電磁スペクトル

電磁スペクトルは、電磁放射の周波数範囲(スペクトル)およびそれぞれの波長および光子エネルギーである。

電磁スペクトルは、1ヘルツ以下から1025ヘルツ以上の範囲の周波数を有する電磁波をカバーし、数千キロメートルから原子核のサイズの数分の1までの波長に対応する。 この周波数帯域は別々の帯域に分割され、各周波数帯域内の電磁波は異なる名称で呼ばれる。 スペクトルの低周波(長波長)端から始まり、高周波(短波長)端での電波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、X線、およびガンマ線である。 これらのバンドのそれぞれの電磁波は、それらがどのように生成され、どのように物質と相互作用するか、およびそれらの実際の適用のような、異なる特性を有する。 長い波長の限界は宇宙そのものの大きさですが、短い波長の限界はプランクの長さに近いと考えられています。 ガンマ線、X線、および高紫外線は、その光子が原子をイオン化して化学反応を引き起こすのに十分なエネルギーを有するため、電離放射線として分類されます。 これらの線に曝露すると、健康災害となり、放射線病、DNA損傷および癌を引き起こす可能性があります。 可視光波長以下の放射線は、これらの効果を引き起こすことができないので、非イオン化放射線と呼ばれる。

上記の周波数帯域のほとんどでは、分光法と呼ばれる技術を使用して、異なる周波数の波を物理的に分離し、構成周波数を示すスペクトルを生成することができる。 分光法は電磁波と物質との相互作用を研究するために使用されます。 他の技術的用途は、電磁放射線の下で記載されている。

電磁スペクトルの発見の歴史
歴史の大部分では、可視光だけが電磁スペクトルの唯一の既知の部分でした。 古代ギリシア人は、光が直線で移動し、反射や屈折を含むその性質のいくつかを研究したことを認識しました。 光の研究は続けられ、16世紀と17世紀の間に相反する理論は、光を波または粒子のいずれかとみなした。

ウィリアム・ハーシェル博士が赤外線を発見した1800年に、可視光線以外の電磁波が初めて発見されました。 彼はプリズムで光を分裂させて温度計を動かすことで、さまざまな色の温度を研究していました。 彼は最高温度が赤を越えていることに気付いた。 彼は、この温度変化は、見えなかった光線の一種である「カロリ光線」によるものだと理論化した。

翌年、ヨハン・リッターは、スペクトルの反対側で働いて、 “化学線”(特定の化学反応を誘発した目に見えない光線)と気づいた。 これらは可視の紫色の光線と同様に振る舞いましたが、スペクトル上ではそれを超えていました。 彼らは後に紫外線放射に名称変更された。

電磁放射は、1845年にマイケル・ファラデー(Michael Faraday)が、透明材料を通って進む光の偏光が磁場に応答することに気付くと、電磁気に最初に関連していた(ファラデー効果参照)。 1860年代、James Maxwellは電磁場のための4つの偏微分方程式を開発しました。 これらの方程式のうちの2つは、現場における波の可能性と挙動を予測した。 これらの理論波の速度を分析すると、マクスウェルは、知られている光速度に近い速度で移動しなければならないことを認識していました。 この驚くべき値の一致は、光自体が電磁波の一種であるという推論をマクスウェルにもたらした。

マクスウェルの方程式は無限の電磁波の周波数を予測し、すべてが光の速度で進む。 これは、電磁スペクトル全体の存在の最初の兆候であった。

マクスウェルの予測される波には、赤外線に比べて非常に低い周波数の波が含まれていました。理論的には、特定のタイプの通常の電気回路で電荷を振動させることによって発生する可能性があります。 マックスウェルの方程式を証明し、そのような低周波電磁波を検出しようとすると、1886年に物理学者のハインリッヒ・ヘルツは、電波と呼ばれるものを生成して検出する装置を作りました。 Hertzは波を見つけ、光の速度で移動した(波長を測定し、周波数を掛けることによって)推測することができました。 Hertzはまた、新しい放射線が、光と同じように、様々な誘電体媒体によって反射され屈折されることができることを実証した。 例えば、Hertzは木の樹脂製のレンズを使って波を集めることができました。 後の実験では、Hertzも同様にマイクロ波の特性を作り出し測定しました。 これらの新しいタイプの波は、無線電信やラジオなどの発明の道を開いた。

