различие свойств становится заметным только в том случае, когда длины волн различаются на несколько порядков.

Рассмотрим качественные характеристики электромагнитных волн разных частотных диапазонов и способы их возбуждения и регистрации.

Радиоволны. Все электромагнитное излучение, длина волны которого больше полумиллиметра, относится к радиоволнам. Радиоволнам соответствует область частотот 3 · 10 3 до 3 · 10 14 Гц . Выделяют область длинных волн более 1 000 м , средних – от 1 000 м до 100 м , коротких – от 100 м до 10 м и ультракоротких – менее 10 м .

Радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере. С их помощью передаются радио- и телевизионные сигналы. На распространение радиоволн над земной поверхностью влияют свойства атмосферы. Роль атмосферы определяется наличием в ее верхних слоях ионосферы. Ионосфера – это ионизированная верхняя часть атмосферы. Особенностью ионосферы является высокая концентрация свободных заряженных частиц – ионов и электронов. Ионосфера для всех радиоволн, начиная от сверхдлинных (λ ≈ 10 4 м ) и до коротких (λ ≈ 10 м ), является отражающей средой. Благодаря отражению от ионосферы Земли, радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях, обеспечивая передачу сигнала на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи.

Волны дециметрового диапазона не могут огибать земную поверхность, что ограничивает зону их приема областью прямого распространения, которая зависит от высоты антенны и мощности передатчика. Но и в этом случае роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера, берут на себя спутниковые ретрансляторы.

Электромагнитные волны радиоволновых диапазонов испускаются антеннами радиостанций, в которых возбуждаются электромагнитные колебания с помощью генераторов высокой и сверхвысокой частоты (рис. 1.11).

Однако, в исключительных случаях, волны радиочастот могут создаваться микроскопическими системами зарядов, например, электронами атомов и молекул. Так, электрон в атоме водорода способен излучать электромагнитную волну с длиной (такой длине отвечает частота Гц , которая принадлежит микроволновому участку радиодиапазона). В несвязанном состоянии атомы водорода находятся в основном в межзвездном газе. Причем каждый из них излучает в среднем один раз за 11 миллионов лет. Тем не менее, космическое излучение вполне наблюдаемо, так как в мировом пространстве рассеяно достаточно много атомарного водорода.

Это интересно

Радиоволны слабо поглощаются средой, поэтому изучение Вселенной в радиодиапазоне очень информативно для астрономов. Начиная с 40-х гг. ХХ столетия, бурно развивается радиоастрономия, в задачу которой входит изучение небесных тел по их радиоизлучению. Успешные полеты межпланетных космических станций к Луне, Венере и другим планетам продемонстрировали возможности современной радиотехники. Так, сигналы со спускаемого аппарата с планеты Венера, расстояние до которой примерно 60 миллионов километров, принимаются наземными станциями спустя 3,5 минуты после их отправления.

В 500 км к северу от Сан-Франциско (штат Калифорния) начал действовать необычный радиотелескоп. Его задача – поиск внеземных цивилизаций.

Снимок взят с сайта top.rbc.ru

Телескоп Allen Telescope Array (ATA) назван в честь одного из основателей компании Microsoft Пола Аллена, который выделил на его создание 25 миллионов долларов. В настоящее время ATA состоит из 42 антенн диаметром6 м, однако их число планируется довести до 350.

Создатели ATA надеются уловить сигналы других живых существ во Вселенной примерно к 2025 г. Ожидается также, что телескоп поможет собрать дополнительные данные о таких явлениях, как сверхновые звезды, «черные дыры» и различные экзотические астрономические объекты, существование которых теоретически предсказано, но на практике не наблюдалось.

Центр находится под совместным управлением Радиоастрономической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли и Института SETI, занимающегося поиском внеземных форм жизни. Технические возможности ATA значительно увеличивают способность SETI улавливать сигналы разумной жизни.

Инфракрасное излучение. Диапазону инфракрасного излучения соответствуют длины волн от 1 мм до 7 · 10 –7 м . Инфракрасное излучение возникает при ускоренном квантовом движении зарядов в молекулах. Это ускоренное движение происходит при вращении молекулы и колебании ее атомов.

Рис. 1.12

Наличие инфракрасных волн было установлено в 1800 г. Вильямом Гершелем. В. Гершель случайно обнаружил, что используемые им термометры нагреваются и за границей красного конца видимого спектра. Ученый сделал вывод, что существует электромагнитное излучение, продолжающее спектр видимого излучения за красным светом. Это излучение он назвал инфракрасным. Его еще называют тепловым, так как инфракрасные лучи излучает любое нагретое тело, даже если оно не светится для глаза. Можно легко почувствовать излучение от горячего утюга даже тогда, когда он нагрет не настолько сильно, чтобы светиться. Обогреватели в квартире испускают инфракрасные волны, вызывающие заметное нагревание окружающих тел (рис. 1.12). Инфракрасное излучение – это тепло, которое в разной степени отдают все нагретые тела (Солнце, пламя костра, нагретый песок, камин).

Рис. 1.13

Инфракрасное излучение человек ощущает непосредственно кожей – как тепло, исходящее от огня или раскаленного предмета (рис. 1.13). У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела. Человек создает инфракрасное излучение в диапазоне от 6 мкм до 10 мкм . Молекулы, входящие в состав кожного покрова человека, «резонируют» на инфракрасных частотах. Поэтому именно инфракрасное излучение преимущественно поглощается, согревая нас.

Земная атмосфера пропускает совсем небольшую часть инфракрасного излучения. Оно поглощается молекулами воздуха, и особенно молекулами углекислого газа. Углекислым газом обусловлен и парниковый эффект, обусловленный тем, что нагретая поверхность излучает тепло, которое не уходит обратно в космос. В космосе углекислого газа немного, поэтому тепловые лучи с небольшими потерями проходят сквозь пылевые облака.

Для регистрации инфракрасного излучения в области спектра, близкого к видимому (от l = 0,76 мкм до 1,2 мкм ), применяют фотографический метод. В других диапазонах применяют термопары, полупроводниковые болометры, состоящие из полосок полупроводников. Сопротивление полупроводников при освещении инфракрасным излучением меняется, что регистрируется обычным образом.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Приборы ночного видения позволяют обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например, для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий.

Рис. 1.14

Видимый свет. Видимый свет и ультрафиолетовые лучи создаются колебаниями электронов в атомах и ионах. Область спектра видимого электромагнитного излучения очень мала и имеет границы, определяемые свойствами органа зрения человека. Длины волн видимого света лежат в диапозоне от 380 нм до 760 нм . Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Излучение в узком интервале длин волн глаз воспринимает как одноцветное, а сложное излучение, содержащее все длины волн, – как белый свет (рис. 1.14). Длины световых волн, соответствующие основным цветам, приведены в таблице 7.1. С изменением длины волны цвета плавно переходят друг в друга, образуя множество промежуточных оттенков. Средний человеческий глаз начинает различать разницу в цветах, соответствующую разности длин волн в 2 нм .

Для того чтобы атом мог излучать, он должен получить энергию извне. Наиболее распространены тепловые источники света: Солнце, лампы накаливания, пламя и др. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников, например, свечением сопровождается разряд в газе.

