Электромагнитный спектр

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.

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

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

• 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

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

Оптическое 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:

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

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

Электромагнитное терагерцовое 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

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

Эта страница в последний раз была отредактирована 6 января 2024 в 07:21.