Электромагнитный спектр

У этого термина существуют и другие значения, см. Спектр (значения).

Электромагни́тный спектр — распределение энергии электромагнитного излучения источника по частоте, длине волны или иному аналогичному параметру^[1]. В общем случае охватывает совокупность всех частотных диапазонов, но в зависимости от задачи может ограничиваться, например, только видимой областью. Показывает, в какой мере в исследуемом сигнале представлены ультрафиолетовое излучение, синий, зеленый и другие цвета, инфракрасная составляющая.

Ряд диапазонов электромагнитного излучения, расположенных по порядку увеличения длин волн

Является одной из разновидностей физических спектров. Характеризуется спектральной плотностью. Возможные размерности: (Дж/м³)/Гц, (Дж/м³)/м и другие, нередко приводится в относительных безразмерных единицах. Экспериментально регистрируется путём детектирования интенсивности излучения в выделяемых из сигнала (скажем, при помощи монохроматора) узких эквидистантных спектральных интервалах.

Длина волны — частота — энергия фотона

Характеристика электромагнитного спектра — спектральная плотность энергии излучения — представляет собой энергию, приходящуюся на малый интервал по некоторой переменной и отнесённую к ширине этого интервала. В качестве переменной, определяющей положение точек спектра, могут выступать

• длина волны;
• частота колебаний (см. также статью Шкала частот);
• энергия фотона (кванта электромагнитного поля);
• [реже] волновое число и др.

Энергия фотона, согласно квантовой механике, пропорциональна частоте: ${\displaystyle E=h\nu }$, где h — постоянная Планка, Е — энергия, ${\displaystyle \nu }$ — частота; в данном контексте значения энергии обычно выражаются в электронвольтах. Длина электромагнитной волны в вакууме обратно пропорциональна частоте: ${\displaystyle \,\lambda \,=\,c\,/\,\nu }$, где ${\displaystyle \,c\,}$ — скорость света. Говоря о длине электромагнитных волн в среде, обычно подразумевают эквивалентную величину длины волны в вакууме, которая отличается на коэффициент преломления, так как частота волны при переходе из одной среды в другую сохраняется, а длина волны — изменяется.

Размерность спектра определяется выбором переменной: например, если это частота, то будет (Дж/м³)/Гц, а если длина волны то (Дж/м³)/м. Иногда вместо объёмной плотности энергии рассматривается поверхностная плотность мощности электромагнитного излучения — тогда размерности, соответственно, (Вт/м²)/Гц или (Вт/м²)/м.

Шкала частот (длин волн, энергий фотонов) является непрерывной, но традиционно разбивается (см. ниже) на ряд диапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.

Основные электромагнитные диапазоны

γ-излучение

Основная статья: γ-излучение

Гамма-лучи имеют энергию выше 124 000 эВ и длину волны меньше 0,01 нм = 0,1 Å.

Источники: космос, ядерные реакции, радиоактивный распад, синхротронное излучение.

Прозрачность вещества для гамма-лучей, в отличие от видимого света, зависит не от химической формы и агрегатного состояния вещества, а в основном от заряда ядер, входящих в состав вещества, и от энергии гамма-квантов. Поэтому поглощающую способность слоя вещества для гамма-квантов в первом приближении можно охарактеризовать его поверхностной плотностью (в г/см²). Длительное время считалось, что создание зеркал и линз для γ-лучей невозможно, однако, согласно последним исследованиям в данной области, преломление γ-лучей возможно. Это открытие, возможно, означает создание нового раздела оптики — γ-оптики^[2][3][4][5].

Резкой нижней границы для гамма-излучения не существует, однако обычно считается, что гамма-кванты излучаются ядром, а рентгеновские кванты — электронной оболочкой атома (это лишь терминологическое различие, не затрагивающее физических свойств излучения).

Рентгеновское излучение

Основная статья: Рентгеновское излучение

• от 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 эВ) — жёсткое рентгеновское излучение. Источники: некоторые ядерные реакции, электронно-лучевые трубки.
• от 10 нм (124 эВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 эВ) — мягкое рентгеновское излучение. Источники: электронно-лучевые трубки, тепловое излучение плазмы.

Рентгеновские кванты излучаются в основном при переходах электронов в электронной оболочке тяжёлых атомов на низколежащие орбиты. Вакансии на низколежащих орбитах создаются обычно электронным ударом. Рентгеновское излучение, созданное таким образом, имеет линейчатый спектр с частотами, характерными для данного атома (см. характеристическое излучение); это позволяет, в частности, исследовать состав веществ (рентгено-флюоресцентный анализ). Тепловое, тормозное и синхротронное рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр.

