电磁频谱

电磁频谱(Electromagnetic spectrum)是电磁辐射的频率范围(频谱)及其各自的波长和光子能量。

电磁频谱覆盖频率范围从1赫兹以下至1025赫兹以上的电磁波,对应于从几千公里到原子核尺寸的一小部分的波长。 这个频率范围被分成不同的频带,并且每个频带内的电磁波被称为不同的名称; 从低频(长波长)端开始,它们是:高频(短波长)端的无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线和伽马射线。 这些频带中的每一个中的电磁波都具有不同的特性,例如它们如何产生,它们如何与物质相互作用以及它们的实际应用。 长波长的限制是宇宙本身的大小,但认为短波长限制在普朗克长度附近。 伽马射线,X射线和高紫外线被归类为电离辐射,因为它们的光子具有足够的能量来电离原子,引起化学反应。 接触这些射线可能会对健康造成危害,导致放射病,DNA损伤和癌症。 可见光波长和较低的辐射称为非电离辐射,因为它们不会导致这些效应。

在上述大多数频段中,称为光谱学的技术可用于物理分离不同频率的波,产生显示组成频率的频谱。 光谱学用于研究电磁波与物质的相互作用。 其他技术用途在电磁辐射下描述。

电磁频谱发现的历史
对于大多数历史来说,可见光是电磁频谱中唯一已知的部分。 古希腊人认识到光线直线传播并研究了它的一些特性,包括反射和折射。 对光的研究一直持续,在16世纪和17世纪期间,相互冲突的理论将光视为波或粒子。

1800年,当威廉赫歇尔发现红外辐射时,首次发现除可见光以外的电磁辐射。 他正在研究不同颜色的温度,通过移动温度计通过棱镜分光。 他注意到最高温度超出了红色。 他推测这种温度变化是由于“热辐射”,这是一种无法看到的光线。

第二年,在另一端工作的Johann Ritter注意到了他所谓的“化学射线”(引发某些化学反应的不可见光线)。 它们的表现与可见紫光相似,但在光谱中超出了它们。 他们后来改名为紫外线辐射。

1845年,电磁辐射首先与电磁相关,当迈克尔法拉第注意到透过透明材料的光的偏振响应磁场时(见法拉第效应)。 在19世纪60年代,James Maxwell为电磁场开发了四个偏微分方程。 其中两个方程预测了场中波的可能性和行为。 分析这些理论波的速度,麦克斯韦意识到它们必须以大约已知光速的速度行进。 这个惊人的价值导致麦克斯韦使得推论光本身就是一种电磁波。

麦克斯韦方程组预测了无数的电磁波频率,都以光速行进。 这是整个电磁频谱存在的第一个迹象。

与红外线相比,麦克斯韦的预测波包括非常低频率的波,理论上这可能是由某种类型的普通电路中的振荡电荷产生的。 试图证明麦克斯韦方程组并检测这种低频电磁辐射,物理学家海因里希赫兹在1886年建立了一个设备来产生和检测现在称为无线电波的设备。 赫兹发现了这些波浪,并能够通过测量它们的波长并乘以它们的频率推断它们以光速行进。 赫兹还表明,新的辐射可以通过各种介质来反射和折射,就像光一样。 例如,赫兹能够使用由树脂树脂制成的镜头来聚焦波浪。 在后面的实验中,赫兹同样生产并测量了微波的特性。 这些新型的波浪为诸如无线电报和无线电等发明铺平了道路。

1895年,WilhelmRöntgen注意到在一个真空管受到高压的实验中发出了一种新型辐射。 他称这些放射线为X射线,发现它们能够穿过人体的一部分,但被诸如骨头等致密物质反射或阻挡。 不久之后,他们在医学领域发现了许多用途。

