Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр представляет собой диапазон частот (спектра) электромагнитного излучения и их соответствующих длин волн и энергий фотонов.

Электромагнитный спектр охватывает электромагнитные волны с частотами в диапазоне от одного герца до более 1025 герц, что соответствует длинам волн от тысяч километров до доли размера атомного ядра. Этот диапазон частот разделен на отдельные полосы, а электромагнитные волны в каждом диапазоне частот называются разными именами; начиная с низкочастотного (длинноволнового) конца спектра, это: радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи на высокочастотном (коротковолновом) конце. Электромагнитные волны в каждой из этих полос имеют разные характеристики, например, как они создаются, как они взаимодействуют с веществом и их практическое применение. Предел длинных длин волн – это размер самой Вселенной, в то время как считается, что предел короткой длины волны находится вблизи длины Планка. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и высокий ультрафиолетовый свет классифицируются как ионизирующее излучение, так как их фотоны обладают достаточной энергией для ионизации атомов, вызывая химические реакции. Воздействие этих лучей может представлять опасность для здоровья, вызывая лучевую болезнь, повреждение ДНК и рак. Излучение длин волн видимого света и нижних называется неионизирующим излучением, поскольку они не могут вызвать эти эффекты.

В большинстве полос частот выше метод, называемый спектроскопией, может быть использован для физического разделения волн разных частот, создавая спектр, показывающий составляющие частоты. Спектроскопия используется для изучения взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Другие технологические применения описаны под электромагнитным излучением.

История обнаружения электромагнитного спектра
На протяжении большей части истории видимый свет был единственной известной частью электромагнитного спектра. Древние греки признали, что свет путешествовал по прямым линиям и изучал некоторые его свойства, включая отражение и преломление. Изучение света продолжалось, и в XVI и XVII веках конфликтующие теории рассматривали свет как волну или частицу.

Первое открытие электромагнитного излучения, отличного от видимого, появилось в 1800 году, когда Уильям Гершель открыл инфракрасное излучение. Он изучал температуру разных цветов, перемещая термометр через свет, разделенный призмой. Он заметил, что самая высокая температура выше красной. Он предположил, что это изменение температуры было вызвано «калорийными лучами», которые были типом светового луча, который не мог быть замечен.

В следующем году Иоганн Риттер, работавший на другом конце спектра, заметил, что он назвал «химические лучи» (невидимые световые лучи, вызвавшие определенные химические реакции). Они вели себя подобно видимым лучам фиолетового света, но были вне их в спектре. Позднее они были переименованы в ультрафиолетовое излучение.

Электромагнитное излучение впервые было связано с электромагнетизмом в 1845 году, когда Майкл Фарадей заметил, что поляризация света, проходящего через прозрачный материал, реагирует на магнитное поле (см. Эффект Фарадея). В 1860-х годах Джеймс Максвелл разработал четыре уравнения в частных производных для электромагнитного поля. Два из этих уравнений предсказывали возможность и поведение волн в поле. Анализируя скорость этих теоретических волн, Максвелл понял, что они должны двигаться со скоростью, которая была известна со скоростью света. Это поразительное совпадение в значении побудило Максвелла сделать вывод о том, что сам свет является типом электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла предсказывали бесконечное число частот электромагнитных волн, движущихся со скоростью света. Это было первым признаком существования всего электромагнитного спектра.

Прогнозируемые волны Максвелла включали волны на очень низких частотах по сравнению с инфракрасным, что теоретически может быть создано колебательными зарядами в обычной электрической цепи определенного типа. Попытка доказать уравнения Максвелла и обнаружить такое низкочастотное электромагнитное излучение, в 1886 году физик Генрих Герц построил аппарат для генерации и обнаружения так называемых радиоволн. Герц нашел волны и смог вывести (измеряя их длину волны и умножая ее на их частоту), что они путешествовали со скоростью света. Герц также продемонстрировал, что новое излучение может быть отражено и преломлено различными диэлектрическими средами так же, как свет. Например, Герц смог сфокусировать волны, используя линзу из древесной смолы. В более позднем эксперименте Герц аналогичным образом произвел и измерил свойства микроволн. Эти новые типы волн проложили путь к изобретениям, таким как беспроводной телеграф и радио.

