Реферат по физике на тему: Излучение читать. Виды радиационного излучения Какие бывают излучения в физике

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 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.

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Ранее люди, чтобы объяснить то, что они не понимают, придумывали различные фантастические вещи - мифы, богов, религию, волшебных существ. И хотя в эти суеверия всё ещё верит большое количество людей, сейчас нам известно, что у всего есть своё объяснение. Одной из наиболее интересных, таинственных и удивительных тем является излучение. Что оно собой представляет? Какие его виды существуют? Что такое излучение в физике? Как оно поглощается? Можно ли защититься от излучения?

Общая информация

Итак, выделяют следующие виды излучений: волновое движение среды, корпускулярное и электромагнитное. Наибольшее внимание будет уделено последнему. Относительно волнового движения среды можно сказать, что оно возникает как результат механического движения определённого объекта, что вызывает последовательное разрежение или сжатие среды. В качестве примера можно привести инфразвук или ультразвук. Корпускулярное излучение - это поток атомных частиц, таких как электроны, позитроны, протоны, нейтроны, альфа, что сопровождается естественным и искусственным распадом ядер. Об этих двух пока и поговорим.

Влияние

Рассмотрим солнечное излучение. Это мощный оздоровительный и профилактический фактор. Совокупность сопутствующих физиологических и биохимических реакций, что протекают при участии света, назвали фотобиологическими процессами. Они берут участие в синтезе биологически важных соединений, служат для получения информации и ориентации в пространстве (зрение), а также могут вызывать вредные последствия, как то появление вредных мутаций, разрушение витаминов, ферментов, белков.

Об электромагнитном излучении

В дальнейшем статья будет посвящена исключительно нему. Что такое излучение в физике делает, как влияет на нас? ЭМИ представляет собой электромагнитные волны, что испускаются заряженными молекулами, атомами, частицами. В качестве крупных источников могут выступать антенны или другие излучающие системы. Длина волны излучения (частота колебания) вместе с источников оказывает решающее значение. Так, в зависимости от этих параметров выделяют гамма, рентгеновское, оптическое излучение. Последнее делится на целый ряд других подвидов. Так, это инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоизлучение, а также свет. Диапазон находится в пределах до 10 -13 . Гамма-излучение генерируют возбуждённые атомные ядра. Рентгеновские лучи можно получить при торможении ускоренных электронов, а также при их переходе не свободные уровни. Радиоволны оставляют свой след во время движения по проводникам излучающих систем (например, антенн) переменных электрических токов.

Об ультрафиолетовом излучении

В биологическом отношении наиболее активными являются УФ-лучи. При попадании на кожу они могут вызывать местные изменения тканевых и клеточных белков. Кроме этого, фиксируется воздействие на рецепторы кожи. Оно рефлекторным путём влияет на целый организм. Поскольку это неспецифический стимулятор физиологических функций, то он оказывает благоприятное влияние на иммунную систему организма, а также на минеральный, белковый, углеводный и жировой обмен. Всё это проявляется в виде общеоздоровительного, тонизирующего и профилактического действия солнечного излучения. Следует упомянуть и об отдельных специфических свойствах, что есть у определённого диапазона волн. Так, влияние излучений на человека при длине от 320 до 400 нанометров способствует эритемно-загарному действию. При диапазоне от 275 до 320 нм фиксируются слабо бактерицидный и антирахитический эффекты. А вот ультрафиолетовое излучение от 180 до 275 нм повреждает биологическую ткань. Поэтому, следует соблюдать осторожность. Длительное прямое солнечное излучение даже в безопасном спектре может привести к выраженной эритеме с отеками кожного покрова и существенному ухудшению состояния здоровья. Вплоть до повышения вероятности развития рака кожи.

Реакция на солнечный свет

В первую очередь следует упомянуть инфракрасное излучение. На организм оно оказывает тепловое воздействие, что зависит от степени поглощения лучей кожей. Для характеристики его влияния используется слово «ожог». Видимый спектр влияет на зрительный анализатор и функциональное состояние центральной нервной системы. А посредством ЦНС и на все системы и органы человека. Следует отметить, что на нас оказывает влияние не только степень освещенности, но и цветовая гамма солнечного света, то есть, весь спектр излучения. Так, от длины волны зависит цветоощущение и оказывается влияние на нашу эмоциональную деятельность, а также функционирование различных систем организма.

Красный цвет возбуждает психику, усиливает эмоции и дарит ощущение тепла. Но он быстро утомляет, способствует напряжению мускулатуры, учащению дыхания и повышению артериального давления. Оранжевый цвет вызывает ощущение благополучия и веселья, желтый поднимает настроение и стимулирует нервную систему и зрение. Зелёный успокаивает, полезен во время бессонницы, при переутомлении, повышает общий тонус организма. Фиолетовый цвет оказывает расслабляющее влияние на психику. Голубой успокаивает нервную систему и поддерживает мышцы в тонусе.

