§ 39. Спектр электромагнитных излучений

Определения и обозначения

Электромагнитное излучение — распространение в пространстве переменных электрического и магнитного полей. Оно переносит энергию и в вакууме распространяется со скоростью света c ≈ 3·10⁸ м/с. Это понятие нужно, чтобы описывать радиосигналы, свет, тепловое и ионизирующее излучение как явления одной природы.

Спектр электромагнитных излучений — совокупность излучений, упорядоченных по частоте ν или длине волны λ. В спектре выделяют радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Такое упорядочивание позволяет сравнивать свойства волн и выбирать их для разных задач.

Радиоволны — электромагнитные волны относительно низкой частоты и большой длины волны. Их создают, например, колеблющиеся токи в антеннах, а используют для передачи информации на расстояние. Понимание радиодиапазона объясняет работу радио, телевидения, мобильной связи и радиолокации.

Инфракрасное излучение расположено за красной границей видимого спектра и имеет большие длины волн, чем видимый красный свет. Оно особенно тесно связано с тепловым излучением: нагретые тела испускают инфракрасные волны, а приборы могут регистрировать их распределение. Поэтому инфракрасное излучение применяют в тепловизорах, датчиках и дистанционном управлении.

Как это устроено

Электромагнитное излучение возникает, когда электрические заряды движутся с ускорением, то есть изменяют скорость или направление движения. Источниками волн могут быть переменные токи в антеннах, колебания электронов в атомах и переходы между энергетическими состояниями атомных ядер. Причина излучения в том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле — электрическое.

Области спектра располагаются от радиоволн к микроволновому, инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому, рентгеновскому и гамма-излучению. При таком переходе длина волны уменьшается, а частота возрастает. Следовательно, коротковолновые области находятся не «рядом» с длинноволновыми по свойствам: их фотоны обладают большей энергией и сильнее воздействуют на вещество.

Связь длины волны и частоты в вакууме задаётся формулой λν = c, где λ — длина волны, ν — частота, а c — скорость света. Если частота увеличивается в несколько раз, длина волны во столько же раз уменьшается. Энергия одного фотона определяется формулой E = hν, поэтому при переходе к более высоким частотам возрастает энергия порций излучения и меняется характер взаимодействия с атомами и молекулами.

Границы между областями спектра считают условными, потому что частота электромагнитной волны может изменяться непрерывно. Нет отдельного «разрыва» между последней радиоволной и первым инфракрасным излучением или между видимым и ультрафиолетовым светом. Названия диапазонов нужны для удобства, поскольку в соседних участках спектра обычно преобладают разные способы получения, регистрации и применения излучения.

Разные диапазоны получают разными способами, но один источник способен испускать волны нескольких частот. Антенна создаёт радиоволны, нагретое тело — главным образом инфракрасное и видимое излучение, электроны в атомах дают линейчатые спектры, а ядерные превращения сопровождаются гамма-квантами. Поэтому вид излучения определяют прежде всего по частоте или длине волны, а затем связывают его с источником и практическим применением.

Области электромагнитного спектра и их особенности

Читая таблицу слева направо, нужно помнить: длина волны уменьшается, частота и энергия фотона увеличиваются. Значения границ диапазонов приблизительны, поскольку спектр непрерывен. Для решения задач чаще всего достаточно использовать λν = c и сравнить полученное значение с характерными диапазонами.

Разбор задач

Задача 1

Радиоволна имеет длину волны 3 м. Требуется найти её частоту в вакууме. Используем скорость света c = 3·10⁸ м/с.

1. Записываем связь длины волны и частоты: λν = c.
2. Выражаем частоту: ν = c/λ.
3. Подставляем данные: ν = (3·10⁸ м/с)/3 м = 1·10⁸ Гц.

Ответ: ν = 1·10⁸ Гц, или 100 МГц.

Задача 2

Излучение имеет частоту 6·10¹⁴ Гц. Нужно определить длину волны в вакууме и область спектра. Частота попадает в диапазон, характерный для видимого света, но сначала выполним расчёт.

1. Из формулы λν = c выражаем длину волны: λ = c/ν.
2. Подставляем значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(6·10¹⁴ Гц) = 0,5·10⁻⁶ м.
3. Переводим результат: 0,5·10⁻⁶ м = 5·10⁻⁷ м = 500 нм.

Ответ: λ = 500 нм; это видимый свет.

Задача 3

Для излучения A λ = 0,10 нм, а для излучения B λ = 500 нм. Нужно сравнить частоты и энергии фотонов, а затем определить диапазоны. При одинаковой скорости распространения меньшей длине волны соответствует большая частота.

1. Находим отношение частот: ν_A/ν_B = λ_B/λ_A = 500/0,10 = 5000.
2. Так как E = hν, отношение энергий такое же: E_A/E_B = 5000.
3. Длина волны 0,10 нм характерна для рентгеновского излучения, а 500 нм — для видимого света.

Ответ: ν_A и E_A больше соответствующих величин B в 5000 раз; A — рентгеновское, B — видимое излучение.

Типичные ошибки

1. Поиск строгих границ между областями. Ошибка возникает из-за таблиц с округлёнными диапазонами, хотя спектр непрерывен. Проверяйте себя: рассматривайте границы как условные и ориентируйтесь на порядок длины волны или частоты.

2. Путаница длины волны и частоты. Иногда считают, что большие λ соответствуют большим ν, хотя при λν = c эти величины обратно пропорциональны. Проверьте рассуждение: при переходе к коротким волнам частота должна возрастать.

3. Представление о видимом свете как обо всём спектре. Глаз воспринимает лишь узкий диапазон электромагнитных волн, поэтому радиоволны и инфракрасное излучение тоже существуют, хотя невидимы. Сверяйтесь с порядком областей от радиоволн до гамма-излучения.

4. Определение излучения только по источнику. Один источник, например нагретое тело, может испускать волны разных частот. Чтобы не ошибиться, сначала определите λ или ν, а уже затем называйте область спектра.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электромагнитной волне, частоте, длине волны и скорости её распространения. Формула λν = c и понятие энергии фотона пригодятся при изучении квантовой физики, атомных спектров и действия излучения на вещество. Диапазоны спектра связывают эту тему с оптикой, радиосвязью, медицинской диагностикой и астрономией, где по излучению узнают свойства удалённых объектов.

Что запомнить

• Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света.
• Для излучения в вакууме выполняется соотношение λν = c.
• Чем выше частота излучения, тем короче его длина волны и больше энергия фотона.
• Видимый свет составляет только малую часть электромагнитного спектра.
• Области электромагнитного спектра переходят одна в другую непрерывно.
• Радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение — разные диапазоны электромагнитного спектра.