Излучение определение по физике – Что такое излучение в физике? Виды излучений, источники, влияние на человека :: SYL.ru

5.3.Тепловое излучение

§ 1. Тепловое излучение

В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:

1. энергетическая светимость R(T) – это энергия W, испускаемая 1 м² поверхности светящегося тела за 1 с.

. [R(T)]=Вт/м².

2. испускательная способность тела r(λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м² поверхности светящегося тела за 1 с.

. .

Здесь – это энергия излучения с длинами волн от λ до .

Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:

.

3. поглощательная способность тела а(λ,Т) – это отношение энергии с длинами волн от λ до , поглощаемой телом, к энергии с длинами волн от λ до , падающей на поверхность тела.

.

Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.

Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:

.

Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела а_а.ч.т.(λ,Т) равна единице. Это означает, что универсальная функция Кирхгофа тождественна испускательной способности абсолютно черного тела . Таким образом, для решения задачи теплового излучения необходимо было установить вид функции Кирхгофа или испускательной способности абсолютно чёрного тела.

Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R_ачт(T). Согласно закону Стефана-Больцмана

, .

В 1896-м году немецкие физики во главе с Вильгельмом Вином создали суперсовременную по тем временам экспериментальную установку для исследования распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) в спектре теплового излучения абсолютно черного тела. Эксперименты, выполненные на этой установке: во-первых, подтвердили результат, полученный австрийскими физиками Й.Стефаном и Л.Больцманом; во-вторых, были полученны графики распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Они были удивительно похожи на полученные ранее Дж. Максвеллом кривые распределения молекул газа, находящегося в закрытом объеме, по величинам скоростей.

Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.

Английские классические физики лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1946) применили к тепловому излучению методы статистической физики (воспользовались классическим законом о равнораспределении энергии по степеням свободы). Рэлей и Джинс применили метод статистической физики к волнам подобно тому, как Максвелл применил его к равновесному ансамблю хаотически движущихся в замкнутой полости частиц. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная kT (

на электрическую энергию и на магнитную энергию),. Исходя из этих соображений, они получили следующую формулу для испускательной способности а.ч.т.:

.

Эта формула хорошо описывала ход экспериментальной зависимости при больших длинах волн (на низких частотах). Но для малых длин волн (высокий частот или в ультрафиолетовой области спектра) классическая теория Рэлея и Джинса предсказывала бесконечный рост интенсивности излучения. Этот эффект получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.

Следующую попытку получения формулы зависимости испускательной способности а.ч.т. от длин волн предпринял Вин. С помощью методов классической термодинамики и электродинамики Вину удалось вывести соотношение, графическое изображение которого удовлетворительно совпадало с коротковолновой (высокочастотной) частью полученных в эксперименте данных, но абсолютно расходилось с результатами опытов для больших длин волн (низких частот).

.

Из этой формулы было получено соотношение, связывающее ту длину волны , которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру тела Т (закон смещения Вина):

, .

Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.

Но формулы, описывающей всю кривую, не было.

Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики.

Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом). Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами). Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.

.

14 декабря 1900-го года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу. Так родилась квантовая физика.

Квант энергии излучения, введенный Планком в физику, оказался пропорциональным частоте излучения (и обратно пропорционален длине волны):

.

– универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Планка. Она равна: .

Свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые параметры – длина волны

, частота света и волновое число .

Корпускулярные характеристики – энергия и импульс .

Волновые параметры света связаны с его корпускулярными характеристиками с помощью постоянной Планка:

.

Здесь и – волновое число.

Постоянной Планка принадлежит фундаментальная роль в физике. Эта размерная константа позволяет количественно оценить, насколько при описании каждой конкретной физической системы существенны квантовые эффекты.

Когда по условиям физической задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, достаточно классического (не квантового) описания.

7

studfile.net

Физика Конспект «Излучение» | 8 класс РФ

Конспект по физике для 8 класса «Излучение». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое излучение. ВСПОМНИТЕ: Что такое теплопроводность? Что такое конвекция?

