"Физика. Оптика. Квантовая физика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Шкала электромагнитных излучений объединяет радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Все они имеют одну природу, но различаются длиной волны, частотой и энергией фотонов. По шкале можно определить свойства излучения, его источники, применение и возможную опасность. Главное правило: чем выше частота, тем меньше длина волны и тем больше энергия фотона.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Шкала электромагнитных излучений — упорядоченная последовательность видов излучения по длине волны, частоте или энергии. Она показывает, как связаны между собой разные виды волн. По шкале удобно сравнивать их свойства, источники и применение.
Радиоволны — электромагнитное излучение с наибольшими длинами волн, используемое для передачи сигналов. К нему относятся волны радиосвязи, телевидения и мобильных сетей. Это определение помогает связать физический диапазон с практической передачей информации.
Видимое излучение — узкий диапазон электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом. Разные длины волн этого диапазона мы видим как разные цвета. Понятие нужно, чтобы не путать видимый свет со всем электромагнитным спектром.
Гамма-излучение — электромагнитное излучение с наибольшей частотой и энергией, возникающее при ядерных процессах. Его фотоны обладают высокой проникающей способностью и могут ионизировать вещество. Поэтому гамма-излучение используют в медицине, но обращаются с ним только при соблюдении защиты.
В формулах применяют обозначения: λ — длина волны, ν — частота, c — скорость света, E — энергия фотона, h — постоянная Планка. Связи между ними имеют вид c = λν и E = hν. Они позволяют переходить от одного способа описания излучения к другому.
Все виды излучения находятся на одной шкале, потому что имеют электромагнитную природу: это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей. Различие появляется из-за частоты колебаний и соответствующей длины волны. Поэтому радиопередача, солнечный свет и гамма-кванты описываются общими законами, хотя действуют на вещество по-разному.
Длина волны λ — расстояние между ближайшими точками волны, колеблющимися одинаково, а частота ν — число колебаний за секунду. В вакууме скорость всех электромагнитных волн одинакова и равна c, поэтому c = λν. Если частота растёт, произведение должно сохраняться, значит, длина волны уменьшается.
В порядке увеличения частоты и энергии располагаются радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. В обратном порядке меняется длина волны: самой большой она является у радиоволн, а самой маленькой — у гамма-квантов. Такое расположение позволяет быстро предсказать основные свойства излучения.
Границы диапазонов условны, поскольку частота изменяется непрерывно и между соседними областями нет резкого физического перехода. Названия возникли из-за различий в источниках, способах регистрации и действии волн. Например, край видимого диапазона определяется возможностями человеческого глаза, а не особым скачком в природе излучения.
С ростом частоты энергия фотона увеличивается по формуле E = hν. Поэтому высокочастотное излучение обычно обладает большей проникающей и ионизирующей способностью, а ультрафиолет может вызывать химические реакции. Однако биологическая опасность определяется не только энергией одного фотона, но и интенсивностью, временем воздействия и поглощённой дозой.
Границы в таблице приведены примерно: в разных источниках они могут немного отличаться. Для определения диапазона достаточно сравнить длину волны или частоту с соседними границами. Помните, что при движении сверху вниз частота возрастает, а длина волны уменьшается.
| Вид излучения | Примерный диапазон длины волны | Примерный диапазон частоты | Источники | Применение и действие |
|---|---|---|---|---|
| Радиоволны | Более 1 мм | Менее 3·10¹¹ Гц | Антенны, колебательные контуры, радиопередатчики | Связь, радиовещание, телевидение; обычно неионизирующее действие |
| Инфракрасное излучение | 1 мм–760 нм | 3·10¹¹–4·10¹⁴ Гц | Нагретые тела, Солнце, лазеры | Тепловое действие, тепловизоры, дистанционное управление |
| Видимое излучение | 760–380 нм | 4·10¹⁴–7,9·10¹⁴ Гц | Солнце, лампы, светодиоды, лазеры | Зрение, освещение, оптическая связь и приборы |
| Ультрафиолетовое излучение | 380–10 нм | 7,9·10¹⁴–3·10¹⁶ Гц | Солнце, газовые разряды, специальные лампы | Фотохимическое и биологическое действие, стерилизация; избыток опасен для кожи и глаз |
| Рентгеновское излучение | 10–0,01 нм | 3·10¹⁶–3·10¹⁹ Гц | Рентгеновские трубки, ускорители | Медицинская диагностика, исследование вещества; ионизирующее действие |
| Гамма-излучение | Менее 0,01 нм | Более 3·10¹⁹ Гц | Ядерные превращения, космические источники | Лучевая терапия, стерилизация; высокая проникающая способность и опасность |
Определить, к какому диапазону относится излучение с длиной волны 600 нм. Нужно сравнить это значение с границами видимого света, а не с диапазонами на глаз. Значение уже дано в нанометрах, поэтому переводить единицы не обязательно.
