Самая большая длина волны у какого излучения

3. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны различной частоты пронизывают всё пространство вокруг нас. Сейчас они разделены на диапазоны, границы которых условны и имеют общие частоты. Шкала электромагнитных волн демонстрирует распределение электромагнитных волн на диапазоны.

Рисунок \(1\). Шкала электромагнитных волн
\(1\) — радиоволны;
\(2\) — рентгеновское излучение;
\(3\) — гамма-излучение.

В зависимости от частоты электромагнитные волны имеют свою скорость распространения, проникающую способность, цветность, видимость, по-разному действуют на живые организмы.

Радиоволны используются для осуществления радиосвязи, радиолокации, телепередач, космической связи.

Инфракрасное (тепловое) излучение — имеет большое значение для жизни человека, животных, растений, которые могут осуществлять свою деятельность только в определённом интервале температур.

Видимое излучение — видимый свет, который даёт возможность ориентироваться живым организмам в пространстве, видеть окружающие предметы, участвует в реакции фотосинтеза зелёных насаждений, обеспечивающей образование кислорода, обязательного для дыхания.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10\) до \(400\) нм и частотой от \(7,5⋅10^<14>\) до \(3⋅10^\) Гц.

Основной источник УФ-излучения — Солнце. Защитой от ультрафиолета является озоновый слой в атмосфере Земли. В больших дозах вызывает ожог кожи, глаз и раковые заболевания кожи, мутации и старение.

Искусственные источники:

• УФ-лампы с содержанием ртути;
• ртутно-кварцевые лампы;
• люминесцентные лампы дневного света;
• эксилампы;
• светодиоды;
• газовые разряды при электрической сварке;
• аргоновый, азотный, эксимерный лазеры.

УФ-лампы применяют в процессах:

• обеззараживания инструментов, поверхностей, воды и воздуха;
• лечения гнойных воспалений;
• облучения зубных пломб;
• сушки красок и лаков;
• выявления старения лаковой плёнки в реставрации;
• проверки подлинности денежных купюр и документов.

Рентгеновское излучение — электромагнитное излучение длиной волны в интервале от \(10^2\) до \(10^<-3>\) нм и частотой от \(2⋅10^\) до \(6⋅10^\) Гц.

Источником рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки.
Применение рентгеновского излучения в медицине, в промышленности, в науке:

• рентгенография;
• дозиметрия;
• выявление дефектов в изделиях;
• рентгеноструктурный анализ (химия, биология);
• электронные микроскопы
• рентгенотелевизионные интроскопы в аэропортах;
• криптография.

Большие дозы и частые обследования приводят к серьёзным заболеваниям.

Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, обладает большой проникающей способностью, оказывает губительное действие на человека. Гамма-излучение, поступающее из космоса (ядерные реакции в недрах Солнца и звёзд), поглощается атмосферой Земли, благодаря чему сохраняется жизнь на Земле.

Самая большая длина волны у какого излучения

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название	Длина волны, м	Частота, Гц
радиоволны	3·10 5 — 3	10 3 — 10 8
микроволны	3 — 3·10 -3	10 8 — 10 11
инфракрасное излучение	3·10 -3 — 8·10 -7	10 11 — 4 . 10 14
видимый свет	8·10 -7 — 4·10 -7	4·10 14 — 8·10 14
ультрафиолетовое излучение	4·10 -7 — 3·10 -9	8·10 14 — 10 17
рентгеновское излучение	3·10 -9 — 10 -10	10 17 — 3·10 18
гамма-излучение	< 10 -10	> 3·10 18

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ . сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

Частота гамма-излучения (> 3·10 18 Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями — десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Самая большая длина волны у какого излучения

Видимый свет – лишь малая часть огромного мира электромагнитных волн . Эти волны порождаются атомами всех химических элементов. Электромагнитное излучение переносится посредством фотонов – частиц, которые являются минимальным количеством излучения.

Фотоны несутся со скоростью света, эти частицы не имеют массы. Фотону, как частице, присуща некоторая энергия. С другой стороны, каждому фотону можно приписать длину волны или частоту соответствующего излучения. Любая из трех названных величин однозначно задает характеристику фотона. Мы с Вами в дальнейшем поговорим на языке длин волн.

Конечно, усмотреть в луче света волну нельзя. Но давайте оттолкнемся от чего-нибудь более обыденного. Речная волна. Он движется с некоторой скоростью, а вместе с ней движутся все изменения в уровне воды: гребни и впадины, расстояние между которыми одинаково. Как мы уже сказали световая волна, как любая электромагнитная, движется со скорость света, . Вместе с электромагнитной волной движутся перепады напряжений электрических и магнитных полей, изначально порожденных неким атомом. Поэтому, проявив фантазию, можно и в свет представить волной, но только на языке физики и математики.

