Електромагнітне випромінювання, енциклопедія Навколосвіт

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

РАДІОХВИЛІ, електромагнітні хвилі, порушувані різними випромінюють об'єктами, - зарядженими частинками, атомами, молекулами, антенами та ін. Залежно від довжини хвилі розрізняють гамма-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове випромінювання, видиме світло, інфрачервоне випромінювання, радіохвилі і низькочастотні електромагнітні коливання.

Може здатися дивним, що зовні такі різні фізичні явища мають загальну основу. Справді, що спільного між шматочком радіоактивної речовини, рентгенівською трубкою, ртутної газорозрядної лампою, лампочкою ліхтарика, теплою грубкою, радіомовної станцією і генератором змінного струму, підключеним до лінії електропередачі? Як, втім, і між фотоплівкою, оком, термопарою, телевізійною антеною і радіоприймачем. Проте, перший список складається з джерел, а другий - з приймачів електромагнітного випромінювання. Впливу різних видів випромінювання на організм людини теж різні: гамма і рентгенівське випромінювання пронизують його, викликаючи пошкодження тканин, видиме світло викликає зорове відчуття в оці, інфрачервоне випромінювання, падаючи на тіло людини, нагріває його, а радіохвилі і електромагнітні коливання низьких частот людським організмом і зовсім не відчуваються. Незважаючи на ці явні відмінності, всі названі види випромінювань - по суті різні боки одного явища.

Взаємодія між джерелом і приймачем формально полягає в тому, що при кожній зміні в джерелі, наприклад при його включенні, спостерігається певна зміна в приймальнику. Ця зміна відбувається не відразу, а через деякий час, і кількісно узгоджується з уявленням про те, що щось переміщується від джерела до приймача з дуже великою швидкістю. Складна математична теорія і величезна кількість різноманітних експериментальних даних показують, що електромагнітне взаємодія між джерелом і приймачем, розділеними вакуумом або розрідженим газом, може бути представлено у вигляді хвиль, що поширюються від джерела до приймача зі швидкістю світла с.

Швидкість поширення у вільному просторі однакова для всіх типів електромагнітних хвиль від гамма-променів до хвиль низькочастотного діапазону. Але число коливань в одиницю часу (тобто частота f) змінюється в дуже широких межах: від декількох коливань в секунду для електромагнітних хвиль низькочастотного діапазону до 10 20 коливань в секунду в разі рентгенівського і гамма-випромінювань. Оскільки довжина хвилі (тобто відстань між сусідніми горбами хвилі; рис. 1) дається виразом l = с / f. вона теж змінюється в широких межах - від декількох тисяч кілометрів для низькочастотних коливань до 10 -14 м для рентгенівського і гамма-випромінювань. Саме тому взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною настільки по-різному в різних частинах їх спектра. І все ж всі ці хвилі споріднені між собою, як споріднені водяна брижі, хвилі на поверхні ставка і штормові океанські хвилі, теж по-різному впливають на об'єкти, що зустрічаються на їхньому шляху. Електромагнітні хвилі істотно відрізняються від хвиль на воді і від звуку тим, що їх можна передати від джерела до приймача через вакуум або міжзоряний простір. Наприклад, рентгенівські промені, що виникають у вакуумній трубці, впливають на фотоплівку, розташовану далеко від неї, тоді як звук дзвіночка, що знаходиться під ковпаком, почути неможливо, якщо відкачати повітря з-під ковпака. Око сприймає йдуть від Сонця промені видимого світла, а розташована на Землі антена - радіосигнали віддаленого на мільйони кілометрів космічного апарату. Таким чином, ніякої матеріальної середовища, на зразок води або повітря, для поширення електромагнітних хвиль не потрібно.

Джерела електромагнітного випромінювання.

Незважаючи на фізичні відмінності, у всіх джерелах електромагнітного випромінювання, будь то радіоактивну речовину, лампа розжарювання або телевізійний передавач, це випромінювання збуджується рухаються з прискоренням електричними зарядами. Розрізняють два основних типи джерел. У «мікроскопічних» джерелах заряджені частинки стрибками переходять з одного енергетичного рівня на інший усередині атомів або молекул. Випромінювачі такого типу випускають гамма, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме і інфрачервоне, а в деяких випадках і ще більш довгохвильове випромінювання (прикладом останнього може служити лінія в спектрі водню, відповідна довжині хвилі 21 см, яка відіграє важливу роль в радіоастрономії). Джерела другого типу можна назвати макроскопическими. У них вільні електрони провідників здійснюють синхронні періодичні коливання. Електрична система може мати найрізноманітніші конфігурації і розміри. Системи такого типу генерують випромінювання в діапазоні від міліметрових до найдовших хвиль (в лініях електропередачі).

Гамма-промені випускаються мимовільно при розпаді ядер атомів радіоактивних речовин, наприклад радію. При цьому відбуваються складні процеси зміни структури ядра, пов'язані з рухом зарядів. Генеруюча частота f визначається різницею енергій E1 і E2 двох станів ядра: f = (E1 - E2) / h. де h - постійна Планка. Див. Також ПЛАНКА ПОСТІЙНА.

Рентгенівське випромінювання виникає при бомбардуванні в вакуумі поверхні металевого анода (антикатода) електронами, що володіють великими швидкостями. Швидко вповільнюючись в матеріалі анода, ці електрони випускають так зване гальмівне випромінювання, що має безперервний спектр, а що відбувається в результаті електронного бомбардування перебудова внутрішньої структури атомів анода, в результаті якої атомні електрони переходять в стан з меншою енергією, супроводжується випусканням так званого характеристичного випромінювання, частоти якого визначаються матеріалом анода.

Такі ж електронні переходи в атомі дають ультрафіолетове і видиме світлове випромінювання. Що ж стосується інфрачервоного випромінювання, то воно зазвичай є результатом змін, мало зачіпають електронну структуру і пов'язаних переважно зі змінами амплітуди коливань і обертального моменту імпульсу молекули.

В генераторах електричних коливань є «коливальний контур» того чи іншого типу, в якому електрони здійснюють вимушені коливання з частотою, що залежить від його конструкції і розмірів. Найбільш високі частоти, відповідні міліметровим і сантиметровим хвилях, генеруються Клістрони і магнетронами - електровакуумними приладами з металевими об'ємними резонаторами, коливання в яких порушуються струмами електронів. В генераторах більш низьких частот коливальний контур складається з котушки індуктивності (індуктивність L) і конденсатора (ємність C) і збуджується лампової або транзисторної схемою. Власна частота такого контуру, яка при малому загасанні близька до резонансної, дається виразом.

Змінні поля дуже низьких частот, що використовуються для передачі електричної енергії, створюються електромашинними генераторами струму, в яких ротори, що несуть дротові обмотки, обертаються між полюсами магнітів.