Электромагнитные волны имеют чрезвычайно широкий диапазон длин - от долей ангстрема (10^{-10} метра) при слабых атомных переходах до тысяч и даже миллионов световых лет при излучении галактик и скоплений галактик. Зная основные формулы для расчета длины волны и частоты, можно определить параметры любого электромагнитного излучения.
Длина волны напрямую влияет на основные свойства волн - скорость распространения, проникающую способность, взаимодействие с веществом, применение в технике и др. В этой статье мы разберемся, как связаны между собой разные характеристики электромагнитных волн и как длина волны влияет на особенности широкого спектра излучений - от длинноволнового радио до коротковолнового гамма-излучения.
Длина электромагнитных волн
Длина волны λ - одна из ключевых характеристик любой электромагнитной волны. Физически это расстояние между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Для гармонической волны длина волны определяет протяженность одного полного колебания в пространстве. Чем короче длина волны, тем быстрее изменяется волна в пространстве. Длина волны напрямую связана с частотой f и скоростью распространения v волны простой формулой v = λ·f. Для всех электромагнитных волн в вакууме скорость фиксирована и равна скорости света c = 3·108 м/с. Поэтому, зная длину волны, всегда можно вычислить частоту, и наоборот.
Далее мы подробно рассмотрим, как длина волны влияет на свойства разных типов электромагнитных излучений в широчайшем диапазоне - от километровых радиоволн до триллионных долей метра рентгеновских лучей. Увидим, что чем короче волна, тем большую энергию она несет и тем сильнее ее взаимодействие с веществом. Но и длинные волны находят применение благодаря способности огибать препятствия. Каждый тип излучения имеет свои уникальные особенности.
Низкочастотные радиоволны: огибание препятствий
Низкочастотные радиоволны, к которым относят диапазоны с длиной волны от 1 до 100 км, обладают способностью огибать препятствия на своем пути. Благодаря этому свойству дифракции, радиоволны могут распространяться за горизонтом, огибая поверхность Земли. Длина электромагнитной волны в этом диапазоне на несколько порядков превышает размеры препятствий, поэтому волны легко отражаются от ионосферы и распространяются на огромные расстояния.
Способность низкочастотных радиоволн огибать препятствия используется для создания систем дальней радиосвязи, включая радиовещание. Из-за отражения от ионосферы лишь небольшая часть энергии теряется за счет поглощения. Благодаря этому один радиопередатчик может обеспечить покрытие на территории целой страны или даже континента.
Несмотря на возможность распространения на огромные расстояния, низкочастотные радиоволны обладают ограниченной емкостью из-за низкой несущей частоты. Поэтому их применение ограничивается в основном аналоговым радиовещанием и передачей узкополосных данных, таких как радионавигационные сигналы.
Видимый свет: цветность и природа
Видимый свет представляет собой узкий диапазон электромагнитных волн с длиной волны приблизительно от 380 до 780 нанометров. Этот диапазон соответствует цветовому спектру, воспринимаемому человеческим глазом. Каждому цвету соответствует определенная длина волны - от фиолетового с минимальной длиной до красного с максимальной.
- Фиолетовый цвет имеет длину волны около 380-450 нм.
- Голубой - 450-495 нм.
- Зеленый - 495-570 нм.
- Желтый - 570-590 нм.
- Оранжевый - 590-620 нм.
- Красный - 620-780 нм.
Цвета видимого света обусловлены длиной волны. Изменение длины волны ведет к изменению цвета. Это физическое свойство используется, например, в светодиодах для получения света с нужным цветом.
Длина электромагнитной волны в диапазоне видимого света составляет порядка 500 нанометров. Это очень маленькая величина, тысячные доли миллиметра.
Ультрафиолет: биологическое действие
Ультрафиолетовое излучение - это электромагнитные волны с длиной в более коротком диапазоне, чем видимый свет, приблизительно 10-400 нанометров. Ультрафиолет делится на три поддиапазона: UVA, UVB и UVC в порядке уменьшения длины волны.
- Длина волны UVA составляет 315-400 нм.
- Для UVB - 280-315 нм.
- UVC имеет самую короткую длину волны - 100-280 нм.
Излучение с такой малой длиной электромагнитной волны обладает высокой энергией и оказывает биологическое воздействие на живые организмы. Наиболее опасным является UVC излучение, которое полностью поглощается озоновым слоем атмосферы и не доходит до поверхности Земли.
UVB и UVA частично проникают сквозь атмосферу и влияют на кожу человека. Коротковолновый ультрафиолет вызывает ожоги и мутации ДНК клеток, что приводит к развитию рака кожи. Длительное воздействие UVA и UVB излучения также стимулирует процессы старения и фотостарения.
Таким образом, несмотря на малую длину электромагнитной волны в области ультрафиолета, это излучение оказывает серьезное биологическое влияние и требует защиты в виде солнцезащитных кремов и одежды.
Рентген и гамма-лучи: ионизация атомов
Рентгеновское и гамма-излучение - разновидности электромагнитных волн с очень высокой энергией и малой длиной волны. Для рентгеновских лучей она составляет примерно 0.1-100 нанометров, а для гамма-лучей вообще ниже 0.1 нм.
- По сравнению с видимым светом или даже ультрафиолетом такая длина электромагнитной волны на десятки или сотни раз меньше.
- Грубо говоря, в 1000 раз меньшая длина соответствует в 1000 раз большей энергии.
- Соответственно, энергия рентгена и гамма-лучей настолько высока, что излучение этого диапазона может выбивать электроны у атомов и ионизировать атомную структуру.
Из-за такого потенциально опасного для жизни свойства ионизировать молекулы клеток рентгеновское и особенно гамма-излучение используется в специально защищенных и замкнутых источниках. К таковым относятся медицинские рентген-аппараты, ускорители элементарных частиц, атомные реакторы и ядерное оружие. Беспрепятственное облучение человеческого тела рентгеном или гамма-лучами в течение минут может оказаться смертельным.
- Диапазон рентгеновского излучения полезен для получения снимков внутренних органов и тканей в медицинских целях.
- Гамма-лучи, как правило, применяются в науке для изучения фундаментальных свойств ядер и элементарных частиц.
- Длина электромагнитной волны в этих двух диапазонах позволяет реализовать проникающее излучение с высоким взаимодействием вещества.
Таково биологическое и прикладное значение рентгеновских и гамма-лучей, относящихся к электромагнитным волнам с минимальной длиной волны из всех доступных науке на сегодняшний день.
