Шкала электромагнитных излучений как отражение электромагнитной картины мира

Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм)

УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм)

Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм)

Практически весь UVC и приблизительно 90 % UVB поглощаются озоном, а также  водяным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение  из диапазона UVA достаточно слабо поглощается  атмосферой. Поэтому радиация, достигающая  поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA и в небольшой доле — UVB.

Действие  на кожу:

Воздействие ультрафиолетового  излучения на кожу, превышающее естественную защитную способность кожи к загару, приводит к ожогам, развитию меланомы и преждевременному старению.

Действие  на сетчатку глаза:

Ультрафиолетовое излучение  практически неощутимо для глаз человека, но при интенсивном облучении  вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки). Мягкий ультрафиолет (300-380 нм) воспринимается сетчаткой как слабый фиолетовый или серовато-синий свет, но почти полностью задерживается хрусталиком.

Источники ультрафиолета:

Основной источник ультрафиолетового  излучения на Земле — Солнце. Соотношение интенсивности излучения  УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов:

-от концентрации атмосферного озона над земной поверхностью

-от высоты Солнца над горизонтом

-от высоты над уровнем моря

-от атмосферного рассеивания

-от состояния облачного покрова

-от степени отражения УФ-лучей от поверхности (воды, почвы)

 Область применения.

Добавка веществ, поглощающих  УФ при деградация полимеров и красителей.

Защита документов, ценных бумаг, банкнот от подделки.

Обеззараживание ультрафиолетовым излучением, стерилизация воздуха и твёрдых поверхностей. Бактерицидное УФ излучение вызывает изменения в молекулах ДНК. Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит к замедлению темпов их размножения и вымиранию.

УФ-спектрофотометрия основана на облучении вещества монохроматическим УФ-излучением. Спектры поглощения уникальны для каждого вещества, на этом основывается идентификация отдельных веществ в смеси, а также их количественное измерение.

Анализ  минералов:

Многие минералы содержат вещества, которые при освещении  ультрафиолетовым излучением начинают испускать видимый свет. Каждая примесь  светится по-своему, что позволяет  по характеру свечения определять состав данного минерала. А. А. Малахов в  своей книге «Занимательно о  геологии» рассказывает об этом так: «Необычное свечение минералов вызывают и катодный, и ультрафиолетовый, и рентгеновский лучи. В мире мёртвого камня загораются и светят наиболее ярко те минералы, которые, попав в зону ультрафиолетового света, рассказывают о мельчайших примесях урана или марганца, включённых в состав породы. Странным „неземным“ цветом вспыхивают и многие другие минералы, не содержащие никаких примесей. Целый день я провёл в лаборатории, где наблюдал люминесцентное свечение минералов. Обычный бесцветный кальцит расцвечивался чудесным образом под влиянием различных источников света. Катодные лучи делали кристалл рубиново-красным, в ультрафиолете он загорался малиново-красными тонами. Два минерала — флюорит и циркон — не различались в рентгеновских лучах. Оба были зелёными. Но стоило подключить катодный свет, как флюорит становился фиолетовым, а циркон — лимонно-жёлтым».

Ловля насекомых

Ультрафиолетовое излучение  нередко применяется при ловле  насекомых на свет (нередко в сочетании  с лампами, излучающими в видимой  части спектра). Это связано с  тем, что у большинства насекомых  видимый диапазон смещён, по сравнению  с человеческим зрением, в коротковолновую  часть спектра: насекомые не видят  того, что человек воспринимает как  красный, но видят мягкий ультрафиолетовый свет.

Искусственный загар и «Горное солнце»:

При определённых дозировках искусственный загар позволяет  улучшить состояние и внешний  вид кожи человека, способствует образованию  витамина D. В настоящее время  популярны фотарии, которые в  быту часто называют соляриями.

Ультрафиолет  в реставрации:

Один из главных инструментов экспертов — ультрафиолетовое, рентгеновское  и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовые лучи позволяют определить старение лаковой пленки — более свежий лак в ультрафиолете выглядит темнее. В свете большой лабораторной ультрафиолетовой лампы более темными  пятнами проступают отреставрированные участки и кустарно переписанные подписи.

Таким образом можно сделать вывод, что электромагнитные волны до видимого спектра излучения имеют малую длину волны и высокую частоту и как следствие большую проницаемость, как например гамма-излучения. Уберечь свое здоровье можно, пригораживая проникновения этих излучений путем установления толстостенных барьеров, например из свинца. Эти виды излучений человечество использует в различных сферах деятельности.

§2.Видимый  спектр, излучения после видимого спектра

 

2.1Видимое излучение.

Видимое излучение - электромагнитное излучение, вызывающее зрительное ощущение и занимающее участок спектра  от 380 до 780 нм. Световые излучения различных частот воспринимаются человеком как разные цвета.⁵

История открытия (изучения).

Первые объяснения спектра  видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с  водой. Лишь спустя четыре века после  этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах.

Ньютон первый использовал  слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего  от древнегреческих софистов), что  существует связь между

⁵http://glossary.ru/cgibin/gl_find.cgi?ph=%C2%E8%E4%E8%EC%EE%E5+%E8%E7%EB%F3%F7%E5%ED%E8%E5&action=%CF%EE%E8%F1%EA

цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы  и днями недели. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при  наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе  через призму, на краях луча проявляются  красно-желтые и голубые края, между  которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу. В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века Томас Юнг  и Герман фон Гельмгольц также  исследовали взаимосвязь между  спектром видимого излучения и цветным  зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз использует три различных вида рецепторов.

Физические  характеристики.

Электромагнитное излучение  с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

В спектре содержатся не все цвета, которые различает  человеческий мозг. Таких оттенков, как розовый или маджента, нет в спектре видимого излучения, они образуются от смешения других цветов.

Видимое излучение также  попадает в «оптическое окно», область  спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому  глазу, то есть не входящему в видимый  диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в  ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются  в более выгодном положении с  точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете.

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие  цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами.

2.2 Инфракрасное излучение.

Электромагнитное излучение с частотами в диапазоне 3*10¹¹  до 3,75*10¹⁴  Гц называется инфракрасным излучением.⁶

История открытия.

Инфракрасное излучение  было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием  Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью  которого велись наблюдения. Определяя  с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель  обнаружил, что «максимум тепла» лежит за

⁶ Физика 11 класс. Учебник. Касьянов В.А.-М. Дрофа стр. 195-196

насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Физические  характеристики.

Оптические свойства веществ  в инфракрасном излучении значительно  отличаются от их свойств в видимом  излучении. Например, слой воды в несколько  сантиметров непрозрачен для  инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые  лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами.

Сейчас весь диапазон инфракрасного  излучения делят на три составляющих:

коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;

средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;

длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение  также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Область применения.

Ранее лабораторными источниками  инфракрасного излучения служили  исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в  газах. Сейчас на основе твердотельных  и молекулярных газовых лазеров  созданы современные источники  инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами — детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

ИК-аппаратура находит широкое  применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов  в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте.

Поскольку инфракрасные спектры  связаны с вращательными и  колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия  позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а  также о зонной структуре кристаллов.

Медицина:

Инфракрасные лучи применяются  в физиотерапии.

Дистанционное управление:

Инфракрасные диоды и  фотодиоды повсеместно применяются  в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости. Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата.

При покраске:

Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для  сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет  существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический  эффект. Скорость и затрачиваемая  энергия при инфракрасной сушке  меньше тех же показателей при  традиционных методах.

Стерилизация  пищевых продуктов:

С помощью инфракрасного  излучения стерилизуют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Антикоррозийное средство: 

Инфракрасные лучи применяются  с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком.