射电望远镜与电磁波的应用
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射电望远镜与电磁波的应用

2021-10-25 00:13:47 投稿作者: 点击:

摘 要:中国500米口径球面射电望远镜即将在九月正是运行,这将是目前我国乃至世界上最大的射电望远镜。FAST的建成,将在未来一段时间内成为中国天文领域探索的一大助力。本文以射电望远镜的基础理论原理为出发点,结合中学物理对电磁波知识的涉及,介绍了电磁波的原理与应用,并对其未来的发展进行了展望。

关键词:射电望远镜;电磁波;原理与应用

一、射电望远镜

射电望远镜作为天文望远镜的一种,通常是指用于观测和研究天体的射电波的一种基本设备,可以用于测量天体射电的强度、频谱及偏振等。射电望远镜的发展过程一定程度上代表了人类对宇宙探索的不断进步。电磁波这一概念最早由英国物理学家麦克斯韦预测并提出,1873年,其著作《電磁理论》问世,全面系统地阐述了电磁场的理论。经过更多科学家的不断证实和完善,人们才逐渐意识到:原来光也是一种电磁波,并且在电磁波谱上,可见光只占了其中极小的一部分。

在进入20世纪之后,科学家们在一次测量地球电离层的高度时意外发现:波长短于60米的电磁波在穿过地球电离层时,几乎全部一去不返。通过这一现象让研究者们大胆猜测:如果波长短于60米的电磁波能从地球毫无遮挡地冲向宇宙,反过来,来自宇宙的类似的电磁波或许也能顺利穿过大气层抵达地球。

从此,人类对宇宙无线电的观测就此拉开大幕。1931年,美国贝尔实验室借助天线阵接收到了远自银河系中心的无线电波。就这样,一个新兴的科学门类——射电天文学正式诞生了。此后,随着观测的不断深入,脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子相继“浮出水面”。

二、电磁波

我们虽然无法感受到电磁波,但电磁波却实实在在的应用于我们的日常生活中,其实电磁波不是现代科技的产物,无论在上古时期的史前文明,还是高度科技化的当下社会,电磁波始终存在于人类文明的长河之中,带给世间一切生命温暖和光明,一直影响并推动着整个人类文明的发展与进步。

但是电磁波这一概念的提出,最早追溯到由英国物理学家麦克斯韦十九世纪中叶预测并提出相应概念,并在20年后由德国物理学家赫兹实验证实。其概念可通俗的表达为:已知电场变化产生磁场,磁场变换产生电场。当电场磁场共同变化时,就会产生电磁波。其实电磁波本身是电磁场传播的一种表现形式,是电场方向与磁场方向以及传播方向三者相互垂直的一种能量传播形态,也因此可以认定,电磁波是横波。但作为一种重要的能量形式与物理概念,仅仅用“电磁波”三个字的概括是远远不够的。虽然统称为“电磁波”,但不同频段以及不同频率的电磁波,显现出的性质是有显著差别的。

电磁波的范畴涵盖无线电波,可见光,甚至伽马射线(γ射线)等等许多我们熟悉或陌生的名词。但是所有电磁波都具有一个共同的特点即在相同介质内的其传播速度相同,均为光速c,传播速度满足如下等式:

C=?姿·f 其中(电磁波的波长λ,频率f)

不难看出,波长越长的电磁波,频率越低,如果将不同频率的电磁波按频率关系进行排列,即为电磁波谱图。

下面我们围绕着两种中学常常接触的电磁波加以介绍。

三、可见光

可见光顾名思义,就是我们人类能看见的光。作为电磁波的一部分,应该算是我们最熟悉的电磁波了,通常我们将波长380nm到760nm这一波长范围内的电磁波称为可见光,因为这一波段的电磁波是可以被肉眼识别的。

可见光对人类的重要意义不言而喻,一直是人类认知和感受世界的重要途径,并在历史的发展中被赋予更多哲学意义。我们平时看到的光主要是白光,但在光学上的定义并非白色的光,而是没有颜色的光,它是多种不同颜色的光的混合。如果将我们身边最常见的可见光,如太阳光,利用分光器材,就可以看见太眼光是七种颜色混合后的光,这七种色光,分别是红、橙、黄、绿、蓝、紫。这七种颜色的光都可以通过红、蓝、绿三种颜色的光按比例混合出任意颜色的光,因此这三种颜色被称为“色光三原色”。一个非常常见的应用就是——电视机,老式的显像管彩色电视机屏幕上其实只有三种颜色的色点,但却可以播放出任意画面,应用的就是这个道理。

可见光领域的科技发展的速度相当快,从前可见光波段只是用来照明,但现阶段无论光能发电技术还是新型发光材料的研究都是科学界非常热门的课题,人类对可见光的研究和利用逐步上升到了一个新的高度。

四、无线电波

无线电波的出现称得上是人类现代文明的一次重大进步。无线电波业已成为当今人们信息交流的主要手段。在此之前,信息的传递均需要物质载体,书信是人们通讯的主要载体,但其可传递信息量小,通讯速度慢。但随着无线电波的出现,信息传递的速度和信息传递量均获得了直接提升,距离不再成为制约因素,无线电波迅速的架起一座沟通的桥梁。

一般的,3KHz至3THz频段内的电磁波都可以称之为无线电波,多由导体中的电流变化而产生。这一频段内的电磁波可谓是整个电磁波频谱内的明星!日常生活中的手机,收音机,雷达,卫星电话,甚至包括现在我们使用最多的WIFI,这些设备和技术所使用的信号都隶属于这一频段。

无线电波不仅可以满足地球上的通讯需要,更可以用来观测宇宙信息,正如目前马上完成搭建的世界最大的射电望远镜FAST,建成之后将可能搜寻到更多的天体,用以观测脉冲星,探索宇宙起源及其演化、暗物质暗能量、星系与银河系的演化等等。甚至还可以搜索星际通讯信号,进行对地外文明的探索。最值得骄傲的是,这台射电望远镜是完全由我国科学家建造的。

五、总结与展望

电磁波包围着我们生活的世界,在我们的现代生活中发挥着及其重要的作用。伴随着科技的发展,我们对于电磁波的认识和应用逐步深入,比如γ射线既可以在医疗领域应用治疗癌症,也可以在工业上进行金属探伤。很多本文未能一一列举的电磁波,其在实际生活,甚至医疗、军事等领域中都有着不可或缺的应用,像是红外线因为其发热性好,被用来制造理疗仪器,另外因为任何温度高于绝对零度的物体都会辐射红外线,军事上用红外线来制造夜视仪。

这些都是电磁波带给我们生活和生产上的进步,从前太阳利用电磁波将能量传递给地球而创造了文明社会,现如今在电磁波的推动下,人类文明正在快步走向一个新的高度!

参考文献:

[1] 光学.高等教育出版社.

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