Электромагнитные поля (эмп) и излучения. Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр - ряд форм электромагнитного излучения, расположенных по порядку величин их частот или длин волн (рисунок 4).

Рисунок 4 - Спектр электромагнитных излучений

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) -- распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.

Диапазоны электромагнитного излучения

• 1 Радиоволны
• 2. Инфракрасное излучение (Тепловое)
• 3. Видимое излучение (Оптическое)
• 4. Ультрафиолетовое излучение
• 5. Жёсткое излучение

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту и длину волны. Длина волны зависит от скорости распространения излучения. Скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше.

Особенностями электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики являются наличие трёх взаимноперпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

Электромагнитные волны -- это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том, числе и через вакуум.

Общим для всех видов излучений является скорость их распространения в вакууме, равная 300 000 000 метров в секунду.

Электромагнитные излучения характеризуются частотой колебаний, показывающих число полных циклов колебаний в секунду, или длиной волны, т.е. расстоянием, на которое распространяется излучение за время одного колебания (за один период колебаний).

Частота колебаний (f), длина волны (л) и скорость распространения излучения (с) связаны между собой соотношением:

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. Волны с длиной л длиной менее 1 м (частота более 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

Инфракрасное излучение -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 0,74 мкм) и микроволновым излучением (1-2 мм).

Инфракрасное излучение занимает самую большую часть оптического спектра. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

Видимый свет представляет собой сочетание семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Перед красными областями спектра в оптическом диапазоне находятся инфракрасные, а за фиолетовыми - ультрафиолетовые. Но не инфракрасные, не ультрафиолетовые не видимы для человеческого глаза.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-жёлтым светом. Этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения. При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие.

Кроме теплового излучения источником и приёмником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии.

Жёсткие лучи. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ -- 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов -- больше 0,1 МэВ.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) -- электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением (380 -- 10 нм, 7,9Ч1014 -- 3Ч1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380--200 нм) и дальний, или вакуумный (200--10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Длинноволновое ультрафиолетовое излучение обладает сравнительно небольшой фотобиологической активностью, но способно вызвать пигментацию кожи человека, оказывает положительное влияние на организм. Излучение этого поддиапазона способно вызывать свечение некоторых веществ, поэтому его используют дли люминесцентного анализа химического состава продуктов.

Средневолновое ультрафиолетовое излучение оказывает тонизирующее и терапевтическое действие на живые организмы. Оно способно вызывать эритему и загар, превращать в организме жипотных необходимый для роста и развития витамин D в усвояемую форму, обладает мощным антирахитным действием. Излучение этого поддиапазона вредны для большинства растений.

Коротковолновое ультрафиолетовое излечение отличается бактерицидным действием, поэтому его широко используют для обеззараживания воды и воздуха, дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды.

Основной природный источник ультрафиолетового излучения на Земле Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от различных факторов.

Искусственные источники ультрафиолетового излучения многообразны. Сегодня искусственные источники ультрафиолетового излучения широко применяются в медицине, профилактических, санитарных и гигиенических учреждениях, сельском хозяйстве и т.д. предоставляются существенно большие возможности, чем при использовании естественного ультрафиолетового излучения излучения .

Физик Рентген открыл еще более коротковолновое излучение. Недолго думая, эти лучи назвали в честь самого Рентгена. Обладая хорошей проницающей способностью, рентгеновское излучение нашло применение в медицине и кристаллографии. Как Вы, наверное, наслышаны, рентгеновские лучи опять-таки вредны живым организмам. И атмосфера Земли из-за их проницательности, упомянутой только что, им не помеха. Нас выручает магнитосфера Земли. Она задерживает многие опасные излучения космоса. Длины волн лучей Рентгена заключены между 0,1 А и 100 А.

