Оглавление:
Различные виды электромагнитных излучений и их практическое применение
Электромагнитное излучение — это, во-первых, процесс образования свободного электромагнитного поля при неравномерном движении и взаимодействии электрических зарядов; во-вторых, это свободное электромагнитное поле (электромагнитные волны).
Существование поля излучения (т. е. электромагнитной волны) является следствием того, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме с конечна: 
(т.е. того, что верна теория близкодействия, а не дальнодействия). Изменение движения заряда изменяет поле на расстоянии 
от него только через промежуток времени 
. Поэтому даже если убрать источник излучения, поле продолжает существовать, а это означает, что электромагнитное поле обладает импульсом и энергией.
Плотностью потока электромагнитного излучения 
называют отношение электромагнитной энергии 
, проходящей за единицу времени 
через единицу площади 
поверхности, перпендикулярной лучу:
Другими словами, это мощность электромагнитного излучения на единицу площади. Плотность потока электромагнитного излучения измеряется в ваттах на квадратный метр 
.
Легко показать, что плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии 
(энергия в единице объёма) на скорость её распространения: 
.
Точечным источником излучения называется источник, размеры которого намного меньше расстояния, на котором оценивается его действие. Это идеализация, подобная материальной точке. Хорошим приближением к точечному источнику являются звёзды.
Если поместить точечный источник в центр сферы радиусом 
, то становится понятно, что плотность потока излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:
Можно показать, что плотность потока излучения пропорциональна четвёртой степени частоты:
Это следует из того, что напряжённость электромагнитного поля и магнитная индукция пропорциональны ускорению а излучающих частиц, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату частоты: 
. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей: 
, откуда следует формула (3.27).
Таким образом, из вышеизложенного следует, что:
1) электромагнитное поле переносит энергию;
2) плотность потока излучения (интенсивность электромагнитной волны) равна произведению плотности энергии на скорость её распространения;
3) интенсивность волны пропорциональна четвёртой степени частоты и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.
Виды излучений
К оптическому излучению относятся электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от нескольких нанометров до десятых долей миллиметра (диапазон частот 
).
К оптическому излучению помимо воспринимаемого глазом видимого излучения (обычно называемого светом), относятся инфракрасное излучение (диапазон частот — 
, диапазон длин волн 1 мм … 0,8 мкм) и ультрафиолетовое излучение (диапазон частот 
, диапазон длин волн 380 нм … 10 нм).
Все перечисленные ниже виды излучений объединяет следующее: электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц, входящих в состав атома, — электронов и ионов. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию, или возбудить. Излучая, атом теряет полученную энергию, а для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии извне. Тепловое излучение — наиболее простой и распространённый вид излучения, при котором потеря атомами энергии на излучение света компенсируется за счёт энергии теплового движения атомов или молекул излучающего тела. Чем выше температура тела, тем больше кинетическая энергия его атомов или молекул, тем интенсивнее свечение тела.
Естественными тепловыми источниками света являются Солнце и звёзды. К искусственным тепловым источникам света относятся те приборы, в основе которых лежит излучение, вызванное нагревом рабочего тела, например электрические лампочки (нагрев спирали), пламя газовой горелки, свечи.
Люминесценция — это излучение, избыточное над тепловым излучением тела и по длительности значительно превышающее период световых колебаний. Другими словами, если нераскалённое тело, скажем, при комнатной температуре светится, это свечение называется люминесценцией. Причины, вызывающие такое свечение, могут быть разными — от облучения ультрафиолетовым излучением, электронами, рентгеновскими лучами до механических воздействий (трение) или воздействия электрическим полем. Рассмотрим некоторые виды люминесценции.
Фотолюминесценция — свечение тел, вызванное облучением светом, как правило, ультрафиолетовыми лучами. Квант света поглощается атомом, переводит его на возбуждённый уровень. Через некоторое время атом возвращается на основной уровень, излучая квант света. Излучаемый при фотолюминесценции свет, как правило, имеет большую длину волны, чем возбуждающий фотолюминесценцию.
Явление фотолюминесценции плодотворно исследовалось советским физиком С. И. Вавиловым.
Это явление широко используется в осветительной технике, например, в люминесцентных и газосветных лампах.
Катодолюминесценция — это свечение твёрдых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция — свечение, являющееся результатом возбуждения атомов или молекул энергией, выделяющейся при химических реакциях. Источник света остаётся холодным.
Электролюминесценция — свечение тела, вызванное электрическим разрядом. Например, при разряде в газах электроны получают большую кинетическую энергию. При столкновении с атомами газа они отдают часть своей кинетической энергии на возбуждение атомов газа, которые излучают её в виде световых волн.
Северное сияние — это проявление электролюминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Эти заряженные частицы возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоёв атмосферы, благодаря чему эти слои светятся. Электролюминесценция используется в неоновых лампах.
Рентгеновское излучение возникает в диапазоне 
Рентгеновское излучение было открыто в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном. Изучая ускоренное движение заряженных частиц в закрытой чёрным картоном разрядной трубке, Рентген обнаружил свечение экрана, покрытого солью бария, находящегося на некотором расстоянии от трубки. Излучение высокой проникающей способности, испускаемое заряженными частицами в трубке, Рентген назвал Х-лучами. Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутренних оболочек атомов или молекул, а также ускоренно движущиеся свободные электроны. Подобно видимому свету, оставляющему тень за непрозрачными предметами, рентгеновское излучение (как его стали называть впоследствии) тоже оставляло такие тени. Однако проникающая способность этого излучения была столь велика, что Рентген мог рассматривать скелет собственной руки на экране. Рентгеновские лучи могут проникать через толстую книгу, деревянную доску толщиной несколько сантиметров, металлическую пластинку толщиной около сантиметра.
Дифракция рентгеновских лучей. Для доказательства волновой природы рентгеновских лучей немецкий физик Макс Лауэ направил узкий пучок этих лучей на кристалл, за которым была расположена фотопластинка. Целью эксперимента было наблюдение дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решётке, период которой — расстояние между атомами — составляет порядка 
. Опыт блестяще удался. На рис. 151 представлена полученная картина дифракции — лауэграмма. Наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли небольшие регулярно расположенные пятнышки вокруг центрального пятна, появление которых можно объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла.
Рентгеновское излучение применяется в рентгеноструктурном анализе (исследование структуры кристаллической решётки), при изучении структуры молекул, при обнаружении дефектов в образцах, в медицине, криминалистике.
Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови.
Создание приёмников рентгеновского излучения и размещение их на космических станциях позволило обнаружить излучение сотен звезд, а также оболочек сверхновых звезд и целых галактик.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Производство, передача и потребление электрической энергии в физике |
| Трансформатор в физике |
| Применение радиоволн в физике |
| Скорость света и её измерение в физике |
