Причины ограничения волн по частое
Казалось бы, что должны существовать волны всех частот ($\nu $) от $\nu =0\ Гц$ до $\nu =\infty \ Гц.$ Однако так как световая волна обладает помимо волновых свойств корпускулярными свойствами, существуют некоторые ограничения. Квантовая теория утверждает, что электромагнитное излучение испускается в виде квантов (порций энергии). Энергия кванта (W) связана с его частотой выражением:
где $h=6,62\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ -- постоянная Планка, $\hbar =\frac{h}{2\pi }=1,05\cdot {10}^{-34}Дж\cdot с$ - постоянная Планка с чертой. Из выражения (1) следует, что бесконечные частоты невозможны, так как не существует квантов с бесконечно большой энергией. Это же выражение накладывает ограничения на низкие частоты, так как существует минимальное значение ванта энергии ($W_0$), из чего следует, что минимальная частота (${\nu }_0$) равна:
Надо сказать, что по сей день в физике не доказано существование нижней границы энергии фотонов. Минимальная частота порядка 8 Гц наблюдается в стоячих электромагнитных волнах между ионосферой и земной поверхностью.
Шкала электромагнитных волн
Все известные на сегодняшний день электромагнитные волны разделяют на:
Рисунок 1.
Каждый из диапазонов имеет свои особенности. С ростом частоты увеличивается проявление корпускулярных свойств излучения. Волны разных частей спектра различны способами генерации. Каждый диапазон волн изучает свой раздел физики. Данные участки спектра отличаются не физической природой, а способом их получения и приема. Между данными видами волн не существует резких переходов, участки могут перекрываться, границы являются условными.
Видимую часть спектра электромагнитных волн в совокупности с зоной ультрафиолетового и инфракрасного излучения исследуют в оптике (так называемый оптический диапазон). Кванты излучения видимого диапазона называются фотонами. Их энергия заключена в интервале:
Волновые и квантовые свойства имеются у всего спектра электромагнитного излучения, но в зависимости от длины волны один вид свойств превалирует по значимости над другим, соответственно, применяются различные в методы их исследования. В зависимости от длины волны разные группы волн имеют различные виды практического применения.
Особенности разных видов электромагнитного излучения
Особенностями оптического диапазона являются:
- выполнение законов геометрической оптики,
- слабое взаимодействие света с веществом.
Для частот ниже, чем оптический диапазон перестают действовать законы геометрической оптики, тогда как электромагнитное поле высоких частот либо проходит сквозь вещество, либо разрушает его. Видимый свет, является необходимым условием жизни на Земле, так как является обязательным условием для фотосинтеза.
Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Это самые длинные волны из спектра электромагнитных волн. Радиоволны легко искусственно генерировать при помощи колебательного контура (соединения ёмкости и индуктивности). Атомы и молекулы способны излучать радиоволны, что используют в радиоастрономии. В самом общем вид, следует отметить, что излучателем электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы, находящиеся в атомах и ядрах.
Инфракрасную область спектра впервые экспериментально была изучена в 1800 г. В. Гершелем. Ученый поместил термометр за красным краем спектра и зафиксировал повышение температуры, что означало нагревание термометра невидимым глазу излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Используя специальные средства инфракрасное излучение можно превратить в видимый свет. Так получают изображения нагретых тел в темноте. Инфракрасное излучение используют для сушки чего -- либо.
Ультрафиолетовое излучение открыл И. Риттер. Он обнаружил, что за фиолетовым краем спектра существуют лучи, невидимые глазу, которые воздействуют на некоторые химические соединения. Оно способно убивать болезнетворных бактерий, из-за этого его широко используют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечных лучей воздействует на кожу человека, вызывая ее потемнение (загар).
Рентгеновские лучи обнаружены В. Рентгеном в 1895 г. Они невидимы глазом, проходят без существенного поглощения через большие слои вещества, которые непрозрачны для видимого света. Обнаруживаются рентгеновские лучи по способности вызывать свечение некоторых кристаллов и воздействовать на фотопленку. Эти лучи используются в частности в медицинской диагностике. Рентгеновское излучение имеет сильное биологическое действие.
Гамма- излучение -- это излучение, которое испускают возбужденные атомные ядра и взаимодействующие элементарные частицы. Это самое коротковолновое излучение. У него самые ярко выраженные корпускулярные свойства. Обычно гамма- излучение рассматривается как поток гамма -- квантов. В области длин волн порядка ${10}^{-10}-{10}^{-14}м$ диапазоны гамма излучения и рентгеновский перекрываются.
Задание: Что является излучателем для различных видов электромагнитных волн?
Решение:
Излучателем электромагнитных волн всегда являются движущиеся заряженные частицы. В атомах и ядрах эти частицы движутся ускоренно, значит, являются источниками электромагнитных волн. Радио волны излучают атомы и молекулы. Это единственный тип волн, которые можно искусственно генерировать, используя колебательный контур. Инфракрасное излучение получается в основном за счет колебаний атомов в молекулах. Эти колебания носят название тепловых, так как порождаются тепловыми столкновениями молекул. С увеличением температуры частота колебаний увеличивается.
Видимые лучи генерируются отдельными возбуждёнными атомами.
Ультрафиолетовый свет, также относят к атомарному.
Рентгеновские лучи излучаются за счет того, что электроны, обладающие высокой кинетической энергией, взаимодействуют с атомами и ядрами атомов или ядра атомов сами излучают за счет собственного возбуждения.
Гамма - лучи генерируются возбужденными ядрами атомов и возникают при взаимодействии и взаимных превращениях элементарных частиц.
Задание: Чему равны частоты волн видимого диапазона?
Решение:
Видимый диапазон -- совокупность волн, которые воспринимает человеческий глаз. Границы этого диапазона зависят от индивидуальных особенностей зрения человека, и находится примерно в пределах $\lambda =0,38-0,76\ мкм.$
В оптике используют два вида частот. Круговую частоту ($\omega $), которая определяется как:
\[\omega =\frac{2\pi }{T}\left(2.1\right),\]где $T$ -- период колебаний волны. Также используют частоту $\nu $, которая связывается с периодом колебаний как:
\[\nu =\frac{1}{T}\left(2.2\right).\]Следовательно, обе частоты связаны между собой соотношением:
\[\omega =2\pi \nu \left(2.3\right).\]Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна $c=3\cdot {10}^8\frac{м}{с}$, имеем:
\[\lambda =cT\to T=\frac{\lambda }{c}\left(2.4\right).\]В таком случае для границ видимого диапазона получим:
\[\nu =\frac{c}{\lambda },\ \omega =2\pi \frac{c}{\lambda }.\]Используя то, что длины волн для видимого света нам известны, получим:
\[{\nu }_1=\frac{3\cdot {10}^8}{0,38\cdot {10}^{-6}}=7,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right),\ {\nu }_2=\frac{3\cdot {10}^8}{0,76\cdot {10}^{-6}}=3,9\cdot {10}^{14}\left(Гц\right).\] \[{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 7,9\cdot {10}^{14}=5\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right),{\omega }_1=2\cdot 3,14\cdot 3,9\cdot {10}^{14}=2,4\cdot {10}^{15}\left(с^{-1}\right).\ \]Ответ: $3,9\cdot {10}^{14}Гц
