Электромагнитный спектр

Солнце является основным источником энергии на нашей планете, и его энергия распространяется в виде электромагнитного излучения. Электромагнитная энергия движется через пустое пространство со скоростью света в виде волн электрических и магнитных полей с диапазоном частот или длин волн.

Electromagnetic radiation is a common occurrence in our daily lives. All electromagnetic waves, from visible light, that our eyes can detect to microwave radiation that heats our meals or radio waves that power our radios, X-rays that enable doctors to identify any injury in our bones or UV radiation emitted by a hot surface, are EM waves.

Электромагнитные волны

Waves created by the interaction of vibrating electric and magnetic fields are known as electromagnetic waves. An oscillating electric and magnetic field makes up EM waves.

Заряженная частица, как правило, создает электрическое поле. Это электрическое поле оказывает давление на другие заряженные частицы. Положительные заряды ускоряются в направлении поля, тогда как отрицательные заряды ускоряются в противоположном направлении поля. Движущаяся заряженная частица создает магнитное поле. Это магнитное поле оказывает давление на другие движущиеся частицы. Поскольку сила, действующая на эти заряды, всегда перпендикулярна их движению, она влияет только на направление скорости, а не на скорость. В результате движущаяся с большой скоростью заряженная частица создает электромагнитное поле. Электромагнитные волны — это не что иное, как электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света c через открытое пространство.

Когда заряженная частица колеблется вокруг точки равновесия, говорят, что она ускоряется. Если частота колебаний заряженной частицы равна f, она создает электромагнитную волну с частотой f. Длина волны этой волны может быть рассчитана по формуле:

λ = с/f

Электромагнитные волны представляют собой тип передачи энергии, происходящий в пространстве.

Представление электромагнитных волн

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр представляет собой набор частот, длин волн и энергий фотонов электромагнитных волн в диапазоне от 1 Гц до 10 ²⁵ Гц, что эквивалентно длинам волн в диапазоне от нескольких сотен километров до размеров, меньших размера атомного ядра. Таким образом, электромагнитный спектр можно описать как диапазон всех типов электромагнитного излучения в основных терминах. В вакууме все электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Однако для различных форм электромагнитных волн длины волн, частоты и энергия фотонов будут различаться.

Terms related to Electromagnetic Waves

The frequency (f), wavelength (λ), energy (E) of an electromagnetic wave are related to each other as:

λ=c/f

f=E/h

E=hc/λ

where

• c=3×10⁸m/s represents the speed of light in a vacuum
• h=6.626×10^–34J.s represents Planck’s constant.

Электромагнитные волны в электромагнитном спектре

Радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи и космические лучи составляют полный диапазон (электромагнитный спектр) в порядке убывания частоты и возрастания длины волны.