Самой важной характеристикой видимого излучения является, разумеется, его видимость для человеческого глаза. Температура поверхности Солнца, равная примерно 5 000 °С, такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра, а окружающая нас среда в значительной степени прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Максимальная чувствительность глаза при дневном зрении приходится на длину волны и соответствует желто-зеленому свету. В связи с этим специальное покрытие на объективах фотоаппаратов и видеокамер должно пропускать внутрь аппаратуры желто-зеленый свет и отражать, лучи, которые глаз ощущает слабее. Поэтому блеск объектива и кажется нам смесью красного и фиолетового цветов.

Наиболее важные способы регистрации электромагнитных волн в оптическом диапазоне основаны на измерении переносимого волной потока энергии. Для этой цели используются фотоэлектрические явления (фотоэлементы, фотоумножители), фотохимические явления (фотоэмульсия), термоэлектрические явления (болометры).

Ультрафиолетовое излучение. К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (390–10 нм ). Это излучение было открыто в 1802 г. физиком И. Риттером. Ультрафиолетовое излучение обладает большей энергией, чем видимый свет, поэтому солнечное излучение в ультрафиолетовом диапазоне становится опасным для человеческого организма. Ультрафиолетовое излучение, как известно, щедро посылает нам Солнце. Но, как уже говорилось, Солнце сильнее всего излучает в видимых лучах. Напротив, горячие голубые звезды – мощный источник ультрафиолетового излучения. Именно это излучение нагревает и ионизует излучающие туманности, благодаря чему мы их и видим. Но поскольку ультрафиолетовое излучение легко поглощается газовой средой, то из далеких областей Галактики и Вселенной оно почти не доходит к нам, если на пути лучей есть газопылевые преграды.

Рис. 1.15

Основной жизненный опыт, связанный с ультрафиолетовым излучением, мы приобретаем летом, когда много времени проводим на солнце. Наши волосы выгорают, а кожа покрывается загаром и ожогами. Все прекрасно знают, как благотворно влияет солнечный свет на настроение и здоровье человека. Ультрафиолетовое излучение улучшает кровообращение, дыхание, мышечную активность, способствует образованию витамина и лечению некоторых кожных заболеваний, активизирует иммунные механизмы, несет заряд бодрости и хорошего настроения (рис. 1.15).

Жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение, соответствующее длинам волн, примыкающим к рентгеновскому диапазону, губительно для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Рис. 1.16

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим бо льшую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (рис. 1.16). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана.

Озоновый слой образуется в стратосфере на высоте от 20 км до 50 км . В результате вращения Земли наибольшая высота озонового слоя – у экватора, наименьшая – у полюсов. В близкой к Земле зоне над полярными областями образовались уже «дыры», которые в течение последних 15 лет постоянно увеличиваются. В результате прогрессирующего разрушения озонового слоя увеличивается интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Вплоть до длин волн ультрафиолетовые лучи могут быть изучены теми же экспериментальными методами, что и видимые лучи. В области длин волн меньше 180 нм встречаются существенные трудности, обусловленные тем, что эти лучи поглощаются различными веществами, например, стеклом. Поэтому в установках для исследования ультрафиолетового излучения применяют не обычное стекло, а кварц или искусственные кристаллы. Однако для столь короткого ультрафиолета непрозрачны и газы при обычном давлении (например, воздух). Поэтому для исследования такого излучения используются спектральные установки, из которых выкачан воздух (вакуумспектрографы).

На практике регистрация ультрафиолетового излучения производится часто с помощью фотоэлектрических приемников излучения. Регистрация ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 160 нм производится специальными счетчиками, аналогичными счетчикам Гейгера–Мюллера.

Рентгеновское излучение. Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Это излучение было открыто в 1895 г. В. Рентгеном (Рентген назвал его Х -лучами). В 1901 г. В. Рентген первым из физиков получил Нобелевскую премию за открытие излучения, названного в его честь. Это излучение может возникать при торможении любым препятствием, в т.ч. металлическим электродом, быстрых электронов в результате преобразования кинетической энергии этих электронов в энергию электромагнитного излучения. Для получения рентгеновского излучения служат специальные электровакуумные приборы – рентгеновские трубки. Они состоят из вакуумного стеклянного корпуса, в котором на определенном расстоянии друг от друга находятся катод и анод, включенные в цепь высокого напряжения. Между катодом и анодом создается сильное электрическое поле, разгоняющее электроны до энергии . Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода электронами, обладающими большими скоростями. При торможении электронов в материале анода возникает тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр. Кроме того, в результате электронной бомбардировки происходит возбуждение атомов материала, из которого изготовлен анод. Переход атомных электронов в состояние с меньшей энергией сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения, частоты которого определяются материалом анода.

Рентгеновские лучи свободно проходят сквозь мышцы человека, проникают сквозь картон, древесину и другие тела, непрозрачные для света.

Они вызывают свечение ряда веществ. В. Рентген не только открыл рентгеновское излучение, но и исследовал его свойства. Им было обнаружено, что материал малой плотности более прозрачен, чем материал большой плотности. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Расположив между источником рентгеновского излучения и экраном руку, можно увидеть слабую тень руки, на которой резко выделяются более темные тени костей (рис. 1.17).

Мощные вспышки на Солнце являются также источником рентгеновского излучения (рис. 1.19). Земная атмосфера является прекрасным щитом для рентгеновского излучения.

В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При захватывании вещества вблизи магнитных полюсов звезды выделяется много энергии, которая и излучается в рентгеновском диапазоне.

Для регистрации рентгеновского излучения используют те же физические явления, что и при исследовании ультрафиолетового излучения. Главным образом, применяют фотохимические, фотоэлектрические и люминесцентные методы.

Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение с длинами волн менее 0,1 нм . Оно связано с ядерными процессами, явлениями радиоактивного распада, происходящими с некоторыми веществами, как на Земле, так и в космосе.

Гамма-лучи вредны для живых организмов. Земная атмосфера не пропускает космическое гамма-излучение. Это обеспечивает существование всего живого на Земле. Регистрируется гамма-излучение детекторами гамма-излучения, сцинтилляционными счетчиками.

Таким образом, электромагнитные волны различных диапазонов получили разные названия и обнаруживают себя в совершенно непохожих физических явлениях. Эти волны излучаются различными вибраторами, регистрируются различными методами, но они имеют единую электромагнитную природу, распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, обнаруживают явления интерференции и дифракции. Различают два основных типа источников электромагнитного излучения. В микроскопических источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры. Следует подчеркнуть, что с изменением длины волны возникают и качественные различия: лучи с малой длиной волны наряду с волновыми свойствами более ярко проявляют корпускулярные (квантовые) свойства.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16

Подготовил ученик 11.С класса Нарвской Гуманитарной гимназии Голубев Сергей

Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле. Теория электромагнитных явлений Джеймса Максвелла позволила установить, что в природе существуют электромагнитные волны разных длин.

Экспериментальные работы немецкого ученого Г. Герца и русского ученого П. Н. Лебедева подтвердили теорию Максвелла и доказали, что световое излучение представляет собой очень короткие электромагнитные волны, создаваемые естественными вибраторами – атомами и молекулами.

В зависимости от способа получения электромагнитных волн их разделяют на несколько диапазонов частот (или длин волн). Между соседними диапазонами шкалы нет четких границ. Диапазоны волн различных типов перекрывают друг друга, следовательно, волны таких длин можно получить двумя способами.

Принципиального различия между отдельными излучениями нет, так как все они представляют электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Но в зависимости от длины волны они обладают различными свойствами: например, проникающей способностью, видимостью, коэффициентом отражения и т.д.

Эти различия определяются общей закономерностью шкалы электромагнитных волн: по мере уменьшения длины волны волновые свойства света, такие как интерференция, дифракция и поляризация, проявляются слабее, а квантовые свойства света, связанные со свойствами частиц, проявляются сильнее.

Шкала электромагнитных излучений

Основное деление

Частота (гц)	Длина волны (м)	Название диапазона	Основные методы генерации	Область применения
До 10	Более 3 10	Низкочастотные Колебания	Генераторы переменного тока (искусственные вибраторы)	электротехника
10	3 10	Радиоволны	Генераторы радиочастот Генераторы СВЧ	Радиотехника, Радиосвязь, Телевидение, Радиолокация
10	3 10	Инфракрасное излучение	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях	Тепловые и фотографические теплицы Глаз, фотография Фотоэлектрическая жизнь на Земле
3,8 10	8 10	Световые волны (видимый свет)	То же	То же
7,5 10	4 10	Ультрафиолетовое излучение	Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов	Фотография Фотоэлектрическая медицина
3 10	10	Рентгеновское излучение	То же	То же
3 10	10	Рентгеновское и Альфа-излучение	Атомные процессы при воздействии Ускоренных заряженных частиц (возникает в результате изменения состояний электронов на внутренних оболочках атома или в результате резкого торможения электронов и др. заряженных частиц)	Фотография Ионизационные медицина и металлургия
10	3 10	Альфа- излучения	Возбуждение ядра атомов и элементар- ные частицы в результате различных взаимодействий: Радиоактивный распад ядерные процессы космические процессы	Ионизационный метод меченых атомов

Подробное деление

Частоты, Гц (длина волны, м)	Название группы волн (или частот)	Основные способы получения и применения
Инфракрасные лучи
6 10 – 3,75 10 (2 10 – 8 10)	Декамикронные (ближние)	Излучение нагретых тел (дуговые лампы и т.д.)
	Микронные (средние)	Используется в инфракрасной спектроскопии
	далекие	При фотографии в темноте
3 ,75 10 – 7,5 10 (8 10 – 4 10)	Световые лучи (видимый свет)
Ультрафиолетовые лучи
7,5 10 – 3 10 (4 10 – 10)	Ближние	Излучение Солнца, ртутных ламп, т.д.
	Далекие (вакуумные)	Используются в медицине, ультрафиолетовой микроскопии
Рентгеновские лучи
1,5 10 – 5 10 (2 10 – 6 10)	Ультрамягкие	Получаются в рентгеновских трубках и Других приборах, где происходит
	мягкие	Торможение электронов.
	жесткие	Используется в медицине для изучения строения вещества, в дефектоскопии
Гамма-излучение
3 10 – 3 10 (10 – 3 10)	Возникают при радиоактивных распадах ядер, при торможении электронов и при других взаимодействиях элементарных частиц. Используется в альфадефектоскопии, при изучении свойств веществ.
Низкочастотные волны
3 10 – 3 10 (10 – 3 10)	Инфранизкие частоты	Генераторы специальных конструкций
	Низкие частоты
	Промышленные частоты	Генераторы переменного тока. Большинство электрических приборов и двигателей питается переменным током частотой 50-60 Гц.
	Звуковые частоты	Звуковые генераторы. Используются в электроакустике (микрофоны, громкоговорители), кино, радиовещании.
Радиоволны
3 10 – 3 10 (10 – 10)	Длинные	Генераторы электрических колебаний
3 10 – 3 10 (10 – 10)	средние	Различных конструкций. Используются в телеграфии,
3 10 – 3 10 (10 – 10)	короткие	Радиолокации и т.д.
3 10 – 3 10 (10 – 1)	Ультракороткие	Метровые и дециметровые волны
3 10 – 3 10 (1 – 10)	дециметровые	Используются для исследования свойств веществ.
3 10 – 3 10 (10 – 10)	сантиметровые	Получаются в магнетронных клиоторных генераторах и мазерах.
3 10 – 3 10 (10 – 10)	миллиметровые	Применяются в радиолокации,
3 10 – 6 10 (10 – 5 10)	Субмиллиметровые (переходные)	Радиоспектроскопии, радиоастрономии.

Дополнительные сведения об некоторых излучениях

Инфракрасные излучения

Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1880 году английским

Астрономом Вильямом Гершелем (1738-1822). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасным.

Инфракрасное излучение – это электромагнитные волны, которые испускает любое нагретое тело, даже если оно не светится.

Инфракрасные волны также тепловые волны, т.к. многие источники этих волн вызывают заметное нагревание окружающих тел.

Видимый свет

(от красного до фиолетового света волны)

Все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Свет - обязательное условие для развития зеленых растений; необходимое условие для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение

1801 год – немецкий ученый Иоганн Риттер (1776-1810) открыл, что за фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения.

В малых дозах ультрафиолетовые лучи целебны. Ультрафиолет способствует росту и укреплению организма.

Образует в коже защитные пигменты (загар, витамин Д), обладает бактерицидным действием, оказывает влияние на Ц.Н.С.

В больших количествах эти лучи вредны: разрушается сетчатка глаза, поэтому нужно носить защитные очки (солнечные очки). Разрушается также кожа.

Ультрафиолет попадает на Землю, т.к. недостаточно поглощается верхними слоями атмосферы.

Рентгеновское излучение

Время открытия: ноябрь 1895г. Вильгельм Рентген (1845-1923) Провел опыт с электрическим разрядом в газах. Применение разнообразно: медицина (диагностика + лечение заболеваний), физика, химия, биология, техника, криминалистика, искусствоведение.

Гамма-излучение

Особенность: ярко выраженные корпускулярные свойства.

Гамма-излучение возникает при переходе атомных ядер из одного энергетического состояния в другое, более низкое, подобное тому, как это имеет место в атоме. Источником гамма лучей могут быть радиоактивные ядра, либо ядра, бомбардируемые, например, альфа частицами.

По мере уменьшения длины волны проявляются и существенные качественные различия электромагнитных волн. Излучения различных длин волн отличаются друг от друга по способу их получения и методом регистрации, то есть по характеру взаимодействия с веществами.

По современным представлениям, свет это поток частиц электромагнитного поля, называемых фотонами и имеющих двойственные корпускулярно-волновые свойства (т.е. свет обладает свойствами потока частиц и волн). Основной характеристикой световых волн является частота колебаний ν (частота колебаний векторов напряженностей Е и Н электромагнитного поля). Чаще используется связанная с ней длина волны в вакууме λ = сТ = c/ν, где с - скорость света в вакууме округленно принимается с = 3 10 8 м/с, Т – период колебания.

