Спектр электромагнитных колебаний

Теперь мы уже многое знаем о свете и можем подвести некоторые итоги, для того чтобы яснее понять, каково же место световых волн в общем спектре электромагнитных колебаний.

Начнем с самых длинных волн (самых медленных колебаний) и постепенно перейдем ко все более коротким волнам.

Но прежде читателю рекомендуется запомнить название и смысл одной чрезвычайно часто употребляемой единицы. Она называется герц по имени физика Генриха Герца. Эта единица применяется для измерения частоты колебаний. Так, 1 герц соответствует одному колебанию в секунду или одному периоду в секунду. 1000 герц, или 1 килогерц, соответствует 1000 периодов в секунду. 1 000 000 герц = 1000 килогерц = 1 мегагерцу = 1 000 000 периодов в секунду.

Одним из самых длинноволновых является переменный ток, вырабатываемый электростанциями. В СССР и других странах Европы его частота равна 50 герцам¹. Длина волны промышленного переменного тока равна 6000 километров. В настоящее время самые протяженные линии электропередач не превысили еще 2000 километров, и, следовательно, на всей такой линии уложится не более ¹/₃ волны.

¹ (В США и других странах американского континента частота в сети переменного тока равна 60 герцам.)

Более высокие частоты содержатся в телефонных сигналах и в сигналах вещательных передач, передаваемых по проводам. Они занимают довольно широкий диапазон: от 20-60 герц до 20•10³ герц. Этот диапазон называется диапазоном звуковых частот, так как наше ухо воспринимает звуковые колебания (но не электромагнитные, о которых идет речь!) с теми же самыми частотами. Длина волны в этом диапазоне находится в пределах от 15 тысяч до 150 километров. Для сравнения можно сказать, что звуковые колебания с теми же частотами, распространяясь в воздухе при нормальном атмосферном давлении, вызовут волны (звуковые, а не электромагнитные!) длиной от 17 метров до 1,7 сантиметра. Это и понятно - ведь скорость распространения электро-магнитных колебаний примерно равна 300 тысячам километров в секунду, а скорость звуковых колебаний - 340 метрам в секунду. За диапазоном звуковых следует диапазон инфранизких радиочастот. Такое название он получил по аналогии с лучами света, более длинноволновыми, чем видимые. Диапазон этот занимает полосу частот от 20•10³ до 100•10³ герц. Длины волн в пределах от 150 до 3 километров.

Инфранизкие частоты широко используются техникой. На них работают промышленные установки для нагрева и плавки металлов токами высокой частоты и даже некоторые системы дальней радионавигации и радиосвязи.

Затем идут волны, которые мы привыкли считать радиоволнами: длинные - от 3000 до 600 метров; средние - от 600 до 150 метров; промежуточные - от 150 до 75 метров и короткие - от 75 до 10 метров. Низкочастотная граница длинных волн соответствует 100•10³ герц, а высокочастотная граница коротких волн - 30•10⁶ герц. Весь этот диапазон используется главным образом для радиовещания и различных видов радиосвязи на дальних расстояниях. В этом же диапазоне работают и некоторые медицинские установки.

Радиоспектр идет и дальше. Но для радиоволн с длиной порядка единиц метров и короче линия горизонта является почти непреодолимой преградой. Поэтому телевидение, радиовещание и радиосвязь на таких волнах ведутся только в пределах прямой видимости. Для того чтобы увеличивать зону прямой видимости, телевизионные антенны устанавливаются на очень высоких башнях. Длины волн метрового диапазона от 10 до 1 метра, а частоты - от 3•10⁷ до 3•10⁸ герц.

За метровыми следуют дециметровые волны длиной от 1 метра до 10 сантиметров; граничные частоты этого диапазона равны 3•10⁸ и 3•10⁹ герц. В этом диапазоне волн работают самые разнообразные радиотехнические устройства и, в частности, радиотелескопы, о которых дальше будет рассказано. Радиоволны, длина которых измеряется дециметрами, и еще более короткие волны имеют одну очень интересную особенность. Они могут распространяться не только в пустоте (в воздухе), но и в трубах, в так называемых волноводах.

Сантиметровые волны имеют длину от 10 до 1 сантиметра (частоты 3•10⁹ до 3•10¹⁰ герц). Этот диапазон принципиально не отличается от предыдущего. В нем, в частности, работают метеорологические радиолокаторы.

Граничные частоты диапазона миллиметровых радиоволн соответствуют 3•10¹⁰ и 3•10¹¹ герц. Миллиметровые волны являются в настоящее время самыми короткими из тех, которые умеет генерировать радиотехника. В наши дни еще только приступили к их практическому освоению. Пока же они используются только для экспериментальных целей.