伽马射线的发现填补了电磁谱的最后部分。 1900年,保罗维拉德正在研究镭的放射性辐射,他发现了一种他首先想到的新类型的辐射,它包含与已知的α和β粒子相似的粒子,但具有比任何一种粒子都更具穿透力的能力。 然而,在1910年,英国物理学家威廉亨利布拉格证明,伽马射线是电磁辐射,而不是粒子,并于1914年,欧内斯特卢瑟福(谁在1903年命名为伽玛射线时,他意识到他们从根本上不同于带电阿尔法和贝塔粒子)和爱德华安德拉德测量了他们的波长,发现伽马射线与X射线相似,但波长较短,频率较高。

光谱的范围
电磁波通常由以下三种物理特性中的任何一种来描述:频率f,波长λ或光子能量E.在天文学中观察到的频率范围从2.4×1023Hz(1GeV伽马射线)到当地等离子体频率电离星际介质(〜1 kHz)。 波长与波频率成反比,所以伽玛射线具有非常短的波长,它们是原子大小的一小部分,而光谱的另一端的波长可以和宇宙一样长。 光子能量与波频率成正比,所以伽马射线光子具有最高能量(约十亿电子伏特),而无线电波光子具有非常低的能量(约为毫微微电子伏特)。 这些关系由以下等式表示:

其中:
c = 299792458 m / s是光在真空中的速度
h = 6.62606896(33)×10-34 J·s = 4.13566733(10)×10-15 eV·s是普朗克常数。
无论何时电磁波存在于含有物质的介质中,其波长都会减小。 电磁辐射的波长,无论他们穿过什么媒介,通常用真空波长来表示,尽管这并不总是明确说明。

通常,电磁辐射按波长分为无线电波,微波,太赫兹(或亚毫米)辐射,红外线,可见光区域,紫外线,X射线和伽马射线。 电磁辐射的行为取决于其波长。 当电磁辐射与单个原子和分子相互作用时,其行为也取决于其携带的每个量子(光子)的能量。

光谱学可以检测到比可见光范围400nm至700nm更宽的EM光谱区域。 普通的实验室分光镜可以检测2 nm到2500 nm的波长。 有关物体,气体甚至恒星的物理特性的详细信息可以从这种类型的设备中获得。 分光镜广泛用于天体物理学。 例如,许多氢原子发射波长为21.12厘米的无线电波光子。 另外,30Hz以下的频率可以由某些恒星星云产生,并且对于某些恒星星云的研究很重要,频率已经从天体物理学来源检测到高达2.9×1027 Hz。

频谱地区名称的理由
电磁辐射在整个频谱中以不同方式与物质相互作用。 这些类型的相互作用是如此不同,以至于历史上不同的名称已经应用于不同的部分,就好像这些是不同类型的辐射。 因此,虽然这些“不同种类”的电磁辐射形成了频率和波长的定量连续频谱,但由于与这些定性相互作用差异有关的实际原因,频谱仍然是分开的。

电磁辐射与物质的相互作用
光谱的区域 与物质的主要互动
无线电 散装材料中电荷载体的集体振荡(等离子体振荡)。 一个例子就是电子在天线中的振荡传播。
微波通过远红外线 等离子体振荡,分子旋转
近红外 分子振动,等离子体振荡(仅限金属)
可见 分子电子激发(包括在人视网膜中发现的色素分子),等离子体振荡(仅在金属中)
紫外线 激发分子和原子价电子,包括电子的喷射(光电效应)
X射线 核心原子电子的激发和喷射, 康普顿 散射(对于低原子序数)
伽马射线 核心电子在重元素中的高能射出, 康普顿 散射(对于所有原子序数),激发原子核,包括原子核的离解
高能量的伽马射线 创建粒子 – 反粒子对。 在非常高的能量下,单个光子在与物质相互作用时可以产生高能粒子和反粒子阵雨。
辐射类型

边界
以下给出对电磁频谱的区域(或频带或类型)的讨论。 请注意,电磁频谱带之间没有精确定义的边界; 而是像彩虹(这是可见光的次光谱)中的带子一样相互褪色。 每个频率和波长(或每个频带)的辐射具有混合其频谱的两个区域的特性的混合。 例如,红光类似于红外辐射,因为红光可以激发并增加一些化学键的能量,并且确实必须这样做,以促进负责光合作用和视觉系统工作的化学机制。

