Žiarenie a spektrá. Elektromagnetické spektrum

Rozsah frekvencií vyžarovaných elektromagnetickými vlnami je obrovský. Je určená všetkými možnými frekvenciami vibrácií nabitých častíc. Takéto oscilácie sa vyskytujú pri striedavom prúde v elektrických vedeniach, rádiových a televíznych anténach, mobilných telefónoch, radaroch, laseroch, žiarovkách a žiarivky, rádioaktívne prvky, röntgenové prístroje. Frekvenčný rozsah v súčasnosti zaznamenávaných elektromagnetických vĺn siaha od 0 do 3*10 22 Hz. Tento rozsah zodpovedá spektru (z latinského spektra videnie, obraz) elektromagnetických vĺn s vlnovou dĺžkou λ v rozmedzí od 10 - 14 m do nekonečna. Vlnová dĺžka λ= c/ν, kde c=3*108 m/s je rýchlosť svetla a ν je frekvencia. Na obr. Obrázok 1.1 ukazuje spektrum uvažovaných elektromagnetických vĺn.

Ryža. 1.1 Spektrum elektromagnetického žiarenia

Rádiové vlny rôznych frekvencií sa v rámci Zeme a v nej šíria rôzne vonkajší priestor a v tomto smere nachádzajú rôzne aplikácie v rádiovej komunikácii a vedecký výskum. Berúc do úvahy charakteristiky šírenia a generovania, celý rozsah rádiových vĺn je zvyčajne rozdelený podľa vlnovej dĺžky (alebo frekvencie) do dvanástich rozsahov. Rozdelenie rádiových vĺn do rozsahov v rádiovej komunikácii je ustanovené medzinárodnými rádiovými predpismi. Každý rozsah zodpovedá frekvenčnému pásmu od 0,3 x 10 N do 3 x 10 N, kde N je číslo rozsahu. V danom frekvenčnom rozsahu N je možné lokalizovať len konečný počet rádiostaníc, ktoré sa navzájom nerušia. Toto číslo, nazývané kapacita kanála, je definované ako:

m = (3 x 10 N - 0,3 x 10 N)/Af

kde Δf je frekvenčné pásmo rádiového signálu.

Nech je frekvenčná šírka pásma analógového televízneho signálu (TV) 8 MHz, berúc do úvahy ochranné medzery berieme Δf = 10 MHz, potom v rozsahu metrov (N = 8) bude počet TV kanálov 27. za rovnakých podmienok v rozsahu decimetrov sa počet kanálov zvýši na 270. Toto je jeden z hlavných dôvodov túžby ovládať stále vyššie frekvencie. Príklady rozdelenia najpoužívanejších sortimentov a oblastí ich použitia sú uvedené v tabuľke 1.1.

Stručne charakterizujme hranice vlnových dĺžok (frekvenčných) rozsahov v spektre elektromagnetických vĺn v poradí zvyšujúcej sa frekvencie žiarenia a tiež označme hlavné zdroje žiarenia v príslušnom rozsahu.

Zvukové frekvenčné vlny sa vyskytujú vo frekvenčnom rozsahu od 0 do 2*10 4 Hz (λ = 1,5*10 4 ÷ ∞ m). Zdrojom zvukových frekvenčných vĺn je striedavý prúd zodpovedajúcej frekvencie. Vzhľadom na to, že intenzita vyžarovania elektromagnetických vĺn je úmerná štvrtej mocnine frekvencie, vyžarovanie takýchto relatívne nízkych frekvencií možno zanedbať. Z tohto dôvodu môže byť vyžarovanie z 50 Hz AC prenosovej linky často zanedbané.

Rádiové vlny zaberajú frekvenčný rozsah 2 * 10 4 - 10 9 Hz (λ = 0,3 - 1,5 * 10 4 m). Zdrojom rádiových vĺn, ako aj zvukových vĺn, je striedavý prúd. Vyššia frekvencia rádiových vĺn v porovnaní so zvukovými frekvenčnými vlnami však vedie k citeľnému vyžarovaniu rádiových vĺn do okolitého priestoru. To umožňuje ich použitie na prenos informácií na značnú vzdialenosť (rozhlasové vysielanie, televízia (TV)), rádiolokácia, rádiová navigácia, rádiové riadiace systémy, rádiové reléové komunikačné linky (RRL), bunkové komunikačné systémy, profesionálne mobilné komunikačné systémy - trunking systémy, mobilné satelitné komunikačné systémy, bezdrôtové telefónne systémy (rádiové extendery) atď.

Mikrovlnné žiarenie alebo mikrovlnné žiarenie sa vyskytuje vo frekvenčnom rozsahu 109 - 3*10 n Hz (λ = 1 mm - 0,3 m). Zdroj mikrovlnného žiarenia mení smer spinu valenčného elektrónu atómu alebo rýchlosť rotácie molekúl látky. Vzhľadom na transparentnosť atmosféry v tomto rozsahu sa mikrovlnné žiarenie používa na vesmírnu komunikáciu. Okrem toho sa toto žiarenie používa v mikrovlnných rúrach pre domácnosť.