1895年、WilhelmRöntgenは、真空管を高電圧にさらした実験中に放出された新しいタイプの放射線に気づいた。 彼はこれらの放射線X線を呼んで、人体の一部を通過することができたが、骨のような密度の高い物質によって反射または停止したことを発見した。 長い間、医学の分野では多くの用途が見つかっていました。

電磁スペクトルの最後の部分は、ガンマ線の発見で埋められた。 1900年にポール・ヴィラードは、ラジウムの放射性物質の放出を研究していました。新しいタイプの放射線を発見したとき、既知のアルファ粒子とベータ粒子に類似した粒子で構成されていたと考えられました。 しかし、1910年に英国の物理学者ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ(William Henry Bragg)は、ガンマ線は粒子ではなく電磁波であることを実証し、1914年にErnest Rutherford(1903年にγ線を命名した。 )とEdward Andradeは波長を測定し、ガンマ線はX線に似ているが、波長が短く、周波数が高いことを発見した。

スペクトルの範囲
電磁波は、典型的には、周波数f、波長λ、または光子エネルギーEの3つの物理的特性のいずれかによって記述される。天文学で観察される周波数は、2.4×1023Hz(1GeVガンマ線)から(約1kHz)である。 波長は波の周波数に反比例するので、ガンマ線は原子の大きさの一部である非常に短い波長を持つのに対し、スペクトルの反対側の波長は宇宙と同じくらい長くなります。 光子エネルギーは波の周波数に正比例するので、ガンマ線の光子は最高のエネルギー(約10億電子ボルト)を持ち、電波の光子は非常に低いエネルギー(フェムト電子ボルトの周り)です。 これらの関係は、以下の式によって示される。

ここで:
c = 299792458 m / sは真空中の光の速度です
h = 6.62606896(33)×10-34J・s = 4.13566733(10)×10-15eV・sはプランク定数である。
物質を含む媒質中に電磁波が存在するときはいつでも、それらの波長は減少する。 電磁放射の波長は、どの媒体を通過しているかに関わらず、通常は明示されていないが、通常、真空波長の観点から引用される。

一般に、電磁放射線は、波長によって、電波、マイクロ波、テラヘルツ(またはサブミリメートル)放射、赤外線、光、紫外線、X線およびガンマ線として感知される可視領域に分類される。 EM放射の挙動は、その波長に依存する。 EM放射線が単一の原子および分子と相互作用するとき、その挙動は、それが運ぶ量子(光子)当たりのエネルギーの量にも依存する。

分光法は、400nmから700nmの可視範囲よりもはるかに広いEMスペクトル領域を検出することができる。 一般的な実験用分光器は、2nmから2500nmまでの波長を検出することができる。 物体、ガス、または星の物理的特性に関する詳細な情報は、このタイプのデバイスから得ることができます。 分光器は、天体物理学において広く使用されている。 例えば、多くの水素原子は、21.12cmの波長を有する電波光子を放出する。 また、30Hz以下の周波数は、特定の星雲の研究で重要であり、天体物理的な源泉から2.9×1027Hzの高い周波数が検出されています。

スペクトル地域名の根拠
電磁放射は、スペクトル全体で物質と相互作用します。 これらのタイプの相互作用は、歴史的に異なる名前が異なる種類の放射線であるかのように、スペクトルの異なる部分に適用されるように非常に異なっています。 したがって、これらの「異なる種類の」電磁放射は、周波数および波長の定量的連続スペクトルを形成するが、スペクトルは、これらの定性的相互作用の差異に関連する実用的理由のために分割されたままである。

物質と電磁波の相互作用
スペクトルの領域 物質との主な相互作用
無線 バルク材料における電荷キャリアの一括発振(プラズマ発振) 一例は、アンテナ内の電子の振動的な移動である。
遠赤外線によるマイクロ波 プラズマ振動、分子回転
近赤外 分子振動、プラズマ振動(金属のみ)
見える 分子電子励起(ヒト網膜に見られる色素分子を含む)、プラズマ振動(金属のみ)
紫外線 電子の放出(光電効果)を含む分子および原子価電子の励起
X線 核原子電子の励起と放出、 コンプトン 散乱(低い原子番号の場合)
ガンマ線 重元素中の核電子のエネルギー放出、 コンプトン 散乱(すべての原子番号に対して)、核の解離を含む原子核の励起
高エネルギーガンマ線 粒子 – 反粒子対の生成。 非常に高いエネルギーでは、単一の光子が物質との相互作用時に高エネルギーの粒子および反粒子のシャワーを生成することがある。
放射線の種類

境界
電磁スペクトルの領域(またはバンドまたはタイプ)についての議論を以下に示す。 電磁スペクトルの帯域間には正確に定義された境界がないことに注意してください。 むしろ、虹の中のバンド(可視光のサブスペクトラム)のようにお互いに消えてしまいます。 各周波数および波長(または各帯域内)の放射は、それを束縛するスペクトルの2つの領域の特性の混合を有する。 例えば、赤色光は、ある種の化学結合にエネルギーを励起して加え、光合成および視覚系の働きを担う化学メカニズムに動力を供給するために、赤外線と似ています。

スペクトルの領域
電磁波の種類は、大きく次のように分類されます。

ガンマ線
X線放射
紫外線
可視放射
赤外線放射
テラヘルツ放射
マイクロ波放射

電波
この分類は、放射線のタイプの特徴である波長の増加する順に進む。 一般に、分類スキームは正確であるが、実際には、隣接するタイプの電磁エネルギー間に重複があることが多い。 例えば、60HzのSLF電波は、天文学者によって受信され、調査されてもよいし、電線に沿って電力として導管されてもよいが、厳密には電磁放射ではない(nearおよびfarフィールド参照)。

X線とガンマ線の区別は、部分的には線源に基づいている。すなわち、核崩壊または他の核および核/粒子プロセスから生成された光子は、常にガンマ線と呼ばれ、X線は、高エネルギーの内部原子電子。 一般に、核変換は電子遷移よりはるかにエネルギーが強いので、ガンマ線はX線よりもエネルギーがありますが、例外が存在します。 電子遷移と同様に、ミュオン原子転移は、そのエネルギーが6メガエレクトロンボルト(0.96pJ)を超えることがあるにもかかわらず、X線を生成するとも言われているが、(101keV(1.6fJ) (例えば、トリウム229の7.6eV(1.22aJ)核移行)、何らかのムーニーX線より百万倍もエネルギーが少ないにもかかわらず、放射された光子は依然としてガンマ線と呼ばれている原子力起源。

しかし、核から来ることが知られているEM放射線が常に「ガンマ線」放射線と呼ばれるという条約は、普遍的に尊重されている唯一の条約である。 多くの天文学的なガンマ線源(ガンマ線バーストなど)は、(強度と波長の両方で)あまりにもエネルギーがあり、原子核起源であることが知られています。 高エネルギー物理学および医療放射線治療では、(10MeV以上の)非常に高エネルギーのEMR(核ガンマ線よりも高いエネルギー)が、X線やガンマ線と呼ばれることはありませんが、 「高エネルギー光子」の総称。