频谱的区域
电磁辐射的类型大致分为以下几类:

伽玛辐射
X射线辐射
紫外线辐射
可见辐射
红外辐射
太赫兹辐射
微波辐射

无线电波
这种分类按照波长的增加顺序进行,这是辐射类型的特征。 虽然总的来说,分类方案是准确的,但实际上在相邻类型的电磁能量之间通常存在一些重叠。 例如,60Hz的SLF无线电波可能会被天文学家接收和研究,或者可能作为电力沿着电线输送,但严格来说,后者严格来说根本不是电磁辐射(参见近场和远场)。

X射线和伽马射线之间的区别部分基于以下来源:由核衰变或其他核和亚核/粒子过程产生的光子总是被称为伽玛射线,而X射线是由涉及高能内部原子的电子跃迁产生的电子。 一般来说,核转变比电子转变更有活力,所以γ射线比X射线更有活力,但有例外。 通过类比电子跃迁,即使它们的能量可能超过6兆电子伏特(0.96 pJ),也可以说muonic原子跃迁产生X射线,但是有很多(已知77少于10 keV(1.6 fJ))低电平 – 能量核跃迁(例如,钍-229的7.6eV(1.22aJ)核跃迁),尽管其能量比一些缪斯X射线少一百万倍,但是由于它们的发射光子仍然被称为伽玛射线核起源。

然而,已知源于核的EM辐射总是被称为“伽马射线”辐射的公约是唯一普遍受到尊重的公约。 已知许多天文伽马射线源(例如伽马射线爆发)太有活力(在强度和波长上)是核起源的。 通常,在高能物理和医疗放射治疗中,非常高能量的EMR(在> 10 MeV区域) – 其能量比任何核子伽马射线都高 – 不被称为X射线或伽马射线,而是通过“高能光子”的通称。

特定观测到的电磁辐射下降的频谱区域取决于参考帧(由于光的多普勒频移),所以一个观察者会说的是在频谱的一个区域中的EM辐射对于观察者移动相对于第一个在光谱的另一部分中的光速的大部分。 例如,考虑宇宙微波背景。 当物质和辐射解耦时,它通过氢原子对基态的去激发而产生。 这些光子来自Lyman系列跃迁,将它们置于电磁波谱的紫外线(UV)部分。 现在,这种辐射经历了足够的宇宙红移,将其放入光谱的微波区域,供观察者相对于宇宙缓慢移动(相对于光速)。

无线电频率
无线电波由天线发射和接收,天线由诸如金属棒谐振器的导体组成。 在无线电波的人工生成中,被称为发射机的电子设备产生施加到天线的AC电流。 天线中的振荡电子产生振荡的电场和磁场,以无线电波形式从天线辐射出去。 在接收无线电波时,无线电波的振荡电场和磁场与天线中的电子耦合,将它们来回推动,产生施加于无线电接收器的振荡电流。 地球大气对无线电波来说主要是透明的,除了电离层中可以反射某些频率的带电粒子层。

无线电波被广泛用于在无线电通信系统(如无线电广播,电视,双向无线电,移动电话,通信卫星和无线网络)中跨越距离传输信息。 在无线电通信系统中,通过改变幅度,频率或相位并将其应用于天线,利用发射机中的信息承载信号来调制射频电流。 无线电波将信息通过空间传送到接收器,在接收器中由天线接收信息,并通过接收器中的解调提取信息。 无线电波还用于全球定位系统(GPS)和导航信标等系统中的导航,以及在无线电定位和雷达中定位远处的物体。 它们也用于远程控制和工业加热。