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

Излучение

Основным источником тепла на нашей планете является Солнце, которое находится на расстоянии 150 млн. км от Земли. Как же осуществляется теплопередача от Солнца?

ИЗЛУЧЕНИЕ

За пределами земной атмосферы пространство между Землёй и Солнцем содержит очень разреженное вещество. В вакууме перенос энергии путём теплопроводности практически невозможен. Нельзя здесь говорить и о конвекции. Говоря о переносе энергии от Солнца к Земле, мы сталкиваемся с новым видом теплопередачи, который называется излучением. Испускание и поглощение излучения играют огромную роль в нашей жизни. Это излучение называется электромагнитным излучением или электромагнитными волнами и будет изучаться в курсе физики 9 класса. Сейчас же надо отметить, что электромагнитные волны являются одним из видов материи, о котором мы ещё не говорили.

Хорошо нам знакомый солнечный свет также является электромагнитным излучением. Существуют различные технические устройства, которые являются источниками электромагнитного излучения, например микроволновые печи.

При изучении природы излучения были сделаны важные открытия. Одно из них — давление света, т. е. давление, производимое светом на тела, впервые было экспериментально открыто и измерено выдающимся российским физиком П. Н. Лебедевым. Величина этого давления даже для самых сильных источников света ничтожно мала в земных условиях. Для обнаружения давления света Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента.

Излучение — третий вид теплопередачи (кроме теплопроводности и конвекции), при котором энергия передаётся не только при наличии вещества, но и в вакууме. Именно излучение является причиной того, что рядом с горящей электрической лампочкой тепло ощущается даже снизу, хотя из-за конвекции потоки тёплого воздуха устремляются вверх.

ТЕРМОСКОП

Рассмотрим работу простого прибора, который называют термоскопом. Он состоит из небольшой колбы, одна сторона которой блестящая, а другая — чёрная или матовая. Если прибор делать самостоятельно, то одну сторону колбы можно просто закоптить. В колбу через пробку вставлена изогнутая трубка, в которую введена небольшая капля подкрашенной жидкости. К трубке прикреплена шкала, позволяющая обнаружить любое нагревание воздуха в колбе, даже если оно мало.

Поднесём к закопчённой поверхности термоскопа нагретое до высокой температуры тело. При этом столбик подкрашенной жидкости переместится на несколько делений вправо. Это означает, что воздух в колбе нагрелся и расширился. Причиной нагревания воздуха в термоскопе может быть только передача ему энергии от нагретого тела.

Энергия в описанном опыте передавалась не в результате теплопроводности, так как между нагретым телом и термоскопом находится воздух — плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не происходила, так как термоскоп находится рядом с нагретым телом, а не над ним. В данном случае энергия передавалась путём излучения.

ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРА ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Все тела окружающего нас мира излучают энергию независимо от их температуры. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения.

Пока температура тела невысока, оно излучает энергию, но не светится, т. е. испускает только тепловые волны, невидимые для глаза. При повышении температуры оно начинает светиться сначала красным, затем оранжевым, жёлтым и т. д. цветом. Например, при температуре 6000 °С больше всего излучается жёлтых лучей. Именно по этому признаку определили температуру поверхности Солнца.

ОТРАЖЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, часть его отражается, а часть поглощается.

При поглощении энергия излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и тёмные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Этот факт легко проверить с помощью термоскопа.

Повторим описанный выше опыт, но в этот раз поднесём нагретое тело к светлой стороне колбы. Столбик жидкости в этом случае переместится на гораздо меньшее расстояние.

Таким образом, тела со светлой поверхностью хуже нагреваются при теплопередаче путём излучения, чем тела с тёмной поверхностью. Происходит это вследствие того, что тёмные тела лучше поглощают энергию, а тела, имеющие светлую или блестящую поверхность, лучше отражают.

Способность тел по-разному поглощать и отражать энергию излучения часто используется в быту и технике. Самолёты красят серебристой краской для того, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.

