Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technologii Heinrich Rudolf. Podsumowanie lekcji Skala fal elektromagnetycznych. Właściwości fal elektromagnetycznych o różnych zakresach częstotliwości. Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technologii Zasięgi promieniowania i materia

Fale elektromagnetyczne to drgania elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością, zależną od właściwości ośrodka. Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się polem elektromagnetycznym.

Niemal nie sposób przecenić znaczenia fal elektromagnetycznych w kontekście ich wykorzystania w działaniu nowoczesnej technologii. Zastosowania: Transmisje radiowe. Transmisja telewizyjna Komunikacja mobilna Wi-Fi i Bluetooth. Urządzenia

Zastosowanie fal elektromagnetycznych w życiu codziennym Źródłami promieniowania o niskiej częstotliwości (0 - 3 kHz) są wszelkie systemy służące do wytwarzania, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej (linie energetyczne, podstacje transformatorowe, elektrownie, różne systemy kablowe), elektronika domowa i biurowa i sprzętu elektronicznego, w tym m.in. monitorów komputerowych, transportu o napędzie elektrycznym, transportu kolejowego i jego infrastruktury, a także transportu metrem, trolejbusem i tramwajem.

Do źródeł promieniowania o wysokiej częstotliwości (od 3 kHz do 300 GHz) zalicza się nadajniki funkcjonalne – źródła pól elektromagnetycznych służące do przesyłania lub odbierania informacji. Są to nadajniki komercyjne (radio, telewizja), radiotelefony (samochodowe, radiotelefony, CB radio, nadajniki amatorskie, radiotelefony przemysłowe), radiokomunikacja kierunkowa (radiokomunikacja satelitarna, naziemne stacje przekaźnikowe), nawigacja (ruch lotniczy, żegluga, punkt radiowy). , lokalizatory (komunikacja lotnicza, spedycja, lokalizatory transportu, kontrola transportu lotniczego).

Źródłem pola elektromagnetycznego w pomieszczeniach mieszkalnych jest różnorodny sprzęt elektryczny - lodówki, żelazka, odkurzacze, piekarniki elektryczne, telewizory, komputery itp., A także instalacja elektryczna mieszkania. Na środowisko elektromagnetyczne mieszkania wpływa wyposażenie elektryczne budynku, transformatory i linie kablowe. Pole elektryczne w budynkach mieszkalnych mieści się w przedziale 1 -10 V/m. Mogą jednak występować punkty wysokiego poziomu, takie jak nieuziemiony monitor komputera.

Promieniowanie rentgenowskie (synonim promienie rentgenowskie) to promieniowanie elektromagnetyczne o szerokim zakresie długości fal (od 8,10 -6 do 10 -12 cm).

Promieniowanie rentgenowskie ma charakter jonizujący. Wpływa na tkanki organizmów żywych i może powodować chorobę popromienną, oparzenia popromienne i nowotwory złośliwe. Z tego powodu podczas pracy z promieniami rentgenowskimi należy podjąć środki ochronne. Uważa się, że uszkodzenie jest wprost proporcjonalne do pochłoniętej dawki promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest czynnikiem mutagennym.

Podsumowanie Szybki rozwój sektorów gospodarki narodowej doprowadził do wykorzystania fal elektromagnetycznych we wszelkiej produkcji przemysłowej, medycynie i życiu codziennym. Co więcej, w niektórych przypadkach dana osoba jest narażona na ich wpływ. Shelepalo K. Dmitriychuk V. 11 -A

Podsumowanie lekcji na dany temat

„Skala fal elektromagnetycznych. Właściwości fal elektromagnetycznych o różnych zakresach częstotliwości. Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technologii”

Cele Lekcji: rozważyć skalę fal elektromagnetycznych, scharakteryzować fale o różnych zakresach częstotliwości; pokazać rolę różnych rodzajów promieniowania w życiu człowieka, wpływ różnych rodzajów promieniowania na człowieka; usystematyzować materiał na dany temat i pogłębić wiedzę uczniów na temat fal elektromagnetycznych; rozwijać mowę ustną uczniów, zdolności twórcze uczniów, logikę, pamięć; zdolności poznawcze; rozwijanie zainteresowań uczniów studiowaniem fizyki; kultywuj dokładność i ciężką pracę

Typ lekcji: lekcja tworzenia nowej wiedzy

Formularz: wykład z prezentacją

Sprzęt: komputer, projektor multimedialny, prezentacja „Skala

fale elektromagnetyczne"

Podczas zajęć

Organizowanie czasu

Motywacja do działań edukacyjnych i poznawczych

Wszechświat jest oceanem promieniowania elektromagnetycznego. Ludzie żyją w nim w większości, nie zauważając fal przenikających otaczającą przestrzeń. Ogrzewając się przy kominku lub zapalając świecę, człowiek uruchamia źródło tych fal, nie zastanawiając się nad ich właściwościami. Ale wiedza to potęga: odkrywszy naturę promieniowania elektromagnetycznego, ludzkość w XX wieku opanowała i oddała do użytku najróżniejsze jego rodzaje.

