Сайт студентов физиков для студентов физиков!
Главная Учебные материалы по физике электромагнитный спектр

электромагнитный спектр

Это электромагнитный спектр. 
Электромагнитные волны – мало того что миллиардами триллионов наполняют все пространство вокруг – отвечают за многие приятные вещи: зрение, тепло, радио, загар, рентген и проч. Эти волны одной природы, но разной длины и частоты, и принципиальной разницы между жаром от углей и рентгеновским лучом от кобальта в кабинете хирурга нет. 
Короткие волны – гамма–лучи и рентген, чуть длиннее ультрафиолет, потом идет видимый спектр, потом инфракрасный, следом микроволны (помните опыт с шоколадкой в микроволновке? – длина волны в несколько сантиметров), наконец радиоволны и тепло.
Волны длиной от 400 до 700 нанометров (1 нм = 10–9 м) мы можем видеть: это цвета радуги от фиолетового до красного: красный цвет самый «длинный». Несложно понять, почему на Bluray влезает больше информации, чем на краснолазерный DVD: чем меньше длина волны, тем более компактные кластеры информации можно считывать, а значит больше таких компактных кластеров можно засунуть на диск. Наш глаз не может принимать слишком маленькие или слишком большие волны: сетчатка имеет определенный размер «детекторов», слишком большой для, скажем, ультрафиолета и слишком маленький для радиоволн, длиной в сантиметры и метры (для ловли таких волн глаз должен быть размером с телеантенну).
В комментариях — почему Солнце зеленое, отчего ямкоголовые змеи любят лампочки накаливания и еще чуть–чуть физики.

размер 500x260, 16.83 kb

Длина электромагнитной волны λ связана с частотой: λ=с/ν, где с – скорость света, ν – частота волны. Чем больше частота, тем меньше длина волны, так? Формула Планка–Эйнштейна показывает зависимость между энергией волны и ее частотой E=hν. Чем больше частота, тем больше энергия, так? Что это для нас значит? Чем короче волна, тем она интенсивней и тем больше ее энергия. Несложно видеть, почему люди быстро обгорают на солнце в безоблачную погоду: ультрафиолет имеет маленькую длину волны, соответственно, большую частоту и большую энергию. Хуже того: особенно маленькие волны (ультрафиолет, гамма–лучи) сопоставимы по величине с ДНК и, будучи очень «энергичными», могут ее повреждать – отсюда опасность рака кожи при загаре и мутации мышей в Обнинске. 
Солнце излучает волны любой длины: от гамма–радиации через видимый спектр и до очень длинных тепловых волн. Вообще любое тело теплее чем окружающая среда излучает энергию на всех длинах волн. Однако глупо утверждать, что люди излучают гамма–лучи или даже ультрафиолет. Действительно, каких–то волн больше, каких–то меньше: закон Вина позволяет определить, волн какой длины будет больше чем любых других: λ_max=b/T°, где T° — температура тела в Кельвинах 
(°К=°С+273), а b – постоянная того самого Вина, равная 2.9×10e–3 m×K. Давайте посчитаем, волны какой длины преобладают в излучении Солнца: 2.9×10e–3/5770=502 нанометра, смотрим на картинку – это зеленый цвет. Солнце должно казаться зеленым. Что–то не так?
Все так. Солнце зеленоватое, если наблюдать оттуда, где нет атмосферы. Свет, как любые волны, рассеивается, отражаясь от всего подряд – пыли, капель воды, от крупных молекул и проч. Но свет есть лишь смесь волн разной длины: какие волны будут рассеиваться больше? Волны не «замечают» частиц меньше своего размера (поэтому радиоволны не опасны для ДНК, а гамма–лучи опасны). Интуитивно можно предположить, что коротким волнам сложнее добраться до нашего глаза: на их пути больше «препятствий». Замечено, что волны синего спектра рассеиваются больше всего. Таким образом, цвет солнца для нас – зеленый без синего, или… желтый. Вечером, когда солнце у горизонта, его лучам приходится преодолевать больший путь («поперек» атмосферы) и встречаться с большим количеством пыли, крупных молекул и проч., следовательно, еще больше синего рассеется и только самые длинные волны доживут до наших глаз. Самые длинные волны видимого спектра – красные. Оттого вечернее солнце кажется красным.
Собственно, солнце желтое именно по той же причине, по которой небо и моря синие. Воздух и вода прозрачны, но наполнены мелкой ерундой, которая отражает и рассеивает синий цвет больше, чем любой другой. На Луне небо черное, каким и должно быть.
Вернемся к закону Вина. Температура нашего тела 36.6℃ = 309.6°К. Чего мы излучаем больше? λ_max= 2.9×10e–3/309.6 = 9366 нм, или 10–5 м – это почти в центре инфракрасного спектра. Поэтому там, где нет видимого спектра, нас замечают ямкоголовые змеи, имеющие на голове ямки для ловли длинных инфракрасных волн.
Напоследок взглянем на лампочки накаливания с температурой в 2800°К: λ_max= 2.9×10e–3/2800 = 1000 нм, что тоже в инфракрасном диапазоне. Большую часть «света» таких ламп мы не видим, отсюда решение об их запрете: против него разве что только ямкоголовые змеи.

 Любое тело с температурой отличной от нуля, излучает электромагнитные волны. Вне зависимости от температуры окружающей среды.

