Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Шкала электромагнитных волн
Материалы к уроку
Конспект урока
Видимое излучение (свет) далеко не исчерпывает возможные виды излучений. За границей видимого излучения находятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.
Поставим опыт для того, чтобы исследовать распределение энергии в спектре электрической дуги. Когда мы перемещаем чувствительный прибор к красному концу спектра, легко обнаружить, как температура увеличивается. За красным концом спектра глаз уже не обнаруживает света, но если переместить туда пластину, она нагреется еще сильнее. Электромагнитные волны, которые вызывают этот нагрев, называются инфракрасными волнами. Они находятся за красным цветом спектра видимого излучения. Любое нагретое тело испускает эти лучи, в том числе и батареи отопления в квартирах. Поэтому инфракрасные волны часто называют тепловыми. Инфракрасные волны имеют длины, превышающие длину волны красного света, именно поэтому их не воспринимает глаз. Максимум энергии излучения электрической дуги и лампы накаливания приходится на инфракрасные лучи. Сегодня изготовляются бинокли и оптические прицелы, позволяющие видеть в темноте. Благодаря им не видимое глазом инфракрасное изображение объекта преобразуется в видимое. Впервые биологическое действие инфракрасного излучения было обнаружено по отношению к растениям, животным. В большинстве случаев подавлялось развитие микрофлоры, у людей и животных активизировался кровоток, поэтому ускорялись процессы обмена. Было доказано, что инфракрасные лучи оказывают одновременно болеутоляющее, антиспазматическое, противовоспалительное, циркуляторное, стимулирующее и отвлекающее действие. Исследования ученых показали, что наиболее полезное действие на организм человека оказывает именно длинноволновое инфракрасное излучение, особенно та его часть, так называемые «Лучи жизни» (длина волны 5-15 мкм). Именно в этом диапазоне и находится тепловое излучение человека. На свойстве инфракрасных лучей поглощаться и отражаться некоторыми веществами не так, как видимый свет, основано их применение в судебно-экспертной практике. Например, фотографирование в инфракрасных лучах позволяет выявить подчистки в документах, читать залитые или замазанные тексты. Присутствие инфракрасного излучения можно обнаружить с помощью люминесценции. Известны некоторые кристаллофосфоры (твердые люминесцентные вещества), которые дают вспышки свечения под действием инфракрасного излучения. Наличие инфракрасного излучения было впервые обнаружено в 1800 году английским ученым Уильямом Гершелем. Гершель обнаружил, что в полученном им с помощью призмы спектре Солнца за границей красного, т.е. уже в невидимой области, температура термометра повышается. Термометр, помещённый в эту область, показывал большую температуру, чем контрольный термометр. Далее было доказано, что излучение в этой области подчиняется законам оптики, а значит имеет ту же природу, что и солнечный свет. Свою проделанную работу он описал в книге «Опыты по преломляемости невидимых солнечных лучей». За фиолетовым концом спектра прибор также обнаружит повышение температура, но, правда, очень незначительное. Следовательно, существуют электромагнитные волны с длиной волны меньшей, чем у фиолетового света. Они называются ультрафиолетовыми. Обнаружить ультрафиолетовое излучение можно с помощью экрана, покрытого люминесцирующим веществом. Экран начинает светиться в той части, где освещается лучами, лежащими за фиолетовой областью спектра. Ультрафиолетовое излучение имеет высокую химическую активность. Например, если спроектировать спектр в затемненном помещении на фотобумагу, можно заметить какую повышенную чувствительность имеет фотоэмульсия к ультрафиолетовому излучению. После проявления бумага почернеет за фиолетовым концом спектра сильнее, чем в области видимого спектра. Хотя и ультрафиолетовые лучи не вызывают зрительных образов, но оказывают пагубное воздействие на сетчатку глаза. Ультрафиолетовое излучение Солнца недостаточно сильно поглощается верхними слоями атмосферы. Поэтому нужно носить хотя бы стеклянные очки, прозрачные для видимого спектра. Они защищают глаза от ультрафиолетового излучения, так как стекло сильно поглощает ультрафиолетовые лучи.
Впрочем, в малых дозах ультрафиолетовые лучи оказывают целебное действие. Умеренное пребывание на солнце полезно, особенно в юном возрасте; ультрафиолетовые лучи способствуют росту и укреплению организма. Кроме прямого действия на ткани кожи (образование защитного пигмента - загара, витамина D2), ультрафиолетовые лучи оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируя ряд важных жизненных функций в организме. Ультрафиолетовые лучи оказывают также бактерицидное действие. Они убивают болезнетворные бактерии и используются с этой целью в медицине.