Ustalenie tematu i celów lekcji

Dziś wyruszymy w podróż po skali fal elektromagnetycznych, rozważymy rodzaje promieniowania elektromagnetycznego w różnych zakresach częstotliwości. Zapisz temat lekcji: „Skala fal elektromagnetycznych. Właściwości fal elektromagnetycznych o różnych zakresach częstotliwości. Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technologii”.

Każde promieniowanie będziemy badać zgodnie z następującym uogólnionym planem. Ogólny plan badania promieniowania:

1. Nazwa zakresu

2. Częstotliwość

3. Długość fali

4. Kto go odkrył?

5. Źródło

6. Wskaźnik

7. Zastosowanie

8. Wpływ na ludzi

Studiując temat, musisz wypełnić poniższą tabelę:

„Skala promieniowania elektromagnetycznego”

Nazwapromieniowanie	Częstotliwość	Długość fali	Kto był otwarty	Źródło	Wskaźnik	Aplikacja	Wpływ na ludzi

Prezentacja nowego materiału

Długość fal elektromagnetycznych może być bardzo różna: od wartości rzędu 10 13 m (wibracje o niskiej częstotliwości) do 10 -10 M ( - promienie). Światło stanowi niewielką część szerokiego spektrum fal elektromagnetycznych. Jednak to właśnie podczas badania tej niewielkiej części widma odkryto inne promieniowanie o niezwykłych właściwościach.
Zwyczajowo podkreśla się promieniowanie o niskiej częstotliwości, promieniowanie radiowe, promienie podczerwone, światło widzialne, promienie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i -promieniowanie. Promieniowanie o najkrótszej długości fali emitowane jest przez jądra atomowe.

Nie ma zasadniczej różnicy pomiędzy poszczególnymi rodzajami promieniowania. Wszystkie są falami elektromagnetycznymi generowanymi przez naładowane cząstki. Fale elektromagnetyczne są ostatecznie wykrywane na podstawie ich wpływu na naładowane cząstki . W próżni promieniowanie o dowolnej długości fali przemieszcza się z prędkością 300 000 km/s. Granice pomiędzy poszczególnymi obszarami skali promieniowania są bardzo dowolne.
Promieniowanie o różnych długościach fal różnią się od siebie tym, czym są otrzymujący(promieniowanie anteny, promieniowanie cieplne, promieniowanie podczas hamowania szybkich elektronów itp.) i metody rejestracji.

Wszystkie wymienione rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są również generowane przez obiekty kosmiczne i są z powodzeniem badane przy użyciu rakiet, sztucznych satelitów Ziemi i statków kosmicznych. Przede wszystkim dotyczy to promieni rentgenowskich i -promieniowania, które są silnie pochłaniane przez atmosferę.

W miarę zmniejszania się długości fali ilościowe różnice w długościach fal prowadzą do znaczących różnic jakościowych.

Promieniowanie o różnych długościach fal znacznie różni się od siebie stopniem absorpcji przez materię. Promieniowanie krótkofalowe (promieniowanie rentgenowskie, a zwłaszcza -promieniowanie) jest słabo absorbowane. Substancje nieprzezroczyste dla fal optycznych są przezroczyste dla tego promieniowania. Współczynnik odbicia fal elektromagnetycznych zależy również od długości fali. Ale główna różnica między promieniowaniem długofalowym i krótkofalowym polega na tym Promieniowanie krótkofalowe ujawnia właściwości cząstek.

Rozważmy każde promieniowanie.

Promieniowanie o niskiej częstotliwości występuje w zakresie częstotliwości od 3 10 -3 do 3 10 5 Hz. Promieniowanie to odpowiada długości fali 10 13 - 10 5 m. Promieniowanie o tak stosunkowo niskich częstotliwościach można pominąć. Źródłem promieniowania o niskiej częstotliwości są generatory prądu przemiennego. Stosowany do topienia i hartowania metali.

Fale radiowe zajmują zakres częstotliwości 3,10 5 - 3,10 11 Hz. Odpowiadają długości fali 10 5 - 10 -3 m. Źródłem fal radiowych, a także promieniowania o niskiej częstotliwości, jest prąd przemienny. Źródłem jest także generator częstotliwości radiowych, gwiazdy, w tym Słońce, galaktyki i metagalaktyki. Wskaźnikami są wibrator Hertza i obwód oscylacyjny.