Какими же бывают электромагнитные волны?

Их свойства различны. И зависят эти свойства от длины волны излучения. Длина волны света очень мала, и привычные для нас единицы измерения не подойдут. Часто в отношение к электромагнитному излучению используют единицу, называемую Ангстремом . В физике ангстрем сокращенно обозначается буквой А с кружочком вверху. Мы на этих страницах обойдемся без кружочка, так как о силе тока, измеряемой в Амперах, которые действительно обозначаются буквой А без всяких кружочков, говорить не станем. Один Ангстрем равен десятимиллионной доле миллиметра.

Все многообразие длин волн электромагнитного излучения разделили на шесть видов, самым привычным из которых для нас является видимый свет.

Диапазон длин волн видимого света заключен фиолетовый цвет) ый цвет). Самой важной характеристикой видимого излучения является, разумеется, его видимость для человеческого глаза. Наверное, не случайно именно видимые лучи электромагнитного излучения земная атмосфера пропускает лучше всего. Наверное, не случайно и то, что и Солнце наиболее активно излучает в видимых лучах. Неслучайность, конечно, заключается в том, что наш глаз эволюция сделала таким.

Самыми ощутимыми для глаза являются желто-зеленые лучи. Специальное покрытие на объективах фотоаппаратов и видеокамер, которое Вы наверняка замечали по сиреневому блеску, как раз призвано пропускать внутрь аппаратуры желто-зеленый свет и отражать не столь ощутимые для глаза лучи. Поэтому нам блеск объектива и кажется некоторой смесью красного и фиолетового. Дальше мы увидим, что видимый свет является лишь малой частичкой всего электромагнитного спектра.

Небезызвестный Вильям Гершель, проводя измерения энергии различных лучей видимого света, случайно обнаружил, что используемые им термометры нагреваются и за границей красного конца спектра. Ученый сделал вывод, что существуют некоторые лучи, продолжающие спектр за красным светом. Эти лучи он назвал инфракрасными . Еще их называют тепловыми, так как инфракрасные лучи излучает любое нагретое тело, даже если оно не светится для глаза. Диапазон инфракрасных волн заключен . это уже полмиллиметра. Итак, диапазон тепловых лучей гораздо шире, чем видимый спектр.

Земная атмосфера пропускает совсем небольшую часть инфракрасного излучения. Оно поглощается молекулами воздуха, и особенно в этом преуспевает углекислый газ. Этот же газ повинен в том, что тепло не столь охотно покидает нашу планету. Световое излучение нагревает поверхность, та излучает тепло, которому обратно в космос выйти не удается. Такой эффект называют парниковым. В космосе углекислого газа немного, поэтому тепловые лучи с небольшими потерями проходят сквозь пылевые облака. Именно благодаря инфракрасному излучению в нашей стране была получена первая фотография центра Галактики, который закрыт от Земли газопылевыми облаками.

Еще б`ольшую длину имеют радиоволны , благодаря которым есть радио « Маяк », канал ОРТ и многообразие сотовых телефонов. Все электромагнитное излучение, длина волны которого больше полумиллиметра, относится к радиоволнам. Это – длинноволновый конец электромагнитного спектра.

Радиоволны в значительной степени без проблем проходят сквозь земную атмосферу, и лишь некоторые из радиоволн, которые называют короткими, отражаются от ионизованного слоя земной атмосферы. Благодаря этому отражению возможна связь между радиостанциями, расположенными на противоположных точках планеты.

Радиоволны несильно поглощаются средой, поэтому изучение Вселенной в радиодиапазоне очень информативно для астрономов.

Излучение, длина волны которого короче, чем у видимых лучей фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым . Это излучение, по большей части, вредно для живых организмов, однако по той же большей части ультрафиолет не проходит сквозь атмосферу Земли. Виной тому небезызвестный озоновый слой, который активно поглощает небезопасные лучи.

Та часть ультрафиолета, которая примыкает к видимым лучам, доходит до поверхности и вызывает у нас с Вами загар. У чернокожих этот загар генетически врожден, ведь загар – защитная реакция кожи на ультрафиолет.

Ультрафиолет, как Вы, наверное, догадываетесь, щедро и во все стороны «разбрасывается» Солнцем. Но как уже говорилось, Солнце сильнее всего излучает в видимых лучах. Напротив, горячие голубые мощный источник ультрафиолетового излучения. Именно это излучение нагревает и ионизует излучающие туманности, благодаря чему мы их и видим. Ультрафиолет, тем самым, легко поглощается газовой средой и из далеких областей Галактики и Вселенной почти к нам не доходит, если на пути лучей есть газопылевые преграды.

Ультрафиолетом считают электромагнитные волны с длиной волны .

