какое излучение является самым коротковолновым
Диапазоны излучения и вещество
Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света, их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты (а равным образом от длины волны и энергии кванта). По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.
Видимое излучение
Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 10 14 раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 10 20 энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.
Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.
Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.
Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.
Ультрафиолетовое излучение
Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.
Рентгеновское излучение
Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.
Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.
От рентгена к гамма
Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.
Гамма-излучение
Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.
Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий. Это отмечено на плакате красными стрелками.
Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 10 20 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 10 21 –10 24 эВ.
Инфракрасное излучение
Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.
С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу.
Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне — именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.
В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы. Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы — в Мексике 50-метровый, а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.
Микроволны и радиоволны
К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.
При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.
Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.
Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.
Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.
Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.
Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).
Обобщающий урок «Шкала электромагнитных излучений»
Разделы: Физика
Цель урока: обеспечить в ходе урока повторение основных законов, свойств электромагнитных волн;
Образовательная: Систематизировать материал по теме, осуществить коррекцию знаний, некоторое ее углубление;
Развивающая: Развитие устной речи учащихся, творческих навыков учащихся, логики, памяти; познавательных способностей;
Воспитательная: Формировать интерес учащихся к изучению физики. воспитывать аккуратность и навыки рационального использования своего времени;
Тип урока: урок повторения и коррекции знаний;
Оборудование : компьютер, проектор, презентация «Шкала электромагнитных излучений», диск « Физика. Библиотека наглядных пособий».
Ход урока:
1. Объяснение нового материала.
Обобщим знания о волнах и запишем все виде таблиц.
1. Низкочастотные колебания
2. Радиоволны
4. Видимое излучение
5. Ультрафиолетовое излучение
6. Рентгеновское излучение
Вывод
Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко — при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко — при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Все это служит подтверждением закона диалектики (переход количественных изменений в качественные ).
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.
Глава 11. Другой свет
А вот теперь можно слегка задуматься и задаться таким вопросом… Когда мы говорили о звуковых колебаниях, мы узнали, что не все колебания атмосферы человек в состоянии услышать – есть инфразвуки и ультразвуки, которые ухо «не берет». Может, и со световыми колебаниями то же самое?
Со световыми колебаниями ситуация такая же – есть ультрасвет и инфрасвет, которые глаз не берет. Только называются они чуть по-другому – ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Солнце эти лучи исправно испускает, но мы их не видим.
Те колебания, частота которых превышает частоту фиолетового цвета, называются ультрафиолетовыми. А те, частота которых меньше частоты красного света, называются инфракрасными. Можно и по-другому сказать:
коротковолновое излучение – это ультрафиолет, а длинноволновое – инфракрасное.
То есть радуга на небе на самом деле имеет не семь цветов, а больше, просто другие цвета мы не видим.
Кстати, не все земные существа такие убогие, как люди. Пчелы, например, видят ультрафиолет, а змеи инфракрасное излучение.
Невидимый свет расположен по краям от видимого
Потемнение кожи, которое мы называем загаром, вызывается ультрафиолетовым излучением. В небольших дозах оно весьма полезно, поскольку именно под воздействием ультрафиолета наша кожа вырабатывает витамин D. А в вот больших дозах ультрафиолет опасен – он не только вызывает солнечные ожоги, но и может привести к смертельным заболеваниям кожи, повредить зрение. Поэтому особенно загаром увлекаться не стоит, а летом лучше носить темные очки, чтобы не было ожога сетчатки – того экранчика в глазу, на который проецируется изображение.
Как видите, ультрафиолет биологически очень активен. С помощью ультрафиолетовых ламп убивают вредные микробы, обеззараживая воду в бассейнах и воздух в помещениях больниц.
По счастью, от избыточного ультрафиолета легко защититься, его практически не пропускает обычное оконное стекло.
Поэтому для производства ультрафиолетовых ламп приходится делать специальное стекло – кварцевое.
Теперь скажем пару теплых слов об инфракрасном излучении. Про теплые слова я сказал не зря, ведь инфракрасное излучение иногда еще называют тепловым. Мы глазами его не видим, но если оно достаточно интенсивное, мы можем почувствовать его кожей как тепло.
А то, друзья мои, что мы с вами теперь знаем все способы передачи тепла от одного тела к другому! Ну-ка, вспоминайте, первую часть книги. Мы там говорили, что температура и тепло – это просто мера скорости молекул. И я рассказывал, как передается тепло: более энергичные, то есть более быстрые – «горячие» – молекулы нагретого тела барабанят по более медленным – «холодным» – молекулам другого тела, тормошат их, расталкивают, отдавая им свою энергию. И постепенно, постепенно скорости молекул в горячем и холодном телах уравниваются. Тогда мы говорим:
– О! Отлично! Температура сравнялась! Холодное нагрелось, горячее остыло.
Этот способ теплопередачи называется теплопроводностью.
Могучие умы выделяют в отдельную категорию такую разновидность теплопередачи, как перемешивание или, по-научному говоря, конвекцию. Конвекция – это когда большие массивы «горячих» молекул перемешиваются механическим путем с большими массивами «холодных». Лучший пример тут – батарея отопления. Она стоит под окном и нагревает воздух вокруг себя. А поскольку теплый воздух легче холодного, он поднимается вверх без всякого воздушного шара, и на его место к батарее снизу, от пола подсасывается холодный воздух. Который тоже нагревается о батарею и улетает вверх. Таким образом вкруговую идет постоянное перемешивание воздуха в комнате. Конвекция ускоряет процесс теплообмена в больших объемах.
Конвекция – это очень просто. Обычное перемешивание
И вот теперь мы узнали еще один способ передачи тепла – лучами, то есть волнами инфракрасного спектра. Попадая на какое-то тело, инфракрасные лучи его нагревают, то есть раскачивают молекулы, придавая им скоростенки.
