Республики казахстан



жүктеу 5.14 Kb.
Pdf просмотр
бет14/44
Дата09.01.2017
өлшемі5.14 Kb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   44

*** 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
95 
УДК: 537.8 
 
Кузьмичева А.Е. – кандидат физико-математических наук, профессор, 
 ЗКГУ им. М.Утемисова 
Золотарь М.В. – магистрант ЗКГУ им. М.Утемисова 
E-mail: mashysiky@mail.ru 
 
МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 
В СОДЕРЖАНИИ ОБУЧЕНИЯ 
 
Аннотация.  В  статье  приводятся  необходимые  для  учебного  процесса 
результаты  анализа  электромагнитных  волн  в  физической  картине  мира, 
некоторые  сведения  из  истории  открытия  волн  различных  диапазонов; 
рассматриваются различные механизмы излучения электромагнитных волн.   
Ключевые  слова:  процесс  обучения,  электричество,  магнетизм,  шкала 
электромагнитных  волн,  источники,  механизмы  излучения,  электромагнитные 
волны  и процессы в космическом пространстве, Дж. Максвелл, М. Фарадей.  
 
1.  Электромагнитные  волны.  Классификация  по  длинам  волн  и  частоте. 
Электрические  и  магнитные  явления,  электромагнетизм  играют  большую  роль  в 
производственной  деятельности  человека,  в  быту.  Они  являются  важной 
составляющей  физической  картины  мира.  Электромагнитные  волны  являются 
важным  источником  информации  о  процессах,  протекающих  во  Вселенной.  Эту 
информацию  получают  на  основе  знания  и  понимания  механизмов  генерации  волн 
различных  диапазонов,  истории  их  открытия.  Поэтому  электромагнитным  волнам, 
механизмам  их  генерации,  роли  в  исследовании  процессов,  протекающих  в 
различных  физических  системах,  практической  значимости отводится  значительное 
место в содержании обучения физике и астрономии в школе и в вузе. Углубленное 
изучение этих вопросов необходимо студентам бакалавриата – будущим учителям.  
Электромагнитные  явления  –  это  широкий  круг  явлений  и  процессов, 
являющихся  следствием  существования  электрических  зарядов,  их  движения  и 
взаимодействия.  Всю  совокупность  таких  явлений  можно  представить  в  виде 
нескольких  составляющих,  каждая  из  которых  объединяет  некоторую  группу 
электромагнитных  процессов,  явлений.  Одну  из  таких  составляющих  представляют 
электромагнитные  волны.    К  Земле  из  космического  пространства  приходят 
электромагнитные волны всего диапазона. Регистрация и исследование их позволяют 
судить  о  процессах  в  космическом  пространстве.  Астрономия  –  одна  из  самых 
древнейших наук. Начало ее развития связано с использованием только оптического 
диапазона  электромагнитных  волн.  Единственной  информацией  из  космоса  долгое 
время  был  свет,  излучаемый  звездами  и  отраженный  или  рассеянный  различными 
космическими  объектами.  В  настоящее  время  астрономия  является  всеволновой. 
Всеволновая  астрономия  –  раздел  астрофизики,  изучающий  космические  объекты 
методом  исследования  электромагнитного  излучения.  Важная  роль  в  исследовании 
космического  пространства  каждого  диапазона  электромагнитных волн  привела  к 
тому,  что  в  астрономии  в  самостоятельную  отрасль  науки  выделились  гамма  – 
астрономия, 
рентгеновская 
астрономия, 
инфракрасная 
астрономия 
и 
радиоастрономия [1]. 
Электромагнитные  волны  представляют  собой  электромагнитные  колебания, 
распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Их существование было 
предсказано  в  1832  году  английским  физиком  М.  Фарадеем.  Используя  известные 
экспериментальные  законы  электричества  и  магнетизма  и  математический  аппарат 
дифференциального исчисления, Дж. Максвелл в 1865 году пришел к принципиально 
