Спектр электромагнитных волн

Спектр электромагнитных волн – это весь диапазон частот или длин вол электромагнитного поля, которое существует в природе. Этот спектр достаточно широк, поэтому его, для удобства классификации и работы с ним, разделяют на несколько диапазонов.

Все диапазоны электромагнитных вол по мере возрастания их частоты или длины волны располагают на так называемой «шкале электромагнитных волн». На этой шкале размещены (в порядке возрастания частоты) следующие диапазоны:

1. Низкочастотные электромагнитные волны (от нескольких Гц до 100 кГц).
2. Радиоволны (от 100 кГц до 300 ГГц).
3. Инфракрасное излучение (от 300 ГГц до 400 тыс. ГГц).
4. Видимый свет (от 400 до 800 тыс. ГГц).
5. Ультрафиолетовое излучение (от 800 тыс. ГГц до 30 млн. ГГц).
6. Рентгеновское излучение.
7. Гамма излучение.

Рассмотрим более подробно каждый из этих диапазонов.

Низкочастотные электромагнитные волны – это самый низкий диапазон спектра. Именно в этом диапазоне работает большинство электронных приборов. Дело в том, что с низкочастотным диапазоном легче всего работать и им легче всего управлять.

Радиоволны идут следующим диапазоном в спектре. Как мы знаем, с помощью радиоволн работают практически все беспроводные системы и устройства для передачи информации. В свою очередь радиоволны разделяются на несколько поддиапазонов: длинные, средние, короткие, ультракороткие и сверхвысокочастотные (СВЧ).

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение

входят в так называемый «оптический диапазон» или оптический спектр. Этот диапазон находится в промежутке частот между 3·10¹¹ до 3·10¹⁶ Гц. Оптический спектр также широко используется в системах передачи информации, но кроме этого еще и в системах отображения визуальной информации: дисплеях, мониторах, информационных табло и т.д.

Рентгеновское излучение возникает в результате различных процессов, возникающих в электронной оболочке атомов различных веществ. Например, при резком торможении быстрых заряженных частиц: электронов, протонов и других. Используется в основном в медицине.

Гамма излучение

, также как и рентгеновское генерируется внутри ядер, правда не в результате торможения частиц, а в процессе реакции их деления. Используется, а точнее является следствием использования радиоактивных материалов в энергетике.

< Предыдущая		Следующая >

Cпектр электромагнитных волн

Электромагнитный спектр охватывает все длины волн света — от излучения темных туманностей до вспышек сверхновых звезд.

Этот частотный диапазон поделен на отдельные, четко не дифференцированные полосы, электромагнитные волны в каждой из таких частотных полос имеют свое название. Перечислим их, начиная с низкой частоты:

• радиоволны,
• инфракрасные волны,
• видимый свет,
• ультрафиолет,
• рентгеновские лучи,
• гамма-лучи.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

История открытия электромагнитного излучения

Древние греки знали, что свет распространяется по прямой линии, и изучили некоторые его свойства, в том числе отражение и преломление. Изучение света продолжалось в течение 16-х и 17-х веков. Противоречивые теории рассматривали свет как волну или частицу.

Первое открытие невидимого простым глазом электромагнитного излучения, произошло в 1800 году, когда Уильям Гершель обнаружил инфракрасное излучение.

В следующем году Иоганн Риттер, заметил то, что он назвал «химическими лучами» (невидимые лучи, которые вызывали определенные химические реакции). Позже они были переименованы в ультрафиолетовое излучение.

Готовые работы на аналогичную тему

В 1860-х годах Джеймс Максвелл вывел четыре уравнения в частных производных для электромагнитного поля. Два из этих уравнения предсказали возможное поведение волн в поле. Максвелл сделал вывод, о том, что свет сам по себе является видом электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла предсказывали бесконечное число частот электромагнитных волн, которые движутся со скоростью света. Это было первое указание на существование всего электромагнитного спектра.

В 1886 году физик Генрих Герц создал аппарат для генерации и обнаружения так называемых радиоволн. Герц обнаружил волны и смог определить (измерив их длину и умножив ее на частоту), что они распространялись со скоростью света. Герц также показал, что новое излучение может отражаться и преломляться различными диэлектрическими средами так же, как свет.

Спектр электромагнитного излучения

Типы электромагнитного излучения подразделяются на следующие классы (области, полосы или типы):

1. Гамма,
2. Рентгеновское,
3. Ультрафиолетовое,
4. Видимое,
5. Инфракрасное,
6. Микроволновое,
7. Радиоволны.

Данная классификация идет в порядке возрастания длины волны.

Обратите внимание, что нет точно определенных границ между полосами электромагнитного спектра. Они «растворяются» друг в друге как полосы в радуге (которая является под-спектром видимого света). Излучение каждой частоты и длины волны обладает сочетанием свойств двух областей спектра, которые его ограничивают.

Различие между рентгеновским излучением и гамма-излучением частично основано на источниках: фотоны, генерируемые в результате ядерного распада или другого ядерного и субъядерного процесса, называются гамма-лучами, тогда как рентгеновские лучи генерируются электронными переходами с участием высокоэнергетического внутреннего атома электрона.

Определение, что электромагнитное излучение, которое исходит от ядра, называют «гамма-излучением», является единственным определением, которое соблюдается повсеместно.

Замечание 1

Электромагнитное излучение может быть выражено через энергию, длину волны или частоту.

Частота измеряется в циклах в секунду или в герцах. Длина волны измеряется в метрах. Энергия измеряется в электрон-вольтах. Каждая из этих трех величин, применяемых для описания электромагнитного излучения, математически связана друг с другом.

Астрономы используют весь электромагнитный спектр для наблюдений множества вещей. Радиоволны и микроволны — самые длинные волны и самые низкие энергии света — используются для наблюдения за плотными межзвездными облаками и отслеживания движения холодного темного газа. Радиотелескопы были использованы для картирования структуры нашей галактики, в то время как микроволновые телескопы чувствительны к остаткам Большого взрыва.

