Deși într-un vid, undele electromagnetice de toate frecvențele se propagă în același mod - cu viteza luminii, interacțiunea lor cu materia depinde foarte mult de frecvență (și, de asemenea, de lungimea de undă și energia cuantică). Prin natura interacțiunii cu materia, radiația este împărțită în intervale: radiații gamma, raze X, ultraviolete, lumină vizibilă, radiații infraroșii și unde radio, care formează împreună un spectru electromagnetic. În schimb, trupele în sine sunt împărțite în subranje, iar în știință nu există o tradiție unică a unei astfel de diviziuni. Depinde mult de mijloacele tehnice utilizate pentru generarea și înregistrarea radiațiilor. Prin urmare, în fiecare domeniu al științei și al tehnologiei, sub-benzile sunt determinate în felul lor propriu, și adesea chiar schimbă limitele domeniilor principale.
Radiații vizibile
Din întregul spectru, ochiul uman poate detecta radiațiile numai într-o gamă foarte îngustă de lumină vizibilă. De la o margine la alta, frecvența radiației (precum și lungimea de undă și energia canalului) se modifică mai puțin de două ori. Pentru comparație, cele mai lungi unde radio sunt de 10 14 ori mai lungi decât radiațiile vizibile, iar cele mai energice canale gamma sunt de 10-20 ori mai energice. Cu toate acestea, timp de mii de ani, cele mai multe informații despre lumea înconjurătoare, oamenii au atras din gama de lumină vizibilă, limitele care sunt determinate de proprietățile celulelor sensibile la lumina ale retinei umane.
Diferitele lungimi de undă ale luminii vizibile sunt percepute de către persoană ca culori diferite - de la roșu la violet. Distribuția tradițională a spectrului vizibil al spectrului în șapte culori ale curcubeului este o convenție culturală. Nu există limite fizice clare între flori. Engleza, de exemplu, împarte de obicei un curcubeu în șase culori. Există și alte variante cunoscute. Pentru percepția întregii varietăți de culori și nuanțe ale luminii vizibile, există doar trei tipuri diferite de receptori sensibili la roșu, verde și albastru. Acest lucru vă permite să reproduceți aproape orice culoare prin amestecarea acestor trei culori primare pe ecran.
Pentru a primi lumină vizibilă din surse cosmice îndepărtate, se folosesc oglinzi concave care colectează radiații dintr-o zonă mare într-un singur punct. Cu cât este mai mare oglinda, cu atât este mai puternic telescopul. Oglinzile ar trebui să fie fabricate cu precizie extrem de ridicată - deviațiile formei suprafeței de la ideal nu ar trebui să depășească o zecime din lungimea de undă - 40 nanometri, adică 0,04 microni. Și această precizie trebuie menținută pentru orice rotire a oglinzii. Acest lucru determină costul ridicat al telescoapelor mari. Diametrul oglinzilor celor mai mari instrumente optice - telescoapele Keck din Hawaii - 10 metri.
Deși atmosfera este transparentă pentru lumina vizibilă (indicată de săgețile albastre de pe afiș), ea creează încă interferențe serioase cu observațiile. Chiar dacă uitați de nori, atmosfera ușor îndoaie razele de lumină, ceea ce reduce claritatea imaginii. În plus, aerul însuși disipează lumina incidentă. În timpul zilei este o strălucire albastră, cauzată de lumina difuză a soarelui, nu permite să efectueze observații astronomice, iar pe timp de noapte - lumina împrăștiată de stele (.. Și în ultimele decenii de iluminat lumina artificiale cer municipale în aer liber, mașini etc.) limitează vizibilitatea obiectelor mai pale. Depășirea acestor dificultăți permite îndepărtarea telescoapelor în spațiu. Telescopul „Hubble“, după standardele pământești, are o dimensiune foarte mica - diametrul de 2,24 metri, dar din cauza trans atmosferică introducerea a dus la o mulțime de descoperiri astronomice de primă clasă.
Radiații ultraviolete
Pe partea cu unde scurte a luminii vizibile este domeniul ultra-violet, care este împărțit în apropierea și în vid. Ca lumina vizibila, ultravioleta apropiata trece prin atmosfera. Simțurile umane nu percep simțurile, însă pe piele, ultravioletele apropiate provoacă apariția arsurilor solare. Este o reacție protectoare a pielii la anumite tulburări chimice cauzate de radiațiile ultraviolete. Cu cât lungimea de undă este mai scurtă, cu atât mai mare poate fi afectată radiația ultravioletă în moleculele biologice. Dacă toată ultravioleta a trecut prin atmosferă, viața de pe suprafața Pământului ar fi imposibilă. Cu toate acestea, peste o anumită frecvență pentru a trece atmosfera încetează radiațiile ultraviolete, deoarece energia cuante devine suficientă pentru a fractura (disociere) a moleculelor de aer. Unul dintre primele efecte ultraviolete ia ozonul, urmat de oxigen. La gazele atmosferice protejează suprafața pământului de radiațiile solare ultraviolete greu, care este numit un vid, deoarece poate fi distribuit numai în vid (vacuum). Limita superioară a ultravioletului vid este de 200 nm. Din această lungime de undă, oxigenul molecular (O2) începe să absoarbă ultravioletul.