Wysoka częstotliwość fal radiowych w porównaniu z promieniowaniem o niskiej częstotliwości prowadzi do zauważalnego promieniowania fal radiowych w przestrzeń kosmiczną. Dzięki temu można je wykorzystywać do przesyłania informacji na różne odległości. Przesyłana jest mowa, muzyka (nadawanie), sygnały telegraficzne (komunikacja radiowa) i obrazy różnych obiektów (radiolokacja).

Fale radiowe służą do badania struktury materii i właściwości ośrodka, w którym się rozchodzą. Badanie emisji radiowej z obiektów kosmicznych jest przedmiotem radioastronomii. W radiometeorologii procesy bada się na podstawie charakterystyki odbieranych fal.

Promieniowanie podczerwone zajmuje zakres częstotliwości 3*10 11 - 3,85*10 14 Hz. Odpowiadają długości fali 2,10 -3 - 7,6,10 -7 m.

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 roku przez astronoma Williama Herschela. Badając wzrost temperatury termometru ogrzewanego światłem widzialnym, Herschel odkrył największe nagrzewanie się termometru poza obszarem światła widzialnego (poza obszarem czerwonym). Promieniowanie niewidzialne, ze względu na jego miejsce w widmie, nazwano podczerwienią. Źródłem promieniowania podczerwonego jest promieniowanie cząsteczek i atomów pod wpływami termicznymi i elektrycznymi. Potężnym źródłem promieniowania podczerwonego jest Słońce; około 50% jego promieniowania leży w obszarze podczerwieni. Promieniowanie podczerwone stanowi znaczny udział (od 70 do 80%) energii promieniowania żarówek z włóknem wolframowym. Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez łuk elektryczny i różne lampy wyładowcze. Promieniowanie niektórych laserów leży w zakresie podczerwieni widma. Wskaźnikami promieniowania podczerwonego są foto i termistory, specjalne fotoemulsje. Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest do suszenia drewna, żywności oraz różnych farb i lakierów (ogrzewanie podczerwone), do sygnalizacji w warunkach słabej widoczności, umożliwia zastosowanie urządzeń optycznych pozwalających widzieć w ciemności, a także do zdalnego sterowania. Promienie podczerwone służą do naprowadzania pocisków i rakiet na cele oraz do wykrywania zakamuflowanych wrogów. Promienie te umożliwiają określenie różnicy temperatur poszczególnych obszarów powierzchni planet oraz cech strukturalnych cząsteczek materii (analiza spektralna). Fotografię w podczerwieni wykorzystuje się w biologii przy badaniu chorób roślin, w medycynie przy diagnozowaniu chorób skóry i naczyń oraz w medycynie sądowej przy wykrywaniu podróbek. W kontakcie z człowiekiem powoduje wzrost temperatury ciała człowieka.

Widoczne promieniowanie - jedyny zakres fal elektromagnetycznych postrzegany przez ludzkie oko. Fale świetlne zajmują dość wąski zakres: 380 - 670 nm ( = 3,85 10 14 - 8 10 14 Hz). Źródłem promieniowania widzialnego są elektrony walencyjne w atomach i cząsteczkach, zmieniające swoje położenie w przestrzeni, a także ładunki swobodne poruszające się z przyspieszoną prędkością. Ta część widma daje osobie maksimum informacji o otaczającym ją świecie. Pod względem właściwości fizycznych jest podobny do innych zakresów widmowych, stanowiąc jedynie niewielką część widma fal elektromagnetycznych. Promieniowanie o różnych długościach fal (częstotliwościach) w zakresie widzialnym ma różny wpływ fizjologiczny na siatkówkę ludzkiego oka, powodując psychologiczne wrażenie światła. Kolor sam w sobie nie jest właściwością elektromagnetycznej fali świetlnej, ale przejawem elektrochemicznego działania układu fizjologicznego człowieka: oczu, nerwów, mózgu. W przybliżeniu możemy wymienić siedem kolorów podstawowych rozróżnianych przez ludzkie oko w zakresie widzialnym (w kolejności rosnącej częstotliwości promieniowania): czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy. Zapamiętywanie sekwencji podstawowych kolorów widma ułatwia zdanie, którego każde słowo zaczyna się od pierwszej litery nazwy koloru podstawowego: „Każdy myśliwy chce wiedzieć, gdzie siedzi bażant”. Promieniowanie widzialne może wpływać na zachodzenie reakcji chemicznych w roślinach (fotosynteza), a także u zwierząt i ludzi. Promieniowanie widzialne jest emitowane przez niektóre owady (świetliki) i niektóre ryby głębinowe w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w organizmie. Pochłanianie dwutlenku węgla przez rośliny w wyniku procesu fotosyntezy i uwalnianie tlenu pomaga w utrzymaniu życia biologicznego na Ziemi. Promieniowanie widzialne wykorzystywane jest także przy oświetlaniu różnych obiektów.