Инфракрасные телескопы эффективны в обнаружении прохладных тусклых звезд и даже измерении температуры планет в других солнечных системах. Длины волн инфракрасного света достаточно велики, чтобы перемещаться сквозь облака, которые в противном случае блокировали бы наш обзор. Используя большие инфракрасные телескопы, астрономы смогли заглянуть в ядро нашей галактики.

Большое количество звезд излучают часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, крошечной части спектра, к которой чувствительны наши глаза. Так как длина волны коррелирует с энергией, цвет звезды говорит нам, насколько она горячая.

Используя телескопы, чувствительные к различным диапазонам длин волн спектра, астрономы получают представление о широком круге объектов и явлений во вселенной.

Спектр электромагнитного излучения

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.

 

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных 

электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.

Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10

–9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.

Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. Постоянная Планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

 

Радиоволны

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

 

Микроволны

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.

 

Инфракрасные лучи

Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

 

Видимый свет

Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

 

Ультрафиолетовые лучи

К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. Озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

 

Рентгеновские лучи

Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)

 

Гамма-лучи

Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.

 

См. также:

1621 Закон Снеллиуса

1879 Закон Стефана—Больцмана

1890 Постоянная Ридберга

1900 Постоянная Планка

1912 Закон Брэгга

1924 Дисперсия: атомная теория

Спектр электромагнитного излучения ≪ ∀ x, y, z

Имеется целый ряд типов электромагнитного излучения, начиная с радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Электромагнитные лучи всех типов распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга только длинами волн.

После появления уравнений Максвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанных электрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом преломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначили отдельной буквой в отличие от всех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой .

Электромагнитные волны образуют сплошной спектр длин волн и энергий (частот), подразделяемый на условные диапазоны — от радиоволн до гамма-лучей.

Сделав это открытие, Максвелл сразу же определил, что видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромагнитных волн. К тому времени были известны длины световых волн видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной миллиардной метра, которая в основном используется в атомной физике и физике лучей; 1 нм = 10^–9 м.) Всем цветам радуги соответствуют различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах. Однако в уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн. Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.

Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Единственная разница между радиоволнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электромагнитного излучения (см. Постоянная Планка) возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

Радиоволны

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает ее изнутри.

Инфракрасные лучи

Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Видимый свет

Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет. Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

Ультрафиолетовые лучи

К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. Озоновая дыра). Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

Рентгеновские лучи

Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине.)

Гамма-лучи

Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все описанные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною границы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.

Энциклопедия Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания».
Джеймс Трефил — профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США), один из наиболее известных западных авторов научно-популярных книг.

Электромагнитный спектр — Electromagnetic spectrum

Учебный класс				Freq- uency	Звук- длина	энергии
Ионизирующее излучение	γ	Гамма лучи		300 EHZ	1 Сен -Пьер и Микелон	1,24 М эВ
				30 EHZ	10 вечера	124 K эВ
	HX	Жесткие рентгеновские лучи
				3 EHZ	100 часов	12,4 кэВ
	SX	Мягкие рентгеновские лучи
				300 Phz	1 нм	1,24 кэВ
				30 Phz	10 нм	124 эВ
	EUV	Экстремальный ультрафиолет
				3 Phz	100 нм	12,4 эВ
	NUV	Рядом с ультрафиолетовым
видимый				300 ТГц	1 мкм	1,24 эВ
	NIR	Рядом с инфракрасной
				30 ТГц	10 мкм	124 м эВ
	MIR	Середина инфракрасной
				3 ТГц	100 мкм	12.4 мэВ
	FIR	инфракрасное
				300 ГГц	1 мм	1,24 мэВ
Микро- волны и радио волны	КВЧ	Очень высокая частота
				30 ГГц	1 см	124 μ эВ
	SHF	Супер высокая частота
				3 ГГц	1 дм	12.4 мк
	UHF	Ультра высокой частоты
				300 МГц	1 м	1,24 мк
	УКВ	Очень высокая частота
				30 МГц	10 м	124 п эВ
	HF	Высокая частота
				3 МГц	100 м	12,4 н
	MF	Средняя частота
				300 кГц	1 км	1,24 н
	LF	Низкая частота
				30 кГц	10 км	124 р эВ
	УНЧ	Очень низкая частота
				3 кГц	100 км	12.4 п
	УНЧ	Ультра низкой частоты
				300 Гц	1 Мт	1.24 п
	SLF	Супер низкая частота
				30 Гц	10 Мм	124 F эВ
	ELF	Чрезвычайно низкая частота
				3 Гц	100 мм	12,4 FEV
Источники: Файл: Light spectrum.svg
легенда

Электромагнитный спектр является диапазоном частот (The спектр ) от электромагнитного излучения и их соответствующих длинами волн и энергии фотонов .

Электромагнитный спектр охватывает электромагнитные волны с частотами в диапазоне от менее одного герца до более чем 10 ²⁵ герц, что соответствуют длинам волн от тысяч километров до фракции размера с атомным ядром . Этот диапазон частот разделен на отдельные полосы, и электромагнитные волны в пределах каждой полосы частот называются по — разному; начиная с низкой частоты (длины волны) длиной конце спектра это: радиоволны , микроволновые печи , терагерцевые волны , инфракрасным , видимым свет , ультрафиолетовые , рентгеновские лучи и гамма — лучи на высокой частоте (короткую длина волны) конец. Электромагнитные волны в каждом из этих полос имеют различные характеристики, такие как , как они образуются, как они взаимодействуют с веществом, а также их практическое применение. Предел для длинных волн является размер вселенной самой, в то время как считается , что предел короткой длины волны находится в непосредственной близости от длины Планка . Гамма — лучи, рентгеновские лучи, и высокие ультрафиолетовые классифицируются как ионизирующее излучение , поскольку их фотоны имеют достаточно энергии , чтобы ионизировать атомы, вызывая химические реакции. Воздействие этих лучей может быть опасным для здоровья, вызывая лучевую болезнь , повреждение ДНК и рак . Излучение длины волны видимого света и ниже называется неионизирующим излучением , поскольку они не могут вызвать эти эффекты.

