Zasięgi promieniowania i materia. Co oznacza termin „długość fali światła” Długość fali promieniowania widzialnego w metrach

Zasięgi promieniowania i materia. Co oznacza termin'длина волны света' Видимое излучение длина волны в метрах
Zasięgi promieniowania i materia. Co oznacza termin „długość fali światła” Długość fali promieniowania widzialnego w metrach
17.07.2022

Widmo fal elektromagnetycznych.

Fale elektromagnetyczne są klasyfikowane według długości fali lub powiązanej częstotliwości fali. Należy również pamiętać, że parametry te charakteryzują nie tylko falę, ale także właściwości kwantowe pola elektromagnetycznego. Odpowiednio, w pierwszym przypadku fala elektromagnetyczna jest opisana klasycznymi prawami badanymi w tym tomie, a w drugim przypadku prawami kwantowymi omawianymi w tomie 5 tego podręcznika.

Rozważmy koncepcję widma fal elektromagnetycznych. Widmo fal elektromagnetycznych to pasmo częstotliwości fal elektromagnetycznych występujących w przyrodzie.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego w kolejności rosnącej częstotliwości wynosi:

1) Fale radiowe;

2) Promieniowanie podczerwone;

3) Promieniowanie świetlne;

4) promieniowanie rentgenowskie;

5) Promieniowanie gamma.

Różne części widma elektromagnetycznego różnią się sposobem emitowania i odbierania fal należących do tej lub innej części widma. Z tego powodu nie ma ostrych granic pomiędzy różnymi częściami widma elektromagnetycznego.

Fale radiowe bada się metodą elektrodynamiki klasycznej. Światło podczerwone i promieniowanie ultrafioletowe są badane zarówno przez optykę klasyczną, jak i fizykę kwantową. Promieniowanie rentgenowskie i gamma są badane w fizyce kwantowej i nuklearnej.

Rozważmy bardziej szczegółowo widmo fal elektromagnetycznych.

Fale radiowe.

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne, których długość przekracza 0,1 mm (częstotliwość mniejsza niż 3 10 12 Hz = 3000 GHz).

Fale radiowe dzielą się na:

1. Fale ultradługie o długości fali większej niż 10 km (częstotliwość mniejsza niż 3 10 4 Hz = 30 kHz);

2. Fale długie w zakresie długości od 10 km do 1 km (częstotliwość w zakresie 3 10 4 Hz - 3 10 5 Hz = 300 kHz);

3. Fale średnie w zakresie długości od 1 km do 100 m (częstotliwość w zakresie 3 10 5 Hz -310 6 Hz = 3 MHz);

4. Fale krótkie w zakresie długości fal od 100m do 10m (częstotliwość w zakresie 310 6 Hz - 310 7 Hz=30 MHz);

5. Fale ultrakrótkie o długości mniejszej niż 10 m (częstotliwość większa niż 310 x 7 Hz = 30 MHz).

Fale ultrakrótkie dzielimy z kolei na:

a) fale metrowe;

b) fale centymetrowe;

c) fale milimetrowe;

d) submilimetr lub mikrometr.

Fale o długości fali mniejszej niż 1 m (częstotliwość mniejsza niż 300 MHz) nazywane są mikrofalami lub falami o ultrawysokiej częstotliwości (falami mikrofalowymi).

Ze względu na duże długości fal w zakresie radiowym w porównaniu do wielkości atomów, propagację fal radiowych można rozpatrywać bez uwzględnienia budowy atomowej ośrodka, tj. fenomenologicznie, jak to zwykle bywa przy konstruowaniu teorii Maxwella. Kwantowe właściwości fal radiowych pojawiają się jedynie dla najkrótszych fal sąsiadujących z podczerwoną częścią widma oraz podczas propagacji tzw. ultrakrótkie impulsy o czasie trwania rzędu 10 -12 sek. - 10 -15 sek., porównywalnym z czasem oscylacji elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek.

Promieniowanie podczerwone i świetlne.

Promieniowanie podczerwone, świetlne, w tym ultrafioletowe, stanowi obszar optyczny widma szeroko rozumianych fal elektromagnetycznych. Bliskość obszarów widmowych wymienionych fal determinowała podobieństwo metod i instrumentów wykorzystywanych do ich badań i praktycznego zastosowania. Historycznie do tych celów używano soczewek, siatek dyfrakcyjnych, pryzmatów, przysłon i substancji optycznie czynnych wchodzących w skład różnych urządzeń optycznych (interferometry, polaryzatory, modulatory itp.).

Natomiast promieniowanie z obszaru optycznego widma ma ogólne wzorce transmisji różnych ośrodków, które można uzyskać za pomocą optyki geometrycznej, szeroko stosowanej w obliczeniach i konstrukcji zarówno urządzeń optycznych, jak i kanałów propagacji sygnału optycznego.

Widmo optyczne obejmuje zakres długości fal elektromagnetycznych w zakresie od 210 -6 m = 2 μm do 10 -8 m = 10 nm (częstotliwość od 1,510 14 Hz do 310 16 Hz). Górną granicę zakresu optycznego wyznacza długofalowa granica zasięgu podczerwieni, a dolną – krótkofalowa granica ultrafioletu (ryc. 2.14).

Szerokość zakresu optycznego częstotliwości wynosi w przybliżeniu 18 oktaw 1, z czego zakres optyczny stanowi w przybliżeniu jedną oktawę(); dla ultrafioletu - 5 oktaw (), dla promieniowania podczerwonego - 11 oktaw (

W optycznej części widma istotne stają się zjawiska spowodowane budową atomową materii. Z tego powodu wraz z właściwościami falowymi promieniowania optycznego pojawiają się właściwości kwantowe.

