Шкала електромагнітних хвиль#
Електромагнітні коливання проявляються як поширення енергії електромагнітного поля у просторовому вимірі. Ці хвилі генеруються надзвичайно широким спектром об'єктів – від величезних космічних тіл до найдрібніших частинок атомного світу.
Спектральна класифікація електромагнітних коливань#
Весь діапазон електромагнітних хвиль утворює безперервний спектр, що охоплює величезний діапазон довжин і частот. Залежно від характеристик виділяють такі основні типи:
Радіохвилі
Теплове (інфрачервоне) випромінювання
Видиме світло
Ультрафіолетове випромінювання
Рентгенівське випромінювання
Гамма-випромінювання
Цікаво, що попри різне походження та властивості, всі ці види випромінювання є проявами однієї фізичної сутності – електромагнітних хвиль. Їх об'єднують фундаментальні властивості:
Універсальна швидкість розповсюдження у вакуумі (швидкість світла)
Виникнення внаслідок прискореного руху заряджених частинок
Прояв дуалістичної природи (хвиля-частинка)
Природа демонструє захоплюючий феномен – зі зростанням частоти посилюються квантові аспекти випромінювання, тоді як зі зменшенням частоти стають більш вираженими хвильові характеристики. У візуальному спектрі обидва аспекти майже збалансовані.
Діаграма електромагнітного спектру, що показує різні властивості в діапазоні частот і довжин хвиль. By Inductiveload, NASA - self-made, information by NASA. CC BY-SA 3.0, Link
By NASA - https://science.nasa.gov/ems/, Public Domain, Link
Особливості радіохвильового випромінювання#
Радіохвилі охоплюють діапазон електромагнітних коливань із довжинами від сотень кілометрів до десятих часток міліметра (частоти від кілогерц до терагерц). Головним джерелом цих хвиль є коливання електричного струму в провідниках.
Низькочастотні коливання (наддовгі радіохвилі) формуються навколо провідників із змінним струмом та генераторів електричного струму. Через низьку енергію цього випромінювання (енергія визначається частотою випромінювання, тому оскільки тут низька частота, то й енергія також низька), воно розповсюджується на обмежені відстані й має мінімальний вплив на біологічні системи.
Генерація радіохвиль у технічних системах забезпечується високочастотними генераторами електромагнітних коливань.
Характеристики різних типів радіохвиль
Категорія |
Довжина хвилі |
Поведінка в атмосфері |
Галузі застосування |
|---|---|---|---|
Довгі радіохвилі |
~1-10 км |
Ефективно огинають земну кривизну, що дозволяє організовувати дальній зв'язок. |
Міжконтинентальне мовлення, системи навігації морського транспорту |
Середні радіохвилі |
100 м - 1 км |
Поширюються в радіусі приблизно 1000 км, взаємодіють з іоносферою. Найкраща чутність спостерігається в нічний час через зміни в іоносфері. |
Регіональне радіомовлення |
Короткі радіохвилі |
10-100 м |
Завдяки багаторазовому відбиттю між земною поверхнею та іоносферою здатні охоплювати глобальні відстані. |
Міжнародний радіозв'язок |
Ультракороткі радіохвилі |
0,1 мм - 10 м |
Мають переважно прямолінійне поширення, майже не взаємодіють з іоносферою. Легко піддаються спрямуванню та модуляції, що зменшує розсіювання. |
Мобільний зв'язок, телевізійне мовлення, радіолокаційні системи |
Атмосферна іоносфера відіграє визначальну роль у комунікаційних можливостях радіосигналів, створюючи природний "дзеркальний коридор" для певних частотних діапазонів.
Електромагнітні хвилі оптичного діапазону#
У спектрі електромагнітних коливань оптичний діапазон займає особливе місце. Всі хвилі даного діапазону виникають внаслідок енергетичних трансформацій в атомах, коли відбувається перехід електрона з вищого енергетичного рівня до нижчого. Поглинання атомом певної кількості енергії (кванта) призводить до його збудження. При поверненні до основного стану, поглинута енергія перетворюється на електромагнітне випромінювання у формі світлового кванта. Наприклад, під час зіткнення атомів або молекул частина їх кінетичної енергії може витратитися на збудження (електрон чи електрони перейдуть на вище енергетичні рівні), а потім випромінитися у вигляді електромагнітної хвилі (кванта світла).
Важливою властивістю будь-якого ізольованого атома є здатність випромінювати лише на певних частотах.
Інфрачервоне (теплове) випромінювання#
Довжина хвилі: від ~760 нм до ~1-2 мм
Джерелами інфрачервоного випромінювання є всі об'єкти з температурою вище абсолютного нуля. Ця властивість лежить в основі функціонування тепловізорів (приладів нічного бачення).
Людське око не здатне сприймати інфрачервоне випромінювання через недостатню енергію фотонів для активації нервових клітин сітківки. Однак багато представників тваринного світу мають спеціальні пристосування для сприйняття таких променів.
Помірне інфрачервоне випромінювання зазвичай корисне для людини, але надмірні дози можуть викликати тепловий та сонячний удари
Видиме світло#
Довжина хвилі: від ~380 до ~760 нм
Видиме світло випромінюється дуже нагрітими тілами, при цьому характер випромінювання залежить від температури об'єкта та речовини, з якої він складається.
Випромінювання видимого світла може супроводжуватись хімічними реакціями (хемілюмінесценція).
Видиме світло поділяється на сім основних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий.
Людське око найкраще сприймає світлові хвилі довжиною 555 нм, що відповідають зеленій частині спектра.
Ультрафіолетове випромінювання#
Довжина хвилі: від ~10 до ~400 нм
Основними джерелами ультрафіолетового випромінювання є Сонце, інші зірки, електричні дуги та спеціальні кварцові лампи.
Людське око не реагує на ультрафіолетове випромінювання.
Ультрафіолет характеризується високою хімічною активністю і в значних дозах негативно впливає на організм людини, тому не рекомендується тривале перебування під прямим сонячним випромінюванням.
Водночас помірні дози ультрафіолету корисні, оскільки стимулюють вироблення вітаміну D, зміцнюють імунну систему та підтримують багато важливих функцій організму.
Рентгенівське випромінювання (або X-промені)#
Довжина хвилі: від ~0.01 нм до ~10 нм
За відкриття рентгенівського випромінювання у 1895 році німецький фізик Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923) став першим лауреатом Нобелівської премії.
Рентгенівське випромінювання генерується внаслідок взаємодії швидких електронів з атомами катода в спеціальному пристрої - рентгенівській трубці. Ця трубка представляє собою вакуумну скляну колбу з двома електродами - анодом A і катодом K. Між електродами створюється висока напруга (10-500 кВ), а через катод пропускається електричний струм, що викликає емісію електронів з його поверхні.
Електрони, що випромінюються катодом, прискорюються електричним полем до надзвичайно високих швидкостей. При попаданні на анод вони викликають два типи рентгенівського випромінювання:
Гальмівне - зумовлене різким гальмуванням електронів на аноді
Характеристичне - спричинене збудженням електронних оболонок атомів
Найширше рентгенівське випромінювання використовується в медицині завдяки здатності проникати крізь непрозорі предмети, зокрема людське тіло. Оскільки кісткові тканини менш прозорі для рентгенівських променів порівняно з іншими тканинами організму, вони чітко видимі на рентгенограмі.
Важливо пам'ятати, що рентгенівське випромінювання має руйнівну дію на клітини, тому його застосування вимагає надзвичайної обережності. Крім медицини, рентгенівські промені використовуються в промисловості для виявлення дефектів, у хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження кристалічних структур.
Гамма-випромінювання#
Довжина хвилі: менше 0,01 нм
Гамма-випромінювання представляє собою електромагнітні хвилі з найкоротшою довжиною хвилі в електромагнітному спектрі. Воно утворюється збудженими атомними ядрами під час ядерних реакцій, радіоактивних перетворень та трансформацій елементарних частинок.
Практичне застосування гамма-випромінювання включає:
Дефектоскопію (виявлення внутрішніх дефектів у деталях)
Радіаційну хімію (наприклад, у процесах полімеризації)
Сільське господарство (стерилізація харчових продуктів)
Медицину (стерилізація інструментів та променева терапія)
На біологічні організми гамма-випромінювання чинить мутагенний і канцерогенний вплив. Проте цілеспрямоване й дозоване гамма-випромінювання ефективно використовується для знищення ракових клітин у променевій терапії.
Важливо! У діапазонах рентгенівського та гамма-випромінювання особливо яскраво проявляються квантові властивості електромагнітного випромінювання.