Infračervené (IR) žiarenie zaberá frekvenčný rozsah 3 * 10 11 - 3,85 * 10 14 Hz (λ = 780 nm - 1 mm). Infračervené žiarenie objavil v roku 1800 anglický astronóm William Herschel. Pri štúdiu nárastu teploty teplomera vyhrievaného viditeľným svetlom Herschel objavil najväčšie zahrievanie teplomera mimo oblasti viditeľného svetla (mimo červenej oblasti). Neviditeľné žiarenie sa vzhľadom na jeho miesto v spektre nazývalo infračervené.

Zdrojom infračerveného žiarenia je vibrácia a rotácia molekúl látky, teda IR elektromagnetické vlny vyžarujú zo zahriatych telies, ktorých molekuly sa pohybujú obzvlášť intenzívne. IR žiarenie sa často nazýva tepelné žiarenie. Približne 50% slnečnej energie sa vyžaruje dovnútra infračervený rozsah. Maximálna intenzita žiarenia ľudského tela nastáva pri vlnovej dĺžke 10 mikrónov. Závislosť intenzity infračerveného žiarenia od teploty umožňuje merať teplotu rôznych predmetov, čo sa využíva v prístrojoch nočného videnia, ako aj pri zisťovaní cudzích útvarov v medicíne. Diaľkové ovládanie televízora a videorekordéra sa vykonáva pomocou infračerveného žiarenia.

Tento rozsah sa používa na prenos informácií cez optické kremenné vlákna. Odhadnime, ako pre rádiové vlny, šírku optického rozsahu.

Nech sa optický rozsah mení od λ1 = 1200 nm do λ2 = 1620 nm. Poznanie rýchlosti svetla vo vákuu c = 2,997*108 m/s, (zaokrúhlené na 3*108 m/s) zo vzorca f=c/λ, pre λ1 a λ2 získame f1 = 250 THz a f2 = 185 THz. Preto je interval medzi frekvenciami ΔF = f1 - f2 = 65 THz. Pre porovnanie: celý frekvenčný rozsah od zvukového rozsahu po hornú frekvenciu mikrovlnného rozsahu je len 30 GHz a ultra mikrovlnný je 300 GHz, t.j. 2000 - 200 krát menej ako optické.

Viditeľné svetlo je jediným rozsahom elektromagnetických vĺn, ktoré vníma ľudské oko. Svetelné vlny zaberajú pomerne úzky rozsah: 380-780 nm (λ = 3,85*1014 - 7,89*1014 Hz).

Zdrojom viditeľného svetla sú valenčné elektróny v atómoch a molekulách, meniace svoju polohu v priestore, ako aj voľné náboje pohybujúce sa zrýchlenou rýchlosťou. Táto časť spektra dáva človeku maximum informácií o svete okolo neho. Z hľadiska fyzikálnych vlastností je podobný iným spektrálnym rozsahom, pričom je len malou časťou spektra elektromagnetických vĺn. Maximálna citlivosť ľudského oka nastáva pri vlnovej dĺžke λ = 560 nm. Táto vlnová dĺžka zodpovedá aj maximálnej intenzite slnečného žiarenia a zároveň maximálnej priehľadnosti zemskej atmosféry.

Prvýkrát dostal zdroj umelého svetla ruský vedec A.N. Lodygin v roku 1872, preskakovanie elektriny cez uhlíkovú tyč umiestnenú v uzavretej nádobe, z ktorej sa odčerpával vzduch a v roku 1879 americký vynálezca T.A. Edison vytvoril pomerne odolný a pohodlný dizajn žiarovky.

Elektromagnetické spektrum je konvenčne rozdelené do rozsahov. V dôsledku ich zváženia potrebujete vedieť nasledovné.

• Názov rozsahov elektromagnetických vĺn.
• Poradie, v akom sa zobrazujú.
• Hranice rozsahu vo vlnových dĺžkach alebo frekvenciách.
• Čo spôsobuje absorpciu alebo emisiu vĺn určitého rozsahu.
• Použitie každého typu elektromagnetických vĺn.
• Zdroje žiarenia rôznych elektromagnetických vĺn (prírodných a umelých).
• Nebezpečenstvo každého typu vlny.
• Príklady predmetov s rozmermi porovnateľnými s vlnovou dĺžkou zodpovedajúceho rozsahu.
• Koncept žiarenia čierneho telesa.
• Okná slnečného žiarenia a atmosférickej priehľadnosti.

Elektromagnetické vlnové pásma

Mikrovlnný rozsah

Mikrovlnné žiarenie sa používa na ohrev potravín mikrovlnné rúry, mobilná komunikácia, radary (radary), do 300 GHz ľahko prechádzajú atmosférou, preto sú vhodné pre satelitnú komunikáciu. V tomto rozsahu pracujú rádiometre na diaľkový prieskum a určovanie teploty rôznych vrstiev atmosféry, ako aj rádioteleskopy. Tento rozsah je jedným z kľúčových pre EPR spektroskopiu a rotačné spektrá molekúl. Dlhodobé vystavenie očiam spôsobuje šedý zákal. Mobilné telefóny negatívne ovplyvňujú mozog.

