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冬天里说晒太阳(1)电磁波与太阳辐射 精选

已有 5730 次阅读 2017-12-18 08:13 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:晒太阳,,电磁辐射,波长,频率| 频率, 波长, 晒太阳, 电磁辐射

冬天里说晒太阳(1)电磁波与太阳辐射

老华:嘿!一个人闭着眼睛坐着干什么?

老温:晒太阳,闭目瞎想。正好,你来了,我可以问你了。

老华: 问什么?老夫子又在格致什么名堂?

老温:我在想,晒太阳能够感到暖和,太阳到底是怎么把我晒热的?

老华: 好的,我也坐下,我们一起晒太阳、聊太阳。谁让你年轻时光钻在故纸堆里,不好好学点科学?现在老了瞎格致。哈,你的衣服晒得好热。

老温:是啊,晒着的地方是热的,晒不着的地方还是凉的。

老华:热的和凉的是什么意思?

老温:那是我的感觉,我用手一摸,比我手温度高,就感觉到热,比手的温度低,就感到凉。

老华:我们的衣服是纤维织成的,纤维是分子组成的,分子由原子构成。在分子中,原子有一定的位置。

老温:这我知道。原子还要在固定位置附近来回振动,振动得厉害,温度就高。

老华:很有进步啊。那太阳一晒,太阳给了你什么?

老温:太阳给了我光啊,有太阳就有光明啊,还有热啊。我的问题就是,太阳照我,它的热,怎么跑我这里来的?

老华:太阳是什么?

老温:太阳是大火球,从小课本上就有了。说太阳上进行着核聚变反应,温度很高。现在报纸上还说现在人们正在试验人工核聚变,叫做人造小太阳。

老华:这样我们就可以说了。我们靠近升着火的火炉的时候,即使没有碰到火炉,也立刻感到火炉辐射出来的热。所有热的物体都在往周围辐射能量,也就是辐射电磁波,或者说,有电磁辐射。

老温:电磁辐射?

老华: 是电磁辐射,不要一听电磁辐射就紧张。所有的物体多多少少都在不断地向外辐射电磁波,包括你和我这样的人。只是各种物体向外辐射电磁波的波长不同、强弱有差别罢了。

老温: 我也向外辐射电磁波?

老华: 你不向外发射光线,我能看得见你?

老温: 光也算?

老华: 光当然是电磁波。

老温: 那是有光照射到我,我才反射出来的。不是我本身发射出来的。

老华: 光照射到你,与你就有了相互作用,虽然时间短促,反射光还是从你身上发出来的。好!即使不算外面的光线,就是你本身,也在不断地发射红外线。外界一点可见光都没有,人们用红外探测仪,仍然可以检测到你发出的红外线。

老温: 这倒是,我看电视上有用红外线探测仪探测到野生动物像老虎什么的。

老华: 任何物体,只要它的温度不是绝对零度,组成物体的原子都在不断地振动,原子由质子、电子等带电粒子构成,所以原子在运动时都会发出电磁辐射。 当然,各种物体温度不同,发射出来的电磁辐射在各种频率的分布是不同的。

老温: 等等!“发射出来的电磁辐射在各种频率的分布是不同的”,这句话不大好理解。

老华: 我们先来看看随着电磁波波长的不同,它都有什么名称吧。下面的图就是一个说明:

老温: 我大致看清楚了,是不是说,无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光、伽玛射线,都是电磁波?

老华: 你说对了,它们都是电磁波。

波长最长的是无线电波,波长从长到短,分别称为长波、中波、短波,可用于一般的广播、电视等;

再短的一点就是微波,我们每家都用的微波炉里面用来加热食品的就是微波(现在一般的微波炉用波长12厘米的微波);

波长再短一点就是红外光了,也叫红外线,波长通常在0.7微米到1毫米,在红外线中,波长略长的称远红外,略短则称近红外,红外线能够与原子、分子相互作用,使得原子、分子运动加剧,就使得温度升高,这是它的热效应,我们的触觉就能够感觉到;

比红外线波长更短的,就是我们肉眼能够看得见的光线了,从0.76微米开始,随着波长的变短,光线的颜色是红变到紫,也正因为我们人类的眼睛能够感觉到波长为从0.76微米到0.4微米的电磁波,才把这个波段的电磁波称为可见光;

到了比0.4微米的紫光波长更短的电磁波,我们又看不见了,它的波长在可见光谱的紫光之外,所以称为紫外线、也叫紫外光;

比紫外线波长更短的,通常称为X射线即X光,它的波长在千分之几纳米到10纳米之间(1纳米是百万分之一毫米);

