Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 35. Шкала електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі в природі і техніці

Електромагнітні хвилі (електромагнітне випромінювання) — це поширення у просторі коливань електромагнітного поля. Електромагнітні хвилі можуть випромінюватися різноманітними об'єктами — від величезних зір до атомних ядер. Про шкалу електромагнітних хвиль ви дізналися ще в курсі фізики 9-го класу. Отже, згадуємо і дізнаємося нове.

1. Шкала електромагнітних хвиль

Шкала (спектр) електромагнітних хвиль — безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.

За способом випромінювання хвиль, що належать до тієї чи іншої ділянки спектра, розрізняють: низькочастотне випромінювання й радіохвилі; інфрачервоне випромінювання, видиме світло й ультрафіолетове випромінювання; рентгенівське випромінювання; гамма-випромінювання (рис. 35.1).

Рис. 35.1. Шкала (спектр) електромагнітних хвиль — безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі

Принципової відмінності між окремими ділянками спектра немає — усі ці види випромінювань являють собою електромагнітні хвилі. Ці хвилі поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, яка дорівнює швидкості світла; породжуються зарядженими частинками, що рухаються прискорено; одночасно мають і хвильові, і квантові властивості, оскільки корпускулярно-хвильовий дуализм — це загальна властивість природи. Зі збільшенням частоти (зменшенням довжини) на перший план поступово виходять квантові властивості електромагнітного випромінювання, зі зменшенням частоти — хвильові. В оптичному діапазоні і квантові, і хвильові властивості електромагнітного випромінювання виявляються майже однаково.

Сподіваємося, що вам нескладно навести приклади на підтвердження останнього твердження.

Розглянемо спектр електромагнітних хвиль докладніше.

2. Радіохвилі

Радіохвилі — електромагнітні хвилі довжиною від 100 км (3 кГц) до ~ 0,1 мм (3 ТГц).

Радіохвилі — від наддовгих із довжиною понад 10 км до ультракоротких і мікрохвиль із довжиною менш ніж 0,1 мм — породжуються змінним електричним струмом.

Низькочастотне випромінювання (наддовгі радіохвилі) виникає, наприклад, навколо провідників, в яких тече змінний струм, і поблизу генераторів електричного струму. Оскільки енергія цих хвиль є дуже малою, вони можуть поширюватися на невеликі відстані й серйозно не впливають на організми, в тому числі на людину.

Електромагнітні хвилі радіодіапазону породжуються високочастотним змінним струмом, який створють генератори високочастотних електромагнітних коливань.

3. Електромагнітні хвилі оптичного діапазону

Будь-які хвилі оптичного діапазону випромінюються збудженими атомами під час їх переходу в стан з меншим рівнем енергії. Збудження атома відбувається внаслідок поглинання ним певної порції (кванта) енергії. Наприклад, під час непружного зіткнення атомів (або молекул) частина їх кінетичної енергії може витратитися на збудження, а потім випромінитися у вигляді кванта світла. Кожен ізольований атом, подібно до коливального контуру, може випромінювати тільки хвилі певних частот (щоправда, коливальний контур випромінює хвилі тільки однієї частоти).

4. Рентгенівське випромінювання

У XXI ст. навряд чи знайдеться доросла людина, яка хоча б раз у житті не робила рентгенівського знімка. Наприкінці ж XIX ст. зображення кисті людини з видимою структурою кісток (рис. 35.2.) обійшло шпальти газет усього світу й стало справжньою сенсацією для фізиків. За відкриття в 1895 р. рентгенівського випромінювання німецький фізик Вільгельм Конрад Рентґен (1845-1923) став першим у світі лауреатом Нобелівської премії.

Рентгенівське випромінювання (X-випромінювання) — електромагнітні хвилі довжиною від ~ 0,001 нм до ~ 100 нм.

Рис. 35.2. Перший рентгенівський знімок: кисть руки Берти Рентґен (дружини В. Рентґена) з обручкою

Рентгенівське випромінювання виникає внаслідок взаємодії швидких електронів з атомами катода в рентгенівській трубці, яка являє собою вакуумну скляну колбу з двома електродами — анодом А і катодом К (рис. 35.3). Між електродами створюється висока напруга (10-500 кВ), а катодом пропускають електричний струм; коли катод нагрівається, то з його поверхні починають вилітати (емітувати) електрони.

Рис. 35.3. Рентгенівська трубка: а — вигляд; б — схематичне зображення

Згадайте, як називають явище емісії електронів із поверхні металу внаслідок нагрівання.

Електрони, які випромінює катод, розганяються електричним полем до величезних швидкостей. Їх потрапляння на анод спричиняє два види рентгенівського випромінювання: гальмівне, зумовлене величезним прискоренням електронів під час їхнього гальмування на аноді, та характеристичне, зумовлене високоенергетичними збудженнями електронних оболонок атомів.

Рентгенівське випромінювання найширше застосовують у медицині, адже воно має властивість проходити крізь непрозорі предмети (наприклад, тіло людини). Кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж інші тканини організму людини, тому кістки чітко видно на рентгенограмі. Рентгенівське випромінювання чинить руйнівну дію на клітини організму, тому застосовувати його потрібно надзвичайно обережно. Рентгенівську зйомку використовують також у промисловості (для виявлення дефектів), хімії (для аналізу сполук), фізиці (для дослідження структури кристалів).

5. Гамма-випромінювання

Гамма (γ)-випромінювання — електромагнітні хвилі довжиною менш ніж 0,05 нм.