В соответствии с условиями возбуждения и свойствами излучения электромагнитные волны делятся по частоте (или длине волны) на несколько диапазонов, составляющих шкалу электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Границы этих диапазонов условны, так как они в значительной мере определяются источниками излучения и поэтому могут взаимно перекрываться (рис.1).

Рис.2.

Электромагнитное излучение с длинами волн в пределах от 400 мкм до 10 нм называется оптическим излучением. Оптическое излучение в пределах длин волн от 760 до 380 нм, действуя на глаз, вызывает ощущение света. Оно называется видимым излучением. В сторону более длинных волн от него в спектре расположено невидимое инфракрасное излучение, в сторону более коротких волн - невидимое ультрафиолетовое.

Излучение может быть простым (или монохроматическим) и сложным. Монохроматическим называется излучение какой-либо одной длины волны. Это идеализированное представление; практически монохроматическим считают такое излучение, в котором длины составляющих его волн различаются не больше чем на десятые доли нанометра. Монохроматическое излучение в видимой части спектра определенной длины волны, действуя на глаз, вызывает ощущение соответствующего цвета. Излучение, состоящее из волн различной длины, называется сложным. В зависимости от его спектрального состава оно может вызывать различные цветовые ощущения,

Рис.3

Среди множества возможных видов сложного излучения выделяют белый свет. Белым светом называют видимую часть излучения Солнца (рис.2), а также излучения нагретых до высокой температуры (несколько тысяч градусов) непрозрачных твердых и жидких тел. Это излучение содержит все волны видимого диапазона в определенном соотношении по интенсивности.

Спектр электромагнитного излучения это упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра – хорошо известная всем радуга. Возможность разложения солнечного света на непрерывную последовательность лучей разных цветов впервые экспериментально показал И.Ньютон в 1666. Направив на трехгранную призму узкий пучок света (рис.3), проникавший в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне окна, он получил на противоположной стене изображение окрашенной полоски с радужным чередованием цветов, которая была названа им латинским словом spectrum. Проводя опыты с призмами, Ньютон пришел к следующим важным выводам: 1) обычный «белый» свет является смесью лучей, каждый из которых имеет свой собственный цвет; 2) лучи разных цветов, преломляясь в призме, отклоняются на различные углы, вследствие чего «белый» свет разлагается на цветные составляющие.

Исследование спектров. Спектральные приборы.

На дисперсии сложного излучения в трехгранной призме из прозрачного вещества (для видимого света - тяжелое стекло-флинт, для ультрафиолетового излучения - кварц и для инфракрасного - каменная соль или сильвин) основано устройство приборов для исследования спектра и измерения длины волн сложного излучения (спектроскопов и спектрографов).

Простейший призменный спектроскоп (рис. 4, б) состоит из штатива О, на котором укреплен горизонтальный диск Д с делениями. В центре диска устанавливается призма П, по краям диска расположены две трубы: коллиматор К и зрительная 3, которая с помощью винта В может устанавливаться под необходимым углом. Коллиматор (рис. 4, а) имеет на конце щель, перед которой помещается источник света; линза О, образует пучок параллельных лучей, что необходимо для того, чтобы лучи, прошедшие через призму, состояли также из параллельных пучков. Эти пучки объективом О2 зрительной трубы фокусируются в его фокальной плоскости FF и образуют каждый изображение щели соответствующего цвета, которое называется спектральной линией. Совокупность этих линий образует исследуемый спектр, который в увеличенном виде наблюдается через окуляр Ок. Спектрограф (рис. 5: а -общий вид и б - схема устройства) - более сложный прибор, приспособленный для фотографирования спектров. Свет через щель Д и линзу Л1 направляется на дисперсионную призму П, пучки спектрально разложенного света фокусируются линзой Л2 на фотопластинке Ф.

Рис. 5

Пользуясь спектральным прибором, можно получить монохроматический свет необходимой длины волны. Для этого в фокальной плоскости второй линзы Л2 помещают щелевую диафрагму, с помощью которой и выделяют из спектра желаемую линию. Такой прибор называется монохроматором.

Классификация спектров.

Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры.

Спектры, состоящие из ярких линий или полос на темном фоне, называются спектрами испускания. Они возникают, когда вещество сильно нагревается или подвергается бомбардировке электронами. Спектры поглощения, состоящие из темных участков на ярком фоне, получаются, когда белый свет проходит сквозь полупрозрачную среду, которая поглощает некоторые частоты.

Рис.6. Спектр испускания железа Fe

Линейчатый спектр является спектром, в котором появляются только определенные длины волн, или «линии». Полосатый спектр состоит из линий, сгруппированных в полосы. Спектры испускания и поглощения индивидуальны для каждого вещества, поэтому их применяют для идентификации веществ в науке спектроскопии. Спектры являются результатом переходов электронов между различными энергетическими уровнями в атомах или молекулах вещества, что приводит к испусканию или поглощению электромагнитного излучения.

Эмиссионные спектры (спектры испускания) возбуждаются для паров и газов путем электрического разряда, для жидких и твердых тел - путем нагревания до высокой температуры, например в бесцветном пламени газовой горелки. Для органических веществ, разрушающихся под действием высокой температуры, обычно исследуются абсорбционные спектры, или спектры поглощения. Спектром поглощения называется совокупность темных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную прозрачную среду. Для получения спектра поглощения в спектральном приборе между источником белого света (например, электрической дугой и щелью коллиматора или между коллиматором и призмой) по метается исследуемое вещество, например плоскопараллельная кювета с исследуемым раствором.

Теория Бopa. Спектр атома водорода

В 1913 г. Н. Бор предложил теорию механизма излучения света атомами, учитывающую квантовую природу света. Теория основывается на двух постулатах:

1. Внутренняя энергия атома дискретна; она может принимать только определенные дозволенные значения (или уровни), характерные для данного атома. Состояния атома, соответствующие этим уровням энергии, являются стационарными: в таком состоянии атом не излучает электромагнитных волн, несмотря на происходящее в нем движение электронов.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается (или поглощается) монохроматическое электромагнитное излучение, частота которого обусловлена энергией, равной разности энергетических уровней Е 2 и E 1 , соответствующих этим состояниям:

где h - постоянная Планка.

Используя ядерную модель атома, Бор предложит считать, что стационарным состояниям, или дозволенным энергетическим уровням, атома соответствует движение электронов по орбитам определенного радиуса.

Исходя из условия квантования, Бор рассчитал энергетические уровни для атома водорода. В атоме электрон удерживается на орбите силой кулоновского притяжения к ядру, обусловливающей центростремительное ускорение.

Для первой, основной, орбиты радиус r 1 = 0,53 10 -8 см, что согласуется с расчетами на основании кинетической теории газов. Скорость движения электрона по стационарной орбите для основной орбиты атома водорода v 1 = 2,3 10 8 см/с. Таков порядок скорости движения электронов по орбите.

Полная энергия электрона Ев = Ек + Еп, причем потенциальная энергия зависит от радиуса орбиты. Энергетические уровни обратно пропорциональны квадрату квантового числа и их значения представлены в таблице1.

