Номер 4, страница 128 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. Изобразите шкалу инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, укажите длину и частоту волн на границе выделенных диапазонов.

Сравните изображенную шкалу с шкалой электромагнитных излучений. Какую часть шкалы она занимает? Какие излучения вам известны? Какие излучения представляют для живого организма большую опасность?

Для определения частот на границах диапазонов воспользуемся формулой, связывающей скорость света $\text{c}$, длину волны $\lambda$ и частоту $\text{f}$:

$c = \lambda \cdot f$, откуда $f = \frac{c}{\lambda}$

Дано:

Скорость света в вакууме, $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с

Граница инфракрасного и видимого излучения: $\lambda_{ИК/В} \approx 760$ нм

Граница видимого и ультрафиолетового излучения: $\lambda_{В/УФ} \approx 400$ нм

Граница ультрафиолетового и рентгеновского излучения: $\lambda_{УФ/Р} \approx 10$ нм

Перевод в СИ:

$\lambda_{ИК/В} = 760 \cdot 10^{-9}$ м

$\lambda_{В/УФ} = 400 \cdot 10^{-9}$ м

$\lambda_{УФ/Р} = 10 \cdot 10^{-9}$ м = $10^{-8}$ м

Найти:

Частоты на границах диапазонов: $f_{ИК/В}, f_{В/УФ}, f_{УФ/Р}$.

Решение:

1. Частота на границе инфракрасного и видимого диапазонов:

$f_{ИК/В} = \frac{c}{\lambda_{ИК/В}} = \frac{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{760 \cdot 10^{-9} \text{ м}} \approx 3.95 \cdot 10^{14}$ Гц

2. Частота на границе видимого и ультрафиолетового диапазонов:

$f_{В/УФ} = \frac{c}{\lambda_{В/УФ}} = \frac{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{400 \cdot 10^{-9} \text{ м}} = 7.5 \cdot 10^{14}$ Гц

3. Частота на границе ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов:

$f_{УФ/Р} = \frac{c}{\lambda_{УФ/Р}} = \frac{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}}{10 \cdot 10^{-9} \text{ м}} = 3 \cdot 10^{16}$ Гц

Шкала излучений и границы диапазонов

Представим шкалу в порядке возрастания частоты (и убывания длины волны):

1. Инфракрасное излучение (ИК): Диапазон длин волн примерно от $1–2$ мм до $760$ нм. Частоты от $\approx 1.5 \cdot 10^{11}$ Гц до $3.95 \cdot 10^{14}$ Гц.

2. Видимое излучение (свет): Находится между ИК и УФ излучениями.
Граница с ИК-излучением: $\lambda \approx 760$ нм, $f \approx 3.95 \cdot 10^{14}$ Гц (красный свет).
Граница с УФ-излучением: $\lambda \approx 400$ нм, $f \approx 7.5 \cdot 10^{14}$ Гц (фиолетовый свет).

3. Ультрафиолетовое излучение (УФ): Находится между видимым и рентгеновским излучениями.
Граница с видимым излучением: $\lambda \approx 400$ нм, $f \approx 7.5 \cdot 10^{14}$ Гц.
Граница с рентгеновским излучением: $\lambda \approx 10$ нм, $f \approx 3 \cdot 10^{16}$ Гц.

4. Рентгеновское излучение: Находится за ультрафиолетовым излучением.
Граница с УФ-излучением: $\lambda \approx 10$ нм, $f \approx 3 \cdot 10^{16}$ Гц.
Далее этот диапазон простирается до длин волн порядка $10^{-2}$ нм (или $\text{10}$ пм), где граничит с гамма-излучением.

Ответ: Шкала указанных излучений в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны: инфракрасное $\to$ видимое $\to$ ультрафиолетовое $\to$ рентгеновское. Граничные значения: (ИК/видимый: $760$ нм, $3.95 \cdot 10^{14}$ Гц), (видимый/УФ: $400$ нм, $7.5 \cdot 10^{14}$ Гц), (УФ/рентген: $\text{10}$ нм, $3 \cdot 10^{16}$ Гц).

Сравнение с полной шкалой электромагнитных излучений

Полная шкала электромагнитных излучений (в порядке возрастания частоты) выглядит так:

Радиоволны $\to$ Микроволновое (СВЧ) излучение $\to$ Инфракрасное излучение $\to$ Видимый свет $\to$ Ультрафиолетовое излучение $\to$ Рентгеновское излучение $\to$ Гамма-излучение.

Изображенная в задании шкала (ИК, видимое, УФ, рентген) является частью полной шкалы электромагнитных волн. Она занимает центральную и высокочастотную часть спектра, находясь между микроволновым излучением и гамма-излучением.

Ответ: Изображенная шкала является частью полной шкалы электромагнитных излучений, располагаясь между микроволнами и гамма-излучением.

Другие известные излучения

Помимо перечисленных в задании, известны и другие виды электромагнитных излучений, которые являются частью полной шкалы:

1. Радиоволны — самые длинноволновые и низкочастотные. Используются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.

2. Микроволновое (СВЧ) излучение — находится между радиоволнами и инфракрасным излучением. Используется в микроволновых печах, сотовой связи, Wi-Fi.

3. Гамма-излучение — самое коротковолновое и высокочастотное (а значит, и самое высокоэнергетическое) излучение. Возникает при ядерных реакциях и радиоактивном распаде. Используется в медицине (лучевая терапия) и астрономии.

Ответ: К другим известным типам электромагнитных излучений относятся радиоволны, микроволновое излучение и гамма-излучение.

Опасность излучений для живых организмов

Опасность электромагнитного излучения для живого организма напрямую связана с энергией его квантов (фотонов). Энергия фотона пропорциональна частоте излучения: $E=hf$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, $\text{f}$ — частота. Чем выше частота (и короче длина волны), тем выше энергия фотонов и тем большую опасность они представляют.

Излучения делятся на два типа:

• Неионизирующие: Радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет. Энергии их фотонов недостаточно, чтобы выбить электроны из атомов и молекул. Основное воздействие — тепловое. Они в целом безопасны в малых дозах, но мощное излучение (например, в микроволновой печи или от мощного лазера) может вызвать ожоги.

• Ионизирующие: Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Фотоны этих излучений обладают достаточной энергией для ионизации атомов, то есть для разрушения химических связей в молекулах, включая ДНК. Это может приводить к мутациям, гибели клеток, развитию онкологических заболеваний и лучевой болезни.

Таким образом, наибольшую опасность представляют излучения с самой высокой частотой.

Ответ: Наибольшую опасность для живых организмов представляют ионизирующие излучения: ультрафиолетовое, рентгеновское и, в особенности, гамма-излучение. Их опасность обусловлена высокой энергией фотонов, способных повреждать клетки и ДНК на молекулярном уровне.