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奥林巴斯显微镜电磁波辐射的性质

2014-07-18  发布者:admin 

 可见光是一种复杂的现象,经典解释与传播的光线和波前,基于一个简单的模型在 17 世纪末由荷兰物理学家克里斯蒂安 · 惠更斯首次提出的概念。电磁辐射的大家庭,对其中可见光波状现象属于 (也被称为辐射能量),是主车辆输送能量,通过浩瀚的宇宙。机制的可见光是发射或吸收的物质,和它可以预见的反应在不同条件下作为它穿越空间和大气中,形成的颜色在我们的宇宙中存在的基础。Electromagnetic Radiation Spectrum

期限电磁波的辐射,由主席先生 James 克拉克 · 麦克斯韦,铸造被从电场和磁场性能特点共同对所有形式的这种类似波的能量,如代的电和磁的振荡电场表现为波浪传播通过空间。可见光只代表小部分的电磁波辐射 (如图 1 中分类),其中从高频率宇宙和 γ 射线通过 x 射线、 紫外线、 红外线辐射和微波炉,到非常低的频率长波长的无线电波延伸的整个光谱。

光、 电和磁之间的联系不明显立即对早期的科学家们正在进行的光和物质的基本属性。红外灯,位于长红色波长之外,是可见光的电磁辐射被发现的第一个"无形的"形式。英国科学家、 天文学家赫歇尔 William 正在调查与温度计和一个棱镜的光和热之间的关联,当他发现温度是最高的只是超出可见光的光谱中的红色部分地区。赫歇尔建议必须有光在这不是肉眼可见的区域中的另一种类型。

紫外线的辐射,可见光谱的另一端是由威廉 · 里特,是第一次的科学家探讨关联与可见光的能量之一发现的。通过观察各种颜色的光刺激变暗的纸饱和的硝酸银溶液的速率里, 特尔发现的另一个看不见光,超越谱,产生了增速最快的蓝色端的形式。

电与磁第一次相关联在 1820 年丹麦物理学家汉斯 · 克里斯蒂安奥斯特发现,电流流过导线时能产生一个罗盘针的挠度过大。同年晚些时候,André-玛丽 · 安培的法国科学家证实两根导线载有电流可吸引或互相排斥,在时尚的磁极相似。在接下来的几十年里,以下这些主角的额外调查产生越来越多的证据电学和磁学彼此非常密切相关。

最后,在 1865 年,苏格兰科学家 James 克拉克 · 麦克斯韦扩大他气体动理论的数学解释电和磁之间的联系。麦克斯韦尔推测这两种现象如此紧密绑定他们经常一起担任电磁学,并发现交变电流会产生波由进速度在太空中的光辐射出这两个实体组成。从这些意见,他得出结论可见光辐射电磁波的一种形式。

电磁波传播或传播的方向是面向直角的振动的电场 (E) 和磁场 (B) 振荡场矢量的运送能量从辐射来源不明的最终目的地。两振荡的能量场是互相垂直的 (如图 2 所示),并在以下的数学形式的正弦波的相位振动。电场和磁场矢量不是垂直于对方,但也与波的传播方向垂直。由公约 》,并简化的插图,向量表示的电和磁振荡的电磁波领域经常被省略,虽然它们被理解为仍然存在。

是否采取从广播电台,从壁炉、 牙医的生产的 x 射线图像的牙齿或来自太阳,各种类别的所有共享的电磁波辐射的可见光和紫外线的光辐射热传送到无线电信号的形式完全相同的基本类似波的属性。每类的电磁波辐射,包括可见光,振荡的山峰和山谷 (或槽),以定期方式和显示特性的振幅波长、 和频率一起定义方向、 能源和辐射的强度。

在图 2 中给出了一种电磁波的古典原理图说明了的正弦振荡电场和磁场分量向量,通过空间传播时的性质。为方便起见,大多数插图描绘电磁辐射故意省略磁性元件,而作为一个正弦波在xy坐标定义的有一个二维图形化情节代表只有电场矢量。按照约定,正弦波的y分量表示振幅的电动 (或磁场),而x组件表示时间,距离旅行或与另一个正弦波的相位关系。

