какое излучение имеет самую короткую длину волны

Когда длина имеет значение: почему одни фотоны убивают, а другие нет

Почти в каждом школьном кабинете физики висела разноцветная диаграмма с картинками, которая гордо называлась «Спектр электромагнитного излучения». Условная синусоида начиналась слева, с радиоволн. Расстояние между соседними «горбами» в этой части было наибольшим. Частота колебаний является обратной длине волны величиной. Если длина волны есть расстояние между двумя «горбами» волны, то время, за которое она проходит это расстояние, определяется как расстояние, деленное на скорость. Время же есть единица, деленная на частоту. К правому концу диаграммы волна «сжималась», подобно пружине: длина волны уменьшалась, а частота увеличивалась. В левой части диаграммы располагались некие «гамма-лучи».

Почему одни волны короче или длиннее других? Причина в источнике этих волн — колеблющемся электрическом заряде. Чем быстрее колеблется заряд, тем меньше длина электромагнитного излучения. Если бы электромагнитное поле было водой в озере, а заряд — рыболовным поплавком, то круги на воде условно изобразили бы электромагнитные волны. Чем быстрее дергается поплавок, тем чаще отходят от него водные круги — колебания, и меньше расстояние между ними — длина волны.

Радиоволны порождаются колебаниями в проводниках с током, видимый свет — переходами электронов внутри атома, рентгеновские и гамма-лучи возникают, когда заряды движутся в электрическом поле атомного ядра, либо из-за процессов в самом ядре. Если говорить грубо, то, чем меньше «масштаб» взаимодействия, тем короче электромагнитная волна.

Волны или фотоны?

Физики называют фотоны переносчиками электромагнитного взаимодействия. Частицами. Стоит только свыкнуться с этой мыслью и нарисовать в воображении чрезвычайно быстрые «шарики», как те же физики начинают утверждать, что взаимодействие между зарядами осуществляется через колебания электромагнитного поля — волны. Ученые не сошли с ума, а вот фотоны «раздвоением личности» страдают, проявляя то волновые свойства, то свойства частицы.

Какую «личность» примерит на себя фотон зависит от объектов, с которыми он взаимодействует. Длина волны радиосигнала измеряется километрами. На его пути возникают дома, фонарные столбы, люди — объекты, намного меньшие, чем длина волны. Значит, излучение будет огибать их или отклоняться от первоначального направления при «встрече», то есть проявлять волновые свойства, подобно великану, который огромным шагом переступает целый город. Видимый свет имеет длину волны такую, что может «врезаться» в атомный электрон лоб-в-лоб и вытолкнуть его из атома. В этом случае он ведет себя как частица или бильярдный шар, ударившийся о другой шар.

Чем меньше длина волны излучения, тем меньше в мире остается препятствий, которые волна может «обойти», а значит, хочешь-не хочешь, взаимодействовать придется. Рентгеновское и гамма-излучение настолько коротковолновые, что все в мире, даже крошечные электроны — серьезное препятствие для них, как забор для мухи. Правда, до «забора» в виде атомного электрона или ядра фотоны могут долго лететь через вещество.

Преобладающая часть атома — это пустота. Огромная равнина с редкими заборами: по одному на каждый гектар. Когда длина волны излучения меньше расстояния между электронами и ядром, фотон словно «протискивается» сквозь атом. Чем меньше при этом плотность вещества, тем меньше вероятность попадания волны/фотона в атом. По этому принципу работает рентгеновская диагностика: более плотные кости задерживают рентгеновские лучи сильнее. Но часть фотонов пролетает все тело и рисует знакомые снимки.

Коротковолновое излучение опасно не только из-за того, что проникает куда угодно, в том числе, в человеческие ткани. Дело в том, что частота излучения прямо пропорциональна его энергии. Эта связь выводится в квантовой теории. Энергией определяется количество взаимодействий с атомами вещества — сколько из них фотон может «испортить» или ионизировать на своем пути, пока обессиленный не упадет после столкновения с последним «забором».

Ионизация вещества означает его уничтожение. Рушатся атомы, затем молекулы, а вслед за ними и клетки. «Радиация» в знакомом смысле этого слова буквально сжигает тело изнутри. К тому же излучение может проникнуть внутрь клеток и повредить молекулы ДНК. В этом случае потомство облученного человека будет под угрозой мутаций.

