Как называется электромагнитная волна определенного оптического диапазона

Как называется электромагнитная волна определенного оптического диапазона

Для частот, более низких, чем частоты оптического диапазона, нельзя построить оптические системы по законам геометрической оптики, а электромагнитное поле более высоких частот, как правило, либо проходит сквозь любое вещество, либо разрушает его.

Оптический диапазон состоит из следующих видов излучения: рентгеновское , ультрафиолетовое (УФ) , видимое , инфракрасное (ИК) . Если во времена Ньютона в оптический диапазон входило только видимое излучение, то с техническим прогрессом диапазон существенно расширился, причем рентгеновское излучение включено в оптический диапазон совсем недавно – примерно 20 лет назад. Не исключено дальнейшее расширение оптического диапазона.

На рис.1.1.1 показан участок шкалы электромагнитного излучения в длинах волн, соответствующий оптическому диапазону. Границы оптического диапазона, а также границы между его участками установлены на основе экспериментальных данных и не являются абсолютно точными.

Рис. 1.1.1. Оптический диапазон.

1. Характеристика оптического диапазона электромагнитных волн. Особенности видимого диапазона

Электромагнитная волна — процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Оптический диапазон — Видимое излучение — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. .

Оптический диапазон ЭВМ:

— рентгеновский (от 0,01 до 5 нм)

— ультрафиолетовый УФ ( от 5 нм до 380 нм)

— видимый ( от 380 нм до 780 нм)

— инфракрасный ИК ( от 780 нм до 1 мм)

Видимые цвета:

Фиолетовый 380 / 450

Голубой 480 / 510

Зеленый 510 / 550

Желто – зеленый 550 / 575

Желтый 575 / 585

Оранжевый 585 / 620

Красный 620 / 780

Длины волн видимого диапазона. Видимый диапазон включает электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Граница диапазона этих волн зависит от индивидуальных особенностей глаза и варьируется приблизительно в пределах

Особенности видимого диапазона:

Диапазон видимого света — самый узкий во всем спектре. Длина волны в нем меняется менее чем в два раза. На видимый свет приходится максимум излучения в спектре Солнца. Наши глаза в ходе эволюции адаптировались к его свету и способны воспринимать излучение только в этом узком участке спектра. Почти все астрономические наблюдения до середины XX века велись в видимом свете. Основной источник видимого света в космосе — звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет. На Земле применяются также нетепловые источники света, например, флюоресцентные лампы и полупроводниковые светодиоды.

Для сбора света от слабых космических источников используются зеркала и линзы. Приемниками видимого света служат сетчатка глаза, фотопленка, применяемые в цифровых фотоаппаратах полупроводниковые кристаллы (ПЗС-матрицы), фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Принцип действия приемников основан на том, что энергии кванта видимого света достаточно, чтобы спровоцировать химическую реакцию в специально подобранном веществе или выбить из вещества свободный электрон. Затем по концентрации продуктов реакции или по величине освободившегося заряда определяется количество поступившего света.

2. Представление плоской волны в комплексной форме. Принимая во внимание формулу Эйлера

(2.31)

представим (2.29) и аналогичное синусоидальное решение формулами(2.32)

Общее решение для плоской волны в комплексной форме можно записать в виде

(2.33)

где – в общем случае комплексная величина, называемаякомплексной амплитудой. Тогда учитывая, что

(2.34)

запишем (2.33) в виде

(2.35)

т.е. всегда есть возможность любую гармоническую волну представить в виде (2.35) с действительной амплитудой.

Плоская электромагнитная волна. Вернемся к электромагнитным волнам, являющимся решением уравнения (2.8) и (2.10). Для анализа структуры плоской ЭМВ воспользуемся записью уравнений Максвелла с помощью определения и свойств оператора Гамильтона (набла-оператора):

(2.36)

Тогда уравнения Максвелла (2.1) ¸ (2.6) примут вид: (2.37)¸ (2.40)

Решение этих уравнений ищем в виде:

(2.41)

(2.42)

где E₀ и B₀ – постоянные векторы, не зависящие от координат и времени (в общем случае компоненты этих векторов могут быть комплексными). Учитывая, что

(2.43)

и подставляя решения (2.41) и (2.42) в уравнения Максвелла (2.37) ¸ (2.40), получаем следующие важные соотношения, описывающие структуру плоской ЭМВ:(2.44)¸(2.47)

Из этих соотношений можно сделать следующие выводы:

1. Векторы Е и В плоской волны перпендикулярны вектору k, т.е. направлению распространения. Это означает, что плоская ЭМВ является поперечной. E, B и k составляют тройку взаимно перпендикулярных векторов. Поперечность световых колебаний была открыта в 1817 г. Юнгом (Joung Thomas, 1773–1829).

