Какой вид электромагнитного излучения обладает наибольшей частотой?
Правильным ответом на ваш вопрос, безо всякого сомнения, будет пункт под номером четыре: рентгеновское излучение — самое высокочастотное из всех присутствующих в списке вариантов.
Более высокая частота только у гаммы-излучения, но его в списке нет.
Среди прочих вариантов ответов на вопрос о частотах электромагнитного излучения наименьшая частота у радиоволн, диапазон от 30 килогерц до 300 гигагерц. Далее по увеличению частоты идут волны инфракрасного и видимого излучения, а наибольшей частотой действительно обладает рентгеновское излучение.
Шкала электромагнитных волн
У того факта, что на свете не существует волн всех без исключения частот (от ν = 0 Г ц до ν = ∞ Г ц ), есть объективные причины. Они заключаются в том, что световые волны обладают не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, что накладывает на их длину определенные ограничения.
Ограничения длины волны
Согласно квантовой теории, испускание электромагнитного излучения происходит в виде порций энергии – квантов. Энергия квантов связана с их частотой.
Формула содержит постоянную Планка – h = 6 , 62 · 10 — 34 Д ж · c , а h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · с – это постоянная Планка с чертой.
Из формулы можно сделать вывод о невозможности существования бесконечной частоты, поскольку квантов с бесконечной величиной энергии не бывает. Также данное выражение ограничивает и низкие частоты, поскольку энергия кванта имеет минимально возможное значение W 0 , следовательно, существует и минимальная частота, ниже которой волна иметь не может.
Важно отметить, что пока не существует явных доказательств наличия нижней границы энергии у фотонов. В стабильных электромагнитных волнах между земной поверхностью и ионосферой отмечена минимальная частота, равная примерно 8 Г ц .
Шкала электромагнитных волн
На сегодняшний день известно несколько типов электромагнитных волн. Их основные характеристики приведены в таблице:
| Название | Граница диапазона по длине волны λ | Граница диапазона по энергии квантов W |
| гамма — излучение | λ < 1 , 2 · 10 — 3 н м | W > 1 М э В |
| рентгеновское излучение | 1 , 2 · 10 — 3 н м < λ < 12 н м | 100 э В > W > 1 М э В |
| ультрафиолетовое излучение | 12 н м < λ < 380 н м | 3 , 2 э В > W > 100 э В |
| видимый спектр излучения | 380 н м < λ < 760 н м | 1 , 6 э В > W > 3 , 2 э В |
| инфракрасное излучение | 760 н м < λ < 10 6 н м | 1 , 2 · 10 — 3 э В > W > 1 , 6 э В |
| радиоволны | λ > 10 6 н м | W < 1 , 2 · 10 — 3 э В |
Шкала волн указывает на то, что каждый диапазон имеет свои индивидуальные особенности. Чем больше частота, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения.
В разных частях спектра электромагнитных излучений волны генерируются по-разному. Для изучения каждого типа волны существуют особые разделы физики. Различия между участками спектра заключаются не столько в физической природе волн, сколько в способах их приема и получения. Резкого перехода между ними, как правило, нет, возможно и перекрытие участков, поскольку границы условны.
Оптика изучает так называемый оптический диапазон электромагнитных волн – часть спектра с включением фрагментов зон инфракрасного и ультрафиолетового излучения, которая доступна человеческому глазу.
Кванты, которые присутствуют в видимой части излучения, называются фотонами.
Волны всего спектра электромагнитного излучения обладают как волновыми, так и квантовыми свойствами, однако те или иные свойства в зависимости от длины волн могут преобладать. Следовательно, для их изучения нужно пользоваться разными методами. Практическое применение у разных групп волн также различается в зависимости от длины.
Специфика различных видов электромагнитных волн
Оптический диапазон характеризуется слабым взаимодействием света и вещества, а также тем, что в нем выполняются законы геометрической оптики.
На частоты ниже оптического диапазона законы геометрической оптики уже не распространяются, а высокочастотное электромагнитное поле либо пронизывает вещество насквозь, либо разрушает его.
Видимый свет очень важен для всего живого на Земле, особенно для процессов фотосинтеза. Радиоволны активно применяются в телевидении, радиолокационных процессах, радиосвязи, т.к. это самые длинные волны спектра, которые могут быть легко сгенерированы с помощью колебательного контура (сочетания индуктивности и емкости). Радиоволны могут испускаться атомами и молекулами – это свойство находит применение в радиоастрономии.