Когда энергия излучения достигает той, что нарабатывается в ускорителях, фотоны, проникая в ткани тела, множатся в геометрической прогрессии. В электрическом поле ядра они превращаются в пары частиц электрон-позитрон, которые сразу же аннигилируют — исчезают, оставляя после себя пару фотонов. Энергии новорожденных фотонов хватает, чтобы снова создать электрон-позитронные пары. Начинается лавинообразный процесс.

Резюме

Свет, радиоволны, рентген, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение — одно и то же с точки зрения физики. Чем меньше длина волны, тем большая проникающая способность у волн/фотонов. Энергия излучения увеличивается с уменьшением длины волны, а значит, коротковолновое излучение вредит людям больше, чем длинноволновое. Способ взаимодействия излучения с веществом зависит от его энергии (длины волны и частоты). Чем больше энергия, тем разрушительнее для вещества процесс взаимодействия.

Источник

Тест с ответами: “Виды излучений”

1. Как изменится температура тела, если оно теряет при излучении меньше энергии, чем получает от окружающих тел:
а) повысится +
б) понизится
в) не изменится

2. Примеры излучений: огонь – тепловое, северное сияние – катодолюминесценция, светлячок – хемилюминесценция, светящийся в темноте циферблат механических часов – фотолюминесценция, правильны ли эти примеры:
а) да
б) нет +
в) некоторые

3. Какой способ теплопередачи позволяет людям греться у костра:
а) конвекция
б) теплопроводность
в) излучение +

4. Свечение, возникающее в процессе протекания химической реакции:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция +
в) фотолюминесценция

5. Источники естественного света дают набор излучаемых:
а) спектров
б) линий
в) волн +

6. Свечение вещества под действием падающего на него света:
а) хемилюминесценция
б) фотолюминесценция +
в) электролюминесценция

7. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем:
а) электролюминесценция +
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция

8. Условием излучения атома является передача ему определенной:
а) силы
б) энергии +
в) мощности

9. При тепловом излучении потеря атомами энергии на излучение компенсируется за счет энергии теплового движения:
а) частиц
б) молекул
в) атомов +

10. Физическое явление, заключающееся в свечении вещества, облучаемого быстрыми электронами:
а) электролюминесценция
б) катодолюминесценция +
в) фотолюминесценция

11. В вакууме энергия передается:
а) конвекцией
б) теплопроводностью
в) излучением +

12. В жидкостях и газах теплопередача осуществляется:
а) излучением
б) конвекцией
в) оба варианта верны

13. В твердых телах энергия передается:
а) теплопроводностью +
б) конвекцией
в) нагревом

14. В твердых телах энергия передается:
а) конвекцией
б) конвектором
в) излучением +

15. Тело излучает энергию тем интенсивнее, чем:
а) выше его температура +
б) больше его плотность
в) быстрее оно движется

16. Какие тела излучают энергию:
а) холодные
б) горячие
в) все тела +

17. Излучение частиц:
а) нейтронное излучение +
б) микроволны
в) звуковые волны

18. Излучение частиц:
а) радиоволны
б) бета-излучение +
в) сейсмические волны

19. Излучение частиц:
а) звуковые волны
б) микроволны
в) альфа-излучение +

20. Излучение, которое принимает форму гравитационных волн, или рябь в кривизне пространства-времени:
а) излучение частиц
б) гравитационное излучение +
в) акустическое излучение

21. Акустическое излучение:
а) нейтронное излучение
б) микроволны
в) ультразвуковые волны +

22. Акустическое излучение:
а) альфа-излучение
б) звуковые волны +
в) нейтронное излучение

23. Акустическое излучение:
а) альфа-излучение
б) микроволны
в) сейсмические волны +

24. Электромагнитное излучение:
а) микроволны +
б) бета-излучение
в) нейтронное излучение

25. Электромагнитное излучение:
а) нейтронное излучение
б) альфа-излучение
в) радиоволны +

26. Электромагнитное излучение:
а) сейсмические волны
б) инфракрасное излучение +
в) альфа-излучение

27. Передача энергии в форме волн или частиц через пространство или через материальную среду:
а) излучение +
б) свечение
в) закон передачи энергии

28. Условием излучения атома является передача ему определенной энергии, так ли это:
а) нет
б) да +
в) отчасти

29. Какое излучение из перечисленных ниже имеет самую короткую длину волны:
а) рентгеновские лучи +
б) инфракрасные лучи
в) видимый свет

30. Излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела, называется:
а) фотолюминесценцией
б) электролюминесценцией
в) тепловым излучением +

Источник

Длины световых волн

Свет играет важную роль в фотографии. Привычный всем солнечный свет имеет достаточно сложный спектральный состав.

