Спектры шкалы электромагнитных излучений
Шкала электромагнитных волн или излучений представляет собой ряд диапазонов электромагнитных волн, которые распределяются в соответствии с частотой. Распространяющиеся в пространстве периодически изменяющиеся вихревые электрическое и магнитное поля представляют собой электромагнитные колебания.
Общее понятие
Свойства электромагнитных колебаний открыты в начале XIX века английским ученым Д. К. Максвеллом. Физик считал, что электромагнитные волны перпендикулярны направлению распространения волны, ее скорости. Но электромагнитное поле существует отдельно от указанных выше двух. Магнитное и электрическое поля, взаимодействуя друг с другом, действуют на заряженные частицы поверхности волнового фронта, создают поле, существующее независимо, обладающее собственными свойствами.
Электромагнитные волны могут распространяться в разных средах, в том числе и в вакууме. Само поле — материя, которая распространяется в среде. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, т. е. 3*10 в 8 степени м/с. Значение не затухает, проходя через пространство, постоянно.
Шкала электромагнитных излучений показывает, как один качественный вид излучений переходит в другой по мере того, как изменяются взаимосвязанные количественные показатели частоты, длины волны. Один из видов диапазонов излучений — видимый свет.
Дополнительные цвета спектра
Спектр видимого света содержит как основные, так и дополнительные цвета. Каким образом можно получить дополнительные цвета? Их получение основано на опыте И. Ньютона, который в 1671 году, используя призму, разложил белый луч солнечного света на спектр: последовательно расположенные красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый цвета.
Дополнительные цвета спектра получаются разными способами:
- Если разделить спектр на две части (красно-оранжево-желтую и зелено-сине-фиолетовую), две смеси из трех первых и трех вторых дадут два цвета. Особенность последних такова, что если собрать их вместе линзой, снова получается белый.
- Если физически закрыть в спектре один цвет, затем собрать линзой оставшиеся цвета, полученный цвет будет дополнительным по отношению к закрытому. Например, если закрыть зеленый, соберется красный, закрывая желтый — фиолетовый. Красный цвет будет дополнительным к зеленому, а фиолетовый — к желтому.
Замкнув последовательность цветов спектра в круг, получим схему, называемую спектральным кругом.
Первичные дополнительные цвета:
- красный и зеленый;
- желтый и фиолетовый;
- синий и оранжевый.
Таблица 1. Дополнительные цвета.
| Выделенная часть | Красная | Оранжевая | Желтая | Желто-зеленая | Зеленая | Голубовато-зеленая |
| Цвет смеси оставшихся лучей | Голубовато-зеленый | Голубой | Синий | Фиолетовый | Пурпурный | Красный |
При смешении дополнительных цветов, что доказано опытным путем, чистый цвет получить уже невозможно — любая примесь дополнительного цвета к основному снижает насыщенность.
Спектр солнечного излучения
Солнце — источник жизни на планете, источник излучения, солнечного света, несущего энергию.
В электромагнитный спектр солнечного света включаются три разных вида волн:
- ультрафиолетовое излучение;
- видимый свет;
- инфракрасное излучение.
Первый последовательный вид обладает наиболее низкими частотами и относительно длинной волной, последний — высокими частотами и короткой волной.
Видимая часть спектра
Д. К. Максвелл сделал вывод, что видимый свет — один из видов электромагнитных излучений, спектр видимого солнечного света состоит из семи цветов. Человек может увидеть, как в призме, преломляясь, свет распадается на семь цветов, может любоваться преломленным в каплях дождя светом, глядя на радугу.
Цвета распределены на шкале в соответствии с частотой и на шкале занимают маленький отрезок, умещаются в сравнительно небольшом диапазоне, но это все, что можно увидеть глазами. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, с меньшими и большими значениями, уже недоступны человеческому зрению.
В радуге один цвет постепенно переходит в другой согласно определенной последовательности, отображающей распределение цветов при разделении луча видимого света белого цвета. Свойства цвета (красного, синего, желтого) определяются свойствами длины соответствующих волн.
Видимая часть солнечного спектра — часть спектра, которая при воздействии на орган зрения вызывает зрительные ощущения. Наиболее сильные отзывы в человеческом глазу вызывает желто-зеленый луч, остальные менее чувствительны. Лучи, видимые глазу, обладают длиной волны в пределах 400–760 нм. Глазу доступны некоторые более длинноволновые и более коротковолновые лучи при их достаточной интенсивности.
Свет важен для человека. Раздражая орган зрения, свет активизирует обмен веществ, улучшает самочувствие, вдохновляет, способствует повышению работоспособности. Можно заметить, что недостаточное освещение приводит к снижению активности, на предприятиях приводит к ошибкам, производственным травмам.
Шкала электромагнитных излучений
Отличаясь друг от друга количественно, электромагнитные волны определенным образом могут быть получены с использованием приборов. Существуют естественные и искусственные источники явления. Помимо приборов и источников волн на Земле, электромагнитные волны излучаются и космическими объектами.
Низкочастотные волны, радиоволны, инфракрасное световое излучение, оптическое излучение, рентгеновские спектры, невидимые излучения гамма — различные участки условной шкалы, показывающей области λ — области длин волн.
Таблица спектра электромагнитных излучений
| Название | Длина волн | Частота | Источники, | Космические источники |
| Низкочастотные излучения | более 10000м | 0-30 кГц | Генератор переменного тока, домашняя и офисная электротехника, ЛЭП и др. | Магнитное поле Земли |
| Радиоволны | 1мм-10000м | 30кГц-300ГГц | Переменный ток в колебательном контуре, полупроводниковые приборы | Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы, облака межзвездного газа, реликтовое излучение на ранней стадии расширения Вселенной, квазары |
| Инфракрасное световое излучение | 1мм-780нм | 300ГГц-429ТГц | Тепловые источники, лазер, ртутно-кварцевая лампа | Солнце, межзвездная и околозвездная пыль, реликтовое излучение на ранней стадии расширения Вселенной, планеты, малые тела Солнечной системы |
| Видимое излучение световое | 780-380нм | 429-750ТГц | Лампа накаливания, пламя, молния, лазер | Солнце, другие звезды (с температурой 10-100 тысяч градусов) |
| Ультрафиолетовое излучение | 380-10нм | 7,5*1000000000000000-3*100000000000000000Гц | Углеродная дуга | Солнце, горячие Звезды, высокотемпературная плазма |
| Рентгеновское излучение | 10-5*10в-3 степени нм | 3*100000000000000000-6*100000000000000000000Гц | Рентгеновская трубка | Солнце, нейтронные звезды и, возможно, черные дыры, шаровые звездные скопления, к внегалактическим источникам – квазары, отдаленные галактики и их скопления. |
| Гамма-излучение | менее 5*10 в 3 степени нм | более 6*100000000000000000000 Гц | Атомные ядра, Кобальт-60 | Солнце, фоновое Космическое излучение, некоторые пульсары (нейтронные звезды), сверхновые звезды, Млечный Путь, области галактического центра, многих галактик и квазаров |
Чувствительность человеческого глаза
Одно из главных свойств электромагнитных волн является степень их поглощения веществом. Различие можно обнаружить между длинноволновыми и коротковолновыми излучениями. Первые поглощаются с гораздо большей интенсивностью, чем коротковолновые, однако обладают дополнительным свойством: при поглощении обнаруживают свойства частиц.
Преобразуя энергию, идущую от источника видимого светового диапазона, в зрительной системе человек получает сигналы из окружающей среды. Свет попадает на сетчатку глаза, возбуждает фоторецепторы, от которых сигнал передается в нейронные связи коры головного мозга, находящиеся в затылочной доле коры больших полушарий. В головном мозге в результате подобных преобразований формируется зрительный образ.
Развиваясь эволюционно, человеческий глаз сформировался наилучшим образом для восприятия солнечного света. В результате зрительный орган современного человека улавливает электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 400–750 нм (видимое излучение). От более низковолновых излучений (ультрафиолета) глаз защищен областью хрусталика с низкой прозрачностью.
Определение спектральных границ чувствительности глаза
Зная законы преломления света, можно опытным путем определить спектральную чувствительность глаза. Основной инструмент — дифракционная решетка с определенным периодом.
Луч света, проходя через решетку, попадает на сетчатку. Глаз играет роль линзы, собирающей лучи в пучок, результат зависит от угла луча. Опыт доказывает, что чувствительность человеческого глаза совпадает с диапазоном видимого света по шкале.
Электромагнитная природа света
На заре изучения природы света до открытия электромагнитных световых волн существовали различные мнения. Так, история открытия гласит, что из рассуждений И. Ньютона развилась теория о свете как о потоке частиц, квантов, об электрических колебаниях, а из рассуждений Х. Гюйгенса — волновая теория света.
Согласно квантовой теории, от источников энергии атомов последняя передается веществу, то же происходит и с энергией квантов. Волны светового спектра излучений обладают квантовыми свойствами.
Электромагнитная природа света была доказана и описана при помощи формул Д. К. Максвеллом.
Теоретическое исследование природы электромагнитных излучений принесло несомненную пользу человечеству. Явление стало применяться в медицине, быту, радиовещании и многих других областях.