Telescoapele pentru radiațiile ultraviolete apropiate sunt construite pe aceleași principii ca și în cazul domeniului vizibil. De asemenea, ele utilizează oglinzi acoperite cu un strat subțire de metal reflectorizant, dar trebuie să fie făcute cu o precizie și mai mare. Aproape ultravioleta poate fi observata de pe Pamant, ultravioletele de vid pot fi vazute doar din spatiul cosmic.
Radiații cu raze X
Nu există nici o limită oficială între radiațiile ultraviolete dure și radiațiile cu raze X. Prin definiție, are două abordări principale: Pe de o parte, de obicei, se face referire la Roentgen radiație, care excită nuclee - radiatii la fel vizibile și infraroșii excită coji de electroni de atomi și molecule. În acest caz, chiar și un ultraviolet în vid rigid poate fi, în unele cazuri, denumit radiografie. În altă abordare, razele x sunt considerate a fi radiații cu o lungime de undă mai mică decât dimensiunea caracteristică a atomilor (0,1 nm). Apoi, se pare că cea mai mare parte a gamei de raze X moi ar trebui considerată ultraviolet ultra-dur.
Razele cu raze X pot fi reflectate în continuare din metalul lustruit, dar numai cu o înclinare glisantă - la un unghi mai mic de 1 grade. Radiațiile mai stricte trebuie să fie concentrate prin alte mijloace. Pentru a specifica este utilizat direcția tubului îngust, intersectând razele care vin din lateral, iar receptorul este un scintilator, in care cuantele cu raze X ioniza atomi, iar cei nou combinarea cu electroni emit radiații vizibile sau ultraviolete, care sunt înregistrate cu ajutorul unor tuburi fotomultiplicatoare. De fapt, în telescoapele gamei de raze X dure, se efectuează numărarea cuanților individuali de radiație și numai atunci se formează o imagine folosind un calculator.
De la raze X la gamma
Limita pe care gama de raze X este înlocuită cu radiația gamma este de asemenea condiționată. De obicei, este asociat cu energia cuanților, care sunt emise în timpul reacțiilor nucleare (sau viceversa, le pot provoca). O altă abordare este legată de faptul că radiația termică nu este considerată ca fiind menționată în gama gamma, indiferent cât de mare este energia sa. În univers, sunt observate obiecte macroscopice relativ stabile, încălzite la zeci de milioane de grade - acestea sunt regiuni centrale ale discurilor de acumulare în jurul stelelor neutronice și găurilor negre. Dar obiectele cu o temperatură de miliarde de grade - de exemplu, nucleele unor giganți roșii masivi - sunt aproape întotdeauna acoperite de o cochilie opacă. Cu toate acestea, adesea chiar radiații în entrails lor nu este numit radiații gamma moale, dar ultra-hard X-ray. Forme stabile cu o temperatură mai mare de zeci de miliarde de grade în universul modern nu sunt cunoscute. Aceasta dă motive să creadă că radiația gamma este întotdeauna generată de o cale nontermală. Mecanismul principal este radiația în coliziunea particulelor încărcate, accelerate la viteze apropiate de lumină prin câmpuri electromagnetice puternice, de exemplu, în stelele neutronice.
Gama de radiații
Divizarea radiației gamma în sub-benzi este și mai convențională. Energiile ultra-atractive sunt quanta-gamma, generarea căreia depășește capacitățile tehnologiilor moderne. Toate sursele de astfel de radiații sunt asociate exclusiv cu cosmosul. Dar, pe măsură ce tehnologiile tind să se dezvolte, această definiție nu poate fi numită clară.
Atmosfera ne protejează de radiațiile gamma. În subbanda moale și tare, aceasta absoarbe complet. Quanturile gama de energie ultrahumică, care se ciocnesc cu nucleele de atomi din atmosferă, generează cascade de particule, a căror energie scade și disipă treptat. Cu toate acestea, primele eșaloane ale particulelor din ele se mișcă mai repede decât viteza luminii din aer. În aceste condiții, particulele încărcate generează așa-numita radiație bremsstrahlung (Cherenkov), în unele moduri similare cu un val de șoc sonor de la o aeronavă supersonică. Câmpurile ultraviolete și vizibile ale bremsstrahlung ajung pe suprafața Pământului, unde sunt capturate de telescoape speciale. Putem spune că atmosfera în sine devine parte a telescopului, ceea ce ne permite să observăm radiația gamma din energiile ultra-energice de pe Pământ. Este marcat pe afiș cu săgeți roșii.
Cuantite mai energice - energii ultrahigh - generează atât de puternice cascade de particule încât străpung atmosfera prin și ajung pe suprafața Pământului. Acestea se numesc dușuri de aer larg (EAS) și sunt înregistrate cu senzori de scintilație. Particulele EAS împreună cu radioactivitatea naturală a rocilor terestre pot deteriora moleculele biologice, în special ADN-ul, și pot cauza mutații în organismele vii. Astfel, ele contribuie la evoluția vieții pe Pământ. Dar, dacă intensitatea lor era semnificativ mai mare, acest lucru ar putea deveni un obstacol serios în calea vieții. Din fericire, cu cât energia cuantică gamma este mai mare, cu atât mai des apar. Canturile cele mai energice cu o energie de aproximativ 10 20 eV provin aproximativ o sută de ani pe kilometru pătrat de suprafață a pământului. Originea unor astfel de quanta energetice gamma nu este încă complet clară. Cuantele nu pot avea mult mai multă energie, deoarece peste un anumit prag încep să interacționeze cu radiațiile cu microunde, care duc la crearea particulelor încărcate. Cu alte cuvinte, Universul este opac pentru radiații mult mai viguroase decât 10 21 -10 24 eV.
Infraroșu
Pornind de la lumina vizibila la lungimi de undă mai lungi ale spectrului, ne aflăm în domeniul infraroșu. Near-IR radiație nu diferă fizic de lumină vizibilă, cu excepția faptului că nu este percepută de retină. Acesta poate fi înregistrat cu aceleași dispozitive, în special cu telescoape, ca lumină vizibilă. Omul simte și radiația infraroșie din căldura asemănătoare pielii. Este datorită radiației infraroșii că suntem calzi de foc. Cea mai mare parte a energiei de ardere preia curentul ascendent pe care se fierbe apa într-un ceainic, iar radiația în infraroșu (și vizibil) este emisă în moleculele de gaz laterale ale produselor de ardere și particulele de cărbune încălzite.
Cu o lungime de undă în creștere, atmosfera pierde transparența pentru radiațiile infraroșii. Acest lucru se datorează așa-numitelor benzi de absorbție vibrațională-rotativă ale moleculelor de gaze atmosferice. Fiind obiecte cuantice, moleculele nu se pot roti sau oscila în mod arbitrar, ca și sarcini pe un arc. Fiecare moleculă are propriul său set de energii (și, în consecință, frecvențe de radiație) pe care le pot stoca sub formă de mișcări vibraționale și rotaționale. Cu toate acestea, chiar și pentru cele mai complexe molecule de aer, mulțimea acestor frecvențe este atât de extinsă încât, de fapt, atmosfera absoarbe toată radiația în anumite părți ale spectrului infraroșu - acestea sunt așa-numitele benzi de absorbție în infraroșu. Acestea sunt intercalate cu zone mici în care radiația IR cosmică atinge suprafața Pământului - acestea sunt așa-numitele ferestre de transparență, dintre care există aproximativ o duzină. Existența lor este reprezentată pe poster de săgețile albastre împrăștiate în gama infraroșie. Este interesant de observat că absorbția radiației IR se produce aproape în întregime în straturile inferioare ale atmosferei datorită creșterii densității aerului la suprafața Pământului. Acest lucru permite observarea în aproape întreaga gamă de infraroșu de la baloane și aeronave de înaltă altitudine care se ridică la stratosfera.
Divizarea radiației infraroșii în sub-benzi este de asemenea foarte condiționată. Limita dintre radiația în infraroșu apropiat și mijlociu se realizează aproximativ la temperatura absolută este de 300 K, care este caracteristică pentru obiectele de pe suprafața pământului. Prin urmare, toate acestea, inclusiv dispozitivele, sunt surse puternice de radiație infraroșie. În vederea în astfel de circumstanțe să aloce sursă exterioară de radiație, aparatul trebuie să fie răcit la temperaturi apropiate de zero absolut, și se trece în afara atmosferei, care este ea însăși intensitatea luminii medie in infrarosu - care, datorită acestui pământ radiație dispersează în energie spațiu primit în mod continuu de la Soarele. Principalul tip de detector de radiații în acest interval - bolometru, este, pur și simplu, un pic corp negru radiații de absorbție, cuplat cu termometru de mare precizie.