Поскольку с увеличением радиуса орбиты отрицательные значения энергии электрона убывают по абсолютной величине, можно считать, что энергетические уровни при этом повышаются.

Таким образом, по мере удаления от ядра энергетические уровни атома возрастают:

Е1 < E2

С возрастанием числа n разность между каждыми двумя соседними уровнями по абсолютной величине уменьшается:

ΔE’> ΔE’’ > ΔE’’’ > …

где ΔE’=E 2 -E 1 ; ΔE’’=E 3 –E 2 ; ΔE’’’=E 3 –E 2 . Стационарный уровень с наименьшей энергией называется основным, он соответствуем состоянию атома, не подвергающегося никаким внешним воздействиям. Остальные стационарные уровни называются возбужденными. Возбуждение атома, т. е. переход электрона на орбиту большего радиуса, требует сообщения дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий: при соударении частиц в процессе интенсивного теплового движения, электрическом разряде в газах, поглощении электромагнитного излучения, в результате рекомбинации ионов в газе или электронов и дырок в полупроводнике, при действии на атом радиоактивного излучения и некоторых других воздействиях.

Возбужденное состояние атома неустойчиво, примерно через 10 -8 с электрон возвращается на основную орбиту, при этом излучается один фотон с энергией hv, равной энергии, полученной при возбуждении (рис.8, а), и атом переходит в основное состояние. Электрон может возвращаться на основную орбиту не только единым переходом, но и через промежуточные уровни. В этом случае при переходе будут излучаться несколько фотонов с энергиями hv" и hv", равными разности энергий этих уровней (рис.8, б).

Теория Бора объяснила не только происхождение линейчатых спектров, но и структуру спектра излучения атомов водорода. В зависимости от энергии, полученной при возбуждении атома, электрон переходит на различные возбужденные уровни. При возвращении его на основной уровень (особенно если этот переход совершается ступенчато) излучаются кванты различной энергии. Поэтому в спектре излучения атома водорода должно быть значительное число линий, расположение которых соответствует энергетическим уровням атома и возможным переходам электрона.

Еще до создания теории Бора было установлено, что в спектра водорода имеются группы, или серии, линий, частоты которых находятся между собой в определенных соотношениях, например, серия Лаймана (в ультрафиолетовой части спектра), Бальмера (в видимой части спектра), Пашенна (в инфракрасной области) и др.

Рис.9. Спектральные серии атома водорода. а- переход электрона, б- энергетические уровни, в- расположение линий в спектре излучения (видимая область спектра см. рис 7).

Теория Бора объяснила происхождение этих серий (риc. 9). Энергия излучаемых -фотонов равна разности энергетических уровней Еп и Ет перехода электрона: hv = Е n - Е n0 , откуда v = (Е n - E n 0)/h. Таким образом, по теории Бора, к серии Лаймана, например, относятся все переходы электронов с возбужденных уровней (n = 2, 3, 4, ...) на основной (n 0 = 1), к серии Бальмера - переходы с более высоких (n - 3, 4, 5, ...) на первый возбужденный уровень (n 0 = 2) и т. д.

Теория Бора получила подтверждение в спектральных закономерностях атома водорода. Однако попытка применить ее к спектрам более сложных атомов встретила значительные затруднения.

Молекулярные спектры

Если энергия, сообщенная атому, незначительна, то на возбужденные уровни в основном переходят валентные электроны. Частота излучения при этом соответствует оптической части спектра (видимое и близкие к нему части инфракрасного и ультрафиолетового излучений). У атомов с высоким порядковым номером более значительная энергия возбуждения обусловливает переходы электронов между уровнями, соответствующими внутренним слоям. Излучение при переходах электронов между этими уровнями имеет значительно более высокую частоту и относится к дальнему ультрафиолетовому и рентгеновскому.

Молекулы имеют более сложные спектры излучения (или поглощения), чем атомы того же вещества. При соединении атомов в молекулу изменяется конфигурация оболочки с валентными электронами, в твердых телах образуются энергетические зоны, в связи с чем число возможных переходов электронов и соответствующих им спектральных линии значительно возрастает.

Кроме уровней (Е e), связанных о переходами электронов, у молекул появляются энергетические уровни (Е м), обусловленные, во-первых, колебательным движением ядер атомов, образующих молекулу около положения равновесия (Е кол), и, во-вторых, вращательным движением самой молекулы (Е вр). Энергия этих видов движения также квантуется, т. е. имеет свои дозволенные (квантованные) энергетические уровни Таким образом, молекулярные спектры состоят из трех компонентов - электронного, колебательного и вращательного. Внешние воздействия усиливают интенсивность этих видов молекулярного движения, т. е. возбуждают молекулу, которая затем возвращается в основное состояние, излучая фотон с энергией, равной разности энергетических уровней перехода.

Все эти компоненты дают в спектре множество близко расположенных линий, которые в совокупности образуют полосатые (преимущественно у паров и газов) или сплошные (у твердых и жидких тел) спектры.

Как показывают теория и опыт, Е вр <

Анализ молекулярных спектров, особенно в инфракрасной области широко используется при изучении строения молекул.

Вращательная составляющая молекулярных спектров может занимать также область коротких радиоволн. Исследование спектров излучения и поглощения в этом диапазоне называют радиоспектроскопией. Эти данные дополняют сведения о строении молекул, полученные с помощью оптической спектроскопии.

Наиболее распространенным методом радиоспектроскопии является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В случае непарамагнитных тел для аналогичных целей используется явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Возбужденное состояние атома или молекулы может разрешаться не только путем излучения фотона. Оно может вызвать фотохимическую реакцию, перестройку структуры сложной молекулы, а полученная при возбуждении энергия может быть передана другим частицам в процессе теплового движения. Эти явления носят название безызлучательных энергетических переходов.

Рассеяние и поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

При прохождении через вещественную среду световая волна постепенно ослабляется. Это происходит в связи с рассеянием и поглощением света.

Рассеяние света происходит в неоднородных средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. Если неоднородность среды образована посторонними частицами, беспорядочно распределенными в массе среды, то рассеяние света называют явлением Тиндаля, а среды - мутными, например мелкий туман, дым, различные взвеси и эмульсии и т. п. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей проходит сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках н весь пучок становится видимым при наблюдении с любой стороны.

Длина волны света при рассеянии не изменяется, а интенсивность рассеянного света тем выше, чем меньше размеры этих неоднородностей сравнительно с длиной волны. Интенсивность рассеяния зависит также от длины волны света: короткие волны рассеиваются значительно сильнее, чем длинные. Можно считать, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна примерно второй степени длины волны для более крупных и третьей степени - для более мелких частиц. Поэтому, например, мелкодисперсный туман имеет синий цвет, а состоящий из более крупных капелек - белый

Рассеяние света может происходить также и в однородной среде на мгновенных неоднородностях (флуктуациях) плотности вещества, образующихся в связи с тепловым движением атомов и молекул, например в чистом газе в процессе теплового движения молекулы в различные моменты сближаются в одних точках объема газа и разреживаются в других. Этот вид рассеяния называется молекулярным рассеянием. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света (закон Рэлея). В связи с этим, например, свечение неба наблюдается сине-голубым, а прямое солнечное излучение приобретает желто-красный оттенок, особенно при восходе и заходе Солнца, когда это излучение проходит более длинный путь в атмосфере.