Небольшое отступление

Почему рассматривая, что такое излучение в физике, мы говорим в большей степени про ЭМИ? Дело в том, что именно его в большинстве случаев и подразумевают, когда обращаются к теме. То же корпускулярное излучение и волновое движение среды является на порядок менее масштабным и известным. Очень часто, когда говорят про виды излучений, то подразумевают исключительно те, на которые делится ЭМИ, что в корне не верно. Ведь говоря о том, что такое излучение в физике, следует уделять внимание всем аспектам. Но одновременно делается упор именно на наиболее важных моментах.

Об источниках излучения

Продолжаем рассматривать электромагнитное излучение. Мы знаем, что оно собой представляет волны, что возникают при возмущении электрического или магнитного поля. Этот процесс современной физикой трактуется с точки зрения теории корпускулярно-волнового дуализма. Так признаётся, что минимальная порция ЭМИ - это квант. Но вместе с этим считается, что у него есть и частотно-волновые свойства, от которых зависят основные характеристики. Для улучшения возможностей классификации источников выделяют разные спектры излучения частот ЭМИ. Так это:

1. Жесткое излучение (ионизированное);
2. Оптическое (видимое глазом);
3. Тепловое (оно же инфракрасное);
4. Радиочастотное.

Часть из них уже была рассмотрена. Каждый спектр излучения обладает своими уникальными характеристиками.

Природа источников

Зависимо от своего происхождения, электромагнитные волны могут возникать в двух случаях:

1. Когда наблюдается возмущение искусственного происхождения.
2. Регистрация излучения, идущего от естественного источника.

Что можно сказать о первых? Искусственные источники чаще всего представляют собой побочное явление, что возникает вследствие работы различных электрических приборов и механизмов. Излучение естественного происхождения генерирует магнитное поле Земли, электропроцессы в атмосфере планеты, ядерный синтез в недрах солнца. От уровня мощности источника зависит степень напряженности электромагнитного поля. Условно, излучение, что регистрируется, разделяют на низкоуровневое и высокоуровневое. В качестве первых можно привести:

1. Практически все устройства, оборудованные ЭЛТ дисплеем (как, пример, компьютер).
2. Различная бытовая техника, начиная от климатических систем и заканчивая утюгами;
3. Инженерные системы, что обеспечивают подачу электроэнергии к разным объектам. В качестве примера можно привести кабель электропередач, розетки, электросчетчики.

Высокоуровневым электромагнитным излучением обладают:

1. Линии электропередачи.
2. Весь электротранспорт и его инфраструктура.
3. Радио- и телевышки, а также станции мобильной и передвижной связи.
4. Лифты и иное подъемное оборудование, где применяются электромеханические силовые установки.
5. Приборы преобразования напряжения в сети (волны, исходящие от распределяющей подстанции или трансформатора).

Отдельно выделяют специальное оборудование, что используется в медицине и испускает жесткое излучение. В качестве примера можно привести МРТ, рентгеновские аппараты и тому подобное.

Влияние электромагнитного излучения на человека

В ходе многочисленных исследований ученые пришли к печальному выводу - длительное влияние ЭМИ способствует настоящему взрыву болезней. При этом многие нарушение происходят на генетическом уровне. Поэтому актуальной является защита от электромагнитного излучения. Это происходит из-за того, что ЭМИ обладает высоким уровнем биологической активности. При этом результат влияния зависит от:

1. Характера излучения.
2. Продолжительности и интенсивности влияния.

Специфические моменты влияния

Всё зависит от локализации. Поглощение излучения может быть местным или общим. В качестве примера второго случая можно привести эффект, что оказывают линии электропередачи. В качестве примера местного воздействия можно привести электромагнитные волны, что испускают электронные часы или мобильный телефон. Следует упомянуть и о термальном воздействии. За счет вибрации молекул энергия поля преобразуется в тепло. По этому принципу работают СВЧ излучатели, что используются для нагревания различных веществ. Следует отметить, что при влиянии на человека, термальный эффект всегда является негативным, и даже пагубным. Следует отметить, что мы постоянно облучаемся. На производстве, дома, перемещаясь по городу. Со временем негативный эффект только усиливается. Поэтому, все актуальнее становится защита от электромагнитного излучения.

Как же можно обезопасить себя?