无线电频谱的使用受到政府的严格管制,由一个称为国际电信联盟(ITU)的机构协调,该机构将频率分配给不同的用户以用于不同的用途。

微波炉
微波是在SHF和EHF频段中短波长的无线电波,从约10厘米到1毫米。 微波能量由速调管和磁控管以及固态器件如Gunn和IMPATT二极管产生。 虽然它们被短天线发射和吸收,但它们也被极性分子吸收,耦合到振动和旋转模式,从而导致体积加热。 与主要吸收表面的红外线和光线等高频波不同,微波可以穿透材料并将能量沉积在表面以下。 这种效果被用来加热微波炉中的食物,以及用于工业加热和医疗透热。 微波是雷达中使用的主要波长,用于卫星通信和无线网络技术(如Wifi),尽管这种技术的强度等级不能导致热量加热。 用于将较低频率的无线电波传送到天线的铜电缆(传输线)在微波频率下具有过多的功率损失,并且使用称为波导的金属管来承载它们。 尽管在低频段,大气层主要是透明的,但在高频段,大气吸收微波将实际传播距离限制在几公里。

太赫兹辐射
太赫兹辐射是远红外和微波之间的光谱区域。 直到最近,该频段还很少被研究,而频段高端(亚毫米波或所谓的太赫兹波)微波能源的来源却很少,但现在正在出现诸如成像和通信等应用。 科学家们也在寻求将太赫兹技术应用于武装部队,在那里高频率的波浪可能会导致敌军失去电子设备。 太赫兹辐射被大气中的气体强烈吸收,使得这个频率范围对于长距离通信毫无用处。

红外辐射
电磁波谱的红外部分覆盖从大约300GHz到400THz(1mm-750nm)的范围。 它可以分为三部分:

远红外,从300 GHz到30 THz(1 mm – 10μm)。 该范围的下部也可以称为微波或太赫兹波。 这种辐射通常被气相分子中的所谓旋转模式,液体中的分子运动和固体中的声子吸收。 地球大气中的水在这个范围内吸收如此强烈,以至于使大气不透明。 然而,在不透明的范围内存在允许部分透射的特定波长范围(“窗口”),并且可以用于天文学。 波长范围从大约200微米到几毫米在天文学中通常被称为“亚毫米”,为200微米以下的波长保留远红外线。

中红外,从30到120 THz(10-2.5μm)。 在这个范围内,热物体(黑体散热器)可以强烈辐射,正常体温下的人体皮肤在该区域的较低端辐射强烈。 这种辐射被分子振动吸收,分子中的不同原子在其平衡位置周围振动。 这个范围有时被称为指纹区域,因为化合物的中红外吸收光谱对于该化合物是非常特异的。

近红外,从120到400THz(2,500-750nm)。 与此范围相关的物理过程与可见光相似。 该区域的最高频率可以通过某些类型的照相胶片以及红外摄影和录像的多种固态图像传感器直接检测到。

可见光辐射(光)
频率上方的红外线可见光。 尽管将整个发射功率谱整合到所有波长中,太阳在可见光区域发射其峰值功率,这表明太阳发射的红外线比可见光略多。 根据定义,可见光是人眼最敏感的EM光谱的一部分。 可见光(和近红外光)通常被从一个能级移动到另一个能级的分子和原子中的电子吸收和发射。 这个行动允许人类视觉和植物光合作用的化学机制。 激发人类视觉系统的光是电磁频谱的一小部分。 彩虹显示电磁光谱的光学(可见)部分; 红外线(如果可以看到的话)将位于彩虹的红色边缘之外,紫外线出现在紫色端点之外。

波长在380 nm和760 nm(400-790太赫兹)之间的电磁辐射被人眼检测到并被视为可见光。 其他波长,特别是近红外线(长于760nm)和紫外线(短于380nm)有时也被称为光线,特别是当人类的可见度不相关时。 白光是可见光谱中不同波长的光的组合。 通过棱镜传递白光将其分解成在400 nm和780 nm之间的可见光谱中观察到的几种颜色的光。

如果具有频谱在EM光谱的可见光区域中的辐射反射离开物体,例如一碗水果,然后撞击眼睛,则导致视觉感知场景。 大脑的视觉系统将大量反射频率处理成不同的色调和色调,并且通过这种未充分理解的心理物理现象,大多数人感觉到一碗水果。

然而,在大多数波长上,电磁辐射携带的信息并不直接被人的感觉检测到。 自然光源可以在整个光谱范围内产生电磁辐射,技术还可以处理各种波长。 光纤传输的光虽然不一定在光谱的可见部分(通常是红外线),但可以传输信息。 调制类似于无线电波使用的调制。

紫外线辐射
频率下一步出现紫外线(UV)。 紫外线的波长比可见光谱的紫色端短,但比X射线长。

紫外线是最长的波长辐射,其光子的能量足以使原子电离,将电子与它们分离,从而引起化学反应。 短波紫外线和其上方较短波长的辐射(X射线和伽马射线)被称为电离辐射,接触它们会损伤活组织,使其对健康有害。 紫外线也可以使许多物质在可见光下发光; 这被称为荧光。

在紫外线的中间范围,紫外线不能电离,但可以破坏化学键,使分子异常反应。 例如,晒伤是由于中等范围的紫外线辐射对皮肤细胞的破坏性作用造成的,皮肤细胞是皮肤癌的主要原因。 中等范围的紫外线可以不可挽回地破坏产生胸腺嘧啶二聚体的细胞中的复杂DNA分子,使其成为非常有效的诱变剂。

太阳辐射出大量的紫外线辐射(约占总功率的10%),其中包括极短波长的紫外线,可能会破坏陆地上大部分的生命(海水会为生命提供一定的保护)。 然而,大多数太阳紫外线的波长在到达表面之前被大气吸收。 紫外线的更高能量(最短波长)范围(称为“真空紫外线”)被氮气吸收,并在较长的波长吸收空气中的简单双原子氧气。 大部分能量中等范围的紫外线被臭氧层阻挡,臭氧层在重要的200-315 nm范围内强烈吸收,其中较低的能量部分对于普通的空气中的双氧气来说吸收太长。 这使得紫外线在海平面上的日光不到3%,所有这些余量都在较低的能量下。 其余的是UV-A,以及一些UV-B。 315 nm和可见光(称为UV-A)之间的紫外线能量范围非常低,但不会受到大气环境的阻挡,但不会导致晒伤并且生物损伤较小。 然而,它不是无害的,确实会造成氧自由基,突变和皮肤损伤。 请参阅紫外线获取更多信息

X射线
紫外线照射后,紫外线的上限也会电离。 但是,由于能量较高,X射线也可以通过康普顿效应与物质相互作用。 硬X射线比软X射线具有更短的波长,并且因为它们可以通过很少吸收的物质,所以它们可以用来“透视”厚度小于相当于几米水的物体。 一个值得注意的用途是医学诊断X射线成像(一种称为放射成像的过程)。 X射线在高能物理学中可用作探针。 在天文学中,中子星和黑洞周围的吸积盘发射X射线,可以研究这些现象。 X射线也是由恒星的冠状射出,并且被某些类型的星云强烈地发射。 然而,X射线望远镜必须放置在地球大气层以外才能看到天文X射线,因为地球大气层的深度对于X射线是不透明的(面密度为1000克/ cm2),相当于10米水的厚度。 这个数量足以阻挡几乎所有的天文X射线(也包括天文伽马射线 – 见下文)。

伽马射线
在1900年由保罗·乌尔里希·维拉德(Paul Ulrich Villard)发现的伽马射线发出硬X射线后,这些是最有活力的光子,它们的波长没有明确的下限。 在天文学中,它们对研究高能物体或区域很有价值,但是与X射线一样,这只能用地球大气层外的望远镜来完成。 伽玛射线由物理学家通过实验用于其穿透能力,并由许多放射性同位素产生。 它们用于食品和种子的灭菌照射,在医学上它们偶尔用于放射性癌症治疗。 更常见的是,γ射线被用于核医学中的诊断成像,一个例子是PET扫描。 伽玛射线的波长可以通过高精度的测量来测量 康普顿 散射。