Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 21. Шкала електромагнітних хвиль
1. Інфрачервоне випромінювання
Сонячне світло несе певну енергію, яка розподіляється між різними ділянками спектра, тобто між усіма електромагнітними хвилями (ЕМХ), які входять до складу випромінювання.
Дослідимо, на які хвилі припадає більше енергії, а на які — менше. Для цього отримаємо на екрані спектр (найкраще за допомогою дифракційних ґраток). Переміщаючи вздовж отриманого спектра маленький чутливий датчик (наприклад, вкриту сажею термопару), можна порівнювати нагрівання датчика в різних ділянках спектра (оскільки сажа поглинає майже все випромінювання, його енергія перетворюється на внутрішню енергію датчика). Результати досліду схематично показані на рис. 21.1.
Рис. 21.1. Приблизний розподіл енергії в сонячному спектрі
Як бачимо, температура Т датчика зростає під час переміщення від фіолетового краю спектра до червоного. Це свідчить про нерівномірний розподіл енергії між хвилями, які є «складовими» білого світла. Значна ж частина енергії випромінювання припадає на ту ділянку, куди видиме світло просто не потрапляє! Висновок зрозумілий — у спектрі джерела світла (у даному випадку Сонця) є невидимі для нас ЕМХ. Ділянка 1 на рис. 21.1 відповідає інфрачервоному випромінюванню (ІЧВ). Довжина хвилі цього випромінювання більша за довжину хвилі червоного світла, а частота відповідно менша від частоти цього світла.
Звичайне скло сильно поглинає ІЧВ, тому для дослідів з цим випромінюванням застосовують призми та лінзи з кам’яної солі. «Тепловий» характер ІЧВ дозволяє застосовувати його для просушки деревини, деталей після фарбування, для обігрівання приміщень. Інфрачервоне випромінювання застосовують у пультах дистанційного управління побутовою технікою, у системах безпеки та автоматики. Спеціальні прилади (електронно-оптичні перетворювачі) можуть перетворювати невидиме «інфрачервоне зображення» у видиме. На цьому принципі ґрунтується дія приладів нічного бачення (біноклі, приціли тощо). Вони дозволяють спостерігати у цілковитій темряві за об’єктами, температура яких хоч трохи відрізняється від температури середовища. Застосовують і фотографування в інфрачервоному промінні.
У живій природі деякі змії «бачать» ІЧВ, що дає їм можливість вести полювання в темряві.
Зверніть увагу!
ІЧВ часто називають тепловим (це створює певну плутанину, бо видиме сонячне випромінювання теж за «походженням» є тепловим). Таке випромінювання висилають усі нагріті тіла (тобто всі тіла, температура яких не дуже сильно відрізняється від кімнатної). Довжина хвилі ІЧВ приблизно становить від 0,8 до 300 мкм. З підвищенням температури інтенсивність ІЧВ зростає, за високих температур до нього додаються й інші види випромінювань.
2. Ультрафіолетове випромінювання
Якщо перемістити датчик за фіолетовий край спектра (ділянка 3 на рис. 21.1), то теж спостерігається нагрівання датчика, хоч і дуже слабке. Отже, існує ще одне невидиме випромінювання — ультрафіолетове (УФВ). Довжина хвилі цього випромінювання менша від довжини хвилі фіолетового світла, а частота відповідно більша за частоту цього світла.
Довжина хвилі УФВ приблизно становить від 10 до 400 нм. Звичайне скло сильно поглинає й це випромінювання, тому для дослідів з ним застосовують призми та лінзи з кварцу. Поглинання УФВ в атмосфері зумовлене існуванням малої кількості озону в повітрі.
УФВ створюють дуже гарячі тіла (з температурою від кількох тисяч градусів), воно виникає під час газового розряду (наприклад, у парі ртуті, яка заповнює балон ртутно-кварцової лампи).
«Дальнє» ультрафіолетове випромінювання застосовують для дезінфекції повітря в лікарнях
УФВ має високу хімічну та біологічну активність. Його набагато легше виявити за дією на фотопапір або за люмінесцентним світінням певних речовин, ніж за нагріванням датчика. «Ближнє» до видимого світла УФВ у невеликих дозах корисне й необхідне для організму, саме воно викликає засмагу, а «дальнє» — небезпечне (дуже важливо захищати від нього сітківку очей), зате воно має бактерицидну дію. За допомогою цього випромінювання дезінфікують повітря в лікарнях та місцях великого скупчення людей.
