6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющиеся в пространстве взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля. Поля направлены перпендикулярно друг другу, а также направлению распространения волны. Это определение показывает, что электромагнитная волна переносит изменения полей через пространство, в том числе там, где нет вещества.

Электромагнитное излучение — процесс испускания и распространения электромагнитных волн источником. Источниками могут быть антенны, атомы, Солнце и нагретые тела. Понятие помогает описывать и сам источник, и волны, которые от него распространяются.

Свет — электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Видимый свет составляет лишь небольшую часть всех электромагнитных излучений. Это определение объясняет, почему слово «свет» в физике можно связывать с электромагнитными волнами, хотя глаз видит не все их виды.

Электромагнитный спектр — совокупность электромагнитных излучений, расположенных по частоте или длине волны. К его основным диапазонам относятся радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Спектр позволяет сравнивать излучения по измеримым характеристикам, а не считать каждый диапазон отдельным явлением.

Как это устроено

Электрическое поле может изменяться во времени, например рядом с движущимися или колеблющимися зарядами. Такое изменение связано с возникновением магнитного поля, которое тоже меняется. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, вызывает электрическое поле. Поэтому изменения полей поддерживают друг друга, и волна способна распространяться дальше от источника.

Электромагнитная природа света подтверждается тем, что он распространяется в вакууме: ему не требуется воздух или другое вещество. Скорость света в вакууме равна скорости распространения электромагнитных волн и обозначается c; она составляет примерно 3·10⁸ м/с. Это свойство отличает свет от механических волн, которым для распространения нужна материальная среда. Значит, свет можно описывать как электромагнитную волну.

Радиоволны, инфракрасное и видимое излучение, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-волны имеют одну электромагнитную природу. Их различие связано прежде всего с частотой ν и длиной волны λ. Частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду, а длина волны — какое расстояние проходит волна за один период. Поэтому разные свойства диапазонов не означают, что у них разные виды полей или разные законы распространения.

В вакууме длина волны и частота связаны формулой c = λν. Поскольку скорость c постоянна, при увеличении частоты длина волны уменьшается, а при уменьшении частоты — увеличивается. Если расположить диапазоны от меньшей частоты к большей, получится последовательность: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Видимый свет занимает узкий участок между инфракрасным и ультрафиолетовым диапазонами.

Излучение возникает, когда источник передаёт энергию электромагнитным волнам. В атомах это может происходить при переходах между состояниями с разной энергией, а нагретые тела испускают излучение из-за движения частиц и могут давать широкий набор частот. Характер излучения зависит от устройства и состояния источника: например, его температуры или процессов внутри атомов. Поэтому разные источники могут излучать преимущественно в разных диапазонах спектра.

Диапазоны электромагнитного спектра

Границы диапазонов приблизительны: в разных справочниках они могут немного отличаться. Пользуйся таблицей, чтобы определить положение излучения относительно видимого света и сравнить характерные длины волн. При движении от радиоволн к гамма-излучению частота растёт, а длина волны уменьшается.

Разбор задач

Задача 1. Упорядочить радиоволны, видимый свет и рентгеновское излучение по возрастанию частоты

Нужно расположить три вида излучения от меньшей частоты к большей. Чтобы не запоминать несвязанные названия, используем порядок диапазонов спектра. Частота при переходе к более коротким волнам увеличивается.

1. Сравним положения диапазонов: радиоволны находятся раньше видимого света, а рентгеновское излучение — дальше видимого.
2. Следовательно, частота возрастает в последовательности: радиоволны, видимый свет, рентгеновское излучение.

Ответ: радиоволны → видимый свет → рентгеновское излучение.

Задача 2. Частота волны равна 6·10¹⁴ Гц. Найти длину волны в вакууме и определить, видимый ли это свет

Даны частота ν = 6·10¹⁴ Гц и скорость электромагнитной волны в вакууме c ≈ 3·10⁸ м/с. Искомая величина — длина волны λ, поэтому используем связь скорости, частоты и длины волны. Полученное значение сравним с видимым диапазоном примерно 400–700 нм.

1. Запишем формулу: c = λν, откуда λ = c/ν.
2. Подставим значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(6·10¹⁴ Гц) = 0,5·10⁻⁶ м.
3. Переведём в нанометры: 0,5·10⁻⁶ м = 5·10⁻⁷ м = 500 нм.
4. Значение 500 нм попадает в видимый диапазон.

Ответ: λ = 5·10⁻⁷ м, или 500 нм; это видимый свет.

Задача 3. Длина волны одного излучения в 10 раз меньше длины волны другого. Во сколько раз отличаются частоты и какое излучение имеет большую частоту?

Обозначим большую длину волны λ₁, а меньшую — λ₂. По условию λ₂ = λ₁/10. В вакууме скорость волн одинакова, поэтому частота обратно пропорциональна длине волны; найдём отношение частот.

1. Запишем связь для каждой волны: ν₁ = c/λ₁ и ν₂ = c/λ₂.
2. Подставим λ₂ = λ₁/10: ν₂ = c/(λ₁/10) = 10c/λ₁ = 10ν₁.
3. Значит, частота волны с меньшей длиной волны в 10 раз больше.

Ответ: частоты отличаются в 10 раз; большую частоту имеет излучение с длиной волны, которая в 10 раз меньше.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что свет и радиоволны имеют разную физическую природу. Обычно это происходит потому, что их источники и применение сильно отличаются. На деле это диапазоны одного электромагнитного спектра; проверь себя, спросив, можно ли оба излучения описать электрическим и магнитным полями.

Ошибка: путать частоту и длину волны, считая, что они растут одновременно. Удобно запомнить формулу c = λν, где в вакууме c постоянна. Если частота увеличилась, длина волны должна уменьшиться; подстановка значений в формулу помогает проверить вывод.

Ошибка: утверждать, что свету обязательно нужна материальная среда. Так могут рассуждать по аналогии со звуком, который не распространяется в вакууме. Свет — электромагнитная волна и проходит через вакуум; для проверки сравни распространение света и звука в космическом пространстве.

Ошибка: считать, что видимый свет охватывает весь электромагнитный спектр. Глаз действительно позволяет наблюдать свет, но не радиоволны, инфракрасное или рентгеновское излучение. Проверь себя по порядку диапазонов: видимая область находится только между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Связь с другими темами

Чтобы понимать электромагнитные волны, нужно знать, что такое электрическое и магнитное поля, колебания, частота, период и длина волны. Эти понятия помогают объяснить взаимное изменение полей и применять формулу c = λν. Тема связана с оптикой и пригодится при изучении радио- и радиолокационных устройств. Понимание спектра также помогает разобраться, где применяют инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Что запомнить

• Свет имеет электромагнитную природу.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света.
• Длина волны и частота связаны соотношением c = λν.
• Видимый свет — только часть электромагнитного спектра.
• Разные виды электромагнитного излучения отличаются частотой и длиной волны.