Электромагнитный спектр
Микроволновая печь работает на частоте 2.45 GHz, поэтому длина её волн около 12 cm. Красный лазерный свет имеет длину волны 633 nm, примерно в 190 000 раз меньше.
Свет относится к электромагнитным волнам
В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл установил, что изменяющиеся электрические и магнитные поля должны распространяться волнами, и вычислил их скорость. Она совпала с измеренной скоростью света. Максвелл заключил, что свет представляет собой электромагнитную волну с длиной волны, воспринимаемой глазом. Теория допускала и другие длины волн. OpenStax описывает, как Генрих Герц с 1887 года создавал и обнаруживал такие волны в лаборатории с помощью искровых цепей. Он измерял длину волны по интерференционным картинам и показал, что эти волны движутся со скоростью света. Радио появилось в лабораторных записях раньше, чем ему нашли применение.
Все электромагнитные волны распространяются в вакууме с одной скоростью: c = 299 792 458 m/s. NIST указывает это значение как точное, поскольку с 1983 года через него определяется метр. Уравнение волны принимает вид c = fλ. OpenStax подчёркивает следствие: чем выше частота, тем меньше длина волны. При расположении по длине волны, от длинных радиоволн до очень коротких гамма-лучей, они образуют электромагнитный спектр.
От радиоволн до гамма-лучей
У радиоволн самые большие длины волн: примерно от метра до километров. OpenStax приводит диапазоны вещания: AM-радио от 540 до 1600 kHz с длинами волн в сотни метров, огибающими холмы и здания, и FM-радио от 88 до 108 MHz с длиной волны около 3 m. Далее идут микроволны, примерно от миллиметра до десятков сантиметров. Они передают сигналы мобильной и спутниковой связи, а микроволновая печь использует волны частотой 2.45 GHz, поглощаемые водой в пище. Инфракрасное излучение испускает любое тёплое тело; его видят тепловизоры.
Видимый свет занимает узкую полосу. NASA указывает примерно от 380 до 700 нанометров, от фиолетового до красного; OpenStax использует границы от 400 до 750 nm. Они зависят от особенностей зрения человека. Ультрафиолет занимает диапазон от 400 nm примерно до 10 nm. OpenStax делит солнечный ультрафиолет на UV-A (от 320 до 400 nm), UV-B (от 290 до 320 nm) и UV-C (от 220 до 290 nm). Озон в верхних слоях атмосферы поглощает большую часть UV-B и весь UV-C, поэтому около 99% солнечного ультрафиолета у поверхности Земли составляет UV-A. Рентгеновские лучи ещё короче, вплоть до менее 0.01 nm; они возникают при ударе быстрых электронов о мишень. Гамма-лучи возникают при распаде ядер.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Три приближённых правила
OpenStax описывает спектр тремя правилами, у каждого из которых есть исключения. Чем выше частота, тем больше энергия фотона, но проникновение зависит от вещества и длины волны. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие ткани, а поглощённый кожей ультрафиолет может её повреждать. Высокочастотные волны могут передавать больше информации в секунду. Поэтому оптоволокно передаёт гораздо больше данных, чем медные провода. Чем короче волна, используемая для исследования, тем более мелкие детали она позволяет различить. Поэтому рентгеновская дифракция помогает определить расположение атомов в кристалле. Важен ещё один факт: атмосфера пропускает некоторые диапазоны, например видимый свет и многие радиоволны, но задерживает другие. Поэтому, как объясняет NASA, рентгеновские и гамма-телескопы должны работать в космосе.
| Диапазон | Примерная длина волны | Применение |
|---|---|---|
| Радиоволны | более 1 m | Вещание, МРТ |
| Микроволны | от 1 mm до 1 m | Телефоны, радары, печи |
| Инфракрасное излучение | от 750 nm до 1 mm | Тепловизоры, обогрев |
| Видимый свет | примерно от 400 до 750 nm | Зрение, фотосинтез |
| Ультрафиолет | от 10 до 400 nm | Обеззараживание; образование витамина D в коже |
| Рентгеновские лучи | от 0.01 до 10 nm | Медицинские снимки, досмотр |
| Гамма-лучи | менее 0.01 nm | Ядерная медицина |
- Чему равна длина FM-радиоволны частотой 100 MHz? Используй c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Микроволновая печь использует частоту 2.45 GHz. Чему равна длина волны в сантиметрах? Округли до одного знака после точки; c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Длина волны зелёного света равна 500 nm. Чему равна частота в единицах 10¹⁴ Hz? Используй c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- У чего самая высокая частота?
- Гамма-лучи
- Видимый свет
- Микроволны
- Радиоволны
- Как соотносятся скорости рентгеновской волны и радиоволны в вакууме?
- Одинаковы
- Рентгеновская намного быстрее
- Рентгеновская намного медленнее
- Зависит от частоты
- Кто первым начал создавать и обнаруживать электромагнитные волны в лаборатории с 1887 года?
- Генрих Герц
- Джеймс Клерк Максвелл
- Томас Юнг
- Исаак Ньютон
- Около 99% солнечного ультрафиолета, достигающего поверхности Земли, составляет…
- UV-A
- UV-B
- UV-C
- Гамма-лучи
- Какое правило объясняет, почему оптоволокно может передавать больше данных, чем радиоканал?
- Более высокие частоты позволяют передавать больше информации в секунду
- Более длинные волны позволяют видеть более мелкие детали
- Низкие частоты обладают большей проникающей способностью
- Свет медленнее радиоволн
- Почему рентгеновские телескопы должны работать в космосе?
- Атмосфера поглощает рентгеновские лучи
- Рентгеновские лучи слишком медленные
- Рентгеновские лучи существуют только в космосе
- Телескопы нельзя строить на Земле
- FM-диапазон простирается до 108 MHz. Чему равна наименьшая длина FM-волны? Округли до двух знаков после точки; c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Свет представляет собой электромагнитную волну (Максвелл); Герц создавал радиоволны с 1887 года.
- В вакууме любая электромагнитная волна движется со скоростью c = 299 792 458 m/s, и c = fλ.
- По убыванию длины волны: радио, микроволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение.
- Чем выше частота, тем больше энергия фотона; проникновение зависит от вещества и длины волны. Более высокие частоты могут передавать больше информации и выявлять более мелкие детали.
Источники курса (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
Проверено: 2026-10-17