2. Из (2.45) можно получить соотношение между напряженностью электрического поля и магнитной индукцией плоской ЭМВ в вакууме:

Виды электромагнитных волн

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Первыми материалами о существовании предполагаемых электромагнитных волн поделился английский ученый-физик Фарадей в 1832 году. Позднее Дж.Максвелл выстроил теорию электромагнитного поля, обосновав ее математическим путем. Выводы Максвелла подтвердил практическим экспериментом Герц, хотя первоначально он стремился их опровергнуть.

Успешной в изучении электромагнитных волн была деятельность П.Н. Лебедева.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Электромагнитное поле распространяется в пространстве посредством электромагнитных волн (ЭМВ). Те из них, которые возникают вокруг электрического заряда и способны распространяться вдаль от самого движущегося заряда, относят к понятию «излучение». При этом его сила по мере увеличения расстояния постепенно затухает. Исключение составляет вакуумная среда, т.е. пространство, в котором нет прочих тел или веществ, способных поглотить существующие либо испустить новые волны.

В физике в зависимости от диапазона существует следующая классификация видов ЭМВ:

• радиоволны;
• терагерцевые;
• инфракрасные;
• видимые (свет);
• ультрафиолетовые;
• рентгеновские;
• гамма-излучение.

Примечание

Для гамма-излучения существует параллельный термин «жесткое».

Скорость распространения ЭМВ зависит от ее длины. В вакууме она равна скорости света, в других средах имеет более низкие значения. Этим показателем определяется, будет ли излучение подчиняться законам геометрической оптики. Это происходит тогда, когда расстояние в несколько раз превышает длину волны.

Еще одной важной характеристикой является частота излучения, которая обозначается λ.

Определение

Частота излучения равна числу гребней, проходящих через регистрационное устройство за единицу времени — секунду.

С учетом положений теории колебаний и электродинамики, для ЭМВ характерно существование 3х векторов, располагающихся перпендикулярно друг к другу. Это вектора:

• волновой;
• напряженности электрополя (обозначение Е) и магнитного поля (обозначение Н).

Классификация, частотные диапазоны

В основе классификации ЭМВ лежат характерные для каждой из подгрупп частотные диапазоны. Между ними не существует резких, четко очерченных границ, порой их значения могут перекрывать один другого. Скорость излучения постоянна только в вакууме, поэтому частота взаимосвязана с длиной ЭМВ в таких же условиях.

Радиоволны

Диапазон радиоволн занимает отрезок от низких до инфракрасных частот (до 3 ТГц). Их распространение происходит без волноводов, поэтому можно не учитывать атомистическое строение окружающей среды.

Радиоволны подразделяются на:

• сверхдлинные;
• длинные;
• средние;
• короткие;
• ультракороткие.

Источником являются атмосферные, а также магнитные природные явления. Второй источник — радиосвязь. Ультракороткие волны образуются при физических явлениях — грозах.

Ультракороткие радиоволны

Длина волны ультракоротких лучей — 10м-1мм, сверхдлинных — более 10км. При этом частота ультракоротких — 30 МГц-300 ГГц, ультрадлинных — менее 30 кГц.

Ультракороткие радиоволны можно зарегистрировать при прохождении тока переменной частоты, что используется в радиотехнике, например, при сооружении антенн.

Группа подразделяется на метровые, деци-, санти-, мили-, субмилли- и микрометровые. Если длина волны менее 1-го метра (при частоте сверх 300 МГц), то она относится к микроволнам или СВЧ (сверх высоких частот).

Инфракрасное излучение

Начиная от красного цвета видимого света (длина 0,74 мкм) до микроволны (1-2 мм) занимает инфракрасное излучение. Это самый большой промежуток спектра, который могут излучать твердые и жидкие тела, имеющие определенную температуру. В таком случае про них говорят, что происходит излучение энергии в инфракрасном диапазоне. Важно, что длина волн, которые такие тела излучают, прямо пропорциональна температуре.

Примечание

Тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура нагретого тела и короче длина ЭМВ.

В том свете, который видит человеческий глаз, содержится 7 основных цветов. При этом красные области спектра находятся после инфракрасных, а за фиолетовыми следуют ультрафиолетовые. Однако ни тот, ни другой край не способен видеть глаз человека.

Поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру 6000оС. Ее цвет — желтый, а источник излучения является оптическим. Наши органы чувств способны воспринимать такой участок спектра излучения.

Оптический диапазон излучения обусловлен тепловым движением молекул и атомов. При определенной скорости их движения тело нагревается и начинает светиться сначала красным светом, затем — желтым.

