Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна

§ 28. Шкала електромагнітних хвиль

Ви дізнаєтесь

• Що є джерелом електромагнітних хвиль

Пригадайте

• Властивості теплового і світлового випромінювань

Джерела електромагнітних хвиль. Досліди Генріха Герца підтвердили, що електромагнітні хвилі породжуються змінними магнітним й електричним полями, які отримували у відкритому коливальному контурі. У сучасній радіоелектронній техніці елементи коливального контуру вдосконалені.

Оскільки електромагнітні хвилі генеруються електричним струмом, тобто зарядженими частинками, що рухаються прискорено (зі змінною швидкістю), то правильним буде й загальне твердження: електричний заряд під час прискореного руху є джерелом електромагнітних хвиль.

Ураховуючи, що прискорений рух заряджених частинок може відбуватись у різних системах фізичних тіл, то в результаті можливі випромінювання електромагнітних хвиль різної частоти, а відповідно — і довжини хвилі. Таким чином, електромагнітні хвилі можна розподілити за типами відповідно до умов їх збудження: радіохвилі породжуються електромагнітними коливаннями в коливальному контурі, який має цілком певні електромагнітні параметри; поява видимого світла зумовлена переходом електронів у атомі з вищого енергетичного рівня на нижчий; гамма-промені з’являються внаслідок змін у ядрах атомів (про що детальніше — у наступному розділі).

Властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів. За довжиною хвилі (λ) електромагнітні хвилі займають діапазон від 10¹¹ м до 10^-11 м, а за частотою коливань (ν) — від 3 • 10^-3 Гц до 3 • 10¹⁹ Гц. Для зручності опису властивостей електромагнітних хвиль їх можна розташувати на одній шкалі (мал. 182), у якій виділяють умовні діапазони: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме випромінювання (світло), ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання й гамма-випромінювання. Хвилі певного діапазону частот мають відповідні назви та властивості.

Мал. 182. Шкала електромагнітних хвиль

Низькочастотні електромагнітні хвилі утворюються під час роботи різних електротехнічних пристроїв, які живляться змінним струмом низької частоти. Це випромінювання внаслідок малої частоти має низьку енергію й не придатне для передачі інформації в атмосфері на великі відстані. Саме тому невдача спіткала багатьох відомих дослідників і винахідників, які намагалися передавати інформацію за допомогою електромагнітних хвиль низької частоти.

Радіохвилі поділяють на довгі (понад 10 км), середні (сотні метрів), короткі (десятки метрів). Ці хвилі переважно використовують у радіозв’язку (детальніше — у наступному параграфі). Ультракороткі радіохвилі поділяють на метрові, дециметрові й міліметрові. Метрові й дециметрові радіохвилі використовують у телебаченні, а міліметрові й дециметрові — у радіолокації.

Діапазон радіохвиль частково перекривається з інфрачервоними променями, які широко застосовують у техніці. У цьому діапазоні працюють лазери — оптичні пристрої, які дають змогу отримувати вузькоспрямований потужний промінь.

Інфрачервоне випромінювання — оптичне випромінювання з довжиною хвилі більшою, ніж у видимого випромінювання (більш ніж 750 нм). Інфрачервоні промені випромінюються всіма тілами (мал. 183), що мають температуру вищу за абсолютний нуль, інтенсивність випромінювання залежить від температури. Людина не бачить інфрачервоного випромінювання, проте існують прилади, які допомагають побачити його. Органи чуття деяких інших тварин, наприклад змій і кажанів, сприймають інфрачервоне випромінювання, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві. Близько половини загальної інтенсивності випромінювання Сонця припадає на інфрачервоний діапазон.

Видиме випромінювання — область електромагнітного випромінювання, що безпосередньо сприймається людським оком і займає діапазон від 380 нм (фіолетовий колір) до 750 нм (червоний колір). Чутливість людського ока є максимальною в середині цього діапазону (зелений колір) і зменшується в напрямках до його меж. Це значить, що поміж джерел світла однакової інтенсивності зелене джерело здаватиметься яскравішим, ніж червоне або блакитне.

Мал. 183. Джерела інфрачервоного випромінювання

Хвилі з довжиною, меншою від 380 нм, називають ультрафіолетовими. Природними джерелами ультрафіолетового випромінювання є Сонце та інші зорі й космічні об’єкти, а штучними — ультрафіолетові лампи (мал. 184, с. 134). Природні ультрафіолетові промені у свою чергу поділяються на типи: «А», «В» і «С», які по-різному поширюються і впливають на речовину.

Ультрафіолетове випромінювання має досить високу енергію й тому здатне впливати на хімічні зв’язки. У людей і тварин потужні ультрафіолетові промені можуть спричинити пошкодження на клітинному рівні, опіки шкіри й очей. Сонячні опіки зумовлені ультрафіолетовими променями типу «В». Промені типу «А» можуть проникати в шкіру, тому тривале перебування під прямими сонячними променями може призвести до раку шкіри. Поверхня Землі захищена від шкідливих складових ультрафіолетових променів Сонця озоновим шаром атмосфери. Збереження та відновлення озонового шару — це одна з надважливих екологічних проблем сьогодення.

Мал. 184. Джерела ультрафіолетових променів

Люди використовують ультрафіолетові промені для знезаражування приміщень у лікарнях, стимуляції хімічних реакцій, утворення потрібних генних мутацій та ін.

Видиме, інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання об’єднують одним терміном — оптичне випромінювання.

Рентгенівські промені отримують під час гальмування електронів, які прискорені напругою в десятки кіловольт у спеціальних вакуумних трубках (мал. 185). На відміну від світлових променів видимого спектра й ультрафіолетового випромінювання, вони мають значно меншу довжину хвилі. Причому довжина хвилі рентгенівських променів є тим меншою, чим більша енергія електронів, які гальмуються.

У встановленні природи цього випромінювання визначальними були дослідження українського вченого Івана Пулюя на електронних вакуумних трубках власної конструкції, проведені задовго до відкриття Вільгельма Рентгена. Однак Рентген першим запатентував відкриття Х-променів, тому їх називають рентгенівськими.

Мал. 185.Джерело рентгенівського випромінювання

Ці промені за довжиною перекриваються з гамма-променями (γ-променями), які утворюються під час розпаду деяких ядер атомів (детальніше про умови отримання гамма-променів — у наступному розділі «Фізика атома та атомного ядра»).

Ці промені мають найбільшу проникну здатність. Вони можуть проходити через товстий шар металу, тому їх використовують для перевірки якості великих зливків, зон зварювання товстого металу тощо. Гамма-промені використовують у медицині, геології та інших галузях.

Електромагнітні поля у природі й техніці. Навколишнє середовище завжди перебуває під впливом електромагнітних полів. Ці поля називаються фоновим випромінюванням, що спричинене природними явищами. З розвитком науки й техніки електромагнітне випромінювання значно підсилилося й останнім часом перетворилося на небезпечний екологічний чинник. Електромагнітні поля, які значно перевищують природний фон, належать до антропогенних факторів (спричинених діяльністю людини).

Розглянемо поля природного походження. Навколо Землі існує електричне поле, яке має нерівномірні силові прояви: його дія зменшується від середніх широт до полюсів та до екватора, а також з віддаленням від земної поверхні. Це поле постійно змінюється під впливом грозових розрядів, опадів та інших природних явищ. І як ви знаєте, навколо Землі існує й магнітне поле, інтенсивність якого найбільше проявляється на Північному та Південному магнітних полюсах.

Слід взагалі зазначити, що електромагнітне поле Землі постійно змінюється через низку факторів, як- от сонячна активність, процеси в земних надрах та інше. Також Земля постійно перебуває під впливом електромагнітного поля, що випромінюється Сонцем.

Іван Павлович Пулюй (1845-1918)

Український вчений і дослідник

Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923)

Німецький фізик-експериментатор, перший лауреат Нобелівської премії з фізики

Електромагнітні поля впливають на біологічні об’єкти протягом всього часу їхнього життя. Тому в процесі еволюції людина пристосувалася до їхнього впливу. Проте науковці спостерігають зв’язок між збільшенням сонячної активності, що спричинює зміни електромагнітного поля Землі, та загостренням деяких захворювань людей.

Сучасні люди активно експлуатують різноманітні пристрої, що працюють з використанням електромагнітних хвиль, які також негативно впливають на здоров’я людини. Для захисту від їх шкідливого впливу приймаються відповідні нормативи і стандарти, яких мають дотримуватися виробники цієї техніки. Але потрібно зазначити, що будь-які норми і стандарти, пов’язані із захистом людини від небезпечного впливу, завжди є компромісом між перевагами використання нових технологій і нової техніки та можливим ризиком, що спричинений цим використанням.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. На які діапазони поділяють шкалу електромагнітних хвиль? Накресліть таблицю в зошиті й заповніть її.

Вид випромінювання	Довжина хвилі, м	Частота хвилі, Гц	Джерело випромінювання

• 2. Наведіть приклади практичного застосовування інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань.
• 3. Уявіть себе журналістом, якому доручили взяти інтерв’ю у представників різних категорій населення з метою виявлення їхньої думки щодо електромагнітного випромінювання. Яким би було ваше повідомлення (у газеті, на телебаченні, в Інтернеті)?