Elektromágneses sugárzási tartományok és anyag - fizika - tanári műhely - katalógus
Bár vákuumban elektromágneses hullámok az összes frekvenciát egyformán vonatkozik - a fény sebessége, és azok kölcsönhatása egy anyag erősen függ a frekvencia (és hasonlóképpen a hullámhossz és a fotonenergia). A kölcsönhatás természetének a sugárzás és az anyag vannak osztva tartományok: gamma-sugárzás, röntgensugárzás, ultraibolya, látható fény, infravörös sugárzás és a rádióhullámok, amelyek együttesen alkotják az elektromágneses spektrum. Sami ezek a tartományok viszont vannak osztva részsávokra, valamint a tudomány nincs egyetlen hagyománya ezt a felosztást. Itt sok múlik a használt hardver előállítására és észlelésére a sugárzás. Ezért minden területen a tudomány és a technológia részsávjait határozzuk meg a maga módján, és néha még elmozdulás a határait a fő sáv.
Látható sugárzás
Az egész spektrumból az emberi szem csak a látható fény igen keskeny tartományában képes kimutatni a sugárzást. Az egyik éltől a másikig a sugárzás gyakorisága (valamint a kvantum hullámhossza és energiája) kevesebb, mint kétszer változik. Összehasonlításképpen a leghosszabb rádióhullámok 10-14-szer hosszabbak a látható sugárzásnál, és a legenergetikusabb gamma-kvantum 10-20-szor erőteljesebb. Mindazonáltal évezredek óta a környező emberek világának nagy része a látható sugárzás tartományából húzódik ki, amelynek határait az emberi retina fényérzékeny sejtjeinek tulajdonságai határozzák meg.
A látható fény különbözõ hullámhosszait a személy különbözõ színekben érzékeli - a pirosról az ibolyára. A spektrum látható tartományának hagyományos megosztása a szivárvány hét színébe kulturális egyezmény. A virágok között nincs világos fizikai határok. Az angol nyelv például általában hat színben osztja szivárványt. Vannak más változatok is ismertek. A látható fény teljes színének és árnyalatainak érzékelésére csak három különböző receptortípus létezik, melyek érzékenyek a pirosra, a zöldre és a kékre. Ezzel szinte bármilyen színt reprodukálhat, ha a három elsődleges színt a képernyőn kevered.
A távoli kozmikus forrásokból származó látható fény fogadására homorú tükröket használnak, amelyek közel egy pontban összegyűjtik a sugárzást egy nagy területről. Minél nagyobb a tükör, annál erősebb a teleszkóp. A tükröket rendkívül nagy pontossággal kell előállítani - a felszín alakjának az ideálistól való eltérése nem haladhatja meg a hullámhossz egytizedét - 40 nanometert, vagyis 0,04 mikronot. És ezt a pontosságot meg kell tartani a tükör bármely forgatásához. Ez meghatározza a nagy teleszkópok magas költségeit. A legnagyobb optikai eszközök tükrének átmérője - Keck teleszkóp Hawaiiban - 10 méter.
Bár a hangulat átlátszó a látható fény (amit a kék nyíl posztert), mégis létrehoz egy komoly akadálya, hogy a megfigyeléseket. Még ha elfelejtjük a felhő, a hangulat egy kicsit kanyarban fénysugarak, ami csökkenti a kép élességét. Emellett maga a levegő szórja a beeső fény. A nap folyamán ez egy kék fény okozta a szórt fény, a nap, nem teszi lehetővé, hogy végezzen csillagászati megfigyelések, és éjszaka - a szórt fényt a csillagok (.. És az elmúlt évtizedekben mesterséges fény ég önkormányzati kültéri világítás, autók stb) korlátozza a láthatóságot a leginkább halvány objektumokat. Megbirkózni ezekkel nehézségek ezáltal lehetővé válik a teleszkóp az űrben. Teleszkóp „Hubble” a földi szabványok, van egy nagyon kis méretű - az átmérője 2,24 méter, ám a transz-atmoszferikus helyezve vezetett, hogy sok első osztályú csillagászati felfedezések.