В 1895 году Вильгельм Рентген заметил новый тип излучения, испускаемого во время эксперимента с вакуумированной трубой, подверженной высокому напряжению. Он назвал эти лучи рентгеновского излучения и обнаружил, что они могли путешествовать по частям человеческого тела, но были отражены или остановлены более плотными веществами, такими как кости. Вскоре многие из них были найдены для них в области медицины.

Последняя часть электромагнитного спектра была заполнена обнаружением гамма-лучей. В 1900 году Пол Виард изучал радиоактивные выбросы радия, когда он идентифицировал новый тип излучения, который он сначала считал состоящим из частиц, подобных известным альфа- и бета-частицам, но обладающих способностью гораздо более проникать, чем либо. Однако в 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг продемонстрировал, что гамма-излучения представляют собой электромагнитное излучение, а не частицы, а в 1914 году Эрнест Резерфорд (который назвал их гамма-лучами в 1903 году, когда понял, что они принципиально отличаются от заряженных альфа- и бета-частиц ), и Эдвард Андраде измерил их длины волн и обнаружил, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткой длиной волны и более высокими частотами.

Диапазон спектра
Электромагнитные волны обычно описываются любым из следующих трех физических свойств: частота f, длина волны λ или энергия фотона E. Частоты, наблюдаемые в астрономии, варьируются от 2,4 × 1023 Гц (гамма-излучения 1 ГэВ) до локальной плазменной частоты ионизированной межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны, поэтому гамма-лучи имеют очень короткие длины волн, которые представляют собой доли размера атомов, тогда как длины волн на противоположном конце спектра могут быть до тех пор, пока вселенная. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны, поэтому фотоны гамма-лучей имеют наибольшую энергию (около миллиарда электрон-вольт), в то время как радиоволновые фотоны имеют очень низкую энергию (вокруг фемтоэлектронвольт). Эти соотношения иллюстрируются следующими уравнениями:

где:
c = 299792458 м / с – скорость света в вакууме
h = 6.62606896 (33) × 10-34 J · s = 4.13566733 (10) × 10-15 эВ · s – постоянная Планка.
Когда электромагнитные волны существуют в среде с веществом, их длина волны уменьшается. Длина волн электромагнитного излучения, независимо от того, какую среду они проезжают, обычно цитируется в терминах длины волны вакуума, хотя это не всегда четко указано.

Как правило, электромагнитное излучение классифицируется по длине волны в радиоволны, микроволны, терагерцовое (или субмиллиметровое) излучение, инфракрасное излучение, видимую область, которая воспринимается как световая, ультрафиолетовая, рентгеновская и гамма-лучи. Поведение электромагнитного излучения зависит от его длины волны. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с одиночными атомами и молекулами, его поведение также зависит от количества энергии на квант (фотон), который он несет.

Спектроскопия может обнаруживать гораздо более широкую область спектра ЭМ, чем видимый диапазон от 400 нм до 700 нм. Общий лабораторный спектроскоп может определять длины волн от 2 до 2500 нм. Подробная информация о физических свойствах объектов, газов или даже звезд может быть получена с этого типа устройства. Спектроскопы широко используются в астрофизике. Например, многие атомы водорода излучают радиоволновый фотон с длиной волны 21.12 см. Кроме того, частоты 30 Гц и ниже могут быть получены и важны при изучении некоторых звездных туманностей, а частоты от 2,9 × 1027 Гц обнаружены из астрофизических источников.

Обоснование региональных названий спектра
Электромагнитное излучение взаимодействует с веществом по-разному по всему спектру. Эти типы взаимодействия настолько различны, что исторически разные имена были применены к разным частям спектра, как если бы это были разные виды излучения. Таким образом, хотя эти «различные виды» электромагнитного излучения образуют количественно непрерывный спектр частот и длин волн, спектр остается разделенным по практическим соображениям, связанным с этими качественными различиями взаимодействия.

