"Физика. Оптика. Квантовая физика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Электромагнитное излучение — единый спектр волн, включающий радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Светом называют его небольшую часть, воспринимаемую глазом. Источники света превращают энергию вещества или устройства в энергию излучения. Одни источники светятся из-за высокой температуры, другие — благодаря люминесценции, то есть излучению без сильного нагревания.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитное излучение — распространение в пространстве переменных электрического и магнитного полей. К его основным диапазонам относят радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Такое определение нужно, чтобы рассматривать все эти явления как части единого электромагнитного спектра.
Свет — электромагнитное излучение, которое воспринимает глаз человека. Видимый диапазон приблизительно простирается от 380 до 760 нм. Границы условны и зависят от чувствительности глаза, но позволяют отличить свет от невидимых инфракрасных и ультрафиолетовых волн.
Источник света — тело или устройство, испускающее свет благодаря превращению другого вида энергии в энергию излучения. Такой энергией может быть внутренняя, электрическая, химическая или энергия возбуждения атомов. Определение помогает отличать самостоятельно светящиеся тела от обычных предметов, которые только отражают свет.
Люминесценция — излучение, не связанное с нагреванием тела до высокой температуры. Частицы можно возбудить светом, электрическим полем или разрядом, химической реакцией, а также процессами в живом организме. Понятие нужно для объяснения свечения холодных или слабо нагретых источников.
Все электромагнитные излучения образуют единый спектр, потому что имеют одну физическую природу: это распространяющиеся взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Различие между радиоволной, светом или гамма-излучением определяется не природой поля, а частотой ν и длиной волны λ. В вакууме они связаны формулой c = λν, где c — скорость света.
Частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду, а длина волны — расстояние между соседними одинаковыми фазами волны. При постоянной скорости распространения увеличение частоты приводит к уменьшению длины волны. Видимый свет занимает небольшую часть спектра, потому что человеческий глаз приспособлен лишь к узкому диапазону частот; другие волны могут действовать на вещества, но не вызывают зрительного ощущения.
Источник света получает энергию из некоторого процесса и переводит её в энергию электромагнитного излучения. На уровне атомов и молекул это часто связано с переходом частицы из состояния с большей энергией в состояние с меньшей. Разность энергий выделяется в виде фотона: E = hν, поэтому более энергичный фотон соответствует большей частоте.
Тепловое излучение возникает из-за беспорядочного движения заряженных частиц внутри нагретого тела. Температура определяет, насколько интенсивно тело излучает и на какие частоты приходится максимум его спектра: при нагревании максимум смещается к более коротким волнам. Поэтому холодное тело в основном излучает в инфракрасном диапазоне, а очень горячее может светиться красным, жёлтым или белым.
Люминесценция отличается от теплового излучения способом возбуждения частиц. При фотолюминесценции возбуждение вызывают светом, при электролюминесценции — электрическим полем или током, при хемилюминесценции — химической реакцией, а при биолюминесценции — реакциями в живых организмах. Поэтому светиться могут лампы, экраны, химические составы и некоторые животные без сильного нагревания.
| Вид излучения | Диапазон частот или длин волн | Механизм возникновения | Примеры источников | Применение или характерный признак |
|---|---|---|---|---|
| Радиоволны | ν < 3·1011 Гц; λ > 1 мм | Колебания токов и зарядов в антеннах | Радиопередатчики, антенны | Связь, радиовещание; самые длинные волны |
| Инфракрасное излучение | 3·1011–4·1014 Гц; 1 мм–750 нм | Тепловое движение частиц, переходы в молекулах | Нагретые тела, инфракрасные светодиоды | Ощущается как тепловое действие |
| Видимое излучение | 4·1014–7,5·1014 Гц; 750–400 нм | Переходы атомов, молекул и электронов | Солнце, лампы, светодиоды | Воспринимается глазом |
| Ультрафиолетовое излучение | 7,5·1014–3·1016 Гц; 400–10 нм | Энергичные электронные переходы | Солнце, кварцевые лампы, электрические дуги | Химическое и биологическое действие |
| Рентгеновское излучение | 3·1016–3·1019 Гц; 10–0,01 нм | Торможение быстрых электронов, переходы внутренних электронов | Рентгеновская трубка | Проникает сквозь ткани |
| Гамма-излучение | ν > 3·1019 Гц; λ < 0,01 нм | Ядерные превращения и распад частиц | Радиоактивные ядра, космические источники | Наиболее высокая частота и энергия фотонов |
| Тепловые источники света | Зависит от температуры источника | Нагревание тела и тепловое излучение | Солнце, пламя, лампа накаливания | Спектр определяется температурой |
| Люминесцентные источники света | Зависит от вещества и возбуждения | Неравновесное возбуждение частиц без сильного нагрева | Светодиоды, люминесцентные лампы, светлячки | Эффективное свечение при сравнительно низкой температуре |
Первые шесть строк показывают последовательность участков электромагнитного спектра: от меньших частот к большим. Две последние строки описывают не отдельные участки спектра, а способы получения света. Один и тот же диапазон, например ультрафиолетовый, может возникнуть и при нагревании, и при люминесценции.