Теперь, ознакомившись с качественными характеристиками, нам осталось только дать численные значения ультра-и инфрасвета. Кстати, слово «инфрасвет» никогда нигде и никем не употребляется, это я уж так, хулиганю. Всегда говорят почему-то длинно – «инфракрасное излучение». А вот волны с другой стороны спектра почему-то имеют свое сокращение – «ультрафиолет». Загадки языка.
Итак, ультрафиолетовый свет находится на частотной шкале «правее» фиолетового и простирается от 790 до 30000 ТГц. А инфракрасный, соответственно, левее и его значения лежат в значениях от 1 до 400 тетрагерц.
Раздумчивый читатель, который смотрит на два хода вперед, может в этом месте книги начать ожесточенно чесать затылок, организуя таким образом повышенный приток крови к мозгу для усиления умственной деятельности, ибо в голове его уже зреют два вопроса:
– А еще левее инфракрасного и правее ультрафиолетового бывают волны?
– И волнами чего является свет? Ну, в смысле что колеблется? Морские волны – это колебания воды. Звуковые – воздуха. А тут? Ответит нам наконец автор или нет?
Отвечаю по порядку.
Да. И левее, и правее инфра- и ультрасветовых колебаний тоже существуют волны. А почему бы им не быть? Направо от ультрафиолета частоты растут, а длины волн, соответственно, падают. А влево от инфракрасного частоты падают, а длины волн растут.
И что же находится правее ультрафиолета с частотой выше ультрафиолета?
А там, милые мои, находятся уже знакомые нам рентгеновские лучи. Оказывается, они – то же самое, что свет, только частоты другие. Вредные для здоровья рентгеновские лучи имеют частоты от 30000 ТГц до 600000 ТГц. Те рентгеновские лучи, что подлиннее (меньше частота), называют мягким рентгеном. А высокочастотные рентгеновские лучи – жестким.
Далее, еще правее располагается также известное нам гамма-излучение. Оно не просто вредное, оно убийственное.
Теперь посмотрим в другую сторону. Какие волны лежат левее инфракрасных? А это хорошо нам знакомые радиоволны! Они условно делятся на:
– сверхдлинные (от 0 до 3 килогерц, длина этих волн – тысячи километров)
– длинные (с частотой от 3 до 30 килогерц и километровой длиной)
– средние (от 300 КГц до 3 мегагерц, гектометровые)
– короткие (от 3 МГц до 30 МГц, декаметровые)
– метровые (30 МГц – 300 Мгц)
– дециметровые (300 МГц – 3 ГГц)
– сантиметровы или СВЧ (3 ГГц – 30 ГГц)
– миллиметровые или микроволны (30 ГГц – 300 ГГц)
Практически все эти волны человечеством так или иначе используются.
На сверхдлинных волнах были полуэкспериментальные попытки сделать дальнюю связь с подводными лодками, поскольку длинные волны хорошо проходят сквозь воду.
На длинных, средних и коротких волнах осуществляется обычная радиосвязь.
Метровые и дециметровые – это передача изображения в телевидении.
Сантиметровыми волнами разогревают пищу в печках-СВЧ.
Миллиметровые волны пытаются использовать в медицине для лечения.
Как видите, природа всех этих колебаний, начиная с самого длинного и «ленивого» радиодиапазона с тысячекилометровыми волнами и заканчивая самым коротким и жестким проникающим излучением, одинакова.
Часть этих колебаний мы можем воспринимать непосредственно своими органами чувств –
я имею в виду тот короткий кусочек шкалы, который мы называем видимым светом. И теперь остается только ответить на вопрос, что же это за колебания, то есть что же именно колеблется, раз свет – это волна.
Тут я рекомендую вам вспомнить, с какого момента книги мы начали этот длинный разговор о волнах. Не листайте книгу, я напомню ход событий.
Мы сначала узнали, из чего собирается вещество. Оно собирается всего из трех частиц – электрон, протон и нейтрон. Две из них электрически заряженные. Мы полюбили таблицу Менделеева, где сгруппированы все возможные атомы, сделанные из трех указанных элементарных частиц. Мы узнали на примере воды и соли, как собираются из атомов молекулы. (Подробности этой сборки изучает наука химия.)
Затем выяснилось, что, помимо вещества, в мире существует еще и некое невидимое и неосязаемое поле. Оно неразрывно связано с веществом! Электрическое поле связано с электрически заряженными частицами. Магнитное поле магнита порождается движением электрически заряженных частиц. А вообще-то разделять их бессмысленно, поскольку магнитные и электрические проявления поля – это как орел и решка у монеты. Ну не бывает же отдельно орла и решки, это просто две стороны одной денежки. Точно так же не бывает и отдельного магнитного и электрического поля. Это две стороны единого электромагнитного поля. Просто иногда нам видится только одна из его сторон. Но стоит сделать шаг в сторону… Шаг в сторону – это движение. А движение сразу приводит к «мерцанию сторон» поля: движущееся магнитное порождает электрическое, движущееся электрическое порождает магнитное. И пошел разбег кругов.
Затем мы подвесили на ниточке магнит, а потом заряд и качнули их, заставив двигаться, колебаться и распространять по своему полю волны.
Догадались? Те самые волны, которые в частотном диапазоне простираются от нуля до бесконечности, – радиоволны, свет, ультрафиолет, рентген, гамма – это просто электромагнитные волны. То есть колебания электромагнитного поля. Оно пронизывает всю вселенную. Просто где-то поле «гуще», а где-то истончается до нуля.
Ниже нарисована шкала этих волн, которую поэтически можно назвать «таблицей Менделеева для электромагнитных колебаний».
Полная шкала электромагнитных колебаний