В большинстве полос частот выше, методика под названием спектроскопия может быть использована для физически отдельных волн различных частот, производя спектр , показывающий составляющие частоты. Спектроскопия используется для изучения взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Другие технологические применения описаны в разделе электромагнитного излучения .

История и открытие

Для большинства из истории, видимый свет был единственной известной частью электромагнитного спектра. В древние греки признали , что свет распространяется по прямой линии , и изучены некоторые его свойства, в том числе отражения и преломления . Исследование света продолжается, и в течение 16 — го и 17 — го веков конфликтующих теорий расценены свет или как волны или частицы.

Первое открытие электромагнитного излучения , кроме видимого света пришел в 1800 году , когда Уильям Гершель обнаружил инфракрасное излучение. Он изучал температуру различных цветов путем перемещения термометра через световой раскол призмой. Он заметил , что самая высокая температура была за красными. Он предположил , что это изменение температуры было вызвано «теплотворных лучи» , которые были типом светового луча , что не было виден.

В следующем году Иоганн Риттер , работая на другом конце спектра, заметил , что он назвал «химические лучи» (невидимые световые лучи, наведенные определенные химические реакции). Они вели себя так же , как видимые фиолетово световые лучи, но были за ними в спектре. Позже они были переименованы ультрафиолетовое излучение.

Электромагнитное излучение впервые было связано с электромагнетизмом в 1845 году, когда Майкл Фарадей заметил , что поляризация света , распространяющегося через прозрачный материал ответил на магнитное поле (см эффект Фарадея ). В течение 1860 — х годов Джеймс Максвелл разработал четыре дифференциальных уравнений для электромагнитного поля . Два из этих уравнений предсказали возможность и поведение волн в поле. Анализируя скорость этих теоретических волн, Максвелл понял , что они должны ехать со скоростью , которая была об известной скорости света . Это поразительное совпадение значения привело Максвелл , чтобы сделать вывод , что свет сам по себе является типом электромагнитной волны.

Уравнения Максвелла предсказали бесконечное число частот электромагнитных волн , все путешествовать со скоростью света. Это было первым свидетельством существования всего электромагнитного спектра .

Предсказанные волны Максвелла включали волны на очень низкие частоты по сравнению с инфракрасным, которые теоретически могут быть созданы с помощью осциллирующих зарядов в обычной электрической цепи определенного типа. Попытка доказать уравнений Максвелла и обнаружить такие низкие частоты электромагнитного излучения, в 1886 году физик Генрих Герц построил устройство , предназначенное для создания и обнаружения того, что теперь называют радиоволны . Герц обнаружил волны и был способен сделать вывод (путем измерения их длины волны и умножения его на своей частоте) , что они путешествовали со скоростью света. Герц также показал , что новое излучение может быть одновременно отраженным и преломленное различными диэлектрическими средами, таким же образом , как свет. Например, Герц смог сфокусировать волны , используя линзу , изготовленную из дерева смолы . В более позднем эксперименте Герц аналогичным способом , и измеряют свойства микроволн . Эти новые типы волн открыли путь для изобретений , таких как беспроводной телеграф и радио .

В 1895 году Рентген заметил новый тип излучения во время эксперимента с вакуумированной трубки подвергают воздействию высокого напряжения. Он назвал эти излучения рентгеновских лучей и обнаружили , что они были в состоянии путешествовать по части человеческого тела , но были отражены или останавливали более плотного вещества , такие как кости. До тех пор, много применений были найдены для них в области медицины .

Последняя часть электромагнитного спектра была заполнена с открытием гамма — лучей . В 1900 году Поль Виллар изучает радиоактивные выбросы радий , когда он определил новый тип излучения , что первая мысль состояла из частиц , подобных известных альфа- и бета — частиц, но с силой , чтобы быть гораздо более проницательны , чем либо. Тем не менее, в 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг показал , что гамма — лучи электромагнитного излучения, а не частицы, а в 1914 году Эрнест Резерфорд (который назвал их гамма — лучей в 1903 году , когда он понял , что они принципиально отличаются от заряженных альфа и бета — частиц ) и Эдвард Андради измерял их длины волн, и обнаружил , что гамма — лучи были похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и более высокими частотами.

Спектр

Электромагнитные волны , как правило , описываются с помощью любого из следующих трех физического свойства: частота F , длина волны Л , или фотонов энергии E . Частоты наблюдается в диапазоне астрономии от 7023239999999999999 ♠2,4 × 10 ²³  Гц (1 ГэВ гамма — лучи) вплоть до местного плазменной частоты ионизированного межзвездной среды (~ 1 кГц). Длина волны обратно пропорциональна частоте волны, так что гамма — лучи имеют очень короткие длины волн , которые являются фракции размером атомов , тогда как длины волн на противоположном конце спектра может быть до тех пор , как вселенной . Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны, так что гамма — фотоны имеют самую высокую энергию (около миллиарда электрон — вольт ), в то время как радиоволновые фотоны имеют очень низкую энергию (вокруг femtoelectronvolt ). Эти отношения проиллюстрированы следующими уравнениями:

езнак равносλ,или жеезнак равноЕчас,или жеЕзнак равночассλ,{\ Displaystyle F = {\ гидроразрыва {C} {\ Lambda}}, \ четырехъядерных {\ текст {или}} \ четырехъядерных F = {\ гидроразрыва {Е} {ч}}, \ четырехъядерных {\ текст {или}} \ четырехъядерных Е = {\ гидроразрыва {Нс} {\ Lambda}}}

где:

• с = 7008299792458000000 ♠299 792 458  м / с является скорость света в вакууме
• ч = 6966662606895999999 ♠6,626 068 96 (33) × 10 ^-34  Дж · с = 6985413566733000000 ♠4,135 667 33 (10) × 10 ^-15  эВ · с является постоянная Планка .

Всякий раз , когда существуют электромагнитные волны в среде с материи , их длина волны уменьшается. Длины волны электромагнитного излучения, независимо от того , какой среды они путешествуют через, не, как правило , указаны в терминах вакуумной длины волны , хотя это не всегда явно.

Вообще, электромагнитное излучение классифицируется по длине волны в радиоволны , СВЧ , терагерцового (или суб-миллиметра) излучения, инфракрасное излучение , в видимой области спектра, который воспринимается как свет, ультрафиолет , X-лучи и гамма — лучи . Поведение электромагнитного излучения зависит от его длины волны. Когда электромагнитное излучение взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение также зависит от количества энергии на квантовый (фотон) она несет.

Спектроскопия может обнаруживать гораздо более широкую область спектра ЭМ , чем видимом диапазоне от 400 нм до 700 нм. Обычная лабораторная спектроскоп может обнаружить длины волн от 2 нм до 2500 нм. Более подробная информация о физических свойствах объектов, газов или даже звезд может быть получена из этого типа устройства. Спектроскопические широко используются в астрофизике . Например, многие водородные атомы излучают в радиоволнового фотон , который имеет длину волны 21,12 см. Кроме того , частоты 30 Гц и ниже , могут быть получены и играют важную роль в изучении некоторых звездных туманностей и частотах до 7027290000000000000 ♠2,9 × 10 ²⁷  Гц , были обнаружены из астрофизических источников.

районы

Электромагнитный спектр Схема электромагнитного спектра, показывающая различные свойства по всему диапазону частот и длины волн

Типы электромагнитного излучения широко классифицированы на следующие классы (регионы, группа или типов):

1. гамма-излучение
2. Рентгеновское излучение
3. Ультрафиолетовое излучение
4. видимая радиация
5. Инфракрасное излучение
6. терагерцового излучения
7. Микроволновое излучение
8. Радиоволны

Эта классификация идет в порядке возрастания длины волны, которая является характеристикой типа излучения.

Хотя, в целом, схема классификации является точной, в действительности часто существует некоторое перекрытие между соседними типами электромагнитной энергии. Например, SLF радиоволны на частоте 60 Гц , могут быть получены и изучены астрономами, или могут быть Канальные по проводам , как электроэнергии, хотя последний, в строгом смысле этого слова, а не электромагнитное излучение на всех (см ближнего и дальнего поля ).

Обратите внимание , что не существует четко определенные границы между полосами электромагнитного спектра; скорее , они исчезают друг в друга , как в полосах радуги (который является суб-спектр видимого света). Излучение каждой частоты и длины волны (или в каждой группе) имеет сочетание свойств двух областях спектра , которые связаны его. Например, красный свет напоминает инфракрасное излучение , в том , что он может возбуждать и добавить энергии в некоторых химических связей и действительно должны сделать так , чтобы привести химические механизмы , ответственные за фотосинтез и рабочей части зрительной системы .

Различие между рентгеновскими лучами и гамма — лучами , частично основано на источниках: фотоны , полученные от ядерного распада или других ядерного и субъядерного / процесса частиц, всегда определяются как гамма — лучи, в то время как рентгеновские лучи генерируются электронными переходы с очень энергичными внутренним атомным электроны. В целом, ядерные переходы гораздо более энергичным , чем электронные переходы, так что гамма-лучи более энергичные , чем рентгеновские лучи, но существует исключение. По аналогии с электронными переходами, мезоатом переходы также , что производят рентгеновские лучи, даже если их энергия может превышать 6 мегаэлектронвольт (0,96 Pj), в то время как существует много (77 известно, что менее 10 к (1,6 FJ)) низкие -Энергетика ядерных переходов (например, 7,6 эВ (1,22 Aj) ядерный переход тория -229), и, несмотря на то , один миллион раз менее сильные , чем некоторые мюонные рентгеновских лучи, излучаемые фотоны до сих пор называют гамма — лучи из — за их ядерное происхождение.

Соглашение , что электромагнитное излучение, которое , как известно, происходят из ядра, всегда называется «гамма» излучение является единственной конвенцией , что повсеместно соблюдается, однако. Многие астрономические гамма — источники (например, гамма — всплесков ) , как известно, быть слишком энергичным (как в интенсивности и длины волны) , чтобы быть ядерного происхождения. Довольно часто в физике высоких энергий и в медицинской лучевой терапии, очень высокая энергии ЭЙ (в МАХ области> 10) -Какой является более высокой энергией , чем любой ядерной гамма — лучи не называются рентгеновским или гамма-излучение, но вместо этого общий термин «фотоны высокой энергии.»

Область спектра , где конкретное наблюдаемое электромагнитное излучение падает, является опорным кадром -зависимой (из — за доплеровский сдвиг для света), так что электромагнитное излучение , что один наблюдатель будет сказать, в одной области спектра может появиться , чтобы наблюдатель двигается значительная часть скорости света по отношению к первому быть в другой части спектра. Например, рассмотрим космический микроволновый фон . Это было произведено, когда вещество и излучение развязаны, по высвечивания атомов водорода в основное состояние. Эти фотоны были из серии лаймановских переходов, помещая их в ультрафиолетовом (УФ) частях электромагнитного спектра. Теперь это излучение претерпело достаточно космологического красного смещения , чтобы поместить его в микроволновой области спектра для наблюдателей , движущихся медленно ( по сравнению со скоростью света) в отношении космоса.

Обоснование имен

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

Электромагнитное взаимодействие излучения с веществом

Область спектра	Основные взаимодействия с веществом
Радио	Коллективные колебания носителей заряда в сыпучего материала ( плазменных колебаний ). Примером может служить колебательные странствия электронов в антенне .
Микроволновая печь через далеко инфракрасный	Плазменные колебания, вращение молекул
Рядом с инфракрасной	Молекулярная вибрация, плазменные колебания (в металлах только)
видимый	Молекулярное электронное возбуждение (в том числе молекул пигмента, найденных в сетчатке глаза человека), плазменные колебания (только на металлах)
ультрафиолетовый	Возбуждение молекулярных и атомных электронов валентности, в том числе вырывания электронов ( фотоэлектрический эффект )
Рентгеновские лучи	Возбуждение и выброс основных атомных электронов, комптоновское рассеяние (для низких атомных номеров)
Гамма лучи	Энергетический выброс основных электронов в тяжелых элементах, комптоновское рассеяние (для всех атомных номеров), возбуждение атомных ядер, в том числе диссоциации ядер
Высокоэнергетические гамма — лучи	Создание пар частиц-античастиц . При очень высоких энергиях один фотон может создать ливень частиц высоких энергий и античастиц при взаимодействии с веществом.

Виды излучения

Радиочастота

Радио волны излучаются и принимаются антеннами , которые состоят из проводников , таких как стержневых металлических резонаторов . При искусственном генераций радиоволн, электронное устройство называется передатчик генерирует переменный электрический ток , который подается к антенне. Колебательные электроны в антенне генерируют осциллирующие электрические и магнитные поля , которые излучают от антенны в качестве радиоволн. В приеме радиоволн, осциллирующих электрических и магнитных полей радиоволн пара к электронов в антенне, толкая их вперед и назад, создавая осциллирующие токи , которые применяются к радиоприемнику . Атмосфера Земли состоит в основном прозрачна для радиоволн, для слоев заряженных частиц в кроме ионосферы , которые могут отражать определенные частоты.

Радиоволны очень широко используются для передачи информации через расстояния в связи радио систем , таких как радиовещание , телевидение , две рации , мобильные телефоны , спутники связи и беспроводных сетей . В системе радиосвязи, ток радиочастоты модулируется с информацией несущей сигнала в передатчике путем изменения либо амплитуду, частоту или фазу, и применяется к антенне. Радиоволны несут информацию через пространство к приемнику, в котором они были получены с помощью антенны и информации , извлеченной с помощью демодуляции в приемнике. Радиоволны также используются для навигации в системах , таких как системы глобального позиционирования (GPS) и навигационных радиомаяков и поиск удаленных объектов в радиолокации и радиолокации . Они также используются для дистанционного управления , а также для промышленного обогрева.

Использование радиочастотного спектра строго регулируется правительствами, координируются органом под названием Международный союз электросвязи (МСЭ) , который распределяет частоты для различных пользователей для различных целей.

Микроволны

Участок прозрачности атмосферы Земли (или непрозрачности) на различные длины волн электромагнитного излучения.

Микроволны являются радиоволны короткой длины волны , от около 10 сантиметров до одного миллиметра, в СВЧ и КВЧ диапазонах частот. Микроволновая энергия производятся с клистронными и магнетронными трубами, а также с твердотельными устройствами , такие как Ганна и IMPATT диоды . Несмотря на то, что они испускаются и поглощаются короткими антеннами, они также поглощаются полярными молекулами , связь с колебательными и вращательными режимами, в результате чего объемного нагрева. В отличии от более высоких частот волн , таких как инфракрасные и свет , которые поглощаются в основном на поверхности, микроволновые печи могут проникать в материалы и внести свою энергию ниже поверхности. Этот эффект используется для нагрева пищи в микроволновой печи , а также для промышленного отопления и медицинской диатермии . Микроволны являются основными длинами волн , используемых в радиолокации , и используются для спутниковой связи и беспроводных сетей , технологий , таких как Wi — Fi , хотя это на уровне интенсивности , которые не могут вызвать тепловое нагревание. Медные кабели ( линии передачи ) , которые используются для выполнения более низкой частоты радиоволн антенн имеют чрезмерные потери мощности в диапазоне сверхвысоких частот, а также металлические трубы называемые волноводы используются для переноса их. Хотя на нижнем конце полосы атмосфера в основном прозрачная, на верхнем конце полосы поглощения микроволн с помощью атмосферных газов ограничивают практические расстояния распространения до нескольких километров.

терагерцового излучения

Терагерцовое излучение представляет собой область спектра между дальним инфракрасным и микроволновой печью. До недавнего времени диапазон был редко изучен и мало источников существует для микроволновой энергии в верхней части полосы (суб-миллиметровые волны или так называемые терагерцевые волны ), но приложения , такие как изображения и связи, сейчас появляются. Ученые также рассматривают применение терагерцовой технологии в вооруженных силах, где высокочастотные волны могли бы быть направлены на войсках противника , чтобы лишить их электронное оборудование. Терагерцовое излучение сильно поглощаются атмосферными газами, что делает этот диапазон частот непригодна для междугородной связи.

Инфракрасное излучение

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

• Дальнего инфракрасного , от 300 ГГц до 30 ТГц (1 мм — 10 мкм). Нижняя часть этого диапазона можно также назвать микроволновые печи или ТГц волны. Это излучение обычно поглощается так называемых ротационных мод в газовой фазе молекул, с помощью молекулярных движений в жидкостях, и фононов в твердых телах. Вода в атмосфере Земли поглощает настолько сильно в этом диапазоне , что делает атмосферу в силе непрозрачной. Тем не менее, существует определенные диапазоны длин волн ( «окно») в пределах диапазона непрозрачного , которые позволяют частичную передачу, и может быть использован для астрономии. Диапазон длин волн приблизительно от 200 мкм до нескольких мм часто упоминается как «субмиллиметровых» в астрономии , оставляя далекой инфракрасной области для длин волн ниже 200 мкм.
• Средней инфракрасной , от 30 до 120 ТГц (10-2.5 мкм). Горячие объекты ( черное тело радиаторы) могут сильно излучать в этом диапазоне, а кожа человека при нормальной температуре тела сильно излучает на нижнем конце этого региона. Это излучение поглощается молекулярных колебаний, где различные атомы в молекуле вибрируют вокруг их равновесных положений. Этот диапазон иногда называют областью отпечатка пальца , с серединой инфракрасной области спектра поглощения соединения очень специфичен для этого соединения.
• В ближней инфракрасной области от 120 до 400 ТГц (2,500-750 нм). Физические процессы , которые имеют отношение к этой области аналогичны тем , которые для видимого света. Самые высокие частоты в этой области могут быть обнаружены непосредственно некоторыми видами фотопленки, и многими типами твердотельных датчиков изображения для инфракрасной фотографии и видеографии.