новым для физической науки положениям о существовании электромагнитных волн 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
96 
и  механизме  их  излучения:  распространение  в  пространстве  изменяющихся 
электрического  и  магнитного  полей,  образующих  единое  электромагнитное  поле, 
описывается  волновыми  уравнениями,  следовательно,  представляет  собой  волновой 
процесс.  А.Эйнштейн  сравнивает  имена  М.Фарадея  и  Дж.Максвелла  в  науке  об 
электричестве  с  именами  Г.Галилея  и  И.Ньютона  в  механике.  Здесь  действительно 
прослеживается  аналогия.  И.Ньютон  завершил  механику,  начало  которой  положил 
Г.Галилей.  М.Фарадей  по-новому  подошел  к изучению  электрических  и  магнитных 
явлений, обратив внимание на роль  среды. Он ввел концепцию поля, описываемого 
им  с  помощью  силовых  линий.  Дж.  Максвелл  идеям  М.Фарадея  придал 
математическую  завершенность,  ввел  точный  термин  «электромагнитное  поле», 
которого  еще  не  было  у  М.Фарадея.  Так  же  как  Г.Галилей  и  И.Ньютон  заложили 
основы  механической  картины  мира,  М.Фарадей  и  Дж.Максвелл  заложили  основу 
электромагнитной картины мира [1, с. 874; 2]. 
Электромагнитные  волны  различной  частоты  (длины)  имеют  одинаковую 
природу  – распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. 
На  шкале  электромагнитных  волн  только  видимый  диапазон  отмечается  четкими 
границами, так как он определен свойствами среднего человеческого глаза. Однако 
между остальными диапазонами четкой границы нет. Это связано с тем, что названия 
диапазонов  электромагнитных  волн  отражают  историю  их  открытия,  источник  и 
метод  получения.  И  в  зависимости  от  метода  получения  волне  в  данном 
исследовании  будет  присвоено  соответствующее  название.  Например,  излучение 
будет  называться 
излучением,  если  его  источником  явился  радиоактивный 
распад,  или  рентгеновским  при  такой  же  длине  волны,  если  оно  получено  в 
результате  перехода  электронов  между  нижними  энергетическими  уровнями 
тяжелых  элементов.  Поэтому  представляет  интерес  изучение  не  только  механизмов 
излучения  электромагнитных  волн,  их  применения,  но  и  история  их  открытия, 
которая у каждого диапазона своя.  
История  открытия  инфракрасного  излучения  связана  с  исследованием 
излучения  Солнца  английским  астрономом  У.  Гершелем  в  1800  году.  В  поисках 
способа уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения, 
У.  Гершель  обнаружил  существование  излучения  за  красной  границей  видимого 
спектра [3].  Ультрафиолетовое излучение принято  делить на ближнее и вакуумное. 
Ближнее  ультрафиолетовое  излучение  открыто  в  1801  году  нем  ученым  И.В. 
Риттером и английским ученым У.Волластоном. Ими обнаружено невидимое глазом 
излучение  за  фиолетовым  краем  спектра,  которое  действовало  на  некоторые 
химические  соединения,  например,  разложение  хлорида  серебра,  свечение 
кристаллов  сульфида  цинка  и  другие.  Вакуумное  ультрафиолетовое  излучение  (до 
130 нм.) открыто немецким ученым В.Шуманом 1885-1903 г., до 25 нм. – английским 
физиком  Т.Лаймоном  1924  г.  [1,  с.  782].  Это  излучение  поглощается  в  атмосфере, 
наблюдать  его  можно  только  из  космоса,  поэтому  его  называют  вакуумным 
ультрафиолетом.  История  открытия  рентгеновского  диапазона  электромагнитных 
волн,  лежащего  между  ультрафиолетом  и  гамма  излучением,  достаточно  подробно 
излагается в различных учебных пособиях. Излучение этого диапазона было открыто 
немецким  физиком  В.К.  Рентгеном,  имя  которого  и  было  присвоено  данному 
диапазону.  Электронно-лучевая  трубка,  с  помощью  которой  было  получено 
излучение,  получила  название  рентгеновской.  Обнаружение   
  –  диапазона 