Promieniowanie rentgenowskie i gamma.

W dziedzinie promieniowania rentgenowskiego i gamma na pierwszy plan wysuwają się kwantowe właściwości promieniowania.

Promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas zwalniania szybko naładowanych cząstek (elektronów, protonów itp.), a także w wyniku procesów zachodzących wewnątrz elektronicznych powłok atomów.

Promieniowanie gamma jest następstwem zjawisk zachodzących wewnątrz jąder atomowych, a także wynikiem reakcji jądrowych. Granicę pomiędzy promieniowaniem rentgenowskim i gamma wyznacza się umownie poprzez wartość kwantu energii 2 odpowiadającego danej częstotliwości promieniowania.

Promieniowanie rentgenowskie składa się z fal elektromagnetycznych o długości od 50 nm do 10 -3 nm, co odpowiada energii kwantowej od 20 eV do 1 MeV.

Promieniowanie gamma składa się z fal elektromagnetycznych o długości fali mniejszej niż 10–2 nm, co odpowiada energii kwantowej większej niż 0,1 MeV.

Elektromagnetyczna natura światła.

Światło jest widzialną częścią widma fal elektromagnetycznych, których długości fal mieszczą się w zakresie od 0,4 µm do 0,76 µm. Każdej składowej widmowej promieniowania optycznego można przypisać określony kolor. Barwa składowych widmowych promieniowania optycznego zależy od ich długości fali. Kolor promieniowania zmienia się wraz ze zmniejszaniem się długości fali: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, cyjan, indygo, fioletowy.

Czerwone światło, odpowiadające najdłuższej długości fali, definiuje czerwony koniec widma. Światło fioletowe - odpowiada fioletowej granicy.

Światło naturalne jest bezbarwne i stanowi superpozycję fal elektromagnetycznych z całego widma widzialnego. Światło naturalne powstaje w wyniku emisji fal elektromagnetycznych przez wzbudzone atomy. Charakter wzbudzenia może być różny: termiczny, chemiczny, elektromagnetyczny itp. W wyniku wzbudzenia atomy losowo emitują fale elektromagnetyczne przez około 10 -8 sekund. Ponieważ widmo energii wzbudzenia atomów jest dość szerokie, fale elektromagnetyczne emitowane są z całego widma widzialnego, którego faza początkowa, kierunek i polaryzacja są losowe. Z tego powodu naturalne światło nie jest spolaryzowane. Oznacza to, że „gęstość” składowych widmowych fal elektromagnetycznych światła naturalnego o wzajemnie prostopadłych polaryzacjach jest taka sama.

Harmoniczne fale elektromagnetyczne w zakresie światła nazywane są monochromatycznymi. W przypadku monochromatycznej fali świetlnej jedną z głównych cech jest intensywność. Natężenie fali świetlnej to średnia wartość gęstości strumienia energii (1,25) przenoszonej przez falę:

gdzie jest wektor Poyntinga.

Obliczanie natężenia lekkiej, płaskiej fali monochromatycznej o amplitudzie pola elektrycznego w ośrodku jednorodnym o przenikalności dielektrycznej i magnetycznej ze wzoru (1.35) z uwzględnieniem (1.30) i (1.32) daje:

gdzie jest współczynnik załamania światła ośrodka; - impedancja falowa próżni.

Tradycyjnie zjawiska optyczne rozpatrywane są za pomocą promieni. Opis zjawisk optycznych za pomocą promieni nazywamy geometryczno-optycznym. Opracowane w optyce geometrycznej reguły znajdowania trajektorii promieni znajdują szerokie zastosowanie w praktyce przy analizie zjawisk optycznych oraz przy budowie różnych przyrządów optycznych.

Zdefiniujmy promień w oparciu o elektromagnetyczną reprezentację fal świetlnych. Przede wszystkim promienie to linie, wzdłuż których rozchodzą się fale elektromagnetyczne. Z tego powodu promień jest linią, w której każdym punkcie uśredniony wektor Poyntinga fali elektromagnetycznej jest skierowany stycznie do tej prostej.

W jednorodnych ośrodkach izotropowych kierunek średniego wektora Poyntinga pokrywa się z normalną do powierzchni fali (powierzchnią równofazową), tj. wzdłuż wektora falowego.

Zatem w jednorodnych ośrodkach izotropowych promienie są prostopadłe do odpowiedniego czoła fali fali elektromagnetycznej.

Rozważmy na przykład promienie emitowane przez punktowe, monochromatyczne źródło światła. Z punktu widzenia optyki geometrycznej wiele promieni wychodzi z punktu źródłowego w kierunku promieniowym. Z pozycji elektromagnetycznej esencji światła od punktu źródłowego rozchodzi się sferyczna fala elektromagnetyczna. Przy dostatecznie dużej odległości od źródła krzywiznę czoła fali można pominąć, uznając, że lokalnie kulista fala jest płaska. Dzieląc powierzchnię czoła fali na dużą liczbę lokalnie płaskich odcinków, można przez środek każdego odcinka poprowadzić normalną, wzdłuż której rozchodzi się fala płaska, tj. w promieniu interpretacji geometryczno-optycznej. Zatem oba podejścia dają ten sam opis rozważanego przykładu.

Głównym zadaniem optyki geometrycznej jest znalezienie kierunku wiązki (trajektorii). Równanie trajektorii otrzymujemy po rozwiązaniu problemu wariacyjnego znalezienia minimum tzw. działania na pożądanych trajektoriach. Nie wchodząc w szczegóły ścisłego sformułowania i rozwiązania tego problemu, możemy założyć, że promienie są trajektoriami o najkrótszej całkowitej długości optycznej. To stwierdzenie jest konsekwencją zasady Fermata.

Wariacyjne podejście do wyznaczania trajektorii promienia można zastosować także do ośrodków niejednorodnych, tj. takie ośrodki, w których współczynnik załamania światła jest funkcją współrzędnych punktów ośrodka. Jeśli kształt powierzchni czoła fali w ośrodku niejednorodnym opiszemy funkcją, to można ją wyznaczyć na podstawie rozwiązania równania różniczkowego cząstkowego, zwanego równaniem eikonala, a w mechanice analitycznej jako równanie Hamiltona-Jacobiego równanie:

Zatem matematyczną podstawą przybliżenia geometryczno-optycznego teorii elektromagnetycznej są różne metody wyznaczania pól fal elektromagnetycznych na promieniach, w oparciu o równanie eikonala lub w inny sposób. Przybliżenie geometryczno-optyczne jest szeroko stosowane w praktyce w elektronice radiowej do obliczania tzw. systemy quasi-optyczne.

Podsumowując, zauważamy, że możliwość jednoczesnego opisu światła zarówno z pozycji falowych, rozwiązując równania Maxwella, jak i za pomocą promieni, których kierunek wyznacza się z równań Hamiltona-Jacobiego opisujących ruch cząstek, jest jednym z przejawów dualizmu światła, co, jak wiadomo, doprowadziło do sformułowania podstawowych zasad mechaniki kwantowej.

1) Oktawa z definicji to zakres częstotliwości pomiędzy dowolną częstotliwością w a jej drugą harmoniczną, równy 2w.

2) h=6,6310 -34 Js - stała Plancka.

W przyrodzie nie ma takich kwiatów. Każdy odcień, który widzimy, zależy od tej czy innej długości fali. powstaje pod wpływem najdłuższych fal i reprezentuje jedną z dwóch stron widma widzialnego.

O naturze koloru

Pojawienie się tego lub innego koloru można wytłumaczyć prawami fizyki. Wszystkie kolory i odcienie powstają w wyniku przetwarzania przez mózg informacji docierających do oczu w postaci fal świetlnych o różnej długości. W przypadku braku fal ludzie widzą, a przy jednoczesnej ekspozycji na całe spektrum widzą biel.

Kolory obiektów zależą od zdolności ich powierzchni do pochłaniania fal o określonej długości i odpychania wszystkich innych. Oświetlenie również ma znaczenie: im jaśniejsze światło, tym intensywniejsze są odbijane fale i jaśniejszy wydaje się obiekt.

Człowiek jest w stanie rozróżnić ponad sto tysięcy kolorów. Ukochane odcienie szkarłatu, bordo i wiśni tworzą najdłuższe fale. Aby jednak ludzkie oko widziało kolor czerwony, nie może on przekraczać 700 nanometrów. Powyżej tego progu zaczyna się niewidoczne dla człowieka widmo podczerwieni. Przeciwna granica oddzielająca odcienie fioletu od widma ultrafioletu znajduje się na poziomie około 400 nm.

Spektrum kolorów

Widmo kolorów jako pewien zbiór barw, rozmieszczony według rosnącej długości fali, odkrył Newton podczas swoich słynnych eksperymentów z pryzmatem. To on zidentyfikował 7 wyraźnie rozróżnialnych kolorów, a wśród nich 3 główne. Czerwony jest kolorem zarówno rozpoznawalnym, jak i podstawowym. Wszystkie odcienie, które ludzie rozróżniają, są widzialnym obszarem ogromnego widma elektromagnetycznego. Zatem kolor jest falą elektromagnetyczną o określonej długości, nie krótszej niż 400, ale nie dłuższej niż 700 nm.

Newton zauważył, że wiązki światła o różnych barwach mają różny stopień załamania. Mówiąc ściślej, szkło inaczej je załamywało. Najdłuższa długość fali wpływała na maksymalną prędkość przejścia promieni przez materię i w konsekwencji na najniższą załamywalność. Kolor czerwony jest widoczną reprezentacją najmniej załamanych promieni.

Fale tworzące kolor czerwony

Falę elektromagnetyczną charakteryzują takie parametry jak długość, częstotliwość, a długość fali (λ) jest zwykle rozumiana jako najkrótsza odległość pomiędzy jej punktami, które oscylują w tych samych fazach. Podstawowe jednostki długości fali:

  • mikron (1/1000000 metra);
  • milimikron lub nanometr (1/1000 mikrona);
  • angstrem (1/10 milimikrona).

Maksymalna możliwa długość fali światła czerwonego podczas przejścia przez próżnię wynosi 780 mm (7800 angstremów). Minimalna długość fali tego widma wynosi 625 mm (6250 angstremów).

Kolejnym istotnym wskaźnikiem jest częstotliwość oscylacji. Jest to związane z długością, więc falę można określić za pomocą dowolnej z tych wielkości. Częstotliwość fal światła czerwonego waha się od 400 do 480 Hz. Energia fotonu w tym przypadku mieści się w zakresie od 1,68 do 1,98 eV.

Temperatura czerwona

Odcienie, które osoba podświadomie postrzega jako ciepłe lub zimne, z naukowego punktu widzenia z reguły mają przeciwny reżim temperaturowy. Kolory kojarzone ze światłem słonecznym – czerwony, pomarańczowy, żółty – są zwykle uważane za ciepłe, a kolory przeciwne za zimne.

Jednak teoria promieniowania dowodzi czegoś przeciwnego: czerwienie mają znacznie słabsze odcienie niż błękity. W rzeczywistości łatwo to potwierdzić: gorące młode gwiazdy są czerwone, podczas gdy gasnące gwiazdy są czerwone; Po podgrzaniu metal najpierw zmienia kolor na czerwony, potem żółty, a na koniec biały.