Światło jest źródłem życia na Ziemi i jednocześnie źródłem naszych wyobrażeń o otaczającym nas świecie.

Promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie elektromagnetyczne niewidoczne dla oka, zajmujące obszar widmowy pomiędzy promieniowaniem widzialnym a promieniowaniem rentgenowskim w zakresie długości fal 3,8 ∙ 10 -7 - 3 ∙ 10 -9 m ( = 8 * 10 14 - 3 * 10 16 Hz). Promieniowanie ultrafioletowe zostało odkryte w 1801 roku przez niemieckiego naukowca Johanna Rittera. Badając czernienie chlorku srebra pod wpływem światła widzialnego, Ritter odkrył, że srebro czernieje jeszcze skuteczniej w obszarze poza fioletowym końcem widma, gdzie nie ma promieniowania widzialnego. Niewidzialne promieniowanie, które spowodowało to czernienie, nazywano promieniowaniem ultrafioletowym.

Źródłem promieniowania ultrafioletowego są elektrony walencyjne atomów i cząsteczek, a także szybko poruszające się ładunki swobodne.

Promieniowanie ciał stałych ogrzanych do temperatury -3000 K zawiera zauważalną część promieniowania ultrafioletowego o widmie ciągłym, którego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Silniejszym źródłem promieniowania ultrafioletowego jest dowolna plazma wysokotemperaturowa. Do różnych zastosowań promieniowania ultrafioletowego stosuje się lampy rtęciowe, ksenonowe i inne lampy wyładowcze. Naturalnymi źródłami promieniowania ultrafioletowego są Słońce, gwiazdy, mgławice i inne obiekty kosmiczne. Jednak tylko długofalowa część ich promieniowania ( 290 nm) dociera do powierzchni ziemi. Aby zarejestrować promieniowanie ultrafioletowe pod adresem

 = 230 nm stosowane są konwencjonalne materiały fotograficzne, w zakresie fal krótszych wrażliwe są na to specjalne warstwy fotograficzne o niskiej zawartości żelatyny. Stosowane są odbiorniki fotoelektryczne, które wykorzystują zdolność promieniowania ultrafioletowego do wywoływania jonizacji i efektu fotoelektrycznego: fotodiody, komory jonizacyjne, liczniki fotonów, fotopowielacze.

Promieniowanie ultrafioletowe w małych dawkach działa na człowieka dobroczynnie, leczniczo, aktywując syntezę witaminy D w organizmie, a także powoduje opaleniznę. Duża dawka promieniowania ultrafioletowego może powodować oparzenia skóry i nowotwory (w 80% wyleczalne). Ponadto nadmierne promieniowanie ultrafioletowe osłabia układ odpornościowy organizmu, przyczyniając się do rozwoju niektórych chorób. Promieniowanie ultrafioletowe ma również działanie bakteriobójcze: pod wpływem tego promieniowania bakterie chorobotwórcze giną.

Promieniowanie ultrafioletowe wykorzystuje się w lampach fluorescencyjnych, w kryminalistyce (na zdjęciach można wykryć fałszywe dokumenty) i w historii sztuki (za pomocą promieni ultrafioletowych można wykryć na obrazach niewidoczne ślady renowacji). Szkło okienne praktycznie nie przepuszcza promieniowania ultrafioletowego, ponieważ Jest absorbowany przez tlenek żelaza, który jest częścią szkła. Z tego powodu nawet w upalny, słoneczny dzień nie można opalać się w pomieszczeniu przy zamkniętym oknie.

Ludzkie oko nie widzi promieniowania ultrafioletowego, ponieważ... Rogówka oka i soczewka oka pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie ultrafioletowe jest widoczne dla niektórych zwierząt. Na przykład gołąb nawiguje według Słońca nawet przy pochmurnej pogodzie.

