Для начала решил просто разместить информацию взятую из
https://ru.wikipedia.org/wikiо фотонах,
ну а затем, связав данную информацию, с постоянной Планка,
высказать своё "физическое понимание" о данном элементарном элементе
Мироустройства, в том числе с точки зрения "лингвистической матрицы".
Фотон — безмассовая нейтральная частица.
Спин фотона равен 1 (частица является бозоном),
но из-за нулевой массы покоя более подходящей
характеристикой является спиральность,
проекция спина частицы на направление движения.
Фотон может находиться только в двух спиновых
состояниях со спиральностью.
Этому свойству в классической электродинамике
соответствует циркулярная поляризация электромагнитной волны
Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации
и описывается тремя пространственными параметрами
— составляющими волнового вектора,
который определяет его длину волны и направление распространения.
Фотон не имеет электрического заряда и
не распадается спонтанно в вакууме,
а поэтому относится к числу стабильных элементарных частиц.
Последнее утверждение справедливо,
впрочем, при отсутствии внешнего поля;
во внешнем магнитном поле возможен распад
фотона на два фотона с другой поляризацией.
Массу покоя фотона считают равной нулю,
основываясь на эксперименте,
так как отличие массы фотона от нуля...
привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме,
что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик,
А так же из за теоретических обоснованиях:
В квантовой теории поля доказывается,
что если бы масса фотона не равнялась нулю,
то электромагнитные волны имели бы три,
а не два поляризационных состояния).
Поэтому скорость фотона,
как и скорость любой безмассовой частицы,
равна скорости света.
Из за того что не существует системы отсчёта,
в которой фотон покоится,
внутренняя чётность частицы не определена.
Фотон — истинно нейтральная частица,
тождественен своей античастице,
поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна ;1.
Вследствие закона сохранения зарядовой чётности
и её мультипликативности в электромагнитных процессах,
невозможно превращение чётного числа
фотонов в нечётное и наоборот (теорема Фарри)
Фотон относится к калибровочным бозонам.
Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.
Фотон проводит часть времени как виртуальная частица,
векторный мезон
или как виртуальная пара адрон-антиадрон.
За счёт этого явления фотон способен участвовать
в сильных взаимодействиях.
Свидетельством участия фотона в сильных взаимодействиях
являются процессы фоторождения
— мезонов на протонах и нейтронах,
а также множественное образование нуклонов
на протонах и ядрах.
Сечения процессов фоторождения нуклонов
на протонах и нейтронах очень близки друг к другу.
Это объясняется тем, что у фотона есть адронная составляющая,
за счёт чего фотон участвует в сильных взаимодействиях.
Фотоны излучаются во многих природных процессах, например,
при движении электрического заряда с ускорением,
при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния,
в состояние с меньшей энергией,
или при аннигиляции пары электрон-позитрон.
При обратных процессах — возбуждение атома,
рождение электрон-позитронных пар
— происходит поглощение фотонов.
Если энергия фотона равна E,
то импульс p связан с энергией соотношением E=cp,
где c — скорость света
(скорость, с которой в любой момент времени движется
фотон как безмассовая частица).
В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты или,
что эквивалентно, от длины волны
Классические формулы для энергии и импульса
электромагнитного излучения,
могут быть получены исходя из представлений о фотонах.
К примеру, давление излучения осуществляется за
счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении.
Действительно, давление — это сила,
действующая на единицу площади поверхности,
а сила равна изменению импульса,
отнесённому ко времени этого изменения.
В зависимости от электрической
и магнитной мультипольности системы зарядов,
излучившей данный фотон,
для фотона возможны состояния с полными моментами импульса.
Различают состояния фотонов электрического и магнитного типа.
ИСТОРИЯ
Современная теория света основана на работах многих учёных.
Квантовый характер излучения и поглощения энергии
электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 году,
для объяснения свойств теплового излучения.
Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году.
В 1905—1917 годах Альбертом Эйнштейном опубликован ряд работ,
посвящённых противоречиям между результатами экспериментов
и классической волновой теорией света,
в частности фотоэффекту и способности вещества
находиться в тепловом равновесии с электромагнитным излучением.
Предпринимались попытки объяснить квантовые свойства
света полуклассическими моделями,
в которых свет по-прежнему описывался
уравнениями Максвелла без учёта квантования,
а объектам, излучающим и поглощающим свет,
приписывались квантовые свойства (см., например, теорию Бора).
Несмотря на то, что полуклассические модели
оказали влияние на развитие квантовой механики,
о чём в частности свидетельствует то,
что некоторые их положения и даже следствия
явным образом входят в современные квантовые теории,
эксперименты подтвердили правоту Эйнштейна
о квантовой природе света (см., например, фотоэффект).
Следует отметить, что квантование энергии электромагнитного
излучения не является исключением.
В квантовой теории значения многих физических величин
являются дискретными (квантованными).
Примерами таких величин являются:
угловой момент, спин и энергия связанных систем.
Введение понятия фотона способствовало созданию
новых теорий и физических приборов,
а также стимулировало развитие экспериментальной
и теоретической базы квантовой механики.
Например, были изобретены мазер, лазер,
открыто явление конденсации Бозе — Эйнштейна,
сформулирована квантовая теория поля
и вероятностная интерпретация квантовой механики.
В современной Стандартной модели физики
элементарных частиц существование фотонов является следствием того,
что физические законы инвариантны
относительно локальной калибровочной симметрии
в любой точке пространства-времени.
Этой же симметрией определяются внутренние свойства фотона,
такие как электрический заряд, масса и спин.
Среди приложений концепции фотонов есть такие,
как фотохимия, видеотехника, компьютерная томография,
микроскопия высокого разрешения и измерение межмолекулярных расстояний.
Фотоны также используются в качестве элементов квантовых компьютеров
и наукоёмких приборов для передачи данных (см. квантовая криптография).
История названия и обозначения
Фотон изначально был назван Альбертом Эйнштейном «световым квантом»
(нем. das Lichtquant).
Современное название, которое фотон получил
от греческого слова «phos» («свет»),
было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом,
опубликовавшим свою теорию,
в которой фотоны считались «несоздаваемыми и неуничтожимыми».
Хотя теория Льюиса не нашла своего подтверждения,
находясь в противоречии с экспериментальными данными,
новое название для квантов электромагнитного поля
стало использоваться многими физиками.
В физике фотон обычно обозначается символом (греческая буква гамма).
Это обозначение восходит к гамма-излучению,
открытому в 1900 году,
и состоящему из достаточно высокоэнергетических фотонов.
Открытие гамма-излучения,
одного из трёх видов ионизирующей радиации,
излучаемых известными на тот момент радиоактивными веществами,
принадлежит Паулю Вилларду,
электромагнитную природу гамма-лучей доказали
в 1914 году Эрнест Резерфорд и Эдвард Андрейд.
В химии и оптической инженерии
для фотонов часто используют обозначение h,
где h — постоянная Планка и греческая буква "ню" — частота фотонов.
Произведение этих двух величин есть энергия фотона.
История развития концепции фотона
Основная статья: Свет
Опыт Томаса Юнга по интерференции света на двух щелях (1805 год) показал,
что свет может рассматриваться как волна.
Таким образом были опровергнуты ранние теории света,
как потока неквантовых частиц.
В большинстве теорий, разработанных до XVIII века,
свет рассматривался как поток частиц.
Одна из первых таких теорий была изложена в
«Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году.
В ней учёный представлял световой луч
в виде потока мельчайших частиц,
которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии».
Так как подобные модели не смогли объяснить
такие явления как рефракция,
дифракция и двойное лучепреломление,
была предложена волновая теория света,
основателями которой стали Рене Декарт (1637),
Роберт Гук (1665), и Христиан Гюйгенс (1678).
Однако модели, основанные на идее дискретного строения света,
оставались доминирующими,
во многом из-за влияния авторитета Исаака Ньютона,
придерживавшегося этих теорий.
В начале XIX века Томас Юнг и Огюстен Френель
наглядно продемонстрировали в своих опытах явления
интерференции и дифракции света,
после чего примерно к 1850 году волновые модели стали общепринятыми.
В 1865 году Джеймс Максвелл предположил в рамках своей теории,
что свет — это электромагнитная волна.
В 1888 году эта гипотеза была подтверждена
экспериментально Генрихом Герцем, обнаружившим радиоволны.
В 1900 году волновая теория Максвелла,
рассматривающая электромагнитное излучение
как колебания электрического
и магнитного полей выглядела законченной.
Однако некоторые эксперименты, проведённые позже,
в рамках этой теории объяснения не нашли. Это привело к идее о том,
что энергия световой волны должна излучаться
и поглощаться в виде «квантов».
Дальнейшие эксперименты показали,
что эти световые кванты также обладают импульсом,
поэтому оказалось возможным рассматривать их как элементарные частицы.
Волновая теория Максвелла не смогла,
однако, объяснить всех свойств света.
Согласно этой теории энергия световой волны
должна зависеть только от её интенсивности, но не от частоты.
На самом же деле результаты некоторых
экспериментов показали обратное:
переданная от света атомам энергия зависит только от частоты света,
а не от интенсивности.
Например, некоторые химические реакции могут начаться
только при облучении вещества светом,
частота которого выше определённого порогового значения;
излучение, частота которого ниже этого значения,
вне зависимости от интенсивности,
не может инициировать реакцию.
Аналогично, электроны могут быть вырваны
с поверхности металлической пластины только при облучении её светом,
частота которого выше определённого значения,
так называемой красной границы фотоэффекта;
энергия вырванных электронов зависит только от частоты света,
но не от его интенсивности.
Исследования свойств излучения абсолютно чёрного тела,
проходившие в течение почти сорока лет (1860—1900)[32],
завершились выдвижением гипотезы Макса Планка о том,
что энергия любой системы при излучении
или поглощении электромагнитного излучения частоты,
может измениться только на величину,
кратную энергии кванта E=h\nu }
(то есть дискретно),
где h — постоянная Планка.
Альбертом Эйнштейном было показано,
что такое представление о квантовании энергии должно быть принято,
чтобы объяснить наблюдаемое тепловое
равновесие между веществом и электромагнитным излучением.
На этой же основе им был теоретически описан фотоэлектрический эффект,
за эту работу Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию по физике.
Напротив, теория Максвелла допускает,
что электромагнитное излучение может обладать какой угодно энергией
(то есть не квантуется).
Многие физики предполагали изначально,
что квантование энергии есть результат
какого-то неизвестного свойства материи,
поглощающей и излучающей электромагнитные волны.
В 1905 году Эйнштейн предположил, что квантование энергии
— свойство самого электромагнитного излучения.
