Спектр электромагнитного излучения

Электромагнитный спектр обобщает всю совокупность электромагнитного излучения и классифицирует его по категориям различных типов излучения, включая хорошо известный цветовой спектр видимого света.

Электромагнитные волны, используемые в радиовещании, телевидении и радиолокации, являются лишь частью полного набора, называемого электромагнитным спектром. Разделение электромагнитного спектра на определенные диапазоны частот и соответствующие диапазоны длин волн, является результатом способа создания и использования охватываемых волн. Однако эти диапазоны не являются строго ограниченными и перекрывают друг друга, а некоторые типы волн могут быть получены разными способами.

Разделение электромагнитного спектра

В электромагнитном спектре излучение характеризуется длиной волны λ или частотой f. Поскольку электромагнитные волны всегда распространяются со скоростью света с ≈ 10*8 м/с, применяется зависимость длины волны от частоты: λ = c / f .

Здесь важна обратная пропорциональность длины волны и частоты λ ~ f-1. Чем больше λ, тем меньше f и наоборот.

Благодаря фотоэлектрическому эффекту мы знаем, что видимый свет, а значит и электромагнитное излучение в целом, также проявляет свойства частиц, так называемых фотонов. Их энергию можно рассчитать так: Eф = h * f = ( h * c ) / λ , где h – это постоянная Планка. Поэтому электромагнитное излучение можно также характеризовать и сортировать по энергии его фотонов. Здесь мы снова должны соблюсти пропорциональность Eф ~ f ~ λ-1 .

Обычно электромагнитный спектр задается только до верхней и нижней границы частоты и длины волны, так как излучение выше или ниже этого практически не встречается в природе. В этих пределах спектр делится на множество небольших поддиапазонов, так что все излучения с частотами в этих диапазонах имеют определенные, одинаковые характеристики. Эти характерные свойства различаются между частотными диапазонами настолько, что можно говорить о различных типах излучения.

В порядке увеличения частоты f и уменьшения длины волны λ, электромагнитный спектр (см. рисунок 1) включает низкочастотное излучение, радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение или тепловое излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и, наконец, гамма-излучение (γ – излучение).

Электромагнитный спектр
Рис. 1. Электромагнитный спектр. (Ширина видимого светового диапазона значительно увеличена для наглядности рисунка – ( I ) ).

Границы отдельных диапазонов, конечно, лишь приблизительны, а переходы между различными видами излучения плавные, потому что, в конце концов, мы искусственно разделили электромагнитное излучение на эти категории.

Типы электромагнитных волн и их характеристики

Тип излучения/название диапазона спектраДлина волны, λЧастота, fЭнергия фотонов, Eф
Низкая частота100 000 км – 10 км3 Гц – 30 кГц12,4 фэВ – 124 пэВ
Радиоволны10 км – 1 м30 кГц – 300 МГц124 пэВ – 1,24 мкэВ
Микроволны1 м – 1 мм300 МГц – 300 ГГц1,24 мкэВ – 1,24 мэВ
Инфракрасное излучение/тепловое излучение1 мм – 780 нм300 ГГц – 385 ТГц1,24 мэВ – 1,59 эВ
Видимый свет780 нм – 380 нм385 ТГц – 789 ТГц1,59 эВ – 3,27 эВ
Ультрафиолетовое излучение380 нм – 10 нм789 ТГц – 30 ПГц3,27 эВ – 124 эВ
Рентгеновское излучение10 нм – 10 пм30 ПГц – 30 ЭГц124 эВ – 124 кэВ
Гамма-излучение< 10 пм > 30 ЭГц > 124 кэВ
Таблица: Виды электромагнитных волн и их свойства

Более непонятные из используемых здесь префиксов единиц измерения – “ф” для “фемто” и 10-15, “п” для “пико” и 10-12, “Т” для “тера” и 1012, “П” для “пента” и 1015, и “Э” для “экса” и 1018. Кроме того, у нас есть преобразование 1 эВ ≈ 1,602 * 10-19 Дж через элементарный заряд e.

Гамма-излучение фактически относится к любому излучению с длиной волны менее 10 пм. Мы также видим, что видимый свет – это лишь очень малая часть всего электромагнитного спектра. Наконец, следует отметить, что это лишь приблизительная классификация, и каждый из этих типов излучения на практике разбивается на еще большее количество подтипов.

Применение

Каждый тип электромагнитных волн встречается в природе и находит свое применение в технике. Далее мы приведем несколько примеров.

Излучение низкой частоты.

  • Возникает из-за молний в верхних слоях атмосферы, вызванных повышенной солнечной активностью.
  • Радионавигация и подводная связь.

Радиоволны.

  • холодные облака газа и пыли ( температура ≤ 1 К ) в пространстве между звездами испускают радиоизлучение.
  • радио- и телепередачи, магнитно-резонансная томография (МРТ).

Микроволны.

  • Космическое микроволновое («космический микроволновый фон») в микроволновом диапазоне, последнее остаточное излучение Большого взрыва со времен 380 000 лет после Большого взрыва, (слабо) присутствующее повсюду во Вселенной.
  • Микроволновые печи, радары, спутниковое вещание, WLAN, Bluetooth, GPS.

Инфракрасное излучение.

  • “Тепловое излучение” всех живых существ из-за их температуры, основное излучение при всех “повседневных” температурах вплоть до максимума в несколько тысяч Кельвинов (отсюда также сильное излучение, например, от огня и холода, небольших звезд).
  • Пульты дистанционного управления, тепловое излучение (например, в животноводстве), приборы ночного видения.

Видимый свет.

  • Средние, похожие на Солнце звезды имеют максимум излучения в видимом диапазоне. Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К, поэтому максимум его излучения приходится на сине-зеленый свет. Однако он также излучает любой другой видимый свет в достаточной степени, чтобы казаться нам белым. Холодные звезды с температурой поверхности около 4000 К излучают в основном красный свет и кажутся нам красноватыми, потому что они излучают слишком мало синего света. С другой стороны, горячие звезды с температурой поверхности около 10 000 К кажутся голубоватыми.
  • Освещение, дисплейная техника, фотография, микроскопия, проигрыватели DVD и Blu-ray, лазер (указка).

УФ-излучение.

  • Горячие звезды с температурой поверхности 10 000 К излучают в основном ультрафиолет, солнце также излучает ультрафиолет, что приводит к загару кожи, а также к солнечным ожогам.
  • Убивает бактерии, поэтому используется для стерилизации в больницах, для проверки банкнот, в соляриях.

Рентгеновское излучение.

  • Взрывы сверхновых крупных звезд, вещество, падающее в черные дыры, а также Солнце испускают очень слабое рентгеновское излучение, которое, однако, не достигает земной поверхности.
  • Рентгеновское исследование в медицине, исследование кристаллических структур (уравнение Брэгга), стерилизация в больницах.

Гамма-излучение.

  • Радиоактивный распад, взрывы сверхновых крупных звезд, падение материи в черные дыры.
  • Лучевая терапия в медицине, сенсорные технологии и испытания материалов, стерилизация в больницах.