электромагнитных  волн  связано  с  открытием  естественной  радиоактивности. 
История  этого  открытия  так  же  подробно  изложена  в  соответствующих  учебных 
пособиях [4; 5; 6; 7]. 
Далее  рассматриваются  источники  излучения  электромагнитных  волн  и 
механизмы  их  излучения,  условия  и  процессы,  приводящие  к  излучению,  которые 
для  волн  различных  диапазонов  могут  быть  различными.  Поэтому  исследование 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
97 
электромагнитных  волн,  приходящих  из  Космоса,  позволяет  ученым  делать 
некоторые  выводы  о  состоянии  космического  пространства  и  процессах,  в  нем 
протекающих. 
2.  Тепловые  источники  излучения.  Реликтовое  излучение  во  Вселенной.  Выше 
рассмотрена  классификация  (шкала)  электромагнитных  волн  по  диапазонам  длин 
волн.  В  физической науке  используется  так  же  классификация  волн по  источникам 
их излучения. В общем случае источники можно разделить на две группы, к которым 
относят  тепловые  и  нетепловые.  Тепловым  или  температурным  излучением 
называют  излучение,  находящееся  в  равновесии  с  нагретым  телом.  Оно  является 
следствием хаотического теплового движения частиц тела, их кинетической энергии 
и,  следовательно,  зависит  от  температуры.  При  столкновении  частиц  за  счет  их 
кинетической  энергии  может  происходить  переход  электронов  атомов  или  молекул 
на  более  высокие  энергетические  уровни.  Эти  возбужденные  уровни  нестабильны. 
При возвращении электронов на нижние свободные уровни наблюдается излучение 
соответствующей  частоты  или  длины  волны.  Равновесное  тепловое  излучение 
достаточно  хорошо  изучено  в  физике.  Спектр  этого  излучения  называется 
планковским.  Название  обусловлено  тем,  что  М.  Планк  теоретически  объяснил 
экспериментальную  кривую  распределения  энергии  в  спектре  излучения  черного 
тела, введя при этом представление о квантовом (дискретном) характере излучения, 
что дало начало современной квантовой физике.  
Нетепловые источники излучения связаны с движением заряженных частиц в 
электрических  и  магнитных  полях.  К  таким  источникам  можно  отнести  также 
излучение,  образующееся  в  результате  мазерного  эффекта.  При  использовании 
электромагнитного  излучения  в  научных  исследованиях,  при  определении 
механизма,  регистрируемого  излучения  принципиальное  значение  имеет  то,  что 
спектры  теплового  и  нетеплового  излучения  различны.  У  теплового  излучения 
спектр  планковский  и  определяется  температурой  источника.  Спектры  нетеплового 
излучения  нельзя  характеризовать  каким-либо  значением  температуры  источника. 
Поэтому  характер  спектра  несет  информацию  о  процессах,  протекающих  в 
источнике. 
В  астрономии источником теплового  излучения  являются  звезды.  Вследствие 
их  высокой  температуры  максимум  плотности  энергии  излучения  приходится  на 
область видимого диапазона электромагнитных волн. Особый интерес представляет 
также  электромагнитное  микроволновое  фоновое  излучение,  происхождение 
которого связывают с началом рождения Вселенной и ее дальнейшим  расширением 
после  Большого  Взрыва.  С  этим  связано  второе  название  данного  излучения  – 
реликтовое.  Реликтовое  излучение  было  открыто  в  1965  году  американскими 
астрономами  А.  Пензиасом    и  Р.  Вильсоном.   Фоновое  реликтовое  радиоизлучение 
важно для космологии, во-первых, как факт самого его существования и, во-вторых, 
потому, что оно дает возможность исследовать физические процессы во Вселенной и 
ее структуру.  
Согласно  современным  космологическим  представлениям  в  модели  горячей 
Вселенной в прошлом вещество имело очень высокую температуру. При 
 