特定の観測された電磁放射線が降下するスペクトルの領域は、(光のドップラーシフトのために)基準フレームに依存するので、1つの観察者がスペクトルの1つの領域にあると思われるEM放射線は、第1のスペクトルに対する光の速度のかなりの部分はスペクトルの別の部分にある。 例えば、宇宙のマイクロ波の背景を考えてみましょう。 それは、物質と放射線が分離されたときに、水素原子の基底状態への脱励起によって生成された。 これらの光子はライマンシリーズの遷移から得られ、電磁スペクトルの紫外(UV)部分にそれらを置きました。 今、この放射線は、宇宙に関してゆっくりと(光の速度と比較して)動く観察者のためにスペクトルのマイクロ波領域に入れるのに十分な宇宙論的な赤色シフトを受けている。

無線周波数
電波は、金属棒共振器のような導体からなるアンテナによって放射され受信される。 人工電波の発生においては、送信機と呼ばれる電子機器が交流電流を発生し、これをアンテナに印加する。 アンテナの振動する電子は発振する電場を発生し、アンテナから電波として放射する。 電波を受信すると、電波の振動する電場と磁界は、アンテナ内の電子と往復して、無線受信機に印加される振動電流を発生させる。 地球の大気は主に電波に透明であるが、特定の周波数を反映できる電離圏の荷電粒子の層を除いて。

電波は、ラジオ放送、テレビ、双方向ラジオ、携帯電話、通信衛星、および無線ネットワーキングのような無線通信システムにおいて距離を超えて情報を送信するために極めて広く使用されている。 無線通信システムでは、無線周波数電流は、振幅、周波数または位相のいずれかを変化させることによって、送信機内の情報担持信号で変調され、アンテナに印加される。 電波は空間を横切って情報を受信機に運び、そこで受信機で受信され、情報は受信機で復調されて抽出される。 電波は、全地球測位システム(GPS)や航行ビーコンなどのシステムでの航行や、無線標定やレーダー内の遠方の物体の位置特定にも使用されます。 また、遠隔操作や産業暖房にも使用されます。

無線スペクトルの使用は、様々な用途のために周波数を異なるユーザに割り当てる国際電気通信連合(ITU)と呼ばれる機関によって調整された政府によって厳格に規制されている。

マイクロ波
マイクロ波は、SHFおよびEHF周波数帯において、約10センチメートルから1ミリメートルの短波長の電波である。 マイクロ波エネルギーは、クライストロンとマグネトロンのチューブと、GunnやIMPATTダイオードのような固体素子で生成されます。 短いアンテナで放射され吸収されますが、極性分子にも吸収され、振動モードと回転モードに結合し、バルク加熱につながります。 主に表面で吸収される赤外線や光のような高周波数の波とは異なり、マイクロ波は材料の中に浸透して、そのエネルギーを表面の下に沈着させることができる。 この効果は、電子レンジでの食品の加熱、および工業用加熱および医療用ジアテルミーでの加熱に使用されます。 マイクロ波は、レーダーで使用される主な波長であり、衛星通信やWifiなどの無線ネットワーク技術に使用されていますが、これは熱を発生させない強度レベルです。 より低い周波数の電波をアンテナに運ぶために使用される銅ケーブル(伝送線)は、マイクロ波周波数で過度の電力損失を有し、導波管と呼ばれる金属パイプがそれらを搬送するために使用される。 バンドの低端部では大気が主に透明であるが、大気ガスによるマイクロ波の吸収帯の上端部では、数キロメートルまでの実用的な伝播距離が制限される。

テラヘルツ放射
テラヘルツ放射は、遠赤外線とマイクロ波の間のスペクトルの領域である。 最近まで、この範囲はほとんど研究されておらず、バンドのハイエンド(サブミリ波またはいわゆるテラヘルツ波)のマイクロ波エネルギー源はほとんど存在しませんでしたが、イメージングや通信などのアプリケーションが登場しています。 科学者たちは、武器にテラヘルツ技術を適用しようとしています。テラヘルツ技術は、敵軍に高周波を誘導して電子機器を使用不能にする可能性があります。 テラヘルツ放射は大気中のガスによって強く吸収され、この周波数範囲は長距離通信には役に立たない。

赤外線放射
電磁スペクトルの赤外線部分は、約300GHzから400THz(1mm〜750nm)の範囲をカバーする。 それは3つの部分に分けることができます:

300〜30テラヘルツ(1〜10μm)の遠赤外線です。 この範囲の下部は、マイクロ波またはテラヘルツ波とも呼ばれる。 この放射は、典型的には、気相分子におけるいわゆる回転モード、液体中の分子運動、および固体中のフォノンによって吸収される。 地球の大気中の水分はこの範囲で非常に強く吸収され、大気を実質的に不透明にします。 しかしながら、部分透過を可能にする不透明な範囲内の特定の波長範囲(「窓」)があり、天文学のために使用することができる。 約200μmから数mmまでの波長範囲は、天文学では「サブミリメートル」と呼ばれ、200μm未満の波長に対しては遠赤外線を確保します。

中赤外線、30から120THz(10-2.5μm)。 高温物体(黒体放射体)はこの範囲で強く放射することができ、正常な体温の人間の皮膚はこの領域の下端で強く放射します。 この放射は分子振動によって吸収され、分子内の異なる原子がそれらの平衡位置のまわりで振動する。 この範囲は、化合物の中赤外線吸収スペクトルがその化合物に非常に特異的であるため、指紋領域と呼ばれることがあります。

120〜400テラヘルツ(2,500〜750ナノメートル)の近赤外線。 この範囲に関連する物理的プロセスは、可視光のものに類似している。 この領域の最も高い周波数は、いくつかの種類の写真フィルムによって、および赤外線写真およびビデオ撮影のための多くのタイプの固体画像センサによって直接検出することができる。

可視光(光)
周波数の上の赤外線は可視光になります。 Sunは可視領域でピークパワーを放射しますが、すべての波長で放射パワースペクトル全体を統合すると、Sunが可視光よりもわずかに赤外線を放出することが示されます。 定義上、可視光線はEMスペクトルの一部であり、人間の目が最も敏感である。 可視光(および近赤外光)は、典型的には、あるエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに移動する分子および原子中の電子によって吸収および放出される。 この行動は、人間の視覚の基礎となる化学的メカニズムと植物の光合成を可能にする。 人間の視覚系を励起する光は、電磁スペクトルのごく一部です。 虹は電磁スペクトルの光学的(目に見える)部分を示しています。 赤外線(見ることができれば)は、虹の赤い側のすぐ上に位置し、紫色の端をちょうど越えて現れる。

380nm〜760nm(400-790テラヘルツ)の波長を有する電磁放射線は、人間の目によって検出され、可視光として知覚される。 他の波長、特に近赤外(760nmより長い)および紫外(380nmより短い)は、時には人間との視認性が重要でない場合、光と呼ばれることもあります。 白色光は、可視スペクトル内の異なる波長の光の組み合わせである。 プリズムに白色光を通すことにより、400nm〜780nmの可視スペクトルで観察されるいくつかの色の光に分割されます。

EMスペクトルの可視領域内の周波数を有する放射が対象物、例えば果実のボウルを反射し、次いで目に当たった場合、これはシーンの視覚的知覚をもたらす。 脳の視覚系は、多数の反射周波数を異なる色合いと色合いに処理し、この理解不十分な精神物理学的現象を通じて、ほとんどの人が果実の塊を知覚する。

しかし、多くの波長では、電磁放射によって運ばれる情報は人間の感覚によって直接検出されるわけではない。 自然源はスペクトル全体にわたって電磁波放射を生成し、技術は広範囲の波長を操作することもできます。 光ファイバは、スペクトルの可視部分(必ずしも赤外である)にある必要はないが、情報を運ぶことができる光を伝送する。 変調は電波で使用されるものと同様です。