Promieniowanie rentgenowskie - Jest to elektromagnetyczne promieniowanie jonizujące, zajmujące obszar widmowy pomiędzy promieniowaniem gamma a promieniowaniem ultrafioletowym w zakresie długości fal od 10 -12 - 10 -8 m (częstotliwości 3 * 10 16 - 3-10 20 Hz). Promieniowanie rentgenowskie zostało odkryte w 1895 roku przez niemieckiego fizyka W. K. Roentgena. Najczęstszym źródłem promieniowania rentgenowskiego jest lampa rentgenowska, w której elektrony przyspieszane przez pole elektryczne bombardują metalową anodę. Promieniowanie rentgenowskie można wytworzyć bombardując cel jonami o wysokiej energii. Niektóre izotopy promieniotwórcze i synchrotrony – urządzenia magazynujące elektrony – mogą również służyć jako źródła promieniowania rentgenowskiego. Naturalnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego są Słońce i inne obiekty kosmiczne

Zdjęcia rentgenowskie obiektów uzyskuje się na specjalnej kliszy fotograficznej do zdjęć rentgenowskich. Promieniowanie rentgenowskie można rejestrować za pomocą komory jonizacyjnej, licznika scyntylacyjnego, wtórnych lub kanałowych powielaczy elektronów oraz płytek mikrokanałowych. Ze względu na wysoką zdolność penetracji, promieniowanie rentgenowskie znajduje zastosowanie w analizie dyfrakcji promieni rentgenowskich (badanie struktury sieci krystalicznej), badaniu struktury cząsteczek, wykrywaniu defektów w próbkach, w medycynie (promieniowanie rentgenowskie, fluorografia, w leczeniu nowotworów), w defektoskopii (wykrywanie wad odlewów, szyn), w historii sztuki (odkrycie starożytnego malarstwa ukrytego pod warstwą późniejszego malarstwa), w astronomii (przy badaniu źródeł promieni rentgenowskich) i kryminalistyce. Duża dawka promieniowania rentgenowskiego prowadzi do oparzeń i zmian w strukturze ludzkiej krwi. Stworzenie odbiorników promieniowania rentgenowskiego i umieszczenie ich na stacjach kosmicznych umożliwiło wykrycie promieniowania rentgenowskiego setek gwiazd, a także powłok supernowych i całych galaktyk.

Promieniowanie gamma - krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne, zajmujące cały zakres częstotliwości  = 8∙10 14 - 10 17 Hz, co odpowiada długościom fali  = 3,8·10 -7 - 3∙10 -9 m. Promieniowanie gamma odkrył francuski naukowiec Paul Villarda w 1900 r Badając promieniowanie radu w silnym polu magnetycznym, Villar odkrył krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne, które podobnie jak światło nie jest odchylane przez pole magnetyczne. Nazywano to promieniowaniem gamma. Promieniowanie gamma jest związane z procesami jądrowymi, czyli zjawiskami rozpadu radioaktywnego zachodzącymi w przypadku niektórych substancji, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie. Promieniowanie gamma można rejestrować za pomocą komór jonizacyjnych, pęcherzykowych, a także specjalnych emulsji fotograficznych. Wykorzystuje się je w badaniu procesów jądrowych i wykrywaniu defektów. Promieniowanie gamma ma negatywny wpływ na człowieka.

Zatem promieniowanie o niskiej częstotliwości, fale radiowe, promieniowanie podczerwone, promieniowanie widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie  to różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego.

Jeśli w myślach uporządkujesz te typy według rosnącej częstotliwości lub malejącej długości fali, otrzymasz szerokie, ciągłe widmo - skalę promieniowania elektromagnetycznego (nauczyciel pokazuje skalę). Do niebezpiecznych rodzajów promieniowania zalicza się: promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie ultrafioletowe, reszta jest bezpieczna.

Podział promieniowania elektromagnetycznego na zakresy jest warunkowy. Nie ma wyraźnej granicy pomiędzy regionami. Nazwy regionów ewoluowały historycznie i służą jedynie jako wygodny sposób klasyfikacji źródeł promieniowania.

Wszystkie zakresy skali promieniowania elektromagnetycznego mają wspólne właściwości:

fizyczna natura wszelkiego promieniowania jest taka sama

całe promieniowanie rozchodzi się w próżni z tą samą prędkością, równą 3 * 10 8 m/s

wszystkie promieniowanie wykazują wspólne właściwości falowe (odbicie, załamanie, interferencja, dyfrakcja, polaryzacja)

5. Podsumowanie lekcji

Pod koniec lekcji uczniowie kończą pracę na stole.

