Elektromagnetické vlny v prírode a technike Heinrich Rudolf. Zhrnutie lekcie Stupnica elektromagnetických vĺn. Vlastnosti elektromagnetických vĺn rôznych frekvenčných rozsahov. Elektromagnetické vlny v prírode a technike Rozsahy žiarenia a hmoty

Elektromagnetické vlny sú elektromagnetické kmity šíriace sa v priestore s konečnou rýchlosťou v závislosti od vlastností prostredia. Elektromagnetická vlna je šíriace sa elektromagnetické pole.

Preceňovať význam elektromagnetických vĺn z hľadiska ich využitia pri prevádzke modernej techniky je takmer nemožné. Aplikácie: Rozhlasové vysielanie. TV vysielanie Mobilná komunikácia Wi-Fi a Bluetooth. Spotrebiče

Aplikácia elektromagnetických vĺn v bežnom živote Zdrojmi nízkofrekvenčného žiarenia (0 - 3 kHz) sú všetky systémy na výrobu, prenos a rozvod elektrickej energie (elektrické vedenia, trafostanice, elektrárne, rôzne káblové systémy), domáce a kancelárske elektro a elektronických zariadení vrátane PC monitorov, elektrickej dopravy, železničnej dopravy a jej infraštruktúry, ako aj dopravy metra, trolejbusov a električiek.

Medzi zdroje vysokofrekvenčného žiarenia (od 3 kHz do 300 GHz) patria funkčné vysielače - zdroje elektromagnetických polí za účelom vysielania alebo prijímania informácií. Ide o komerčné vysielače (rozhlas, televízia), rádiotelefóny (automobilové, rádiotelefóny, CB rádiostanice, amatérske rádiové vysielače, priemyselné rádiotelefóny), smerové rádiové komunikácie (satelitné rádiové komunikácie, pozemné reléové stanice), navigácia (letecká doprava, lodná doprava, rádiový bod) , lokátory (letecká komunikácia, lodná doprava, dopravné lokátory, riadenie leteckej dopravy).

Zdrojom elektromagnetického poľa v obytných priestoroch sú rôzne elektrické zariadenia – chladničky, žehličky, vysávače, elektrické rúry, televízory, počítače a pod., ako aj elektrické rozvody bytu. Elektromagnetické prostredie bytu je ovplyvnené elektrickým zariadením budovy, transformátormi, káblovými vedeniami. Elektrické pole v obytných budovách je v rozsahu 1 -10 V/m. Môžu však existovať body na vysokej úrovni, ako napríklad neuzemnený počítačový monitor.

Röntgenové žiarenie (synonymum X-rays) je elektromagnetické žiarenie so širokým rozsahom vlnových dĺžok (od 8·10 -6 do 10 -12 cm).

Röntgenové žiarenie je ionizujúce. Ovplyvňuje tkanivá živých organizmov a môže spôsobiť chorobu z ožiarenia, popáleniny z ožiarenia a zhubné nádory. Z tohto dôvodu je potrebné pri práci s röntgenovým žiarením prijať ochranné opatrenia. Predpokladá sa, že poškodenie je priamo úmerné absorbovanej dávke žiarenia. Röntgenové žiarenie je mutagénny faktor.

Záver Rýchly rozvoj odvetví národného hospodárstva viedol k využívaniu elektromagnetických vĺn v celej priemyselnej výrobe, medicíne a každodennom živote. Navyše, v niektorých prípadoch je človek vystavený ich vplyvu. Shelepalo K. Dmitriychuk V. 11 -A

Zhrnutie lekcie na danú tému

„Škála elektromagnetických vĺn. Vlastnosti elektromagnetických vĺn rôznych frekvenčných rozsahov. Elektromagnetické vlny v prírode a technológii"

Ciele lekcie: zvážiť rozsah elektromagnetických vĺn, charakterizovať vlny rôznych frekvenčných rozsahov; ukázať úlohu rôznych druhov žiarenia v živote človeka, vplyv rôznych druhov žiarenia na človeka; systematizovať materiál k téme a prehĺbiť vedomosti žiakov o elektromagnetických vlnách; rozvíjať ústnu reč žiakov, tvorivé schopnosti žiakov, logiku, pamäť; kognitívne schopnosti; rozvíjať záujem študentov o štúdium fyziky; kultivovať presnosť a tvrdú prácu

Typ lekcie: lekciu formovania nových poznatkov

Formulár: prednáška s prezentáciou

Vybavenie: počítač, multimediálny projektor, prezentácia „Mierka

elektromagnetické vlny"

Počas vyučovania

Organizovanie času

Motivácia k vzdelávacím a poznávacím aktivitám

Vesmír je oceánom elektromagnetického žiarenia. Ľudia v ňom väčšinou žijú bez toho, aby si všimli vlny prenikajúce do okolitého priestoru. Človek pri zohrievaní sa pri krbe alebo zapálení sviečky nechá zdroj týchto vĺn fungovať bez toho, aby premýšľal o ich vlastnostiach. Ale poznanie je sila: po objavení podstaty elektromagnetického žiarenia si ľudstvo počas 20. storočia osvojilo a uviedlo do svojich služieb jeho najrôznejšie druhy.