紫外線
次に周波数が紫外線(UV)になります。 紫外線の波長は、可視スペクトルの紫色の端部よりも短いが、X線よりも長い。

UVは、光子が原子をイオン化し、それらから電子を分離して化学反応を引き起こすのに十分なほどエネルギーが強い最長波長の放射線である。 短波長の紫外線とそれより上の短波長の放射線(X線やガンマ線)は電離放射線と呼ばれ、それらに曝されると生きた組織に損傷を与え、健康に危険を及ぼす可能性があります。 UVはまた、多くの物質を可視光で発光させることがあります。 これは蛍光と呼ばれます。

UVの中間領域では、紫外線はイオン化することはできませんが、化学結合を破壊して分子を異常に反応させる可能性があります。 例えば、日焼け止めは、皮膚ガンの主な原因である皮膚細胞に対する中程度の紫外線の破壊的な影響によって引き起こされます。 中程度の紫外線はチミジン二量体を産生する細胞の複雑なDNA分子に回復不能な損傷を与え、非常に強力な突然変異誘発物質となる。

太陽は、地上でほとんどの人生を破壊する可能性のある非常に短波長の紫外線(海水はそこでの生活の中で何らかの保護を提供する)を含む、相当な紫外線(約10%)を放射します。 しかし、太陽に有害なUV波長の大部分は、表面に到達する前に大気に吸収されます。 より高いエネルギー(最短波長)のUV範囲(「真空UV」と呼ばれる)は、窒素によって吸収され、より長い波長では、空気中の単純な二原子酸素によって吸収される。 エネルギーの中間範囲のUVの大部分はオゾン層によって遮蔽され、オゾン層は重要な200-315nmの範囲で強く吸収され、その低いエネルギー部分は空気中の通常の二酸化炭素が吸収するには長すぎます。 これは、UVの海面に3%未満の太陽光を残し、この全てをより低いエネルギーで残す。 残りはUV-Aであり、UV-Bもある。 315nmと可視光(UV-Aと呼ばれる)の間のUVの最も低いエネルギー範囲は、大気によって十分に遮断されないが、日焼けを引き起こさず、生物学的損傷も少ない。 しかし、それは無害ではなく、酸素ラジカル、突然変異および皮膚損傷を引き起こす。 詳細は紫外線を参照してください。

X線
UVの後には、UVの上部範囲のようなX線もまた電離する。 しかし、高エネルギーのために、X線はコンプトン効果によって物質と相互作用することもあります。 硬X線は軟X線よりも短波長であり、吸収の少ない多くの物質を通過することができるため、水の数メートルに相当するよりも薄い「厚さ」の物体を見ることができます。 1つの注目すべき用途は、医療における診断用X線イメージング(X線撮影と呼ばれるプロセス)です。 X線は、高エネルギー物理学におけるプローブとして有用である。 天文学では、中性子星やブラックホール周辺の付着円板がX線を放出し、これらの現象を研究することができます。 X線はまた、星のコロナによって放出され、いくつかの種類の星雲によって強く放出される。 しかし、X線望遠鏡は、地球の大気の深さがX線(表面密度が1000グラム/ cm2)で10メートルに相当するため、天文学的なX線を見るためには地球の大気の外に置かなければなりません水の厚さ。 これは、ほぼすべての天文学的なX線(および天文学的なガンマ線 – 以下を参照)をブロックするのに十分な量です。

ガンマ線
硬X線の後には、1900年にPaul Ulrich Villardによって発見されたガンマ線が現れます。これは、波長の下限が定義されていない最もエネルギーの高い光子です。 天文学では、高エネルギーの物体や地域を研究するのに有益ですが、X線と同様に、地球の大気の外にある望遠鏡でのみ行うことができます。 ガンマ線は物理学者が実験的にその透過能力を利用し、多数の放射性同位元素によって生成される。 それらは食品および種子を滅菌のために照射するために使用され、医学においては放射線癌治療に時々使用される。 より一般的には、ガンマ線は、核医学における診断イメージングに使用され、その一例がPETスキャンである。 ガンマ線の波長は、 コンプトン 散乱。