Електромагнитен спектър

Общи сведения

Електромагнитен спектър е диапазона (обхвата) на всички възможни електромагнитни излъчвания. Също така електромагнитния спектър (обикновено само спектър) на даден обект е обхвата на електромагнитно лъчение, който той излъчва, отразява или предава.

На таблицата вдясно е показан електромагнитния спектър, като енергиите са в електронволти. Той се разпростира от честоти, използвани в електрическата мрежа (дълговълновата граница на спектъра) до гама лъчение (късовълновата граница на спектъра), покривайки дължина на вълната от хиляди километри до размера на атом и по-малки. Твърди се, че вълни извън тези граници са рядко срещани, което всъщност не е точно така. Например 22 годишният цикъл на слънчевите петна произвежда лъчение с период 22 години или честота 1,4×10^-9 Hz. Като пример за другата крайност, могат да се вземат фотоните на произволно висока честота, които може да се произведат при анихилация на електрони с позитрони с достатъчна енергия. Фотони с честота 10²⁴ Hz могат да се произведат със съвременни ускорители на частици. В нашата Вселена, границата на късите вълни изглежда е Константата на Планк, а на дългите вълни е самата вселена (виж космология), въпреки че спектъра е принципно безкраен. Електромагнитните вълни при някаква дължина на вълната λ (във вакуум) имат съответна честота ν и енергия на фотона E. Затова електромагнитния спектър може да се изрази еднакво добре като функция на коя да е от тези три величини. Отношението между тях се описва с уравненията:

\lambda = \frac{c}{\nu}  \,\!

E=h\nu \,\!

където:

c е скоростта на светлината, c = 299 792 458 m.s^-1 ≈ 300 000 km.s^-1.

h е Константа на Планк,

(h \approx 6,626069 \cdot 10^{-34} \ \mbox{J} \cdot \mbox{s} \approx 4,13567 \ \mathrm{\mu} \mbox{eV}/\mbox{GHz})

Спектър на различни обекти

Почти всички обекти във вселената излъчват, отразяват и/или предават някаква светлина. (Едно хипотетично изключение може да бъде тъмната материя). Разпределението на тази светлина в електромагнитния спектър (наричано спектър на обекта) се определя от състава на обекта. Могат да се различат няколко вида спектър в зависимост от природата на лъчението идващо от даден обект:

Ако спектърът се състои първично от термо лъчение излъчено от самия обект, възниква спектър на излъчване.
- Някои тела излъчват повече или по-малко светлина според спектъра на черното тяло.
Ако спектърът се състои от фонова светлина, части от които обекта предава и части от които обекта поглъща, възниква спектър на поглъщане.

Електромагнитна спектороскопия е раздел от физиката, който се занимава с характеризирането на материята по нейния спектър.

Радиочестота

Радиовълните с дължини на вълната от стотици метри до около 1 милиметър се използват чрез радиоантени с подходящи размери (според принципа на резонанса). Те служат за предаване на данни, чрез модулация. Телевизията, мобилните телефони, безжичните мрежи, радиолюбителските комуникации се основават на принципа на предаването и приемането на радиовълни.

Микровълни

Свръхвисоката честота (СВЧ) и извънредно високата честота на микровълните са след радиовълните в честотната скала. Микровълните са вълни, които са типично достатъчно къси за предаването им по тръбовиден (метален) вълновод с подходящ диаметър. Микровълновата енергия се произвежда от електронните лампи клистрон и магнетрон и с полупроводникови диоди като диод на Гън и ИМПАТ диод. Микровълните се абсорбират от молекулите, които имат диполен момент в течности. В микровълновата фурна, този ефект се използва за затопляне на храна. Микровълново лъчение с малък интензитет се използва при безжичните телекомуникации. Трябва да се отбележи, че средната микровълнова фурна може да причини интерференция (смущения) с недобре екранирани електромагнитни полета като тези на мобилните медицински устройства и евтина потребителска електроника.

Терахерцово лъчение

Това е област от спектъра на светлината между "далечното" инфрачервено и микровълните. Този вълнов обхват е рядко изследван и съществуват едва няколко източника на микровълнова енергия на високочестотния край на честотната лента (подмилиметрови вълни или така наречените терахецови вълни),едва напоследък се появяват приложения на тези вълни в комуникациите и снемането на образи. Предложен е стандарт за безжични мрежи в обхвата.