Первоначально необходимо знать, с чем приходится иметь дело. В этом поможет специальный прибор для измерения излучения. Он позволит оценить ситуацию с безопасностью. На производстве для защиты используются поглощающие экраны. Но, увы, на использование в домашних условиях они не рассчитаны. В качестве начала можно соблюдать три рекомендации:

1. Следует пребывать на безопасном расстоянии от устройств. Для ЛЭП, теле- и радиовышек это как минимум 25 метров. С ЭЛТ мониторами и телевизорами достаточно тридцати сантиметров. Электронные часы должны быть не ближе 5 см. А радио и сотовые телефоны не рекомендуется подносить ближе, чем на 2,5 сантиметра. Подобрать место можно с помощью специального прибора - флюксметра. Допустимая доза излучения, фиксируемая ним, не должна превышать 0,2мкТл.
2. Старайтесь сократить время, когда приходится облучаться.
3. Всегда следует выключать неиспользуемые электроприборы. Ведь даже будучи неактивными, они продолжают испускать ЭМИ.

О тихом убийце

И завершим статью важной, хотя и довольно слабо известной в широких кругах темой - радиационным излучением. На протяжении всей своей жизни, развития и существования, человек облучался естественным природным фоном. Естественное радиационное излучение может быть условно поделено на внешнее и внутреннее облучение. К первому относятся космическое излучение, солнечная радиация, влияние земной коры и воздуха. Даже строительные материалы, из которых создаются дома и сооружения, генерируют определённый фон.

Радиационное излучение обладает значительной проникающей силой, поэтому остановить его проблематично. Так, чтобы полностью изолировать лучи, необходимо укрыться за стеной из свинца, толщиной в 80 сантиметров. Внутреннее облучение возникает в тех случаях, когда естественные радиоактивные вещества попадают внутрь организма вместе с продуктами питания, воздухом, водой. В земных недрах можно найти радон, торон, уран, торий, рубидий, радий. Все они поглощаются растениями, могут быть в воде - и при употреблении пищевых продуктов попадают в наш организм.

Излучение, в самом общем виде, можно представить себе как возникновение и распространения волн, приводящее к возмущению поля. Распространение энергии выражается в виде электромагнитного, ионизирующего, гравитационного излучений и излучения по Хокингу. Электромагнитные волны – это возмущение электромагнитного поля. Они бывают радиоволновыми, инфракрасными (тепловое излучение), терагерцовыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и видимыми (оптическими). Электромагнитная волна имеет свойство распространяться в любых средах. Характеристиками электромагнитного излучения являются частота, поляризация и длина. Наиболее профессионально и глубоко природу электромагнитного излучения изучает наука квантовая электродинамика. Она позволила подтвердить ряд теорий, которые широко используются в различных областях знаний. Особенности электромагнитных волн: взаимная перпендикулярность трех векторов - волнового, и напряженности электрического поля и магнитного поля; волны являются поперечными, а вектора напряженности в них совершают колебания перпендикулярно направлению ее распространения.

Тепловое же излучение возникает за счет внутренней энергии самого тела. Тепловое излучение - это излучение сплошного спектра, максимум которого соответствует температуре тела. Если излучение и вещество термодинамичны, излучение - равновесное. Это описывает закон Планка. Но на практике термодинамическое равновесие не соблюдается. Так более горячему телу свойственно остывать, а более холодному, напротив, нагреваться. Данное взаимодействие определено в законе Кирхгофа. Таким образом, тела обладают поглощающей способностью и отражающей способностью. Ионизирующее излучение - это микрочастицы и поля, имеющие способность ионизировать вещество. К нему относят: рентген и радиоактивное излучение с альфа, бета и гамма лучами. При этом ренгеновское излучение и гамма-лучи являются коротковолновыми. А бета и альфа частицы являются потоками частиц. Существуют природные и искусственные источники ионизации. В природе это: распад радионуклидов, лучи космоса, термоядерная реакция на Солнце. Искусственные это: излучение рентгеновского аппарата, ядерные реакторы и искусственные радионуклиды. В быту используются специальные датчики и дозиметры радиоактивного излучения. Всем известный Счетчик Гейгера способен идентифицировать корректно только гамма-лучи. В науке же используются сцинтилляторы, которые отлично разделяют лучи по энергиям.

Гравитационным считается излучение, в котором возмущение пространственно временного поля происходит со скоростью света. В общей теории относительности гравитационное излучение обусловлено уравнениями Эйнштейна. Что характерно, гравитация присуща любой материи, которая движется ускоренно. Но вот большую амплитуду гравитационной волне может придать только излучать большой массы. Обычно же гравитационные волны очень слабые. Прибор, способный их зарегистрировать, - это детектор. Излучение Хокинга же представляет собой скорее гипотетическую возможность испускать частицы черной дырой. Эти процессы изучает квантовая физика. Согласно данной теории черная дыра только поглощает материю до определенного момента. При учете квантовых моментов получается, что она способна излучать элементарные частицы.

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 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.