Творческое задание, страница 123, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Исследуйте, какие физические процессы могут служить источниками электромагнитных волн.

Фундаментальным источником электромагнитных волн является ускоренно движущаяся заряженная частица. В то время как неподвижный заряд создает только электростатическое поле, а заряд, движущийся равномерно и прямолинейно, — постоянное электрическое и магнитное поля, только при наличии ускорения ($a \neq 0$) заряд начинает излучать энергию в виде электромагнитных волн. Это следует из уравнений Максвелла. Существует множество физических процессов, в которых происходит ускоренное движение зарядов.

1. Колебания зарядов в проводниках (антенны)

Когда по проводнику (например, по антенне радиопередатчика) пропускают переменный электрический ток, свободные электроны в нем совершают вынужденные колебания. Поскольку колебательное движение является движением с переменным ускорением, электроны излучают электромагнитные волны. Частота излучаемых волн совпадает с частотой колебаний тока. Таким образом работают все радио-, теле- и мобильные передатчики.

Ответ: Колебания электрических зарядов в антеннах под действием переменного тока являются источником радиоволн.

2. Тепловое излучение

Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля ($T > 0$ K), излучает электромагнитные волны. Это происходит из-за хаотического теплового движения атомов и молекул вещества. При столкновениях и колебаниях заряженные частицы (электроны и ядра), входящие в состав атомов, движутся с ускорением и излучают волны. Спектр этого излучения является сплошным и его максимум зависит от температуры тела (закон смещения Вина). Примерами являются излучение от Солнца, раскаленной нити лампы накаливания или даже тепловое излучение человеческого тела в инфракрасном диапазоне.

Ответ: Хаотическое тепловое движение атомов и молекул в нагретых телах приводит к ускоренному движению зарядов и испусканию электромагнитных волн (тепловое излучение).

3. Излучение при атомных и молекулярных переходах

Согласно квантовой механике, электроны в атомах могут находиться только на определенных энергетических уровнях. При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий атом излучает квант электромагнитной энергии — фотон. Этот процесс можно рассматривать как результат изменения (ускорения) в распределении заряда атома. Такое излучение имеет дискретный (линейчатый) спектр, характерный для каждого химического элемента. На этом принципе работают газоразрядные лампы, лазеры, светодиоды (LED).

Ответ: Переходы электронов между энергетическими уровнями в атомах и молекулах сопровождаются испусканием фотонов (электромагнитных волн) определенной частоты.

4. Тормозное и синхротронное излучение

Тормозное излучение (Bremsstrahlung) возникает, когда быстрые заряженные частицы (например, электроны) резко тормозятся в электрическом поле атомных ядер вещества. Сильное отрицательное ускорение является причиной излучения высокочастотных электромагнитных волн, вплоть до рентгеновского диапазона. Этот процесс используется в рентгеновских трубках.

Синхротронное излучение генерируется релятивистскими (движущимися со скоростями, близкими к скорости света) заряженными частицами, когда их траектория искривляется в магнитном поле. Движение по криволинейной траектории всегда является движением с ускорением (центростремительным), что и вызывает мощное излучение в широком диапазоне частот. Этот эффект наблюдается в ускорителях частиц (синхротронах) и в астрофизических объектах с сильными магнитными полями, например, в туманностях вокруг пульсаров.

Ответ: Резкое торможение (тормозное излучение) или движение по криволинейной траектории в магнитном поле (синхротронное излучение) быстрых заряженных частиц приводит к генерации электромагнитных волн, часто в рентгеновском и гамма-диапазонах.

5. Ядерные процессы и аннигиляция

Гамма-излучение возникает при переходах атомных ядер из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Подобно атомным переходам, этот процесс сопровождается испусканием высокоэнергетического фотона — гамма-кванта. Гамма-распад часто следует за другими видами ядерных превращений (альфа- или бета-распадом).

Аннигиляция — процесс взаимного уничтожения частицы и античастицы при их столкновении, в результате которого их масса полностью переходит в энергию в виде двух или более гамма-квантов. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются два гамма-кванта с энергией, определяемой формулой $E = m_e c^2$, где $m_e$ — масса покоя электрона.

Ответ: Ядерные переходы (гамма-распад) и аннигиляция пар частица-античастица являются источниками самых высокоэнергетических электромагнитных волн — гамма-лучей.