Видимое излучение (свет)

Выше инфракрасная частота приходит видимый свет . Солнце излучает его пиковую мощность в видимой области спектра , хотя интеграции всего спектра мощности излучения всех длины волны через показывает , что Солнце слегка излучает больше инфракраснога , чем видимый свет. По определению, видимый свет является частью спектра Е.М. человеческого глаза является наиболее чувствительным к. Видимый свет (и ближний инфракрасный свет) , как правило , поглощаются и испускаются электронами в молекулах и атомах , которые двигаются от одного уровня энергии на другой. Это действие позволяет химические механизмы, лежащие в основе человеческого зрения и фотосинтез растений. Свет , который возбуждает человек зрительной системы является очень небольшой частью электромагнитного спектра. Радуги показывают оптические (видимые) части электромагнитного спектра; ИК — порт (если это было видно) будет располагаться сразу за красную сторону радуги с ультрафиолетовым появляются только после конца фиолетовой.

Электромагнитное излучение с длиной волны между 380 нм и 760 нм (400-790 ТГц) обнаружен человеческим глазом и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно в ближней инфракрасной области (более 760 нм) и ультрафиолетовое (короче 380 нм) также иногда упоминается как свет, особенно когда видимость для человека не имеет значения. Белый свет представляет собой сочетание света различных длин волн в видимом диапазоне спектра. Передача белый свет через призму разбивает его на нескольких цветов света , наблюдаемых в видимой области спектра между 400 нм и 780 нм.

Если излучение с частотой в видимой области спектра ЭМ отражается от объекта, скажем, ваза с фруктами, а затем ударяет в глаза, это приводит к визуальному восприятию сцены. Визуальная система мозга обрабатывает множество отраженных частот в различные оттенки и оттенки, и через это недостаточно изученный психофизическое явление, большинство людей воспринимают чашу фруктов.

В большинстве длин волн, однако, информация , переносимая электромагнитным излучением, непосредственно не обнаружено человеческих чувств. Природные источники производят ЭМ излучения по всему спектру, и технологии могут также манипулировать широкий диапазон длин волн. Оптическое волокно пропускает свет , что, хотя и не обязательно в видимой части спектра (это обычно инфракрасное), может нести информацию. Модуляции аналогичен тому , который используется с радиоволнами.

Ультрафиолетовое излучение

Количество проникновения УФ по отношению к высоте в земной озона

Далее по частоте приходит ультрафиолетовое (УФ). Длина волны УФ — лучей короче , чем фиолетовый конец видимого спектра , но больше , чем рентген.

УФ является самой длинной длиной волны излучения, фотоны достаточно энергичным , чтобы ионизировать атомы, отделяя электроны от них, и , таким образом , вызывая химические реакции . Короткие волны УФ и тем короче длина волны излучения над ним (рентгеновские лучи и гамма — лучи) называют ионизирующим излучением , а также воздействие на них может повредить живую ткань, что делает их опасными для здоровья. УФ также может стать причиной многих веществ светиться видимым светом; это называется флуоресценцией .

В среднем диапазоне УФ, УФ — лучи не могут ионизируют , но могут привести к поломке химических связей, что делает молекулы необычно реактивными. Загар , например, вызван разрушительными последствиями УФ — излучения среднего диапазона на кожные клетки , что является основной причиной рака кожи . УФ — лучи в среднем диапазоне может нанести непоправимый ущерб сложные ДНК — молекулы в клетках , продуцирующих димеров тимина , что делает его очень сильным мутагеном .

Солнце излучает значительное УФ — излучения (около 10% от его общей мощности), в том числе чрезвычайно короткой длины волны ультрафиолетового излучения , которые потенциально могут уничтожить большую часть жизни на суше (океанской воды обеспечит некоторую защиту жизни там). Тем не менее, большинство вредных ультрафиолетовых длин волн Солнца поглощается атмосферой , прежде чем они достигают поверхность. Более высокая энергия (длины волна) кратчайшие диапазоны УФ (называемые «вакуумная УФ») поглощаются азотом и, при больших длинах волн, с помощью простого двухатомного кислорода в воздухе. Большая часть УФ в середине диапазона энергии блокируется озоновым слоем, который сильно поглощает в важном диапазоне 200-315 нм, нижняя часть энергии которого является слишком долго для обычного дикислорода в воздухе , чтобы поглотить. Это оставляет менее 3% солнечного света на уровне моря в УФ, со всем этим остатком на более низких энергий. Остаток УФ-А, вместе с некоторым количеством УФ-B. Очень низкий энергетический диапазон УФ между 315 нм и видимого света ( так называемый УФ-А) не блокируется и атмосферой, но не вызывает солнечный ожог и делает меньше биологический вред. Однако, это не безвредно и действительно создает кислородные радикалы, мутации и повреждения кожи. См ультрафиолета для получения дополнительной информации.

Рентгеновские лучи

После того, как УФ приходят рентгеновские лучи , которые, как и верхние диапазоны УФ также ионизирующие. Однако из — за их более высокие энергии, рентгеновские лучи могут также взаимодействовать с материей с помощью эффекта Комптона . Жесткие рентгеновские лучи имеют более короткие длины волн , чем мягкое рентгеновское излучение , и как они могут пройти через многие вещества с небольшим поглощением, они могут быть использованы для «видеть через» объекты с «толщина» меньше , чем эквивалент до нескольких метров воды. Одно известное использование диагностических рентгеновских изображений в медицине (процесс , известный как радиографии ). Рентгеновские лучи могут быть использованы в качестве зондов в области физики высоких энергий. В астрономии, в аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр излучают рентгеновские лучи, позволяя исследования этих явлений. Рентгеновские лучи также испускаются коронами звезд и сильно излучаются некоторыми типами туманностей . Однако рентгеновские телескопы должны быть размещены за пределами атмосферы Земли , чтобы увидеть астрономические рентгеновские лучи, так как большая глубина атмосферы Земли непрозрачно для рентгеновских лучей (с поверхностной плотностью 1000 г на см ² ), что эквивалентно 10 метров толщина воды. Это количество , достаточное , чтобы блокировать почти все астрономические рентгеновские лучи (а также астрономические гамма — лучи-смотри ниже).

Гамма лучи

После того, как жесткие рентгеновские лучи приходят гамма — лучи , которые были обнаружены Paul Ulrich Виара в 1900 г. Это самые энергичные фотоны , не имеющие определенного нижнего предела к их длине волны. В астрономии они являются ценными для изучения объектов или областей с высокой энергией, однако , как с рентгеновскими лучами , это может быть сделано только с помощью телескопов за пределами атмосферы Земли. Гамма — лучи экспериментально используются физиками для их проникающей способности и получают ряд радиоизотопов . Они используются для облучения пищевых продуктов и семян для стерилизации, а также в медицине они иногда используются в терапии рака излучения . Чаще всего , гамма — лучи используются для диагностической визуализации в ядерной медицине , примером чего является ПЭТ — сканирование . Длина волны гамма — квантов может быть измерена с высокой точностью с помощью эффектов комптоновского рассеяния .

Смотрите также

Примечания и ссылки

внешняя ссылка

Презентация «Спектр электромагнитных волн»

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация «Спектр электромагнитных волн»

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда: 2 слайд Описание слайда:

Цель урока: обобщить, систематизировать изученный ранее материал о всем диапазоне электромагнитных излучений. Спектр электромагнитных волн

3 слайд Описание слайда: 4 слайд Описание слайда:

Распределение рентгеновского излучения на небесной сфере

5 слайд Описание слайда:

Распределение гамма — излучений на небесной сфере

6 слайд Описание слайда:

Электромагнитные волны, их характеристика и основные свойства. Решение задачи на применение соотношения волнового движения. Общий обзор шкалы электромагнитных волн. Деление электромагнитного спектра на диапазоны по способу генерации. Выполнение тестового задания. Всеволновая астрономия.

7 слайд Описание слайда:

Какую волну называют электромагнитной ?

8 слайд Описание слайда: 9 слайд Описание слайда:

Напряженность электрического поля и индукция магнитного поля излучающего гармонического вибратора в пространстве.

10 слайд Описание слайда:

решение

11 слайд Описание слайда:

Радиоволны СВЧ излучения Инфракрасное излучение Видимый свет Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Гамма — излучение Низкочастотные излучения

12 слайд Описание слайда:

Источники электромагнитного излучения различных диапазонов частот

13 слайд Описание слайда:

1. В каких случаях происходит излучение электромагнитных волн? 1. Электрон движется равномерно и прямолинейно. 2. Электрон движется равноускоренно и прямолинейно. 3. Электрон движется равномерно по окружности. Ответы: А. только 1 Б. только 2 В. только 3 Г. 1, 2, 3 Д. 2 и 3 2. Возникает ли электромагнитное излучение при торможении электронов? Ответы: А. нет Б. да 3. Какие из перечисленных ниже излучений обладают способностью к дифракции на краю препятствия? Ответы: А. Радиоволны Б. Видимое излучение В. Рентгеновское Г. Все кроме рентгеновского Д. Все выше перечисленные излучения

14 слайд Описание слайда:

4. Какие свойства будут обнаруживать электромагнитные волны следующих диапазонов, падая на тело человека? 1. Радиоволны 2. Рентгеновского диапазона 3. Инфракрасного диапазона 4.Ультрафиолетого диапазона. Ответы: А. Вызывают покраснение кожи. Б. Нагревают ткани. В. Почти полностью отражаются Г. Проходят через мягкие ткани 5. Как изменится плотность потока излучения электромагнитных волн при одинаковой амплитуде их колебаний в вибраторе, если частоту колебаний уменьшить в 2 раза? Ответы: А. Не изменится. Б. Уменьшится в 2 раза В. Уменьшится в 4 раза Г. Уменьшится в 16 раз 6. Какой вид электромагнитных волн имеет наименьшую частоту? Ответы: А. Рентгеновское Б. Ультрафиолетовое В. Видимый свет Г. Инфракрасные Д. Радиоволны

15 слайд Описание слайда:

Схематическое изображение прозрачности земной атмосферы для всего диапазона электромагнитных излучений

16 слайд Описание слайда:

Вращающая галактика Источники электромагнитных излучений Солнце Пульсары Квазары Телескопы

17 слайд Описание слайда:

Оптические Радиотелескопы Инфракрасные

18 слайд Описание слайда:

Фотография растущей Луны в гамма-лучах. ROSAT.

19 слайд Описание слайда: 20 слайд Описание слайда:

1. Исследования электромагнитного излучения имеют огромное значение для уточнения наших представлений о строении вещества. Исследования инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений помогли выяснить строение молекул и внешних электронных оболочек атомов; изучение рентгеновского излучения позволило установить строение внутренних электронных оболочек атомов и структуру кристаллов, а излучение гамма – лучей дает много ценных сведений о строении атомных ядер. 2. Анализ информации, полученной во всем спектре электромагнитных волн, позволяет составить более полную картину структуры объектов во Вселенной, тем самым расширить границы познания природы.

21 слайд Описание слайда: 22 слайд Описание слайда: 23 слайд Описание слайда:

Сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение (микроволновое излучение)

24 слайд Описание слайда:

Солнце

25 слайд Описание слайда: 26 слайд Описание слайда:

Радиоволны

27 слайд Описание слайда:

называется процесс распространения электромагнитного поля в пространстве с течением времени.