первичная плазма из протонов, ионов гелия и электронов, непрерывно излучающих, 
рассеивающих  и  поглощающих  фотоны,  находилась  в  полном  термодинамическом 
равновесии  с  излучением.  На  ранних  стадиях  в  период    t  ~100  c  после  начала 
расширения  Вселенной  в  эпоху  высоких  температур  не  существовало  нейтральных 
атомов и молекул, так как энергия фотонов и теплового движения частиц превышала 
энергию  связи  атомов  и  молекул.  Высокие  плотность  и  температура  излучения  не 
позволяли образовываться нейтральным атомам, так как высокоэнергичные фотоны 
ионизировали  вещество.  Поэтому  вещество  находилось  в  состоянии  плазмы  в 
равновесии  с  излучением.  Равновесный  (планковский)  спектр  сформировался 
благодаря  взаимодействию  излучения  с  равновесной  плазмой.    При  последующем 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
98 
расширении  Вселенной  температура  плазмы  и  излучения  падала,  но  чернотельный 
(планковский)  спектр  излучения  сохраняется,  уменьшается  лишь  его  температура. 
Фотоны  реликтового  излучения  распространяются  практически  свободно  и 
наблюдаются  сейчас  в  виде  равновесного  микроволнового  фонового  излучения. 
Длина их свободного пробега огромна, составляет  миллиарды световых лет  от  акта 
их последнего рассеяния. Такая большая длина свободного пробега используется как 
эффективное средство исследования крупномасштабной структуры Вселенной [8, с. 
93, 403]. 
Реликтовое  излучение  несет  информацию  не  только  о  раннем  периоде 
эволюции  мира,  но  и  о  некоторых  более  поздних  процессах,  протекающих  во 
Вселенной. Некоторые из этих процессов касаются частиц космических лучей очень 
высокой  энергии.  Таких  частиц  мало.  Оказалось,  что  время  жизни  таких  частиц 
зависит  от  фотонов  реликтового  излучения.  При  столкновении  с  ними 
ультрарелятивистских электронов космических лучей происходит перераспределение 
энергии  и  импульса.  Энергия  фотона  во  много  раз  возрастает,  радиофотон 
превращается  в  рентгеновский  фотон.  Энергия  электрона  в  одном  акте 
взаимодействия  мало  меняется,  но  процесс  повторяется  многократно.  Электрон 
постепенно теряет всю энергию, а наблюдаемое со спутников и ракет рентгеновское 
фоновое  излучение  по-видимому  частично  обязано  своим  происхождением  этому 
процессу.  Протоны  и  ядра  сверхвысоких  энергий  также  подвержены  воздействию 
микроволнового фонового излучения. При взаимодействии их энергия уменьшается. 
С этими процессами связывают практическое отсутствие в космических лучах частиц 
с энергией больше 10
20 
эВ, а также малое количество тяжелых ядер.  
Таким  образом,  имеющаяся  информация  о  свойствах  микроволнового 
фонового  излучения,  его  спектре,  не  похожем  на  спектр  радиоисточников,  очень 
высокая  энергия,  почти  полное  отсутствие  флуктуаций,  изотрапия  не  позволяют 
считать  источником  его  звезды,  радиогалактики,  горячий  межгалактический  газ, 
переизлучение видимого света межзвездной пылью. 
3.  Классификация  механизмов  излучения.  Классические  механизмы  излучения 
электромагнитных  волн.  Источники  электромагнитных  волн  по  своей  природе  и 
механизму излучения могут  быть различными. Выше отмечено деление источников 
на тепловые и нетепловые. В соответствие с тем, что содержание физической науки 
принято  делить  на  физику  классическую  и  физику  современную  (квантовую), 
механизмы  излучения  электромагнитных  волн  также  можно  классифицировать  как 
классические и квантовые. 
Классический 
механизм 
излучения 
предсказан 
в 
фундаментальной 
теоретической  электродинамике,  разработанной  Дж.Максвеллом  в  третьей  четверти 