Условие: расположить радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение в порядке возрастания частоты. Нужно использовать последовательность спектра, а не сравнивать только привычность названий.
Ответ: в таком порядке частота возрастает, а длина волны уменьшается.
Условие: определить вид излучения с длиной волны 600 нм и назвать возможный источник. Дополнительно нужно понять, может ли источник быть тепловым или люминесцентным.
Ответ: видимое излучение; источником может быть лампа накаливания или светодиод.
Условие: сравнить излучения с частотами 5·1014 Гц и 8·1014 Гц: определить их диапазоны и отношение энергий фотонов. Используем границы спектра и формулу E = hν.
Ответ: первое излучение видимое, второе ультрафиолетовое; фотон второго излучения в 1,6 раза энергичнее.
Ошибка: считать свет отдельным от электромагнитных излучений явлением. Её допускают из-за привычки связывать слово «свет» только с ощущением зрения. Проверка проста: видимый свет занимает определённый участок общего электромагнитного спектра.
Ошибка: путать частоту и длину волны. При фиксированной скорости их произведение равно c, поэтому большей частоте соответствует меньшая длина волны. Для самопроверки запишите c = λν и проверьте, как изменится λ при росте ν.
Ошибка: называть любой источник тепловым. Свет могут давать светодиоды, люминесцентные лампы и живые организмы без сильного нагревания. Нужно спросить себя, что именно возбуждает частицы: температура или другой процесс.
Ошибка: смешивать вид излучения со способом его получения. Ультрафиолет — это участок спектра, а тепловое излучение и люминесценция — способы его возникновения. Поэтому сначала определяют частоту или длину волны, а затем выясняют механизм.
Для понимания темы нужны свойства электромагнитных волн, смысл частоты и длины волны, а также соотношение c = λν. Объяснение источников света опирается на строение атома, энергетические уровни и переходы между ними. Далее эти знания используются при изучении фотонов, фотоэффекта, спектров, лазеров и практического применения излучений.
Почему инфракрасное и ультрафиолетовое излучение не видно глазом?
Глаз человека чувствителен только к ограниченному диапазону длин волн — примерно от 380 до 760 нм. Инфракрасное излучение имеет большую длину волны, а ультрафиолетовое — меньшую, поэтому сетчатка их не воспринимает.
Чем источник света отличается от тела, которое только отражает свет?
Источник света сам испускает электромагнитное излучение, преобразуя другой вид энергии. Отражающее тело собственного видимого излучения не создаёт, а лишь перенаправляет свет, пришедший от источника.
Почему раскалённое тело светится?
При нагревании частицы тела получают дополнительную энергию, а их тепловое излучение усиливается. При достаточно высокой температуре часть спектра попадает в видимый диапазон, поэтому тело начинает светиться.
Может ли холодное тело быть источником света?
Да, если оно излучает благодаря люминесценции, а не высокой температуре. Например, светодиод, экран или светящаяся краска могут оставаться сравнительно холодными.
Чем люминесценция отличается от теплового излучения?
Тепловое излучение возникает из-за нагревания и определяется температурой тела. Люминесценция вызывается другими способами возбуждения частиц и может происходить без сильного нагревания.
§ 4.1. Виды излучений. Источники света
