Ультрафиолетовые лучи

Урок №105/106
Тема: «Ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра. Приборы для
изучения спектров. Рентгеновские лучи, их природа и свойства. Шкала
электромагнитных волн»
1 Устный фронтальный
2 Шкала электромагнитных волн.
Электромагнитные волны в принципе могут иметь любую частоту от нуля до
бесконечно большой. Классификация электромагнитных волн по частотам называется
спектром электромагнитных волн. Такой электромагнитный спектр показан на
рисунке 1. Электромагнитные волны с очень низкими частотами (всего несколько
герц) не имеют практического значения и поэтому генерируются сравнительно редко.
Неизбежно, однако, излучение электромагнитных волн линиями электропередач
переменного тока (обычно с частотой 50 Гц). Это излучение рассматривается как
потеря энергии.
Электромагнитные волны с частотой, превышающей несколько тысяч герц,
называются радиоволнами. Широковещательная полоса частот лежит в окрестности 1
МГц. Телевизионная полоса (видеочастоты) начинается примерно при 50 МГц. Затем
идут ультравысокие частоты (УВЧ), за которыми следуют сверхвысокие частоты
(СВЧ).
Электромагнитные волны с самыми высокими частотами, излучаемые электронными
генераторами, называются микроволнами. Их длина волны составляет несколько
сантиметров или даже миллиметров.
Электромагнитные волны с еще более высокими частотами могут излучаться
молекулярными и атомными генераторами. Эти частоты соответствуют
инфракрасному излучению. Электромагнитное излучение в диапазоне частот от 4,3
·1014 до 7·1014 Гц лежит в области чувствительности человеческого глаза, это видимый
свет. Электромагнитные волны с еще более высокими частотами невидимы
человеческим глазом и называются ультрафиолетовым излучением. Диапазон
ультрафиолетовых частот простирается вплоть до 5·1017 Гц. Начиная с этих частот и
кончая частотами 1019 Гц лежит область рентгеновского излучения. Электромагнитное
излучение с еще более высокими частотами называется гамма-излучением.
3 Ультрафиолетовые лучи
Открытие ультрафиолетового и инфракрасного излучения
Когда чувствительный термометр помещен в область спектра видимых лучей, он
показывает значительное повышение температуры. Что же произойдет, если
передвинуть термометр за пределы видимого спектра? Такие опыты были поставлены
в начале XIX века английским астрономом У. Гершелем. После многократно
проведенных исследований он обнаружил, что за границей красного цвета термометр
показывает повышение температуры с определенным максимумом. Это послужило
для ученого доказательством существования новых лучей, названных впоследствии
инфракрасными.
А что происходит за фиолетовой, коротковолновой границей спектра? И здесь под
влиянием невидимых лучей обнаружено повышение температуры. Правда, выражено
оно значительно слабее, чем за красной границей спектра, и скептики пытались
подвергнуть сомнению существование таких лучей. Когда же в качестве
чувствительного приемника света немецкий физик И. Риттер и английский ученый У.
Уоластон использовали в 1801 году фотопластинку, реальность новых лучей,
названных ультрафиолетовыми, стала неоспоримой. За фиолетовой границей спектра
фотографическая пластинка чернеет даже быстрее, чем под влиянием видимых лучей.
Поскольку почернение фотопластинки происходит в результате фотохимической
реакции, ученые пришли к выводу, что ультрафиолетовые лучи весьма активны.
Источники ультрафиолетового излучения и его основные свойства
Источники ультрафиолетового излучения условно можно разделить на естественные и
искусственные. К естественным источникам относится Солнце и другие небесные
светила, разряды молнии. К искусственным - электрическая дуга с угольными
электродами или содержащими металлы в виде примесей или стержней, специальные
газоразрядные лампы (например, ртутно-кварцевая лампа типа ПРК), водородные,
бактерицидные, ксеноновые, люминесцентные, лампы-фотовспышки.
Ультрафиолетовое излучение обнаруживается с помощью фотоэлементов,
фотоумножителей, люминесцентных веществ. В таблице 1 приведены основные
свойства ультрафиолетового излучения и примеры его технического применения.
Свойства УФ-излучения
Вызывает люминесценцию
Вызывает фотоэффект
Вызывает фотохимические
реакции
Производит бактерицидное
действие
Вызывает эритему
Техническое применение
Используется в люминесцентных лампах,
люминесцентном анализе и дефектоскопии
Применяется в промышленной электронике и
автоматике
Применяется в текстильном производстве
Используется для стерилизации воздуха в
промышленных помещениях и в медицинской
практике
Применяется в профилактике заболеваний и
лечении
Ультрафиолет – верный помощник человека в сельском хозяйстве. С помощью
ультрафиолетового облучения семян некоторых растений удается получить мутации,
из числа которых можно отобрать особи, обладающие ценными хозяйственными
качествами. Особый интерес представляет применение ультрафиолета в
животноводстве. В осенний, зимний и весенний периоды, когда домашний скот и
птица начинают ощущать недостаток света, особенно ультрафиолетового. Коровы
начинают давать меньше молока, куры – яиц, учащаются случаи яловости, потомство
рождается более слабым. Все это происходит потому, что в крови скота и птицы
уменьшается количество гемоглобина, эритроцитов, белка и кальция.
Выход из положения ясен: недостаток ультрафиолетового излучения нужно
восполнять искусственно. Однако следует иметь в виду, что ошибки при назначении
дозы облучения, невнимание к таким вопросам, как спектральный состав света
ультрафиолетовых ламп, высота подвески над стойлами животных, длительность их
горения и т.п. могут вместо пользы принести вред. На службу людям поставлена еще
одна удивительная особенность ультрафиолетовых лучей. Многие насекомые, в
большинстве своем вредители, «видят» ультрафиолетовые лучи и непреодолимо
стремятся к ним. Используя эту особенность насекомых, в некоторых странах
(Япония, США, Югославия и др.) для массового истребления насекомых-вредителей
успешно применяют ультрафиолетовые лампы.
4 Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее
спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ =
0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).
Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от
их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров
непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение
составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около
50% излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для
его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также
специальными фотоматериалами.
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как
инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как
ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры
нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность
излучения. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.
.Источники ИК излучения и его применение
Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили
исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на
основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные
источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой.
Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм)
используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном
чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и
фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.
ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для
наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах
связи. Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии. Инфракрасные диоды и
фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления,
системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах и т. п.
Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.
Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных
поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед
традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно,
экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке
меньше тех же показателей при традиционных методах.
С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью
дезинфекции. Инфракрасные лучи применяются с целью предотвращения коррозии
поверхностей, покрываемых лаком.
5 Рентгеновское излучение
История открытия
Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Он был
первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал X-лучами .
На некоторых языках (включая русский и немецкий) эти лучи были названы его
именем, несмотря на его сильные возражения. Рентген занимался Х-лучами немногим
более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в
которых было исчерпывающее описание новых лучей. 8 ноября 1895 г. в Вюрцбурге
Рентген наблюдал новое поразительное явление. Если разрядную трубку обернуть
черным картоном и поместить возле нее бумажный экран, смоченный с одной стороны
платино-синеродистым барием, то при каждом разряде трубки на экране наблюдается
флуоресцирующее свечение независимо от того, какая сторона бумаги повернута к
трубке - смоченная или сухая.
В этом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимого
излучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызвать
флуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методически
поставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более или
менее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает c увеличением
плотности тела и его толщины.
Вильгельм Конрад Рентген
«Если держатъ руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные
тени костей на фоне более светлых очертаний руки» Это было первое в истории
рентгеноскопическое исследование. Открытие рентгеновских лучей привело к
необычайно важным последствиям как в области научных исследований, так и в
области практических приложений-в медицине и в промышленности. Можно,
пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретения начинается новая
история.
10 декабря 1901 г. в большом зале Музыкальной академии в Стокгольме в
присутствии наследного принца Швеции, представлявшего короля, комитет по
присуждению Нобелевских премий в знак признательности ученых и человечества
присудил Рентгену первую Нобелевскую премию.
Было неясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в
призмах из воды и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему
показалось, были замечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами.
Опыты с мелким порошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным
электролитическим методом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого
различия в прохождении Х-лучей через порошок и через сплошной образец того же
вещества. Отсюда можно было сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни
преломления, ни отражения и что отсутствие этих явлений подтверждается тем, что Хлучи невозможно сконцентрировать линзами.
Природа рентгеновских лучей
Многие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательных
результатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах с
рентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущение
волнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточно
положить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, меньше расстояния
между молекулами вещества, чтобы объяснить все особенности их поведения.
Физики, придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить не
отражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, что
диктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.
Но искусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишком
грубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесения
штрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодому
немецкому физику Максу Лауэ пришла в голову смелая идея. Была известна старая
теория строения кристаллов, которая принимала, что кристаллы образуются
совокупностью тесно примыкающих чрезвычайно малых частиц в форме
параллелепипеда, расположенных на постоянных чрезвычайно малых расстояниях
друг от друга во вполне регулярном каркасе.
Если кристалл действительно обладает структурой, то он должен вести себя как
дифракционная решетка, или, вернее, как совокупность дифракционных решеток с
параллельными плоскостями, т. е. пространственная решетка, как ее называют.
Разработав количественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий
опыт. Примененная для эксперимента установка была довольно простой:
определенное количество параллельных свинцовых пластинок защищало небольшой
кристалл (например, каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во
всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по
одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на
кристалл и далее проходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от
стороннего облучения. После нескольких часов экспозиции пластинка была
проявлена. Было обнаружено темное пятно на линии центров отверстий в свинцовых
пластинах, обусловленное прямым действием рентгеновских лучей, и большое число
других пятен различной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг
центрального пятна, в соответствии с симметрией кристалла.
Этот опыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и
всесторонне проанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся на
фотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины.
Исследование дифракционных фигур позволяет определить длину волны
применяемого рентгеновского излучения, а зная длину волны, можно получить
сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновских лучей оказались в
среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимого света, т. е. намного
короче длин волн ультрафиолетового излучения. Рентгеновские лучи тоже дают целый
спектр волн, аналогичный спектру видимого излучения.
Дифракция рентгеновских лучей. (M.Laue, Ueber die Auffindung der RoentgenstrahlInterferenzen, Les Prix Nobel, 1914-1918.)
Рентгеновские трубки Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении
заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах
в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в
рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок
являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В
рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием
разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом
рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об
анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения
происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно
выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов.
Трубка Крукса
Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K —
катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, Uh —
напряжение накала катода, Ua — ускоряющее напряжение, Win — впуск водяного
охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения.
В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона
идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.
Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых
организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и
злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением
необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо
пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является
мутагенным фактором.
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.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы,
позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях
визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих
опасность.

Рентгенотерапия —проводят преимущественно при поверхностно
расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе
заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).
5 Приборы для изучения спектров
Спектроскоп
Двухтрубный спектроскоп
Спектроскоп (от спектр и греч. skopeo — смотрю) — оптический прибор для
визуального наблюдения спектра излучения. Используется для быстрого,
качественногоспектрального анализа веществ
в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т. д.
Схема простейшего спектроскопа.
Каждый спектроскоп имеет свои конструктивные особенности, но принцип работы у
них общий. Двухтрубный спектроскоп призматического типа содержит:
Коллиматор с щелевым устройством;
Призму или дифракционную решётку.
Зрительную трубку. В фокальной плоскости объектива находится узкая щель, длин
которой перпендикулярна плоскости рисунка. Щель освещается исследуемыми
лучами.
Принцип работы спектроскопа
Трёхгранная призма расщепляет белый свет, лучи с разной длиной волны
преломляются по-разному
Выходящие из объектива параллельные лучи проходят через призму. Из призмы лучи
различных цветов выходят под различными углами вследствие различия длин
волн: красные отклоняются на меньший угол,фиолетовые имеют наибольшее
отклонение. Все лучи других цветов проходят в промежутке между крайними
цветами.
Так как все лучи с одинаковыми длинами волн выходят из призмы параллельными
между собой, то объектив собирает их в одну точку фокальной плоскости. В этой
плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели: геометрическое место
всех изображений даваемых различными лучами, входящими в состав исследуемого
пучка, называется призматическим спектром данного излучения. Так как изображение
спектра мало, то для увеличения его применяют окуляр, действующий как
обычная лупа.
Коллиматор предназначен для направления на призму параллельного пучка лучей от
узкой щели. Щель установлена в фокальной плоскости дополнительного объектива
параллельно преломляющему ребру призмы.
Призма служит для разложения света. Лучи света из коллиматора падают на
переднюю грань призмы, в которой разлагаются и выходят параллельными пучками
разных цветов и направлений в зависимости от длины волны. Призма вклеивается в
оправу. С решеткой или призмой соединена шкала, по которой можно определить
спектральные длины волн[2].
Зрительная трубка служит для подвижного однолинзового окуляра. В фокальной
плоскости окуляра имеется металлическая нить, расположенная вертикально.
Металлическая нить предназначена для фиксации спектральных линий.
В каждом спектроскопе есть также винтовой микрометр. Он служит для определения
относительного положения полос в спектре. Микрометр состоит из винта с шагом
1 мм и барабанчика, на котором нанесена шкала с делениями. Колпачок надевается на
призму и объективные концы коллиматорной и зрительной трубок и необходим для
предохранения от попадания в спектроскоп посторонних лучей.
Виды
Спектрометр — оптический прибор, используемый в спектроскопических
исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и
последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Обычно
измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота)
излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики,
например, поляризационное состояние. Термин «спектрометр» применяется к
приборам, работающим в широком диапазоне длин волн:
от гамма до инфракрасного диапазона.
Спектрограф — спектроскоп, оснащенный камерой для непрерывного записывания
спектра.
6 Вопросы для закрепления изученной темы
1 Чем отличаются различные элементы шкалы электромагнитных волн?
2 Перечислите источники и свойства ультрафиолетового излучения.
4 Где применяется инфракрасное излучение?
5 Как устроена рентгеновская трубка?
6 Каковы основные свойства рентгеновских лучей?
7 Каков принцип работы спектроскопа?