19  века.  Согласно  Дж.Максвеллу  источником  электромагнитных  волн  могут  быть 
заряды,  движущиеся  с  переменной  скоростью,  то  есть  с  ускорением.  Мощность 
излучения пропорциональна квадрату ускорения. Следовательно, для возникновения 
излучения  не  имеет  значения  изменяется  ли  скорость  по  направлению  или  по 
модулю,  возрастает  она  или  уменьшается.  Такие  изменения  скорости  (ускорения) 
заряда могут возникать при его движении в электрических полях под действием силы 
Кулона  и  в  магнитных  –  под  действием  силы  Лоренца,  которая  искривляет 
траекторию,  не  изменяя  скорости  по  модулю.  Механизмы  излучения,  связанные  с 
ускоренным  движением  частиц  в  электрических  и  магнитных  полях  относятся  к 
нетепловым.  В  зависимости  от  природы  ускорения  заряженных  частиц  излучение 
может иметь определенное название.  
Тормозное излучение –  электромагнитное излучение, испускаемое заряженной 
частицей  при  ее  рассеянии  (торможении)  в  электрическом  поле.  Классическая 
электродинамика с хорошим приближением описывает тормозное излучение. Так как 
ускорение,  согласно  второму  закону  Ньютона,  обратно  пропорционально  массе 
частицы, а в формулу мощности излучения ускорение входит в квадрате, то в одном 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
99 
и том же поле излучение легкой частицы, например, электрона будет в миллион раз 
больше,  чем  протона.  Поэтому  на  практике  используется  тормозное  излучение 
электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов. Такова природа 
тормозного  рентгеновского  и  -излучения,  испускаемых  быстрыми  электронами  при 
прохождении их через вещество. Тормозное излучение из Космоса также в основном 
электронного происхождения. Спектр  фотонов тормозного излучения непрерывен и 
обрывается  сверху  максимально  возможной  энергией  равной  начальной  энергии 
электрона.    Наиболее  точное  описание  тормозного  излучения  дает  квантовая 
электродинамика.  
Причиной  значительного  тормозного  излучения  может  быть  тепловое 
движение  в  горячей  разряженной  плазме  (с  температурой  10
5
-10
6
  К  и  выше). 
Элементы тормозного излучения, называемого в этом случае тепловым, обусловлены 
столкновениями  заряженных  частиц,  из  которых  состоит  плазма.  Космическое 
рентгеновское  излучение,  наблюдение  которого  стало  возможным  с  появлением 
искусственных  спутников  Земли,  частично  (а  излучение  некоторых  дискретных 
рентгеновских источников, возможно, полностью) является, по-видимому, тепловым 
тормозным излучением [1, с. 763]. 
Магнитотормозное  излучение  –  это  излучение  заряженных  частиц, 
вращающихся вокруг силовых линий магнитного поля под действием силы Лоренца. 
В случае нерелятивистских частиц называется циклотронным, релятивистских частиц 
–  синхротронным.  Магнитотормозное  излучение  играет  важную  роль  в 
радиоизлучении галактик, радио-, оптического и рентгеновского излучения остатков 
вспышек  сверхновых  звезд  (крабовидной  туманности),  в  оптическом  излучении 
магнитных  белых  карликов,  рентгеновском  излучении  аккрецирующих  нейтронных 
звезд (рентгеновские пульсары), в радиоизлучении Солнца, больших планет и других 
космических объектов [8, с. 376]. 
Рассмотрим  циклотронное  излучение,  то  есть  излучение  нерелятивистских 
частиц,  движущихся  в  магнитном  поле.  Такие  частицы  описывают  спиральные 
траектории, как бы навиваясь на линии магнитного поля. Угловая скорость вращения 
таких  частиц  называется  циклотронной  частотой     
,    где   q   -    заряд 
частицы и  m  - ее масса.Так как частица движется с ускорением, то заряды излучают 
как  на  основной  частоте,  так  и  на  более  высоких  гармониках     
.   
Полная мощность излучения 