衡量标准的所有电磁波辐射波长(在真空中),这波长的通常说明单位为纳米 (一微米的千分之一) 的可视光部分的大小是频谱的波长的。波长定义为两个连续波峰 (或山谷) 的波形之间的距离 (见图 2)。相应频率的辐射波,是正弦周期 (振荡或完整的波长),通过一个给定的点每秒,是波长的倒数成正比的数量。因此,较长的波长对应于较低频率辐射和更短的波长对应于较高频率辐射。频率通常被表示数量的赫兹(Hz) 或周期每秒 (cps).

赫兹被指定为标准单位的电磁辐射频率德国物理学家海因里希 · 赫兹,成功地生成和执行实验与电磁波在 1887 年,麦克斯韦的死后八年的工作的肯定。赫兹生产、 检测到,和甚至现在归类在射频范围内的辐射的测量波长 (约一米)。一位音乐教授在他早期的职业生涯,是出生于伦敦的科学家 David 休斯可能实际上已经第一名调查员,要成功地传输的无线电波 (1879 年),但未能说服英国皇家学会,他决定不发布他的工作,和它并不承认直到许多年以后。

不同的波长和频率组成的各种形式的电磁波辐射从根本上相同的是,他们都以相同的速度旅行 — — 大约 186000 英里/每秒 (或大约每秒 30 万公里),通常被称为光 (和指定的符号c) 速度的速度。电磁辐射 (包括可见光) 旅行 1 亿 4900 万公里 (9300 万英里) 从太阳到地球在大约 8 分钟。与此相反的是,汽车的速度在 100 公里每小时 (60 英里每小时) 将需要 177 年,使相同的单程旅行。只一秒钟,光可以绕地球七次。

波长的光和所有其他形式的电磁波辐射,被涉及到频率由一个相对简单的方程:

Ν = c/λ

在哪里c是光速 (在米每秒)、 ν是频率的光在赫兹 (Hz) 和λ是以米测量光的波长。从这种关系可以看出光的波长是与频率成反比。频率增加产生波长的光,与包括光的光子的能量相应的增加成比例减少。在进入一个新的媒介 (如玻璃或水从空气),速度和光的波长被减少,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,旅行时,光在直线中传播直到与另一种介质相互作用或材料诱导的路径改变,通过折射(弯曲) 或反射由介质,可能也由于吸收减少强度。如果光波通过窄缝或孔径 (孔),然后他们可以是衍射或分散 (分散),形成特征衍射模式。根据知名的平方反比定律,电磁辐射的强度 (或辐照度) 是距离的移动的平方成反比。因此,光有旅行给定距离的两倍后,强度下降由四个因素进行。

可见光显示经典类似波的性质,但它也具有性能让人联想到的粒子,都通过拥有能量和动量 (但没有质量),和被称为光子的实体表现出来。原子是所有形式的电磁波辐射的来源是否可见或不可见。高能量形式的辐射,如伽玛波和 x 射线,被生产的事件发生,破坏了原子的核稳定性。辐射具有较低的能源,如紫外线、 可见光和红外灯,以及电台和微波炉,起源于电子云中电子环绕原子核或与另一个原子的相互作用。这些形式的辐射会发生由于电子绕着原子的核移动被安排在不同能量水平内其概率分布函数中的事实。很多的电子可以吸收额外的能量的电磁波辐射的外部来源 (见图 3),导致了他们晋升到本来就不稳定的高能量水平。

最终,"激发"电子失去的额外能量通过发射电磁波辐射能量较低,在这样做的时候,又回到它原来的和稳定的能量水平。发射辐射的能量等于最初被减去其他小批量的通过多个辅助进程失去能量,电子吸收的能量。

电磁波辐射能量水平可以在很大程度取决于源电子或原子核的能量会发生变化。例如,无线电波具有显著较少的能源比做微波、 红外射线或可见光,和所有的这些波包含能量远比紫外线光、 x 射线、 和 γ 波。作为一项规则,更高的电磁波辐射能量都与更短的波长比类似形式的辐射具有较低的能量有关。一种电磁波的能量与它的频率之间的关系是方程表示的:

E = hν = hc/λ

其中E是能量千焦每摩尔, h是普朗克常数,和其他变量的定义已经讨论过。基于此方程,电磁波的能量是直接成正比的频率和波长成反比。因此,作为频率增加 (与波长相应减少)、 电磁波能量的增加和副反之亦然。不同类型的电磁辐射,其波长、 频率和能量水平,由定义的选定的特征将在以下各段单独审查。

即使电磁辐射的波长和频率的波形由习惯上描述,其他特性的属性重要时是考虑如何通过空间传播的波。在图 4 中给出了有各种波形代表共同利用所描述的均匀性的电磁波辐射程度的国家。因为可见光是辐射的最常讨论形式,图 4 中所示的例子是辐射的波长在光谱区域的代表。例如,单色光由波都有相同的波长和频率,或从宏观上,相同的颜色,在可见光。相比之下,多色可见光通常显示为白色贡献从所有或大部分波长介于 400 和 700 纳米光谱中的混合物。

当灯为非极化(图 4) 时,电场矢量振动躺在垂直于传播方向的所有飞机。光已从临界角度时,在光滑的表面反射或通过偏光滤镜,假定平面极化方向与所有单一平面垂直于传播方向振动的电动向量。光从太阳和大多数的普通白炽灯和荧光灯可见光源,是非极化,而通过偏光镜片的自定义太阳镜看到的光偏振光在垂直方向。在某些情况下,光可以被椭圆偏振光或圆极化当它穿过有不止一个的折射率的材料 (双折射双折射物质)。

最人工和天然的光源发出非相干光显示各种本谱 (图 4) 中的波长之间的相位关系。在这种情况下,在空间或时间不一致的高峰和低谷中个别波的振动状态。相干光的波长是在与对方,相组成和非常不同的方式比非相干光的光学性质和与物质相互作用的行为方式。波前产生的相干光有电场和磁场矢量的振动,在相振荡,有低发散角的单色光源或有分布窄的波长通常由组成。激光器是常见的相干光的来源。

有同轴、 相对非发散的路径,当他们通过空间旅行的光波被称为准直这种有组织的形式的光不传播或收敛在很大程度相对较长的距离。平行的光形成一束非常密集,但不一定有很窄的波长 (也不一定是单色),常见的相位关系或定义的偏振状态。波前的准直光是传播的平面和垂直于轴线。相比之下,发散性或非准直光穿越太空,同时传播到不同程度,必须通过透镜或孔径为准直或集中传递。

伽玛射线-拥有最高的频率 (和最短波长) 的高能辐射 γ 射线发射出去,原子核,包括某些放射性材料 (自然的和人造的) 的原子核内过渡的结果。伽玛波也起源于核爆炸和其他各种来源在外层空间。这些强大的射线具有巨大的穿透能力,并且已报告能够通过三米的混凝土 !个别伽玛射线光子包含如此多的能量他们很容易被发现,但极小的波长限制任何波动性质的实验观察。来自宇宙,包括超新星爆炸、 中子星、 脉冲星和黑色的洞,最热的区域的伽玛射线穿越浩瀚的距离,在到达地球的空间。这种高能辐射的形式具有波长小于百分之一的纳米 (10 皮米),光子能量大于 500 kiloelectron-伏特 (千电子伏) 和频率超过 30 exahertz (EHz).

