§ 20. ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Які приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль зображено на заставці до параграфа?

На заставці зображено використання радіохвиль у супутниковому зв’язку та телекомунікаційних антенах, прояв оптичного діапазону (видимого світла, інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання) під час відпочинку на сонці, використання рентгенівського випромінювання чи комп’ютерної томографії в медицині, а також використання вимірювальних приладів і навігаційних засобів.

Спробуйте навести ще приклади прояву, застосування, шкідливої дії електромагнітних хвиль.

Прикладами застосування є мікрохвильові печі (радіохвилі), пульти дистанційного керування та тепловізори (інфрачервоне випромінювання), бактерицидні лампи для дезінфекції приміщень (ультрафіолет), рентгенографія для діагностики переломів (рентгенівське випромінювання) та променева терапія онкологічних захворювань (гамма-випромінювання).
У природі електромагнітні хвилі проявляються як сонячне світло, полярне сяйво та теплове випромінювання будь-яких нагрітих тіл.
Шкідлива дія проявляється у вигляді сонячних опіків шкіри й пошкодження сітківки ока від надмірного ультрафіолету, руйнування клітин організму та розвитку променевої хвороби від рентгенівського та гамма-випромінювання, а також можливості теплового перегріву тканин організму при тривалому потужному радіовипромінюванні.

Що спільного мають різні види електромагнітних хвиль?

Усі види електромагнітних хвиль мають однакову фізичну природу і являють собою поширення в просторі змінного електромагнітного поля. Вони поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, що становить приблизно $3 \cdot 10^8 \text{ м/с}$, та мають спільні хвильові властивості: поглинання, відбивання, заломлення, інтерференцію й дифракцію.

Висуньте гіпотезу, чому їхні властивості дещо різняться.

Властивості електромагнітних хвиль різняться через відмінність у їхній частоті та довжині хвилі. Зі збільшенням частоти зростає енергія квантів випромінювання, їхня проникна здатність та хімічна активність, тоді як хвильові властивості стають менш помітними.

Як, на вашу думку, утворюються різні види електромагнітних хвиль?

Різні види електромагнітних хвиль виникають унаслідок різних фізичних процесів:

• Радіохвилі породжуються змінним електричним струмом.
• Електромагнітні хвилі оптичного діапазону (інфрачервоне, видиме світло, ультрафіолетове) випромінюються збудженими атомами та молекулами речовини під час зміни енергетичних станів електронів.
• Рентгенівське випромінювання виникає внаслідок швидкого гальмування електронів, а також під час процесів усередині електронних оболонок атомів.
• Гамма-випромінювання випускається збудженими атомними ядрами під час ядерних реакцій та радіоактивних перетворень.

Чому, на вашу думку, деякі її ділянки віднесено одночасно до двох різних видів електромагнітних хвиль?

Межі між різними видами електромагнітних хвиль є умовними, а відповідні діапазони довжин і частот хвиль частково перекриваються. Це пояснюється тим, що класифікація хвиль здійснюється не лише за їхньою довжиною чи частотою, а й за способом їх випромінювання та походженням.

А ЯК НАСПРАВДІ?

На чий бік стали б ви?

Обґрунтованою є позиція адвоката, який захищає використання гамма-випромінювання.

Наведіть кілька аргументів на підтримку своєї думки.

1. Чітко спрямоване та дозоване гамма-випромінювання застосовують у медицині під час променевої терапії для знищення ракових клітин і лікування онкологічних захворювань.
2. Гамма-випромінювання ефективно використовують у дефектоскопії для виявлення прихованих дефектів усередині металевих деталей, а також у сільському господарстві та харчовій промисловості для стерилізації продуктів.
3. Небезпека випромінювання виникає лише в разі неконтрольованого чи надмірного впливу, тоді як науково регульоване застосування дає змогу використовувати його на користь людству.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Назвіть відомі вам види електромагнітних хвиль.

До відомих видів електромагнітних хвиль належать радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське випромінювання та гамма-випромінювання.

2. Що спільного між усіма видами електромагнітних хвиль? У чому їх відмінність?

Спільним для всіх видів електромагнітних хвиль є їхня єдина електромагнітна природа, однакова швидкість поширення у вакуумі ($3 \cdot 10^8\text{ м/с}$), а також здатність до відбивання, заломлення, інтерференції та дифракції.
Відмінність полягає в різній частоті й довжині хвилі, різних джерелах і способах їх випромінювання, а також у відмінностях їхніх властивостей, проникної здатності та хімічної активності.

3. Як змінюються властивості електромагнітних хвиль зі збільшенням їхньої частоти?

Зі збільшенням частоти (і зменшенням довжини) електромагнітних хвиль зростають їхня проникна здатність та хімічна активність, а також вираженість їхнього біологічного впливу на живі організми.

4. Наведіть приклади застосування різних видів електромагнітних хвиль.

Електромагнітні хвилі застосовують у різних сферах діяльності людини:

• радіохвилі — у мобільному зв’язку, радіомовленні, телебаченні, радіолокації, GPS-навігації та мікрохвильових печах;
• інфрачервоне випромінювання — у пультах дистанційного керування, тепловізорах, приладах нічного бачення та промисловому сушінні матеріалів;
• видиме світло — для забезпечення зорового сприйняття та природного й штучного освітлення;
• ультрафіолетове випромінювання — для дезінфекції повітря та інструментів у медицині, а також у криміналістиці;
• рентгенівське випромінювання — у медичній діагностиці (рентгенографії), промисловій дефектоскопії та кристалографії;
• гамма-випромінювання — у променевій терапії онкологічних захворювань, дефектоскопії та стерилізації харчових продуктів.

5. Як уникнути негативного впливу деяких видів електромагнітного випромінювання на здоров’я людини?

Щоб уникнути негативного впливу електромагнітного випромінювання, необхідно обмежувати час тривалого використання мобільного телефону біля голови, уникати перебування під прямими сонячними променями в години найбільшої інтенсивності (з 10 до 13 годин), захищати очі сонцезахисними окулярами з ультрафіолетовим фільтром, а під час роботи з джерелами рентгенівського та гамма-випромінювання використовувати відповідне захисне екранування (свинцеві фартухи, екрани) і дотримуватися правил техніки безпеки.

ВПРАВА № 20

1. Розташуйте електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої довжини: 1) видиме світло; 2) ультрафіолетове випромінювання; 3) радіохвилі; 4) рентгенівське випромінювання.

Електромагнітні хвилі в порядку збільшення їхньої довжини розташовані так: 4) рентгенівське випромінювання, 2) ультрафіолетове випромінювання, 1) видиме світло, 3) радіохвилі.

2. Установіть відповідність між випромінювачем (1–4) та електромагнітними хвилями, які він здебільшого випромінює (А–Д).

Відповідність між випромінювачами та відповідними електромагнітними хвилями:
1 — Д (Мобільний телефон — Радіохвилі)
2 — В (Батарея опалення — Інфрачервоне випромінювання)
3 — Г (Світлячок — Видиме світло)
4 — А (Радіоактивний препарат — γ-випромінювання)

3. Довжина хвилі світла жовтого кольору у вакуумі — 570 нм. Визначте частоту цієї хвилі.

Дано:
$\lambda = 570\text{ нм} = 570 \cdot 10^{-9}\text{ м} = 5{,}7 \cdot 10^{-7}\text{ м}$
$c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:
$\nu - ?$

Розв’язання:
Швидкість поширення світла у вакуумі пов’язана з довжиною хвилі та її частотою формулою:
$c = \lambda \cdot \nu$

Звідси частота хвилі дорівнює:
$\nu = \dfrac{c}{\lambda}$

Обчислення:
$\nu = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{5{,}7 \cdot 10^{-7}\text{ м}} \approx 5{,}26 \cdot 10^{14}\text{ Гц} = 526\text{ ТГц}$

Відповідь: частота світлової хвилі жовтого кольору становить $5{,}26 \cdot 10^{14}\text{ Гц}$ (або $526\text{ ТГц}$).

4. Якою є довжина електромагнітної хвилі у вакуумі, якщо її частота дорівнює 3·10¹² Гц? До якого діапазону належить ця хвиля?

Дано:
$\nu = 3 \cdot 10^{12}\text{ Гц}$
$c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:
$\lambda - ?$
Діапазон — ?

Розв’язання:
Довжина електромагнітної хвилі визначається за формулою:
$\lambda = \dfrac{c}{\nu}$

Обчислення:
$\lambda = \dfrac{3 \cdot 10^8\text{ м/с}}{3 \cdot 10^{12}\text{ Гц}} = 10^{-4}\text{ м} = 0{,}1\text{ мм}$

Відповідно до шкали електромагнітних хвиль, випромінювання з довжиною хвилі $10^{-4}\text{ м}$ ($0{,}1\text{ мм}$) і частотою $3 \cdot 10^{12}\text{ Гц}$ належить до інфрачервоного діапазону.

Відповідь: довжина електромагнітної хвилі становить $10^{-4}\text{ м}$ ($0{,}1\text{ мм}$); ця хвиля належить до інфрачервоного випромінювання.

5. Об’єднайтесь у групи, виберіть для кожної групи один із видів електромагнітного випромінювання та знайдіть якомога більше інформації щодо його застосування. Презентуйте отриману інформацію.

Інформація щодо застосування інфрачервоного випромінювання:

1. У промисловості інфрачервоне випромінювання застосовують для швидкого та рівномірного сушіння лакофарбових покриттів, деревини, зерна й продуктів харчування.
2. У побутовій техніці його використовують у пультах дистанційного керування, обігрівачах та бездротових датчиках.
3. У військовій справі та медицині застосовують тепловізори та прилади нічного бачення, які фіксують інфрачервоні хвилі від об’єктів з температурою від –50 °C до 500 °C.
4. В охоронних системах інфрачервоні датчики застосовують для фіксації руху об’єктів у темряві.

6. Дізнайтесь історію винайдення будь-якого пристрою, дія якого ґрунтується на електромагнітному випромінюванні.

Історія винайдення мікрохвильової печі:
У 1945 році американський інженер Персі Спенсер під час дослідження магнетрона (генеатора високочастотних радіохвиль для радарів) помітив, що плитка шоколаду в його кишені розплавилася під дією електромагнітного випромінювання. Експериментуючи далі, він виявив, що надвисокочастотні радиохвилі змушують молекули води в їжі коливатися, викликаючи її швидкий нагрів. У 1945 році Спенсер запатентував спосіб приготування їжі за допомогою мікрохвиль, а вже у 1947 році було випущено першу промислову мікрохвильову піч.