Ultraibolya sugárzás
A látható fény rövid hullámú oldalán az ultraibolya tartomány, amely közeli és vákuumos. Mint a látható fény, a közelben lévő ultraibolya átmegy a légkörben. Az emberi érzékek nem érzékelik az érzékszerveket, de a bőrön a közel ultraibolya a napégés megjelenését okozza. A bőr védő hatása az ultraibolya sugárzás okozta kémiai zavarokhoz. Minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb a zavar a biológiai molekulákban ultraibolya sugárzást okozhat. Ha a teljes ultraibolya átjutott a légkörben, akkor a Föld felszínén az élet nem lenne lehetséges. Egy bizonyos frekvencia felett azonban a légkör megállítja az ultraibolya sugárzás sugárzását, mivel a kvantumának energiája elégséges ahhoz, hogy elpusztítsa (disszociálja) a légmolekulákat. Az egyik első ultraibolya ütközés ózonra vezet, majd oxigént. Együtt, a légköri gázok védik a Föld felszínét a Nap kemény ultraibolya sugárzásától, amelyet vákuumnak neveznek, mivel csak vákuumban képes elszaporodni. A vákuum ultraibolya felső határa 200 nm. Ebből a hullámhosszból a molekuláris oxigén (O2) elkezdi elnyelni az ultraibolya sugárzást.
A közeli ultraibolya sugárzás távcsövek ugyanazon elveken alapulnak, mint a látható tartományban. Vékony, fényvisszaverő fémréteggel ellátott tükröket is használnak, de még nagyobb pontossággal kell készülniük. A közel ultraibolya megfigyelhető a Földből, a vákuum ultraibolya csak a külső térből látható.
Röntgen sugárzás
Formai határok között kemény ultraibolya és röntgen nem. Definíció szerint, hogy két fő megközelítési: Egyrészt, általában a továbbiakban Röntgen sugárzás, amely gerjeszti magok - csakúgy, mint a látható és az infravörös sugárzás gerjeszti elektronhéjak az atomok és molekulák. Ebben az esetben, még a kemény vákuum ultraibolya fény bizonyos esetekben lehet nevezzük X-sugarak. Egy másik megközelítés, tekintsünk egy olyan röntgen-sugárzást, amelynek hullámhossza rövidebb, mint a jellemző méret a atomok (0,1 nm). Aztán kiderül, hogy a legtöbb lágy röntgensugárzás kell tekinteni superrigid ultraibolya fényt.
Lágy röntgensugarak továbbra is tükröződik a polírozott fém, de csak legelésző előfordulása - szög kisebb, mint 1 fok. Szigorúbb kibocsátási koncentrálódik más módon. Ahhoz, hogy adja meg az irányt a keskeny csövet alkalmazunk, elfogó sugarak áramlik az oldalsó, és a vevő egy szcintillátor, ahol az X-ray kvantumokat ionizálására atomok, és az újonnan ötvözi elektron kiküld látható vagy ultraibolya sugárzást, amelynek segítségével regisztráltuk fotoelektron-sokszorozó cső. Tény, hogy a számolás egyedi fotonok távcsövek kemény X-band zajlik, és csak azután a számítógép segítségével generált képet.