Самые короткие волны (меньше 0,1 А) у гамма-лучей. Это самый опасный вид радиоактивности, самое опасное электромагнитное излучение. Энергия фотонов гамма-лучей очень высока, и их излучение происходит при некоторых процессах внутри ядер атомов. Примером такого процесса может быть аннигиляция - взаимоуничтожение частицы и античастицы с превращением их массы в энергию. Регистрируемые, время от времени, таинственные гамма-вспышки на небе пока никак не объяснены астрономами. Ясно, что энергия явления, производящего вспышки, просто грандиозна. По некоторым подсчетам, на секунды, которые длится такая вспышка, она излучает больше энергии, чем вся остальная Вселенная. Гамма-излучение не пропускается к Земле ее магнитосферой .

Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма-квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма-квантов в первом приближении можно охарактеризовать ее поверхностной плотностью (в г / см?). Зеркал и линз для γ-лучей не существует.

Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма-кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты - электронной оболочкой атома (это лишь терминологическое различие, не затрагивающее физических свойств излучения).

2.2. Рентгеновское излучение

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжелых атомов на низшие орбиты. Вакансии на низких орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое рентгеновское излучение) это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгенофлуоресцентного анализа). Тепловое , тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решетках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решеток. На этом основан метод рентгенодифракционную анализа .

2.3. Ультрафиолетовое излучение

Диапазон: от 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)

2.4. Оптическое излучение

Излучение оптического диапазона (видимый свет и близкое инфракрасное излучение) свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломляется в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

В отличие от оптического диапазона, исследование спектра в радиодиапазоне проводится не по физическим разделением волн, а по методам обработки сигналов.

Виды излучений

Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.

Электролюминесценция (от латинского люминесценция - «свечение») – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.

Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.

Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Спектры

Полосатые спектры

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектральный анализ

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.

Схема устройства призменного спектрографа

Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

Фраунгоферовы линии

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году - рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).

Принцип работы

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Спектр электромагнитных излучений

Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны . При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.

Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.

Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.

В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.

Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение (<10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.

Земля с момента начала своего существования подвергалась воздействию электромагнитного излучения Солнца и Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере и атмосфере Земли, влияющие самым непосредственным образом на живые организмы биосферы и среду обитания.

В процессе эволюции живые организмы адаптировались к естественному фону ЭМП. Однако вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли в настоящее время не только увеличивается, но и претерпевает качественные изменения. Появились электромагнитные излучения таких длин волн, которые имеют искусственное происхождение в результате техногенной деятельности.

К основным источникам ЭМП антропогенного происхождения относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные ЛЭП промышленной частоты, термические цеха, плазменные, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы.

Спектральная интенсивность некоторых техногенных источников ЭМП может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона, к которому привык человек и другие живые организмы.

Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного .

Характерная особенность электрического поля состоит в том, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда.

Характерная особенность магнитного поля (МП) в том, что оно действует на движущиеся электрические заряды с силами, пропорциональными скоростям зарядов и направленными перпендикулярно этим скоростям.

Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т. е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света в вакууме.

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычно широким: от нескольких тысяч метров до 10 -12 см.

В настоящее время известно, что радиоволны, свет, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, рентгеновские лучи и g- излучения – все это волны одной электромагнитной природы, отличающиеся длиной волны l. Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Шкала электромагнитных излучений представлена на рис. 7.1.

№ 1 – 11 – поддиапазоны, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР). По решению этого комитета поддиапазоны 5 – 11 относятся к радиоволнам. По регламенту МККР к СВЧ-диапазону отнесены волны с частотами 3-30 ГГц. Однако исторически сложилось под СВЧ-диапазоном понимать колебания с длиной волны от 1 м до 1 мм. Поддиапазоны № 1 – 4 характеризуют электромагнитные поля промышленных частот.

Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн приблизительно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового. Видимый диапазон составляет небольшую часть оптического. Границы переходов ультрафиолетового излучения, рентгеновского, g-излучений точно не фиксированы, но приблизительно соответствуют указанным на схеме значениям l и n; g-излучение переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лучами.

Несмотря на единую электромагнитную природу любой из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техникой генерации и измерений.