Если используют солнечную энергию для нагревания, то соответствующие части приборов окрашивают в тёмный цвет. Это касается таких приборов, как солнечные батареи и ёмкость для воды в летнем душе.

Излучение тел даже с низкой температурой может быть зарегистрировано специальными приборами, называемыми тепловизорами. Эти приборы также называются приборами ночного видения и широко применяются для навигации, в медицине и в военном деле.

В быту часто используется термос. Он применяется для сохранения пищевых продуктов при определённой температуре.

Термос состоит из сосуда с двойными стенками, поверхность которых покрыта блестящим металлическим слоем. Из пространства между стенками выкачан воздух, что предотвращает и конвекцию, и теплопроводность. Металлический слой, отражая излучение, препятствует передаче энергии.

---

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Излучение».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Излучение

5 (100%) 1 vote[s]

Просмотров: 303

xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai

Виды радиоактивных излучений

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

---

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Виды радиации

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.

---

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

---

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

---

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

---

Гамма излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения — это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

---

Рентгеновское излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность:высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

---

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика	Вид радиации
	Альфа излучение	Нейтронное излучение	Бета излучение	Гамма излучение	Рентгеновское излучение
излучаются	два протона и два нейтрона	нейтроны	электроны или позитроны	энергия в виде фотонов	энергия в виде фотонов
проникающая способность	низкая	высокая	средняя	высокая	высокая
облучение от источника	до 10 см	километры	до 20 м	сотни метров	сотни метров
скорость излучения	20 000 км/с	40 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега	30 000	от 3000 до 5000	от 40 до 150	от 3 до 5	от 3 до 5
биологическое действие радиации	высокое	высокое	среднее	низкое	низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)	1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)	1
Нейтроны с энергией < 10 КэВ (нейтронное излучение)	5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение)	10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение)	20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение)	10
Нейтроны > 20 МэВ (нейтронное излучение)	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)	20

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

---

Видео: Виды радиации

doza.pro

Физика процесса излучения. Примеры излучения в быту и природе

Излучение — это физический процесс, результатом которого является передача энергии с помощью электромагнитных волн. Обратный излучению процесс называется поглощением. Рассмотрим этот вопрос подробнее, а также приведем примеры излучения в быту и природе.

Физика возникновения излучения

Любое тело состоит из атомов, которые, в свою очередь, образованы ядрами, заряженными положительно, и электронами, которые образуют электронные оболочки вокруг ядер и заряжены отрицательно. Атомы устроены таким образом, что они могут находиться в разных энергетических состояниях, то есть обладать как большей, так и меньшей энергией. Когда атом имеет наименьшую энергию, то говорят о его основном состоянии, любое другое энергетическое состояние атома называется возбужденным.

Существование различных энергетических состояний атома связано с тем, что его электроны могут располагаться на тех или иных энергетических уровнях. Когда электрон переходит с более высокого уровня на более низкий, то атом теряет энергию, которую он излучает в окружающее пространство в виде фотона — частицы-носителя электромагнитных волн. Наоборот, переход электрона с более низкого на более высокий уровень сопровождается поглощением фотона.

Перевести электрон атома на более высокий энергетический уровень можно несколькими способами, которые предполагают передачу энергии. Это может быть как воздействие на рассматриваемый атом внешнего электромагнитного излучения, так и передача ему энергии механическим или электрическим способами. Кроме того, атомы могут получать, а затем выделять энергию в результате химических реакций.

Электромагнитный спектр

Прежде чем переходить к примерам излучения в физике, необходимо отметить, что каждый атом испускает определенные порции энергии. Это происходит потому, что состояния, в которых может находиться электрон в атоме, являются не произвольными, а строго определенными. Соответственно переход между этими состояниями сопровождается излучением определенного количества энергии.

Из атомной физики известно, что фотоны, порождаемые в результате электронных переходов в атоме, обладают энергией, которая прямо пропорциональна их частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны (фотон — это электромагнитная волна, которая характеризуется скоростью распространения, длиной и частотой). Поскольку атом вещества может испускать только определенный набор энергий, значит, длины волн испущенных фотонов тоже являются конкретными. Набор всех этих длин называется электромагнитным спектром.