Приведем пример. Эксперт сфотографировал документ в ультрафиолетовых лучах. В результате удалось прочитать текст, невидимый при обычном свете. Как ему это удалось? Ультрафиолетовые лучи, подчиняясь общим законам поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн, вместе с тем поглощаются и отражаются рядом веществ иначе, чем видимые лучи. Одни вещества могут поглощать ультрафиолетовые лучи, другие, наоборот, беспрепятственно их пропускают, но в тоже время остаются непрозрачными для лучей видимого света. После воздействия ультрафиолетовых лучей многие вещества испускают видимый свет, иначе люминесцируют. При облучении изучаемого объекта (например, картины или документа) ультрафиолетовыми лучами становятся видны детали, невидимые при обычном освещении.
Другой пример. Можно получать фотографии в ультрафиолетовых лучах. Для этого на светочувствительный слой фотопластинки накладывают слой люминесцентного вещества, который преобразует невидимое излучение в видимое. Фотографии, полученные таким образом, оказываются более четкими, с большим количеством деталей. Может быть, и не все слышали об инфракрасных и ультрафиолетовых лучах, но о существовании рентгеновских лучей, конечно, знают все. Эти замечательные лучи проникают сквозь непрозрачные для обычного света тела. Поглощение рентгеновских лучей пропорционально плотности вещества, поэтому с помощью рентгеновских лучей можно получать фотографии внутренних органов человека. На этих фотографиях хорошо различимы кости скелета и места различных перерождений мягких тканей. Рентгеновские лучи широко используются в медицине. Немецкий физик Вильгельм Рентген открыл коротковолновое электромагнитное излучение — рентгеновские лучи в 1895 году. Рентген умел наблюдать, умел замечать новое там, где другие ученые до него не обнаруживали ничего примечательного. Этот особый дар помог ему сделать свое замечательное открытие.
В конце 19 века всеобщее внимание физиков привлек тот факт, что газовый разряд происходит при малом давлении. При этих условиях в газоразрядной трубке возникали потоки очень быстрых электронов. В то время их называли катодными лучами. Природа таких лучей еще не была с достоверностью изучена и установлена. Понимали лишь, что они берут начало на катоде трубки.
Рентген занялся исследованием катодных лучей. Скоро он заметил, что фотопластинка вблизи разрядной трубки оказывалась засвеченной даже тогда, когда она была завернута в черную бумагу. После этого его поразило следующее явление. Бумажный экран, смоченный раствором платино-синеродистого бария, начинал светиться, если им обертывалась разрядная трубка. Даже когда рентген держал руку между трубкой и экраном, то на экране были видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний всей кисти руки. И тогда ученый понял, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его X-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи». Рентген Вильгельм жил и творил с 1845 по 1923 годы. Открытие им в 1895 году рентгеновских лучей оказало огромное влияние на все последующее развитие физики, в частности привело к открытию радиоактивности. Первая Нобелевская премия по физике была присуждено Рентгену. Также Рентген способствовал быстрому распространению практического применения своего открытия в медицине. Конструкция созданной им первой рентгеновской трубки сохранилась в основных чертах до настоящего времени. Лучи, открытые Рентгеном, действовали на фотопластинку и вызывали ионизацию воздуха. Но они заметным образом не отражались от каких – либо веществ и не испытывали преломления.
Возникает вопрос. Если рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, то оно должно обнаруживать дифракцию – явление, присущее всем видам волн.
Немецкий физик Макс Лауэ предложил, что длина волны рентгеновских лучей слишком мала для того, чтобы можно было обнаружить дифракцию этих волн на искусственно созданных препятствиях. Ведь нельзя сделать щели размером 10 в минус 8 степени см, поскольку таков размер самих атомов. Узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл, за которым была расположена фотопластинка. При этом было обнаружено, как наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли регулярно расположенные небольшие пятнышки вокруг центрального пятна. Появление этих пятнышек можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей, которые прошли через упорядоченную структуру кристалла. Исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения и по порядку величины была равна размерам атома (10-8 см). Рентгеновские лучи нашли широкое практическое применение. В медицине они применяются для постановки правильного диагноза заболевания, а также для лечения раковых заболеваний. Весьма обширным является диапазон применения рентгеновских лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить порядок расположения атомов в пространстве и тем самым определить структуру кристаллов. С помощью рентгеноструктурного анализа удается расшифровать строение сложнейших органических соединений, включая белки. В частности, была определена структура молекулы гемоглобина, содержащей десятки тысяч атомов. Эти достижения стали возможны лишь благодаря тому, что длина волны рентгеновских лучей очень мала. Длина волны равна размеру атома, поэтому удалось рассмотреть, изучить молекулярные структуры. Расшифровав дифракционную картину рентгеновского излучения, можно восстановить характер пространственного расположения атомов. Из других применений рентгеновских лучей отметим рентгеновскую дефектоскопию — метод обнаружения раковин в отливках, трещин в рельсах, проверки качества сварных швов и т. д. Рентгеновская дефектоскопия основана на изменении поглощения рентгеновских лучей изделием при наличии в нем полости или инородных включений. В настоящее время для получения рентгеновских лучей разрабатываются все более совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками. На рисунке изображена упрощенная схема электронной рентгеновской трубки. Вольфрамовый катод, свернутый в спираль, испускает электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Цилиндр фокусирует поток электронов. Они затем соударяются с металлическим электродом (анодом). При этом появляются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум. В мощных рентгеновских трубках при торможении электронов выделяется большое количество теплоты. Поэтому анод приходится охлаждать проточной водой. В полезное излучение превращается лишь около 3% энергии электронов. Рентгеновские лучи имеют длины волн в диапазоне от 10 в минус 10 степени до 1 тысячной метров. Они обладают большой проникающей способностью и используются как в медицине, также и для исследования структуры кристаллов и сложных органических молекул. Свет составляет ничтожную часть широко спектра электромагнитных волн. Но именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.
Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи. Самое коротковолновое y-излучение испускают атомные ядра. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы.
Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения и методам регистрации. Например, излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов. В вакууме же излучение любой длины волны распространяется с одной и той же скоростью, равной 300 000 км/с. Поэтому границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами. Их успешно исследуют с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. Рентгеновское излучение из космоса сильно поглощается атмосферой Земли. По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.
Волны различной длины при излучении по-разному поглощаются веществом. Коротковолновые рентгеновские излучения слабо поглощаются. Если вещество является непрозрачным для волн оптического диапазона, то оно также непрозрачно и для излучений этого диапазона. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны
Коротковолновое излучение, в отличие от длинноволнового излучения, обнаруживает свойства частиц.
Впрочем, в малых дозах ультрафиолетовые лучи оказывают целебное действие. Умеренное пребывание на солнце полезно, особенно в юном возрасте; ультрафиолетовые лучи способствуют росту и укреплению организма. Кроме прямого действия на ткани кожи (образование защитного пигмента - загара, витамина D2), ультрафиолетовые лучи оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируя ряд важных жизненных функций в организме. Ультрафиолетовые лучи оказывают также бактерицидное действие. Они убивают болезнетворные бактерии и используются с этой целью в медицине.
Приведем пример. Эксперт сфотографировал документ в ультрафиолетовых лучах. В результате удалось прочитать текст, невидимый при обычном свете. Как ему это удалось? Ультрафиолетовые лучи, подчиняясь общим законам поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн, вместе с тем поглощаются и отражаются рядом веществ иначе, чем видимые лучи. Одни вещества могут поглощать ультрафиолетовые лучи, другие, наоборот, беспрепятственно их пропускают, но в тоже время остаются непрозрачными для лучей видимого света. После воздействия ультрафиолетовых лучей многие вещества испускают видимый свет, иначе люминесцируют. При облучении изучаемого объекта (например, картины или документа) ультрафиолетовыми лучами становятся видны детали, невидимые при обычном освещении.
Другой пример. Можно получать фотографии в ультрафиолетовых лучах. Для этого на светочувствительный слой фотопластинки накладывают слой люминесцентного вещества, который преобразует невидимое излучение в видимое. Фотографии, полученные таким образом, оказываются более четкими, с большим количеством деталей. Может быть, и не все слышали об инфракрасных и ультрафиолетовых лучах, но о существовании рентгеновских лучей, конечно, знают все. Эти замечательные лучи проникают сквозь непрозрачные для обычного света тела. Поглощение рентгеновских лучей пропорционально плотности вещества, поэтому с помощью рентгеновских лучей можно получать фотографии внутренних органов человека. На этих фотографиях хорошо различимы кости скелета и места различных перерождений мягких тканей. Рентгеновские лучи широко используются в медицине. Немецкий физик Вильгельм Рентген открыл коротковолновое электромагнитное излучение — рентгеновские лучи в 1895 году. Рентген умел наблюдать, умел замечать новое там, где другие ученые до него не обнаруживали ничего примечательного. Этот особый дар помог ему сделать свое замечательное открытие.
В конце 19 века всеобщее внимание физиков привлек тот факт, что газовый разряд происходит при малом давлении. При этих условиях в газоразрядной трубке возникали потоки очень быстрых электронов. В то время их называли катодными лучами. Природа таких лучей еще не была с достоверностью изучена и установлена. Понимали лишь, что они берут начало на катоде трубки.