γ-випромінювання випускається збудженими атомними ядрами під час ядерних реакцій, радіоактивних перетворень атомних ядер і перетворень елементарних частинок.

Хто відкрив Х-промені

Значний внесок у дослідження Х-випромінювання, яке згодом було названо рентгенівським, зробив видатний учений українського походження Іван Павлович Пулюй (1845-1918), адже саме він ще в 1881 р. винайшов трубку, яку використав потім В. Рентґен у своїх дослідах і яка стала прообразом трубок сучасних рентгенівських апаратів. Фахівці з історії фізики дотепер сперечаються про те, хто насправді відкрив Х-промені (див. також рубрику «Фізика і техніка в Україні» наприкінці § 35).

γ-випромінювання використовують у дефектоскопії (виявлення дефектів усередині деталей); радіаційній хімії (наприклад, у процесі полімеризації); сільському господарстві й харчовій промисловості (стерилізація харчів); медицині (стерилізація приміщень, променева терапія). На організми γ-випромінювання чинить мутагенний і канцерогенний вплив. Разом із тим чітко спрямоване й дозоване γ-випромінювання застосовують для знищення ракових клітин (променева терапія) (рис. 35.4).

Рис. 35.4. Використання γ-випромінювання для лікування онкозахворювань. Щоб γ-промені не знищували здорові клітини, застосовують декілька слабких пучків γ-променів, які фокусують на пухлині

Зверніть увагу! У діапазонах рентгенівського випромінювання і γ-випромінювання на перший план виступають квантові властивості електромагнітного випромінювання.

Підбиваємо підсумки

• Шкала електромагнітних хвиль — безперервна послідовність частот і довжин електромагнітних хвиль, що існують у природі.

• За способом випромінювання та приймання хвиль, що належать до тієї чи іншої ділянки спектра, розрізняють низькочастотне випромінювання і радіохвилі (створюються змінним електричним струмом); інфрачервоне випромінювання, видиме світло й ультрафіолетове випромінювання (випускаються збудженими атомами); рентгенівське випромінювання (створюється під час швидкого гальмування заряджених частинок); γ-випромінювання (випускається збудженими атомними ядрами).

• Усі види випромінювань є електромагнітними хвилями, а отже, поширюються у вакуумі зі швидкістю світла. Зі збільшенням частоти (зменшенням довжини) хвилі збільшується проникна здатність електромагнітного випромінювання і поступово на перший план виходять квантові властивості випромінювання.

Контрольні запитання

1. Назвіть відомі вам види електромагнітного випромінювання. 2. Що спільного між усіма видами електромагнітного випромінювання? У чому їх відмінність? 3. Як змінюються властивості електромагнітного випромінювання зі збільшенням його частоти? 4. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітного випромінювання. 5. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?

Вправа № 35

1. Схему якого пристрою подано на рисунку? Хто першим створив цей пристрій? Назвіть основні частини пристрою.

2. Чому ультрафіолетові промені використовують для стерилізації приміщень, а інфрачервоні — ні?

3. Чому високо в горах слід обов’язково захищати очі окулярами?

4. Яку швидкість набирають електрони в рентгенівській трубці, що працює під напругою 32 кВ?

5. Відомо, що електромагнітне випромінювання чинить хімічну дію, зокрема завдяки електромагнітному випромінюванню відбувається фотосинтез. Підготуйте коротке повідомлення про значення фотосинтезу для життя на Землі.

6. Спираючись на властивості різних видів електромагнітного випромінювання, складіть інструкції щодо правил поведінки під час перебування на пляжі; під час медичних обстежень; під час роботи за комп’ютером.

ФІЗИКА І ТЕХНІКА В УКРАЇНІ

Іван Павлович Пулюй (1845-1918) — фізик і електротехнік українського походження, громадський діяч. Автор близько 50 наукових праць, насамперед із проблем катодного випромінювання та катодних Х-променів, електротехніки й електроенергетики.

І. П. Пулюй народився в містечку Гримайлів на Тернопільщині. Після закінчення Тернопільської гімназії продовжив навчання у Віденському університеті, здобув ступінь доктора натуральної філософії у Страсбурзькому університеті.

Дотепер залишається спірним питання про відкриття рентгенівського випромінювання, і якщо Вільгельма Рентґена знає увесь світ, то ім'я Івана Пулюя стало відомим широкому загалу нещодавно. Проте ще за 14 років до В. Рентґена І. П. Пулюй сконструював трубку, яка згодом стала прообразом сучасних рентгенівських апаратів.

І. П. Пулюй набагато глибше за В. Рентґена проаналізував природу та механізми виникнення Х-променів (пізніше їх було названо рентгенівськими), а також продемонстрував їхні властивості. Одним із перших І. П. Пулюй почав конструювати й виготовляти вакуумні пристрої. Широко відомою стала люмінесцентна газорозрядна лампа, яка увійшла в історію техніки як «лампа Пулюя» (Pulujlampe). Знімки в Х-променях, виконані Пулюєм за допомогою цієї лампи, найчастіше відтворювались у європейських науково-популярних виданнях як неперевершені за якістю для ілюстрації застосування Х-променів у медицині.

Ще одна із розробок ученого — запатентований винахід, який дав змогу використовувати лінію передачі змінного струму для одночасного телефонного зв'язку.

Ім'я І. П. Пулюя носить Тернопільський національний технічний університет; НАНУ заснувала премію імені Івана Пулюя за видатні роботи в галузі прикладної фізики.