Charakteristickým znakom mikrovlnných vĺn je, že ich vlnová dĺžka je porovnateľná s veľkosťou zariadenia. Preto sú v tomto rozsahu zariadenia navrhnuté na základe distribuovaných prvkov. Na prenos energie sa používajú vlnovody a pásové vedenia, ako rezonančné prvky sa používajú objemové rezonátory alebo rezonančné vedenia. Umelými zdrojmi mikrovlnných vĺn sú klystróny, magnetróny, elektrónky s pohyblivou vlnou (TWT), Gunnove diódy a diódy lavínového prechodu (ATD). Okrem toho existujú masery, analógy laserov v rozsahu dlhých vlnových dĺžok.

Mikrovlny vyžarujú hviezdy.

V mikrovlnnej oblasti sa nachádza takzvané kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia (reliktné žiarenie), ktoré svojimi spektrálnymi charakteristikami úplne zodpovedá žiareniu úplne čierneho telesa s teplotou 2,72 K. Jeho maximálna intenzita sa vyskytuje pri frekvencii 160 GHz (1,9 mm) (pozri obrázok nižšie). Prítomnosť tohto žiarenia a jeho parametre sú jedným z argumentov v prospech teórie veľkého tresku, ktorá je v súčasnosti základom modernej kozmológie. To posledné podľa týchto meraní a pozorovaní najmä nastalo pred 13,6 miliardami rokov.

Nad 300 GHz (kratšie ako 1 mm) sú elektromagnetické vlny veľmi silne absorbované zemskou atmosférou. Atmosféra začína byť priehľadná v IR a viditeľnom rozsahu.

Medzi lasery a zdroje s ich využitím, vyžarujúce vo viditeľnej oblasti, možno menovať: prvý vypustený laser, rubínový, s vlnovou dĺžkou 694,3 nm, diódové lasery napríklad na báze GaInP a AlGaInP pre červený rozsah a založené na GaN pre modrý rozsah, titánovo-zafírový laser, He-Ne laser, argónové a kryptónové iónové lasery, medené parné lasery, farbiace lasery, lasery so zdvojením alebo sčítaním frekvencie v nelineárnych médiách, Ramanove lasery. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Dlho bol problém pri vytváraní kompaktných laserov v modrozelenej časti spektra. Existovali plynové lasery ako argón iónový laser(od roku 1964), ktorý má dve hlavné generačné čiary v modrej a zelenej časti spektra (488 a 514 nm) alebo hélium-kadmiový laser. Pre ich objemnosť a obmedzený počet generačných liniek však neboli vhodné pre mnohé aplikácie. Pre obrovské technologické ťažkosti nebolo možné vytvoriť polovodičové lasery so širokým pásmom. Nakoniec sa však vyvinuli účinných metód zdvojnásobenie a strojnásobenie frekvencie pevnolátkových laserov v IR a optickom rozsahu v nelineárnych kryštáloch, polovodičových laserov na báze dvojitých GaN zlúčenín a laserov so zvyšujúcou sa frekvenciou pumpy (upkonverzné lasery).

Svetelné zdroje v modro-zelenej oblasti umožňujú zvýšiť hustotu záznamu na CD-ROM a kvalitu reprografie, sú potrebné na vytváranie plnofarebných projektorov, na komunikáciu s ponorkami, na zachytenie reliéfu morského dna, pre laserové chladenie jednotlivé atómy a iónov na monitorovanie depozície pár v prietokovej cytometrii. (prevzaté z „Kompaktných modrozelených laserov“ od W. P. Riska a kol.).

Literatúra:

Ultrafialový rozsah

Uvažuje sa, že ultrafialový rozsah zaberá oblasť od 10 do 380 nm. Hoci jeho hranice nie sú jasne definované, najmä v oblasti krátkych vĺn. Delí sa na podrozsahy a toto rozdelenie tiež nie je jednoznačné, keďže v rôznych zdrojoch je viazané na rôzne fyzikálne a biologické procesy.

Takže na webovej stránke Health Physics Society je ultrafialový rozsah definovaný v rozsahu 40-400 nm a je rozdelený do piatich podrozsahov: vákuové UV (40-190 nm), vzdialené UV (190-220 nm), UVC (220- 290 nm), UVB (290-320 nm) a UVA (320-400 nm) (čierne svetlo). V anglickej verzii článku Wikipédie o ultrafialovom žiarení „Ultraviolet“ je ultrafialovému žiareniu pridelený rozsah 40 - 400 nm, ale v tabuľke v texte je rozdelený na veľa prekrývajúcich sa podrozsahov, počnúc od 10 nm. V ruskej verzii Wikipédie „Ultrafialové žiarenie“ sú hranice rozsahu UV od samého začiatku nastavené v rozmedzí 10 - 400 nm. Okrem toho Wikipedia uvádza oblasti 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 nm pre rozsahy UVC, UVB a UVA.