暴露于伽玛射线可以诱导基因突变、 染色体畸变,甚至细胞死亡,经常观察在某种形式的辐射中毒。然而,通过控制排放的伽玛射线,放射科医师可以重新直接高的能量水平,以防治疾病,帮助治愈某些形式的癌症。伽玛射线天文学是宇宙的相对较新的科学,以产生图像,收集这些高能量的波,如图 5 所示。这种技术提供了科学家们机会来观察遥远天体现象中寻找新的物理概念,和测试理论,不能受到地球上在这里进行的实验。

X 射线-有一个只是以上紫外线 (但低于 γ) 的频率范围的电磁波辐射被归类为 x 射线,并有充沛的很易通过很多材料,包括动物的软组织。这些强大的海浪,再加上他们公开感光乳剂的能力的高穿透深度导致 x 射线在医学中的广泛使用,调查纹理在人体内,和在某些情况下,作为治疗或外科手术的工具。在同样的方式作为更高能量的伽玛射线,x 射线不受控制的暴露可以导致基因突变、 染色体畸变和其他形式的细胞损伤。传统影像学成像方法本质上是产生比影子铸件的致密的物质,而不是详细的图像。利用镜子光学、 x 射线聚焦技术的最新进展然而,导致显著更详细的影像从各种对象利用 x 射线望远镜、 x 射线显微镜和干涉仪。

在外层空间的热气体发出强大的 x 射线,是以天文学家能够获得有关的起源和宇宙的星际区域特点的信息利用的频谱。许多极热的天体,包括太阳,黑色的洞和脉冲星,发出主要在 x 射线波段的光谱,并且是对天文 x 射线调查的主体。X 射线的频谱与临近的一个原子直径的最短波长跨越范围非常大。然而,整个的 x 射线光谱区域遍历长度规模大约 10 纳米和 10 皮米之间。这个波长范围内使 x 射线辐射的一个重要工具到地质学家和化学家为表征的结构和性能的结晶性材料,对 x 射线的波长相媲美的长度尺度有定期的结构特点。

紫外线-通常缩写 (uv),紫外线辐射传播在只以上那些紫在可见光谱中的频率。虽然这个光谱区域的低能量结束是毗邻可见光,紫外线在他们的频率范围的上端有足够的能量来杀死活的细胞,产生明显的组织损伤。太阳是恒流源的紫外线辐射,但地球大气的 (主要是臭氧分子) 有效地阻止绝大多数此潜在致命的辐射流,更短的波长从而具有适宜的生活环境,植物和动物。在紫外线光子能量,足以把大气中的气体分子数目从原子电离,这是电离层是创建和持续的过程。虽然小剂量的这种相对较高能光可以促进维生素 D 在正文中的生产,导致最小晒黑的皮肤,太多的紫外线辐射可导致严重晒伤、 常任理事国的视网膜损伤和皮肤癌症的促进。

紫外线光在科学仪器来探测各种化学和生物系统的属性的广泛使用,而且它也是重要的天文观测太阳系、 星系和宇宙的其他部分。星和其它天体是紫外线辐射强烈排放国。紫外波长光谱的范围从大约 10 到大约 400 纳米,与光子能量介于 3.2 和 100 电子伏特 (eV)。这一类辐射的水和食物治疗作为抗微生物剂,作为光触媒为笼状化合物,有的应用程序,并利用硬化中医学治疗的强制转换。紫外线的杀菌活性发生在波长小于约 290 纳米。屏蔽和过滤化合物的一个市场受雇于皮肤乳液、 太阳镜、 和窗口淡色旨在控制暴露于紫外线来自太阳。

一些昆虫 (特别是蜜蜂) 和鸟类在紫外区响应波长较长,有足够的视觉灵敏度和可能依赖这种能力在导航中。人类在其敏感性,吸收紫外线辐射通过角膜的较短的波长,在眼睛的晶状体在波长长于 300 纳米的强吸收有限。

可见光-彩虹的颜色与可见光的光谱相关约只占 2.5%的整个电磁波谱,并包括与之间大约 1.6 到 3.2 电子伏特的能量的光子。颜色不是光本身的属性,但对颜色的感知发生通过人的眼神经脑遥感系统的联合响应。在电磁频谱的可见区域位于内窄的频带内,从大约 384 到 769 太赫兹 (THz) 和被看作是颜色从深红色 (波长为 780 纳米) 到深紫色 (400 纳米)。

在序列由橙色 (597 622 纳米),黄色 (577 597 纳米)、 绿色 (492 577 纳米)、 蓝色 (455-492 纳米),都跟随的低能耗、 长波长的红色颜色 (622-780 纳米),最后,相对较高能量、 短波长紫 (455 纳米及以下)。简单的方法去记住 (中增加频率) 的顺序中可见光的光谱的颜色是用助记符的首字母缩写词Roygbiv (Red, O范围, Yellow、 G绿色、 B傣文,ndigo, Violet),作为教近一个世纪以来的数以百万计的学校的孩子,(虽然靛蓝不再被认为是一种相关的颜色由一些科学家)。

基于物理属性的颜色区域划分的可见光光谱是直截了当的但在其中颜色感觉到的方式不是那么明显。感知的主观反应的人类的遥感系统向各频率区域的可见光谱,以及各种不同的光的频率组合颜色结果可以产生相同的视觉响应的"看到"的特定颜色。人类可能感觉到了绿色的颜色,例如,响应的几种颜色的光的组合,其中没有一个一定组成的"绿色"波长。

可见光是地球上的所有生命的基础和初级生产者或自养生物,如绿色的植物被捕获。这些基本的生物食品链成员利用太阳光作为制造自己的食物和生化构建基块能量的来源。作为回报,自养生物释放的氧气,所有的动物所依赖的作为一种副产品。

在 1672 年,艾萨克 · 牛顿爵士可见光与玻璃棱镜的相互作用进行了研究,第一次认识到白色的光是实际上代表整个可见光的光谱中不同颜色的混合。白色的光来自于各种自然和人工的白炽灯来源,包括太阳、 化学反应 (如火灾) 和白炽钨细丝。从这种类型的来源广泛的发射谱称为热辐射。其他来源的可见光,气体放电管,如有能力取决于特定的能量水平转换的源物质原子中的狭窄的、 良好定义的频率范围 (代表一个单一的颜色) 的发光。强烈的感知,个别颜色也从特定吸收、 反射或透射特性的材料和对象的都用白色的光照亮的结果。可见-紫外光光吸收谱的常见的合成染料,虹膜蓝 B,如图 6 所示。解决方案这灿烂的色彩的有机分子的吸收光的频谱,可见光和紫外线地区和向大多数人类显示为丰富,中等的蓝颜色。

红外辐射-通常缩写红外光谱、 红外波长的大型乐队从可见光的光谱的远红光部分延伸 (大约 700 780 纳米) 到大约一毫米的波长。与光子能量范围从大约 l.2 millielectron-伏到略低于 1.7 电子伏特,红外波具有相应频率 300 千兆赫 (GHz) 和大约 400 太赫兹 (THz) 之间。这种类型是辐射的可见光是辐射的不一定可探测或甚至目前的热区与相关联。例如,人类的身体不会发出可见光,但它确实排出的弱的红外辐射,而是觉得可以记录为热。发射谱开始在大约 3000 纳米和超越远红外线的范围大约 10000 纳米达到顶峰。

分子的所有对象的存在以上温度的绝对零 (-273 摄氏度) 发出红外射线,并且排放量一般随温度的。大约一半的太阳的电磁能量释放出来,红外区域,和大批量生产也加热器和灯具等家居用品。白炽钨灯丝灯泡是光的相当低效生产者,实际上发光更多红外比可见光波。

依靠检测的红外辐射的常用工具是夜晚视觉范围,电子探测器、 卫星和飞机和天文仪器仪表中的传感器。所谓热寻的导弹,军队使用由红外探测器指导。在外层空间,红外波长的辐射地图间星星,如同由大暗斑可见从地球时查看银河星系天体的尘埃。在家庭中,红外辐射加热和干燥的衣服,以及允许远程控制操作的车库门和家庭娱乐组件在熟悉的作用。

红外摄影利用近红外光谱对记录图像专门电影取证,遥感 (如空中农作物和森林调查),绘画修复、 卫星成像和军事监控应用中很有用。奇怪的是,太阳镜和其他光学表面涂有紫外和可见光光阻剂的红外照片显示为透明,并揭示看似不透明镜片后的眼睛。红外摄影胶片不会记录辐射热 (热) 分布,因为它不是足够敏感的长波长辐射 (远红外线)。在图 7 中提出了一种是两个美国城市和维苏威山,在意大利的几个红外传感器生成的卫星图像。

微波炉-目前在数以百万计的家庭用于加热食品,微波光谱波长范围从大约一毫米到三十厘米 (或约一英尺) 广泛技术的基础。利用微波在准备食物的上诉结果从目前大多数食品中的水分子有一个旋转共振频率在微波范围内的偶然情况。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和随后消散辐射作为热 (红外线)。如果容器组成的材料不包含水利用所持有的食物在微波炉中,他们往往仍要保持冷静,添加很显著的额外方便微波炉烹饪。

微波炉构成最高频率的无线电波,和正在发射的地球,建筑、 汽车、 飞机和其他大型对象。此外,低级微波辐射渗透的空间,在那里它被推测在宇宙诞生的大爆炸公布。更高频率微波是雷达,缩写,代表RAdioDetecting And R悬挂卡瓶口、 传输和接收技术用于跟踪大对象和计算的速度和距离的基础。天文学家利用外星微波辐射研究银河系和其他附近的星系。从学习的不带电的氢原子,广泛分布在空间的具体发射波长 (21 厘米或 1420年兆赫) 得到了大量的天文资料。

微波炉也可能被用于运送从地球轨道卫星在庞大的通讯网络,在长距离,中继从地面基站信息和地形地貌测绘到信息。出人意料的是,一些海因里希 · 赫兹、 杰加迪斯 Chandra Bose 和納 (现代无线电之父),进行第一次的电磁实验进行了使用辐射或微波区域附近。早期的军事应用大写在窄波束宽度和增加调制带宽允许的可获得焦点的微波炉,也很难拦截,载相对较大数量的信息。存在着一些争议在科学界与持续和累积微波辐射暴露从移动电话塔,泄漏微波炉和把移动电话接近大脑在使用过程中的行为相关联的癌症和热组织损伤的潜在健康风险。

无线电波-电磁频谱的膨胀射频部分包括波长从约 30 厘米到数千公里。在此范围内的辐射包含很少的能量,和频率的上限 (约 1 千兆赫) 发生在结束了,乐队囚无线电和电视广播的地方。在这样低的频率,辐射的光子 (颗粒) 字符不是明显的和波会出现传递能量在平滑、 连续的时尚。那里是没有理论的上限,射频辐射的波长。(60 赫兹) 的低频交变电流由电源线,作为一个例子,有一个波长约 500 万米 (或大约 3000 英里)。用于通信的无线电电波调制两种传输规格之一:调幅AM) 波,不同而不同的波长,振幅和频率调制FM; 见图 8) 不同的波长频率。无线电波在工业、 通信、 医药、 和磁共振成像 (MRI的重要作用).

电视的声音和视频部分通过运输的穿过大气层较短的无线电波具有波长小于一米,很像 FM 收音机广播调制。无线电波也由遥远星系中恒星产生,并可以使用专门的射电望远镜的天文学家通过检测。长波浪,几个百万英里长,已检测到的辐射向地球从深藏在空间。因为是信号太弱,射电望远镜是经常联合在一起的平行排列,其中包含大量的巨大基于天线的接收器。

当学习一系列广泛的辐射电磁波谱的频率 (每单位时间的摆动次数) 和光的波长 (每个振荡的长度) 之间的关系的性质变得明显。很高的频率电磁波的辐射,如伽玛射线、 x 射线、 和紫外线光,包括非常短的波长和产生大量的能量。另一方面,低频率辐射,包括可见光、 红外线、 微波、 无线电波,具有相应更长的波长与较低的能量。虽然在电磁频谱通常被描述为在频率和波长遍历约 24 个数量级,没有内在的上部或下部界限的波长和频率的这个连续分布的辐射。