По поводу цвета. Закон Вина определяет только максимум излучения. Как ты сам сказал в начале. Излучение идет во всем спектре. И при помощи формулы планка можно понять спектр излучения. Так что вместо чисто зеленого мы видим смесь. А цвет смеси цветов это надо уже у мозга спрашивать как он это все интерпретирует. Но грубо говоря если к зеленому добавить красный (которого в спектре солнца тоже достаточно) то получится жёлтый. А добавив еще синий, получаем как раз белый. Но опять же это так мозг интерпретирует цвета, к реальному спектру это имеет весьма условное отношение (например те же лампы накаливания нам кажется, что они всего навсего дают "теплый" свет. А не пипец какой жёлтый как видят сенсоры фотоаппаратов)

сенсоры–то фотоаппаратов как раз всё честно видят (примем за истину, что всю байеровскую RGGB–мозаику абсолютно честно настроили, т. е. каким–то путём получили для конкретных аппаратных реализаций сенсоров зависимость выходного напряжения от интенсивности входящего светового потока). А вот дальше начинаются попытки подгона под человеческий мозг, который вообще фиг пойми как воспринимает окружающую цветовую картину (вспоминается, как после долгого катания на горных лыжах в оранжевых очках, где всё кажется совершенно нормальным, снимаешь очки и с минуту весь окружающий мир кажется синим).

А подгонка бездушных цифровых данных под человеческое восприятие осуществляется, если правильно понимаю, выдумыванием (с помощью цифрового процессора типа DIGIC) коэффициентов R/G и B/G (в интерфейсе мы это видим как некое значение в K под названием "цветовая температура"). Самый надёжный способ, как известно — съёмка белого листа бумаги, чтобы камера поняла, что в данных условиях съёмки при данном освещении в данном месте можно считать белым.

Так что, раз уж речь про "тёплый свет" зашла, то "тёплым" его делает тот самый процессор камеры, который в неком авто–режиме пытается по туче паттернов догадаться, что же мы снимаем, и зачастую либо неумело, либо рассчётливо ставит именно такие коэффициенты, в результате применения которых мы на наших мониторах видим картинку, воспринимаемую нами как "тёплую". А ежели перед съёмкой этот процессор откалибровать по белому листу рядом с основной лампой, которая даёт свет, то на итоговой картине лампа будет белая, предметы — как при дневном освещении, а тон человеческой кожи — как бы натуральный. Но нашему восприятию в момент съёмки это, скорее всего, соответствовать будет не особо. Почему — загадка мозга :)

"рентгеновским лучом от кобальта в кабинете хирурга". Это что еще за "новости физики"? С каких это пор довольно жесткое гамма излучение от 60Co (1173, 1332 KeV) стало "рентгеновским лучом"?

Возможно, имелась в виду рентгеновская трубка с кобальтовым анодом. Чего только не придумают эти учёные.

"Солнце зеленоватое, если наблюдать оттуда, где нет атмосферы" ты че опух?
Пик светимости солнца соответствует 501 нм. потомучто температура на поврхности 5777К.
http://en. wikipedia. org/wiki/Black_body_…
501 нм это зеленый свет, но Солнце бля не зеленое! Потомучто как видно из картинки там не одна линия 501 нм, а размазанный пик. Сумма цветов размазанного пика дает белый цвет. Из космоса Солнце белое, а из атмосферы земли желтое, потомучто синий расссеивается лучше, потэтому и небо голубое.

размер

 Написал druzya_druzey, 15.12.2012 в 16.49 | ответить .

28

druzya_druzey:

размер

 ок. зеленого светы излучается больше, чем любого другого. если мы возьмем 10 мл красок всех цветов и смешаем их, то получим белый. если зеленого цвета будет 11 мл, то вместо белого будет бело–зеленоватый. я возможно, неправильно выразился: солнце не кажется зеленоватым нашему глазу, но если у него должен быть окрас, то именно такой, в любом случае не желтый. не так?

"Почему же небо не фиолетовое, а голубое? Ведь фиолетовые волны короче синих. Первая причина в том, что спектр солнечного излучения не равномерный. Фиолетового цвета там меньше. Кроме того, фиолетовые лучи рассеиваются еще в самых верхних слоях атмосферы. Вторая причина – чувствительность наших колбочек к фиолетовому цвету ниже, чем к синему. Третья причина в том, что синий цвет раздражает не только синие колбочки в сетчатке, но и чуть–чуть красные и зеленые. Поэтому цвет у неба не бледный, а насыщенный голубой, особенно когда воздух прозрачный."

Выше уже задали вопрос, я повторю: есть ли вообще границы у спектра? Что еще в теории может существовать за пределами нашего зрительного восприятия?

Деление электромагнитного спектра очень условно, его нельзя свести к тем или иным однородным свойствам излучения. Так, например, принципиальная разница между рентгеновским и гамма–излучением состоит лишь в том, что рентгеновские кванты излучаются и поглощаются внутренними электронными оболочками атомов, а гамма — ядрами. Таким образом, в направлении сокращения длины волны пока нет необходимости терминологически выделять новый диапазон (разве что если обнаружится взаимодействие электромагнитного излучения с кварками, входящими в состав элементарных частиц). А сама теоретическая коротковолновая граница, насколько я знаю, пока не установлена. Возможно, она будет как–то связана с планковской частотой, а возможно, и нет. Можно, например, предположить, что 1014ГэВ (характерная энергия Эпохи Великого Объединения) — это и есть теоретический предел энергии, выше которого само понятие фотона теряет смысл.

С теоретической длинноволновой границей тоже интересно. Можно, например, определить максимальный период колебаний как время, прошедшее с момента начала Инфляционной Эпохи. Ну, то есть время жизни Вселенной. А можно еще что–нибудь придумать.

Удивлен, что еще не было картинки

Image #1657850, 247.3 KB