Ртутно-кварцові лампи дозволяють компенсувати дефіцит сонячного УФВ взимку («штучне сонце»). Застосування УФВ відкрило шлях до створення перших ламп «денного світла» (люмінесцентних ламп), на зміну яким зараз прийшли більш економні та безпечніші з точки зору екології світлодіодні лампи.
3. Рентгенівське випромінювання
1895 року німецький фізик В. Рентген здійснював експерименти з газовими розрядами в розрідженому газі. За таких умов у газі виникали потоки дуже швидких електронів (відкриття електрона відбулося трохи пізніше, у той час ці потоки називали катодними променями). Рентген установив, що від трубки йшло якесь невидиме випромінювання. Воно викликало світіння екрана, вкритого спеціальним індикатором; засвічувало фотопластинку навіть у непрозорій упаковці; викликало йонізацію повітря.
Рентген довів, що це випромінювання «народжувалося» не на катоді, а в тому місці, де катодні промені потрапляли на скляну стінку газорозрядної трубки.
Рентгенівське проміння проходить крізь непрозорі матеріали, при цьому не спостерігається відбивання та заломлення. У речовині відбувається часткове поглинання рентгенівського випромінювання; поглинання тим більше, чим більша густина речовини. Наприклад, поглинання в кістках сильніше, ніж у м’язах. Це дозволило Рентгену отримати на фотопластинці зображення кісток руки. Отримане зображення (рис. 21.2) було надруковане в газетах багатьох країн і зробило вченого знаменитим.
Рис. 21.2. Фотографія, отримана за допомогою рентгенівського випромінювання
Учений назвав відкрите ним випромінювання ікс-промінням, проте нині ми називаємо його рентгенівським випромінюванням. За це відкриття В. Рентген став першим в історії науки лауреатом Нобелівської премії з фізики (1901 рік).
Питання про природу рентгенівського випромінювання досить довго лишалося відкритим. Існувала «підозра», що це ще один різновид ЕМХ. Але для підтвердження цього припущення необхідно було спостерігати якісь хвильові властивості рентгенівського випромінювання, а це не вдавалося. Тільки 1912 року німецький фізик М. фон Лауе висунув ідею вирішального досліду. Він припустив, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання порівнянна з розмірами атомів, тому для спостереження дифракції цього випромінювання потрібні дифракційні ґратки з дуже малим періодом. Учений запропонував скористатися «готовими» тривимірними дифракційними ґратками — кристалом. Експерименти виявилися вдалими — було отримано чіткі дифракційні спектри. Тим самим було доведено, що рентгенівське випромінювання — це електромагнітні хвилі з дуже малою довжиною хвилі (приблизно від 0,005 до 10 нм).
Навколо фізики
Історія науки зберігає чимало дивних подій. Не обійшлося без них і в історії відкриття рентгенівського випромінювання. Український учений І. П. Пулюй, який працював в Австро-Угорщині, задовго до Рентгена сконструював трубку, яка була джерелом ікс-проміння, а за 14 років до офіційної дати відкриття цих променів уже отримав чіткі зображення кісток, тобто «рентгенівські» знімки. На жаль, його внесок у цю галузь фізики за життя вченого не отримав належного визнання.
Рентгенівське випромінювання виникає внаслідок зіткнення швидких електронів із перешкодою: зі склом стінки трубки, з екраном електронно-променевого телевізора, з анодом рентгенівської трубки (рис. 21.3).
Рис. 21.3. Рентгенівська трубка: 1 — колба; 2 — джерело живлення для розжарювання катода; 3 — джерело високої напруги; 4 — система охолодження анода; 5 — рентгенівське випромінювання
Це можна пояснити на основі теорії Максвелла: під час зіткнення електрони рухаються з дуже великим прискоренням, унаслідок чого випромінюють електромагнітні хвилі високої частоти (гальмівне випромінювання). Квантова теорія теж дозволяє пояснити цей процес: унаслідок зіткнення кінетична енергія електрона переходить у енергію фотонів, які народжуються.
Рентгенівське випромінювання широко застосовують для медичної діагностики (рис. 21.4), для дефектоскопії та для рентгеноструктурного аналізу (аналіз дифракційних картин дозволяє визначити структуру кристала).
Рис. 21.4. Сучасний рентгенівський знімок
4. Шкала електромагнітних хвиль
Електромагнітні випромінювання, з якими ми познайомилися, суттєво відрізняються за своїми властивостями, хоча й мають єдину фізичну природу.
