Электромагнитный спектр

Спектр

Электромагни́тный спектр — совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.

Длина волны — частота — энергия фотона

К спектральным характеристикам электромагнитного излучения относят следующие величины:

• Длину волны;
• Частоту колебаний;
• Энергию фотона (кванта электромагнитного поля).

Энергия фотона, согласно квантовой механике, пропорциональна частоте: $E = h \nu$, где h — постоянная Планка, Е — энергия, $\nu$ — частота. Длина электромагнитной волны в вакууме обратно пропорциональна частоте и выражается через скорость света: $\nu\,\lambda\,=\,c$. Рассматривая длину электромагнитных волн в среде, имеют в виду эквивалентную величину длины волны в вакууме, которая отличается на показатель преломления, т.к. частота волны при переходе из одной среды в другую сохраняется, а длина волны — изменяется.

В шкале электромагнитеого спектра в верхней части шкалы приводятся значения энергии (в электронвольтах). Частоты, указанные в нижней части шкалы, выражены в герцах, а также в кратных единицах: кГц = 1000 Гц, МГц = 1000 кГц = 1000000 Гц, ГГц = 1000 МГц = 10⁹ Гц, ТГц = 1000 ГГц = 10¹² Гц.

Шкала частот (длин волн, энергий) является непрерывной, но традиционно разбита на ряд диапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.

Основные электромагнитные диапазоны

γ-излучение

Гамма-лучи имеют энергию выше 124 000 эВ и длину волны меньше 0,01 нм = 0,1 Å.

Источники: космос, ядерные реакции, радиоактивный распад, синхротронное излучение.

Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма-квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма-квантов в первом приближении можно охарактеризовать его поверхностной плотностью (в г/см²). Длительное время считалось, что создание зеркал и линз для γ-лучей невозможно, однако согласно последним исследованиям в данной области, преломление γ-лучей возможно. Это открытие, возможно, означает создание нового раздела оптики - γ-оптики.

Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма-кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты — электронной оболочкой атома (это лишь терминологическое различие, не затрагивающее физических свойств излучения).

Рентгеновское излучение

• от 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 эВ) — жёсткое рентгеновское излучение. Источники: некоторые ядерные реакции, электронно-лучевые трубки.
• от 10 нм (124 эВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) — мягкое рентгеновское излучение. Источники: электронно-лучевые трубки, тепловое излучение плазмы.

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжёлых атомов на низколежащие орбиты. Вакансии на низколежащих орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое излучение); это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгено-флюоресцентный анализ). Тепловое, тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решётках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решёток. На этом основан метод рентгено-дифракционного анализа.

Ультрафиолетовое излучение

Диапазон: От 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)

Наименование	Аббревиатура	Длина волны в нанометрах	Количество энергии на фотон
Ближний	NUV	400 — 300	3,10 — 4,13 эВ
Средний	MUV	300 — 200	4,13 — 6,20 эВ
Дальний	FUV	200 — 122	6,20 — 10,2 эВ
Экстремальный	EUV, XUV	121 — 10	10,2 — 124 эВ
Вакуумный	VUV	200 — 10	6,20 — 124 эВ
Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, Чёрный свет	UVA	400 — 315	3,10 — 3,94 эВ
Ультрафиолет B (средний диапазон)	UVB	315 — 280	3,94 — 4,43 эВ
Ультрафиолет С, коротковолновой, гермицидный диапазон	UVC	280 — 100	4,43 — 12,4 эВ

Оптическое излучение

Излучение оптического диапазона (видимое излучение и ближнее инфракрасное излучение) свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломлено в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению, называются спектральными. Спектр и спектральные цвета можно увидеть при прохождении узкого светового луча через призму или какую-либо другую преломляющую среду. Традиционно, видимый спектр делится, в свою очередь, на диапазоны цветов:

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—405	1,68—1,98

Ближнее инфракрасное излучение занимает диапазон от 207 ТГц (0,857 эВ) до 405 ТГц (1,68 эВ). Верхняя граница определяется способностью человеческого глаза к восприятию красного света, различной у разных людей. Как правило, прозрачность в ближнем инфракрасном излучении соответствует прозрачности в видимом свете.

Инфракрасное излучение

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Открыто инфракрасное излучение было в 1800 г. английским учёным У. Гершелем.

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения подразделяют на три составляющих:

• коротковолновая область: λ=0,74 - 2,5 мкм;
• средневолновая область: λ=2,5 - 50 мкм;
• длинноволновая область: λ=50 - 2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

• Единица измерения на основе одного триллиона герц.
• Один триллион герц, $10^{12}$герц.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

Электромагнитное терагерцовое излучение

Терагерцовое (субмиллиметровое) излучение расположено между инфракрасным излучением и микроволнами, в диапазоне от 1 мм (300 ГГц). до 0,1 мм.

До недавнего времени диапазон был слабо изучен и мало источников существовало для микроволновой энергии в верхней части полосы (суб-миллиметровых волн или так называемых ТГц волн), но приложения, такие как изображения и связи, сейчас появляются. Ученые также рассматривают применение терагерцовой технологии в вооруженных силах, где высокочастотные волны могли бы быть направлены на войска противника, чтобы вывести из строя их электронное оборудование.

Электромагнитные микро- и радиоволны

Для электромагнитных волн с частотой ниже 300 ГГц существуют достаточно монохроматичные источники, излучение которых пригодно для амплитудной и частотной модуляции. Поэтому, распределение частот в этой области всегда имеет в виду задачи передачи сигналов.

• от 30 ГГц до 300 ГГц — микроволны.
• от 3 ГГц до 30 ГГц — сантиметровые волны (СВЧ).
• от 300 МГц до 3 ГГц — дециметровые волны.
• от 30 МГц до 300 МГц — метровые волны.
• от 3 МГц до 30 МГц — короткие волны.
• от 300 кГц до 3 МГц — средние волны.
• от 30 кГц до 300 кГц — длинные волны.
• от 3 кГц до 30 кГц — сверхдлинные (мириаметровые) волны.

В отличие от оптического диапазона, исследование спектра в радиодиапазоне проводится не физическим разделением волн, а методами обработки сигналов.^[?]

См. также

• Спектральная плотность излучения