Stanovenie témy a cieľov lekcie

Dnes sa vydáme na cestu po škále elektromagnetických vĺn, zvážime typy elektromagnetického žiarenia v rôznych frekvenčných rozsahoch. Napíšte tému lekcie: „Škála elektromagnetických vĺn. Vlastnosti elektromagnetických vĺn rôznych frekvenčných rozsahov. Elektromagnetické vlny v prírode a technike“.

Každé žiarenie budeme študovať podľa nasledujúceho zovšeobecneného plánu. Všeobecný plán na štúdium žiarenia:

1. Názov rozsahu

2. Frekvencia

3. Vlnová dĺžka

4. Kto to objavil?

5. Zdroj

6. Indikátor

7. Aplikácia

8. Účinok na človeka

Pri štúdiu témy musíte vyplniť nasledujúcu tabuľku:

"Stupnica elektromagnetického žiarenia"

názovžiarenia	Frekvencia	Vlnová dĺžka	Kto bol OTVORENÉ	Zdroj	Indikátor	Aplikácia	Účinok na ľudí

Prezentácia nového materiálu

Dĺžka elektromagnetických vĺn môže byť veľmi odlišná: od hodnôt rádovo 10 13 m (nízkofrekvenčné vibrácie) do 10 -10 m ( - lúče). Svetlo tvorí malú časť širokého spektra elektromagnetických vĺn. Avšak práve počas štúdia tejto malej časti spektra boli objavené ďalšie žiarenia s neobvyklými vlastnosťami.
Je zvykom zvýrazniť nízkofrekvenčné žiarenie, rádiové žiarenie, infračervené lúče, viditeľné svetlo, ultrafialové lúče, röntgenové lúče a -žiarenie. Najkratšiu vlnovú dĺžku vyžarujú atómové jadrá.

Medzi jednotlivými žiareniami nie je zásadný rozdiel. Všetky z nich sú elektromagnetické vlny generované nabitými časticami. Elektromagnetické vlny sa v konečnom dôsledku detegujú ich účinkom na nabité častice . Vo vákuu sa žiarenie akejkoľvek vlnovej dĺžky šíri rýchlosťou 300 000 km/s. Hranice medzi jednotlivými oblasťami radiačnej stupnice sú veľmi ľubovoľné.
Žiarenie rôznych vlnových dĺžok sa navzájom líšia tým, ako sú prijímanie(anténne žiarenie, tepelné žiarenie, žiarenie pri brzdení rýchlych elektrónov a pod.) a spôsoby registrácie.

Všetky uvedené typy elektromagnetického žiarenia sú tiež generované vesmírnymi objektmi a sú úspešne študované pomocou rakiet, umelých satelitov Zeme a kozmických lodí. V prvom rade sa to týka röntgenového žiarenia a žiarenia, ktoré sú silne absorbované atmosférou.

Ako sa vlnová dĺžka znižuje kvantitatívne rozdiely vo vlnových dĺžkach vedú k významným kvalitatívnym rozdielom.

Žiarenia rôznych vlnových dĺžok sa navzájom veľmi líšia v absorpcii hmotou. Krátkovlnné žiarenie (röntgenové a najmä -lúče) je slabo absorbované. Látky, ktoré sú nepriehľadné pre optické vlny, sú pre tieto žiarenia transparentné. Od vlnovej dĺžky závisí aj koeficient odrazu elektromagnetických vĺn. Ale hlavný rozdiel medzi dlhovlnným a krátkovlnným žiarením je ten krátkovlnné žiarenie odhaľuje vlastnosti častíc.

Zoberme si každé žiarenie.

Nízkofrekvenčné žiarenie sa vyskytuje vo frekvenčnom rozsahu od 3 10 -3 do 3 10 5 Hz. Toto žiarenie zodpovedá vlnovej dĺžke 10 13 - 10 5 m. Žiarenie takýchto relatívne nízkych frekvencií možno zanedbať. Zdrojom nízkofrekvenčného žiarenia sú generátory striedavého prúdu. Používa sa pri tavení a kalení kovov.

Rádiové vlny zaberajú frekvenčný rozsah 3·10 5 - 3·10 11 Hz. Zodpovedajú vlnovej dĺžke 10 5 - 10 -3 m Zdrojom rádiových vĺn, ale aj nízkofrekvenčného žiarenia je striedavý prúd. Zdrojom je aj rádiofrekvenčný generátor, hviezdy vrátane Slnka, galaxie a metagalaxie. Indikátory sú Hertzov vibrátor a oscilačný obvod.

Vysoká frekvencia rádiových vĺn v porovnaní s nízkofrekvenčným žiarením vedie k citeľnému vyžarovaniu rádiových vĺn do vesmíru. To umožňuje ich použitie na prenos informácií na rôzne vzdialenosti. Prenáša sa reč, hudba (vysielanie), telegrafné signály (rádiová komunikácia) a obrazy rôznych predmetov (rádiolokácia).

Rádiové vlny sa používajú na štúdium štruktúry hmoty a vlastností prostredia, v ktorom sa šíria. Štúdium rádiovej emisie z vesmírnych objektov je predmetom rádioastronómie. V rádiometeorológii sa procesy študujú na základe charakteristík prijímaných vĺn.

Infra červená radiácia zaberá frekvenčný rozsah 3*10 11 - 3,85*10 14 Hz. Zodpovedajú vlnovej dĺžke 2·10 -3 - 7,6·10 -7 m.

Infračervené žiarenie objavil v roku 1800 astronóm William Herschel. Pri štúdiu nárastu teploty teplomera vyhrievaného viditeľným svetlom Herschel objavil najväčšie zahrievanie teplomera mimo oblasti viditeľného svetla (mimo červenej oblasti). Neviditeľné žiarenie sa vzhľadom na jeho miesto v spektre nazývalo infračervené. Zdrojom infračerveného žiarenia je žiarenie molekúl a atómov pod tepelnými a elektrickými vplyvmi. Silným zdrojom infračerveného žiarenia je Slnko, asi 50% jeho žiarenia leží v infračervenej oblasti. Infračervené žiarenie predstavuje významný podiel (70 až 80 %) energie žiarenia žiaroviek s volfrámovým vláknom. Infračervené žiarenie je vyžarované elektrickým oblúkom a rôznymi plynovými výbojkami. Žiarenie niektorých laserov leží v infračervenej oblasti spektra. Indikátory infračerveného žiarenia sú fotografie a termistory, špeciálne fotoemulzie. Infračervené žiarenie sa používa na sušenie dreva, potravín a rôznych farieb a lakov (infrakúrenie), na signalizáciu pri zhoršenej viditeľnosti a umožňuje použitie optických zariadení, ktoré umožňujú vidieť v tme, ako aj na diaľkové ovládanie. Infračervené lúče sa používajú na navádzanie projektilov a rakiet na ciele a na detekciu maskovaných nepriateľov. Tieto lúče umožňujú určiť rozdiel teplôt jednotlivých oblastí povrchu planét a štruktúrne vlastnosti molekúl hmoty (spektrálna analýza). Infračervená fotografia sa používa v biológii pri štúdiu chorôb rastlín, v medicíne pri diagnostike kožných a cievnych chorôb a v súdnom lekárstve pri odhaľovaní falzifikátov. Pri kontakte s ľuďmi spôsobuje zvýšenie teploty ľudského tela.

Viditeľné žiarenie - jediný rozsah elektromagnetických vĺn vnímaný ľudským okom. Svetelné vlny zaberajú pomerne úzky rozsah: 380 - 670 nm ( = 3,85 10 14 - 8 10 14 Hz). Zdrojom viditeľného žiarenia sú valenčné elektróny v atómoch a molekulách, meniace svoju polohu v priestore, ako aj voľné náboje pohybujúce sa zrýchlenou rýchlosťou. Táto časť spektra dáva človeku maximum informácií o svete okolo neho. Z hľadiska fyzikálnych vlastností je podobný iným spektrálnym rozsahom, pričom je len malou časťou spektra elektromagnetických vĺn. Žiarenie s rôznymi vlnovými dĺžkami (frekvenciami) vo viditeľnom rozsahu má rôzne fyziologické účinky na sietnicu ľudského oka, čo spôsobuje psychologický vnem svetla. Farba nie je vlastnosťou samotnej elektromagnetickej svetelnej vlny, ale prejavom elektrochemického pôsobenia ľudského fyziologického systému: očí, nervov, mozgu. Približne môžeme vymenovať sedem základných farieb rozlíšených ľudským okom vo viditeľnej oblasti (v poradí podľa zvyšujúcej sa frekvencie žiarenia): červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová. Zapamätanie postupnosti základných farieb spektra uľahčuje fráza, ktorej každé slovo začína prvým písmenom názvu základnej farby: „Každý lovec chce vedieť, kde sedí bažant“. Viditeľné žiarenie môže ovplyvniť výskyt chemických reakcií v rastlinách (fotosyntéza) a u zvierat a ľudí. Viditeľné žiarenie vyžaruje určitý hmyz (svetlušky) a niektoré hlbokomorské ryby v dôsledku chemických reakcií v tele. Absorpcia oxidu uhličitého rastlinami ako výsledok procesu fotosyntézy a uvoľňovanie kyslíka pomáha udržiavať biologický život na Zemi. Viditeľné žiarenie sa využíva aj pri osvetlení rôznych predmetov.

Svetlo je zdrojom života na Zemi a zároveň zdrojom našich predstáv o svete okolo nás.

Ultrafialové žiarenie, okom neviditeľné elektromagnetické žiarenie, ktoré zaberá spektrálnu oblasť medzi viditeľným a röntgenovým žiarením v rámci vlnových dĺžok 3,8 ∙ 10 -7 - 3 ∙ 10 -9 m ( = 8 * 10 14 - 3 * 10 16 Hz). Ultrafialové žiarenie objavil v roku 1801 nemecký vedec Johann Ritter. Štúdiom sčernania chloridu strieborného pod vplyvom viditeľného svetla Ritter zistil, že striebro sčernie ešte účinnejšie v oblasti za fialovým koncom spektra, kde viditeľné žiarenie chýba. Neviditeľné žiarenie, ktoré spôsobilo toto sčernenie, sa nazývalo ultrafialové žiarenie.

Zdrojom ultrafialového žiarenia sú valenčné elektróny atómov a molekúl, ako aj rýchlo sa pohybujúce voľné náboje.

Žiarenie pevných látok zahriatych na teploty -3000 K obsahuje znateľný podiel ultrafialového žiarenia spojitého spektra, ktorého intenzita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Výkonnejším zdrojom ultrafialového žiarenia je akákoľvek vysokoteplotná plazma. Na rôzne aplikácie ultrafialového žiarenia sa používajú ortuťové, xenónové a iné plynové výbojky. Prirodzenými zdrojmi ultrafialového žiarenia sú Slnko, hviezdy, hmloviny a iné vesmírne objekty. Avšak len dlhovlnná časť ich žiarenia ( 290 nm) dosahuje zemský povrch. Na registráciu ultrafialového žiarenia pri

 = 230 nm, používajú sa bežné fotografické materiály, v oblasti kratšej vlnovej dĺžky sú na ňu citlivé špeciálne nízkoželatínové fotografické vrstvy. Používajú sa fotoelektrické prijímače, ktoré využívajú schopnosť ultrafialového žiarenia spôsobiť ionizáciu a fotoelektrický efekt: fotodiódy, ionizačné komory, fotónové čítače, fotonásobiče.

V malých dávkach pôsobí ultrafialové žiarenie na človeka blahodarne, hojivo, aktivuje syntézu vitamínu D v tele a spôsobuje aj opálenie. Veľká dávka ultrafialového žiarenia môže spôsobiť popáleniny kože a rakovinu (80% liečiteľná). Okrem toho nadmerné ultrafialové žiarenie oslabuje imunitný systém tela, čo prispieva k rozvoju niektorých chorôb. Ultrafialové žiarenie má tiež baktericídny účinok: pod vplyvom tohto žiarenia zomierajú patogénne baktérie.

Ultrafialové žiarenie sa používa vo fluorescenčných lampách, vo forenznej vede (podvodné dokumenty možno odhaliť z fotografií) a v dejinách umenia (pomocou ultrafialových lúčov možno na maľbách odhaliť neviditeľné stopy reštaurovania). Okenné sklo prakticky neprepúšťa ultrafialové žiarenie, pretože Je absorbovaný oxidom železa, ktorý je súčasťou skla. Z tohto dôvodu sa ani počas horúceho slnečného dňa nemôžete opaľovať v miestnosti so zatvoreným oknom.

Ľudské oko nevidí ultrafialové žiarenie, pretože... Rohovka oka a očná šošovka absorbujú ultrafialové žiarenie. Ultrafialové žiarenie je viditeľné pre niektoré zvieratá. Napríklad holub naviguje podľa Slnka aj v zamračenom počasí.

Röntgenové žiarenie - Ide o elektromagnetické ionizujúce žiarenie, ktoré zaberá spektrálnu oblasť medzi gama a ultrafialovým žiarením v rámci vlnových dĺžok od 10 -12 - 10 -8 m (frekvencie 3 * 10 16 - 3-10 20 Hz). Röntgenové žiarenie objavil v roku 1895 nemecký fyzik W. K. Roentgen. Najčastejším zdrojom röntgenového žiarenia je röntgenová trubica, v ktorej elektróny urýchlené elektrickým poľom bombardujú kovovú anódu. Röntgenové lúče môžu byť produkované bombardovaním cieľa vysokoenergetickými iónmi. Niektoré rádioaktívne izotopy a synchrotróny – zariadenia na ukladanie elektrónov – môžu slúžiť aj ako zdroje röntgenového žiarenia. Prirodzenými zdrojmi röntgenového žiarenia sú Slnko a iné vesmírne objekty

Röntgenové snímky predmetov sa získavajú na špeciálnom röntgenovom fotografickom filme. Röntgenové žiarenie sa môže zaznamenávať pomocou ionizačnej komory, scintilačného čítača, sekundárnych elektrónových alebo kanálových elektrónových multiplikátorov a mikrokanálových platní. Pre svoju vysokú penetračnú schopnosť sa röntgenové žiarenie využíva v röntgenovej difrakčnej analýze (štúdium štruktúry kryštálovej mriežky), pri štúdiu štruktúry molekúl, zisťovaní defektov vo vzorkách, v medicíne (röntgenové lúče, fluorografia, atď.). liečbe rakoviny), pri zisťovaní chýb (odhalenie defektov odliatkov, koľajníc), v dejinách umenia (objavenie starovekej maľby ukrytej pod vrstvou neskoršej maľby), v astronómii (pri štúdiu röntgenových zdrojov) a forenznej vede. Veľká dávka röntgenového žiarenia vedie k popáleninám a zmenám v štruktúre ľudskej krvi. Vytvorenie röntgenových prijímačov a ich umiestnenie na vesmírnych staniciach umožnilo odhaliť röntgenové žiarenie stoviek hviezd, ale aj obalov supernov a celých galaxií.

Gama žiarenie - krátkovlnné elektromagnetické žiarenie zaberajúce celý frekvenčný rozsah  = 8∙10 14 - 10 17 Hz, čo zodpovedá vlnovým dĺžkam  = 3,8·10 -7 - 3∙10 -9 m Gama žiarenie objavil francúzsky vedec Paul Villard v roku 1900 Villar pri štúdiu rádiového žiarenia v silnom magnetickom poli objavil krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, ktoré podobne ako svetlo nie je vychýlené magnetickým poľom. Volalo sa to gama žiarenie. Gama žiarenie je spojené s jadrovými procesmi, javmi rádioaktívneho rozpadu, ktoré sa vyskytujú pri určitých látkach na Zemi aj vo vesmíre. Gama žiarenie je možné zaznamenávať pomocou ionizačných a bublinkových komôr, ako aj pomocou špeciálnych fotografických emulzií. Používajú sa pri štúdiu jadrových procesov a pri zisťovaní chýb. Gama žiarenie má na človeka negatívny vplyv.

Takže nízkofrekvenčné žiarenie, rádiové vlny, infračervené žiarenie, viditeľné žiarenie, ultrafialové žiarenie, röntgenové žiarenie, -žiarenie sú rôzne druhy elektromagnetického žiarenia.

Ak tieto typy mentálne usporiadate podľa zvyšujúcej sa frekvencie alebo klesajúcej vlnovej dĺžky, získate široké spojité spektrum - škálu elektromagnetického žiarenia (učiteľ ukazuje mierku). Medzi nebezpečné druhy žiarenia patria: gama žiarenie, röntgenové žiarenie a ultrafialové žiarenie, ostatné sú bezpečné.

Rozdelenie elektromagnetického žiarenia do rozsahov je podmienené. Medzi regiónmi neexistuje jasná hranica. Názvy regiónov sa historicky vyvíjali, slúžia len ako vhodný prostriedok na klasifikáciu zdrojov žiarenia.

Všetky rozsahy stupnice elektromagnetického žiarenia majú spoločné vlastnosti:

fyzikálna podstata všetkého žiarenia je rovnaká

všetko žiarenie sa šíri vo vákuu rovnakou rýchlosťou, ktorá sa rovná 3 * 10 8 m/s

všetky žiarenia majú spoločné vlnové vlastnosti (odraz, lom, interferencia, difrakcia, polarizácia)

5. Zhrnutie lekcie

Na konci hodiny žiaci dokončia prácu na stole.

