В чем значение видимой части электромагнитного спектра. Урок-семинар "спектр электромагнитных излучений"
Стекло известно человечеству уже не первое тысячелетие. Сначала люди научились добывать и использовать природные стекла, к которым относится, например, янтарь и горный хрусталь вулканического происхождения. Затем древние мастера научились и самостоятельно получать силикатные стекла сплавлением смеси кварцевого песка (SiO 2), соды (Na 2 CO 3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na 2 OCaO6SiO 2 .
Процесс получения различных стекол в течение тысяч лет был скорее искусством, доступным отдельным мастерам, однако в новое время появилась единая методология получения различных видов стекол, существующая уже несколько столетий.
Тем не менее, как устроено стекло и в чём причина его уникальных механических свойств, учёные до сих пор не понимают.
Жаркие дебаты, касающиеся природы и механизма возникновения стеклообразного состояния твердых тел, продолжаются и поныне.
Школьная программа классифицирует стекло как твердое вещество в аморфном состоянии, но, чем стеклообразное состояние отличается от жидкости, пояснить может далеко не каждый кандидат химических наук. Связано это, прежде всего, с тем, что до сих пор никому не удалось экспериментально показать, какую же структуру имеет стекло на самом деле.
В отличие от кристаллических твердых тел, где все атомы упакованы в упорядоченную кристаллическую решетку, в стеклообразном состоянии такой дальний порядок расположения атомов отсутствует. С другой стороны, нельзя стекло назвать и сверхвязкой жидкостью, обладающей лишь ближним порядком — взаимным упорядочением только соседних молекул и атомов. Дифракционные методы исследования, успешно применяемые для исследования структуры твердых тел, показали, что для стекол характерно наличие так называемого среднего порядка упорядочения атомов — на расстояниях, лишь немногим превышающих межатомные.
Все эти работы позволили выяснить, что в стекле каждая такая локальная группировка атомов содержит одну-две ячейки. Они подобны ячейкам кристаллической решетки, однако искажены друг относительно друга. Кроме того, многие специалисты склоняются к тому, что многокомпонентные стекла — такие, например, как щелочноборатные стекла M 2 O / B 2 O 3 (М — атом щелочного металла), — являются химически неоднородными и содержат в своей структуре несколько различных типов группировок, различающихся взаимным расположением и количеством задействованных в них атомов. К сожалению, отсутствие дальнего порядка в структуре стекол делает невозможным их тщательное исследование с помощью дифракционных методов анализа, а потому уже почти полвека методы математического моделирования остаются единственным оружием ученых в этой области.
С термодинамических позиций стекло — не что иное, как метастабильная фаза твердого вещества, сильно затянувшийся процесс застывания. При переходе веществ из жидкого состояния в твердое, кристаллическое, происходит понижение внутренней энергии системы, сопровождающееся значительным выделением тепла. Образовывать упорядоченную кристаллическую решетку «выгодно» с энергетических позиций, и именно она — минимум внутренней энергии в кристаллическом состоянии — обуславливает существование большинства твердых тел.
При кристаллизации стекла этот минимум не достигается — атомы в структуре вещества не успевают занять свои кристаллографические позиции.
Однако физические свойства материала — его прочность и стабильность во времени — позволили многим ученым заключить, что структура стекла поддерживается неким локальным минимумом внутренней энергии этого материала, достигаемым еще до формирования кристаллической структуры.
Иначе говоря, атомы в стекле отказываются даже очень медленно сползаться к своим кристаллографическим позициям, как это можно было бы предположить, рассматривая стекло как просто переохлажденную и очень вязкую жидкость. На деле они просто оказываются «заперты» в тех положениях, где оказались при охлаждении из исходного расплава. Их дальнейшее смещение к «настоящему» минимуму энергии потребовало бы перехода через энергетический «перевал», а на такой переход энергию брать неоткуда.
Ещё полвека назад сразу несколько теоретиков, включая бристольского профессора физики Чарльза Фрэнка, предположили, что запирание атомов в структуре стекла происходит из-за формирования ими взаимопроникающих икосаэдрических группировок — 20-гранных объёмных фигур с пятикратной симметрией. К сожалению, отсутствие прямых методов исследования до сих пор не позволяло подтвердить эти выводы экспериментально.
Теперь сотрудникам того же Бристольского университета под руководством Падди Рояла при поддержке коллег из Японии и Австралии удалось показать, что образование структуры стекла действительно приводит к формированию икосаэдрических группировок атомов. Соответствующая принята к публикации в Nature Materials.