Wniosek: Cała skala fal elektromagnetycznych jest dowodem na to, że całe promieniowanie ma zarówno właściwości kwantowe, jak i falowe. Właściwości kwantowe i falowe w tym przypadku nie wykluczają się, lecz uzupełniają. Właściwości fal są wyraźniejsze przy niskich częstotliwościach i mniej wyraźnie przy wysokich częstotliwościach. I odwrotnie, właściwości kwantowe pojawiają się wyraźniej przy wysokich częstotliwościach i mniej wyraźnie przy niskich częstotliwościach. Im krótsza długość fali, tym jaśniejsze są właściwości kwantowe, a im dłuższa długość fali, tym jaśniejsze są właściwości fali. Wszystko to służy jako potwierdzenie prawa dialektyki (przejścia zmian ilościowych na jakościowe).

ostatnia kolumna (wpływ PEM na ludzi) i

przygotować raport dotyczący wykorzystania PEM

), opisując pole elektromagnetyczne, teoretycznie pokazało, że pole elektromagnetyczne w próżni może istnieć przy braku źródeł - ładunków i prądów. Pole bez źródeł ma postać fal rozchodzących się ze skończoną prędkością, która w próżni jest równa prędkości światła: Z= 299792458±1,2 m/s. Zbieżność prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w próżni z wcześniej zmierzoną prędkością światła pozwoliła Maxwellowi stwierdzić, że światło jest falą elektromagnetyczną. Podobny wniosek stał się później podstawą elektromagnetycznej teorii światła.

W 1888 r. teoria fal elektromagnetycznych została potwierdzona eksperymentalnie w eksperymentach G. Hertza. Używając źródła wysokiego napięcia i wibratorów (patrz wibrator Hertza), Hertz był w stanie przeprowadzić subtelne eksperymenty w celu określenia prędkości propagacji fali elektromagnetycznej i jej długości. Potwierdzono eksperymentalnie, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła, co dowodzi elektromagnetycznej natury światła.

Prawie wszystko, co wiemy o kosmosie (i mikroświecie) znamy dzięki promieniowaniu elektromagnetycznemu, czyli oscylacjom pól elektrycznych i magnetycznych, które rozchodzą się w próżni z prędkością światła. W rzeczywistości światło jest szczególnym rodzajem fal elektromagnetycznych odbieranych przez ludzkie oko.

Dokładny opis fal elektromagnetycznych i ich propagacji dają równania Maxwella. Jednakże proces ten można wyjaśnić jakościowo bez użycia matematyki. Weźmy elektron spoczynkowy - prawie punktowy ujemny ładunek elektryczny. Tworzy wokół siebie pole elektrostatyczne, które oddziałuje na inne ładunki. Na ładunki ujemne działa siła odpychająca, na ładunki dodatnie działa siła przyciągania, a wszystkie te siły są skierowane ściśle wzdłuż promieni wychodzących z naszego elektronu. Wraz z odległością wpływ elektronu na inne ładunki słabnie, ale nigdy nie spada do zera. Innymi słowy, w nieskończonej przestrzeni wokół siebie elektron tworzy promieniowe pole siłowe (dotyczy to tylko elektronu, który w jednym punkcie pozostaje wiecznie w spoczynku).

Powiedzmy, że pewna siła (nie będziemy określać jej charakteru) niespodziewanie zakłóciła resztę elektronu i zmusiła go do przesunięcia się nieco w bok. Teraz linie siły powinny odbiegać od nowego środka, w którym przesunął się elektron. Jednak pole elektryczne otaczające ładunek nie może zmienić się natychmiast. W wystarczająco dużej odległości linie siły przez długi czas będą wskazywały pierwotne położenie ładunku. Stanie się tak do czasu, aż nadejdzie fala restrukturyzacji pola elektrycznego, która rozchodzi się z prędkością światła. Jest to fala elektromagnetyczna, a jej prędkość jest podstawową właściwością przestrzeni w naszym Wszechświecie. Oczywiście opis ten jest niezwykle uproszczony, a część nawet po prostu błędna, ale daje pierwsze wrażenie jak rozchodzą się fale elektromagnetyczne.

Oto, co jest nie tak z tym opisem. Opisany proces w rzeczywistości nie jest falą, czyli rozchodzącym się okresowym procesem oscylacyjnym. Mamy dystrybucję, ale nie ma wątpliwości. Ale tę wadę można bardzo łatwo naprawić. Zmuśmy tę samą siłę, która wyprowadziła elektron z pierwotnej pozycji, aby natychmiast przywróciła go na swoje miejsce. Wtedy zaraz po pierwszej restrukturyzacji promieniowego pola elektrycznego nastąpi druga, przywracając pierwotny stan rzeczy. Niech teraz elektron okresowo powtarza ten ruch, a wtedy prawdziwe fale będą biegać wzdłuż promieniowych linii siły pola elektrycznego we wszystkich kierunkach. To zdjęcie jest już znacznie lepsze niż pierwsze. Jednak nie jest to do końca poprawne - fale okazują się czysto elektryczne, a nie elektromagnetyczne.