Усі види електромагнітного випромінювання тією чи іншою мірою виявляють хвильові властивості (інтерференцію, дифракцію, поляризацію) та квантові (або корпускулярні) властивості. Електромагнітне випромінювання може виникати внаслідок прискореного руху заряджених частинок або внаслідок переходів молекул, атомів, атомних ядер з одного квантового стану в інший (див. наступний розділ). Швидкість усіх видів електромагнітного випромінювання у вакуумі однакова.
Шкала електромагнітних хвиль (рис. 21.5) демонструє співвідношення довжин хвиль випромінювань різних діапазонів. Варто мати на увазі, що межі між сусідніми діапазонами є досить умовними та нерізкими, а зміна властивостей випромінювання залежно від довжини хвилі є поступовою та плавною. Однак відмінності, наприклад, між радіохвилями та рентгенівським випромінюванням є гігантськими (нічого дивного — адже довжина хвилі відрізняється щонайменше в 10 000 разів).
Рис. 21.5. Шкала електромагнітних хвиль
Відмінностями між випромінюванням різних діапазонів зумовлено те, що їх отримують різними методами (це вплинуло й на класифікацію діапазонів) і застосовують по-різному. Неможливо навіть перерахувати всі застосування радіохвиль, не кажучи вже про видиме світло. Неможливо також уявити Всесвіт без електромагнітного випромінювання хоч якогось із діапазонів.
Нагадаємо про загальну закономірність: чим більша довжина хвилі (менша частота) випромінювання, тим краще спостерігаються хвильові властивості, а чим більша частота (менша довжина хвилі), тим краще спостерігаються квантові властивості.
5. Вчимося розв'язувати задачі
Задача. Рентгенівська трубка працює під напругою U = 40 кВ. Визначте мінімальну довжину хвилі λmin рентгенівського випромінювання цієї трубки.
Підбиваємо підсумки
Довжина хвилі інфрачервоного випромінювання більша, а довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання — менша від довжини хвилі видимого світла. Інфрачервоне випромінювання висилають нагріті тіла, а ультрафіолетове — гарячі тіла з температурою від кількох тисяч градусів, газові розряди тощо. Ультрафіолетове випромінювання має високу хімічну та біологічну активність.
Рентгенівське випромінювання має довжину хвилі, меншу від довжини хвилі ультрафіолетового. Воно виникає, зокрема, унаслідок зіткнення швидких електронів із перешкодою (тобто під час їх різкого гальмування) і проходить крізь непрозорі матеріали практично без відбивання та заломлення, зазнаючи часткового поглинання. Дифракцію рентгенівського випромінювання можна спостерігати на кристалах. Воно засвічує фотопластинки, викликає йонізацію повітря. Це випромінювання застосовують для медичної діагностики, рентгеноструктурного аналізу (аналіз дифракційних картин дозволяє визначити структуру кристала).
Властивості електромагнітного випромінювання суттєво залежать від довжини хвилі (частоти). Зі збільшенням частоти випромінювання сильніше проявляються його квантові властивості та менш помітними стають хвильові властивості.
Контрольні запитання
1. Як виникає інфрачервоне випромінювання? ультрафіолетове випромінювання? 2. Де застосовують інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання? 3. Опишіть властивості рентгенівського випромінювання. 4. Перелічіть відомі вам діапазони ЕМХ в порядку збільшення довжини хвилі.
Вправа № 21
1. Поверхня Місяця дуже швидко остигає (її температура зменшується на 250 К) після заходу Сонця. Яким чином відбувається зменшення внутрішньої енергії?
2. У якого випромінювання більш помітні хвильові властивості: у видимого світла чи радіохвиль? Обґрунтуйте свою відповідь.
3. У якого випромінювання більш помітні квантові властивості: в інфрачервоного чи ультрафіолетового? Обґрунтуйте свою відповідь.
4. Порівняйте енергії фотонів, які відповідають рентгенівському випромінюванню з довжиною хвилі 30 пм та інфрачервоному випромінюванню з довжиною хвилі 6 мкм.
5. Яка металева пластина (мідна чи свинцева) за однакової товщини краще поглинає рентгенівське випромінювання?
6. Навіщо видаляти повітря з рентгенівської трубки, якщо рентгенівське випромінювання проходить навіть крізь метал?
7. За якої довжини хвилі електромагнітного випромінювання енергія фотона дорівнює половині енергії спокою електрона?