Правда, свой эксперимент ученые поставили не на стеклах, а на модельной системе, где вместо атомов использовались частицы коллоидного геля, взвешенные в полимерной матрице. При повышенной температуре такой гель ведет себя как жидкость, а при понижении температуры переходит в твердое состояние благодаря феномену так называемой динамической блокировки, когда локальная структура частиц геля препятствует дальнейшему их движению. Собственно, такая запертость частиц в пространстве и есть не что иное, как локальный минимум внутренней энергии геля.
Хотя подобный гель является довольно упрощенной моделью твердеющего стекла, процессы, сопровождающие формирование его динамически заторможенной структуры, во многом должны быть схожи с процессами затвердевания стекла.
Применение модельной системы понадобилось ученым для того, чтобы организовать прямое наблюдение за его частицами, выстраивающимися в структуру. Для этого ими был применен один из видов оптической микроскопии — конфокальная микроскопия, позволяющий наблюдать за системой микрометровых коллоидных частиц сразу в трех измерениях.
Обработав снимки и видеозаписи, ученые пришли к выводу что динамически заторможенная структура затвердевшего геля действительно формируется из икосаэдрических фигур, имеющих пятикратную симметрию.
Роял полагает, что его работа может лечь в основу создания долгожданной завершенной теории стеклообразного состояния, развитие которой в дальнейшем может привести к появлению методов получения многих подобных материалов.
В интервью журналу New Scientist он пояснил , какими преимуществами могут обладать подобные материалы. Например, многие металлы, полученные в стеклообразном состоянии, могут оказаться намного более привлекательными конструкционными материалами, чем самые дорогие и сложные современные сплавы.
Многие из наших читателей знают об успехе японских специалистов, добившихся необычайной пластичности обычной стали путём создания у последней наноразмерной волокнистой структуры. Если же получить сталь, вовсе лишенную напряжений на межзеренных границах кристаллитов, то такой материал будет, вероятно, на порядки устойчивее к действию разного рода нагрузок.
Окажется ли он прозрачным, как стекло, предсказывать Роял не берется.
Сталкиваясь со стеклянными изделиями ежедневно, мало кто из нас задумывается - из чего делают стекло? Как протекает процесс его производства? Появившись в Древнем Египте 5 тысяч лет назад, стекло было очень мутным, и имело непривлекательный вид. Материал, с которым мы сталкиваемся сейчас, был получен гораздо позже.
Состав стекла.
Для стекловарения используют чистый кварцевый песок (около 75%), известь и соду . Для получения продукта со специфическими свойствами, в состав могут входить оксиды и металлы.
- Оксид борной кислоты . Понижает коэффициент теплового расширения полученных изделий, и повышает блеск и прозрачность готовых изделий.
- Свинец . Этот компонент добавляют при производстве хрусталя. Изделия из хрусталя более холодные на ощупь и имеют характерный для этого материала блеск и звон.
- Марганец . Добавление этого тяжелого металла способствует получению продукции с зеленым оттенком. Помимо марганца, при помощи никеля, хрома или кольта, можно получить изделия других цветов.
Физические свойства.
Самые главные характеристики стекла:
- Плотность . Данная характеристика зависит от химического состава и колеблется от 2200 до 6500 кг/м³. При повышении температуры, плотность стекла уменьшается и оно становится особенно хрупким.
- Прочность . В зависимости от вида стекла, его прочность варьируется от 50 до 210 кгс/мм². Небольшое повреждение поверхности материала, снижает этот показатель в 3-4 раза.
- Хрупкост ь. Хрупкость стекла и неспособность противостоять удару, ограничивает его применение в некоторых сферах жизни. При добавлении в состав материала определенных химических элементов, данная характеристика увеличивается.
- Термостойкость . Термостойкость - способность материала выдержать огромные температурные перепады. Обычное оконное стекло может выдержать температуру до 90°С. В промышленности эти показатели увеличиваются в разы.
Виды стекла.
Многие изделия, сделанные из стекла, мы видим на улице и используем в повседневной жизни. Это стеклянная посуда, лампочки, очки, окна. В зависимости от физических и химических свойств, стекло используют также в производстве витрин, зеркал, светильников. Какие же виды этого однородного аморфного тела существуют и что из него делают?
- Хрустальное стекло. Содержит в своем составе оксид свинца. Высокая прозрачность и блеск придают такому стеклу привлекательный и эстетичный вид. Используют, в основном, для изготовления посуды и сувенирных изделий.
- Кварцевое стекло . В составе присутствует чистейший кварцевый песок. Благодаря тому, что изделия из кварцевого стекла могут выдержать большие температурные скачки, из него делают лабораторную посуду, изоляторы, оптические приборы, окна.
- Пеностекло . Представляет собой стеклянную массу, имеющую в своем составе многочисленные пустоты. Отличные тепловые и звукоизоляционные свойства обусловили его широкое применение в строительстве.
- Стекловата . Имеет вид тонких стеклянных нитей, имеющих высокое сопротивление разрыву. Используют как в строительстве, так и в химической промышленности. Стекловата огнестойка. Поэтому ее используют в составе материала для пошива одежды сварщиков и пожарных.
К этому списку можно добавить стекла, имеющие специфические свойства :
- Огнестойкое . Противостоит действию открытого пламени и выдерживает высокую температуру.
- Термостойкое . Имеет низкий коэффициент термического расширения и выдерживает резкие скачки температуры
- Пуленепробиваемое . Ударопрочное стекло способное противостоять мощным ударам.
Как делают стекло?
Производство стекла включает в свой процесс следующие этапы:
- Подготовка необходимых материалов . Приготовленное сырье нуждается в специальной обработке. Кварцевый песок обогащают, и из его состава удаляют примеси железа. Известняк и доломит тщательно дробят.
- Смешивание материала в определенных соотношениях . Количество того или иного материала и его процентное соотношение в подготовленной примеси зависит от требуемых физических и химических свойств стеклоизделий.
- Варка в стекловаренных печах . Стадия варки происходит при высокой температуре, диапазон которой колеблется от 800°С до 1400°С. Идет активный процесс плавки кварцевого песка, и стекломасса становится вязкой и прозрачной.
После получения однородной стекольной смеси, происходит формирование будущих изделий, резкое охлаждение продукции с последующей термической и физической обработкой.
Применение в промышленности
Применение прозрачного, износостойкого и прочного материала, имеющего гладкую поверхность, поражает воображение. Несмотря на то, что стекло очень хрупкий материал, его широко используют в различных областях промышленности и быта.
- Машиностроение - входит в состав противопригарных красок, которыми обрабатывают транспорт.
- Бумажная промышленность - пропитка готовой бумажной массы.
- Строительство - добавляют в кислотостойкие материалы и в жароупорные конструкции из бетона.
- Химическая промышленность - производство моющих средств.
Этот функциональный материал можно гнуть, кроить, плавить и получать из него неповторимые и прекрасные изделия. Именно поэтому цветное стекло активно используют для декоративных работ при строительстве общественных зданий и изготавливают всевозможные сувениры.
Категории стекла
По своему назначению стекло делится на следующие категории :
- Бытовое стекло . Эта группа состоит из пяти подгрупп - кухонная посуда, бытовая посуда, ламповые изделия, художественные изделия и посуда хозяйственного назначения.
- Строительное стекло - листовое стекло, витрины, стеклопакеты, теплоизоляционные стеклопакеты, армированное стекло.
- Стекло технического назначения - лабораторные приборы, защитные изделия для промышленности, стекловата, оптика.
Помимо защиты наших домов от ветра, дождя и холода, стекло дает человеку обширную область для творчества. Процесс создания его так же красив и загадочен, как и сам материал. Стекло прозрачное, твердое, стойкое к кислотам, стало незаменимым материалом в архитектуре и в повседневном быту.
В этой статье мы подробно рассмотрели, из чего делают стекло. Этот материал занял особое, важное место в жизни человека, без него многие бытовые вещи бы оказались намного сложнее.
Видео: процесс изготовления вещества
Изобретение стекла стало важным моментом в истории сразу нескольких древних цивилизаций.
Считается, что впервые стекло было получено в древнем Египте около 5000 лет назад, другие древние народы также знали о стекле - кто-то «додумался» до него сам, а кто-то позаимствовал рецепты его приготовления у соседей. Но как бы то ни было, а стекло - твердый, прочный, прозрачный и достаточно пластичный материал - сыграло немалую роль в развитии человеческой цивилизации, служа достижению декоративных и чисто практичных целей.
Кстати, наши предки нисколько не сомневались в том, что стекло действительно твердо, хотя и обладает хрупкостью. Да и мы привыкли думать, что стекло, с физической, химической и структурной точки зрения, мало отличается от обычного камня, куска железа или дерева. Однако это глубокое заблуждение, так как обычное стекло - жидкость с огромной вязкостью .
Почти все окружающие нас твердые тела являются кристаллами . Металлы, большинство полимеров, природные минералы, соль и сахар, даже замерзшая вода - все это и многое другое состоит из мельчайших кристаллов самой разной структуры. Здесь необходимо сразу сделать важное замечание. Кристаллические тела - это не только те красивые драгоценные камни, играющие на свету всеми цветами радуги, но и любые другие тела, в которых атомы, ионы или молекулы «упакованы» с вполне определенной закономерностью, составляя так называемую кристаллическую решетку.
Однако среди твердых веществ и тел есть и такие, которые вовсе не являются кристаллами, то есть атомы или молекулы в них расположены беспорядочно, без видимой закономерности. Такие тела принято называть аморфными и, несмотря на то что они являются твердыми, их структура максимально близка к жидкости. Структура аморфных тел и веществ определяет их свойства, которые действительно совпадают со свойствами жидкости, правда, с некоторыми оговорками.
Как известно, самое обычное стекло может быть получено расплавлением трех веществ: оксида кремния (обычного песка), соды и извести (либо поташа). Эти компоненты в определенных пропорциях смешиваются и доводятся до температуры примерно 1400 °С. Смесь плавится, образуя стекловидную прозрачную массу, из которой можно изготавливать различные предметы. При этом у стекла есть особенность - чем выше температура, тем менее вязким оно становится, теоретически его можно сделать таким же жидким, как вода.
Интересно, что при охлаждении стекла оно начинает не просто затвердевать, а увеличивать свою вязкость , то есть даже при обычных, комнатных температурах самое обыкновенное оконное стекло остается жидкостью, но очень и очень вязкой - она продолжает течь, но со скоростью, едва различимой самыми чувствительными приборами.
Существуют аморфные вещества, внешне твердые, но с вязкостью, гораздо меньшей, чем у стекла. В частности, это сургуч, сапожный вар (или корабельная смола), естественные смолы некоторых растений и т. д. Если взять небольшую емкость с тем же сургучом и положить на его поверхность монетку, то через определенное время (на это может уйти несколько месяцев) монетка окажется на дне емкости. Предмет под действием тяжести с очень медленной скоростью пройдет сквозь слой сургуча, при этом сам сургуч останется таким же твердым и хрупким. Теоретически такой опыт можно провести и со стеклом, однако в этом случае придется ждать сотни и тысячи лет, но и по истечении этого срока монетка вряд ли окажется внутри стекла.
Дело в том, что стекло имеет склонность к расстекловыванию или, проще говоря, кристаллизации : стекло из вещества аморфного превращается в вещество кристаллическое, при этом оно становится мутным, теряет прозрачность, прочность и пластичность. Однако, для того чтобы такое случилось с обычным стеклом в окне, должно пройти слишком много времени.
Так что стекло, хотя и является твердым, относится к веществам аморфным и, как это ни удивительно, обладает свойствами жидкости. Но, к счастью, вязкость этой жидкости настолько велика, что она течет медленно даже по историческим меркам.
В вопросе есть неверное предположение, что жидкость не бьется. Жидкость очень даже бьется, только при этом "осколки" сразу принимают форму, обеспечивающую минимальную поверхностную энергию (то есть, шар, но сильно искаженный за счет того, что есть смачивание, сорбция, гравитация и прочие особенности реального мира). Отличия от стекла здесь в принципе: а) в прочности, которая у стекла заметно выше, чем у жидкостей с вязкостью не на много порядков выше, чем у воды, и б) в форме "осколков", у стекла она произвольная, у жидкости - нет (см. выше).
Теперь насчет более сложного вопроса о том, стекло - жидкость или нет. Тут нету строгого ответа, поскольку стекло - это не совсем строгое понятие и ответ будет зависеть от того, как определить стекло. Кроме того, есть стекло - как оконное стекло: смесь силикатов щелочных/щелочноземельных элементов, а есть стекло - как состояние вещества: идеально аморфное тело, в котором нет дальнего порядка. Очевидно, что если мы берем оконное стекло или что-то в этом роде, то мы имеем достаточно определенную систему со своими свойствами, ее можно хорошо описать на количественном уровне, а если мы берем стекло во втором смысле, то там уже начинаются сложности, поскольку это могут быть очень разные системы со своими хитростями. Нужно понимать, что стекло во втором смысле - это скорее модель, чем реальный объект. Что-то вроде идеального кристалла, у которого нет дефектов, нет границ и тд. Реальные системы, включая сюда и оконное стекло, могут достаточно сильно отличаться от идеального объекта и еще разительнее различаться между собой.
Давайте про оконное стекло. Почему говорят, что такое стекло - не жидкость? Во-первых, это стекло, как и многие другие, не обладает текучестью ниже температуры стеклования. Все рассказы про "мее-е-едленно течет" - в топку. Не течет. Это вопрос энергии связи, которая, кстати, в стеклах бывает сильно разная, но в оконном стекле - это ионная связь, которая в данном случае весьма сильная, и ковалентная полярная связь в силикатных цепочках, которая еще сильнее. Течение, как упорядоченный сдвиг структурных элементов относительно друг друга, в стекле при комнатной температуре невозможен. Отсюда следует и то, что стекло никогда не примет форму сосуда. Ежели, скажем, его осколки накидать в кувшин, то, увы, ни через 10, ни через 10^10 лет вы оттуда не вынете слиток в форме кувшина. Таким образом, мы имеем противоречие с обычным определением жидкости как агрегатного состояния (постоянный объем, но принимает форму сосуда). То есть, стекло - не жидкость.
Теперь почему говорят, что стекло - жидкость. А вот тут интереснее. ОК, пусть стекло - твердое тело. Значит, если его нагревать, то рано или поздно оно расплавится. И да, все знают, что это так и есть - нагрейте стекло и оно станет мягким, а потом потечет. Ура, отлично! А теперь, пожалуйста, скажите мне температуру плавления стекла? То есть, температуру, при которой происходит переход из твердого состояние в жидкое, что является фазовым переходом первого рода, при котором происходит скачкообразное изменение первых производных термодинамических потенциалов по температуре, давлению и т.п. И который сопровождается резким выделением/поглощением тепла. Ой, а вот с этим сложно, этой температуры, гммм..., её просто нет. Равно как и скачкообразного изменения первых производных, увы. Нет перехода из твердого тела в жидкое, хотя после определенной температуры стекло уже вполне себе течет если не как вода, то как мёд примерно или там какой-нибудь кефир. А раз не было перехода, значит и при более низких температурах стекло было жидким, просто вязкость вот такая ого-го какая. То есть, стекло - жидкость.
В связи с такими ужасными противоречиями было введено специальное понятие т.н. "неосновного" агрегатного состояния - аморфное тело. То есть тело, которое не обладает дальним порядком структуры и проявляет как некоторые свойства твердых тел, так и некоторые свойства жидких тел. Его можно рассматривать как переохлажденную жидкость или как твердое тело, лишенное дальнего порядка, но и то и другое будет лишь некоторым приближением. В зависимости от температуры, при которых мы его рассматриваем, и от типа связей внутри него оно может быть больше похоже на твердое тело, а может быть больше похоже на жидкость, но не является ни тем, ни другим. "Оконное" стекло - это пример такого аморфного тело, только обычно все-таки с кристаллическим вкраплениями из-за неизбежных несовершенств при производстве, не идеально аморфное тело.
Виды излучений
Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.
Электролюминесценция (от латинского люминесценция - «свечение») – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.
Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.
Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.
Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Спектры
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектральный анализ
Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Простейший спектральный аппарат - спектрограф.
Схема устройства призменного спектрографа
История
Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.
Фраунгоферовы линии
Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а 1861 году - рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).
Принцип работы
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10-30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000-10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.
Спектр электромагнитных излучений
Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.
Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
Радиоволны . При колебаниях, происходящих с частотами от 10 5 до 10 12 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.
Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10 -7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.
С помощью
специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет
и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное
излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, от красного до фиолетового света.
Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле.
Ультрафиолетовое излучение . В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 - 1810), исследуя спектр, открыл, что за
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10 -7 до 1*10 -8 м.
Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека - загару.
В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10 -14 до 10 -7 м называются рентгеновскими лучами.
Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Гамма-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение (<10 -10 м). Его особенностью являются ярко выраженные корпускулярные свойства. Поэтому гамма-излучение обычно рассматривают как поток частиц - гамма-квантов. В области длин волн от 10 -10 до 10 -14 и диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются, в этой области рентгеновские лучи и гамма-кванты по своей природе тождественны и отличаются лишь происхождением.