Ответ: излучение с длиной волны 600 нм является видимым светом.
Найти длину волны излучения частотой 3·10¹⁴ Гц и определить его место на шкале. Используем скорость света в вакууме c ≈ 3·10⁸ м/с. Сначала получим длину волны, а затем сравним её с границами диапазонов.
Ответ: λ = 1 мкм, излучение инфракрасное.
Сравнить энергию фотонов ультрафиолетового и инфракрасного излучения и объяснить различие действия на вещество. Возьмём по одному фотону каждого вида и сравним их частоты. Ультрафиолет расположен на шкале выше инфракрасного диапазона, значит, его частота больше.
Ответ: энергия фотона ультрафиолета больше; поэтому его действие чаще связано с химическими и биологическими изменениями, а инфракрасного излучения — с тепловым эффектом.
Пропуск диапазонов. Иногда считают, что после радиоволн сразу идут рентгеновские лучи. Ошибка возникает из-за запоминания только самых известных областей; проверьте себя, воспроизведя полный порядок: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма.
Неверная связь λ и ν. Большую длину волны принимают за большую частоту. При постоянной скорости света эти величины обратно пропорциональны, поэтому полезно проверить формулу c = λν и представить, что при росте одного множителя другой уменьшается.
Отождествление света со всей шкалой. Видимое излучение считают всеми электромагнитными волнами, потому что именно его воспринимает глаз. На самом деле глаз регистрирует лишь узкий участок спектра; сравните видимый диапазон с радиоволнами или гамма-излучением.
Одинаковая оценка опасности. Нельзя считать любое излучение одинаково вредным: действие зависит от частоты, энергии фотона, интенсивности и времени воздействия. Проверяйте вывод по нескольким параметрам, а не только по названию диапазона.
Для работы со шкалой нужны характеристики волн, понятия частоты и длины волны, формула c = λν, а также энергия фотона E = hν. Эти знания связывают волновое описание электромагнитного излучения с квантовым.
Тема пригодится при изучении оптики, спектров и квантовых свойств света. Она также объясняет принципы радиосвязи, медицинской диагностики и правил радиационной безопасности.
Почему радиоволны и свет считают излучениями одной природы?
И радиоволны, и свет представляют собой электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме со скоростью c. Они отличаются не природой, а диапазоном частот и длин волн.
Почему границы между диапазонами электромагнитных излучений не являются строгими?
Электромагнитный спектр непрерывен: частота может изменяться плавно, без скачков. Поэтому границы диапазонов выбраны условно по характерным свойствам и способам получения излучения.
Как по длине волны определить вид излучения?
Сначала длину волны нужно привести к удобным единицам, например к метрам или нанометрам. Затем её сравнивают с примерными границами диапазонов на шкале.
Почему ультрафиолет опаснее инфракрасного излучения?
У ультрафиолетовых фотонов частота и энергия выше, чем у инфракрасных. Поэтому ультрафиолет способен вызывать фотохимические реакции и повреждать клетки, хотя опасность зависит также от интенсивности и времени воздействия.
Чем рентгеновское излучение отличается от гамма-излучения?
Обычно их различают по происхождению: рентгеновское излучение возникает при процессах с электронами, а гамма-излучение — при ядерных превращениях. По диапазонам энергий они могут перекрываться, поэтому одной только частоты для различения иногда недостаточно.
§ 4.7. Шкала электромагнитных излучений