Ultrafialové žiarenie, napriek jeho priaznivému účinku v malých množstvách na biologické objekty je zároveň najnebezpečnejším zo všetkých ostatných prírodných rozšírených žiarení iných rozsahov.

Hlavným prirodzeným zdrojom UV žiarenia je Slnko. Nie všetko žiarenie sa však dostane na Zem, pretože je absorbované ozónovou vrstvou stratosféry a v oblasti kratšej ako 200 nm veľmi silne vzdušným kyslíkom.

UVC je takmer úplne absorbované atmosférou a nedosiahne zemský povrch. Tento rad využívajú germicídne lampy. Nadmerná expozícia vedie k poškodeniu rohovky a snehovej slepote, ako aj k ťažkým popáleninám tváre.

UVB je najničivejšia časť UV žiarenia, keďže má dostatok energie na poškodenie DNA. Nie je úplne absorbovaný atmosférou (prejde asi 2 %). Toto žiarenie je nevyhnutné pre tvorbu (syntézu) vitamínu D, ale škodlivé účinky môžu viesť k popáleninám, šedému zákalu a rakovine kože. Táto časť žiarenia je absorbovaná atmosférickým ozónom, ktorého pokles je dôvodom na obavy.

UVA takmer úplne zasahuje Zem (99%). Je zodpovedný za opálenie, ale prebytok vedie k popáleninám. Podobne ako UVB je nevyhnutné pre syntézu vitamínu D. Nadmerná expozícia vedie k potlačeniu imunitného systému, tvrdosti pokožky a vzniku šedého zákalu. Žiarenie v tomto rozsahu sa nazýva aj čierne svetlo. Hmyz a vtáky sú schopné vidieť toto svetlo.

Ako príklad nižšie uvedený obrázok ukazuje závislosť koncentrácie ozónu od výšky v severných zemepisných šírkach (žltá krivka) a úrovne blokovania slnečného ultrafialového žiarenia ozónom. UVC je úplne absorbované až do nadmorskej výšky 35 km. Zároveň sa UVA takmer úplne dostane na povrch Zeme, ale toto žiarenie nepredstavuje prakticky žiadne nebezpečenstvo. Ozón blokuje väčšinu UVB, ale niektoré sa dostanú na Zem. Ak sa ozónová vrstva vyčerpá, väčšina z nej ožiari povrch a spôsobí genetické poškodenie živých organizmov.

Krátky zoznam využitia elektromagnetických vĺn v UV oblasti.

• Vysokokvalitná fotolitografia na výrobu elektronických zariadení, ako sú mikroprocesory a pamäťové čipy.
• Pri výrobe prvkov z optických vlákien, najmä Braggových mriežok.
• Dezinfekcia potravín, vody, vzduchu, predmetov od mikróbov (UVC).
• Čierne svetlo (UVA) vo forenznej vede, pri skúmaní umeleckých diel, pri zisťovaní pravosti bankoviek (fenomén fluorescencie).
• Falošné opálenie.
• Laserové gravírovanie.
• Dermatológia.
• Zubné lekárstvo (fotopolymerizácia výplní).

Umelé zdroje ultrafialového žiarenia sú:

Nemonochromatické: Ortuťové výbojky rôzne tlaky a dizajnov.

Monochromatické:

1. Laserové diódy, hlavne založené na GaN, (nízky výkon), generujúce v blízkom ultrafialovom rozsahu;
2. Excimerové lasery sú veľmi silné zdroje ultrafialového žiarenia. Vysielajú nanosekundové (pikosekundové a mikrosekundové) impulzy s priemerným výkonom v rozmedzí od niekoľkých wattov do stoviek wattov. Typické vlnové dĺžky ležia medzi 157 nm (F2) až 351 nm (XeF);
3. Niektoré pevnolátkové lasery dopované cérom, ako napríklad Ce3+:LiCAF alebo Ce3+:LiLuF4, ktoré pracujú v pulznom režime s nanosekundovými impulzmi;
4. Niektoré vláknové lasery sú napríklad dopované neodýmom;
5. Niektoré farbiace lasery sú schopné vyžarovať ultrafialové svetlo;
6. Argónový iónový laser, ktorý napriek tomu, že hlavné čiary ležia v optickom rozsahu, dokáže generovať súvislé žiarenie s vlnovými dĺžkami 334 a 351 nm, avšak s nižším výkonom;
7. Dusíkový laser vyžarujúci pri vlnovej dĺžke 337 nm. Veľmi jednoduchý a lacný laser, pracujúci v pulznom režime s nanosekundovým trvaním pulzu a špičkovým výkonom niekoľkých megawattov;
8. Strojnásobenie frekvencií Nd:YAG lasera v nelineárnych kryštáloch;

Literatúra:

1. Wikipedia "Ultrafialové".

Prezentované v samostatnom článku;

Priehľadnosť látky pre gama lúče, na rozdiel od viditeľného svetla, nezávisí od chemickej formy a stav agregácie látky, ale hlavne od náboja jadier, ktoré látku tvoria, a od energie gama lúčov. Absorpčnú kapacitu vrstvy látky pre gama lúče je preto možné na prvý pohľad charakterizovať jej povrchovou hustotou (v g/cm2). Dlho sa verilo, že vytvorenie zrkadiel a šošoviek pre γ-lúče je nemožné, avšak podľa nedávneho výskumu v tejto oblasti je lom γ-lúčov možný. Tento objav môže znamenať vytvorenie nového odvetvia optiky – γ-optiky.