Záver: Celá škála elektromagnetických vĺn je dôkazom toho, že všetko žiarenie má kvantové aj vlnové vlastnosti. Kvantové a vlnové vlastnosti sa v tomto prípade nevylučujú, ale dopĺňajú. Vlastnosti vĺn sa prejavujú zreteľnejšie pri nízkych frekvenciách a menej zreteľne pri vysokých frekvenciách. Naopak, kvantové vlastnosti sa javia zreteľnejšie pri vysokých frekvenciách a menej zreteľne pri nízkych frekvenciách. Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým jasnejšie sa javia kvantové vlastnosti a čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým jasnejšie sa javia vlastnosti vlny. To všetko slúži ako potvrdenie zákona dialektiky (prechod kvantitatívnych zmien na kvalitatívne).

posledný stĺpec (účinok EMR na človeka) a

pripraviť správu o používaní EMR

), popisujúci elektromagnetické pole, teoreticky ukázal, že elektromagnetické pole vo vákuu môže existovať aj bez zdrojov - nábojov a prúdov. Pole bez zdrojov má tvar vĺn šíriacich sa konečnou rýchlosťou, ktorá sa vo vákuu rovná rýchlosti svetla: s= 299792458±1,2 m/s. Zhoda rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu s predtým nameranou rýchlosťou svetla umožnila Maxwellovi dospieť k záveru, že svetlo je elektromagnetické vlnenie. Podobný záver neskôr vytvoril základ elektromagnetickej teórie svetla.

V roku 1888 získala teória elektromagnetických vĺn experimentálne potvrdenie v experimentoch G. Hertza. Pomocou vysokonapäťového zdroja a vibrátorov (pozri Hertzov vibrátor) bol Hertz schopný vykonávať jemné experimenty na určenie rýchlosti šírenia elektromagnetickej vlny a jej dĺžky. Experimentálne sa potvrdilo, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny sa rovná rýchlosti svetla, čo dokázalo elektromagnetickú povahu svetla.

Takmer všetko, čo o vesmíre (a mikrosvete) vieme, poznáme vďaka elektromagnetickému žiareniu, teda osciláciám elektrických a magnetických polí, ktoré sa šíria vo vákuu rýchlosťou svetla. Svetlo je v skutočnosti špeciálnym typom elektromagnetických vĺn vnímaných ľudským okom.

Presný popis elektromagnetických vĺn a ich šírenia poskytujú Maxwellove rovnice. Tento proces však možno kvalitatívne vysvetliť bez akejkoľvek matematiky. Zoberme si pokojový elektrón - takmer bodový negatívny elektrický náboj. Vytvára okolo seba elektrostatické pole, ktoré ovplyvňuje ostatné náboje. Na negatívne náboje pôsobí odpudivá sila a na kladné náboje príťažlivá sila a všetky tieto sily sú nasmerované striktne pozdĺž polomerov vychádzajúcich z nášho elektrónu. So vzdialenosťou sa vplyv elektrónu na ostatné náboje oslabuje, ale nikdy neklesne na nulu. Inými slovami, v celom nekonečnom priestore okolo seba vytvára elektrón radiálne silové pole (to platí len pre elektrón, ktorý je v jednom bode večne v pokoji).

Povedzme, že istá sila (nebudeme špecifikovať jej povahu) nečakane vyrušila zvyšok elektrónu a prinútila ho posunúť sa trochu do strany. Teraz by sa siločiary mali odkloniť od nového centra, kam sa elektrón presunul. Ale elektrické pole obklopujúce náboj sa nemôže okamžite zmeniť. V dostatočne veľkej vzdialenosti budú siločiary ešte dlho ukazovať na pôvodné miesto náboja. To sa bude diať dovtedy, kým sa nepriblíži vlna reštrukturalizácie elektrického poľa, ktorá sa šíri rýchlosťou svetla. Toto je elektromagnetická vlna a jej rýchlosť je základnou vlastnosťou priestoru v našom vesmíre. Samozrejme, tento popis je extrémne zjednodušený a niektoré z nich sú dokonca jednoducho nesprávne, ale dáva prvý dojem o tom, ako sa šíria elektromagnetické vlny.

Tu je to, čo je na tomto popise nesprávne. Opísaný proces v skutočnosti nie je vlnou, teda šíriacim sa periodickým oscilačným procesom. Máme distribúciu, ale niet nad čím váhať. Ale táto chyba sa dá veľmi ľahko opraviť. Prinútime tú istú silu, ktorá vyniesla elektrón z jeho pôvodnej polohy, aby ho okamžite vrátila na svoje miesto. Potom bude po prvej reštrukturalizácii radiálneho elektrického poľa bezprostredne nasledovať druhá, ktorá obnoví pôvodný stav vecí. Teraz nechajte elektrón periodicky opakovať tento pohyb a potom budú prebiehať skutočné vlny pozdĺž radiálnych siločiar elektrického poľa vo všetkých smeroch. Tento obrázok je už oveľa lepší ako prvý. Nie je to však úplne správne - ukázalo sa, že vlny sú čisto elektrické a nie elektromagnetické.

Tu je čas pripomenúť si zákon elektromagnetickej indukcie: meniace sa elektrické pole generuje magnetické pole a meniace sa magnetické pole generuje elektrické. Zdá sa, že tieto dve polia sú navzájom prepojené. Akonáhle vytvoríme vlnovú zmenu v elektrickom poli, okamžite sa k nej pridá magnetická vlna. Nie je možné oddeliť túto dvojicu vĺn - ide o jediný elektromagnetický jav.

Popis môžete ďalej spresňovať, postupne sa zbavovať nepresností a hrubých približností. Ak túto záležitosť dotiahneme do konca, dostaneme akurát už spomínané Maxwellove rovnice. Zastavme sa však na polceste, pretože pre nás je zatiaľ dôležité len kvalitatívne pochopenie problematiky a z nášho modelu sú už jasné všetky hlavné body. Hlavným je nezávislosť šírenia elektromagnetickej vlny od jej zdroja.

Vlny elektrických a magnetických polí, hoci vznikli v dôsledku oscilácií náboja, sa v skutočnosti nešíria úplne nezávisle. Čokoľvek sa stane so zdrojovým nábojom, signál o ňom nebude stíhať vychádzajúcu elektromagnetickú vlnu - napokon sa nebude šíriť rýchlejšie ako svetlo. To nám umožňuje považovať elektromagnetické vlny za nezávislé fyzikálne javy spolu s nábojmi, ktoré ich generujú.

Všetky vlnové procesy sú opísané pomocou rovnakého typu matematických rovníc. Vlastnosti vykazované vlnami sú tiež rovnaké a sú vlastné vlnám akejkoľvek povahy.

Medzi najdôležitejšie vlnové vlastnosti patrí interferencia a difrakcia.

Rušenie– superpozícia dvoch vĺn, pri ktorej sa vlny v niektorých bodoch priestoru v priebehu času neustále zosilňujú a v iných zoslabujú. Rušenie vysvetľuje napríklad dúhové pruhy na mydlových bublinách, povrchoch mlák a na krídlach hmyzu.

Nevyhnutnou podmienkou pre vznik a stabilitu interferenčného obrazca je súdržnosť vlny, t.j. presná zhoda ich frekvencií a stálosť amplitúd v čase. Rovnosť amplitúd nie je potrebná, ovplyvňuje iba kontrast obrazu.

Prirodzené zdroje vĺn nie sú koherentné, na získanie interferenčného vzoru s ich pomocou je potrebné uchýliť sa k rôznym technikám - rozdeleniu vlny z jedného zdroja na časti. Laserové žiarenie má vysoký stupeň koherencie.

Difrakcia– jav pozostávajúci z vlny ohýbajúcej sa okolo priestorových nehomogenít. Vlna tak padá do oblasti geometrického tieňa. Aby bolo možné pozorovať difrakciu, je potrebné, aby veľkosť nehomogenít bola porovnateľná s vlnovou dĺžkou: d~l. Vlna z kameňa hodeného do vody teda zažije difrakciu hromadou alebo kameňom vyčnievajúcim nad hladinu vody, ale tenkú stonku ostrice si „nevšimne“.

Interferencia a difrakcia sú typicky vlnové vlastnosti. Platí to aj naopak: ak sú tieto javy pozorované, potom možno objekt s istotou považovať za vlnu. Tieto tvrdenia sa ukázali ako mimoriadne plodné pri skúmaní javov mikrosveta.

Elektromagnetické vlny v prírode a technike.

Vlny si najjasnejšie predstavíme, keď hovoríme o vlnách na vode. Dokonca ich však vidíme vďaka elektromagnetickým vlnám – svetlu. V prírode a technike sú to najčastejšie vlny kvôli veľmi širokému rozsahu možných frekvencií a vlnových dĺžok. Elektromagnetické vlny vznikajú vždy elektrické náboje, ktoré sa pohybujú nerovnomerne (t.j. so zrýchlením). Elektromagnetické vlny sú vždy priečne.

Dajme si stupnica elektromagnetických vĺn s uvedením ich pôvodu. Hranice sekcií stupnice sú celkom ľubovoľné, o tom, aký typ vlny klasifikovať, rozhoduje predovšetkým jej povaha.

Rádiové vlny 10 km > l > 1 mm– generované striedavým elektrickým prúdom. Rozsah 1 m > l > 1 mm volal mikrovlny(mikrovlnné vlny).

Optické vlny 1 mm > 1 > 1 nm– vznikajú chaotickým tepelným pohybom molekúl, prechodmi elektrónov vo vnútri atómov.

Röntgenové vlny 10 -8 m > l > 10 -12 m vznikajú, keď sa elektróny v látke spomaľujú.

Gama žiarenie l< 10 -11 м vzniká pri jadrových reakciách.

Optický rozsah vlnových dĺžok je rozdelený na infračervené (IR), viditeľné a ultrafialové (UV) oblasti. Ľudské oko vníma úzku časť spektra: 0,78 um > l > 0,38 um.Ľudia najlepšie vnímajú l = 555 nm (žlto-zelené svetlo).

Automatické vlny.

Špeciálny typ vĺn môže existovať v aktívnych médiách alebo v energeticky podporovaných médiách. Vďaka vnútorným zdrojom média alebo vďaka dodávke energie zvonku sa vlna môže šíriť bez útlmu a bez zmeny jeho vlastností. Takéto samoudržiavacie vlny v nelineárnych médiách sa nazývajú automatické vlny (R.V. Chochlov).

Autovlny boli objavené pri spaľovacích reakciách, pri prenose vzruchu po nervových vláknach, svaloch, sietnici oka, pri analýze veľkosti biologických populácií atď.

Predpokladom existencie automatických vĺn je nelinearita prostredie, t.j. závislosť vlastností média od charakteristiky vlny. Vlna sama o sebe určuje množstvo energie potrebnej na udržanie jej charakteristík, a tým ju vykonáva spätná väzba .

Prednáška 10.

Zákonitosti mikrosveta. Časticovo-vlnový dualizmus hmoty. Princíp komplementarity a problém kauzality.

Hypotéza M. Plancka o kvantách energie.

Vlnové vlastnosti spojené so svetlom sú známe už dlho, od 17. storočia. Avšak až v 2. polovici 19. stor. Nakoniec sa dokázalo, že svetlo je elektromagnetické vlnenie.

Vyskytlo sa však množstvo javov, ktoré nebolo možné vysvetliť z hľadiska vlnovej povahy svetla. Medzi tieto javy - ľahký tlak , čo je ľahko demonštrované experimentálne, a fotoefekt , podrobne študoval P.N. Lebedev. Fotoelektrický efekt spočíva v tom, že svetlo vyrazí elektróny z povrchu kovu; Objaví sa elektrický prúd nazývaný fotoprúd. Zákony fotoelektrického javu sú také, že je prirodzenejšie považovať žiarenie, ktoré ho spôsobuje, za prúdenie určitých častíc a nie za vlnu.

Ďalší problém, ktorý nebolo možné vyriešiť na základe vlnovej teórie svetla, pomenovali súčasníci „ultrafialová katastrofa“. Vlnová teória predpovedá, že energia tepelného žiarenia (t.j. elektromagnetickej vlny vyžarovanej ktorýmkoľvek telesom v dôsledku tepelného pohybu jeho molekúl) by mala byť tým väčšia, čím vyššia je jeho frekvencia. To znamená, že v rozsahu vlnových dĺžok UV žiarenia by sa malo vyžarovať toľko energie, že telo minie všetku svoju energiu na tepelné žiarenie. Experiment ukázal úplný nesúlad s klasickou vlnovou teóriou. Reálne tepelné vyžarovanie nezávisí monotónne od frekvencie, existuje frekvencia, pri ktorej je intenzita žiarenia maximálna, pri vysokých a nízkych frekvenciách má tendenciu k 0. Klasická vlnová teória teda dostatočne nepopisuje tepelné vyžarovanie.

V roku 1900 predložil M. Planck hypotézu, podľa ktorej vyhrievané teleso vyžaruje energiu nie nepretržite, ale v oddelených častiach, ktoré boli v roku 1905 tzv. kvantá . Energia jedného kvanta je úmerná frekvencii žiarenia:

konštanta h = 6,63 10 -34 J s, ћ = ћ/2p = 1,055 10 -34 J s – Planckove konštanty. (Všimnite si, že rozmer ћ sa zhoduje s rozmerom momentu hybnosti. Veličina ћ sa niekedy nazýva „akčné kvantum“).

Planckova konštanta je jednou zo základných fyzikálnych konštánt. Náš svet je taký, aký je, najmä preto, že ћ má presne tento a nie nejaký iný význam.

Vlna, ktorá bola predtým považovaná za spojitú, bola teda reprezentovaná v diskrétnej forme. Táto hypotéza sa ukázala ako veľmi plodná a umožnila kvantitatívne opísať tepelné žiarenie v plnom súlade s experimentom. Pri vývoji Planckovej hypotézy sa predpokladalo, že vlna sa nielen vyžaruje, ale sa aj šíri a je absorbovaná vo forme kvánt. Nebolo však jasné, či diskrétna povaha žiarenia bola vlastnosťou samotného žiarenia alebo či bola výsledkom jeho interakcie s hmotou. Prvý človek, ktorý pochopil, že diskrétnosť je integrálnou vlastnosťou žiarenia, bol Einstein, ktorý túto myšlienku aplikoval pri štúdiu fotoelektrického javu.