1. Радиоволны
   • Эти волны возникают из-за быстрого перемещения заряженных частиц по проводящим проводам.
   • Через них передаются радио-, теле- и телекоммуникационные сигналы.
   • Эти волны имеют частотный диапазон от 3 кГц до 300 МГц.
   • В диапазоне ультравысоких частот (УВЧ) сотовые телефоны используют радиоволны для передачи голосовой связи.
   • Радио улавливает радиоволны, которые транслируются радиостанциями. Радиоволны могут излучаться газами и звездами в космосе. Большинство радиоволн используется для телевидения и мобильной связи.
2. Микроволны
   • Микроволны — это тип электромагнитного излучения с частотой в несколько гигагерц (ГГц).
   • Клистроны, магнетроны и диоды Ганна — это уникальные электронные лампы, которые их производят.
   • Микроволны обычно используются в авиационной навигации из-за их коротких длин волн.
   • Эти лучи используются в микроволновых печах, которые помогают разогревать еду в домах и офисах. Он также используется астрономами для выяснения и понимания структуры окружающих галактик и звезд.
3. Инфракрасные лучи
   • Инфракрасные волны создаются горячими телами и молекулами и поэтому называются тепловыми волнами.
   • Инфракрасные лучи находятся вблизи низкочастотного или длинноволнового конца спектра видимого света.
   • Парниковый эффект, вызванный этими лучами, имеет решающее значение для поддержания глобального потепления и средних температур.
   • Парниковые газы, такие как двуокись углерода и водяной пар, задерживают эти излучения в атмосфере Земли.
   • Очки ночного видения используют это излучение. Эти устройства могут считывать и улавливать инфракрасный свет, генерируемый объектами в темноте. Инфракрасный свет используется для отслеживания межзвездной пыли в космосе. Инфракрасное излучение испускается электронными устройствами и обычно используется в дистанционных переключателях для различных бытовых гаджетов.
4. Видимые лучи
   • Видимые лучи — это электромагнитные волны, видимые невооруженным глазом. Они являются наиболее распространенным типом электромагнитных волн.
   • Их можно найти в диапазоне частот 4×10 ¹⁴ Гц–7×10 ¹⁴ Гц или в диапазоне длин волн 400–700 нм.
   • Лучи видимого света, отраженные или испущенные окружающими нас предметами, помогают нам видеть мир, а спектр видимого излучения различен для разных существ.
   • К устройствам, излучающим свет в видимой области электромагнитного спектра, относятся лампочки, лампы, свечи, светодиоды, трубчатые светильники и так далее.
5. Ультрафиолетовые лучи
   • Хотя солнце является основным источником ультрафиолетового излучения на Земле, озоновый слой поглощает большую часть ультрафиолетовой энергии до того, как она достигает атмосферы.
   • УФ-излучение имеет длину волны 400–1 нм.
   • Эти излучения испускаются специальными лампами и очень горячими телами, и в больших количествах они могут причинить значительный вред человеку. Он загорает на коже и вызывает ожоги.
   • Поскольку эти излучения могут быть сфокусированы на крошечных пучках, они используются в высокоточных приложениях, таких как LASIK или лазерная хирургия глаза.
   • УФ-лампы используются в очистителях воды для уничтожения микроорганизмов, которые могут присутствовать в воде.
   • При работе с УФ-сварочными дугами сварщики используют специальные защитные очки для защиты глаз.
6. рентгеновские лучи
   • Это электромагнитное излучение находится за пределами ультрафиолетовой (УФ) области электромагнитного спектра и чрезвычайно ценно в области медицины.
   • Диапазон длин волн рентгеновского излучения составляет 1 нм– ^10–3 нм.
   • Путем взрыва металлической мишени электронами высокой энергии можно получить рентгеновское излучение.
   • Рентген — это диагностический метод в медицине, который может быть весьма полезен при лечении некоторых видов рака. Чтобы найти источник проблемы, врач использует рентгеновский сканер для сканирования наших костей или зубов. Чрезмерное воздействие рентгеновских лучей может привести к повреждению или гибели здоровых тканей организма. Поэтому при работе с рентгеновскими лучами следует проявлять крайнюю осторожность.
   • На контрольно-пропускном пункте аэропорта сотрудники службы безопасности используют его для обыска багажа пассажиров. Рентгеновские лучи также испускаются нагретыми газами Вселенной.
7. Гамма лучи
   • Вселенная является крупнейшим генератором гамма-излучения.
   • Эти лучи находятся в области более высоких частот электромагнитного спектра.
   • Гамма-лучи имеют длину волны от ^10–12 м до ^10–14 м.
   • Радиоактивные ядра испускают высокочастотные излучения, которые также создаются при ядерных процессах.
   • Гамма-лучи имеют широкий спектр медицинских применений, включая разрушение раковых клеток. Гамма-визуализация — это метод, используемый врачами для исследования внутренних органов пациентов.

Спектроскопия

In terms of wavelength or frequency, spectroscopy is a method for determining the emission and absorption of light and other radiation as it interacts with matter. 

Когда луч света проходит через вещество, он рассеивается. Он взаимодействует с атомами и молекулами данного вещества, а эти атомы взаимодействуют со световыми волнами близких частот на основе их резонансных частот. Когда световые лучи сталкиваются с атомом в возбужденном состоянии, высвобождаются определенные характерные частоты, что приводит к линейчатому спектру. Этот линейчатый спектр состоит из набора эмиссионных линий, которые не являются непрерывными. Длины волн излучаемого света разделены. Когда свет с непрерывными длинами волн проходит через материал с низкой плотностью, создается спектр поглощения. Атомы и молекулы с характерными частотами, подобными световым волнам, будут поглощаться, что приводит к непрерывному спектру с отсутствием нескольких линий.

Приложения электромагнитного спектра

Наличие полного электромагнитного спектра было первоначально продемонстрировано Максвеллом. Его математика предполагала, что электромагнитное излучение может иметь бесконечное количество частот. Электромагнитный спектр представляет собой организацию различных излучений, основанную на частоте и длине волны. Ниже приведены некоторые примеры приложений ЭМ-спектра:

1. Герц первым открыл радиоволны и микроволны. В результате этих волн возникли беспроводное телевидение и радио, а также мобильная связь.
2. Ультрафиолетовое излучение полезно для ионизации атомов, что способствует инициированию многочисленных химических реакций.
3. Гамма-лучи были открыты Полом Вилларом. Они используются в развитии ядерной медицины и экспериментов по ионизации.
4. Рентген изобрел рентгеновские лучи. Они используются для выявления проблем с костями и зубами, а также аномалий.
5. Часть видимого света электромагнитного спектра позволяет нам видеть окружающий мир. Эта часть электромагнитного спектра помогает в восприятии всех объектов, включая цвета.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое электромагнитные волны?

Отвечать:

Electromagnetic waves are vibrations made up of perpendicularly oscillating electric and magnetic fields.

Вопрос 2: Каковы частота и длина волны электромагнитной волны с энергией 6,626 x 10 ^-19 Дж?

Отвечать:

Frequency(f) = E/h 

= 10¹⁵ Hz. 

Wavelength(λ) = c/f 

= 3 x 10⁸ / 10¹⁵ 

= 3 x 10⁷ m

Вопрос 3: Что такое спектроскоп?

Отвечать:

Spectroscopy is the study of how light and other electromagnetic radiation are emitted and absorbed by matter based on the wavelength or frequency of the energy.