Ostrý nižší limit pre gama žiarenie neexistuje, zvyčajne sa však predpokladá, že gama kvantá vyžaruje jadro a röntgenové kvantá vyžaruje elektrónový obal atómu (ide len o terminologický rozdiel, ktorý neovplyvňuje fyzikálne vlastnostižiarenie).

Röntgenové žiarenie

• od 0,1 nm = 1 Á (12 400 eV) do 0,01 nm = 0,1 Á (124 000 eV) - tvrdé röntgenové žiarenie. Zdroje: niektoré jadrové reakcie, katódové trubice.
• 10 nm (124 eV) až 0,1 nm = 1 Á (12 400 eV) - mäkké röntgenové lúče. Zdroje: katódové trubice, tepelné žiarenie plazma.

Röntgenové kvantá sú emitované najmä pri prechodoch elektrónov v elektrónovom obale ťažkých atómov na nízko položené dráhy. Voľné miesta na nízko položených obežných dráhach zvyčajne vznikajú nárazom elektrónov. Röntgenové žiarenie, takto vytvorený má čiarové spektrum s frekvenciami charakteristickými pre daný atóm (viď. charakteristické žiarenie); to umožňuje najmä štúdium zloženia látok (röntgenová fluorescenčná analýza). Tepelné, brzdné a synchrotrónové röntgenové žiarenie má spojité spektrum.

V röntgenových lúčoch sa pozoruje difrakcia kryštálovými mriežkami, pretože dĺžky elektromagnetických vĺn pri týchto frekvenciách sú blízke periódam kryštálových mriežok. Na tom je založená metóda röntgenovej difrakčnej analýzy.

Ultrafialové žiarenie

Rozsah: 400 nm (3,10 eV) až 10 nm (124 eV)

Optické žiarenie

Žiarenie v optickom rozsahu (viditeľné svetlo a blízke infračervené žiarenie [ ]) voľne prechádza atmosférou a môže sa ľahko odrážať a lámať v optických systémoch. Zdroje: tepelné žiarenie (vrátane Slnka), fluorescencia, chemické reakcie, LED.

Farby viditeľného žiarenia zodpovedajúce monochromatickému žiareniu sa nazývajú spektrálne. Spektrum a spektrálne farby je možné vidieť, keď úzky lúč svetla prechádza hranolom alebo iným refrakčným médiom. Tradične sa viditeľné spektrum delí na farebné rozsahy:

Stredný Infra červená radiácia zaberá rozsah od 207 THz (0,857 eV) do 405 THz (1,68 eV). Horná hranica je určená schopnosťou ľudského oka vnímať červenú, ktorá sa líši od človeka k človeku. Vo všeobecnosti priehľadnosť v blízkej infračervenej oblasti zodpovedá priehľadnosti viditeľného svetla.

Infra červená radiácia

Infračervené žiarenie sa nachádza medzi viditeľným svetlom a terahertzovým žiarením. Rozsah: 2000 µm (150 GHz) až 740 nm (405 THz).

Teória to ukazuje elektromagnetická radiácia vzniká pri nerovnomernom, zrýchlenom pohybe elektrických nábojov. Rovnomerne sa pohybujúci (voľný) tok elektrických nábojov nevyžaruje. Neexistuje žiadne vyžarovanie elektromagnetického poľa pre náboje pohybujúce sa pod vplyvom konštantnej sily, napríklad pre náboje opisujúce kruh v magnetickom poli.

Pri oscilačných pohyboch sa zrýchlenie neustále mení, takže vibrácie elektrických nábojov vytvárajú elektromagnetické žiarenie. Okrem toho k elektromagnetickému žiareniu dôjde pri prudkom nerovnomernom spomalení nábojov, napríklad pri náraze elektrónového lúča na prekážku (vznik röntgenového žiarenia). Pri chaotickom tepelnom pohybe častíc vzniká aj elektromagnetické žiarenie (tepelné žiarenie). Vlnenie

Jadrový náboj vedie k vytvoreniu elektromagnetického žiarenia známeho ako y-lúče. Ultrafialové lúče a viditeľné svetlo vznikajú pohybom atómových elektrónov. Oscilácie elektrického náboja v kozmickom meradle vedú k rádiovej emisii z nebeských telies.

Spolu s prírodnými procesmi, ktorých výsledkom je vznik elektromagnetického žiarenia rôznych vlastností, existujú rôzne experimentálne možnosti vzniku elektromagnetického žiarenia.

Hlavnou charakteristikou elektromagnetického žiarenia je jeho frekvencia (ak hovoríme o O harmonické vibrácie) alebo frekvenčné pásmo. Je samozrejme nesprávne prepočítavať frekvenciu žiarenia dĺžkou elektromagnetickej vlny vo vákuu pomocou vzťahu.