Спектральный состав видимой части солнечного света характеризуется наличием монохроматических излучений, длина волны которых находится в пределах 400-720 нм, по другим данным 380-780 нм.

Иными словами солнечный свет может быть разложен на монохроматические составляющие. В тоже время монохроматические (или одноцветные) составляющие дневного света не могут быть выделены однозначно, а, ввиду непрерывности спектра, плавно переходят от одного цвета в другой.

Считается, что определённые цвета находятся в определённых пределах длин волн. Это иллюстрирует Таблица 1.

Длины световых волн

Название цвета

Длина волны, нм

Для фотографов представляет определённый интерес распределение длин волн по зонам спектра.

Всего выделяют три зоны спектра: Синюю (Blue), Зелёную (Green) и Красную (Red).

По первым буквам английских слов Red (красный), Green (зелёный), Blue (синий) получила название система представления цвета – RGB.

В RGB-системе работает множество устройств, связанных графической информацией, например, цифровые фотокамеры, дисплеи и т.п.

Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра, представлены в Таблице 2.

При работе с таблицами важно учесть непрерывный характер спектра. Именно непрерывный характер спектра приводит к расхождению, как ширины спектра видимого излучения, так и положение границ спектральных цветов.

Длины волн монохроматических излучений, распределённых по зонам спектра

Обозначение

Зона видимого спектра

Спектральные цвета

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Сине-фиолетовый
Синий
Сине-зелёный

400-430
430-480
480-500

380-440
440-485
485-500

Зелёный
Жёлто-зелёный
Жёлтый

500-540
540-560
560-580

500-540
540-565
565-590

Что касается монохроматических цветов, то разные исследователи выделяют разное их количество! Принято считать от шести до восьми различных цветов спектра.

Шесть цветов спектра

Монохроматические цвета спектра

Длина волны, нм

При выделении семи цветов спектра предлагается из диапазона синего 436-495 нм см.Таблицу 3 выделить две составляющие, одна из которых имеет синий (440-485 нм), другая – голубой (485-500 нм) цвет.

Семь цветов спектра

Монохроматические цвета спектра

Источник

Самую короткую длину волны имеют излучения

+г) рентгеновские лучи.

63.Энергия фотона света с частотой

+а) h ;

б) h c;

в) h 3 ;

г) .

64.Величина n, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме c

а) относительный показатель преломления;

б) магнитная проницаемость среды;

в) диэлектрическая проницаемость среды;

+г) абсолютный показатель преломления;

Скорость света в вакууме

а) ;

б) ;

+в) ;

г) .

Вид линзы несуществующей в природе

67.Длины волн красного и фиолетового света соотносятся между собой

+а) ;

б) ;

в) ;

г) .

Изображение предмета, находящегося в двойном фокусе собирающей линзы

а) действительное, уменьшенное;

б) действительное, увеличенное;

в) мнимое увеличенное;

+г) действительное, такое же по размерам.

70. D в формуле по определению предела разрешающей способности телескопа

+а) диаметр объектива;

б) диаметр наблюдаемых звезд;

в) расстояние от телескопа до наблюдаемых звезд;

г) расстояние между двумя соседними звездами.

Зависимость показателя преломления среды от длины волны света

в) интерференция света;

г) поляризация света.

Совокупность разноцветных полос

а) дифракционная решетка;

б) металлическая решетка;

+в) дисперсионный спектр;

г) фраунгоферовы линии.

73. Угол β в законе преломления света

в) угол полного отражения;

+г) угол преломления.

Перечисленные ниже излучения обладают способностью к дифракции

а) Видимый свет, инфракрасные лучи;

б) Видимый свет, радиоволны, рентгеновские лучи;

в) Видимый свет, рентгеновские лучи, инфракрасные лучи;

+ г) Видимый свет, радиоволны, рентгеновские лучи, инфракрасные лучи.

Источник

Электромагнитные волны

теория по физике 🧲 колебания и волны

Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.

Как появляются и распространяются электромагнитные волны

Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.

Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.

Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.

Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности → E и магнитной индукции → B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.

В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов → E и → B в любой точке совпадают по фазе.

Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.

Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).

Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.

Условия возникновения электромагнитных волн

Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.

Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.

Плотность потока электромагнитного излучения

Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.

На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.

Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.

Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м 2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.

Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:

Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).

Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = w cΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:

Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Точечный источник излучения

Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.

Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.

Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.

Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.

Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения

Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.

Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн
	Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким.
Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн
	Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать «>лист или повернуть его.
Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн
	Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический «>лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.
Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн
	Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:

Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.

Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.

Источник