Признавая справедливость теории Максвелла,
Эйнштейн указал, что многие аномальные
в то время результаты экспериментов могут быть объяснены,
если энергию световой волны локализовать в подобные частицам кванты,
которые движутся независимо друг от друга,
даже если волна непрерывно распространяется в пространстве.
В 1909 и 1916 годах, Эйнштейн показал,
исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела,
что квант энергии должен также обладать импульсом p .
Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном,
за эту работу он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году.
Однако вопрос согласования волновой теории Максвелла
с экспериментальным обоснованием дискретной природы
света оставался открытым. Ряд авторов утверждали,
что излучение и поглощение электромагнитных волн происходит порциями,
квантами, однако процессы распространения волны непрерывны.
Квантовый характер явлений излучения и поглощения
доказывает наличие у микросистем,
в том числе у электромагнитного поля,
отдельных энергетических уровней и невозможность
микросистемы обладать произвольной величиной энергии.
Корпускулярные представления хорошо согласуются
с экспериментально наблюдаемыми закономерностями
излучения и поглощения электромагнитных волн,
в частности, с закономерностями теплового излучения и фотоэффекта.
Однако по их мнению экспериментальные данные свидетельствуют,
что квантовые свойства электромагнитной волны
не проявляются при распространении, рассеянии,
дифракции электромагнитных волн,
если они не сопровождаются потерей энергии.
В процессах распространения электромагнитная волна
не локализована в определённой точке пространства,
ведёт себя как единое целое и описывается уравнениями Максвелла.
Решение было найдено в рамках квантовой
электродинамики и её преемницы Стандартной модели.
В соответствии с квантовой электродинамикой
электромагнитное поле в объёме куба,
с длиной ребра d,
можно представить в виде плоских стоячих волн,
сферических волн или плоских бегущих волн.
Объём при этом считается заполненным фотонами с распределением энергии.
Взаимодействие фотонов с веществом приводит к изменению числа фотонов n на излучение или поглощение.
ДАЛЕЕ РЕШИЛ РАЗМЕСТИТЬ ДОПОЛНИТЕЛЬНУЮ ИНФОРМАЦИЮ
ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛНАХ
http://elementy.ru/posters/spectrum/nature
Природа электромагнитных волн
Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет — это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.
Точное описание электромагнитных волн и их распространения дают уравнения Максвелла. Однако качественно этот процесс можно объяснить без всякой математики. Возьмем покоящийся электрон — почти точечный отрицательный электрический заряд. Вокруг себя он создает электростатическое поле, которое влияет на другие заряды. На отрицательные заряды действует сила отталкивания, на положительные — сила притяжения, причем все эти силы направлены строго по радиусам, идущим от нашего электрона. С расстоянием влияние электрона на другие заряды ослабевает, но никогда не падает до нуля. Иначе говоря, во всем бесконечном пространстве вокруг себя электрон создает радиальное силовое поле (это верно лишь для электрона, который вечно покоится в одной точке).
Допустим, некая сила (не будем уточнять ее природу) неожиданно нарушила покой электрона и заставила его сдвинуться немного в сторону. Теперь силовые линии должны расходиться из нового центра, куда переместился электрон. Но электрическое поле, окружающее заряд, мгновенно перестроиться не может. На достаточно большом расстоянии силовые линии еще долго будут указывать на первоначальное местоположение заряда. Так будет до тех пор, пока не подойдет волна перестройки электрического поля, которая распространяется со скоростью света. Это и есть электромагнитная волна, а ее скорость есть фундаментальное свойство пространства в нашей Вселенной. Конечно, это описание крайне упрощено, а кое-что в нем даже просто неверно, но оно дает первое впечатление о том, как распространяются электромагнитные волны.
Неверно же в этом описании вот что. Описанный процесс на самом деле не является волной, то есть распространяющимся периодическим колебательным процессом. Распространение у нас есть, а вот колебаний нет. Но этот недостаток очень легко поправить. Заставим ту же силу, которая вывела электрон из первоначального положения, сразу же вернуть его на место. Тогда за первой перестройкой радиального электрического поля сразу последует вторая, восстанавливающая исходное положение дел. Пусть теперь электрон периодически повторяет это движение, и тогда по радиальным силовым линиям электрического поля во все стороны побегут настоящие волны. Эта картина уже много лучше первой. Впрочем, она тоже не вполне верна — волны получаются чисто электрическими, а не электромагнитными.
Тут самое время вспомнить о законе электромагнитной индукции: изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, а изменяющееся магнитное — электрическое. Эти два поля как бы сцеплены друг с другом. Как только мы создаем волнообразное изменение электрического поля, так сразу же к нему добавляется и магнитная волна. Разделить эту пару волн невозможно — это единое электромагнитное явление.
Можно и дальше уточнять описание, постепенно избавляясь от неточностей и грубых приближений. Если довести это дело до конца, мы как раз и получим уже упомянутые уравнения Максвелла. Но давайте остановимся на полпути, потому что для нас пока важно лишь качественное понимание вопроса, а все основные моменты уже ясны из нашей модели. Главный из них — независимость распространения электромагнитной волны от ее источника.
В самом деле, волны электрического и магнитного полей, хотя и возникли благодаря колебаниям заряда, но вдали от него распространяются совершенно самостоятельно. Что бы ни случилось с зарядом-источником, сигнал об этом не догонит уходящую электромагнитную волну — ведь он будет распространяться не быстрее света. Это позволяет нам рассматривать электромагнитные волны как самостоятельные физические явления наряду с зарядами, которые их порождают.
Частота и длина волны.
Электромагнитная волна характеризуется одним главным параметром
— числом гребней,
которые за секунду проходят мимо наблюдателя
(или поступают в детектор).
Эту величину называют частотой излучения.
Поскольку для всех электромагнитных волн
скорость в вакууме (с) одинакова,
по частоте легко определить длину волны.
Мы просто делим путь, пройденный светом за секунду,
на число колебаний за то же время,
и получаем длину одного колебания.
Длина волны — очень важный параметр,
поскольку она определяет пограничный масштаб:
на расстояниях заметно больше длины волны
излучение подчиняется законам геометрической оптики,
его можно описывать как распространение лучей.
На меньших расстояниях совершенно необходимо
учитывать волновую природу света,
его способность обтекать препятствия,
невозможность точно локализовать положение луча и т. п.
Из этих соображений, в частности, следует,
что невозможно получить изображение объектов,
если их размер порядка или меньше длины волны излучения,
на которой ведется наблюдение.
Это, в частности, ставит предел возможностям микроскопов.
В видимом свете невозможно рассмотреть
объекты размером менее полмикрона;
соответственно, увеличение больше чем 1-2 тысячи
раз для оптического микроскопа лишено смысла.
История открытия электромагнитных волн
Открытие электромагнитных волн
— замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории.
На нем видно, как физика объединила, казалось бы,
абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм,
— обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления
— электромагнитного взаимодействия.
На сегодня это одно из четырех известных
фундаментальных физических взаимодействий,
к числу которых также относятся сильное
и слабое ядерные взаимодействия и гравитация.
Уже построена теория электрослабого взаимодействия,
которая с единых позиций описывает электромагнитные
и слабые ядерные силы.
Имеется и следующая объединяющая теория
— квантовая хромодинамика
которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия,
но ее точность несколько ниже.
Описать все фундаментальные взаимодействия
с единых позиций пока не удается,
хотя в этом направлении ведутся
интенсивные исследования в рамках таких направлений физики,
как теория струн и квантовая гравитация.
Электромагнитные волны были предсказаны теоретически
великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом
(вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях»,
хотя подробное описание теории вышло в 1867 году).
Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести
на строгий математический язык немного
наивные картинки Майкла Фарадея,
описывающие электрические и магнитные явления,
а также результаты других ученых.
Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления,
Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии.
Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля
порождают электрические поля.
Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля
— магнитные.
Избавиться от противоречия и восстановить
симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось,
введя в уравнения дополнительный член,
который описывал возникновение магнитного поля
при изменении электрического.
К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно,
что постоянный ток создает вокруг проводника
постоянное магнитное поле.
Новый член описывал другой источник магнитного поля,
но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток,
который Максвелл назвал током смещения,
чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах
— тока проводимости.
В итоге получилось, что переменные магнитные поля
порождают электрические поля,
а переменные электрические — магнитные.
И тогда Максвелл понял, что в такой связке
колеблющиеся электрическое и магнитное поля
могут отрываться от порождающих их проводников
и двигаться через вакуум с определенной,
но очень большой скоростью.
Он вычислил эту скорость,
и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.
Потрясенный полученным результатом,
Максвелл пишет Уильяму Томсону
(лорду Кельвину, который, в частности,
ввел абсолютную шкалу температур):
«Скорость поперечных волновых колебаний
в нашей гипотетической среде,
вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера,
столь точно совпадает со скоростью света,
вычисленной из оптических опытов Физо,
что мы едва ли может отказаться от вывода,
что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды,
которая является причиной электрических и магнитных явлений».
И далее в письме: «Я получил свои уравнения,
живя в провинции и не подозревая о близости
найденной мной скорости распространения
магнитных эффектов к скорости света,
поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать
магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду...»
Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики,
но они так красивы и лаконичны,
что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики,
ведь большинство значимых для человека явлений природы удается
описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений.
Так сжимается информация,
когда объединяются ранее разнородные факты.
Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла
получалось обескураживающее следствие:
колебания электрического и магнитного полей
— поперечные (что он сам все время подчеркивал).
А поперечные колебания распространяются только в твердых телах,
но не в жидкостях и газах.
К тому времени было надежно измерено,
что скорость поперечных колебаний в твердых телах
(попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря,
тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность)
и может достигать нескольких километров в секунду.
Скорость поперечной электромагнитной волны была
почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах.
А надо заметить, что характеристика жесткости входит в
уравнение скорости звука в твердом теле под корнем.
Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет),
имеет чудовищные характеристики упругости.
Возник крайне тяжелый вопрос:
«Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?»
Гипотетическую среду назвали — эфиром,
приписав ему одновременно странные и, вообще говоря,
взаимоисключающие свойства —
огромную упругость и необычайную легкость.
Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников.
Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался,
когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу,
но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».
Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали
все известные на то время представления о
распространении поперечных волн и о волнах вообще,
прозорливые ученые понимали, что совпадение
скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат,
который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.
К сожалению, Максвелл умер рано
и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов.
Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца,
который через 20 лет (1886–89)
в серии экспериментов продемонстрировал генерацию
и прием электромагнитных волн.
Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат,
но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла.
Причем он не ограничился экспериментальным доказательством
существование электромагнитных волн,
но и исследовал их основные свойства
(отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.),
показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.
Любопытно, что за семь лет до Герца,
в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes)
тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными
(среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс)
эффект распространения электромагнитных волн в воздухе.
В результате обсуждений ученые пришли к выводу,
что видят явление электромагнитной индукции Фарадея.
Юз расстроился, не поверил самому себе
и опубликовал результаты лишь в 1899 году,
когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой.
Этот пример говорит, что в науке настойчивое
распространение и пропаганда полученных результатов
имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.
Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов:
«Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне,
устраняют сомнения в тождественности света,
теплового излучения и электродинамического волнового движения».
Великое объединение
В словах Генриха Герца чувствуется торжественные,
хоть и сдержанные нотки человека,
который причастен еще к одному великому объединению.
Он объединяет в единую сущность не только свет и электромагнитные волны,
но и тепловое (сейчас бы мы сказали инфракрасное) излучение,
которое после смерти Максвелла было хорошо изучено,
и была доказана его волновая природа.
В конце ХIХ века были открыты рентгеновские лучи
(с огромным общественным резонансом) и гамма-лучи
(абсолютно незамеченные широкой общественностью).
Оказалось, что и они имеют электромагнитную волновую природу
— отражаются, преломляются,
испытывают дифракцию и интерференцию,
как и другие типы электромагнитных волн.
Только их длина волны гораздо короче световой,
и они особым образом взаимодействуют с веществом.
Ультрафиолетовое излучение было открыто независимо
в 1801 году немецким ученым Иоганном Вильгельмом Риттером
и английским Уильямом Хайдом Волластоном
по фотохимическому действию ультрафиолета на хлористое серебро.
Вакуумный ультрафиолет обнаружил немецкий ученый Виктор Шуман
при помощи построенного им вакуумного спектрографа
с флюоритовой призмой (1885–1903)
и безжелатиновых фотопластинок.
Американский ученый Теодор Лайман впервые построил
вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решеткой.
Он смог зарегистрировать ультрафиолет с длиной волны до 25 нм (1924).
Гульермо Маркони, Никола Тесла и Александр Степанович Попов
(в ряду других ученых)
научились передавать информацию «без проводов»
с помощью электромагнитных волн
длинноволновой части спектра — радиодиапазона.
Маркони потряс мировое сообщество,
передав в 1901 году электромагнитный сигнал через океан
(во что не без оснований не верили многие ученые,
т. к. радиоволны этой длины волны не могли обогнуть Землю),
случайно открыв таким образом огромное естественное зеркало — ионосферу,
от которой волны Маркони отразились (Нобелевская премия 1909 года).
Через десять лет радиоприемники стали привычным бытовым прибором.
Голос человека и музыка залили мировой эфир,
сделав передачу информации практически мгновенной и
удивительно дешевой
(физический термин «эфир» стал расхожим словом
и термином радио и телевещания:
«слушаем вас, Александр Генрихович, вы в эфире»).
Таким образом оказалось,
что огромное многообразие природных явлений можно
свести к единому явлению — электромагнитным волнам.
В дальнейшем очень точные измерения показали,
что все типы электромагнитных волн движутся в вакууме
с одной и той же скоростью, близкой к 300 тыс. км/с.
Причем был получен еще один удивительный результат
— скорость электромагнитных волн в вакууме
постоянна во всех системах отчета и превысить ее
(по современным представлениям)
невозможно ни в каком физическом процессе.
Более точные измерения дали значение с = 299 792 458 м/с
с точностью до одного метра в секунду.
Но потом выяснилось, что точность измерения скорости света
превышает точность эталона длины — метра.
И тогда было решено считать приведенное
выше значение скорости света точным по определению,
а метр определять как путь,
проходимый светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Постоянство скорости света как фундаментальное свойство
Вселенной легло в основу специальной теории относительности
(1905) Альберта Эйнштейна,
которая открыла череду научных революций ХХ века.
Единственной отличительной характеристикой всех
типов электромагнитных волн от радиодиапазона
до гамма-лучей стала длина волны (или частота).
То, что разные участки электромагнитного спектра
называются по-разному (свет, рентгеновские-, гамма-лучи и т. д.)
напоминает нам о том, что эти излучения вначале
считались явлениями разной природы и потребовались
усилия десятков выдающихся ученых,
чтобы объединить эти явления в единую сущность.
Оказалось также, что электромагнитная волна
— единственная в то время известная физическая волна,
которой не нужна среда для распространения.
Этим объяснялись непостижимые свойства эфира.
Эфира, как среды, через которую распространяются электромагнитные волны,
просто нет. Он не нужен.
Переменные электрические и магнитные поля,
по классическим представлениям, порождая друг друга,
несутся с огромной скоростью через пустое пространство.
Уравнения Максвелла описывают классическое
поведение зарядов и электромагнитных волн.
Со временем уравнения переписали в четырехмерном виде,
согласованном со специальной теорией относительности.
Но наиболее развитой по современным представлениям теорией,
которая лучше всего на данный момент описывает
элементарное взаимодействие фотонов и электронов,
является квантовая электродинамика.
Это и есть на сегодня самая точная теория электромагнитных волн.
В ней основными параметрами поля являются импульсы и поляризации фотонов.
Теория позволяет рассчитать амплитуды вероятностей процессов,
которые произойдут при взаимодействии
с фотонами и заряженными частицами.
Классическая электродинамика Максвелла
— частный случай квантовой электродинамики и выводится из нее.
Квантовая электродинамика прекрасно согласуется с экспериментом.
За ее создание присуждена Нобелевская премия 1965 года Синьитиро Томонага, Джулиусу Швингеру, Ричарду Фейнману.
Но многие ученые считают ее полуэмпирической:
«наша уверенность в правильности получающихся
таким путем результатов основана, в конечном счете,
на их прекрасном согласии с опытом,
а не на внутренней согласованности и
логической стройности основных принципов теории» (Ричард Фейнман).
Со времен Максвелла физики значительно продвинулись
в понимании и описании электромагнитного взаимодействия,
но и сейчас законченной теории электромагнитных взаимодействий не создано.
И у тех ребят, кто сидит сегодня за партой и интересуется физикой,
есть шанс построить логически стройную теорию электромагнитного излучения.
Энергия кванта
У всех классических механических волн
(в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр,
определяющий энергию волны, — это ее амплитуда
(точнее, квадрат амплитуды).
В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения.
Однако при изучении явления фотоэффекта
— выбивания светом электронов из металла — обнаружилось,
что энергия выбитых электронов не связана
с интенсивностью (амплитудой) излучения,
а зависит только от его частоты.
Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла,
а самый мощный желтый прожектор не может выбить
из того же металла ни одного электрона.
Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов,
— но только если частота превышает некоторый порог.
Оказалось, что энергия в электромагнитной волне
раздроблена на порции, получившие название квантов.
Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна
E = hw
где w - угловая частота
h = 4·10–15 эВ·с = 6·10–34 Дж·с — постоянная Планка,
еще одна фундаментальная физическая величина,
определяющая свойства нашего мира.
С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант,
и если его энергии недостаточно,
он не может выбить электрон из металла.
Давний спор о природе света — волна это или поток частиц
— разрешился в пользу своеобразного синтеза.
Одни явления описываются волновыми уравнениями,
а другие — представлениями о фотонах,
квантах электромагнитного излучения,
которые были введены в оборот двумя
немецкими физиками — Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.
Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах.
Это внесистемная единица измерения энергии.
Один электрон-вольт (1 эВ) равен энергии,
которую приобретает электрон,
когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт.
Это очень небольшая величина,
в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10–19 Дж.
Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.
От энергии квантов напрямую зависит способность
излучения производить определенное воздействие на вещество.
Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией
— если отдельные кванты несут меньшую энергию, то,
как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать
надпороговый процесс.
Немного забегая вперед, приведем примеры.
Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения
вращательных уровней основного электронно-колебательного
состояния некоторых молекул, например воды.
Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения
колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах.
Этим определяется, например,
поглощение инфракрасного излучения в атмосфере.
Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ
— этого достаточно для нарушения химических связей
и провоцирования некоторых химических реакций,
например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза.
Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи,
а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны.
Это делает ультрафиолет опасным для жизни.
Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны
с внутренних оболочек,
а также возбуждать колебания внутри атомных ядер.
Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра,
а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются
в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.
Температура излучения
Наконец, есть еще один способ охарактеризовать
электромагнитное излучение — указав его температуру.
Строго говоря, этот способ годится только для
так называемого чернотельного или теплового излучения.
Абсолютно черным телом в физике называют объект,
поглощающий всё падающее на него излучение.
Однако идеальные поглощающие свойства не мешают
телу самому испускать излучение.
Наоборот, для такого идеализированного тела
можно точно рассчитать вид спектра излучения.
Это так называемая кривая Планка,
форма которой определяется
единственным параметром — температурой.
Знаменитый горб этой кривой показывает,
что нагретое тело мало излучает как на очень длинных,
так и на очень коротких волнах.
Максимум излучения приходится на вполне определенную длину волны,
значение которой прямо пропорционально температуре.
Указывая эту температуру, нужно иметь в виду,
что это не свойство самого излучения,
а лишь температура идеализированного абсолютно черного тела,
которое на данной волне имеет максимум излучения.
Если есть основание считать, что излучение испущено нагретым телом,
то, найдя максимум в его спектре,
можно приближенно определить температуру источника.
Например, температура поверхности Солнца составляет 6 тысяч градусов.
Это как раз соответствует середине видимого диапазона излучения.
Вряд ли это случайно — скорее всего,
глаз за время эволюции приспособился
максимально эффективно использовать солнечный свет.
Частота и длина волны максимума чернотельного излучения
не соответствуют друг другу.
В видимом диапазоне принято указывать максимум
спектра теплового излучения по длине волны.
В спектре Солнца, как уже говорилось,
он приходится на видимый диапазон.
Однако по частоте максимум солнечного
излучения лежит в ближнем инфракрасном диапазоне.
А вот максимум космического микроволнового излучения,
с температурой 2,7 К,
принято указывать по частоте — 160 МГц,
что соответствует длине волны 1,9 мм.
Между тем, в графике по длинам волн максимум
реликтового излучения приходится на 1,1 мм.
Всё это показывает, что температуру надо
с большой осторожностью использовать для
описания электромагнитного излучения.
Ее можно применять только в случае излучения,
близкого по спектру к тепловому,
либо для очень грубой (с точностью до порядка)
характеристики диапазона.
Например, видимому излучению соответствует
температура в тысячи градусов,
рентгену — миллионы,
микроволновому — около 1 кельвина.
Диапазоны излучения и вещество
Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот
распространяются одинаково — со скоростью света,
их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты
(а равным образом от длины волны и энергии кванта).
По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны:
гамма-излучение,
рентген,
ультрафиолет,
видимый свет,
инфракрасное излучение
и радиоволны,
которые вместе образуют электромагнитный спектр.
Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны,
причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления.
Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения.
Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему,
а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.
Видимое излучение
Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать
излучение только в очень узком диапазоне видимого света.
От одного его края до другого частота излучения
(а равно длина волны и энергия квантов)
меняется менее чем в два раза.
Для сравнения самые длинные радиоволны в 1014 раз длиннее видимого излучения,
а самые энергичные гамма-кванты — в 1020 энергичнее.
Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть
информации об окружающем мире люди черпали из
диапазона видимого излучения,
границы которого определяются свойствами
светочувствительных клеток человеческой сетчатки.
Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком
как разные цвета — от красного до фиолетового.
Традиционное деление видимого диапазона спектра
на семь цветов радуги является культурной условностью.
Никаких четких физических границ между цветами нет.
Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов.
Известны и другие варианты.
За восприятие всего разнообразия цветов
и оттенков видимого света отвечают всего
три различных типа рецепторов,
которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету.
Это позволяет воспроизводить практически любой цвет,
смешивая на экране эти три основных цвета.
Для приема видимого света от далеких космических источников
используют вогнутые зеркала,
которые собирают излучение с большой
площади практически в одну точку.
Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп.
Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью
— отклонения формы поверхности от идеальной
не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров,
то есть 0,04 микрона.
И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала.
Это определяет высокую стоимость больших телескопов.
Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов
— телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.
Хотя атмосфера прозрачна для видимого света
(отмечено голубыми стрелками на плакате),
она всё же создает серьезные помехи для наблюдений.
Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света,
что снижает четкость изображения.
Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет.
Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца,
не позволяет вести астрономические наблюдения,
а ночью — рассеянный свет звезд
(и в последние десятилетия искусственная
засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.)
ограничивает видимость самых бледных объектов.
Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос.
Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры
— диаметр 2,24 метра,
однако благодаря заатмосферному размещению
он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.
Ультрафиолетовое излучение
С коротковолновой стороны от видимого света
располагается ультрафиолетовый диапазон,
который делят на ближний и вакуумный.
Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу.
Органами чувств человек его не воспринимает,
но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара.
Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения
под действием ультрафиолета.
Чем короче длина волны, тем большие нарушения может
вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах.
Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу,
жизнь на поверхности Земли была бы невозможна.
Однако выше некоторой частоты атмосфера
перестает пропускать ультрафиолетовое излучение,
поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения
(диссоциации) молекул воздуха.
Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон,
за ним следует кислород.
Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность
Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца,
которое называют вакуумным,
поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме).
Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм.
С этой длины волны начинает поглощать
ультрафиолет молекулярный кислород (O2).
Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения
строятся по тем же принципам,
что и для видимого диапазона.
В них тоже используются зеркала,
покрытые тонким отражающим металлическим слоем,
но изготавливать их надо с еще большей точностью.
Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли,
вакуумный — только из космоса.
Рентгеновское излучение
Формальной границы между жестким ультрафиолетовым
и рентгеновским излучением нет.
К ее определению есть два основных подхода:
с одной стороны, к рентгену принято относить излучение,
способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому,
как видимое и инфракрасное излучение возбуждает
электронные оболочки атомов и молекул.
В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет
в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену.
В другом подходе рентгеном считают излучение
с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм).
Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона
следует считать сверхжестким ультрафиолетом.
Мягкое рентгеновское излучение еще может
отражаться от полированного металла,
но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса.
Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами.
Для задания направления используют узкие трубки,
отсекающие кванты, приходящие сбоку,
а приемником служит сцинтиллятор,
в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те,
вновь объединяясь с электронами,
испускают видимое или ультрафиолетовое излучение,
которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей.
По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона
ведется подсчет отдельных квантов излучения
и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.
От рентгена к гамма
Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением,
также условна.
Обычно ее связывают с энергией квантов,
которые испускаются при ядерных реакциях
(или наоборот, могут их вызывать).
Другой подход связан с тем, что тепловое излучение
не принято относить к гамма-диапазону,
как бы ни была высока его энергия.
Во Вселенной наблюдаются относительно
стабильные макроскопические объекты,
разогретые до десятков миллионов градусов
— это центральные участки аккреционных дисков
вокруг нейтронных звезд и черных дыр.
А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например,
ядра массивных красных гигантов
— практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой.
Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют
не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном.
Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов
в современной Вселенной неизвестно.
Это дает основание считать,
что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем.
Основным механизмом является излучение
при столкновении заряженных частиц,
разогнанных до околосветовых скоростей
мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.
Гамма-излучение
Деление гамма-излучения на поддиапазоны
носит еще более условный характер.
К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты,
генерация которых выходит за пределы
возможностей современных технологий.
Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом.
Но поскольку технологиям свойственно развиваться,
это определение нельзя назвать четким.
Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения.
В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает.
Кванты диапазона сверхвысоких энергий,
сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере,
порождают каскады частиц,
энергия которых постепенно снижается и рассеивается.
Однако первые эшелоны частиц в них движутся
быстрее скорости света в воздухе.
В таких условиях заряженные частицы порождают
так называемое тормозное (черенковское) излучение,
в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета.
Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения
достигают поверхности Земли,
где улавливаются специальными телескопами.
Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа,
и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий.
Это отмечено на плакате красными стрелками.
Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий —
порождают настолько мощные каскады частиц,
что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли.
Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ)
и регистрируют сцинтилляционными датчиками.
Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью
земных пород могут повреждать биологические молекулы,
в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах.
Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле.
Но если бы их интенсивность была заметно выше,
это могло бы стать серьезным препятствием для жизни.
К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются.
Самые энергичные кванты с энергией около 1020 эВ
приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности.
Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно.
Значительно большей энергией кванты обладать не могут,
так как выше некоторого порога они начинают
взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением,
приводя к рождению заряженных частиц.
Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения
заметно более энергичного, чем 1021–1024 эВ.
Инфракрасное излучение
Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра,
мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения.
Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света,
за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза.
Его можно регистрировать теми же приборами,
в частности, телескопами, что и видимый свет.
Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло.
Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра.
Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха,
на котором мы кипятим воду в котелке,
а инфракрасное (и видимое) излучение испускается
в стороны молекулами газов,
продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.
С ростом длины волны атмосфера теряет
прозрачность для инфракрасного излучения.
Это связано с так называемыми колебательно-вращательными
полосами поглощения молекул атмосферных газов.
Будучи квантовыми объектами,
молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом,
как грузы на пружинке.
У каждой молекулы есть свой набор энергий
(и, соответственно, частот излучения),
которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений.
Однако даже у не самых сложных молекул воздуха
набор этих частот столь обширен,
что фактически атмосфера поглощает
всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра
— это так называемые инфракрасные полосы поглощения.
Они перемежаются небольшими участками,
в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли
— это так называемые окна прозрачности,
которых насчитывается около десятка.
Их существование представлено на плакате
разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне.
Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения
почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы
из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли.
Это позволяет вести наблюдения почти во всем
инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов,
которые поднимаются в стратосферу.
Деление инфракрасного излучения
на поддиапазоны также весьма условно.
Граница между ближним и средним инфракрасным излучением
проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К,
которая характерна для предметов на земной поверхности.
Поэтому все они, включая приборы, являются мощными
источниками инфракрасного излучения.
Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника,
аппаратуру приходится охлаждать до температур,
близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы,
которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне
— именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию,
постоянно поступающую от Солнца.
Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр,
то есть, попросту говоря,
маленькое черное тело, поглощающее излучение,
соединенное со сверхточным термометром.
Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных,
как для генерации, так и для регистрации излучения.
В последнее время благодаря разработке особых материалов
и сверхбыстродействующей электроники
с ним научились достаточно эффективно работать.
В технике его часто называют терагерцевым излучением.
Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров
для определения химического состава объектов
на основе генераторов терагерцевого излучения.
Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и
наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.
В астрономии этот диапазон чаще называют
субмиллиметровым излучением.
Он интересен тем, что в нем
(а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне)
наблюдается реликтовое излучение Вселенной.
До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит,
но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы.
Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров
над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы
— в Мексике 50-метровый,
а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.
Микроволны и радиоволны
К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение,
которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра.
Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала.
Ее обычно не хватает для существенных
изменений в структуре атомов и молекул,
но хватает, чтобы взаимодействовать с
вращательными уровнями молекул, например, воды.
Энергии радиоволн также достаточно для того,
чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках.
Колебания электромагнитного поля радиоволны
вызывают синхронные колебания электронов в антенне,
то есть переменный электрический ток.
При высокой интенсивности микроволнового излучения
этот ток может вызывать значительный нагрев вещества.
Это свойство используется для разогрева продуктов,
содержащих воду, в микроволновых печах.
Микроволновое излучение также называют
сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением.
Оно является самым коротковолновым поддиапазоном
радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см.
СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов
на глубину до нескольких сантиметров,
что обеспечивает прогрев по всему объему,
а не только с поверхности,
как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле.
В микроволновом диапазоне также работают
все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи,
например, протоколы Bluetooth и WiFi,
используемые беспроводными электронными устройствами.
Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию
она несет и тем труднее ее зарегистрировать.
Для приема антенну, в которой под действием радиоволны
возникают электрические колебания,
подключают к электрическому контуру.
При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания
усиливаются и их можно зарегистрировать.
Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса,
применяют зеркала-антенны параболической формы,
которые собирают радиоизлучение всей своей площадью
и концентрируют его на небольшой антенне.
Тем самым повышается чувствительность инструмента.
Большая часть микроволнового излучения
(начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу.
То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ),
на которых вещают местные телевизионные и радиостанции
(в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь.
Излучение их передатчиков регистрируется только
в пределах прямой видимости антенн.
Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне
(голубые стрелки на плакате)
заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.
Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли.
Это не позволяет наблюдать космические
радиоисточники на более длинных волнах,
но зато обеспечивает возможность
глобальной коротковолновой радиосвязи.
Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров
могут огибать всю Землю,
многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли.
Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы,
на которую сильно влияет солнечная активность.
Поэтому коротковолновая связь не
отличается высоким качеством и надежностью.
Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы,
но сильнее затухают с расстоянием.
Для того чтобы сигнал можно было поймать
на расстоянии более тысячи километров,
требуются очень мощные передатчики.
Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров,
огибают Землю уже не благодаря ионосфере,
а за счет волновых эффектов,
которые также позволяют им проникать
на некоторую глубину под поверхность океана.
Это свойство используется для экстренной связи
с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии.
Другие радиоволны не проходят через морскую воду,
которая из-за растворенных в ней солей представляет
из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.
Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно.
На практике экспериментально удалось создать и
зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).