Nadszedł czas, aby przypomnieć sobie prawo indukcji elektromagnetycznej: zmienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne generuje pole elektryczne. Wydaje się, że te dwie dziedziny są ze sobą powiązane. Gdy tylko wywołamy falową zmianę w polu elektrycznym, natychmiast dodaje się do niej falę magnetyczną. Nie da się rozdzielić tej pary fal – jest to pojedyncze zjawisko elektromagnetyczne.

Możesz dalej doprecyzować opis, stopniowo pozbywając się nieścisłości i przybliżonych przybliżeń. Jeśli doprowadzimy tę kwestię do końca, otrzymamy po prostu wspomniane już równania Maxwella. Ale zatrzymajmy się w połowie, bo dla nas na razie ważne jest tylko jakościowe zrozumienie problemu, a wszystkie główne punkty są już jasne z naszego modelu. Najważniejszym z nich jest niezależność propagacji fali elektromagnetycznej od jej źródła.

W rzeczywistości fale pól elektrycznych i magnetycznych, choć powstały w wyniku oscylacji ładunku, z dala od nich rozchodzą się całkowicie niezależnie. Cokolwiek stanie się z ładunkiem źródłowym, sygnał o nim nie dogoni wychodzącej fali elektromagnetycznej - w końcu będzie się on rozprzestrzeniał nie szybciej niż światło. To pozwala nam traktować fale elektromagnetyczne jako niezależne zjawiska fizyczne wraz z ładunkami je generującymi.

Wszystkie procesy falowe opisano za pomocą tego samego typu równań matematycznych. Właściwości fal są również takie same i są nieodłącznym elementem fal dowolnego rodzaju.

Do najważniejszych właściwości fal zalicza się interferencję i dyfrakcję.

Ingerencja– superpozycja dwóch fal, w której fale z biegiem czasu w niektórych punktach przestrzeni ulegają stałemu wzmocnieniu, a w innych słabną. Zakłócenia wyjaśniają na przykład tęczowe paski na bańkach mydlanych, powierzchniach kałuż i skrzydłach owadów.

Warunkiem koniecznym powstania i stabilności wzoru interferencyjnego jest konsekwencja fale, tj. dokładną zbieżność ich częstotliwości i stałość amplitud w czasie. Równość amplitud nie jest konieczna, wpływa jedynie na kontrast obrazu.

Naturalne źródła fal nie są spójne, aby uzyskać za ich pomocą wzór interferencyjny, należy uciekać się do różnych technik - podziału fali z jednego źródła na części. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysokim stopniem koherencji.

Dyfrakcja– zjawisko polegające na załamywaniu się fali wokół niejednorodności przestrzennych. Fala wpada zatem w obszar cienia geometrycznego. Aby można było zaobserwować dyfrakcję, konieczne jest, aby wielkość niejednorodności była porównywalna z długością fali: d~l. Zatem fala pochodząca z kamienia wrzuconego do wody ulegnie załamaniu na stosie lub kamieniu wystającym ponad powierzchnię wody, ale nie „zauważy” cienkiej łodygi turzycy.

Interferencja i dyfrakcja to zazwyczaj właściwości fal. Jest też odwrotnie: jeśli zaobserwuje się te zjawiska, wówczas obiekt można śmiało uznać za falę. Stwierdzenia te okazały się niezwykle owocne w badaniu zjawisk mikroświata.

Fale elektromagnetyczne w przyrodzie i technologii.

Najwyraźniej fale wyobrażamy sobie, gdy mówimy o falach na wodzie. Jednak widzimy je nawet dzięki falom elektromagnetycznym – światłu. W przyrodzie i technologii są to fale najczęściej spotykane ze względu na bardzo szeroki zakres możliwych częstotliwości i długości fal. Zawsze generowane są fale elektromagnetyczne ładunki elektryczne, które poruszają się nierównomiernie (tj. z przyspieszeniem). Fale elektromagnetyczne są zawsze poprzeczne.

Dajmy skala fal elektromagnetycznych , wskazując ich pochodzenie. Granice odcinków skali są dość dowolne, o tym, jaki rodzaj fali sklasyfikować, decyduje przede wszystkim jej charakter.

Fale radiowe 10 km > l > 1 mm– generowane przez przemienny prąd elektryczny. Zakres 1 m > l > 1 mm zwany mikrofale(fale mikrofalowe).

Fale optyczne 1 mm > l > 1 nm– powstają w wyniku chaotycznego ruchu termicznego cząsteczek, przejść elektronowych wewnątrz atomów.

Fale rentgenowskie 10 -8 m > l > 10 -12 m powstają, gdy elektrony zwalniają w substancji.

Promieniowanie gamma l< 10 -11 м zachodzi podczas reakcji jądrowych.