Инфрачервено лъчение

Инфрачервената част на електромагнитния спектър покрива обхвата от приблизително 300 GHz (1 mm) до 400 THz (750 nm). Може да се раздели на три части:

Долно (далечно) инфрачервено, от 300 GHz (1 mm) до 30 THz (10 μm). Долната граница на този обхват може да се класифицира като микровълни. Това лъчение типично се поглъща от така наречените ротационни режими на газофазовите молекули, от молекулярните движения в течности и от фонони в твърдите тела. Водата в земната атмосфера абсорбира толкова силно в този обхват, че я прави непрозрачна за тези вълни. Има известни обхвати на дължини на вълните обаче ("прозорци") в непрозрачния обхват, които позволяват частично предаване и могат да се използват в астрономията. Вълновият обхват от приблизително 200 μm до няколко mm е наричан в астрономията подмилиметров обхват.

Средно инфрачервено, от 30 до 120 THz (от 10 до 2,5 μm). Горещи тела (черно тяло) могат да излъчват силно в този обхват. Лъчението се абсорбира от молекулярните вибрации, когато отделните атоми в молекулата вибрират около техните равновесни положения. Понякога този обхват се нарича област на отпечатък тъй като абсорбционния спектър на средното инфрачервено лъчение е твърде специфичен за дадено химично съединение.

Горно (близко) инфрачервено от 120 до 400 THz (от 2500 до 750 nm).Физическите процеси характерни за този обхват са подобни на тези при видимимата светлина.

Видимо лъчение (светлина)

Спектър на видимата светлина в нанометри
Designed for monitors with gamma 1,5.

Цвят	Дължина на вълната	Честотен интервал
виолетово	~ 380 to 430 nm	~ 790 to 700 THz
син	~ 430 to 500 nm	~ 700 to 600 THz
циан	~ 500 to 520 nm	~ 600 to 580 THz
зелено	~ 520 to 565 nm	~ 580 to 530 THz
жълто	~ 565 to 590 nm	~ 530 to 510 THz
оранжево	~ 590 to 625 nm	~ 510 to 480 THz
червено	~ 625 to 740 nm	~ 480 to 405 THz
Непрекъснат спектър

По честота над инфрачервените лъчи идва видимата светлина. Това е диапазона, в който Слънцето и звездите излъчват по-голямата част от своето лъчение. Сигурно не е случайно, че човешкото око е чувствително към дължини на вълните, които Слънцето излъчва най-силно. Видимата светлина (и горните инфрачервени) обикновено се абсорбира и излъчва от електроните в молекулите и атомите, които се движат от едно енергийно ниво към друго. Светлината, която виждаме с очите си е наистина много малка част от електромагнитния спектър. Дъгата например показва оптичната (видимата) част на електромагнитния спектър. Ако можеха да се видят, инфрачервените лъчи щяха да са разположени след червеното на дъгата, а ултравиолетовите след виолетовия край.

Ултравиолетова светлина

Следващото лъчение след видимата светлина по честота е ултравиолетовото (англ. UV). Това е лъчение, чиято дължина на вълната е по-къса от виолетовия край на видимия спектър.

Бидейки високоенергийно, УВ лъчението може да разкъсва химични връзки и така да прави молекулите необичайно реактоспособни и да ги йонизира, като най-общо променя взаимното им поведение. Изгарянето на слънце например се причинява от разрушителни ефекти на УВ лъчение върху клетките на кожата, което може да причини дори и рак на кожата в случай че лъчението повреди сложните ДНК молекули в клетките (УВ радиацията е доказан мутаген). Слънцето излъчва голямо количество УВ лъчение, което бързо би могло да превърне Земята в безплодна пустиня, но по-голямата част от това лъчение се поглъща от атмосферния озонов слой преди да достигне Земята.

Рентгенови лъчи

След УВ идват рентгеновите лъчи. Твърдите рентгенови лъчи са с по-къси дължини на вълните от меките. Рентгеновите лъчи се използват за избирателно гледане през някои обекти, а през други не, както и във високоенергийната физика и астрономия. Неутронните звезди и прирастните дискове около черните дупки излъчват рентгенови лъчи, които позволяват изучаването им.

Гама лъчи

След твърдите рентгенови лъчи идват гама лъчите. Това са най-високоенергийните фотони, нямайки долна граница на дължината на вълната. Те са полезни на астрономите при изучаването на високоенергийни обекти или региони и намират употреба във физиката поради високопроникващата им способност и добиването им от радиоизотопи. Дължината на вълната на гама лъчите може да се измери точно с помоща на локация (разсейване) на Комптон.

За отбелязване е факта, че няма точно определени граници между видовете електромагнитно лъчение. Някои дължини на вълните са смесица от свойства на две области на спекъра. Например червената светлина наподобява инфрачервеното лъчение, при това тя може да резонира някои химически връзки.

Вижте също

Физика | Електромагнетизъм | Електромагнитно излъчване

Gourt Home::Gourt :: Електромагнитен спектър