Излучение Спектры и спектральный анализ Содержание q

Излучение. Спектры и спектральный анализ

Содержание q Тепловое излучение q Электромагнитное излучение q Ультрафиолетовое излучение q Рентгеновское излучение q Радиоактивное излучение q Спектры и спектральный анализ

Тепловое излучение Теплово е излуче ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания. Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана. Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа. Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом. В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

Основные свойства теплового излучения ь Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности ь Интенсивность теплового излучения неравномерна по частотам и имеет явно ь выраженный максимум при определенной частоте ь C ростом температуры общая интенсивность теплового излучения возрастает ь C ростом температуры максимум излучения смещается в сторону больших частот (меньших длин волн) ь Тепловое излучение характерно для тел независимо от их агрегатного состояния ь Отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит что если мы поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии.

Энергетическая светимость тела физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот Дж/с·м²=Вт/м²

Электромагнитное излучение Электромагни тное излуче ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей). Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Диапазоны электромагнитного излучения Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме. Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазон частот. Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 э. В — 0, 1 Мэ. В, а энергия гамма-квантов — больше 0, 1 Мэ. В. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

Первые волновые теории света (их можно считать старейшими вариантами теорий электромагнитного излучения) восходят по меньшей мере к временам Гюйгенса, когда они получили уже и заметное количественное развитие. В 1678 году Гюйгенс выпустил «Трактат о свете» — набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем (принцип Гюйгенса — Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции. В 1660— 1670 -е годы существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук.

Ультрафиолетовое излучение Ультрафиоле товое излуче ние (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7, 9· 1014 — 3· 1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380— 200 нм) и дальний, или вакуумный (20010 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Источники ультрафиолета Природные источники Изображение Солнца в ультрафиолетовом спектре в искусственных цветах. Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов: от концентрации атмосферного озона над земной поверхностью (см. озоновые дыры) от высоты Солнца над горизонтом от высоты над уровнем моря от атмосферного рассеивания от состояния облачного покрова от степени отражения УФ - лучей от поверхности (воды, почвы)

Воздействие на здоровье человека Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны: Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315— 400 нм) УФ-B лучи (UVB, 280— 315 нм) Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100— 280 нм) Практически весь UVC и приблизительно 90 % UVB поглощаются озоном, а также водным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение из диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA и в небольшой доле — UVB.

Рентгеновское излучение Рентге новское излуче ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10− 2 до 103 Å (от 10− 12 до 10− 7 м). [

Применение При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентгенография и рентгеноскопия). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов. Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д. ) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией. В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК. При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.

Радиоактивное излучение Радиоактивность — это природное явление когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения. Эти излучения имеют большую энергию и способны ионизировать в той или иной степени любое вещество, например: воздух; воду; металлы; строительные материалы; человеческий организм и т. д.

Ионизация вещества всегда сопровождается изменением его основных физикохимических свойств, а для биологической ткани, например, организма человека — нарушением ее жизнедеятельности, что в конечном итоге может привести к тяжелым заболеваниям или даже вызвать гибель организма. Ионизирующая способность радиоактивного излучения зависит от его типа и энергии, а также свойства ионизирующего вещества и оценивается удельной ионизацией, которая измеряется количеством ионов этого вещества, создаваемых излучением на расстоянии в 1 см. Поражение человека радиоактивными излучениями возможно от источников как искусственного, так и естественного происхождения.

В настоящее время основными искусственными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются: • урановая промышленность, которая занимается добычей, переработкой, обогащением и приготовлением ядерного топлива; • ядерные реакторы разных типов, в активной зоне которых сосредоточены большие количества радиоактивных веществ; • радиохимическая промышленность, на предприятиях которой производится регенерация (переработка и восстановление) отработанного ядерного топлива; • места переработки и захоронения радиоактивных отходов из-за случайных аварий, связанных с разрушением хранилищ, также могут явиться источниками загрязнения окружающей среды; • использование радионуклидов в народном хозяйстве в виде закрытых радиоактивных источников в промышленности, медицине, геологии, сельском хозяйстве и других отраслях; • ядерные взрывы и возникающее после взрыва радиоактивное загрязнение местности (могут быть как локальные, так и глобальные выпадения радиоактивных осадков).

Естественные источники излучения, производящие этот фон, разделяют на две категории: внешнего и внутреннего облучения. • Внешнее облучение создается радиоактивными веществами, находящимися вне организма, к которым можно отнести космические излучения, солнечную радиацию, излучения от различных радиоактивных горных пород земной коры и т. д. • Внутреннее облучение создается радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма с воздухом, например радиоактивный газ Радон, который прорывается на поверхность из глубины земных недр, а также с водой и пищей когда загрязнение сельскохозяйственной продукции и других продуктов питания происходит при выпадении радиоактивных осадков в некоторых районах Земли. Радон – тяжелый газ без вкуса, запаха и, при этом, невидимый. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается в разных точках земного шара.

Спектры и спектральный анализ Спектроскопия Исследования различных источников излучения проводят, изучая их спектры. Раздел физики, который занимается изучением закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, сопровождающегося излучением и поглощением, называется спектроскопией. Спектры излучения. непрерывные: твёрдые, жидкие вещества и сжатые газы; линейчатые: вещества в газообразном атомарном состоянии (пары, газовый разряд), излучение на строго определённых частотах – серия Бальмера (сходство с выводом Бора); полосатые: молекулы, изолированные друг от друга.

Исследуются спектры излучения с помощью прибора спектрографа. Спектры поглощения: газы, а также твёрдые тела и жидкости поглощают наиболее интенсивно свет тех длин волн, которые испускают в нагретом состоянии. Исследуются такие спектры с помощью прибора спектрофотометра. Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру Атомы каждого элемента испускают излучение определённых длин волн (линейчатый спектр), что позволяет определить, какие элементы входят в состав анализируемого вещества. Спектральный анализ Интенсивность излучения зависит и от количества излучающих атомов, поэтому по наличию и положению полос делают вывод о составе вещества (качественный анализ), По интенсивности полос определяют (с помощью калибровочной кривой) содержание отдельных элементов (количественный анализ). В настоящее время составлены таблицы спектров всех атомов Спектры испускания: 1 - сплошной, 2 - натрия, 3 - водорода, 4 -гелия Спектры поглощения: 5 –водорода, 6 –гелия, 7 - солнечный 25. Спектры излучения и поглощения зеркально симметричны, если они изображены в шкале частот. 2 - натрий 3, 5 - водород 4, 6 - гелий 7 - солнечный

Значение метода спектрального анализа С помощью спектрального анализа открыли многие новые элементы (например, рубидий и цезий), узнали химический состав Солнца и звёзд, – другие методы здесь просто невозможны. Это основной метод контроля состава вещества в металлургии и машиностроении, сложных органических веществ в химической промышленности, определения химического состава руд и минералов в горном деле, а также измерения температуры, давления, скорости движения, магнитного поля в звёздах и газовых облаках в астрофизике. Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы. Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д. , но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции. Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка