Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. Обладает квантовыми свойствами «дуализм волна-частица».
Наиболее известным примером электромагнитного излучения является видимый свет. Скорость распространения электромагнитного излучения равна скорости света.
Характеристики электромагнитного излучения[]
Особенности электромагнитных волн:
- наличие трёх взаимноперпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
Волновые свойства[]
Электромагнитные волны — это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.
Квантовые свойства[]
Квантовые свойства излучения проявляются при взаимодействии излучения с веществом — в частности, испускание и поглощение излучения происходит дискретными порциями.
Энергия кванта электромагнитного излучения определяется выражением:
- где = 6,63×10−34 Дж·с (постоянная Планка), — частота волны.
Полезно заметить, что для длины волны = 1000 нм энергия соответствующего кванта составляет 1,24 эВ, то есть приблизительно один электрон-вольт. На красном конце видимого спектра формула даёт 1,6 эВ, на фиолетовом — 3 эВ.
Диапазоны электромагнитного излучения[]
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.
| Название диапазона | Длины волн, λ | Частоты, ν | Источники | |
|---|---|---|---|---|
| Радиоволны | Сверхдлинные | 100 — 10 км | 3 — 30 кГц | Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры). |
| Длинные | 10 км — 1 км | 30 кГц — 300 кГц | ||
| Средние | 1 км — 100 м | 300 кГц — 3 МГц | ||
| Короткие | 100 м — 10 м | 3 МГц — 30 МГц | ||
| Ультракороткие | < 10 м | > 30 МГц | ||
| Оптическое излучение | Инфракрасное (тепловое) | 760 нм — 2 мм | > 1.5×1011 Гц (11 октав) | Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. |
| Видимое (видимый свет) | 400—760 нм | (1 октава) | ||
| Ультрафиолетовое | 10 — 400 нм | < 3×1016 Гц (5 октав) | Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. | |
| Жёсткие лучи | Рентгеновские | 10 — 10-2нм | 3×1016 — 6×1019 Гц | Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. |
| Гамма | 10-1 — 10-6 нм | 3×1020 — 1023 | Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. | |
Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).
Жёсткие лучи. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ.
Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов[]
Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.
Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн можно описать с помощью соотношений электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.
Радиоволновые излучения[]
Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.
Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Оптическое излучение[]
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-жёлтым светом. Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения. При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие.
Кроме теплового излучения источником и приёмником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии.
Жёсткое излучение[]
В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.
Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.
История исследований[]
Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 г.
В 1865 году английский физик Дж. Максвелл расчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.
В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путем.
См. также[]
- Волна
- Радиобиология неионизирующих излучений
- Фотоэффект
- Эффект Комптона
Литература[]
- Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874 — 876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
|
Это незавершённая статья по физике. Вы поможете проекту, исправив и дополнив её.
|