 |
Ультрафиолетовые лучи
|
|
|
|
К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400-10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.
Все живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.
Рентгеновские лучи
Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагнос
тике. Как и в случае с радиоволнами, временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)
|
|
|
Гамма-лучи
Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это у-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.
В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.
Спектроскопия
| • |
Наличие атомов химических элементов в веществе можно выявить по присутствию характерных линий в спектре излучения или поглощения
|
|
|
Открытие кирхгофа—бунзена
СПЕКТРОСКОПИЯ
Спектр электромагнитного излучения
Постоянная ридберга
постоянная планка
Излучение
Черного тела
Атом бора
Согласно простейшей модели строения атома бора, электроны можно представить расположенными на четко определенных («разрешенных») орбитах вокруг ядра атома. При этом они могут дискретно переходить с орбиты на орбиту, излучая или поглощая порции энергии, и это явление называется квантовым скачком. Если электрон переходит на более низкую орбиту, он теряет квант энергии и излучает квант света — фотон, который характеризуется строго определенной длиной волны, зависящей от потери энергии при квантовом скачке. Излучаемые таким образом фотоны мы воспринимаем как свечение совершенно определенного цвета — раскаленная медная проволока, например, светится синим (см. проба на окрашивание пламени). Для перехода на более высокую орбиту электрону, наоборот, требуется дополнительная энергия, и обычно он поглощает ее также в виде фотонов с определенной длиной волны (см. открытие кирхго фа—бунзена).
Такое взаимодействие между светом и атомами вещества легло в основу важной отрасли экспериментально-прикладной науки, которая называется спектроскопия, или спектральный анализ. Поскольку ядра атомов различных элементов содержат различное число протонов, электроны в этих атомах располагаются на отличающихся друг от друга разрешенных орбитах (или, если придерживаться современной, более сложной картины строения атома, — орбиталях, определяющих вероятность нахождения электрона в определенной области, а не его точное местонахождение). Это означает, что в атомах различных химических элементов энергии квантовых скачков между разрешенными орбиталями отличаются и они будут излучать свет с различными длинами волн. Так, в видимом спектре излучения натрия наблюдаются лишь две близко расположенные линии в желтой части спектра (вот почему уличные натриевые лампы дневного света можно узнать по характерному желтоватому свечению), а у ртути спектральные линии приходятся на сине-голубую область (соответственно, если лампа уличного освещения светится голубоватым светом, значит, это ртутная лампа).
|
|
|
Простой, казалось бы, факт, что мы можем судить об атомном составе вещества по длине волн излучаемого им света, дал начало целой отрасли экспериментальных и прикладных исследований — спектроскопии. Набор линий в спектре каждого химического элемента уникален. Далее, если атом ионизирован, этот набор спектральных линий смещается и образует новую характерную серию в спектре. Таким образом, обнаружив серию спектральных линий (или набор излучаемых частот, что, по сути, то же самое) изучаемого тела или вещества (например, при накаливании неизвестного материала неизвестного нам химического состава в пламени горелки Бунзена), мы можем с уверенностью судить о присутствии или отсутствии соответствующих химических элементов в составе исследуемого материала.
Это основа так называемой эмиссионной спектроскопии. Сравнивая интенсивность излучения спектральных линий, характерных для различных элементов, мы можем рассчитать их количественное соотношение в веществе и определить его химический состав. Благодаря этому нам даже не надо исследовать вещество в химической лаборатории и мы можем судить о химическом составе светящихся объектов, например звезд и галактик, находящихся на колоссальном удалении от них.
Сходным образом работает и абсорбционная спектроскопия. В этом случае через изучаемое вещество пропускается белый свет (представляющий из себя сплошной спектр световых частот) и выявляются линии поглощения, соответствующие частотам и длинам волн квантовых переходов электронов на более высокие орбитали. Соответственно, рассматривая спектральную картину такого света, пропущенного через вещество, мы увидим темные линии поглощения и можем судить о составе вещества. Абсорбционная спектроскопия широко применяется в астрофизике для исследования химического состава планет, туманностей, газопылевых облаков и других космических объектов, не обладающих собственным свечением, по темным линиям в спектре белых звезд-источников, находящихся за ними.
Стандартная модель
Вся материя состоит из кварков, лептонов и частиц—переносчиков взаимодействий
| • |
|
|
|