A röntgenektől a gammaig
Azon a határon, amelyen a röntgen-tartományt gamma-sugárzás váltja fel, szintén feltételes. Általában a nukleáris reakciók során kibocsátott kvantumok energiájához kapcsolódik (vagy fordítva, ezek okozhatják). Egy másik megközelítés azzal a ténnyel kapcsolatos, hogy a hősugárzás nem tekinthető a gamma tartománynak, függetlenül attól, hogy milyen magas az energia. Az univerzumban viszonylag stabil makroszkopikus objektumokat figyeltek meg, amelyek tízmillió fokig fűtöttek - ezek a neutroncsillagok és fekete lyukak körüli felhajtólemezek központi területei. De a több milliárd fokos tárgyakat - például a hatalmas vörös óriások magjait - majdnem mindig egy átlátszatlan héj fedezi. Azonban gyakran a sugárzást a lágy gamma-sugárzásnak nevezik, de ultra-kemény röntgensugárzás. A modern univerzumban több mint tízmilliárd fok fölötti stabil formációk ismeretlenek. Ez indokolja azt a feltételezést, hogy a gamma-sugárzást mindig nem-termális úton hozza létre. A fő mechanizmus a feltöltött részecskék ütközésében történő sugárzás, amely erős elektromágneses mezőkkel, például neutroncsillagokban gyorsított a közel fénysebességekig.
Gamma sugárzás
A gamma-sugárzás alsávokban való elosztása még konvencionálisabb. Az ultrahigh energiák a gamma-kvanták, amelyek generációja túl van a modern technológiák képességein. Az ilyen sugárzás minden forrása kizárólag a kozmoszhoz kapcsolódik. De ahogy a technológiák hajlamosak fejlődni, ezt a definíciót nem lehet egyértelműnek nevezni.
A légkör védelmet nyújt a gamma-sugárzás ellen. A puha és kemény alsávokban teljesen elnyeli. Az ultrahigh energiatartomány kvantuma, amely az atmoszférában lévő atommagokkal ütközik össze, olyan részecskék kaszkádát hoz létre, amelyek energiája fokozatosan csökken és eloszlik. Azonban a részecskék első részei gyorsabban mozognak, mint a fénysebesség a levegőben. Ilyen körülmények között a töltött részecskék az ún. Bremsstrahlung (Cherenkov) sugárzást generálják, valamilyen módon hasonlóak a szuperszonikus repülőgép hangütközési hullámához. Az ultraibolya és látható kvantum bremsstrahlung eléri a Föld felszínét, ahol különleges teleszkópok ragadnak. Azt mondhatjuk, hogy a légkör maga is a teleszkóp részévé válik, és ez lehetővé teszi számunkra, hogy megfigyeljük a gamma-sugárzást a Föld ultrahigh energiáitól. A piros nyíllal jelölt plakátra van jelölve.
Még több energikus kvantum - az ultrahigh energiák - olyan nagy részecskék kaszkádokat hoznak létre, amelyek áthatolják a légkört, és eljutnak a Föld felszínéhez. Ezeket nagy légzuhanyoknak (EAS) és szcintillációs érzékelőkkel rögzítik. Az EAS részecskéi a földi sziklák természetes radioaktivitásával együtt károsíthatják a biológiai molekulákat, különösen a DNS-t, és az élő szervezetekben mutációt okozhatnak. Így hozzájárulnak az élet Földön történő fejlődéséhez. De ha intenzitásuk szignifikánsan magasabb volt, ez súlyos akadálya lehet az életnek. Szerencsére, minél nagyobb a gamma-kvantum energiája, annál ritkábban fordulnak elő. A legenergetikusabb kvantum körülbelül 10 20 eV energiával száz évente egyszer tér el négyzetkilométerenként a Föld felszínén. Az ilyen energikus gamma-kvantum eredete még nem teljesen tisztázott. A kvantumok nem rendelkezhetnek sokkal több energiával, mivel egy bizonyos küszöb fölött mikrohullámú relik mikrohullámú sugárzással kölcsönhatásba lépnek, ami a töltött részecskék létrehozásához vezet. Más szavakkal, a világegyetem átlátszó a sugárzás számára, amely sokkal energikusabb, mint a 10 21 -10 24 eV.