Электромагнитное радиационное взаимодействие с веществом
Область спектра Основные взаимодействия с веществом
Радио Коллективное колебание носителей заряда в объемном материале (колебание плазмы). Примером может служить колебательное движение электронов в антенне.
Микроволновая печь через дальнюю инфракрасную область Плазменные колебания, молекулярное вращение
Вблизи инфракрасного Молекулярная вибрация, колебание плазмы (только в металлах)
видимый Молекулярное электронное возбуждение (включая молекулы пигмента, обнаруженные в сетчатке человека), плазменные колебания (только в металлах)
ультрафиолетовый Возбуждение молекулярных и атомных валентных электронов, включая выброс электронов (фотоэлектрический эффект)
Рентгеновские лучи Возбуждение и выброс основных атомных электронов, Комптон рассеяние (для малых атомных чисел)
Гамма излучение Энергичный выброс электронов ядра в тяжелых элементах, Комптон рассеяния (для всех атомных чисел), возбуждения атомных ядер, включая диссоциацию ядер
Высокоэнергетические гамма-лучи Создание пар частиц-античастиц. При очень высоких энергиях один фотон может создавать ливень частиц и античастиц высоких энергий при взаимодействии с веществом.
Типы излучения

границы
Ниже дается обсуждение областей (или диапазонов или типов) электромагнитного спектра. Заметим, что четко не определены границы между полосами электромагнитного спектра; скорее они исчезают друг в друге, как полосы в радуге (что является суб-спектром видимого света). Излучение каждой частоты и длины волны (или в каждой полосе) имеет сочетание свойств двух областей спектра, которые ее связывали. Например, красный свет напоминает инфракрасное излучение в том, что он может возбуждать и добавлять энергию к некоторым химическим связям и действительно должен сделать это для питания химических механизмов, ответственных за фотосинтез и работу зрительной системы.

Регионы спектра
Типы электромагнитного излучения широко классифицируются по следующим классам:

Гамма-излучение
Рентгеновское излучение
Ультрафиолетовая радиация
Видимое излучение
Инфракрасная радиация
Терагерцовое излучение
Микроволновое излучение

Радиоволны
Эта классификация идет в порядке возрастания длины волны, что характерно для типа излучения. Хотя в целом схема классификации является точной, на самом деле часто существует некоторое перекрытие между соседними типами электромагнитной энергии. Например, радиоволны SLF с частотой 60 Гц могут быть получены и изучены астрономами или могут быть проложены по проводам в качестве электрической мощности, хотя последняя в строгом смысле не является электромагнитным излучением вообще (см. Ближнее и дальнее поле).

Различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами частично основано на источниках: фотоны, генерируемые ядерным распадом или другим ядерным и субъядерным / частичным процессом, всегда называются гамма-лучами, тогда как рентгеновские лучи генерируются электронными переходами с высокоэнергетическим внутренним атомарным электроны. В общем, ядерные переходы гораздо более энергичны, чем электронные переходы, поэтому гамма-кванты более энергичны, чем рентгеновские лучи, но существуют исключения. По аналогии с электронными переходами, также говорят, что переходы мюонных атомов производят рентгеновское излучение, хотя их энергия может превышать 6 мегаэлектронвольт (0,96 пДж), тогда как существует много (77, как известно, менее 10 кэВ (1,6 мДж)) низких (например, ядерный переход 7,6 эВ (1,22 aJ) тория-229) и, несмотря на то, что в миллион раз меньше энергии, чем некоторые мюонные рентгеновские лучи, излучаемые фотоны по-прежнему называют гамма-лучами из-за их ядерного происхождения.

Однако конвенция о том, что электромагнитное излучение, которое, как известно, поступает из ядра, всегда называется «гамма-излучение», однако единственное соглашение, которое общепризнано. Известно, что многие источники астрономических гамма-лучей (например, гамма-всплески) слишком энергичны (как по интенсивности, так и по длине волны) и имеют ядерное происхождение. Довольно часто в физике высоких энергий и в медицинской радиотерапии очень высокая ЭМИ энергии (в области> 10 МэВ), которая имеет более высокую энергию, чем любой ядерный гамма-луч, не называется рентгеновским или гамма-лучом, а вместо этого общий термин «фотонов высокой энергии».

Область спектра, где падает определенное наблюдаемое электромагнитное излучение, зависит от системы отсчета (из-за допплеровского сдвига для света), поэтому электромагнитное излучение, которое один наблюдатель скажет в одной области спектра, может показаться наблюдателю, движущемуся по значительная часть скорости света по отношению к первому находится в другой части спектра. Например, рассмотрим космический микроволновый фон. Он был получен, когда материя и радиация были отделены от девозбуждения атомов водорода в основное состояние. Эти фотоны были из переходов рядов Лаймана, помещая их в ультрафиолетовую (УФ) часть электромагнитного спектра. Теперь это излучение подверглось достаточно космологическому красному смещению, чтобы поместить его в микроволновую область спектра для медленного движения наблюдателей (по сравнению со скоростью света) относительно космоса.

Радиочастота
Радиоволны излучаются и принимаются антеннами, которые состоят из проводников, таких как резонаторы металлических стержней. При искусственной генерации радиоволн электронное устройство, называемое передатчиком, генерирует электрический ток переменного тока, который подается на антенну. Осциллирующие электроны в антенне генерируют колебательные электрические и магнитные поля, которые излучают антенну в виде радиоволн. При приеме радиоволн колебательные электрические и магнитные поля радиоволны соединяются с электронами в антенне, толкают их назад и вперед, создавая колебательные токи, которые применяются к радиоприемнику. Атмосфера Земли в основном прозрачна для радиоволн, за исключением слоев заряженных частиц в ионосфере, которые могут отражать определенные частоты.

Радиоволны чрезвычайно широко используются для передачи информации на расстояния в системах радиосвязи, таких как радиовещание, телевидение, двухсторонние радиостанции, мобильные телефоны, спутники связи и беспроводные сети. В системе радиосвязи радиочастотный ток модулируется информационным сигналом в передатчике путем изменения амплитуды, частоты или фазы и применяется к антенне. Радиоволны переносят информацию через космос в приемник, где они принимаются антенной и информацией, извлекаемой демодуляцией в приемнике. Радиоволны также используются для навигации в таких системах, как Глобальная система определения местоположения (GPS) и навигационные маяки, а также для нахождения удаленных объектов в радиолокации и радиолокации. Они также используются для дистанционного управления и для промышленного отопления.

Использование радиочастотного спектра строго регулируется правительствами, координируемыми органом, который называется Международным союзом электросвязи (МСЭ), который распределяет частоты для разных пользователей для разных целей.

Микроволны
Микроволны представляют собой радиоволны короткой длины волны, от примерно 10 сантиметров до одного миллиметра, в частотных диапазонах СВЧ и КВЧ. Микроволновую энергию получают с помощью клистрона и магнетронных трубок, а также твердотельных устройств, таких как диоды Ганна и IMPATT. Хотя они излучаются и поглощаются короткими антеннами, они также поглощаются полярными молекулами, связанными с колебательными и вращательными режимами, что приводит к объемному нагреву. В отличие от волн с более высокой частотой, таких как инфракрасное излучение и свет, которые поглощаются главным образом на поверхностях, микроволны могут проникать в материалы и наносить их энергию ниже поверхности. Этот эффект используется для нагрева пищи в микроволновых печах, а также для промышленного отопления и медицинской диатермии. Микроволны – это основные длины волн, используемые в радаре, и используются для спутниковой связи и беспроводных сетевых технологий, таких как Wi-Fi, хотя это уровни интенсивности не могут вызвать тепловое отопление. Медные кабели (линии передачи), которые используются для передачи низкочастотных радиоволн в антенны, имеют чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, а металлические трубки, называемые волноводами, используются для их переноса. Хотя на нижнем конце полосы атмосфера в основном прозрачная, на верхнем конце полосы поглощение микроволн атмосферными газами ограничивает практические расстояния распространения до нескольких километров.

Терагерцовое излучение
Терагерцовое излучение является областью спектра между дальним инфракрасным излучением и микроволнами. До недавнего времени этот диапазон редко изучался, и на верхнем конце полосы (субмиллиметровые волны или так называемые терагерцовые волны) существовало мало источников энергии СВЧ-волн, но теперь появляются такие приложения, как обработка изображений и связь. Ученые также стремятся применять терагерцовую технологию в вооруженных силах, где высокочастотные волны могут быть направлены на вражеские войска, чтобы вывести из строя их электронное оборудование. Терагерцовое излучение сильно поглощается атмосферными газами, что делает этот диапазон частот бесполезным для связи на большие расстояния.

Инфракрасная радиация
Инфракрасная часть электромагнитного спектра охватывает диапазон от примерно 300 ГГц до 400 ТГц (1 мм – 750 нм). Его можно разделить на три части:

Дальний инфракрасный диапазон от 300 ГГц до 30 ТГц (1 мм – 10 мкм). Нижнюю часть этого диапазона можно также назвать микроволнами или терагерцовыми волнами. Это излучение обычно поглощается так называемыми вращательными модами в газофазных молекулах, молекулярными движениями в жидкостях и фононами в твердых телах. Вода в атмосфере Земли настолько сильно поглощается в этом диапазоне, что делает атмосферу непрозрачной. Однако в непрозрачном диапазоне есть определенные диапазоны длин волн («окна»), которые допускают частичную передачу и могут использоваться для астрономии. Диапазон длин волн от приблизительно 200 мкм до нескольких мм часто упоминается как «субмиллиметр» в астрономии, сохраняя дальнюю инфракрасную область на длинах волн ниже 200 мкм.

Среднее инфракрасное излучение от 30 до 120 ТГц (10-2,5 мкм). Горячие предметы (излучатели черного тела) могут сильно излучать в этом диапазоне, а кожа человека при нормальной температуре тела сильно исходит в нижнем конце этой области. Это излучение поглощается колебаниями молекул, где разные атомы в молекуле вибрируют вокруг своих положений равновесия. Этот диапазон иногда называют областью отпечатка пальца, поскольку спектр инфракрасного поглощения соединения очень специфичен для этого соединения.

Near-infrared, от 120 до 400 THz (2500-750 нм). Физические процессы, имеющие отношение к этому диапазону, аналогичны физическим процессам для видимого света. Самые высокие частоты в этой области могут быть обнаружены непосредственно некоторыми типами фотографической пленки и многими типами твердотельных датчиков изображения для инфракрасной фотографии и видеосъемки.

Видимое излучение (свет)
Над инфракрасным излучением появляется видимый свет. Солнце излучает свою пиковую мощность в видимой области, хотя интеграция всего спектра мощности излучения по всем длинам волн показывает, что Солнце излучает немного больше инфракрасного, чем видимый свет. По определению, видимый свет является частью спектра ЭМ, наиболее чувствительным для человеческого глаза. Видимый свет (и ближний инфракрасный свет) обычно поглощается и излучается электронами в молекулах и атомах, которые движутся от одного уровня энергии к другому. Это действие позволяет химическим механизмам, которые лежат в основе человеческого зрения и фотосинтеза растений. Свет, который возбуждает человеческую визуальную систему, представляет собой очень небольшую часть электромагнитного спектра. Радуга показывает оптическую (видимую) часть электромагнитного спектра; инфракрасный (если бы его можно было увидеть) был бы расположен за красной стороной радуги с ультрафиолетом, появляющимся только за фиолетовым концом.

Человеческий глаз обнаруживает электромагнитное излучение с длиной волны между 380 нм и 760 нм (400-790 терагерц) и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно вблизи инфракрасных (более 760 нм) и ультрафиолетовых (короче 380 нм), также иногда называют светлыми, особенно когда видимость для человека не имеет значения. Белый свет представляет собой комбинацию огней разных длин волн в видимом спектре. Прохождение белого света через призму разбивает его на несколько цветов света, наблюдаемых в видимом спектре между 400 нм и 780 нм.

Если излучение, имеющее частоту в видимой области спектра ЭМ, отражает от объекта, скажем, чашу с фруктами, а затем ударяет в глаза, это приводит к визуальному восприятию сцены. Визуальная система мозга обрабатывает множество отраженных частот в разные оттенки и оттенки, и благодаря этому недостаточно понимаемому психофизическому явлению большинство людей воспринимает чашу фруктов.

Однако на большинстве длин волн информация, переносимая электромагнитным излучением, не обнаруживается непосредственно человеческими чувствами. Естественные источники генерируют электромагнитное излучение по всему спектру, а технология также может управлять широким диапазоном длин волн. Оптическое волокно передает свет, который, хотя и не обязательно в видимой части спектра (обычно инфракрасный), может нести информацию. Модуляция аналогична модуляции, используемой для радиоволн.

Ультрафиолетовая радиация
Далее по частоте идет ультрафиолет (УФ). Длина волны ультрафиолетовых лучей короче фиолетового конца видимого спектра, но длиннее рентгеновского излучения.

УФ – самое длинное излучение с длиной волны, фотоны которого достаточно энергичны, чтобы ионизировать атомы, отделяя от них электроны и тем самым вызывая химические реакции. Короткая длина волны УФ и более короткое излучение с длиной волны над ней (рентгеновское излучение и гамма-лучи) называются ионизирующим излучением, и воздействие на них может повредить живую ткань, что делает их опасными для здоровья. УФ-излучение также может вызывать появление многих веществ с видимым светом; это называется флуоресценцией.

В среднем диапазоне УФ-лучей не может ионизировать, но может разрушать химические связи, делая молекулы необычайно реактивными. Например, солнечный ожог вызван разрушительным воздействием УФ-излучения среднего диапазона на клетки кожи, что является основной причиной рака кожи. УФ-лучи в среднем диапазоне могут нанести непоправимый ущерб сложным молекулам ДНК в клетках, продуцирующих димеры тимина, что делает его очень мощным мутагеном.

Солнце излучает значительное УФ-излучение (около 10% его полной мощности), в том числе ультракороткое ультрафиолетовое излучение, которое может потенциально разрушить большую часть жизни на суше (океанская вода обеспечит некоторую защиту жизни там). Однако большинство повреждающих ультрафиолетовых волн Солнца поглощаются атмосферой до того, как они достигают поверхности. Диапазоны ультравысокой энергии (кратчайшие длины волны) УФ (называемые «вакуумным УФ») поглощаются азотом и на больших длинах волн простым двухатомным кислородом в воздухе. Большая часть УФ в средней части энергии блокируется озоновым слоем, который сильно поглощается в диапазоне 200-315 нм, нижняя часть энергии которого слишком велика для поглощения обычного кислорода на воздухе. Это оставляет менее 3% солнечного света на уровне моря в УФ, причем весь этот остаток при низких энергиях. Остальная часть – УФ-А, а также УФ-В. Самый низкий энергетический диапазон УФ между 315 нм и видимым светом (называемый УФ-А) не хорошо перекрывается атмосферой, но не вызывает солнечных ожогов и уменьшает биологический ущерб. Однако он не является безвредным и создает кислородные радикалы, мутации и повреждение кожи. Для получения дополнительной информации см. Ультрафиолет.

Рентгеновские лучи
После ультрафиолетового излучения появляются рентгеновские лучи, которые, подобно верхним диапазонам УФ, также ионизируются. Однако из-за их более высоких энергий рентгеновское излучение также может взаимодействовать с веществом с помощью эффекта Комптона. Жесткие рентгеновские лучи имеют более короткие длины волн, чем мягкие рентгеновские лучи, и поскольку они могут проходить через многие вещества с небольшим поглощением, их можно использовать для того, чтобы «видеть» объекты с «толщиной» меньше, чем это эквивалентно нескольким метрам воды. Одним из примечательных применений является диагностическое рентгеновское изображение в медицине (процесс, известный как рентгенография). Рентгеновские лучи полезны в качестве зондов в физике высоких энергий. В астрономии аккреционные диски вокруг нейтронных звезд и черных дыр испускают рентгеновские лучи, что позволяет изучать эти явления. Рентгеновские лучи также излучаются коронами звезд и сильно испускаются некоторыми типами туманностей. Тем не менее, рентгеновские телескопы должны быть размещены вне атмосферы Земли, чтобы увидеть астрономические рентгеновские снимки, поскольку большая глубина атмосферы Земли непрозрачна для рентгеновских лучей (с плотной плотностью 1000 г на см2), что эквивалентно 10 метрам толщина воды. Это количество, достаточное для блокировки почти всех астрономических рентгеновских лучей (а также астрономических гамма-лучей – см. Ниже).

Гамма излучение
После жестких рентгеновских лучей появляются гамма-лучи, обнаруженные Паулем Ульрихом Виардом в 1900 году. Это самые энергичные фотоны, не имеющие определенного нижнего предела их длины волны. В астрономии они ценны для изучения высокоэнергетических объектов или регионов, однако, как и в случае с рентгеновскими лучами, это можно сделать только с помощью телескопов вне атмосферы Земли. Гамма-лучи используются экспериментально физиками для их проникающей способности и создаются рядом радиоизотопов. Они используются для облучения пищевых продуктов и семян для стерилизации, а в медицине они иногда используются при лучевой терапии. Чаще всего гамма-лучи используются для диагностической визуализации в ядерной медицине, примером может служить ПЭТ-сканирование. Длина волны гамма-лучей может быть измерена с высокой точностью с помощью эффектов Комптон рассеяния.