Диапазон электромагнитных излучений и их практическое применение

1.

2.

я ваще не
знаю...
01
Вспомним ОСНОВЫ

3.

Что такое электромагнитное
излучение?
• Электромагнитное
излучение
–
это
распространяющиеся
в
пространстве
колебания электрического и магнитного полей.
Эти поля перпендикулярны друг другу и
направлению распространения волны.
Это
поперечные
волны,
способные
распространяться не только в среде (воздух, вода),
но и в вакууме (со скоростью света c ≈ 3*10⁸ м/с).

4.

Основные характеристики ЭМИ:
01
λ (лямбда, длина волны)
Расстояние между двумя
соседними гребнями (или
впадинами) волны.
Измеряется в метрах (м),
сантиметрах (см), нанометрах (нм) и
т.д.
02
ν (ню, частота):
Количество полных колебаний
(циклов) волны в секунду.
Измеряется в герцах (Гц: 1 Гц = 1
колебание/с), килогерцах (кГц),
мегагерцах (МГц), гигагерцах
(ГГц).
03
с (скорость)
В вакууме всегда равна c = λ * ν.
Это фундаментальная связь между
длиной волны и частотой: чем
больше частота, тем меньше
длина волны, и наоборот.
04 E (энергия фотона)
Квант ЭМИ (фотон) несет энергию,
пропорциональную частоте:
E = h * ν, где h – постоянная Планка.
Чем выше частота (короче длина
волны), тем больше энергия фотона.

5.

Спектр электромагнитных
излучений
Весь диапазон ЭМИ, упорядоченный по длине
волны или частоте (а значит, и по энергии),
называется электромагнитным спектром.
Он непрерывен – нет четких границ между
областями, они плавно переходят одна в
другую.
Условно его делят на основные области,
начиная от самых длинных волн (низких
частот и энергий) к самым коротким (высоким
частотам и энергиям)

6.

Радиоволны
(λ > 1 мм - до км; ν < 300 ГГц - до
Гц)
Свойства:
• Легко огибают препятствия
(дифракция),
• Хорошо отражаются от ионосферы
Земли, проникают сквозь
атмосферу, непрозрачные для
света материалы (стены, облака).
Практическое применение:
• Радиовещание (ДВ, СВ, КВ, УКВ/FM);
• Телевидение (Передача
изображения и звука.);
• Связь (Wi-Fi, Bluetooth, спутниковая
связь, рации...)
• Радиолокация (Радар);
• Астрономия (Радиотелескопы);
• Медицина (МРТ - МагнитноРезонансная Томография)

7.

Свойства:
• Поглощаются водой и жирами,
вызывая их нагрев.
• Легко фокусируются в узкие
пучки. Проникают сквозь
атмосферу (с некоторыми
исключениями).
Практическое применение:
• Микроволновые печи;
• Спутниковая связь и навигация
(GPS, ГЛОНАСС);
• Радиолокация;
• Беспроводные сети; Wi-Fi,
Bluetooth (используют часть СВЧдиапазона).
• Астрономия.
Микроволны
(СВЧ) (λ ~ 1 мм - 30 см; ν ~ 300 ГГц - 1
ГГц)

8.

Инфракрасное (ИК) излучение
(тепловое)
Свойства:
• Невидимо для человеческого глаза.
• Выделяется всеми нагретыми
телами.
• Вызывает нагрев поглощающих
поверхностей.
• Поглощается атмосферой (водяным
паром, CO2), но есть "окна
прозрачности".
Практическое применение:
• Тепловидение (Термография)
• Пульты дистанционного управления
• Инфракрасные обогреватели.
• Химический анализ (ИКспектроскопия)
• Астрономия:
(λ ~ 700 нм - 1 мм; ν ~ 430 ТГц - 300
ГГц)

9.

