Электромагнитные волны и их диапазоны

Радиоприёмник ловит сигнал за стеной, глаз видит лампу, а рентгеновский аппарат показывает внутреннюю структуру предмета. Почему эти разные применения относятся к волнам одной природы?

Звук передаёт движение через вещество, но солнечный свет пересекает почти пустое пространство. Здесь распространяется связанное изменение электрического и магнитного полей — электромагнитная волна. Она переносит энергию и не требует материальной среды. Источником могут быть ускоренно движущиеся заряды: например, колеблющийся ток в антенне. Наличие поля вокруг неподвижного заряда само по себе ещё не означает уходящую от него волну.

Как выглядит её поперечность? У плоской электромагнитной волны в вакууме направления электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и оба поперечны распространению. Синусоиды на рисунке показывают значения полей в разных местах или временах. Это не дорожки, по которым вверх-вниз летят частицы вещества. В пустоте нет верёвки, но измеряемые поля меняются и могут действовать на заряды приёмника.

В вакууме радиоволны, видимый свет и остальные диапазоны имеют одну скорость c ≈ 3·10⁸ м/с. Поэтому c = λν: при росте частоты в герцах длина волны уменьшается. Удвоение ν уменьшит λ вдвое, а скорость не изменит. В веществе скорость и поглощение зависят от среды и частоты. Именно слово «в вакууме» позволяет сравнивать весь спектр одной и той же постоянной c.

Двигаясь к большим частотам, встретим радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Это участки общей шкалы, а не семь разных веществ. Границы условны; микроволны часто включают в радиодиапазон. Рентгеновское и гамма-излучение могут перекрываться по энергиям, и их различают также по происхождению. Поэтому одного жёсткого набора непересекающихся границ у природы нет.

Антенны создают и принимают радиоволны и микроволны для связи; отражение сигнала используют в радиолокации. Инфракрасное излучение участвует в передаче энергии нагретыми телами, а его измерение помогает оценивать температуру поверхностей. Видимый участок воспринимается глазом. Применение зависит от того, как волна излучается, проходит через среду и регистрируется: невидимый для глаза сигнал может прекрасно обнаруживаться подходящим прибором.

На больших частотах заметны другие способы взаимодействия с веществом. Ультрафиолет способен вызывать фотохимические изменения. Рентгеновское излучение неодинаково ослабляется разными тканями и материалами, поэтому на приёмнике получается контрастная картина внутренних деталей. Гамма-фотоны возникают, например, при переходах ядер между энергетическими состояниями. Разные эффекты не отменяют общей электромагнитной природы волн.

Сделаем радиопередатчик мощнее при прежней частоте. Он может передавать больше энергии, но радио не станет рентгеном. Частота задаёт ритм колебаний поля, интенсивность — энергию, проходящую через единицу площади за единицу времени. Воздействие на вещество зависит от обеих характеристик. Позже увидим ещё одно различие: частота определяет энергию одного фотона, а увеличение интенсивности не обязательно меняет эту частоту.

Почему нельзя оценить воздействие только по тому, виден ли свет? Ионизирующее излучение может освобождать электроны из атомов и менять молекулы; последствия зависят от вида излучения, полученной дозы и условий. Но отсутствие ионизации не означает отсутствия любого повреждения: достаточно интенсивное неионизирующее излучение может сильно нагреть вещество. Важен способ передачи энергии ткани, а не одно название диапазона.

Контроль воздействия связан с его механизмом. Для ультрафиолета защищают кожу и глаза; рентгеновские процедуры требуют обоснованного применения и контроля дозы. У внешних источников ионизирующего излучения уменьшение времени, увеличение расстояния и подходящее экранирование могут уменьшить дозу. Подходящий экран зависит от вида и энергии излучения, поэтому универсального материала для любых условий нет. Это принципы физического контроля, а не оценка дозы по одному времени.

Передатчик работает на частоте 100 МГц. Оцените длину волны в воздухе, считая скорость равной 3·10⁸ м/с.

Сначала переведём частоту в герцы: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц. Скорость в воздухе по условию приближённо равна c = 3·10⁸ м/с.

Из c = λν получаем λ = c/ν = 3·10⁸/10⁸ = 3 м.

За один период T = 1/ν = 10⁻⁸ с волна проходит 3 м. Эта метровая длина согласуется с частотой, намного меньшей частоты видимого света.

Длина волны приблизительно 3 м: на столько сдвигается волновой рисунок за один период передатчика.

Все электромагнитные диапазоны описывают распространяющиеся поля; материальная среда для этого не обязательна.

В вакууме скорость общая, а частота и длина связаны обратно пропорционально: c = λν.

Частота и интенсивность меняют разные свойства воздействия; выбор применения и защиты опирается на взаимодействие с веществом.

Спектры и излучение помогут понять внутреннее устройство атома.