Если длина волны фотона лежит между 390 нм и 750 нм, то говорят о видимом свете, поскольку его способен воспринимать человек своими глазами, если длина волны меньше 390 нм, то такие электромагнитные волны обладают большой энергией и называются ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением. Для длин больше 750 нм характерна небольшая энергия фотонов, они носят название инфракрасного, микро- или радиоизлучения.

Тепловое излучение тел

Всякое тело, которое имеет некоторую отличную от абсолютного нуля температуру, излучает энергию, в этом случае говорят о тепловом или температурном излучении. При этом температура определяет как электромагнитный спектр теплового излучения, так и количество испускаемой телом энергии. Чем больше температура, тем большую энергию излучает тело в окружающее пространство, и тем сильнее его электромагнитный спектр смещается в высокочастотную область. Процессы теплового излучения описываются законами Стефана-Больцмана, Планка и Вина.

Примеры излучения в быту

Как выше было сказано, энергию в виде электромагнитных волн излучает абсолютно любое тело, однако видеть невооруженным глазом этот процесс можно не всегда, поскольку температуры окружающих нас тел, как правило, слишком маленькие, поэтому их спектр лежит в низкочастотной невидимой для человека области.

Ярким примером излучения в видимом диапазоне является электрическая лампа накаливания. Проходя по спирали, электрический ток разогревает вольфрамовую нить до 3000 К. Такая высокая температура приводит к тому, что нить начинает испускать электромагнитные волны, максимум которых приходится на длинноволновую часть видимого спектра.

Еще один пример излучения в быту — микроволновая печь, которая испускает микроволны, невидимые для человеческого глаза. Эти волны поглощаются объектами, содержащими воду, тем самым увеличивая их кинетическую энергию и, как следствие, температуру.

Наконец, примером излучения в быту в инфракрасном диапазоне является радиатор батареи отопления. Его излучения мы не видим, но чувствуем это тепло.

Природные излучающие объекты

Пожалуй, самым ярким примером излучения в природе является наша звезда — Солнце. Температура на поверхности Солнца около 6000 К, поэтому его максимум излучения приходится на длину волны 475 нм, то есть лежит внутри видимого спектра.

Солнце разогревает находящиеся вокруг него планеты и их спутники, которые тоже начинают светиться. Здесь следует отличать отраженный свет и тепловое излучение. Так, нашу Землю можно видеть из космоса в виде голубого шара именно благодаря отраженному солнечному свету. Если же говорить о тепловом излучении планеты, то оно также имеет место, но лежит в области микроволнового спектра (около 10 мкм).

Помимо отраженного света, интересно привести еще один пример излучения в природе, который связан со сверчками. Испускаемый ими видимый свет никак не связан с тепловым излучением и является результатом химической реакции между кислородом воздуха и люциферином (вещество, содержащееся в клетках насекомых). Это явление носит название биолюминесценции.

fb.ru

Излучение

Как мы знаем, основным источником тепла для нашей планеты является Солнце.

Мы уже затрагивали тему о том, как передается тепло от Солнца. Оно передаётся посредством излучения. Основное отличие излучения от других способов теплопередачи, это то, что передача энергии излучением может происходить в полном вакууме. Все тела излучают энергию: Солнце, человек, электроприборы и так далее. Чем выше температура, тем больше энергии передается посредством излучения. Часть этой энергии поглощается другими телами, а часть — отражается. Процент поглощения энергии зависит от состояния поверхности тела, в частности от цвета. Наверное, все замечали, что предметы темного цвета больше нагреваются на солнце, чем светлые. Именно поэтому, в летний солнечный день в черной одежде значительно жарче, чем в белой.

Также, если черную и белую машины с закрытыми окнами на солнцепеке и сравнить температуру внутри через час, то температура в черной машине будет выше. Однако, темные тела сами излучают энергию быстрее, чем светлые. Подобных примеров существует великое множество. Рассмотрим, как знания об излучении применяются на практике.

Например, люди часто сушат бельё на солнце.

Или загорают. Лёжа на пляже, человек получает тепло с помощью излучения.

Правда сам загар появляется в результате воздействия ультрафиолетовых лучей, что является не только теплопередачей, но и облучением радиацией.

Наконец, существуют солнечные батареи, которые поглощают энергию солнечного излучения, чтобы потом преобразовать её в другие типы энергии.

Также, все знают, что находясь рядом с огнем, становится теплее. Если мы говорим о тепле над огнем, то мы наблюдаем явление конвекции. Однако, тепло распространяется от огня во все стороны. Это происходит в результате излучения.

Существует известная легенда о том, как Архимед сжег корабли римлян, используя зеркало.

Теперь мы знаем, что он использовал знания об излучении: серебристая поверхность зеркала отражает большую часть солнечного излучения. Этим он и воспользовался, направив огромное зеркало на корабли римлян. В результате, корабли получили большое количество теплоты и загорелись. Заметим, однако, что это только легенда, но она, несомненно, имеет под собой научную почву.

Наконец, существует лазерное излучение. В наши дни, лазер используют в медицине в области хирургии. Также, излучение лазера используется в экспериментах по оптике.

При достаточной концентрации энергии излучения с помощью линзы, например, есть возможность воспламенить тело. А это значит, что в перспективе, возможно изобретение лучевого оружия. Его принцип действия будет основан на мгновенной передаче большого количества энергии на расстояние, в результате чего цель будет воспламеняться или взрываться.

Подведем небольшой итог в разделе о теплопередаче. Рассмотрим наглядный пример из повседневной жизни, который объединяет все способы теплопередачи. Для того чтобы сохранить пищу или напиток горячим, люди придумали термос.

Чтобы максимально снизить потери тепла, нужно препятствовать всем способам теплопередачи. Термос имеет двойные стенки. Из пространства между этими стенками выкачан воздух (а освобожденное пространство обладает нулевой теплопроводностью). Горлышко термоса закупоривается пробкой, чтобы предотвратить конвекцию. Наконец, внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, чтобы отразить максимальную часть излучения (а, значит, поглотить минимальную).

videouroki.net

Электромагнитное излучение

Определение 1

Электромагнитное излучение – это электромагнитные волны, которые возбуждаются разными излучающими объектами (атомами, заряженными частицами, молекулами, антеннами).

С момента зарождения жизни на планете существует стабильный электромагнитный фон. На протяжении длительного времени он был неизменен. Однако интенсивность этого фона с развитием человечества растет с неимоверной скоростью. Огромное количество электрических приборов, линии электропередач, мобильная связь – все эти «новшества эволюции» стали основным источником электромагнитного загрязнения.

Особенности электромагнитного излучения

На первый взгляд может показаться, что нет ничего общего между столь разыми явлениями электромагнитного излучения. И в самом деле, что общего между рентгеновской трубкой, радиоактивным веществом, теплой печкой, лампой фонарика и генератором переменного тока, который подключен к линии электропередачи, как, впрочем, и между глазом, фотопленкой, термопарой, радиоприемником и телевизионной антенной? Второй список состоит из приемников, а первый – из источников электромагнитного излучения.

Воздействие различных видов излучения на человеческий организм также различно: рентгеновское и гамма- излучение вызывает повреждение тканей и органов, видимый свет влияет на зрение, инфракрасное излучение нагревает организм человека, а радиоволны вовсе не ощущаются. Но, несмотря на явные отличия, все вышеперечисленные примеры излучений – разные стороны одного и того же явления.

Все типы электромагнитных волн имеют одинаковую скорость распространения в свободном пространстве. Однако число колебаний в единицу времени изменяется в широких пределах: для электромагнитных волн низкочастотного диапазона – от нескольких колебаний в секунду и до 1020 колебаний в секунду в случае гамма- и рентгеновского излучения.