Zakres długości fal optycznych dzieli się na obszary podczerwieni (IR), światła widzialnego i ultrafioletu (UV).. Oko ludzkie widzi wąską część widma: 0,78 µm > l > 0,38 µm. Człowiek najlepiej odbiera długość fali l = 555 nm (światło żółto-zielone).

Autowaves.

Specjalny rodzaj fal może występować w ośrodkach aktywnych lub w ośrodkach wspieranych energetycznie. Ze względu na wewnętrzne źródła ośrodka lub na skutek dopływu energii z zewnątrz, fala może rozchodzić się bez tłumienia i bez zmiany jego właściwości. Takie samopodtrzymujące się fale w ośrodkach nieliniowych nazywane są fale automatyczne (R.V. Khokhlov).

Autofale odkryto podczas reakcji spalania, podczas przenoszenia wzbudzenia wzdłuż włókien nerwowych, mięśni, siatkówki oka, analizując wielkość populacji biologicznych itp.

Warunkiem istnienia fal automatycznych jest nieliniowość środowisko, tj. zależność właściwości ośrodka od charakterystyki fali. Sama fala niejako określa ilość energii potrzebnej do utrzymania jej właściwości i w ten sposób wykonuje informacja zwrotna .

Wykład 10.

Prawa mikroświata. Dualizm korpuskularno-falowy materii. Zasada komplementarności i problem przyczynowości.

Hipoteza M. Plancka dotycząca kwantów energii.

Właściwości falowe światła są znane już od XVII wieku. Jednak dopiero w 2. połowie XIX w. W końcu udowodniono, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Istniało jednak szereg zjawisk, których nie dało się wyjaśnić z punktu widzenia falowej natury światła. Wśród tych zjawisk - lekki nacisk , co można łatwo wykazać doświadczalnie, oraz fotoefekt , szczegółowo zbadany przez P.N. Lebiediewa. Efekt fotoelektryczny polega na wybijaniu przez światło elektronów z powierzchni metalu; Pojawia się prąd elektryczny zwany fotoprądem. Prawa efektu fotoelektrycznego są takie, że bardziej naturalne jest rozpatrywanie promieniowania, które je powoduje, jako przepływu pewnych cząstek, a nie jako fali.

Inny problem, którego nie udało się rozwiązać w oparciu o falową teorię światła, nadali nazwę współcześni „katastrofa ultrafioletowa”. Teoria fal przewiduje, że energia promieniowania cieplnego (tj. fali elektromagnetycznej emitowanej przez dowolne ciało w wyniku ruchu termicznego jego cząsteczek) powinna być tym większa, im wyższa jest jego częstotliwość. Oznacza to, że w zakresie długości fal UV powinno wyemitować tyle energii, aby organizm całą swoją energię wydał na promieniowanie cieplne. Eksperyment wykazał całkowitą rozbieżność z klasyczną teorią fal. Rzeczywiste promieniowanie cieplne nie zależy monotonicznie od częstotliwości, istnieje częstotliwość, przy której natężenie promieniowania jest maksymalne, przy wysokich i niskich częstotliwościach dąży do 0. W rezultacie klasyczna teoria fal nie opisuje odpowiednio promieniowania cieplnego.

W 1900 r. M. Planck wysunął hipotezę, zgodnie z którą nagrzane ciało emituje energię nie w sposób ciągły, lecz w odrębnych porcjach, które w 1905 r. nazwano kwanty . Energia jednego kwantu jest proporcjonalna do częstotliwości promieniowania:

stała h = 6,63 10 -34 J s, ћ = ћ/2p = 1,055 10 -34 J s – stałe Plancka. (Zauważ, że wymiar ћ pokrywa się z wymiarem momentu pędu. Wielkość ћ nazywana jest czasami „kwantem działania”).

Stała Plancka jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Nasz świat jest, jaki jest, w szczególności dlatego, że ћ ma właśnie to, a nie jakieś inne znaczenie.

Zatem fala, którą wcześniej uważano za ciągłą, została przedstawiona w postaci dyskretnej. Hipoteza ta okazała się bardzo owocna i umożliwiła ilościowy opis promieniowania cieplnego w pełnej zgodności z eksperymentem. Rozwijając hipotezę Plancka założono, że fala nie tylko jest emitowana, ale także rozchodzi się i jest pochłaniana w postaci kwantów. Nie było jednak jasne, czy dyskretny charakter promieniowania jest właściwością samego promieniowania, czy też wynika z jego interakcji z materią. Pierwszą osobą, która zrozumiała, że ​​dyskretność jest integralną właściwością promieniowania, był Einstein, który zastosował tę ideę w swoich badaniach nad efektem fotoelektrycznym.