Гасымов Дамир
Что же такое электромагнитное излучение? По определению, это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Проще говоря, это распространение в пространстве электромагнитных волн, то есть, волн с двумя составляющими: электрической и магнитной, плоскости распространения волн которых перпендикулярны:
Понятно, что период, как и частота данных волн могут быть разными. Кроме того, важное свойство именно электромагнитных волн состоит в том, что они распространяются со скоростью света. Значит, очевидно соотношение между скоростью и периодом:
Значит, при увеличении частоты волны уменьшается её длина. Кроме того, волны с различными длинами имеют совершенно разные свойства. Начнём рассматривать их с самых длинных волн — радиоволн. Таковыми считают волны длиной от десятых долей миллиметра до сотен и тысяч километров. Из названия для нас очевиден спектр их использования, в основном это радиосвязь. Такая широкая полоса спектра должна хотя бы как-то ограничиваться, поэтому даже на государственном уровне описываются области гражданского и военного использования радиоволн.
Далее идёт более короткое инфракрасное излучение. По названию уже понятно, что эта область идёт за красным видимым светом. И правда, длины волн начинаются от размытой границы с радио на 0,1-1 мм и рассматриваются вплоть до красного видимого излучения — 800 нм. Обычно инфракрасное излучение называют тепловым, потому что в окружающем нас мире почти всегда максимумы излучения тел находятся в инфракрасной области. Например, лампа накаливания: её КПД в оптической зоне, т.е. то, сколько она даёт света, около 3-4%, всё остальное идёт в тепло в инфракрасной области. Поэтому для ночных наблюдений, когда тела излучают в оптическом диапазоне крайне мало (или вообще не излучают), используют прибор ночного видения или, как его называют по-другому, тепловизор. Он способен детектировать инфракрасный свет, в отличие от нашего глаза.
За инфракрасной областью идёт самая важная для нас область видимого глазом излучения. Она начинается от 400 нм (синий цвет) и заканчивается на 700-800 нм (красный цвет). На 550 нм находится максимум дневной чувствительности глаза (чувствительность нашего глаза убывает, начиная от максимума, в обе стороны до границ наблюдения, после которых он не способен видеть совершенно). Недалеко расположился и максимум излучения Солнца, 480-500 нм. А длины волн 500-550 нм соответствует зеленому цвету, из-за чего появляется вопрос: Почему же мы наблюдаем Солнце не зелёным? А из-за того, что все цвета в видимой области спектра у Солнца компенсируются (сливаются) таким образом, что глазом оно уже наблюдается белым.
После видимого света в спектре расположен ультрафиолет — излучение на длинах волн от 400 нм примерно до 10 нм. Близкая к видимому свету область называется мягким УФ, и чем дальше, тем «жёстче». В основном ультрафиолетовое излучение блокируется атмосферой, но часть его всё же проходит, и кожа человека подвержена его воздействию, поэтому, если долго находиться на Солнце, можно обгореть.
Длины волн от 10 нм до 0.01 нм (0.1 Å) соответствуют рентгеновскому излучению, от которого по природе человек почти не защищен. В силу того, что это волны уже достаточно короткие, они хорошо «пробивают» многие твёрдые предметы, например кожу и мышцы человека, поэтому рентгеновское излучение используется для осмотра скелета человека. В английском языке оно называется «X-лучами», потому что никто не знал, что это за излучение и назвали его неизвестным, Х.
И самым коротковолновым излучением является гамма-излучение, короче 0.01 нм. Такие лучи уже «пробивают» и не отражаются почти всеми материалами на Земле, живые существа совершенно не защищены от такого излучения. В астрономии это излучение не исследуется интенсивно (атмосфера отражает гамма-лучи), хотя в космосе есть несколько гамма-телескопов.
Но как же проходит такой процесс, как отражение или переизлучение? Рассмотрим модель атома водорода по Бору, т.е. представим электрон шариком, обращающимся вокруг атома за счёт силы Кулона, которая много больше гравитационного притяжения. Тогда, для какой-то n-й орбитали электрона будет выполняться закон сохранения момента импульса (точнее, правило его квантования) и 2-й закон Ньютона, т.е.:
Откуда при решении системы уравнений можно получить, что полная энергия зависит только от номера орбитали и сам радиус орбитали зависит только от её номера:
При переходе электрона с уровня на уровень изменяется его энергия, но куда она уходит? Она уходит (или приходит) с фотоном, который может передать, то есть, добавить энергии электрону, и он опустится на меньший уровень, либо электрон может сам испустить фотон, потратив энергию, и подняться на более высокий уровень. Причём, если записать закон сохранения энергии для такого перехода, то можно получить соотношение для длины волны этого фотона:
где R – постоянная Ридберга, равная 10973731.6 м-1. Такая большая точность нужна для точных длин волн, потому что тут ей пренебрегать нельзя. В связи с этим, переходы с разных уровней стали называть различными сериями в честь учёных:
Пожалуй, самая важная в астрономии серия — это серия Бальмера. Для всех серий переход с уровня n+1 на n называется α, с n+2 на n – и т.д. Соответственно, для серии Бальмера (как минимум, 3 -> 2 важно запомнить, потому что в астрономии многие наблюдения проводятся именно на этой линии, и в задачах на эффект Доплера очень часто фигурирует именно она, остальные можно получить из формулы):
Примерно таким образом и происходит переизлучение или отражение фотонов. У металлов много свободных электронов, поэтому при попадании на них света фотон с большой вероятностью поглотится каким-то электроном, который опустится на более низкий уровень. Такое состояние электрона нестабильно, он возбуждён и стремится излучить лишнюю энергию, вернувшись на свой уровень. Так получается другой фотон, но с такой же частотой, как и поглощённый. Так и происходит переотражение фотонов через зеркало, и именно поэтому для зеркал используется именно металлическое напыление.
На самом деле, модель атома по Бору хорошо работает только для водорода, но для понятия самой сути процесса можно использовать её и для других элементов.
Как известно, при переходе между двумя средами луч преломляется, однако, часть света отражается, и было бы нечестно не вспомнить эту формулу. Её можно использовать без вывода:
Задача
МАО-2007
Предположим, что атмосфера планеты не пропускает видимый свет, но прозрачна для инфракрасного излучения. Как такая атмосфера повлияет на температуру планеты? Сравните с парниковым эффектом.
Решение:
Видимое излучение центральной звезды будет в значительной степени задерживаться атмосферой планеты, не попадая на ее поверхность. В то же время, тепловая энергия будет уходить от планеты свободно, так как она попадает в инфракрасную область. Эта ситуация обратна парниковому эффекту, она приведет к значительному похолоданию на планете.