Физик Рентген открыл еще более коротковолновое излучение. Недолго думая, эти лучи назвали в честь самого Рентгена. Обладая хорошей проницающей способностью, рентгеновское излучение нашло применение в медицине и кристаллографии. Как Вы, наверное, наслышаны, рентгеновские лучи опять-таки вредны живым организмам. И атмосфера Земли из-за их проницательности, упомянутой только что, им не помеха. Нас выручает магнитосфера Земли. Она задерживает многие опасные излучения космоса.

В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При аккреции вещества вблизи магнитных полюсов релятивистской звезды выделяется много энергии, которая и излучается в рентгеновском диапазоне (здесь – подробнее). Мощные вспышки на Солнце также являются источниками рентгеновского излучения.

Длины волн лучей Рентгена заключены .

Самые короткие волны (меньше 0,1 А) у гамма-лучей . Это самый опасный вид радиоактивности, самое опасное электромагнитное излучение. Энергия фотонов гамма-лучей очень высока, и их излучение происходит при некоторых процессах внутри ядер атомов. Примером такого процесса может быть аннигиляция – взаимоуничтожение частицы и античастицы с превращением их массы в энергию. Регистрируемые, время от времени, таинственные гамма-вспышки на небе пока никак не объяснены астрономами. Ясно, что энергия явления, производящего вспышки, просто грандиозна. По некоторым подсчетам, на секунды, которые длится такая вспышка, она излучает больше энергии, чем вся остальная Вселенная.

Гамма-излучение не пропускается к Земле ее магнитосферой.

Итак, электромагнитный спектр очень пестр. Из всего этого многообразия человек воспринимает тепло и видимый свет. Коротковолновые виды излучений пагубно влияют на человека, но самих излучений он не чувствует. Атмосфера и магнитосфера Земли пропускают к поверхности видимый свет, малую часть инфракрасного и ультрафиолетового излучений, а также часть радиоволн.

Свойства электромагнитного излучения зависят от его длины волны. Напомним, что чем больше длина волны, тем меньше частота излучения. Поэтому то, что принято называть «длинноволновым», называют иногда и «низкочастотным». Это одно и то же. Третьим синонимом служит показатель энергии. Чем выше частота излучения, тем больше его энергия. С повышением энергии связано вредное влияние излучения на живые организмы. Люди тоже живые, но значительно сильнее своими знаниями. О том, с помощью чего люди изучают электромагнитное излучение, читайте в следующем разделе

Физические основы тепловидения

ИК излучение – один из частных видов электромагнитных волн. В 1832 году Фарадей высказал предположение о существовании элек­тромагнитных волн. В 1865 году Максвелл теоретически доказал, что элек­тромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, из чего ученый сделал вывод, что и свет представляет собой, по существу, электромагнитные волны. Герц в 1888 году в опытах подтвердил правиль­ность теории Максвелла. Эти открытия позволили доказать, что радиоволны, видимый спектр света, рентгеновские лучи и гамма лучи – это проявление электромагнитных колебаний с различной длиной волны, причем на этой шкале электромагнитных волн между двумя соседними диапа­зонами нет резкой границы.

На существование невидимых глазом тепловых лучей указывал еще в 1791 году французский физик Пьер Прево, однако честь их открытия в 1800 году принадлежит Гершелю, который дал им название «инфракрасные лучи». ИК излучение занимает на шкале электромагнитных волн спектральную область между концом красного цвета видимой части спектра (с длиной волны равной 0,74 мм) и коротковолновым радиоизлучением (длина волны равная 1-2 мм). Для удобства инфракрасную область спектра условно раз­деляют на отдельные участки. В частности, В.В.Зарецкий и А.Г.Выховская (1976) различают ближнее ИК излучение (0,76-1,5 мкм), корот­коволновое (1,5-5,5 мкм), длинноволновое (5,6-25 мкм) и дальнее (25-1000 мкм).

Человек как биологическое тело, имеющее температуру в интервале от 31 до 42°С, является источником преимущественно ИК излу­чения. Основная часть собственного излучения кожи человека приходится на диапазон волн с длиной от 4 до 50 мкм. Максимальная спектральная плот­ность лежит в диапазоне около 10 мкм, то есть в длинноволновой области ИК излучения. Точнее можно распределить инфракрасное излучение кожи человека следую­щим образом: на излучение с длиной волны до 5 мкм приходится до 1% все­го излучения, с длиной волны от 5 до 9 мкм – 20% , от 9 до 16 мкм – 30% и на более длинноволновое излучение – 41%.