比X射线波长更短的是伽玛射线,它的波长小于千分之一纳米也就是亿亿分之一米。

所以,无线电波、微波、红外线、可见光线、紫外线、X射线、伽玛射线都是电磁波,不过就是波长不同,从无线电波的很多米,一直到伽玛射线的亿亿分之一米。

当然我们描述波的性质,不但可以用波长,也常常用振动频率,每秒振动一次称1赫兹。这些电磁波的频率,从几赫兹几十赫兹开始(与我们家用的交流电对应的电波是50赫兹),到微波炉的24.5亿赫兹,到蓝绿色光的6百万亿赫兹,直到伽玛射线的超过亿亿亿赫兹(1后面加24个0),频率的不同是很大的。

老温:我注意到你用词很有意思,前面两个称“波”,无线电波、微波,后面的从红外线开始就都称“线”了。

老华:是的,前面的无线电波、微波的波长都比较长(与我们人的眼睛看见到物体即所谓宏观物体可以相比),对于不大的宏观物体它们都能够绕过去,也就是所谓衍射现象很明显,与我们熟悉的声波、水波等相似。换句话说,它们很明显地显示出波动的特点。

而后面这些的波长对于我们的视觉来说就显得太小了。他们的传播有明显的直线前进特点。所以,从红外线开始,我们更多的用“线”,或者称“光”,如红外光、紫外光、X光、伽玛光等等。

称波还是称线(或光),还主要是从他们的传播特点出发。但是,如果要考虑它们与物体的相互作用,特别是考虑微观的作用机理,那就要说到量子力学了。

我们都知道,在1905年,爱因斯坦提出了光有波与粒子的两重性质,即所谓波粒二象性,在有些问题上显示出波动性,而在另一些问题上显示出粒子性。

在过去也就是所谓经典的理论中,波动所包含的能量与振动的幅度也就是振幅有关、与频率无关。但是,爱因斯坦提出,光可以表现得像粒子一样,称为光子,光子的能量与频率有关。频率越大,光子的能量也越大。

老温:说到这里,我有点晕了。

老华:不要紧,这个问题我们先放在这里,以后还要说的。我们还是说接着上面说物体发射电磁波。

上面我们说到物体发出电磁波,是不是不管什么情况都会把这些波段的电磁波都发射出来呢?不是的,要看物体的温度如何。

一根铁丝,常温下我们的手和肉眼都不能感觉到它辐射的电磁波,但是,略烧一下,手并不碰它就能够感觉铁丝热了,那是感觉到它发出的红外线,再多烧一会,就会看到铁丝发红了,那就是看到了它发出的红光,再多烧一会,铁丝的光越来越发白,说明发出了其他颜色的光。可见,铁丝的温度不同,发出的电磁波种类也不同。

我们再看一张图,这是不同温度物体辐射各个波长电磁波的本领的分布

图上温度为4000K(即3727辐射电磁波的本领比2000K(即1727就大得多,而且辐射强度最大的波长也更短。一般地说,物体的温度越高,辐射电磁波的本领就越强,而且,能够辐射出来波长更短的电磁波。像我们人体这样只有约310K(37)左右的物体只能辐射出很少一些波长较长的红外线。

太阳的表面温度约5800K,当然会不断辐射出更多的各类电磁波。

老温:我小的时候就知道,太阳发光,太阳光有七种单色的光组成,红橙黄绿青蓝紫,红光波长最长,紫光波长最短。

老华:基本不错,太阳是发光,但是,这七色光并不是单色光。实际上,即使是一种颜色比如看上去红色的光,也是有许许多多不同波长的光构成的,这些光的颜色实际上也还是略有不同的。在科学上,所谓单色光,就是同一种波长的光。我们现在使用的激光,就差不多就是单色光。上面说过,可见光的波长大约在400纳米到760纳米之间,在靠近760纳米那边的是红色,400纳米这边的是紫色。太阳发出的可见光的波长在这个范围内连续变化。

另外,太阳辐射中还有比可见光波长更短也就是频率更高的电磁波,即紫外线、X射线、伽玛射线,同时也辐射比可见光波长更短而频率更低的电磁波,即红外线以及微波等。它辐射出来的电磁波随波长的分布也可以看一张图

老温:哦,太阳辐射照到我们地球上就是这些可见光、紫外线、红外线,图上各种颜色所表示的是不是各种辐射的多少?

老华:可以这样理解,太阳辐射到地球上来的就是这些辐射,从能量的多少看,太阳辐射中间,可见光大概占一半,红外部分(不光是红外线,也有一些比红外线波长更长的微波等)占大约43%,紫外部分(不光是紫外线,也有一些比紫外线波长更短的X射线、伽玛射线)约7%。

但是,到达地面时,这些电磁波的能量分布在紫外光谱区小了许许多多,在可见光谱区减少至占总量40%,而在红外光谱区则增加到60%。

老温:这是什么原因?为什么到达地面时会有这样的变化?

老华: 这个说来话长了,这也是我们这些生物包括人类能够在地球生成发育和生活的重要原因,不过我们今天已经说不少了,下次接着说罢。

老温:好的,下次再说。

(文中两张图引自网络,谨向原作者致谢)




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