Zgodnie z prawem Wiena istnieje odwrotna zależność pomiędzy stopniem nagrzania fali a jej długością. Im bardziej obiekt się nagrzewa, tym więcej energii pochodzi z promieniowania z zakresu krótkich fal i odwrotnie. Pozostaje tylko pamiętać, gdzie w widmie widzialnym występuje najdłuższa długość fali: kolor czerwony zajmuje pozycję kontrastującą z odcieniami niebieskiego i jest najmniej ciepły.

Odcienie czerwieni

W zależności od konkretnej wartości długości fali kolor czerwony przybiera różne odcienie: szkarłatny, karmazynowy, bordowy, ceglany, wiśniowy itp.

Odcień charakteryzuje się 4 parametrami. Są to takie jak:

  1. Barwa to miejsce, jakie kolor zajmuje w widmie spośród 7 widocznych kolorów. Długość fali elektromagnetycznej nadaje ton.
  2. Jasność zależy od siły emisji energii określonego odcienia koloru. Ekstremalne zmniejszenie jasności prowadzi do tego, że dana osoba widzi kolor czarny. Wraz ze stopniowym wzrostem jasności pojawi się za nim burgund, później - szkarłat, a przy maksymalnym wzroście energii - jaskrawoczerwony.
  3. Lekkość - charakteryzuje bliskość odcienia do bieli. Kolor biały powstaje w wyniku zmieszania się fal o różnych widmach. W miarę stopniowego zwiększania tego efektu kolor czerwony zmieni się w szkarłatny, następnie w różowy, następnie w jasnoróżowy, a na koniec w biały.
  4. Nasycenie - określa odległość koloru od szarości. Kolor szary ze swojej natury to trzy kolory podstawowe zmieszane w różnych ilościach przy jednoczesnym zmniejszeniu jasności emisji światła do 50%.

|
promieniowanie widzialne, zastosowanie promieniowania widzialnego
- fale elektromagnetyczne odbierane przez ludzkie oko. Wrażliwość ludzkiego oka na promieniowanie elektromagnetyczne zależy od długości fali (częstotliwości) promieniowania, przy czym maksymalna czułość występuje przy 555 nm (540 teraherców) w zielonej części widma. Ponieważ czułość stopniowo maleje do zera w miarę oddalania się od punktu maksymalnego, niemożliwe jest wskazanie dokładnych granic zakresu widmowego promieniowania widzialnego. Zazwyczaj za granicę fal krótkich przyjmuje się obszar 380–400 nm (750–790 THz), a za granicę fal długich 760–780 nm (385–395 THz). Promieniowanie elektromagnetyczne o tych długościach fal nazywane jest także światłem widzialnym lub po prostu światłem (w wąskim znaczeniu tego słowa).

Promieniowanie widzialne wpada również w „okno optyczne”, czyli obszar widma promieniowania elektromagnetycznego, który praktycznie nie jest pochłaniany przez atmosferę ziemską. Czyste powietrze rozprasza niebieskie światło znacznie silniej niż światło o większej długości fali (w kierunku czerwonej strony widma), dlatego południowe niebo wydaje się niebieskie.

Wiele gatunków zwierząt jest w stanie widzieć promieniowanie, które nie jest widoczne dla ludzkiego oka, czyli nie znajduje się w zakresie widzialnym. Na przykład pszczoły i wiele innych owadów widzą światło w zakresie ultrafioletu, co pomaga im znaleźć nektar na kwiatach. Rośliny zapylane przez owady znajdują się w korzystniejszej sytuacji z punktu widzenia prokreacji, jeśli są jasne w widmie ultrafioletowym. Ptaki widzą również promieniowanie ultrafioletowe (300-400 nm), a niektóre gatunki mają nawet na upierzeniu oznaczenia, które mają przyciągnąć partnera, widoczne tylko w świetle ultrafioletowym.

  • 1. Historia
  • 2 Charakterystyka granic promieniowania widzialnego
  • 3 Widmo widzialne
  • 4 Zobacz także
  • 5 Notatek

Fabuła

Koło kolorów Newtona z Optyki (1704), ukazujące związek między kolorami a nutami muzycznymi. Kolory widma od czerwieni do fioletu oddzielone są nutami, zaczynając od D (D). Okrąg to pełna oktawa. Newton umieścił obok siebie czerwone i fioletowe końce widma, podkreślając, że mieszanina czerwieni i fioletu daje fiolet.

Pierwsze wyjaśnienia widma promieniowania widzialnego podał Izaak Newton w swojej książce „Optyka” i Johann Goethe w swoim dziele „Teoria kolorów”, ale już wcześniej Roger Bacon obserwował widmo optyczne w szklance wody. Zaledwie cztery wieki później Newton odkrył rozproszenie światła w pryzmatach.

Newton jako pierwszy użył w druku słowa widmo (łac. widmo, widzenie, wygląd) w 1671 roku, opisując swoje eksperymenty optyczne. Dokonał obserwacji, że gdy promień światła pada na powierzchnię szklanego pryzmatu pod kątem do powierzchni, część światła zostaje odbita, a część przechodzi przez szkło, tworząc wielokolorowe paski. Naukowiec zasugerował, że światło składa się ze strumienia cząstek (cząsteczek) o różnych kolorach, a cząstki o różnych kolorach poruszają się w przezroczystym ośrodku z różną prędkością. Według jego założenia światło czerwone poruszało się szybciej niż fiolet, dlatego też wiązka czerwona nie była odchylana przez pryzmat w takim stopniu jak wiązka fioletowa. Z tego powodu powstało widzialne spektrum kolorów.