В окружающей среде чаще встречаются тела, которые излучают свет, состоящий из ЭВМ разной длины, сложного состава спектра. Их энергия воспринимается глазом человека и может ощущаться неоднозначно. Происходит это по причине различной чувствительности глаза к волнам неодинаковой длины.

Наряду с тепловым излучением, излучать оптическую энергию могут химические и биологические процессы. В качестве примера приема оптического излучения можно привести фотографирование.

Жесткие лучи

К данной группе относятся рентгеновское излучение. В естественных условиях оно образуется в ходе ионизации атомов, сопровождающей радиоактивный распад. Еще одной причиной образования является космическое излучение.

Область рентгеновского излучения отделена от гамма-диапазона условно. Ориентировочно его энергия заключена в диапазоне 20 эВ-0,1 МэВ, в отличие от гамма-энергии, диапазон которой более 0,1 МэВ.

УФ лучи

«По соседству» с рентген-излучением находятся UV лучи. Их диапазон делится на ближний и дальний (вакуумный). Ближний занимает нишу 380-200 нм, дальний — 200-10 нм. Дальний также может называться вакуумным. Он интенсивно поглощается атмосферными массами и подвергается исследованиям в использованием вакуумного оборудования.

История открытия УФО связана с именем И.В. Риттера. который в 1801 году сделал вывод, что хлорид серебра под воздействием невидимого излучения с длиной волны, находящейся за пределами фиолетового света, разлагается быстрее.

УФ излучение с длинными волнами

Данный поддиапазон содержит волны не интенсивной активности. Однако они также вызывают пигментацию кожи и в небольших дозах оздоравливают человеческий организм.

Длинноволновое УФ излучение характеризуется свечением определенных веществ, благодаря чему оно находит применение в изготовлении люминесцентных предметов, а также в качестве маркера в некоторых химических реакциях.

УФ излучение со средней длиной волн

Под действием таких ЭМВ витамин D в организме человека превращается в физиологическую форму и служит для профилактики рахита. Средневолновое УФ излучение тонизирует системы организма, вызывает выработку мелатонина, однако губительно для растений.

УФ излучение с короткой длиной волн

Обладает бактерицидным эффектом, благодаря чему используется в обеззараживающих установках. С его участием идет дезинфекция и стерилизация медицинского оборудования и предметов быта.

УФ облучение поступает на землю от Солнца. Удельный вес различных вариантов данного излучения непостоянен, он зависит от многих факторов окружающей среды.

Существуют и искусственные доноры УФ излучения. Такие источники нашли применение в медицинских приборах, оборудовании санитарно-гигиенического профиля, а также в борьбе с вредителями сельского хозяйства.

Гамма-излучение

Относится к коротковолновым ЭМИ. Характеризуются корпускулярными свойствами и обладают значительным травмирующим воздействием на человеческий организм. Его нельзя почувствовать или ощутить. Это ионизирующее излучение, при котором устойчивые атомы превращаются в ионы. Скорость лучей находится в световом диапазоне.

Среди источников гамма-излучения можно назвать квазары и пульсары. Когда звезда преобразуется в сверхновую, наблюдается выделение энергии и гамма-излучение.

Что является источником электромагнитных волн

Синтезировать ЭМВ может электрический колебательный контур (проводник). Примером являются лампы, магнетроны, транзисторы. Наиболее простой источник — точечного характера. Его размеры намного меньше того расстояния, на протяжении которого действуют излучаемые им ЭМВ. Причем излучение происходит равномерно интенсивное во всех направлениях.

Самое коротковолновое излучение осуществляют атомные ядра, хотя большого различия между соседними по классификации группами нет. Обнаружение ЭМВ происходит по результатам воздействия на заряженные частицы.

Ученым удалось установить естественный волновой фон, в котором человек адаптировался. В то же время существование на Земле двух полюсов ведет к тому, что на человека постоянно оказывается излучение определенного спектра. Когда электромагнитное поле у живого индивидуума претерпевает изменения, у него могут возникнуть довольно серьезные проблемы со здоровьем.

Примечание

Исторически доказаны факты, что во время и после вспышек на Солнце часты катаклизмы и войны. Это результат сдвига в магнитном поле Земли.

Шкала и сфера применения

Расположение ЭМВ в порядке возрастания частоты (либо уменьшения λ) возникает система, которая называется шкалой электромагнитных волн. По сути, это — непрерывный ряд частот ЭМИ, который носит условный характер.

Широко распространены приборы ночного видения, в основе работы которых лежит инфракрасное излучение. Разработаны и выпускаются специальные детекторы ИК лучей, которые помогают спасательным службам искать живые существа под завалами (в результате завалов при землетрясениях или прочих стихийных бедствиях). Сегодняшнее применение ЭМВ широко и разнообразно. Без них не обходится работа электротехнических приборов, например, сотовая связь, бескабельный интернет, радио и телевизионные приборы с пультом управления. Мы разогреваем пищу в микроволновой печи, а автомобилисты учитывают работу на трассе радаров.

ЭМВ появляются в окололампочном пространстве, а также рядом с работающими телевизорами и мониторами.

Широкая сфера применения у УФ лучей. В определенном диапазоне они обладают антисептическим и дезинфицирующим действием, что используется в борьбе с инфекциями. В банковских структурах, опираясь на механизм их действия, проверяют подлинность денежных купюр.

Поскольку УФ лучи оказывают губительное действие на любую живую клетку, в т.ч. бактерии и вирусы, то механизм УФ облучения используется для стерилизации медицинских изделий, оборудования, рабочих поверхностей.

Примечание

Если бы над земной корой отсутствовала атмосфера, жесткие УФ лучи убили бы все живое на Земле. Однако озоновый слой атмосферы способен поглощать эти лучи, выбирая их из спектра радиации Солнца. Несмотря на это, часть жестких УФ лучей все-таки проникает на поверхность Земли и способна вызвать ожоги, а также озлокачествление клеток кожи.

Велико значение в медицине рентгеновских лучей. Проникая через мягкие ткани, они дают врачу представление о костной патологии, помогают диагностировать переломы и искривления.

Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы.

Космическая аппаратура использует устройства гамма-телескопы.

Шкала электромагнитных волн

ШКАЛА Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н Ы Х ИЗЛУЧЕНИЙ
Низкочастотные
излучения
Радиоизлучения
Инфракрасные
лучи
Видимое
излучение
Ультрафиолетовые лучи
Рентгеновские
лучи
γ-лучи
Э Н Е Р Г И Я К ВА Н ТА Э М И ЗЛ У Ч Е Н И Я , Э В
10−9 ÷ 10−6
10−4
0,01
100
104
106 ÷ 109
3 ∙ 1016
3 ∙ 1018
3 ∙ 1020 ÷ 3 ∙ 1023
10−6
10−8
10−10 ÷ 10−13
2,5
Ч АС ТО ТА В Г Ц
< 30 ∙ 103
< 106
3 ∙ 105 ÷ 3
∙ 1010
3 ∙ 1012
106 ÷ 0,1
10−2
6 ∙ 1014
ДЛИНА В СМ
5 ∙ 10−5

3.

Распространяющееся в пространстве
периодически изменяющееся
электромагнитное поле называется
электромагнитной волной.
Электромагнитное поле — это
совокупность неразрывно связанных
друг с другом электрического и
магнитного полей.
Свет — это электромагнитная волна,
определенного (оптического)
диапазона.
Джеймс Клерк Максвелл
Электромагнитные волны излучаются
при ускоренном движении заряженных
частиц.

4.

Виды электромагнитных
излучений
Низкочастотное
Радиоволны
Инфракрасное ( тепловое)
Видимое ( оптическое)
Ультрафиолетовое
Рентгеновское ( х-лучи)
Гамма-излучение

5.

6.

7.

8.

Инфракрасное (тепловое) излучение
Солнце
Лампа накаливания
Костер

9.

Инфракрасное (тепловое) излучение
Поддержание жизни
на Земле
Сушка лакокрасочных
покрытий
Сушка фруктов
и овощей

10.

Видимый свет
Информация об
окружающем мире
Фотосинтез
в растениях

11.

12.

Ультрафиолетовое излучение
Высокая химическая
активность
Бактерицидное
действие
Люминесценция
веществ

13.

14.

Рентгеновское излучение
Флюорографический снимок
Рентгеновский
снимок
Стоматология
Лечение рака

15.

16.

Гамма-излучение
Мягкое излучение
Жесткое излучение

17.

ШКАЛА Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н Ы Х ИЗЛУЧЕНИЙ
Низкочастотные
излучения
Радиоизлучения
Инфракрасные
лучи
Видимое
излучение
Ультрафиолетовые лучи
Рентгеновские
лучи
γ-лучи
Э Н Е Р Г И Я К ВА Н ТА Э М И ЗЛ У Ч Е Н И Я , Э В
10−9 ÷ 10−6
10−4
0,01
100
104
106 ÷ 109
3 ∙ 1016
3 ∙ 1018
3 ∙ 1020 ÷ 3 ∙ 1023
10−6
10−8
10−10 ÷ 10−13
2,5
Ч АС ТО ТА В Г Ц
< 30 ∙ 103
< 106
3 ∙ 105 ÷ 3
∙ 1010
3 ∙ 1012
106 ÷ 0,1
10−2
6 ∙ 1014
ДЛИНА В СМ
5 ∙ 10−5