При рассеянии света в однородных жидкостях и кристаллах в рассеянном свете кроме падающей волны частотой ω 0 появляются волны с частотой ω м, отличающейся от нее на определенную величину Δω, характерную для молекулярной структуры данного вещества. Этот вид молекулярного рассеяния называется комбинационным рассеянием света и имеет значение для изучения структуры вещества.

Рис. 10

При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу. При поглощении света она переходит в другие виды внутренней энергии, при этом в веществе могут происходить различные явления: повышение интенсивности теплового движения (тепловой эффект), возбуждение и ионизация атомов и молекул, активация молекул (фотохимический эффект) и т. п.

Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен Н. Бугером: в каждом последующем слое среды одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны, независимо от его абсолютной величины.

Определим на основании этого закона интенсивность I d световой волны, прошедшей слой среды толщиной d, если падающая на поверхность среды волна имеет интенсивность I 0 . Для этого выделим на расстоянии х от поверхности слой среды толщиной dx (рис. 10, а). Убывание dI x интенсивности I x волны вследствие поглощения света этим слоем по закону Бугера пропорционально величине I x и толщине слоя dx:

где α - коэффициент пропорциональности. Уравнению можно придать вид dI x /I x = - α dx.

Решая это уравнение, получим для слоя толщиной х = d

График изменения интенсивности света I x в зависимости от толщины слоя среды, который проходит свет, показан на рис. 10, б (экспоненциальная кривая).

Коэффициент пропорциональности α называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества.

Он зависит от его природы и состояния, а также от частоты (длины волны λ 0) света. У металлов показатель поглощения весьма высок (порядка 10 3 -10 8 см - 1) Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, вынужденные колебания которых легко возбуждаются и имеют значительную амплитуду. Падающая на поверхность металла световая волна быстро расходует свою энергию и потому проникает на самую малую глубину.

У диэлектриков показатель поглощения в общем невелик (порядка 10 -3 – 10 -5 см -1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волны, в которых показатель поглощения резко возрастает. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и значительное поглощение света происходит только при резонансных колебаниях, т. е. при частотах световой волны, близких к собственным (или кратным им) частотам колебаний электронов диэлектрика. Это явление объясняет, например, линейчатые спектры поглощения газов в атомарном состоянии.

Рис.11

Примерный характер зависимости показателя поглощения от длины волны к показан на рис. 11. На рис. 11, а - график 1 для тел, равномерно поглощающих свет любой длины волны (черные и серые тела), 2 - для тел, поглощающих свет любых длин волн начиная с некоторой граничной λ гр, 3 - для тел, имеющих широкую полосу поглощения в пределах длин волн от λ 1 до λ 2 . На рис. 11 б - для тел с селективным (резонансным) поглощением при определенных длинах волн λ 1 , λ 2 и λ 3.

Постепенное убывание интенсивности света при прохождении через среду вследствие рассеяния также подчиняется закону Бугера, формула которого с учетом как поглощения, так и рассеяния принимает вид

где σ - показатель ослабления света вследствие рассеяния.

Исследуя поглощение монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условии, что растворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию), А. Бер показал, что оно подчиняется закону Бугера, причем показатель поглощения α прямо пропорционален концентрации вещества в растворе (закон Бера): α = χС, где χ - показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Тогда формула закона Бугера-Ламберта-Бера примет вид

или в системе десятичных логарифмов , где

Отношение I d /I 0 = τ называют коэффициентом пропускания или прозрачностью раствора, а величину D = lg (I d /I 0) = -lg τ - оптической плотностью. В соответствии с приведенной выше формулой оптическая плотность раствора D = χ"Cd.

Рис.13

На законе Бугера-Бера основан метод определения концентрации растворов путем сравнения толщин d 1 и d 2 слоев двух растворов одного и того же вещества, исследуемого с концентрацией С 1 и стандартного С 2 , в которых имеет место одинаковое поглощение света. В приборе, называемом концентрационным колориметром, свет от одного и того же источника проходит через слои d 1 и d 2 растворов; изменением толщины слоев уравнивается яркость двух половин поля зрения, освещенного светом, прошедшим через эти растворы (рис. 13). При этом уравниваются и оптические плотности растворов: D 1 = D 2 , или C 1 d 1 = C 2 d 2 , откуда C 1 /C 2 = d 1 /d 2 , т. е. концентрации С 1 и С 2 обратно пропорциональны толщинам слоев d 1 и d 2 .

Аналогичный метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией. При этом сравниваются интенсивности света, рассеянного частицами в стандартном и исследуемом растворах: при относительно невысоких концентрациях они пропорциональны концентрации взвешенных частиц и высоте столба раствора. Растворы освещаются боковым светом.

Спектральный анализ

Спектры (как эмиссионный, так и абсорбционный) тесно связаны со строением атомов и молекул вещества. Поэтому по их характеру можно судить о природе и составе как простых, так и сложных веществ. Метод качественного или количественного определения состава вещества по его спектру называется спектральным анализом Основное преимущество его в том, что для анализа требуется исключительно малое количество вещества Путем спектрального анализа может быть обнаружено присутствие вещества в количестве до 10 -8 г. С помощью спектрального анализа, например, было установлено, что живые организмы содержат в крайне незначительных количествах многие металлы - кобальт, хром, титан и др. Спектральный анализ позволяет установить следы крови (судебная медицина), микропримеси металлов в консервированных продуктах (пищевая гигиена и т. п.).

Абсорбционная спектрофотометрия.

Для исследования молекулярного состава органических веществ применяют абсорбционную спектроскопию, обычно при этом исследуемое вещество растворяют в воде, которая сама не дает спектра поглощения в области видимого света. С помощью абсорбционной спектроскопии, например, был установлен молекулярный состав многих витаминов, гормонов и т. п.

Применение абсорбционной спектрофотометрии в видимой и ультрафиолетовой областях спектра для методик количественного определения основано на том факте, что поглощаемость вещества обычно является константой, независимой от интенсивности падающего излучения, длины кюветы и концентрации, вследствие чего концентрация может быть определена фотометрически. Отклонения от приведенных выше величин могут быть обусловлены физическими, химическими или инструментальными переменными. Отклонения вследствие инструментальной ошибки могут быть вызваны влиянием ширины щели, рассеянием света или полихроматическим излучением. Очевидные ошибки могут также появиться в результате изменения концентрации растворенных молекул вследствие ассоциации между молекулами растворенного вещества, между молекулами растворенного вещества и растворителя, а также вследствие диссоциации или ионизации

Свойство атомов и молекул поглощать свет с определенной длиной волны, характерной для данного вещества, широко используется в медицине и фармации для качественных и количественных исследований. Измерение спектров поглощения позволяет судить о химическом составе вещества и его состоянии в биологических структурах. Для регистрации спектров поглощения используются приборы спектрофотометры.