Рентген занялся исследованием катодных лучей. Скоро он заметил, что фотопластинка вблизи разрядной трубки оказывалась засвеченной даже тогда, когда она была завернута в черную бумагу. После этого его поразило следующее явление. Бумажный экран, смоченный раствором платино-синеродистого бария, начинал светиться, если им обертывалась разрядная трубка. Даже когда рентген держал руку между трубкой и экраном, то на экране были видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний всей кисти руки. И тогда ученый понял, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его X-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи». Рентген Вильгельм жил и творил с 1845 по 1923 годы. Открытие им в 1895 году рентгеновских лучей оказало огромное влияние на все последующее развитие физики, в частности привело к открытию радиоактивности. Первая Нобелевская премия по физике была присуждено Рентгену. Также Рентген способствовал быстрому распространению практического применения своего открытия в медицине. Конструкция созданной им первой рентгеновской трубки сохранилась в основных чертах до настоящего времени. Лучи, открытые Рентгеном, действовали на фотопластинку и вызывали ионизацию воздуха. Но они заметным образом не отражались от каких – либо веществ и не испытывали преломления.
Возникает вопрос. Если рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, то оно должно обнаруживать дифракцию – явление, присущее всем видам волн.
Немецкий физик Макс Лауэ предложил, что длина волны рентгеновских лучей слишком мала для того, чтобы можно было обнаружить дифракцию этих волн на искусственно созданных препятствиях. Ведь нельзя сделать щели размером 10 в минус 8 степени см, поскольку таков размер самих атомов. Узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл, за которым была расположена фотопластинка. При этом было обнаружено, как наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли регулярно расположенные небольшие пятнышки вокруг центрального пятна. Появление этих пятнышек можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей, которые прошли через упорядоченную структуру кристалла. Исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения и по порядку величины была равна размерам атома (10-8 см). Рентгеновские лучи нашли широкое практическое применение. В медицине они применяются для постановки правильного диагноза заболевания, а также для лечения раковых заболеваний. Весьма обширным является диапазон применения рентгеновских лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить порядок расположения атомов в пространстве и тем самым определить структуру кристаллов. С помощью рентгеноструктурного анализа удается расшифровать строение сложнейших органических соединений, включая белки. В частности, была определена структура молекулы гемоглобина, содержащей десятки тысяч атомов. Эти достижения стали возможны лишь благодаря тому, что длина волны рентгеновских лучей очень мала. Длина волны равна размеру атома, поэтому удалось рассмотреть, изучить молекулярные структуры. Расшифровав дифракционную картину рентгеновского излучения, можно восстановить характер пространственного расположения атомов. Из других применений рентгеновских лучей отметим рентгеновскую дефектоскопию — метод обнаружения раковин в отливках, трещин в рельсах, проверки качества сварных швов и т. д. Рентгеновская дефектоскопия основана на изменении поглощения рентгеновских лучей изделием при наличии в нем полости или инородных включений. В настоящее время для получения рентгеновских лучей разрабатываются все более совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками. На рисунке изображена упрощенная схема электронной рентгеновской трубки. Вольфрамовый катод, свернутый в спираль, испускает электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Цилиндр фокусирует поток электронов. Они затем соударяются с металлическим электродом (анодом). При этом появляются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум. В мощных рентгеновских трубках при торможении электронов выделяется большое количество теплоты. Поэтому анод приходится охлаждать проточной водой. В полезное излучение превращается лишь около 3% энергии электронов. Рентгеновские лучи имеют длины волн в диапазоне от 10 в минус 10 степени до 1 тысячной метров. Они обладают большой проникающей способностью и используются как в медицине, также и для исследования структуры кристаллов и сложных органических молекул. Свет составляет ничтожную часть широко спектра электромагнитных волн. Но именно при изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами.
Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи. Самое коротковолновое y-излучение испускают атомные ядра. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы.
Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения и методам регистрации. Например, излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов. В вакууме же излучение любой длины волны распространяется с одной и той же скоростью, равной 300 000 км/с. Поэтому границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
Все перечисленные виды электромагнитного излучения порождаются также космическими объектами. Их успешно исследуют с помощью ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей. Рентгеновское излучение из космоса сильно поглощается атмосферой Земли. По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям.
Волны различной длины при излучении по-разному поглощаются веществом. Коротковолновые рентгеновские излучения слабо поглощаются. Если вещество является непрозрачным для волн оптического диапазона, то оно также непрозрачно и для излучений этого диапазона. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волны
Коротковолновое излучение, в отличие от длинноволнового излучения, обнаруживает свойства частиц.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