Newton podzielił światło na siedem kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Wybrał liczbę siedem kierując się przekonaniem (wywodzącym się od starożytnych greckich sofistów), że istnieje związek pomiędzy kolorami, nutami muzycznymi, obiektami Układu Słonecznego i dniami tygodnia. Ludzkie oko jest stosunkowo wrażliwe na częstotliwości indygo, dlatego niektórzy ludzie nie potrafią odróżnić go od niebieskiego lub fioletu. Dlatego też za Newtonem często postulowano, aby indygo nie uważać za samodzielny kolor, a jedynie za odcień fioletu lub błękitu (choć w tradycji zachodniej nadal zalicza się go do spektrum). W tradycji rosyjskiej indygo odpowiada kolorowi niebieskiemu.

Goethe, w przeciwieństwie do Newtona, uważał, że widmo powstaje w wyniku superpozycji różnych składników światła. Obserwując szerokie wiązki światła, odkrył, że po przejściu przez pryzmat na krawędziach wiązki pojawiają się czerwone, żółte i niebieskie krawędzie, pomiędzy którymi światło pozostaje białe, a widmo pojawia się, jeśli te krawędzie zbliży się do siebie wystarczająco blisko siebie. Inny.

Długości fal odpowiadające różnym barwom promieniowania widzialnego zostały po raz pierwszy zaprezentowane 12 listopada 1801 roku w wykładzie Bakera Thomasa Younga. Otrzymano je poprzez przeliczenie parametrów pierścieni Newtona zmierzonych przez samego Izaaka Newtona na długości fal. Newton uzyskał te pierścienie przechodząc przez leżącą na płaskiej powierzchni soczewkę odpowiadającą pożądanej barwie części światła rozłożonego przez pryzmat na widmo, powtarzając doświadczenie dla każdej z barw: 30-31. Jung zestawił otrzymane długości fal w formie tabeli, wyrażając je w calach francuskich (1 cal = 27,07 mm); po przeliczeniu na nanometry ich wartości dobrze odpowiadają współczesnym wartościom przyjętym dla różnych kolorów. W 1821 roku Joseph Fraunhofer zapoczątkował pomiary długości fal linii widmowych, uzyskując je z widzialnego promieniowania Słońca za pomocą siatki dyfrakcyjnej, mierząc kąty dyfrakcyjne za pomocą teodolitu i przeliczając je na długości fal. Podobnie jak Jung wyrażał je w calach francuskich przeliczonych na nanometry, różnią się one od współczesnych jednostkami: 39-41. Tym samym już na początku XIX wieku możliwy stał się pomiar długości fal promieniowania widzialnego z dokładnością do kilku nanometrów.

W XIX wieku wraz z odkryciem promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego zrozumienie widma widzialnego stało się bardziej precyzyjne.

Na początku XIX wieku Thomas Young i Hermann von Helmholtz również badali związek między widmem światła widzialnego a widzeniem kolorów. Ich teoria widzenia barw słusznie sugerowała, że ​​do określenia koloru oczu wykorzystuje się trzy różne typy receptorów.

Charakterystyka granic promieniowania widzialnego

Widoczne widmo

Kiedy biała wiązka ulega rozkładowi w pryzmacie, powstaje widmo, w którym promieniowanie o różnych długościach fal jest załamywane pod różnymi kątami. Kolory zawarte w widmie, czyli takie, które można uzyskać przy użyciu światła o jednej długości fali (a dokładniej o bardzo wąskim zakresie długości fal), nazywane są kolorami widmowymi. Główne kolory widmowe (które mają swoje nazwy), a także charakterystyki emisyjne tych kolorów przedstawiono w tabeli:

Kolor Zakres długości fali, nm Zakres częstotliwości, THz Zasięg energii fotonów, eV
Fioletowy 380-440 680-790 2,82-3,26
Niebieski 440-485 620-680 2,56-2,82
Niebieski 485-500 600-620 2,48-2,56
Zielony 500-565 530-600 2,19-2,48
Żółty 565-590 510-530 2,10-2,19
Pomarańczowy 590-625 480-510 1,98-2,10
Czerwony 625-740 400-480 1,68-1,98

Zobacz też

  • Kolory widmowe i dopełniające

Notatki

  1. 1 2 Gagarin A. P. Light // Encyklopedia fizyczna / D. M. Alekseev, A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, A. S. Borovik-Romanov, B. K. Vainshtein, S. V. Vonsovsky , A. V. Gaponov-Grekhov, S. S. Gershtein, I. I. Gurevich, A. A. Gusev, M. A. Elyashev ich, M. E. Żabotyński, D. N. Zubarev, B. B. Kadomtsev, I. S. Shapiro, D. V. Shirkov; pod generałem wyd. A. M. Prochorowa. - M .: Encyklopedia radziecka, 1994. - T. 4. - s. 460. - 704 s. - 40 000 egzemplarzy.
  2. GOST 8.332-78. Państwowy system zapewnienia jednolitości pomiarów. Pomiary światła. Wartości względnej widmowej skuteczności świetlnej promieniowania monochromatycznego dla widzenia w dzień
  3. GOST 7601-78. Optyka fizyczna. Terminy, oznaczenia literowe i definicje wielkości podstawowych
  4. Cuthill Innes C. Widzenie w ultrafiolecie u ptaków // Postępy w badaniach nad zachowaniem / Peter J.B. Łupkarz. - Oksford, Anglia: Academic Press. - Tom. 29. - s. 161. - ISBN 978-0-12-004529-7.
  5. Jamieson Barrie G. M. Biologia reprodukcji i filogeneza ptaków. - Charlottesville, Wirginia: Uniwersytet Wirginii. - s. 128. - ISBN 1578083869.
  6. 1 2 Newton I. Optyka, czyli traktat o odbiciach, załamaniach, załamaniach i barwach światła / Tłumaczenie: S. I. Wawiłow - wyd. 2. - M.: Stan. Wydawnictwo literatury technicznej i teoretycznej, 1954. - s. 131. - 367 s. - (seria „Klasyka historii naturalnej”).
  7. Kawowy Piotr. Nauka logiki: badanie zasad dokładnego myślenia. - Longmansa, 1912.
  8. Hutchison, Niels Music For Measure: W 300. rocznicę Newton's Opticks Color Music (2004). Źródło: 11 sierpnia 2006. Zarchiwizowane od oryginału 20 lutego 2012.
  9. 1 2 Marka Johna Charlesa Drury’ego. Linie światła: źródła. - CRC Press, 1995.
  10. Tomasz Młody (1802). „Wykład piekarza”. O teorii światła i kolorów”. Transakcje filozoficzne Towarzystwa Królewskiego w Londynie za rok 1802: 39.
  11. Fraunhofera Jos. (1824). „Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben.” Denkschriften der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu München für die Jahre 1821 i 1822 VIII: 1-76.
  12. Thomas J. Bruno, Paryż D. N. Svoronos. Podręcznik CRC podstawowych wykresów korelacji spektroskopowych. CRC Press, 2005.