В рентгеновских лучах наблюдается дифракция на кристаллических решётках, поскольку длины электромагнитных волн на этих частотах близки к периодам кристаллических решёток. На этом основан метод рентгено-дифракционного анализа.

Ультрафиолетовое излучение

Основная статья: Ультрафиолетовое излучение

Диапазон: От 400 нм (3,10 эВ) до 10 нм (124 эВ)

Наименование	Аббревиатура	Длина волны в нанометрах	Количество энергии на фотон
Ближний	NUV	400 — 300	3,10 — 4,13 эВ
Средний	MUV	300 — 200	4,13 — 6,20 эВ
Дальний	FUV	200 — 122	6,20 — 10,2 эВ
Экстремальный	EUV, XUV	121 — 10	10,2 — 124 эВ
Вакуумный	VUV	200 — 10	6,20 — 124 эВ
Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, Чёрный свет	UVA	400 — 315	3,10 — 3,94 эВ
Ультрафиолет B (средний диапазон)	UVB	315 — 280	3,94 — 4,43 эВ
Ультрафиолет С, коротковолновой, гермицидный диапазон	UVC	280 — 100	4,43 — 12,4 эВ

Оптическое излучение

Основная статья: Видимое излучение

Излучение оптического диапазона свободно проходит сквозь атмосферу, может быть легко отражено и преломлено в оптических системах. Источники: тепловое излучение (в том числе Солнца), флюоресценция, химические реакции, светодиоды.

Цвета видимого излучения, соответствующие монохроматическому излучению, называются спектральными. Спектр и спектральные цвета можно увидеть при прохождении узкого светового луча через призму или какую-либо другую преломляющую среду. Традиционно, видимый спектр делится, в свою очередь, на диапазоны цветов:

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—405	1,68—1,98

Ближнее инфракрасное излучение занимает диапазон от 207 ТГц (0,857 эВ) до 405 ТГц (1,68 эВ). Верхняя граница определяется способностью человеческого глаза к восприятию красного цвета, различной у разных людей. Как правило, прозрачность в ближнем инфракрасном излучении соответствует прозрачности в видимом свете.

Инфракрасное излучение

Основная статья: Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение расположено между видимым светом и терагерцовым излучением. Диапазон: от 2000 мкм (150 ГГц) до 740 нм (405 ТГц).

Электромагнитное терагерцовое излучение

Основная статья: Терагерцевое излучение

Терагерцовое (субмиллиметровое) излучение расположено между инфракрасным излучением и микроволнами, в диапазоне от 1 мм (300 ГГц) до 0,1 мм (3 ТГц).

ТГц излучение — не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода — нет.

Электромагнитные микро- и радиоволны

Основная статья: Диапазон частот

Для электромагнитных волн с частотой ниже 300 ГГц существуют достаточно монохроматичные источники, излучение которых пригодно для амплитудной и частотной модуляции. Поэтому распределение частот в этой области всегда имеет в виду задачи передачи сигналов.

• от 30 ГГц до 300 ГГц — микроволны.
• от 3 ГГц до 30 ГГц — сантиметровые волны (СВЧ).
• от 300 МГц до 3 ГГц — дециметровые волны.
• от 30 МГц до 300 МГц — метровые волны.
• от 3 МГц до 30 МГц — короткие волны.
• от 300 кГц до 3 МГц — средние волны.
• от 30 кГц до 300 кГц — длинные волны.
• от 3 кГц до 30 кГц — сверхдлинные (мириаметровые) волны.

См. также

• Спектральная плотность излучения

Примечания

1. Electromagnetic spectrum (англ.). Encyclopedia Britannica. Дата обращения: 26 декабря 2019. Архивировано 7 апреля 2020 года.
2. Показана возможность создания линз для гамма-излучения - Наука и техника - Физика - Компьюлента  (неопр.). Дата обращения: 13 февраля 2013. Архивировано из оригинала 15 июня 2012 года.
3. Вести.Ru: Физики создали "невозможную" линзу для гамма-лучей  (неопр.). Дата обращения: 13 февраля 2013. Архивировано из оригинала 21 февраля 2013 года.
4. Silicon 'prism' bends gamma rays - physicsworld.com  (неопр.). Дата обращения: 13 февраля 2013. Архивировано из оригинала 12 мая 2013 года.
5. ILL :: Neutrons for science : Gamma ray optics: a viable tool for a new branch of scientific discovery. 02.05.2012  (неопр.). Дата обращения: 13 февраля 2013. Архивировано из оригинала 11 сентября 2013 года.