Спектр поглощения - часто выражаемое графически отношение поглощения или любой функции поглощения к длине волны или любой функции длины волны (см. рис.7, 11). Спектры поглощения веществ определяются разностью энергий между энергетическими уровнями молекул, составляющими вещество, а также вероятностями перехода между ними. Разность энергий определяет длину волны, на которой происходит поглощение света, вероятность перехода - коэффициент поглощения вещества. Для биологически важных молекул характерны широкие полосы поглощения, обусловленные электронными, колебательными и вращательными уровнями. Молекулярные группы, поглощающие свет, называют хромофорами.

Стандартный диапазон измерений в абсорбционной спектрофотометрии: 180-1100 нм. Он включает в себя три области спектра: ближнюю ультрафиолетовую область (УФ) -180-380 нм; видимую (ВИД) - 380-760 нм и ближнюю инфракрасную (ИК) - 760-1100 нм.

Нуклеиновые кислоты поглощают только в УФ области (180-220 и 240-280 нм). Их хромофорами являются, в основном, пуриновые и пиримидиновые основания.

Белки имеют три типа хромофорных групп: собственно пептидные группы, боковые группы аминокислотных остатков и простетические группы. Первые две поглощают в УФ области и не поглощают в видимой области. Пептидные группы -CO-NH- поглощают в районе 190 нм. Боковые группы трех ароматических кислот - триптофана, тирозина и фенилаланина - также поглощают на этих длинах волн, причем значительно сильнее, чем пептидные группы. Кроме того они имеют полосу поглощения в диапазоне 260-280 нм.

Простетические группы (гем в гемоглобине и др. хромофоры) поглощают в УФ и в видимой области. Именно они придают белку цвет (например, красный цвет гемоглобину). Спектр поглощения гемоглобина (рис. 15) имеет характерные максимумы в видимой области (~400 нм и 525-580 нм), а также в ближней ИК-области (900 нм). Спектры поглощения гемоглобина, связавшего кислород (оксигемоглобин) – красная линия и свободного гемоглобина (деоксигемоглобин) – синяя иния отличаются. Поэтому с помощью спектров поглощения можно измерить содержание кислорода в крови человека.

Рис.15. Спектры поглощения гемоглобина и оксигемоглобина в оптической области излучения

Примеры использования спектрофотометрии в биологии, медицине и фармации.

· Измерение концентрации белков и нуклеиновых кислот.

· Оценка кровоснабжения тканей на основе измерений степени оксигенации гемоглобина.

· Измерение рН среды с помощью красителей, изменяющих спектр поглощения с изменением рН.

· Определение концентрации различных лекарственных средств, имеющих характерные спектры поглощения (рутин, берберин).

· Отслеживание динамики размножения микроорганизмов по изменению оптической плотности среды, в которой они находятся.

Принципиальная схема спектрофотометра.

Спектрофотометр состоит из следующих основных блоков (рис.16): источника света (И), монохроматора (М), измерительной кюветы (К1) и кюветы сравнения (К2), фотоприемника (Ф) и регистратора (индикатора) (Р).

Тема нашего урока: «Шкала электромагнитных волн и свойства электромагнитных волн». Мы подведем итог тем вопросам, которые мы рассматривали на предыдущих уроках. В первую очередь мы с вами изучили вопросы создания электромагнитных волн, их излучение и их использование. Сегодня мы рассмотрим свойства, на которых основано применение электромагнитных волн, и обсудим это

Электромагнитная волна обладает всеми характеристиками волн, то есть длина волны и частота. Для обычных механических волн существует взаимосвязь между скоростью волны, длиной волны и частотой. Такая же связь наблюдается и у электромагнитных волн. Рассмотрим уравнение для механической волны:

υ = λ · ν

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. Для электромагнитных волн скорость распространения - величина постоянная и равная c = 3·10 8 м/с, то есть

c = λ · ν

Для электромагнитных волн произведение длины волны и частоты всегда остается величиной постоянной.

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн ()

Возьмем шкалу (рис. 1) и отметим на ней частоту, по направлению шкалы происходит возрастание частоты, вторая шкала соответствует длине волны, и на ней мы видим

уменьшение длины волны. Для одной и той же электромагнитной волны произведение частоты на длину волны всегда будет оставаться величиной постоянной.

λ 1 · ν 1 = С

λ 2 · ν 2 = С

Для всех электромагнитных волн скорость будет оставаться постоянной: 3·10 8 м/с.

Такое распределение позволяет создать шкалу, по которой мы можем разложить все электромагнитные колебания по их частоте или длине волны и обсудить их свойства. По такой шкале очень удобно обсуждать вопрос происхождения электромагнитных волн, то есть как эти электромагнитные волны появляются и, соответственно, что является источником этих электромагнитных волн.

Электромагнитную шкалу можно разделить на две части: низкочастотные колебания и радиоволны. К низкочастотным колебаниям относятся те, которые производятся при помощи генератора, самым ярким представителем является переменный ток, и, соответственно, эти колебания распространяются в основном по проводам, а те электромагнитные волны, которые создаются такими колебаниями, на большие расстояния не распространяются, они очень быстро поглощаются окружающей средой.

Вторая часть - радиоволны - может быть разделена на большое количество поддиапазонов.

Это, в первую очередь, длинные волны, средние, короткие и ультракороткие волны. Каждый из этих диапазонов используется по своему назначению. Например, длинные волны очень хорошо поглощаются окружающей средой, ионосферой и поверхностью Земли, и поэтому на большие расстояния они распространяться не могут. При мощных передатчиках длинные волны используют для радиовещания. Для вещания на весь мир используются короткие волны, в результате многократного отражения они отражаются от земной поверхности и ионосферы и распространяются по всему земному шару. Ультракороткие волны распространяются в пределах прямой видимости, они достаточно плохо отражаются, но хорошо преломляются и используются для связи с космическими аппаратами или для телевидения.

Источниками для распространения радиоволн являются генераторы высокой частоты, колебательный контур Томпсона, открытый колебательный контур Герца и другие излучатели высокочастотных электромагнитных колебаний волн. Данные для электромагнитной шкалы сведены в схему, изображенную на рисунке 2.

Рис. 2. Данные электромагнитной шкалы ()

Длина волны располагается по уменьшению, а частота по нарастанию.

Все электромагнитные волны похожи друг на друга, все они порождаются ускоренно движущимся электрическим зарядом и обнаруживаются по действию на другой электрический заряд. Проявление свойств может быть различным, в зависимости от длины волны или от частоты волны ведут себя по-разному. Вектор магнитной индукции и вектор напряженности вихревого электрического поля взаимно перпендикулярны, но, кроме этого, плоскость, где располагается вектор индукции и вектор напряженности, соответственно перпендикулярна вектору, вдоль которого направлена скорость распространения электромагнитной волны. Все это объединяет электромагнитные волны. Но в результате зависимости от длины волны или частоты проявляются следующие особенности: поглощение волн окружающей средой будет различным. Одни волны поглощаются достаточно хорошо, другие, наоборот, преобладают над поглощением-отражением, поэтому длинные волны не могут распространяться на большие расстояния, а короткие достаточно хорошо это делают. С другой стороны, волны могут существовать в одном пространстве от разных источников, никак при этом не мешая друг другу. Волны могут от одного и того же источника складываться друг с другом и, соответственно, огибать препятствия. Эти возможности называются интерференция и дифракция волн, то есть сложение волн и огибание препятствий, которые приводят к определенному результату. Радиолокация, например, связана с ультракороткими волнами, потому что она эффективна в том случае, когда размеры объекта много больше, чем длина волны.