promieniowanie widzialne, zastosowanie promieniowania widzialnego, skala promieniowania widzialnego, promieniowanie widzialne

Informacje o promieniowaniu widzialnym

Widmo elektromagnetyczne jest tradycyjnie podzielone na zakresy. W wyniku ich rozważenia musisz wiedzieć, co następuje.

  • Nazwa zakresów fal elektromagnetycznych.
  • Kolejność, w jakiej się pojawiają.
  • Granice zasięgu w zakresie długości fal lub częstotliwości.
  • Co powoduje absorpcję lub emisję fal o określonym zakresie.
  • Zastosowanie każdego rodzaju fal elektromagnetycznych.
  • Źródła promieniowania różnych fal elektromagnetycznych (naturalnych i sztucznych).
  • Niebezpieczeństwo każdego rodzaju fali.
  • Przykłady obiektów o wymiarach porównywalnych z długością fali w odpowiednim zakresie.
  • Pojęcie promieniowania ciała doskonale czarnego.
  • Okna promieniowania słonecznego i przezroczystości atmosfery.

Pasma fal elektromagnetycznych

Zasięg mikrofal

Promieniowanie mikrofalowe służy do podgrzewania żywności w kuchenkach mikrofalowych, komunikacji mobilnej, radarach (radarach), do 300 GHz z łatwością przechodzi przez atmosferę i dlatego nadaje się do komunikacji satelitarnej. W tym zakresie działają radiometry do teledetekcji i określania temperatury różnych warstw atmosfery, a także radioteleskopy. Zakres ten jest jednym z kluczowych dla spektroskopii EPR i widm rotacyjnych cząsteczek. Długotrwałe narażenie na oczy powoduje zaćmę. Telefony komórkowe mają negatywny wpływ na mózg.

Cechą charakterystyczną fal mikrofalowych jest to, że ich długość jest porównywalna z wielkością urządzenia. Dlatego w tym zakresie urządzenia projektowane są w oparciu o elementy rozproszone. Do przenoszenia energii służą falowody i linie paskowe, a jako elementy rezonansowe stosuje się rezonatory wolumetryczne lub linie rezonansowe. Sztucznymi źródłami fal mikrofalowych są klistrony, magnetrony, lampy o fali bieżącej (TWT), diody Gunna i diody lawinowe (ATD). Ponadto istnieją masery, analogi laserów w zakresie długich fal.

Gwiazdy emitują mikrofale.

W zakresie mikrofal występuje tak zwane kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła (promieniowanie reliktowe), które w swojej charakterystyce widmowej całkowicie odpowiada promieniowaniu całkowicie czarnego ciała o temperaturze 2,72 K. Jego maksymalne natężenie występuje przy częstotliwości 160 GHz (1,9 mm) (patrz rysunek poniżej). Obecność tego promieniowania i jego parametry są jednym z argumentów przemawiających za teorią Wielkiego Wybuchu, która obecnie stanowi podstawę współczesnej kosmologii. To ostatnie, jak wynika zwłaszcza z tych pomiarów i obserwacji, miało miejsce 13,6 miliarda lat temu.

Powyżej 300 GHz (mniej niż 1 mm) fale elektromagnetyczne są bardzo silnie absorbowane przez atmosferę ziemską. Atmosfera zaczyna być przezroczysta w zakresie podczerwieni i widzialnym.

Kolor Zakres długości fali, nm Zakres częstotliwości, THz Zasięg energii fotonów, eV
Fioletowy 380-440 680-790 2,82-3,26
Niebieski 440-485 620-680 2,56-2,82
Niebieski 485-500 600-620 2,48-2,56
Zielony 500-565 530-600 2,19-2,48
Żółty 565-590 510-530 2,10-2,19
Pomarańczowy 590-625 480-510 1,98-2,10
Czerwony 625-740 400-480 1,68-1,98

