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).
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 спектра | Длина волны, λ | Частота, f | Энергия фотонов, Eф |
| Низкая частота | 100 000 км – 10 км | 3 Гц – 30 кГц | 12,4 фэВ – 124 пэВ |
| Радиоволны | 10 км – 1 м | 30 кГц – 300 МГц | 124 пэВ – 1,24 мкэВ |
| Микроволны | 1 м – 1 мм | 300 МГц – 300 ГГц | 1,24 мкэВ – 1,24 мэВ |
| Инфракрасное излучение/тепловое излучение | 1 мм – 780 нм | 300 ГГц – 385 ТГц | 1,24 мэВ – 1,59 эВ |
| Видимый свет | 780 нм – 380 нм | 385 ТГц – 789 ТГц | 1,59 эВ – 3,27 эВ |
| Ультрафиолетовое излучение | 380 нм – 10 нм | 789 ТГц – 30 ПГц | 3,27 эВ – 124 эВ |
| Рентгеновское излучение | 10 нм – 10 пм | 30 ПГц – 30 ЭГц | 124 эВ – 124 кэВ |
| Гамма-излучение | < 10 пм | > 30 ЭГц | > 124 кэВ |
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.