Gama largă de infraroșu este una dintre cele mai complexe, atât pentru generare cât și pentru înregistrarea radiațiilor. Recent, datorită dezvoltării materialelor speciale și a electronicii de mare viteză, el a învățat să lucreze destul de eficient. În tehnologie, se numește adesea radiație terahertz. În prezent, scanerele fără contact sunt dezvoltate activ pentru a determina compoziția chimică a obiectelor bazate pe generatoare de radiații terahertz. Ei vor putea să identifice explozivii și drogurile din plastic la punctele de control de pe aeroporturi.
În astronomie, această gamă este adesea numită radiație submilimetrică. Este interesant faptul că în ea (precum și în domeniul microundelor vecine) a fost observată radiația cosmică de fond a universului. La mare nivel de radiații submillimeter nu ajunge, dar este absorbit în principal în cele mai mici straturi ale atmosferei. Prin urmare, în munții din Chile și Mexic, la o altitudine de 5000 de metri deasupra nivelului mării, telescoape submillimeter mari acum în construcție - în Mexic de 50 de metri, în timp ce în Chile, o serie de telescoape cu diametre de 64 până la 12 metri.
Microunde și unde radio
La radiația infraroșie se află emisia de radio alăturată, care acoperă întreaga gamă de lungimi de undă cu lungimea de undă a spectrului electromagnetic. Energia quanta-ului în gama radio este foarte mică. De obicei, nu este suficient pentru schimbări semnificative în structura atomilor și a moleculelor, dar suficient pentru a interacționa cu nivelurile de rotație ale moleculelor, de exemplu apă. Energia undelor radio este de asemenea suficientă pentru a acționa asupra electronilor liberi, de exemplu, în dirijori. Oscilațiile câmpului electromagnetic al undei radio generează oscilații sincrone ale electronilor din antenă, adică un curent electric alternativ.
Cu cât lungimea undei radio este mai lungă, cu atât este mai puțină energie pe care o transportă și cu atât mai dificilă este înregistrarea acesteia. Pentru recepție, o antenă în care undele radio generează vibrații electrice este conectată la un circuit electric. Când rezonanța are loc cu frecvența proprie, oscilațiile sunt amplificate și pot fi înregistrate. Pentru a surprinde undele radio provenind din spațiu, sunt folosite oglinzi-antene de formă parabolică, care colectează undele radio cu întreaga lor zonă și o concentrează pe o antenă mică. Aceasta mărește sensibilitatea instrumentului.
Majoritatea radiațiilor cu microunde (începând cu o lungime de undă de 3-5 mm) trece prin atmosferă. Același lucru se poate spune și pentru undele ultra-scurte (VHF), pe care se difuzează posturile locale de televiziune și radio (inclusiv posturile de radio FM) și se realizează radiocomunicații spațiale. Emisia transmițătorilor lor este înregistrată numai în linia de vedere a antenei. Fereastra transparenței atmosferice din gama radio (săgețile albastre de pe afiș) se termină la aproximativ 10-30 metri.
Undele radio mai lungi sunt reflectate din ionosfera Pământului. Acest lucru nu ne permite să observăm surse cosmice de radio pe lungimi de undă mai lungi, dar oferă posibilitatea unei comunicații radio cu undă scurtă la nivel mondial. Undele radio cuprinse între 10 și 100 de metri pot circula pe întregul Pământ, reflectate în mod repetat din ionosferă și din suprafața Pământului. Adevărat, distribuția lor depinde de starea ionosferei, care este puternic influențată de activitatea solară. Prin urmare, comunicarea pe unde scurte nu se distinge prin înaltă calitate și fiabilitate.
Valurile medii și lungi reflectă, de asemenea, din ionosferă, dar sunt mai amortizate cu distanța. Pentru ca semnalul să fie prins la o distanță mai mare de o mie de kilometri, sunt necesare emițătoare foarte puternice. Undele radio de lungă durată, sute și mii de kilometri lungime, nu circulă pe Pământ datorită ionosferei, ci datorită efectelor de undă, care le permit, de asemenea, să pătrundă până la o anumită adâncime sub suprafața oceanului. Această proprietate este utilizată pentru comunicarea de urgență cu submarine în stare scufundată. Alte valuri radio nu trec prin apa de mare, care datorită sărurilor dizolvate în acesta este un conductor bun și absoarbe sau reflectă emisia radio.
Nu există limită teoretică pentru lungimea undelor radio. În practică, a fost experimental posibil să se creeze și să se înregistreze un unde radio cu o lungime de undă de 38 mii km (frecvența de 8 Hz).