Видимый свет
(λ ~ 380 нм (фиолетовый) - 780 нм
(красный); ν ~ 790 ТГц - 385 ТГц)
Свойства:
• Единственный
диапазон,
воспринимаемый человеческим глазом.
• Разложение белого света призмой на
спектр (радуга) – дисперсия.
• Преломление, отражение, поглощение.
Практическое применение:
• Зрение
• Освещение(LED).
• Оптические
приборы
(Микроскопы,
фотоаппараты, проекторы).
• Связь (ВОЛС):
• Лазеры
• Применяются в медицине (хирургия,
косметология), промышленности (резка,
сварка)
• Фотография и видеосъемка.
• Солнечная энергетика (Фотоэлементы):
• Преобразование света в электричество.

10.

Ультрафиолетовое
(УФ) излучение
(λ ~ 10 нм - 380 нм; ν ~ 30 ПГц - 790 ТГц)
Свойства:
• Невидимо, обладает высокой химической и
биологической активностью.
• Вызывает флуоресценцию многих веществ.
• Частично поглощается озоновым слоем
Земли.
• Энергия фотонов достаточна для ионизации
атомов и молекул (особенно УФ-C).
Практическое применение:
• Дезинфекция и стерилизация (УФ-лампы):
Уничтожение бактерий, вирусов
• Люминесценция:
"Невидимые"
метки,
защита банкнот, лампы дневного света (УФ
возбуждает люминофор, который светится
видимым светом).
• Медицина (Фототерапия)
• Химический анализ (УФ-спектроскопия):
• Астрономия;
• Солнечные ожоги и риск рака кожи (УФ-B,
УФ-A): Важность защиты (кремы, одежда).

11.

Свойства:
• Самая короткая длина волны, самая
высокая частота и энергия фотонов.
• Максимальная проникающая
способность (требуется свинец или
толстый бетон для защиты).
• Возникает при ядерных реакциях
(радиоактивный распад, ядерные
взрывы), взаимодействиях космических
лучей
• Сильнейшее ионизирующее действие.
Практическое применение:
• Медицина: (Радиотерапия,
Сцинтиграфия):
• Дефектоскопия (Гаммадефектоскопия): Контроль
толстостенных изделий (трубы, котлы).
• Стерилизация:
• Ядерная энергетика: Контроль
процессов, защита.
• Астрономия (Гамма-телескопы)
Гамма-излучение
(γ)
(λ < 0.01 нм; ν > 30 ЭГц)

12.

02
Ключевые
закономерности
спектра

13.

Непрерывность
Спектр – единое
целое, границы
условны.
λ↓ → ν↑ → E↑
λ↓ → ν↑ → E↑
Методы генерации и
регистрации различны
При движении от
радиоволн к гамма-лучам
длина волны
уменьшается, частота и
энергия фотонов
увеличиваются.
Для разных диапазонов
нужны разные источники
(антенны, лампы, лазеры,
ускорители, ядерные реакции)
и детекторы (антенны,
болометры, фотоумножители,
ПЗС-матрицы, сцинтилляторы,
счетчики Гейгера).

14.

Взаимодействие
с веществом
По мере роста энергии меняется
характер взаимодействия: от
отражения/дифракции (радио) к нагреву
(ИК, микроволны), фотохимическим
реакциям (УФ, видимый), ионизации
(УФ, рентген, γ).
Это определяет проникающую
способность и биологическое действие.
Ионизирующее
излучение
Излучение с энергией фотона,
достаточной для отрыва
электрона от атома/молекулы (УФC, рентген, γ).
Может повреждать ДНК (риск рака,
мутаций). Требует мер
радиационной безопасности!

15.

Запомните главное:
• Спектр един: Радиоволна и гамма-квант –
братья, они подчиняются одним законам
(уравнения Максвелла, квантовая теория)
• Свойства определяют применение:
Невозможно использовать радиоволны для
рентгена костей, а гамма-лучи – для Wi-Fi.
Физика диктует инженерам, что и как
можно сделать.
• Осторожность: Высокоэнергетическое
ионизирующее излучение (УФ-C, рентген, γ)
требует строгого контроля и защиты.