За диапазоном радиоволн простирается спектр световых волн.

Самым близким к радиоспектру является инфракрасный. Он ограничен волнами длиной 400 микронов и 760 миллимикронов, что соответствует частотам от 7,5•10¹¹ до 3,87•10¹⁴ герц. Получать волны в этом диапазоне можно с помощью некоторых специальных устройств, но наиболее простой способ заключается в нагревании каких-либо тел. Обычные лампы накаливания имеют очень интенсивное излучение в области коротковолнового инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи широко используют в науке, технике и быту. С их помощью приготовляют пищу, обогревают помещения, сушат различные виды продукции. В этих лучах удается делать фотографии и с помощью особых приборов видеть ночью.

Шкала спектра электромагнитных колебаний

Видимые лучи света не требуют особого пояснения. Стоит лишь напомнить, что диапазон волн лежит в пределах от 780 до 380 миллимикронов, что соответствует частотам от 3,87•10¹⁴ до 8•10¹⁴ герц. Из этих цифр видно, какую узкую полоску из всего спектра электромагнитных колебаний могут непосредственно ощущать наши органы чувств.

Диапазон ультрафиолетовых лучей начинается с волны 380 миллимикронов, что соответствует частоте 8•10¹⁴ герц, и простирается до волн длиной 40 ангстрем¹ и даже короче. Частота на волне 40 ангстрем равна 7,5•10¹⁶ герц.

¹ (Ангстрем - единица длины, употребляемая в спектроскопии и названная в честь физика Ангстрема. 1А равен 0,0001 микрона.)

Ультрафиолетовые лучи, как и инфракрасные, широко применяются в науке и технике наших дней. С их помощью обнаруживают различные минералы, делают точнейшие химические анализы, стерилизацию пищи и лекарств.

Они используются в фотографии, судебной экспертизе, в светотехнике для возбуждения свечения люминесцентных красок. Ими широко пользуются и в медицине.

Кстати, ультрафиолетовые лучи хоть и неправильно, но и не случайно называют кварцевыми. Дело в том, что обычные сорта оптического стекла становятся непрозрачными для ультрафиолетовых лучей уже на волнах порядка 2500 ангстрем. А стекла из чистого кварца пропускают эти лучи, поэтому баллоны ламп ультрафиолетовых источников света делаются из кварцевого стекла.

Но и кварц не может пропустить всего спектра ультрафиолетовых лучей: для волн короче 1800 ангстрем он тоже оказывается непрозрачным. В настоящее время наилучшим в этом смысле материалом считается флюорит, или плавиковый шпат, - он пропускает лучи с длиной волны 1200 ангстрем.

Рентгеновский участок спектра соседствует с ультрафиолетовым. Частоты рентгеновских излучений лежат в пределах от 6•10¹⁵ до 3•10¹⁹ герц, что соответствует волнам от 493 до 0,1 ангстрема. Некоторые области применения рентгеновских лучей вам хорошо известны. Они используются во всех случаях, когда надо посмотреть сквозь что-то, непрозрачное для других лучей. Поэтому их применяют для обнаружения внутренних дефектов в металлах, для различных исследований, основанных на явлениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах различных веществ.

К сожалению, в природе не существует таких материалов, которые могли бы преломлять рентгеновские лучи так, как стекловидимые. Поэтому оптические устройства типа объективов не могут быть для них созданы.

И, наконец, последний из известных в настоящее время науке участков спектра электромагнитных колебаний - участок гамма-лучей. Их испускают атомы радиоактивных элементов; гамма-лучи возникают и при некоторых видах взаимодействия элементарных частиц. Частота гамма- излучения начинается от 6•10¹⁸ герц, чему соответствует длина волны 0,428 ангстрема.

О коротковолновой границе гамма-излучения говорить трудно. С каждым годом она отодвигается в область все более коротких волн. Так, в излучениях, приходящих из космического пространства, обнаружены гамма-лучи с длиной волны порядка 0,0001 ангстрема.

Проникающая способность гамма-лучей еще более высокая, чем у рентгеновских. Поэтому их часто используют в тех случаях, когда рентгеновские лучи не в состоянии "пробить" исследуемый образец. Кроме того, для получения гамма-лучей достаточно иметь лишь радиоактивный изотоп, хранящийся для безопасности в контейнере, в то время как для получения рентгеновских лучей требуется весьма сложный и громоздкий рентгеновский аппарат. Гамма-лучи применяются также при некоторых химических процессах.