Intenzita žiarenia je úmerná štvrtej mocnine frekvencie. Preto nie je možné vystopovať žiarenie s veľmi nízkou frekvenciou s vlnovými dĺžkami rádovo stoviek kilometrov. Praktický rádiový dosah začína, ako je známe, s vlnovými dĺžkami rádovo, čo zodpovedá rádovým frekvenciám, rádové vlnové dĺžky patria do stredného rozsahu, desiatky metrov sú už krátke vlny. Ultrakrátke vlny (UHF) nás vyvedú z bežného rádiového dosahu; vlnové dĺžky rádovo niekoľko metrov a zlomky metra až centimetra (t. j. v televízii a radare sa používajú rádovo frekvencie).

Ešte kratšie elektromagnetické vlny získala v roku 1924 Glagoleva-Arkadyeva. Ako generátor použila elektrické iskry, preskakovanie medzi železnými pilinami zavesenými v oleji a získala vlny s dĺžkou až Tu sa už dosahuje prekrytie s vlnovými dĺžkami tepelného žiarenia.

Časť viditeľného svetla je veľmi malá: zaberá len vlnové dĺžky od cm do cm.Nasledujú ultrafialové lúče, okom neviditeľné, ale veľmi dobre zaznamenané fyzikálnymi prístrojmi. Ide o vlnové dĺžky od cm do cm.

Nasleduje ultrafialové žiarenie röntgenové lúče. Ich vlnové dĺžky sa pohybujú od cm do cm Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým slabšie röntgenové žiarenie látky pohlcujú. Najkratšia vlnová dĺžka a najprenikavejšie elektromagnetické žiarenie sa nazýva y-lúče (vlnové dĺžky od cm a nižšie).

Charakteristiky akéhokoľvek typu uvedeného elektromagnetického žiarenia budú úplné, ak sa vykonajú nasledujúce merania. V prvom rade sa musí tým či oným spôsobom rozložiť elektromagnetické žiarenie na spektrum. V prípade svetla, ultrafialových lúčov a infračerveného žiarenia sa to dá dosiahnuť lomom hranolom alebo prechodom žiarenia cez difrakčnú mriežku (pozri nižšie). V prípade röntgenových a gama lúčov sa rozlíšenie na spektrum dosiahne odrazom od kryštálu (pozri stranu 351). Vlny

rádiový dosah sú rozložené na spektrum pomocou javu rezonancie.

Výsledné spektrum žiarenia môže byť spojité alebo čiarové, to znamená, že môže súvisle vypĺňať určité frekvenčné pásmo, alebo môže pozostávať aj z jednotlivých ostrých čiar zodpovedajúcich extrémne úzkemu frekvenčnému intervalu. V prvom prípade je na charakterizáciu spektra potrebné špecifikovať krivku intenzity ako funkciu frekvencie (vlnovej dĺžky), v druhom prípade bude spektrum popísané špecifikovaním všetkých čiar, ktoré sa v ňom nachádzajú, s uvedením ich frekvencií a intenzity.

Skúsenosti ukazujú, že elektromagnetické žiarenie danej frekvencie a intenzity sa môže líšiť v stave polarizácie. Spolu s vlnami, ktoré elektrický vektor kmitá pozdĺž určitej čiary (lineárne polarizované vlny), treba sa vysporiadať so žiarením, pri ktorom sa navzájom superponujú lineárne polarizované vlny, rotujúce voči sebe okolo osi lúča. Pre komplexnú charakteristiku žiarenia je potrebné uviesť jeho polarizáciu.

Treba poznamenať, že ani pre najpomalšie elektromagnetické kmity nie sme schopní zmerať elektrické a magnetické vektory vlny. Vyššie nakreslené obrázky v teréne majú teoretický charakter. Napriek tomu niet pochýb o ich pravdivosti, berúc do úvahy kontinuitu a integritu celej elektromagnetickej teórie.

Tvrdenie, že určitý druh žiarenia patrí k elektromagnetickým vlnám, je vždy nepriame. Množstvo dôsledkov vyplývajúcich z hypotéz je však také obrovské a sú navzájom v takej súdržnej zhode, že hypotéza o elektromagnetickom spektre už dávno nadobudla všetky znaky bezprostrednej reality.

Druhy žiarenia

Tepelné žiarenie – žiarenie, pri ktorom je energia stratená atómami na vyžarovanie svetla kompenzovaná energiou tepelného pohybu atómov (alebo molekúl) vyžarujúceho telesa. Zdrojom tepla je slnko, žiarovka atď.

Elektroluminiscencia(z latinského luminiscencia - "žiara") - výboj v plyne sprevádzaný žiarou. Polárna žiara je prejavom elektroluminiscencie. Používa sa v tubách na reklamné nápisy.

Katodoluminiscencia– žiara pevných látok spôsobená bombardovaním elektrónmi. Vďaka nej svietia obrazovky katódových trubíc televízorov.

Chemiluminiscencia– emisia svetla v niekt chemické reakcie, prichádza s uvoľnením energie. Dá sa to pozorovať na príklade svetlušky a iných živých organizmov, ktoré majú vlastnosť žiariť.