Поскольку длина электромагнитной волны представлена в виде выражения $l = \frac {c}{f}$, то она также изменяется в широком диапазоне – от $10^{-12}$ метров для рентгеновского излучения и до нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний. Поэтому воздействие электромагнитных волн с веществом очень отличается в различных частях спектра. Электромагнитные волны значительно отличаются от звука тем, что их можно передать к источнику от приемника через вакуум.

Пример 1

Например, рентгеновские лучи, которые возникают в вакуумной трубке, влияют на фотопленку, что расположены вдали от нее. В то время, как звук колокольчика, что находится под колпаком, невозможно услышать, если откачать воздух из-под колпака.

Глаз человека воспринимает солнечные лучи видимого света, а антенна, что расположена на Земле, — радиосигналы космического аппарата, который удален на миллионы километров.

Замечание 1

Таким образом, для распространения электромагнитных волн никакой материальной среды не требуется.

Виды электромагнитного излучения

В зависимости от длины волны, электромагнитное излучение можно разделить на множество видов:

1. Видимый свет. Сюда относится то электромагнитное излучение, которое человек может воспринимать зрительно. Длина световых волн в данном случае варьируется от 380 до 780 нанометров. Из этого следует, что электромагнитные волны видимого света очень короткие.
2. Инфракрасное излучение. Данный вид излучения находится в электромагнитном спектре между радиоволнами и световым излучением. Длина инфракрасных волн значительно больше световых волн и располагается в диапазоне от 780 нанометров до 1-го миллиметра.
3. Радиоволны. Сюда же можно отнести микроволны, что излучает микроволновая печь. Это самые длинные электромагнитные волны. К ним относится все виды излучения, длина волн которых начинается от 0,5 миллиметра.
4. Ультрафиолетовое излучение. Данный вид электромагнитного излучения является пагубным для большинства живых существ. Длина таких волн находится в диапазоне от 10 до 400 нанометров. Располагаются волны инфракрасного излучения в промежутке между видимым и рентгеновским излучением.
5. Рентгеновское излучение. Этот вид электромагнитного излучения выделяется среди других наличием электронов. Оно имеет широкий диапазон волн – от $10^{-7}$ м до $10^{-12}$ м. Этот вид излучения широко используется в медицинском оборудовании.
6. Гамма-излучение. Это самый коротковолновой вид электромагнитного излучения. Длина волны менее $10^{-10}$ метра. Гамма-лучи имеют самую высокую энергию излучения. Этот вид – самый опасный вид электромагнитного излучения для человеческого организма.

Источники электромагнитного излучения

Несмотря на то, что электромагнитное излучение имеет физические различия, во всех его источниках это излучение возбуждается при помощи движущихся с ускорением электрических зарядов.

Различают два вида источников электромагнитного излучения:

1. Микроскопические источники электромагнитного излучения. Заряженные частицы в «микроисточниках» переходят из одного энергетического уровня в другой при помощи скачков. Такие скачки происходят внутри молекул и атомов. Излучатели такого типа испускают ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-, инфракрасное и видимое излучение. В некоторых случаях возникает длинноволновое излучение. В качестве примера тут можно привести линию в спектре водорода, которая соответствует длине волны 21 сантиметр. Такое вид излучения играет важную роль в радиоастрономии.
2. Макроскопические источники электромагнитного излучения. В данном случае свободные электроны проводников совершают периодические синхронные колебания. Электрическая система тут может иметь разные размеры и конфигурации. Системы данного типа генерируют электромагнитное излучение в диапазоне от миллиметровых размеров волн и до самых длинных. Часто применяется в линиях электропередач.

Гамма-лучи при распаде ядер атомов радиоактивных веществ испускаются самопроизвольно. При этом осуществляются сложные процессы, что приводят к изменениям в структуре ядра. Генерируемая частота $f$ определяется при помощи разности энергий $E_1$ и $E_2$ двух состояний ядра:

$f = \frac {(E_1 – E_2)}{h}$, где $h$ — это постоянная Планка.