Можно сформулировать общее утверждение, согласно которому источником электромагнитных волн являются частицы в атомах и ядрах. Они заряжены и движутся ускоренно.
В 1800 г. В. Гершель изучил на практике инфракрасную область спектра. Он расположил термометр ближе к красному краю спектра и увидел, что температура начала расти, значит, термометр нагрелся излучением, невидимым глазу. Инфракрасное излучение можно перевести в видимую часть диапазона с помощью специальных приборов (например, на этом свойстве основаны приборы ночного видения). Любое нагретое тело является источником инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовое излучение было открыто И. Риттером. Он нашел невидимые глазу лучи за фиолетовой частью спектра и обнаружил, что они могут воздействовать на определенные химические соединения и убивать некоторые виды бактерий. Это свойство нашло широкое применение в медицине. Являясь частью солнечных лучей, ультрафиолет оказывает воздействие на человеческую кожу, способствуя ее потемнению (появлению загара).
В. Рентген в 1895 г. обнаружил еще один вид излучения, который был позже назван в его честь. Рентгеновские лучи не видны глазу и могут проходить через толстые слои непрозрачного вещества без значительного поглощения. Они также могут воздействовать на фотопленку и вызывать свечение некоторых видов кристаллов. Рентгеновские лучи широко применяются в области медицинской диагностики, а их способность воздействовать на живые организмы весьма значительна.
Гамма-излучением называется излучение, возникающее при возбуждении атомных ядер и взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение имеет наименьшую длину волны, следовательно, корпускулярные свойства у него наиболее выражены. Его принято рассматривать в качестве потока гамма-квантов. Существует перекрытие рентгеновских и гамма-волн в области длин 10 — 10 — 10 — 14 м .
Условие: объясните, что выступает в качестве излучателя для разных видов электромагнитных волн.
Решение
Электромагнитные волны всегда излучаются движущимися заряженными частицами. Они движутся ускоренно в атомах и ядрах, значит, именно там будет находиться источник волн. Радиоволны испускаются молекулами и атомами (единственный вид излучения, который можно воссоздать искусственным путем). Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекулах (здесь имеют место тепловые колебания, усиливающиеся с ростом температуры). Видимый свет создается отдельными возбужденными атомами. Ультрафиолетовый свет также является атомарным. Рентгеновские лучи создаются за счет взаимодействия электронов с высокой кинетической энергией с ядрами атомов, а также за счет собственного возбуждения ядер. Гамма-лучи образуются за счет возбужденных ядер и взаимном превращении элементарных частиц.
Условие: вычислите частоты волн в видимом диапазоне.
Решение
К видимому диапазону относятся волны, воспринимаемые человеческим глазом. Границы зрения индивидуальны и находятся в пределе λ = 0 , 38 — 0 , 76 м к м .
В оптике используются два основных вида частот. Первая из них – круговая – может быть определена как ω = 2 π T ( Т — период колебания волны). Вторая определяется как ν = 1 T .
Значит, мы можем связать одну частоту с другой при помощи следующего соотношения:
Зная, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна c = 3 · 10 8 м с , запишем:
В этом случае для границ видимого диапазона получим:
ν = c λ , ω = 2 π c λ .
Поскольку мы не знаем длины волн видимого света, то:
ν 1 = 3 · 10 8 0 , 38 · 10 — 6 = 7 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; v 2 = 3 · 10 8 0 , 76 · 10 16 = 3 , 9 · 10 14 ( Г ц ) ; ω 1 = 2 · 3 , 14 · 7 , 9 · 10 14 = 5 · 10 15 ( с — 1 ) ; ω 2 = 2 · 3 , 14 · 3 , 9 · 10 14 = 2 , 4 · 10 15 ( с — 1 ) .
Спектр электромагнитного излучения
Электромагнитный спектр обобщает всю совокупность электромагнитного излучения и классифицирует его по категориям различных типов излучения, включая хорошо известный цветовой спектр видимого света.