Fotoluminiscencia– žiara telies priamo pod vplyvom žiarenia, ktoré na ne dopadá. Príkladom sú svietiace farby, ktoré pokrývajú ozdoby na vianočný stromček, po ožiarení vyžarujú svetlo. Tento jav je široko používaný v žiarivkách.

Aby mohol atóm začať vyžarovať, potrebuje odovzdať určité množstvo energie. Atóm pri vyžarovaní stráca prijatú energiu a pre nepretržitú žiaru látky je nevyhnutný prílev energie k jej atómom zvonku.

Spectra

Pruhované spektrá

Pásové spektrum pozostáva z jednotlivých pásov oddelených tmavými priestormi. S pomocou veľmi dobre spektrálnym prístrojom, možno zistiť, že každé pásmo je súborom veľkého počtu veľmi blízko rozmiestnených čiar. Na rozdiel od čiarových spektier nie sú pruhované spektrá tvorené atómami, ale molekulami, ktoré nie sú viazané alebo sú slabo viazané. zviazaný priateľ s priateľom.

Na pozorovanie molekulových spektier, ako aj na pozorovanie čiarových spektier sa zvyčajne používa žiara pary v plameni alebo žiara plynového výboja.

Spektrálna analýza

Spektrálna analýza je súbor metód na kvalitatívne a kvantitatívne určenie zloženia objektu, založený na štúdiu spektier interakcie hmoty so žiarením, vrátane spektier elektromagnetického žiarenia, akustických vĺn, rozdelenia hmotnosti a energie elementárnych častíc atď. V závislosti od účelu analýzy a typov spektier sa rozlišuje niekoľko metód spektrálnej analýzy. Atómové a molekulové spektrálne analýzy umožňujú určiť elementárne a molekulové zloženie látky. Pri emisných a absorpčných metódach sa zloženie určuje z emisných a absorpčných spektier. Hmotnostná spektrometrická analýza sa vykonáva pomocou hmotnostných spektier atómových alebo molekulárnych iónov a umožňuje určiť izotopové zloženie objektu. Najjednoduchším spektrálnym prístrojom je spektrograf.

Schematický diagram hranolového spektrografu

Tmavé čiary v spektrálnych pruhoch boli zaznamenané už dlho (napríklad si ich všimol Wollaston), ale prvú serióznu štúdiu týchto čiar vykonal až v roku 1814 Joseph Fraunhofer. Na jeho počesť bol tento efekt nazvaný „Fraunhoferove línie“. Fraunhofer zisťoval stabilitu pozícií línií, zostavil z nich tabuľku (spolu napočítal 574 línií) a každej priradil alfanumerický kód. Nemenej dôležitý bol jeho záver, že čiary nie sú spojené ani s optickým materiálom, ani so zemskou atmosférou, ale sú prirodzenou charakteristikou slnečného svetla. Podobné čiary objavil v umelých svetelných zdrojoch, ako aj v spektrách Venuše a Síria.

Fraunhoferove línie

Na otestovanie metódy v roku 1868 zorganizovala Parížska akadémia vied expedíciu do Indie, kde kompletnú zatmenie Slnka. Tam vedci zistili: všetky tmavé čiary v momente zatmenia, keď emisné spektrum nahradilo absorpčné spektrum slnečnej koróny, sa podľa predpovede stali jasnými na tmavom pozadí.

Postupne sa objasňovala povaha každej z čiar a ich súvislosť s chemickými prvkami. V roku 1860 Kirchhoff a Bunsen objavili cézium pomocou spektrálnej analýzy a v roku 1861 rubídium. A hélium bolo objavené na Slnku o 27 rokov skôr ako na Zemi (1868 a 1895).

Princíp činnosti

Atómy každého chemického prvku majú presne definované rezonančné frekvencie, v dôsledku čoho práve na týchto frekvenciách vyžarujú alebo absorbujú svetlo. To vedie k tomu, že v spektroskope sú na spektrách na určitých miestach charakteristických pre každú látku viditeľné čiary (tmavé alebo svetlé). Intenzita čiar závisí od množstva látky a jej skupenstva. Pri kvantitatívnej spektrálnej analýze je obsah skúmanej látky určený relatívnou alebo absolútnou intenzitou čiar alebo pásov v spektrách.

Optická spektrálna analýza sa vyznačuje relatívnou jednoduchosťou implementácie, absenciou komplexnej prípravy vzorky na analýzu a malým množstvom látky (10-30 mg) potrebnej na analýzu veľkého počtu prvkov. Atómové spektrá (absorpcia alebo emisia) sa získajú prevedením látky do parného stavu zahriatím vzorky na 1000-10000 °C. Pri emisnej analýze vodivých materiálov sa ako zdroje excitácie atómov používa iskra alebo oblúk so striedavým prúdom; v tomto prípade sa vzorka umiestni do krátera jednej z uhlíkových elektród. Plamene alebo plazmy rôznych plynov sa široko používajú na analýzu roztokov.