где
 -    компонент  скорости  частицы,  перпендикулярный  магнитному 
полю.  Мощность  излучения  на  гармониках  меньше,  чем  на  основной  частоте.  С 
увеличением номера гармоники интенсивность излучения очень быстро падает. В то 
же время растет  его направленность. Излучение сосредоточено в плоскости орбиты 
частицы.  
В  космических  условиях  магнитные  поля обычно  не очень  сильные,  поэтому 
циклотронная  частота  невелика.  Эта  частота  и  ее  гармоники  оказываются  меньше 
плазменной частоты.  Поэтому циклотронное излучение в плазме распространяться 
не  может.  В  некоторых  случаях,  например,  в  корональной  плазме  над  солнечными 
пятнами  циклотронное  излучение  может  быть  существенным.  Циклотронный 
механизм 
объясняет 
особенности 
медленно 
изменяющегося 
компонента 
радиоизлучения  Солнца.  Циклотронное  излучение  может  играть  заметную  роль  в 
радиоизлучении  магнитосфер  планет.  Сильные  магнитные  поля  обнаружены  на 
поверхности белых карликов (B ~10
5
-10
8
Гс) и нейтронных звезд (B~10

- 10
13
Гс). При 

 
                
 
 
 
 
БҚМУ Хабаршы №1-2016ж.  
 
100 
аккреции  плазмы  на  эти  объекты  циклотронное  излучение  становится  важнейшим 
механизмом  излучения  не  только  на  основной,  но  и  на  высоких  гармониках. 
Циклотронное  излучение  у  этих  объектов  попадает  в  инфракрасный,  оптический, 
ультрафиолетовый  и  рентгеновский  диапазоны.  Таким  образом,  наблюдение 
циклотронного  излучения  позволяет  делать  вывод  о  величине  магнитного  поля  и 
состоянии среды в области, из которой приходит излучение [8, c. 712]. 
Синхротронное  излучение  –  это  излучение  заряженными  частицами, 
движущимися  с  релятивистскими  скоростями  в  однородном  магнитном  поле.  Его 
называют  также  магнитотормозным.  Впервые  синхротронное  излучение 
предсказано  Э.Шоттом  в  1913  году  и  наблюдалось  в  циклических  ускорителях 
синхротронах, поэтому и получило такое название. Так же, как и циклотронное оно 
обусловлено ускорением, связанным с искривлением траектории частиц в магнитном 
поле,  то  есть  с  движением  частицы  по  круговым  или  спиральным  траекториям. 
Излучение  заряженных  релятивистских  частиц  обладает  рядом  существенных 
отличий  от  излучения  медленных  частиц.  При  движении  заряда  в  магнитном  поле 
излучение происходит на основной гиромагнитной частоте и ее первых гармониках. 
С  увеличением  скорости  частицы  роль  высоких  гармоник  возрастает.  При 
приближении  к  релятивистскому  пределу  излучение  в  области  наиболее 
интенсивных  высоких  гармоник  обладает  практически  непрерывным  спектром  и 
сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора    
,   где  m  и E– масса и энергия частицы. Полная мощность излучения при  
    сильно  зависит  от  массы  излучающей  частицы  (обратно 
пропорционально  квадрату  массы).  Поэтому  синхротронное  излучение  наиболее 
существенно для легких частиц – электронов и позитронов [1, с. 688]. 
Большой  интерес  представляет  синхротронное  излучение  космических 
объектов.  Оно  образует  нетепловой  радиофон  Галактики,  нетепловое  радио  и 
оптическое  излучение  дискретных  источников  (сверхновые  звезды,  пульсары, 
квазары, радиогалактики). Синхротронная природа этих излучений подтверждается 
особенностями  их  спектра  и  поляризации.  Согласно  современным  представлениям 
релятивистские  электроны,  входящие  в  состав  космических  лучей,  в  космических 
магнитных полях дают излучение в радио, оптическом и, возможно, рентгеновском 
диапазонах. Измерения синхротронного излучения позволяют получать информацию 
о концентрации и энергетическом  спектре релятивистских электронов, величине и 
направлении магнитных полей, удаленных в частях Вселенной [8, с. 612]. 
На  рисунке  1  «Классический  механизм  излучения»  представлены 
рассмотренные частные случаи этого механизма излучения. 
жүктеу 5.14 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   44




©emirb.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет