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奥林巴斯显微镜,电磁辐射的性质

2014-02-17  发布者:admin 

可见光是一个复杂的现象,是古典与基于传播射线和波前一个简单的模型来解释,一个概念最早在17世纪末期由荷兰物理学家惠更斯提出。 电磁辐射,大家族到可见光属于(也称为辐射能 )波浪状的现象,是主要手段,通过对宇宙的浩瀚下游输送能量。 由可见光发射或吸收的物质,以及它是如何变化的条件下,可预见的反应,因为它穿越空间和大气的机制,形成色彩在我们的宇宙中存在的基础。

电磁辐射光谱

术语电磁辐射 ,爵士詹姆斯·克拉克·麦克斯韦杜撰,从通用于所有形式的这种波浪状能量的电特性和磁学性质得出,通过空间表现为两个电磁振荡场的波的产生传播。 可见光表示电磁辐射的整个频谱的一小部分(如归类于图1),其从高频的宇宙射线和γ射线,通过X射线,紫外光,红外辐射,微波和延伸,下降到非常低的频率长波长的无线电波。

,电和磁之间的联系是不会立即明显,早期的科学家谁是尝试与光的基本属性和关系。 红外光,这在于超越可见光的长波长红色,是电磁辐射被发现的第一个“看不见”的形式。 英国科学家和天文学家威廉·赫歇尔在调查温度计和棱镜的热和光之间的关系时,他发现温度最高的区域只是超出了可见光光谱的红色部分。 赫歇尔建议,必须有在这个区域是不可见肉眼另一种类型的光。

紫外线辐射,在可见光谱的另一端,被发现由Wilhelm特尔,谁是第科学家调查与可见光相关的能量中的一个。 通过观察在其中各种颜色的光激发的纸用硝酸银的溶液饱和变暗速率,里特发现,光的另一个看不见的形式,超越了光谱的蓝端,得到最快的速率。

电和磁是第一个在1820年时,相关的丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现,流经导线的电流会产生一个罗盘针偏转。 同年晚些时候,法国科学家安德烈 - 玛丽·安培表明,两条导线承载的电流,可向吸引或排斥对方,类似磁极的一种时尚。 在接下来的几十年里,下面的这些线索补充调查所产生的证据表明,电和磁是非常密切相关,彼此越来越多。

最后,在1865年,苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦扩大了他的气体动力学理论来解释数学上电和磁之间的联系。 麦克斯韦推测,这两种现象是如此紧密相连,他们经常一起行动为电磁 ,发现交流电会产生电磁波辐射是到太空以光的速度两个实体组成。 从这些观察,他得出的结论是可见光是电磁辐射的一种形式。

电磁波传播或传播该被定向成直角的两电(E)和磁(B)的振荡场矢量的振动,来自辐射源的能量传送到一个不确定的最终目的地的方向。 在两个振荡能量场相互垂直(在图2中示出)和下一个正弦波的数学形式的振动同相。 电场和磁场向量不是唯一的彼此垂直的,但也垂直于波的传播方向。 按照惯例,为了简化图示,表示电磁波的电场和磁场的振荡场的矢量常常省略,尽管它们被理解为仍然存在。

是否考虑从广播台发送到无线电信号的形式,热从壁炉辐射,牙医的X射线产生的牙齿的图像,或在可见光和紫外光从太阳发出的,在各类电磁辐射的所有有着相同和基波样特性。 电磁辐射,包括可见光,每一个类别中的振荡的周期的方式与峰和谷(或波谷),并显示了特征的振幅 , 波长频率共同定义的方向,能量和辐射的强度。

在图2中呈现的电磁波的经典示意图示出,因为他们通过空间传播的振荡电场和磁场分量向量的正弦性质。 为方便起见,多数的插图描绘电磁辐射故意省略磁性部件,而不是仅代表电场矢量在一个二维图形情节具有定义的x和y坐标的正弦波。 按照惯例,该正弦波的y分量表示的电(或磁场)的振幅,而x分量表示时间,行驶的距离,或与另一正弦波的相位关系。

所有的电磁辐射的一个衡量标准是波长的量级(在真空中),它通常以纳米(千分之一微米),用于在光谱的可见光部分的单位表示。 的波长被定义为两个连续的峰(或谷)之间的波形(见图2)的距离。 的辐射波,这是正弦周期(振荡或完整的波长)的数量是通过每秒一个给定的点的对应频率 ,正比于波长的倒数。因此,较长的波长对应于较低频率辐射和较短的波长对应于较高的频率的辐射。 频率通常以赫兹(Hz)或每秒(cps)的周期数量。

赫兹被指定为电磁辐射频率的识别德国物理学家海因里希赫兹,谁成功地生成和执行与电磁波实验于1887年,麦克斯韦去世八年后的工作的标准单位。 赫兹生产,检测,甚至测量辐射的波长(约1米),现在归类于射频范围。 大卫·休斯,一个伦敦出生的科学家是谁在他早期的职业生涯中的音乐教授,实际上可能是第一个调查中无线电波的传播(1879年)成功,但未能说服英国皇家学会后,他决定不出版他的作品,它不被认可,直到很多年以后。

不同的波长和频率,包括各种形式的电磁辐射是在它们的所有旅行每秒(或约300,000每秒千米)相同的速度大约186000英里基本上类似,速度通常被称为光的速度(与由符号 C表示)。 电磁辐射(包括可见光)行驶1.49亿公里(93000000英里)从太阳到地球约8分钟。 相比之下,汽车飞驰在每小时100公里(每小时60英里)需要177年做出同样的单程旅行。 在只有一秒,轻者可环绕地球的七倍。

光的波长,和所有其他形式的电磁辐射,是关系到频率通过一个相对简单的等式:

ν= C /λ

其中 ,c是光的速度(米每秒),ν是赫兹(Hz)的光的频率,而λ是以米为单位测得的光的波长。 从这个关系可以得出结论,光的波长是与频率成反比。 在频率的增加产生一个比例减少的光的波长,与构成该光的光子的能量的相应增加。 在进入一个新的介质(如玻璃或水从空气中),光的速度和波长减小时,虽然频率保持不变。

在正常情况下,通过均匀的介质,如空气或真空中行进时,光沿直线传播,直到与另一个介质或材料相互作用诱导路径的变化,通过折射 (弯曲)或反射 。 的强度也可以通过介质减少吸收的结果。 如果光波穿过一个狭窄的缝隙或开口(孔),然后可以将它们衍射或分散(分散的),以形成一个特征衍射图案。 按照众所周知的平方反比定律 ,电磁辐射的强度(或辐射)成反比行进的距离的平方。 因此,后光具有给定的行驶距离的两倍,强度下降了的4倍。

可见光显示经典波浪状的特性,但它也表现出性能让人想起颗粒,这是通过具有能量和动量(但没有质量)实体显现出来,并且被称为光子 。 该原子是各种形式的电磁辐射,不管是可见的或不可见的源。 较高能量形式的辐射,如γ波和X射线,是由发生干扰的原子的核稳定的事件产生。 辐射具有较低能量,如紫外线,可见光和红外光,以及无线电和微波,从周围的细胞核或1原子的相互作用与另一个电子云起源。 这些形式的辐射的发生是由于事实,即电子的移动在绕原子核的轨道被安排在不同的能量水平的概率分布函数内。 许多电子的能吸收更多的能量从电磁辐射的外部源(见图3),这将导致他们的推广到一个内在的不稳定性较高的能级。

最终,“兴奋”电子通过发射低能量的电磁辐射失去多余的能量,在此过程中,回落到原来的稳定的能量水平。所发射的辐射的能量等于最初是由电子减去其他少量的能量,通过若干次级过程的丢失所吸收的能量。

电磁辐射的能量水平可以变化,以一个显著程度取决于源的电子或原子核的能量。 例如,无线电波具有显著较少的能量比做微波,红外线,或可见光,并且所有这些波的含有能量远小于紫外线,X射线和γ波。 作为一项规则,更高的电磁辐射能量与更短的波长比同类形式的辐射具有较低的能量有关。 的电磁波的能量,其频率之间的关系被表示的公式

E = hν = hc/λ

其中,E是能量在每摩尔千焦耳,h是普朗克常数,并且其他变量的定义如前所述。 根据此公式中,电磁波的能量成正比的频率和反比于波长。 因此,随着频率的增加(与波长相应减少)时,电磁波的能量增加,反之亦然。 不同类型的电磁辐射的选定的特性,它们的波长,频率和能量水平的定义,将单独评论在下面的段落中。

即使电磁辐射是由波形的波长和频率的习惯那样,其它特性时考虑波通过空间传播的方式是重要的。 示于图4是表示被用于描述电磁辐射的均匀性的程度共同状态的各种波形。 因为可见光是最常见的讨论形式的辐射,在图4所示的例子中有代表性的波长在此光谱区域。 例如, 单色光由波都具有相同的波长和频率,或宏观上,相同颜色的可见光。 相比之下, 多色可见光通常出现应有的贡献从全部或大部分波长在光谱中400和700纳米之间不等的混合物为白色 。

当光是非偏振的 (图4)中,电场矢量的振动在躺在垂直于传播方向的所有平面。 光已经被反射的光滑表面以临界角,或通过偏振滤光器通过,假定平面偏振方向与所有的电矢量垂直于传播方向的振动在一个单一的平面。 来自太阳,并且大多数普通白炽灯和荧光灯可见光源,光是非偏振光,而光通过定制太阳镜偏光镜片看到的被极化的垂直方向。 在一些情况下,光可以是椭圆形或当其穿过具有一个以上的折射率( 双折射加倍折射的物质)的材料的圆偏振光。

大多数人造和天然光源发出非相干光用于显示各种相位关系存在于光谱中的波长之间(图4)。 在这种情况下,在各个波的振动状态的峰和谷在空间或时间上不重合。 相干光由波长是在彼此同相的,并表现在一个非常不同的方式比非相干光相对于光学性能和相互作用的问题。 由相干光产生的波阵面有电场和磁场矢量的振动在振荡阶段,具有低发散角,并且通常是由单色光的波长或具有窄分布。 激光是相干光的一个常见来源。

光波具有同轴的,相对非发散路径,因为它们穿越空间被称为平行 。 这个组织的光的形状不扩散或收敛到一个显著度以上比较长的距离。 准直的光形成了一个非常紧凑的光束,但不一定必须波长的窄频带(它也不一定是单色的),一个共同的相位关系,或一个定义的偏振状态。 准直的光的波阵面是平面,并垂直于传播轴。 与此相反, 发散或者非准直光传播到不同程度,同时通过空间移动,并且必须通过以被准直或聚焦透镜或光圈被传递。

伽马射线 -即具有最高频率的高能量辐射(与波长最短),伽马射线发射的原子核,包括某些放射性物质(天然的和人工的)核内跃迁的结果。 伽玛波也从核爆炸以及各种在外层空间进行其他来源的起源。 这些强大的射线具有巨大的穿透能力,据报道,能够通过具体的三米! 个别伽玛射线光子含有它们很容易被发现如此多的能量,但非常小的波长限制了实验观察的任何波状特性。 伽玛射线从宇宙中最热的地区,包括超新星爆炸,中子星,脉冲星和黑洞始发,通过在太空中遥远的距离才能到达地球。 这种高能量辐射的形式具有波长小于百分之一纳米(10皮米)中,光子能量大于500千电子伏( 千电子伏 ),以及频率超过30exahertz(EHZ)。

暴露于γ射线可诱发突变,染色体畸变,甚至细胞死亡,如通常在一些形式的辐射中毒的观察。 然而,通过控制伽玛射线的辐射,放射科医生可以重新引导高能量水平,以对抗疾病,并帮助治疗某些癌症。 伽玛射线天文学是一个相对较新的科学,以产生宇宙的图像,如图5所示收集这些高能量波。 这种技术能提供科学家机会观察在寻找新的物理概念,遥远的天体现象,并测试无法通过这里在地球上进行的实验被质疑的理论。

X射线 -具有电磁辐射的频率只是紫外上述(但伽玛以下)的范围被划分为X射线,并且是能量足以通过许多材料容易通过,包括动物的软组织。 高穿透深度的这些强大的波,加上其露出感光乳剂的能力,导致了广泛使用的X射线的医学研究的纹理在人体内,并在某些情况下,作为一种治疗或外科手术工具。 以同样的方式作为高能量的γ射线,不受控制暴露于X射线可导致突变,染色体畸变,以及其他形式的细胞损伤。 传统的X线成像方法本质上产生无非致密的材料铸件的影子,而不是详细的图像。 在X-射线反射镜可聚焦技术的最新进展,但是,已经导致了从各种利用X射线望远镜,X射线显微镜,干涉仪和物体的显著更详细的图像。

在外层空间热气散发出的X射线,这是由天文学家利用来获得关于宇宙的星际地区的起源和特性信息的强大的频谱。 许多极热天体,包括太阳,黑洞,脉冲星和,放出主要是在光谱的X射线区域和是天文数字X射线研究的课题。 的X射线的频谱跨越一个非常大的范围内,用最短的波长接近的原子的直径。 然而,整个透视光谱区域横穿约10纳米和10皮米之间的长度尺度。 该波长范围内,使X射线辐射地质学家和化学家的重要工具,用于表征晶体材料的结构和性质,这对一个长度尺度周期结构特征相媲美的透视波长。

紫外线灯 -通常缩写(UV),紫外线辐射传播频率略高于那些紫色的可见光光谱。 虽然这个光谱区域的低能端邻近可见光,紫外线,在其频率范围的上端有足够的能量,以杀死活细胞和产生显著组织损伤。 太阳是紫外线辐射的恒流源,但地球(主要是臭氧分子)的气氛有效地阻止大多数这种可能致命的辐射流的更短的波长,从而提供对植物和动物合适的生活环境。 在紫外光的光子能量足以电离从多个气体分子在大气中的原子数,这是由电离层被创建和持续的过程。 尽管小剂量的这种相对高能量的光可以促进维生素D在体内的生产,导致皮肤晒黑极小,过多的紫外线照射会导致严重的晒伤,永久性的视网膜损伤,并促进皮肤癌。

紫外线被广泛使用科学仪器来探测各种化学和生物系统的性能,这也是很重要的太阳系,银河系和宇宙的其他部分的天文观测。 星等热点天体是紫外线辐射较强的发射器。 紫外线波长光谱范围从约10至约400纳米,具有光子能量3.2和100电子伏特(eV)之间的范围内。 这一类的辐射具有在水和食物治疗应用中作为抗微生物剂,作为光催化剂为笼状化合物,并且是利用硬化石膏中的药物治疗。 紫外线的杀菌活性发生在波长小于约290纳米。 A股市场的封锁和过滤而皮肤乳液,太阳眼镜,和窗口色调采用化合物旨在控制紫外线照射的阳光。

一些昆虫(特别是蜜蜂)和鸟类具有在紫外区域至长波长响应足够的视觉灵敏度,并且可以依靠这种能力中的导航。 人类是在它们对紫外线辐射敏感度由于吸收较短波长的角膜限定,由强吸收在眼透镜在波长大于300纳米。

可见光 -与可见光光谱相关联的颜色的彩虹代表了整个电磁频谱的只有约2.5%,并包括光子能量约1.6到3.2电子伏特之间。 颜色不是光本身的性质,但对颜色的感觉时,通过人的眼睛,神经,脑传感系统的结合反应。 在电磁波谱的可见光区位于一个窄频带内,从约384至769 赫兹和被感知为颜色从深红(780纳米波长)深紫外线(400纳米)。

低能量,长波长红色的颜色(622-780纳米),其次是按顺序由橙色(597-622纳米),黄色(577-597纳米),绿色(492-577纳米),蓝色(455-492纳米),最后是相对高能量,短波长的紫外线(455纳米及以下)。 一个简单的方法来记住在可见光光谱的颜色顺序(增加频率)与助记符缩写ROY摹BIV(R,O范围,Y ellow, 绿,B略, 我ndigo,V iolet, ),作为教导百万计的学童近一个世纪(尽管靛蓝是由一些科学家不再被认为是相关的颜色)。

可见光光谱成彩色区域基于物理性质的划分很简单,但在色彩感应的方式就没有那么明显。 从人的感测系统的对可见光谱的各种频率的区域,以及各种光的频率的不同组合的主观反应的颜色感知的结果可以产生“看到”的特定颜色的相同的视觉响应。 人类可以感知的颜色绿色,例如,反应轻几种颜色的组合,其中并无必然组成的“绿色”波长。

可见光的基础是地球上所有生命,是由初级产品生产者或自养生物 ,如绿色植物抓获。 生物食物链的这些基本成员利用太阳光作为能源的来源,制造自己的食物和生化组成部分。 作为回报,自养生物释放氧气,在所有的动物依赖,作为一个副产品。

在1672年,艾萨克·牛顿爵士的研究可见光与玻璃棱镜的互动和第一认识到白光实际上是不同的颜色代表了整个可见光光谱的混合物。 从多种天然和人工白炽光源,包括阳光,化学反应(如火灾)和白炽灯钨丝白色光的起源。 从这种类型的源的宽的发射光谱被称为热辐射。 可见光的其它来源,例如气体放电管,能够在狭窄的,明确定义的频率范围(相当于一个单一的颜色),这取决于特定的能级跃迁的源材料的原子发射的光。各个颜色的强烈感觉也导致从材料及被白光照明对象的特定的吸收,反射或透射特性。 一种常见的合成染料,鸢尾蓝B的可见紫外光的吸收光谱,示于图6。 这个色彩鲜艳的有机分子的吸收解决方案中均可见及紫外光的光谱范围的光,似乎大多数人作为一个富有,中等蓝色。

红外辐射 -通常简称IR,红外波段的大波段从可见光光谱(约700-780纳米)的远红外部分延伸到波长大约1毫米。 随着光子能量范围大约从〜1.2 millielectron伏到略低于1.7电子伏特,红外线波有相应的300千兆赫(GHz)和大约400 赫兹之间的频率。 这种类型的辐射与所述热区,其中可见光不一定是可检测的,甚至存在关联。 例如,对人体不发射可见光,但它并发出微弱的红外辐射,这是感觉,并且可以记录为热量。 发射光谱始于约3000纳米的范围超出了远红外,最高达到约10000纳米。

存在上述的绝对零度(-273摄氏度)的温度的所有对象的分子发出红外射线,并排出量一般随温度增加而增加。 约一半的太阳的电磁能量被在红外区发射的,和家用物品,如加热器和灯也产生大量。 白炽钨丝灯的光线相当低效的生产者,实际上发射比可见光波更红外线。

依靠红外辐射探测常用的工具是夜视镜,电子探测器,在卫星和飞机的传感器,和天文仪器。 由军方使用所谓的热寻的导弹的红外探测器指导。 在外太空,辐射的红外线波长对应恒星之间的天体的尘埃,就证明了从地球观看银河系时可见大暗斑。 在家庭中,红外辐射起着加热和干燥衣服一个熟悉的作用,以及允许的车库门和家庭娱乐设备的遥控操作。

红外摄影采用近红外光谱的优势,以记录片的专业法医有用,遥感(如航空农作物和森林调查),绘画修复,卫星成像和军事监控应用的图像。 奇怪的是,太阳眼镜和其它光学表面涂覆有紫外光和可见光粘连剂红外照片显示为透明,并揭示了眼睛后面貌似不透明镜片。 红外线照相胶片将不记录的热辐射(热)的分布,因为它不是足够灵敏,以长波长的辐射(远红外线)。 图7给出两个美国城市和维苏威火山,在意大利的几个红外传感器生成的卫星图像。

微波炉 -目前在千家万户用于加热食品的普遍技术的基础上,微波光谱的波长范围从大约一毫米到30厘米(或约一英尺)。 在偶然的情况下,水分子存在于大多数食物有微波范围内的旋转共振频率利用微波在食品制备结果的吸引力。 在2.45千兆赫(12.2厘米波长)的频率,水分子有效地吸收微波能量,并随后消散辐射热(红外线)。 如果容器不包含水的材料组成是用来在微波炉装食品,他们往往会保持冷静,增添了显著额外的便利,以微波烹

微波炉构成的最高频率的无线电波,并通过地球发射,建筑物,汽车,飞机和其它大型物体。 此外,低强度微波辐射渗透的空间,在那里它被推测宇宙的形成过程中已公布的大爆炸 。 更高频率的微波所依据的雷达,这代表RA DIOÐetecting钕řanging,追踪大型物件,并计算它们的速度和距离所使用的发送和接收技术的缩写。 天文学家利用外星微波辐射来研究银河系和其它邻近星系。 一个显著金额的天文资料是来自于学习一个特定的发射波长(21厘米或1420兆赫兹),不带电荷的氢原子,其广泛分布于整个空间。

微波炉也被用于运送从地球信息轨道卫星在广阔的通信网络,用于中继从陆基站的信息长距离,而在地形测绘。 出乎意料的是,一些由海因里希赫兹,Jagadis钱德拉百色,和马可尼(现代无线电之父)进行了首次电磁实验,进行了利用辐射或接近微波区域。 利用了狭窄的波束宽度和聚焦的微波,这是很难拦截并含有比较大量的信息允许增加调制带宽早期军事应用。 有一些争论在科学界在癌症和与移动电话塔和不断累积的微波辐射暴露,泄漏微波炉,并把靠近大脑移动电话在使用过程中的行为相关联的热组织损伤的潜在的健康风险。

无线电波 -电磁波谱的膨胀射频部分包括从约30厘米波长为数千公里。 辐射在该范围内包含非常少的能量,和上限频率(约1千兆赫)发生在其中广播电视被限制的频带的端部。 在这样低的频率下,辐射的光子(粒状)字符是看不出来的,波浪出现在一个平滑,连续的方式传递能量。 没有理论上限,射频辐射的波长。 低频率(60赫兹)交变电流通过电源线进行,作为一个例子,有大约500万米(或大约3,000英里)的波长。 用于通信的无线电波被调制以两种传输规范之一: 振幅调制(AM)波,在不同的波长的振幅和频率调制(FM;见图8)波,在不同的波长的频率。 无线电波发挥行业重要的作用,通信,医药,和磁共振成像(MRI)。

电视的声音和视频部分通过大气通过具有波长小于一米,其被调制为广播很像FM收音机较短的无线电波被传送。 无线电波在遥远的星系星也产生了,并且可以通过天文学家利用专门的射电望远镜进行检测。 龙波,数百万英里长,已发现从深太空辐射向地球。 由于信号是如此之弱,射电望远镜常常联合起来在含有大量巨大的天线,接收器基于并行阵列。

当研究的范围广泛的电磁辐射光谱的光的频率(每单位时间振荡的次数)和波长(各振荡的长度)之间的关系的性质变得很明显。 非常高频率的电磁辐射,例如γ射线,X射线,和紫外线,包括非常短的波长和显著量的能量。 另一方面,较低的频率辐射,包括可见光,红外线,微波和无线电波,相应地具有较长的波长具有较低的能量。 虽然电磁频谱通常被描述为在频率和波长遍历幅度约为24的订单,没有内在的上部或下部边界辐射这个连续分布的波长和频率。