Wśród laserów i źródeł z ich wykorzystaniem, emitujących w zakresie widzialnym, można wymienić: pierwszy wprowadzony na rynek laser rubinowy o długości fali 694,3 nm, lasery diodowe np. oparte na GaInP i AlGaInP dla zakresu czerwonego oraz w oparciu o GaN dla zakresu niebieskiego, laser tytanowo-szafirowy, laser He-Ne, lasery jonowe argonowe i kryptonowe, laser na parach miedzi, lasery barwnikowe, lasery z podwajaniem lub sumowaniem częstotliwości w ośrodkach nieliniowych, lasery Ramana. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Przez długi czas istniał problem stworzenia kompaktowych laserów w niebiesko-zielonej części widma. Istniały lasery gazowe, np. laser jonowo-argonowy (od 1964 r.), który ma dwie główne linie laserowe w niebieskiej i zielonej części widma (488 i 514 nm) lub laser helowo-kadmowy. Jednak nie nadawały się do wielu zastosowań ze względu na ich masę i ograniczoną liczbę linii wytwórczych. Stworzenie laserów półprzewodnikowych o szerokim pasmie wzbronionym nie było możliwe ze względu na ogromne trudności technologiczne. Ostatecznie jednak opracowano skuteczne metody podwajania i potrajania częstotliwości laserów IR i laserów optycznych na ciele stałym w kryształach nieliniowych, laserów półprzewodnikowych opartych na podwójnych związkach GaN i laserów konwersji w górę.

Źródła światła w obszarze niebiesko-zielonym pozwalają zwiększyć gęstość zapisu na płycie CD-ROM, jakość reprografii, są niezbędne do tworzenia pełnokolorowych projektorów, do komunikacji z okrętami podwodnymi, do uchwycenia rzeźby dna morskiego, do laserowego chłodzenia pojedynczych atomów i jonów, do monitorowania osadzania z gazu (osadzanie z fazy gazowej), w cytometrii przepływowej. (zaczerpnięte z „Kompaktowych niebiesko-zielonych laserów” W. P. Riska i in.).

Literatura:

Zakres ultrafioletu

Uważa się, że zakres ultrafioletu obejmuje obszar od 10 do 380 nm. Chociaż jego granice nie są jasno określone, szczególnie w obszarze fal krótkich. Dzieli się go na podzakresy i ten podział również nie jest jednoznaczny, gdyż w różnych źródłach jest powiązany z różnymi procesami fizycznymi i biologicznymi.

I tak na stronie Health Physics Society zakres ultrafioletu zdefiniowany jest w przedziale 40 - 400 nm i jest podzielony na pięć podzakresów: UV próżni (40-190 nm), dalekie UV (190-220 nm), UVC (220-220 nm). 290 nm), UVB (290–320 nm) i UVA (320–400 nm) (światło czarne). W angielskiej wersji artykułu na Wikipedii na temat ultrafioletu „Ultraviolet” dla promieniowania ultrafioletowego przydzielono zakres 40–400 nm, ale w tabeli w tekście jest on podzielony na kilka nakładających się podzakresów, zaczynając od 10 nm. W rosyjskiej wersji Wikipedii „Promieniowanie ultrafioletowe” od samego początku granice zakresu UV ustalane są w granicach 10 - 400 nm. Ponadto Wikipedia podaje obszary 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 nm dla zakresów UVC, UVB i UVA.

Promieniowanie ultrafioletowe, pomimo korzystnego wpływu w małych ilościach na obiekty biologiczne, jest jednocześnie najniebezpieczniejszym ze wszystkich innych naturalnych, szeroko rozpowszechnionych promieniowań o innych zakresach.

Głównym naturalnym źródłem promieniowania UV jest Słońce. Jednak nie całe promieniowanie dociera do Ziemi, gdyż jest pochłaniane przez warstwę ozonową stratosfery, a w obszarze krótszym niż 200 nm bardzo silnie przez tlen atmosferyczny.

UVC jest prawie całkowicie pochłaniane przez atmosferę i nie dociera do powierzchni ziemi. Z tego zakresu korzystają lampy bakteriobójcze. Nadmierne narażenie prowadzi do uszkodzenia rogówki i ślepoty śnieżnej, a także poważnych oparzeń twarzy.

UVB jest najbardziej destrukcyjną częścią promieniowania UV, ponieważ ma wystarczająco dużo energii, aby uszkodzić DNA. Nie jest całkowicie wchłaniany przez atmosferę (przechodzi około 2%). Promieniowanie to jest niezbędne do produkcji (syntezy) witaminy D, jednak szkodliwe skutki mogą prowadzić do oparzeń, zaćmy i raka skóry. Ta część promieniowania jest pochłaniana przez ozon atmosferyczny, którego zanik jest powodem do niepokoju.

UVA prawie w całości dociera do Ziemi (99%). Odpowiada za opalanie, jednak jego nadmiar prowadzi do oparzeń. Podobnie jak UVB, jest niezbędne do syntezy witaminy D. Nadmierna ekspozycja prowadzi do osłabienia układu odpornościowego, twardości skóry i powstawania zaćmy. Promieniowanie w tym zakresie nazywane jest także światłem czarnym. Owady i ptaki są w stanie zobaczyć to światło.

Przykładowo poniższy rysunek przedstawia zależność stężenia ozonu od wysokości na północnych szerokościach geograficznych (żółta krzywa) oraz stopień blokowania słonecznego promieniowania ultrafioletowego przez ozon. UVC jest całkowicie pochłaniane do wysokości 35 km. Jednocześnie promieniowanie UVA niemal całkowicie dociera do powierzchni Ziemi, jednak promieniowanie to nie stwarza praktycznie żadnego zagrożenia. Ozon blokuje większość promieni UVB, ale część dociera do Ziemi. Jeśli warstwa ozonowa zostanie wyczerpana, większość z niej napromieniuje powierzchnię i spowoduje uszkodzenia genetyczne żywych istot.

Krótka lista zastosowań fal elektromagnetycznych w zakresie UV.

  • Wysokiej jakości fotolitografia do produkcji urządzeń elektronicznych, takich jak mikroprocesory i układy pamięci.
  • Przy produkcji elementów światłowodowych, w szczególności siatek Bragga.
  • Dezynfekcja żywności, wody, powietrza, przedmiotów przed drobnoustrojami (UVC).
  • Czarne światło (UVA) w kryminalistyce, przy badaniu dzieł sztuki, przy ustalaniu autentyczności banknotów (zjawisko fluorescencji).
  • Sztuczna opalenizna.
  • Grawerowanie laserowe.
  • Dermatologia.
  • Stomatologia (fotopolimeryzacja wypełnień).

Sztucznymi źródłami promieniowania ultrafioletowego są:

Niemonochromatyczne: Lampy rtęciowe o różnym ciśnieniu i konstrukcji.

Monochromatyczny:

  1. Diody laserowe, głównie na bazie GaN (małej mocy), generujące w zakresie bliskiego ultrafioletu;
  2. Lasery ekscymerowe są bardzo silnymi źródłami promieniowania ultrafioletowego. Emitują impulsy nanosekundowe (pikosekundowe i mikrosekundowe) o średniej mocy w zakresie od kilku watów do setek watów. Typowe długości fal mieszczą się w zakresie od 157 nm (F2) do 351 nm (XeF);
  3. Niektóre lasery na ciele stałym domieszkowane cerem, takie jak Ce3+:LiCAF lub Ce3+:LiLuF4, które działają w trybie impulsowym z impulsami nanosekundowymi;
  4. Na przykład niektóre lasery światłowodowe są domieszkowane neodymem;
  5. Niektóre lasery barwnikowe mogą emitować światło ultrafioletowe;
  6. Laser jonowo-argonowy, który pomimo tego, że główne linie leżą w zakresie optycznym, może generować promieniowanie ciągłe o długości fali 334 i 351 nm, ale o mniejszej mocy;
  7. Laser azotowy emitujący falę o długości 337 nm. Bardzo prosty i tani laser, pracujący w trybie impulsowym z czasem trwania impulsu nanosekundowym i mocą szczytową kilku megawatów;
  8. Częstotliwości potrójne lasera Nd:YAG w kryształach nieliniowych;

Literatura:

  1. Wikipedia „Ultrafiolet”.
Hz) i długofalowe - 760-780 nm (395-385 THz). Nazywa się również promieniowaniem elektromagnetycznym o tych długościach fal widzialne światło, lub po prostu światło(w wąskim znaczeniu tego słowa).

Fabuła

Pierwsze wyjaśnienia przyczyn pojawienia się widma promieniowania widzialnego podał Izaak Newton w książce „Optyka” i Johann Goethe w pracy „Teoria kolorów”, ale jeszcze przed nimi Roger Bacon obserwował widmo optyczne w szklance wody. Zaledwie cztery wieki później Newton odkrył rozproszenie światła w pryzmatach.

Newton jako pierwszy użył w druku słowa widmo (łac. widmo, widzenie, wygląd) w 1671 roku, opisując swoje eksperymenty optyczne. Odkrył, że gdy wiązka światła pada na powierzchnię szklanego pryzmatu pod kątem do powierzchni, część światła zostaje odbita, a część przechodzi przez szkło, tworząc wielokolorowe paski. Naukowiec zasugerował, że światło składa się ze strumienia cząstek (cząsteczek) o różnych kolorach, a cząstki o różnych kolorach poruszają się w przezroczystym ośrodku z różnymi prędkościami. Według jego założenia światło czerwone poruszało się szybciej niż fiolet, dlatego też wiązka czerwona nie była odchylana przez pryzmat w takim stopniu jak wiązka fioletowa. Z tego powodu powstało widzialne spektrum kolorów.

Newton podzielił światło na siedem kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Wybrał liczbę siedem w oparciu o przekonanie (wywodzące się od starożytnych greckich sofistów), że istnieje związek pomiędzy kolorami, nutami muzycznymi, obiektami Układu Słonecznego i dniami tygodnia. Ludzkie oko jest stosunkowo wrażliwe na częstotliwości indygo, dlatego niektórzy ludzie nie potrafią odróżnić go od niebieskiego lub fioletu. Dlatego też za Newtonem często postulowano, aby indygo nie uważać za samodzielny kolor, a jedynie za odcień fioletu lub błękitu (choć w tradycji zachodniej nadal zalicza się go do spektrum). W tradycji rosyjskiej indygo odpowiada kolorowi niebieskiemu.

Kolor Zakres długości fali, nm Zakres częstotliwości, THz Zasięg energii fotonów, eV
Fioletowy ≤450 ≥667 ≥2,75
Niebieski 450-480 625-667 2,58-2,75
Niebieski zielony 480-510 588-625 2,43-2,58
Zielony 510-550 545-588 2,25-2,43
Żółty zielony 550-570 526-545 2,17-2,25
Żółty 570-590 508-526 2,10-2,17
Pomarańczowy 590-630 476-508 1,97-2,10
Czerwony ≥630 ≤476 ≤1,97

Granice zakresów wskazane w tabeli są w rzeczywistości warunkowe, kolory płynnie przechodzą w siebie, a położenie granic między nimi widocznych dla obserwatora w dużej mierze zależy od warunków obserwacji.

Zobacz też

Notatki

  1. Gagarin A.P. Światło// Encyklopedia fizyczna: [w 5 tomach] / rozdz. wyd. A. M. Prochorow. - M.: Wielka Encyklopedia Rosyjska, 1994. - T. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - s. 460. - 704 s. - 40 000 egzemplarzy. - ISBN 5-85270-087-8.
  2. GOST 8.332-78. Państwowy system zapewnienia jednolitości pomiarów. Pomiary światła. Wartości względnej widmowej skuteczności świetlnej promieniowania monochromatycznego dla widzenia dziennego