Spektrum elektromagnetického žiarenia

Vlastnosti elektromagnetického žiarenia. Elektromagnetické žiarenie s rôznymi vlnovými dĺžkami má pomerne veľa rozdielov, ale všetky, od rádiových vĺn po gama žiarenie, majú rovnakú fyzikálnu povahu. Všetky druhy elektromagnetického žiarenia vo väčšej či menšej miere vykazujú vlastnosti interferencie, difrakcie a polarizácie vĺn. Všetky druhy elektromagnetického žiarenia zároveň vykazujú vo väčšej či menšej miere kvantové vlastnosti.

Spoločné pre všetko elektromagnetické žiarenie sú mechanizmy ich vzniku: elektromagnetické vlny s akoukoľvek vlnovou dĺžkou môžu vznikať pri zrýchlenom pohybe elektrických nábojov alebo pri prechodoch molekúl, atómov či jadier atómov z jedného kvantového stavu do druhého. Harmonické oscilácie elektrických nábojov sú sprevádzané elektromagnetickým žiarením s frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii oscilácií nábojov.

Rádiové vlny. Pri osciláciách s frekvenciami od 10 5 do 10 12 Hz vzniká elektromagnetické žiarenie, ktorého vlnové dĺžky ležia v rozmedzí od niekoľkých kilometrov do niekoľkých milimetrov. Táto časť stupnice elektromagnetického žiarenia sa vzťahuje na rozsah rádiových vĺn. Rádiové vlny sa používajú na rádiovú komunikáciu, televíziu a radar.

Infra červená radiácia. Elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou menšou ako 1-2 mm, ale väčšou ako 8 * 10 -7 m, t.j. tie, ktoré ležia medzi oblasťou rádiových vĺn a oblasťou viditeľného svetla, sa nazývajú infračervené žiarenie.

Infračervené žiarenie vyžaruje akékoľvek vyhrievané teleso. Zdrojom infračerveného žiarenia sú kachle, radiátory na ohrev vody a elektrické žiarovky.

Pomocou špeciálnych prístrojov možno infračervené žiarenie premeniť na viditeľné svetlo a získať snímky vyhrievaných predmetov v úplnej tme. Infračervené žiarenie sa používa na sušenie lakovaných výrobkov, stien budov a dreva.

Viditeľné svetlo.Viditeľné svetlo (alebo jednoducho svetlo) zahŕňa žiarenie s vlnovou dĺžkou približne od 8*10-7 do 4*10-7 m, od červeného po fialové svetlo.

Význam tejto časti spektra elektromagnetického žiarenia v ľudskom živote je mimoriadne veľký, pretože človek dostáva takmer všetky informácie o svete okolo seba prostredníctvom videnia. Svetlo je predpokladom pre rozvoj zelených rastlín a teda nevyhnutnou podmienkou existencie života na Zemi.

Ultrafialové žiarenie. V roku 1801 nemecký fyzik Johann Ritter (1776 - 1810) pri štúdiu spektra objavil

Elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou kratšou ako fialové svetlo, ktoré je pre oko neviditeľné, sa nazýva ultrafialové žiarenie. Ultrafialové žiarenie zahŕňa elektromagnetické žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 4*10-7 do 1*10-8 m.

Ultrafialové žiarenie môže zabíjať patogénne baktérie, preto sa široko používa v medicíne. Ultrafialové žiarenie zo slnečného žiarenia spôsobuje biologické procesy, ktoré vedú k stmavnutiu ľudskej pokožky – opaľovaniu.

Plynové výbojky sa používajú ako zdroje ultrafialového žiarenia v medicíne. Rúry takýchto lámp sú vyrobené z kremeňa, priehľadného pre ultrafialové lúče; Preto sa tieto lampy nazývajú kremenné lampy.

röntgenové lúče. Ak sa vo vákuovej trubici medzi vyhrievanú katódu emitujúcu elektrón a anódu aplikuje konštantné napätie niekoľko desiatok tisíc voltov, elektróny budú najskôr urýchlené elektrickým poľom a potom prudko spomalené v anódovej látke pri interakcii s jej atómov. Pri spomalení rýchlych elektrónov v látke alebo pri prechodoch elektrónov na vnútorných obaloch atómov vznikajú elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou kratšou ako má ultrafialové žiarenie. Toto žiarenie objavil v roku 1895 nemecký fyzik Wilhelm Roentgen (1845-1923). Elektromagnetické žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 10 -14 do 10 -7 m sa nazýva röntgenové žiarenie.

Schopnosť röntgenového žiarenia prenikať cez hrubé vrstvy hmoty sa využíva na diagnostiku chorôb vnútorné orgány osoba. V technike sa röntgenové žiarenie používa na kontrolu vnútornej štruktúry rôznych výrobkov a zvarov. Röntgenové lúče majú silné biologické účinky a používajú sa na liečbu niektorých chorôb. Gama žiarenie. Gama žiarenie je elektromagnetické žiarenie emitované excitovanými atómovými jadrami a vznikajúce pri interakcii elementárnych častíc.

Gama žiarenie- elektromagnetické žiarenie s najkratšou vlnou (<10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.