Шкала электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн. Мы назвали ультра­фиолетовыми волнами электромагнитные волны, длина ко­торых меньше 400 нм (4000 Å), а инфракрасными — волны с длиной, превышающей 760 нм (7600 Å). Совершенно ясно, что границы эти довольно произвольны, и нет никакого резкого изменения в свойствах при переходе от крайних фиолетовых волн к ультрафиолетовым или от крайних крас­ных к инфракрасным. Поэтому указания, где начина­ются ультрафиолетовые или инфракрасные волны, имеют лишь условный характер. Так же условно и указание, где кончаются ультрафиолетовые и инфракрасные обла­сти спектра.

При исследованиях этих областей серьезным затрудне­нием является то обстоятельство, что большинство матери­алов, прозрачных для видимого света, сильно поглощает

*) Использование дифракции рентгеновских лучей на обычных дифракционных решетках (см. § 138) для точного определения длины волны было предложено значительно позже.

**) Способность излучения проникать через вещество называется жесткостью этого излучения.

более короткие и более длинные волны. Улучшение техни­ки эксперимента все же дало возможность получить и иссле­довать инфракрасные волны длиной до нескольких сот мик­рометров. С другой стороны, оказалось возможным элект­рическими способами получить радиоволны, длина которых также выражается сотнями микрометров. Таким образом, мы имеем непрерывный переход от видимого света через инфракрасные волны к радиоволнам.

Наши сведения о коротковолновой области спектра также пополнялись, так сказать, с двух концов. С одной стороны, улучшение техники работы с ультрафиолетовыми волнами позволило спуститься приблизительно до 5 нм (50 Å). С другой стороны, с течением времени были найдены способы получать и исследовать рентгеновские волны (см. § 154) длиной в несколько десятков нанометров. Таким образом, и в области коротких электромагнитных волн мы имеем не­прерывный переход от видимого света через ультрафиолето­вые волны к рентгеновским сколь угодно малой длины. Весьма короткие электромагнитные волны наблюдаются в излучении радиоактивных веществ (так называемое g - излучение, см. § 211) в космических лучах, а также при ударах очень быстрых электронов, разгоняемых ускори­телями (см. § 216).

Вся шкала электромагнитных волн уже была приведена и описана в § 58 (см. рис. 125).

Электромагнитная теория света. Шкала электромаг­нитных волн. Теория электромагнитных волн позволила объяснить с единой точки зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Но из этой теории вытекал еще один вывод огромной важности.

Пользуясь данными, полученными из измерения чисто электрических величин (сил взаимодействия между токами и между зарядами), Максвелл смог вычислить скорость, с которой должны распространяться электромагнитные волны. Результат оказался поразительным: скорость полу­чилась равной 300 000 км/с, т. е. совпала с измеренной оптическими способами скоростью света. Максвелл выдви­нул тогда смелое предложение, что свет по природе своей

*) То есть к инфракрасным,

есть электромагнитное явление, что световые волны — это лишь разновидность электромагнитных волн, а именно, вол­ны с очень высокими частотами, порядка 10¹⁵ герц.

Опыты Герца, доказавшие существование электромаг­нитных волн и позволившие подтвердить заключение Максвелла о том, что эти волны распространяются с такой же

Рис. 124. Приборы Лебедева для опытов с электромагнитными вол­нами длиной 6 мм

скоростью, как и свет, послужили сильным доводом в пользу электромагнитной теории света. Множество других явле­ний, как из числа известных ранее, так и открытых впослед­ствии, показало настолько тесную связь между оптиче­скими и электромагнитными явлениями, что электромаг­нитная природа света превратилась из предположения в твердо установленный факт.

Исследования, производившиеся в самых разнообразных областях физики, позволили установить, что диапазон частот или длин электромагнитных волн *) чрезвычайно ши­рок. В этой главе мы ограничиваемся только электромаг­нитными волнами в узком понимании этого термина, т. е. такими, длина которых превышает сотые доли миллиметра и которые в большинстве своем используются в радиотех­нике и поэтому называются радиоволнами. С другими, более короткими электромагнитными волнами, с их особыми свойствами, со способами их получения и наблюдения мы познакомимся в следующих разделах. Однако уже здесь мы приведем диаграмму, которая дает представление обо всей шкале электромагнитных волн.

Рис. 125. Шкала электромагнитных волн: 1 ГГц=10³ МГц=10⁹ Гц 1нм=10^-3 мкм=10^-9 м

Эта диаграмма (рис. 125) построена несколько необычно ввиду огромного различия длин волн. На горизонтальной прямой на равных расстояниях друг от друга нанесены метки, соответствующие длинам, каждая из которых отли­чается в десять раз от соседней. Это и есть шкала длин волн l, начинающаяся на нашей диаграмме слева с l=10 км и заканчивающаяся значением l=0,001 нм. Разумеется, 10 км слева и 0,001 нм справа — это границы рисунка, а не самой шкалы электромагнитных волн, кото­рую можно представить себе продолженной в обе стороны.

Под шкалой длин волн l нанесена шкала соответствую­щих им частот колебаний v. Продолжая шкалу влево, мы переходим ко все более длинным волнам, т. е. ко все более низким частотам, пока не дойдем, наконец, до частоты v=0, т. е. до постоянного, не меняющегося со временем тока. Можно сказать, что такому току соответствует беско­нечно большая длина волны, но это, конечно, чисто формаль­ное утверждение. С уменьшением частоты условия излу-

*) Напомним, что частота n и длина волны l связаны соотношением l =c/n, где c =300 000 км/с.

чения делаются все хуже (§ 55), и постоянный ток, кото­рый должен был бы излучать «бесконечно длинную» волну, просто ничего не излучает. Нашу диаграмму можно про­должать и вправо, переходя ко все более высоким частотам и соответственно все более коротким волнам.

На диаграмме указаны участки l (или n), занимаемые различными видами электромагнитных волн. Как сказано, в этой главе мы ограничиваемся только левым участком, который начинается с «бесконечно длинных» волн и кон­чается в области сотен микрометров, т. е. тянется от «нуле­вой частоты» до частот в десятки тысяч гигагерц. Мы видим, что этот участок волн, которые получают электри­ческими способами, перекрывается на своем коротковол­новом конце с инфракрасными (тепловыми) волнами. Это значит, что волну, длина которой, например, 0,05 мм можно получить и посредством электрических колебаний, и тепло­вым способом, т. е. при излучении нагретого тела.

Еще не так давно на шкале электромагнитных волн не было таких перекрываний, а, наоборот, имелись пробелы. В частности, был пробел между электро­магнитным диапазоном (в узком смысле) и инфракрасными волнами. Электромаг­нитные волны были получены длиной до 6 мм (Лебедев), а тепловые — до 0,343 мм (Рубенс).

В 1922 г. советский физик Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева (1884— 1945) ликвидировала этот пробел, полу­чив электромагнитные волны длиной от |1 см до 0,35 мм с помощью придуман­ного ею прибора, названного массовым излучателем.

Схема этого прибора показана на рис. 126. В сосуде 1 находятся мелкие металлические опилки, взвешенные в трансформаторном масле. Не показанная на рисунке мешалка все время поддерживает опилки во взвешенном состоянии, не давая им осесть на дно. Вращающееся коле­сико 2 захватывает смесь и окружается ею наподобие шины. С помощью Проводов 3, присоединенных к индуктору, через смесь пропускается искровой разряд. Металлические опилки образуют при своем движе­нии множество случайных пар, которые играют роль маленьких вибра­торов и при разряде излучают короткие волны. Так как размеры слу­чайно образующихся вибраторов различны и колебания в них не гар­монические, а затухающие, в излучении присутствуют одновременно все длины волн указанного выше диапазона. Можно сказать, что массо­вый излучатель испускает «электромагнитный шум», а не «аккорд» или «ноту».

Рис. 126. Массовый излучатель Глаголевой-Аркадьевой

В массовом излучателе преодолены две основные трудности, неиз­бежно возникающие при попытке использовать один-единственный виб­ратор столь малых размеров. Во-первых, такой единственный вибратор дает ничтожно слабое излучение. В массовом же излучателе одновремен­но работает много вибраторов. Во-вторых, в одном вибраторе опилки быстро сгорают от искры. В приборе Глаголевой-Аркадьевой этого не происходит, так как в области разряда опилки непрерывно сменяются.