В соответствии с теорией Планка, энергия кванта электромагнитного излучения определяется при помощи формул:

$E= hv$

$\lambda = \frac {c}{v} $

$v = \frac {c}{\lambda } $

$E = h \frac {c}{\lambda } $, где $h = 6,62 • 10^{-34}$ Дж.

Поскольку фото является элементарной частицей, что находится в движении, ему свойственна некоторая масса движения, а значит и некоторый импульс. Масса покоя фотона равна нулю.

Энергия равна:

$E = mc^2$

$hv = m^2 c$

$m = \frac {hv}{c^2}$

Рентгеновское излучение формируется при бомбардировке в вакууме на поверхности металлического анода при помощи электронов, которые обладают огромными скоростями. Замедляясь в материале анода, данные электроны испускают «тормозное излучение», которое имеет непрерывный спектр. А перестройка внутренней структуры атомов, что происходит в результате электронной бомбардировки, сопровождается испусканием характеристического излучения. Частоты данного излучения определяются материалом анода.

Световое видимое и ультрафиолетовое излучение дают такие же электронные переходы в атоме. Что касается инфракрасного излучения, то оно является результатом трансформаций, которые практически не затрагивают электронную структуру и что связаны с изменением амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы.

«Колебательный контур» имеется в генераторах электрических колебаний. Тут электроны совершают вынужденные колебания с частотой, которая зависит от его размеров и конструкции. Самые высокие частоты, которые соответствуют сантиметровым и миллиметровым волнам, генерируются магнетронами и клистронами. Это электровакуумные приборы с металлическими резонаторами, в которых колебания возбуждаются токами электронов.

Колебательный контур в генераторах с низкими частотами состоит из катушки индуктивности $L$ и конденсатора с емкостью $C$, который возбуждается транзисторной или ламповой схемой. Собственная частота такого контура, что близка при малом затухании к резонансной, представлена в виде выражения:

$f = \frac {1} {2} \pi \sqrt {LC}$

Переменные поля низких частот, которые применяются для передачи электроэнергии, создаются электромашинными генераторами тока, где роторы вращаются между магнитными полюсами.

Примеры источников излучения

Вокруг нас постоянно находится множество источников электромагнитного излучения, которые отдают в пространство опасные для человека электромагнитные волны. Перечислить их все практически нереально, поэтому рассмотрим наиболее глобальные и популярные примеры источников электромагнитного излучения:

• Высоковольтные линии электропередач. Данные источники имеют мощный уровень электромагнитного излучения и высокое напряжение. Если жилой дом расположен менее чем на 1000 метров к таким линиям, то у жителей таких домов возрастают риски возникновения онкологических заболеваний.
• Электрический транспорт. Сюда относятся поезда метрополитена и электрички, троллейбусы и трамваи, а также обычные лифты в домах и торговых центрах.
• Радио- и телевизионные вышки. Электромагнитное излучение от таких вышек крайне опасно для человеческого здоровья. Особенно опасны те, что установлены не в соответствии с санитарными нормами.
• Бытовые приборы. К ним можно отнести микроволновые печи, телевизор, компьютер, энергосберегающие лампы, фены, зарядные устройства и прочие.
• Мобильные телефоны. Электромагнитное излучение от телефона негативно сказывается на общем самочувствии и плохо воздействует на человеческий мозг.
• Медицинское оборудование. Рентген, компьютерный томограф, МРТ имеют сильное излучение.

Все мы по-прежнему будем пользоваться этими приборами. Важно при этом минимизировать негативное воздействие, которое оказывают источники электромагнитного излучения.

spravochnick.ru

Что такое излучение в физике? Определение, особенности, применение излучения в физике. Что такое тепловое излучение в физике

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого – Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета – шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна – сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества – атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом – это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома – это электроны, встал другой вопрос — почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ – один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

1. Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
2. Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
3. Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

• радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
• тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
• видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
• ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
• рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс ультрафиолетовой катастрофы. Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин – основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества – диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.

fb.ru