Исследования Харди (Hardy) (1934,1938) показали, что в длинно­волновой ИК области (8-14 мкм) кожа человека излучает как абсолютно чер­ное тело независимо от возраста, степени пигментации и других особенностей. Поэтому коэффициент излучения кожи человека можно считать равным единице. На практике доказано, что раз­личие между характеристиками излучения кожи человека и абсолютно черно­го тела все же существует, но оно невелико и зависит, в основном, от влияния окружающего фона. В.В.Зарецкий и соавт. (1976) указывают, что при проведении измерений в помещении с тем­пературой 22°С температура кожи человека будет отличаться от истинной на 0,3°С. Это правило нельзя отнести к излучению с длиной волны короче 5 мкм, но доля этого излучения небольшая по сравнению с общим ИК излучением (не более 1%).

Любое нагретое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (273 о К), в том числе организм человека, излучает электромагнитные волны в широком спектре частот. Физическая сущность теплового радиоизлучения заключается в наличии заряженных частиц (электроны, ионы), которые находятся в хаотическом движении и обладают свойствами электрической или магнитной полярности. Электромагнитные волны распространяются по всему объему тела, достигают поверхности и, пройдя через кожу, частично излучаются в окружающую среду. Интенсивность этих процессов пропорциональна температуре тела и его излучательной способности. Поскольку движение частиц хаотическое, они создают радиоволны различной длины.

Глубина эффективного измерения температуры равна толщине излучающего слоя (скинн-слой) и определяется как расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна от поверхности объекта до того слоя, в котором ее интенсивность уменьшается в 2,73 раза. При прочих равных условиях чем больше длина волны, тем больше глубина, с которой можно регистрировать температурные возмущения. Максимум интенсивности теплового радиоизлучения при обычной температуре окружающей среды лежит в инфракрасной области спектра (на длине волны около 10 мкм). Это обусловило целесообразность создания ИК тепловидения (термографии) для исследования температурных аномалий. Однако, измерение теплового излучения тела человека в ИК диапазоне дает истинную температуру только самого верхнего слоя кожи толщиной в доли миллиметра. О температуре подлежащих тканей и органов можно судить опосредованно и только, когда температурные изменения «проецируются» на кожные покровы.

Интенсивность теплового излучения тела человека в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне на несколько порядков меньше, чем в ИК части спектра. В частности, на длине волны 17 см она меньше в 10 раз, поэтому для регистрации тепловых сигналов в этом диапазоне требуется аппаратура с более высокой чувствительностью. Преимуществом данного диапазона измерений является то, что глубина проникновения излучения гораздо больше, и можно получать данные о температурных параметрах от внутренних органов и структур тела человека, однако значительно уменьшается пространственная разрешающая способность, вследствие чего нельзя получить тепловой портрет исследуемой области.

Медицинское тепловидение – это метод дистантной визуализации ИК излучения тканей, осуществляемый с помощью специальных оптико-электронных приборов – тепловизоров.

Существующие в настоящее время способы регистрации ИК излучения кожи человека можно разделить на две группы – контактные и дистанционные. Классическим представителем контактного метода регистрации ИК из­лучения является контактная пластинчатая термография жидкими кристаллами. В основе метода лежит способность холестерических кристаллов изменять цвет в зависимости от интенсивности и волнового диапазона инфракрасного излучения поверхностей, на которую они нанесены.

Основным элементом всех дистанционных методов регистрации ИК лучей является чувствительный приемник ИК излучения. Существующие в настоящее время приемники дистанционной регистрации ИК лучей подразделяются на избирательные и неизбирательные.

К неизбирательным (неселективным) приемникам относятся устройства, которые одинаково хорошо улавливают ИК излучение в диапазоне длин волн от 0,74 до 2000 мкм. К приемникам такого типа относятся: болометр, термопара, термоэлемент.

В качестве избирательных (селективных) приемных устройств и приборов, дистанционно регистрирующих ИК излучение, используются фоторезисторы. Как правило, они работают в определенном диапазоне ИК излучения и являются весьма чувствительными (до 0,03 о С) и малоинерционными. В настоящее время широко применяются фотосопротивления из сурьмянистого индия, сульфида свинца, селенида, теллурида свинца, германиевые, сложные ртутно- кадмиево-теллуристые. Все они, охлаждаемые жидким азотом (-196 о С) или жидким аргоном (-186 о С), приобретают высокую чувствительность в своем диапазоне ИК излучения.

Тепловой поток от объекта исследования попадает на фоторезистор и изменяет его электрическое сопротивление, которое пропорционально количеству падающей на него ИК энергии. Так как электрические величины на выходе фоторезистора чрезвычайно малы, то для визуализации изображения используется каскад усилителей. Изображение объекта получается на экране электронно-лучевой трубки. С учетом того обстоятельства, что глаз человека лучше улавливает цветовую гамму, нежели черно-белую картину, созданы тепловизоры, обеспечивающие получение цветной термограммы.

Существуют фоторезисторы на основе кадмия, которые действуют при комнатной температуре, без охлаждения жидким азотом или аргоном, что делает их более удобными в работе. Это – пировидиконы.