Общие свойства и характеристики электромагнитных волн

СВОЙСТВА	ХАРАКТЕРИСТИКИ
Распространяются в пространстве с течением времени.	Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна 3·10 8 м/с.
Все волны поглощаются веществом.	Различные коэффициенты поглощения.
Все волны на границе раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются.	Законы отражения и преломления. Коэффициенты отражения для различных волн и различных сред.
Все электромагнитные излучения проявляют свойства волн: складываются, огибают препятствия. Несколько волн могут существовать в одной области пространства.	Принцип суперпозиции. Для когерентных волн правила определения максимумов принцип Гюйгенса-Френеля. Волны между собой не взаимодействуют.
Сложные электромагнитные волны при взаимодействии с веществом раскладываются в спектр.	Зависимость показателя преломления среды от частоты волны. Скорость волны в веществе зависит от преломления среды
Волны разной интенсивности.	Плотность потока излучения..

Таблица состоит из двух столбцов, в левом размещены свойства, а в правом - характеристики. Свойства расположены в соответствии характеристикам.

Шкала электромагнитных волн не ограничивается только радиоволнами, она может продолжаться и дальше, существуют другие излучения, которые также соответствуют электромагнитным волнам. Эти вопросы мы рассмотрим в дальнейшем.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какая связь между характеристиками электромагнитных волн?
2. На какие части подразделяется шкала электромагнитных волн?
3. Особенности электромагнитных волн?

1. Интернет-портал Bourabai.kz ( ).
2. Интернет-портал 900igr.net ().
3. Интернет-портал Do.gendocs.ru ().

Сегодня мы расскажем, что такое электромагнитные колебания, как их открыли и почему они настолько важны в жизни людей.

Мрамор и свет

Как ни странно, история изучения фотонов света началась в Древней Греции. Любопытство ученых ушедших эпох заставляло их задавать вопросы:

1. Что такое материя?
2. Почему дерево отличается от камня?
3. Как живые существа видят?
4. Чем солнце отличается от луны?

Но инструменты древнего мира были весьма примитивными. Человеку приходилось опираться на собственные чувства, а выводы делать исключительно с помощью абстрактных умозаключений. Один ученый заметил, что мраморные плиты, на которые ступают много ног, со временем изменяют форму. Ступени на всех общественных зданиях, например, храмах, форумах, стадионах приходилось периодически менять. А значит, каждая нога уносит какую-то частицу камня с собой. Понимание, что вещество состоит из мельчайших частиц, привело к такому понятию, как «электромагнитные колебания».

Электричество и компас

В 1820 году датский ученый Эрстед обнаружил, что магнит меняет положение полюсов рядом с включенным в сеть проводником. Компас люди использовали веками, электричество было недавним открытием. Наличие связи между ними стало на тот момент сенсацией. Опыты продолжил Фарадей. Этот ученый не только доказал тесную связь между магнитными и электрическими полями, но еще и установил: ток вызывает оба поля. Таким образом, было выяснено, что электромагнитные колебания генерируются движущимися зарядами.

Свойства электромагнитных волн

Еще позже, в начале двадцатого века, ученым пришлось признать: кванты электромагнитного поля одновременно и волны, и частицы. Как материальные объекты, они обладают массой и передают импульс. Но фотоны - необычные частицы. Масса покоя у них отсутствует. То есть фотоны существуют исключительно в движении сквозь пространство. Как только их поглощает вещество, они теряют свою индивидуальность.

Как волны, электромагнитные колебания имеют следующие свойства:

• частота;
• длина волны;
• амплитуда.

Наиболее часто встречающийся пример фотонов - свет.

Свет и цвет

Обычно при слове «свет» люди представляют потоки солнечных лучей. На взгляд человека они лишены цвета. Но длина волны и период электромагнитных колебаний задают оттенок. Почему же тогда лампа или солнце кажутся белыми? Этот эффект обусловлен смешением фотонов из всего спектра излучения источника. Когда электромагнитное излучение генерирует энергосберегающая лампа, свет человеку кажется «теплым» или «холодным», но белым. А на самом деле смесь газов испускает целый спектр фотонов с разной длиной волны.

Шкала волн: от Рентгена до радио

В зависимости от длины волны все электромагнитные волны разделены на несколько областей. Шкала электромагнитных колебаний включает в порядке уменьшения длины волны:

1. Радиоволны. Именно они передают нам звуки музыки, новости и фильмы. Речь идет не об интернет-каналах, а о традиционных радио и телевидении.
2. Терагерцовое (или микроволновое) излучение. До недавнего времени этот диапазон не выделялся из радиоволн. Генераторов терагерцовых волн просто не было. Но сейчас они существуют и приносят пользу: сканеры в аэропортах и на вокзалах используют именно этот диапазон. Такое излучение не вредно для человека, и оно хорошо выделяет железные объекты в сумках и пакетах путешественников.
3. Инфракрасное (или тепловое) излучение. Любое тепло переносится этими волнами. Костер, свеча, солнце, люди - это генераторы. Некоторые пустынные животные обладают инфракрасным зрением. Как правило, это ночные хищники, способные выделить более теплые тела живых существ на фоне остывших камней и песка.
4. Видимый спектр. Все цвета радуги, которые способен воспринимать человеческий глаз, относятся к данной области. На всей шкале видимый спектр занимает очень маленькую долю. Непонятно, почему эволюционный механизм присвоил нам способность видеть именно так.
5. Ультрафиолетовые волны. Загар человек получает именно благодаря им. Они полезны, ибо смертельно опасны: ультрафиолет эффективно убивает бактерии и микроорганизмы. А вот недостаток ультрафиолетовых лучей (например, у народов Севера) может вызвать серьезные проблемы со здоровьем.
6. Рентгеновские волны. Излучаются либо при торможении очень быстрых электронов, либо при «выбивании» электрона с внутренней оболочки большого атома. Полезны для исследования структуры вещества.
7. Гамма-лучи. Производятся при ядерной реакции.

Не стоит думать, что раз есть шкала, в ней все четко и понятно. Границы диапазонов размыты. Например, рентгеновское излучение от гамма-лучей отличается только источником происхождения, а частоты спектров сильно перекрываются. Видимый спектр называется так потому, что эти длины волн способен воспринимать человеческий глаз. Но ведь все люди разные. Некоторые видят чуть больше красного, кто-то - фиолетового. Видимый спектр - это усредненная величина. Как и все человеческое, это понятие не лишено погрешностей.

Есть у глаза свойство спектральной чувствительности. Максимум лежит в области зеленого цвета, а края шкалы воспринимаются хуже. Поэтому края радуги кажутся размытыми, нечеткими. Капли воды во время дождя преломляют электромагнитное излучение всех длин волн, что испускает Солнце. Но человек видит только маленький отрезок этой шкалы. Тем более удивительно, что научное знание преодолело эти границы. Телескопы на орбите Земли видят инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-волны, которые испускают далекие галактики, черные дыры и квазары.