Электромагнитные волны, используемые в радиовещании, телевидении и радиолокации, являются лишь частью полного набора, называемого электромагнитным спектром. Разделение электромагнитного спектра на определенные диапазоны частот и соответствующие диапазоны длин волн, является результатом способа создания и использования охватываемых волн. Однако эти диапазоны не являются строго ограниченными и перекрывают друг друга, а некоторые типы волн могут быть получены разными способами.
Разделение электромагнитного спектра
В электромагнитном спектре излучение характеризуется длиной волны λ или частотой f. Поскольку электромагнитные волны всегда распространяются со скоростью света с ≈ 10* 8 м/с, применяется зависимость длины волны от частоты: λ = c / f .
Здесь важна обратная пропорциональность длины волны и частоты λ
f -1 . Чем больше λ, тем меньше f и наоборот.
Благодаря фотоэлектрическому эффекту мы знаем, что видимый свет, а значит и электромагнитное излучение в целом, также проявляет свойства частиц, так называемых фотонов. Их энергию можно рассчитать так: Eф = h * f = ( h * c ) / λ , где h – это постоянная Планка. Поэтому электромагнитное излучение можно также характеризовать и сортировать по энергии его фотонов. Здесь мы снова должны соблюсти пропорциональность Eф
Обычно электромагнитный спектр задается только до верхней и нижней границы частоты и длины волны, так как излучение выше или ниже этого практически не встречается в природе. В этих пределах спектр делится на множество небольших поддиапазонов, так что все излучения с частотами в этих диапазонах имеют определенные, одинаковые характеристики. Эти характерные свойства различаются между частотными диапазонами настолько, что можно говорить о различных типах излучения.
В порядке увеличения частоты f и уменьшения длины волны λ, электромагнитный спектр (см. рисунок 1) включает низкочастотное излучение, радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение или тепловое излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и, наконец, гамма-излучение (γ – излучение).
Рис. 1. Электромагнитный спектр. (Ширина видимого светового диапазона значительно увеличена для наглядности рисунка – ( I ) ).
Границы отдельных диапазонов, конечно, лишь приблизительны, а переходы между различными видами излучения плавные, потому что, в конце концов, мы искусственно разделили электромагнитное излучение на эти категории.
Типы электромагнитных волн и их характеристики
| Тип излучения/название диапазона спектра | Длина волны, λ | Частота, f | Энергия фотонов, Eф |
| Низкая частота | 100 000 км – 10 км | 3 Гц – 30 кГц | 12,4 фэВ – 124 пэВ |
| Радиоволны | 10 км – 1 м | 30 кГц – 300 МГц | 124 пэВ – 1,24 мкэВ |
| Микроволны | 1 м – 1 мм | 300 МГц – 300 ГГц | 1,24 мкэВ – 1,24 мэВ |
| Инфракрасное излучение/тепловое излучение | 1 мм – 780 нм | 300 ГГц – 385 ТГц | 1,24 мэВ – 1,59 эВ |
| Видимый свет | 780 нм – 380 нм | 385 ТГц – 789 ТГц | 1,59 эВ – 3,27 эВ |
| Ультрафиолетовое излучение | 380 нм – 10 нм | 789 ТГц – 30 ПГц | 3,27 эВ – 124 эВ |
| Рентгеновское излучение | 10 нм – 10 пм | 30 ПГц – 30 ЭГц | 124 эВ – 124 кэВ |
| Гамма-излучение | < 10 пм | > 30 ЭГц | > 124 кэВ |
Таблица: Виды электромагнитных волн и их свойства
Более непонятные из используемых здесь префиксов единиц измерения – “ф” для “фемто” и 10 -15 , “п” для “пико” и 10 -12 , “Т” для “тера” и 10 12 , “П” для “пента” и 10 15 , и “Э” для “экса” и 10 18 . Кроме того, у нас есть преобразование 1 эВ ≈ 1,602 * 10- 19 Дж через элементарный заряд e.
Гамма-излучение фактически относится к любому излучению с длиной волны менее 10 пм. Мы также видим, что видимый свет – это лишь очень малая часть всего электромагнитного спектра. Наконец, следует отметить, что это лишь приблизительная классификация, и каждый из этих типов излучения на практике разбивается на еще большее количество подтипов.
Применение
Каждый тип электромагнитных волн встречается в природе и находит свое применение в технике. Далее мы приведем несколько примеров.
Шкала электромагнитных волн
Колебания электрических зарядов порождает распространяющиеся электромагнитные волны. Свойства этих волн существенно зависят от частоты колебаний. Рассмотрим особенности этой зависимости.
Длина электромагнитной волны
Колеблющийся электрический заряд порождает вокруг себя колебания вихревого магнитного поля. Это поле порождает колебания вихревого электрического поля, которое, в свою очередь опять порождает колеблющееся вихревое магнитное поле. Структура распространяющихся взаимно порождаемых колебаний электрических и магнитных полей – называется электромагнитной волной.
Рис. 1. Распространяющаяся электромагнитная волна вектора B и H.
Электромагнитная волна распространяется с постоянной скоростью, равной примерно $3×10^8$ м/с. Учитывая частоту колебаний волны $\nu$ можно найти расстояние между двумя одинаковыми значениями вектора индукции поля, длину волны $\lambda$:
Рис. 2. Длина электромагнитной волны.
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны различных частот существенно различаются по своим свойствам. Поэтому их можно условно разделить на виды, построив шкалу электромагнитных волн.
Низкочастотные (сверхдлинные) волны ($10^4$ Гц и менее)
Электромагнитные волны такой частоты имеют большую длину волны (порядка километров), они способны огибать препятствия больших размеров, способны проникать в толщу воды и грунта. Но, их сложно генерировать и принимать. Кроме того, низкая частота обуславливает малую информационную емкость таких волн. Поэтому, хотя электрические колебания низких частот находят очень широкое применение в народном хозяйстве, электромагнитные волны этого диапазона используются в основном лишь в научных исследованиях Земли.
Радиоволны (^4$ Гц – ^<11>$ Гц)
Электромагнитные волны этого диапазона имеют длину от сантиметров до километра, достаточно легко генерируются и принимаются. При этом, радиоволны частотой менее 3 МГц достаточно хорошо огибают кривизну Земли, способны проходить сквозь не слишком толстые непроводящие преграды и распространяются на несколько сотен километров, а радиоволны частотой до 30МГц – дополнительно способны отражаться от верхних слоев атмосферы, и полностью огибать Землю. Поэтому радиоволны этих диапазонов очень широко используются для связи.
Радиоволны частотами свыше 1 ГГц очень слабо проходят сквозь препятствия, отражаясь от них. Поэтому радиоволны такой частоты используются в радиолокации.
Световое излучение ($10^<11>$ Гц – $10^<18>$ Гц)
Электромагнитные волны данного диапазона имеют длину волны от единиц до тысяч нанометров и включают себя инфракрасное излучение нагретых тел, видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Такие волны генерируются нагретыми предметами, чем больше температура – тем больше частота излучения.
Видимый свет в этом диапазоне занимает узкую полосу $3.5×10^<14>$ Гц – $7.5×10^<14>$ Гц. Прозрачность атмосферы Земли для данного диапазона обуславливает огромное значение зрения для живых существ.
Рентгеновское излучение ($10^<18>$ Гц – $10^<20>$ Гц)
Для генерации излучения таких частот необходимы либо очень высокие температуры, либо возбуждение атомов вещества потоком частиц (так происходит в катодных трубках), поскольку длина волны сравнима с размерами атомов. Это излучение обладает высокой проникающей способностью сквозь непроводящие вещества, что дает возможность широкого использования его в медицине и дефектоскопии.
Гамма-излучение ($10^<20>$ Гц и выше)
Излучение таких высоких частот генерируют ядра атомов при ядерных реакциях, длина волны здесь сравнима с размером атомных ядер. Также гамма-излучение является основной составляющей космических лучей, в которых оно имеет наиболее высокие частоты (и наиболее высокие энергии). Поэтому гамма-излучение играет большую роль при космических исследованиях. Кроме того, поскольку гамма-лучи оказывают разрушительное влияние на живую ткань, они находят применение в лечении онкологических заболеваний.
Резюмируя все сказанное, можно построить таблицу шкалы электромагнитных волн:
Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.
Что мы узнали?
Весь диапазон электромагнитных волн можно условно разбить на поддиапазоны, в которых свойства волн достаточно отличаются друг от друга, составив своеобразную шкалу. В нее войдут свехдлинные волны, радиоволны, световое, рентгеновское и гамма-излучение.