Infravörös sugárzás
A látható fénytől a spektrum hosszú hullámú oldaláig, az infravörös sugárzás tartományába esünk. Az infravörös sugárzás közelében nem különbözik fizikailag a látható fénytől, kivéve azt, hogy a szem retinája nem érzékeli. Ugyanezen eszközökkel, különösen teleszkópokkal, mint látható fény jelenik meg. Az ember is érzi infravörös sugárzás a bőr - mint a hő. Az infravörös sugárzásnak köszönhetően a tűzzel melegedünk. A legtöbb égési energiájának vesz fel felfelé áramló, melyre vizet forralni egy üstben, és az infravörös (és látható) sugárzás indul az oldalán gázmolekulák az égéstermékek és a fűtött szén részecskék.
A növekvő hullámhosszúság miatt a légkör elveszíti az átlátszóságot az infravörös sugárzás miatt. Ez az atmoszférikus gázmolekulák úgynevezett vibrációs-forgó abszorpciós sávjainak köszönhető. Mivel kvantum tárgyak, a molekulák nem tudnak önkényesen elfordulni vagy oszcillálni, mint egy rugó terhelése. Minden molekulának saját energiája van (és ennek megfelelően sugárzási frekvenciák), amelyeket vibrációs és forgó mozgások formájában tárolhatnak. Azonban még a legösszetettebb légmolekulák esetében sem, ezeknek a frekvenciáknak a halmaza annyira kiterjedt, hogy valójában a légkör elnyeli az infravörös spektrum egyes részeiben a sugárzást - ezek az úgynevezett infravörös abszorpciós sávok. Kis területekkel vannak elszórva, ahol a kozmikus IR sugárzás eléri a Föld felszínét - ezek az úgynevezett átlátszó ablakok, amelyeknek körülbelül egy tucatja van. Létezésüket a plakáton az infravörös tartományban elszórt kék nyilak képviselik. Érdekes megjegyezni, hogy az infravörös sugárzás abszorpciója szinte teljes egészében a légkör alsó rétegeiben fordul elő, mivel a levegő sűrűsége a Föld felszínén nő. Ez lehetővé teszi észrevételek szinte az egész infravörös tartományban a léggömböket és a nagy magasságú repülőgépeket, amelyek a sztratoszférába emelkednek.
Az infravörös sugárzás részsávokba való besorolása szintén nagyon feltételes. A közeli és közepes infravörös sugárzás határát megközelítőleg a 300 K abszolút hőmérsékleti tartományban végezzük, amely jellemző a földfelszínen lévő tárgyak esetében. Ezért mindegyik - beleértve az eszközöket is - erőteljes infravörös sugárforrás. Annak érdekében, hogy ilyen körülmények között kiosztani sugárzás külső forrásból, és a készüléket kell hűtjük, hőmérséklet közel abszolút nulla, és adja át kívül a légkörbe, amely maga is a fény intenzitása átlagos infravörös -, hogy az említett sugárzás hatására földön szétszórja űrbe energia folyamatosan kapott A nap. A fő típusú sugárzás detektor ebben a tartományban - bolométer-, ez egész egyszerűen egy kis fekete test elnyeli a sugárzás, párosulva nagy pontosságú hőmérő.
A távoli infravörös tartomány az egyik legösszetettebb, mind a sugárzás generálásához, mind a felvételhez. A közelmúltban, a speciális anyagok és az ultra-nagysebességű elektronika fejlesztésének köszönhetően megtanulta hatékonyan működni. A technológiában gyakran nevezik terahertz sugárzásnak. Jelenleg a terahertz sugárzás-generátorokon alapuló tárgyak kémiai összetételének meghatározására aktívan dolgoznak érintkezés nélküli szkennerek. Képesek lesznek azonosítani a műanyag robbanóanyagokat és drogokat a repülőtéri ellenőrző pontokon.
A csillagászatban ezt a tartományt gyakran subillimeter sugárzásnak nevezik. Érdekes, mert benne (és a szomszédos mikrohullámú sávban) az Univerzum relik sugárzása is megfigyelhető. A tenger szintjén a submillimeterszerű sugárzás nem ér el, de elsősorban a légkör legalacsonyabb rétegeiben szívódik fel. Ezért a hegyek Chilében és Mexikóban magasságban 5000 m tengerszint feletti magasságban, a nagy submillimeter teleszkópok most építés alatt - Mexikóban 50 méteres, míg Chilében, egy sor teleszkópok átmérőjű 64-12 méter.
Mikrohullámú és rádióhullámok
Az infravörös tartományba tartozik a rádiókibocsátás, amely lefedi az elektromágneses spektrum teljes hosszú hullámhosszú széleit. A kvantum energiája a rádiótartományban nagyon kicsi. Általában nem elegendő az atomok és molekulák szerkezetének jelentős megváltozásához, de elég ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjen a molekulák forgási szintjével, például a vízzel. A rádióhullámok energiája is elegendő ahhoz, hogy szabad elektront, például karmantyákat cselekedjen. A rádióhullám elektromágneses mezőjének oszcillációi az antennákban lévő elektronok szinkron oszcillációját okozzák, vagyis váltakozó áramot.
Minél hosszabb a rádióhullám, annál kevesebb energiát hordoz, annál nehezebb regisztrálni. A vételhez egy olyan antennát, amelyben a rádióhullámok elektromos rezgéseket generálnak, egy elektromos áramkörhöz kapcsolódnak. Ha a rezonancia saját frekvenciájával történik, akkor az oszcilláció erősítésre kerül és regisztrálható. Elkapni a rádióhullámok jönnek az űrből, antenna parabola tükröket gyűjtésére használt rádióhullámok egész területén, és koncentrálni, hogy egy kis antenna. Ez növeli az eszköz érzékenységét.
A mikrohullámú sugárzás többsége (3-5 mm-es hullámhossztól indulva) áthalad a légkören. Ugyanez mondható el az ultrahangos hullámok (VHF) esetében is, amelyeken a helyi televízió- és rádióállomások (köztük az FM állomások) sugárzott és a rádiókommunikációt végzik. Az adók kibocsátása csak az antennák látóterében van rögzítve. A rádió tartományban a légköri áttetszőség áttetsző ablaka (a plakáton lévő kék nyilak) kb. 10-30 méterre ér véget.
Hosszabb rádióhullámok tükröződnek a Föld ionoszférájából. Ez nem teszi lehetővé számunkra, hogy megfigyeljük a kozmikus rádióforrásokat hosszabb hullámhosszon, de biztosítja a globális rövid hullámú rádió-kommunikáció lehetőségét. A 10 és 100 méter közötti rádióhullámok körbejárhatják az egész Földet, amely többször tükröződik az ionoszféra és a Föld felszínén. Igaz, ezek eloszlása az ionoszféra állapotától függ, melyet erősen befolyásol a napelem aktivitása. Ezért a rövid hullámú kommunikációt nem különbözteti meg a kiváló minőség és megbízhatóság.
Közepes és hosszú hullámok is tükröződnek az ionoszféra miatt, de távolabb vannak a távolságtól. Annak érdekében, hogy a jelet több mint ezer kilométeres távolságra lehessen fogni, nagyon erős adók szükségesek. Extra hosszú rádióhullámok, amelyek hossza több száz vagy több ezer kilométerre, bekerítik a Föld már nem esedékes, hogy az ionoszféra, de mivel a hullám hatásokat, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy behatoljon egy bizonyos mélységet alatti óceán felszínén. Ez a tulajdonság a tengeralatti tengeralattjárók vészhelyzetben történő kommunikációjára szolgál. Más rádióhullámok nem mennek keresztül a tengervízen, amely az oldott sók miatt jó vezető, és elnyeli vagy tükrözi a rádió-kibocsátást.
A rádióhullámok hosszára nincs elméleti határ. A gyakorlatban kísérletileg lehetséges 38 ezer km hullámhosszú rádióhullám létrehozása és regisztrálása (8 Hz frekvencia).