28 слайд Описание слайда:

с = λ ∙ ν

29 слайд Описание слайда:

Решение: с = λ · ν

30 слайд Описание слайда: 31 слайд Описание слайда: 32 слайд Описание слайда:

Внутреннее строение Солнца. Вращение солнечной системы.

33 слайд Описание слайда:

В Крабовидной туманности находится пульсар NP 0531 Пульсары – быстровращающиеся нейтронные звезды, у которых ось вращения не совпадает с магнитной осью.     

34 слайд Описание слайда:

Квазар 3C275 – самый яркий объект вблизи центра фотографии. Он удален от нас на 7 миллиардов световых лет. Закрыв яркий квазар 3C273, можно обнаружить окружающую его эллиптическую галактику.

35 слайд Описание слайда:

Инфракрасный астрономический спутник IRAS снабжен небольшим телескопом-рефлектором.

36 слайд Описание слайда:

Система радиотелескопов VLA в Нью-Мексико (США).

37 слайд Описание слайда:

Система телескопов Very Large Telescop.

38 слайд Описание слайда:

Фотография Солнца в рентгеновском излучении 21 августа 1973 года.

Курс повышения квалификации

Курс повышения квалификации

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала: ДВ-124804

Похожие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Спектр электромагнитных волн — Оптика

В семидесятых годах прошлого века, когда Дж. Максвелл высказал гипотезу об электромагнитной природе световых волн, и позже, когда эта гипотеза была подтверждена классическими опытами Г. Герца (см. «Электричество и магнетизм», гл. 12), физики располагали довольно скромными данными об излучении различных частот. При нагревании тел и при электрических разрядах в газах наблюдалось видимое излучение, а также более длинноволновое инфракрасное (частоты от 10¹² до 4-10¹¹ Гц) излучение, обнаруживаемое по создаваемому им нагреванию освещаемых тел, и более коротковолновое ультрафиолетовое излучение (частоты от 7,5×10¹⁴ до 7×10¹⁶ Гц), проявляющееся по химическим действиям и вызывающее видимое свечение при поглощении его веществом. Причиной этих излучений являются внутриатомные и внутримолекулярные процессы.

11ри электрических колебаниях в различных контурах и электрических машинах были получены волны от частот порядка десятков герц до частоты 5×10⁸ Гц (в опытах Герца) и даже 5×10¹⁰ Гц II более поздних опытах Лебедева (1895).

Для полного торжества теории Максвелла необходимо было перекрыть области излучения, доступные обоим методам. Это удалось сделать в двадцатых годах нашего века профессору МГУ Д. Л. Глаголевой-Аркадьевой, создавшей ряд излучателей, в которых возбуждались электромагнитные колебания в металлических опилках, игравших роль маленьких диполей Герца; опилки при разряде сгорали и тут же заменялись новыми. Излучение было очень немонохроматично и слабо. Тем не менее, удалось доказать, что такие излучатели дают частоты до 5-10¹² Гц, т. е. длинноволновое инфракрасное излучение.

В настоящее время выяснено, что при внутримолекулярных процессах может возникать весьма длинноволновое излучение (частоты вплоть до 10⁴ Гц), так что теория Максвелла получила полное подтверждение. Теперь считается, что инфракрасное излучение охватывает частоты от 4×10¹¹ до 10¹¹ Гц. Границами ультрафиолетового излучения принято считать частоты 7,5×10¹⁴ и 5×10¹⁶Тц. Ультрафиолетовое излучение поглощается обычными стеклами, а его высокочастотная часть — и атмосферой. Именно поэтому над

Рис. 1.1

Землей на высоте около 30 км возникает слой озона (0₃), предохраняющий живые организмы от вредного излучения. По той же причине опыты с высокочастотным ультрафиолетовым излучением приходится вести в вакуумной аппаратуре.

В 1895 г. Рентген обнаружил высокочастотное излучение при торможении пучка быстрых электронов металлической преградой. Эго излучение (частоты от 5-10^1в до 10” Гц) было названо рентгеновским. Такое же и еще более высокочастотное излучение (до частоты 10” Гц) возникает при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц; его называют гамма-излучением. Самое высокочастотное гамма-излучение приходит к нам из космоса.

В оптике длины волн часто выражают в микрометрах (мкм) и ангстремах (Ά):

1 Ά = 10^-4 мкм = 10^-10 м.

На рисунке 1.1 изображена шкала электромагнитных волн, дающая представление о богатстве электромагнитного спектра в принятом ныне делении его на диапазоны (их условность подчеркнута перекрытием границ диапазонов). Тем не менее излучение соседних диапазонов имеет заметные качественные отличия и требует особых методов исследования — последние описываются в соответствующих главах. Обратим внимание читателя на логарифмический масштаб шкалы, необходимый из-за громадности интервала рассматриваемых частот.

90000 Electromagnetic spectrum — Types of electromagnetic waves compared 90001 90002 90003 90004 90005 90006 90007 90008 90002 by Chris Woodford. Last updated: December 26, 2019. 90003 90011 You might think the world is essentially what you can see in front of you, but think for a moment and you’ll realize this is not true. When you close your eyes, the world does not cease to exist just because there’s no light to see by. If you were a rattlesnake or an owl, you could see perfectly well by night.Thinking more laterally, what if you were a radar set mounted on an airplane? Then you could help pilots see in darkness or bad weather by detecting reflected radio waves. And if you were a camera sensitive to X rays, you could even see through bodies or buildings! The light we can see is only one part of all the electrical and magnetic energy buzzing around our world. Radio waves, X rays, gamma rays, and microwaves work in a very similar way. All together, this energy is called the electromagnetic spectrum.Let’s take a closer look at what that means! 90003 90002 Photo: Water drops bend (or refract) short wavelength blue light more than long-wavelength red light, which is why rainbows arc across the sky when sunlight streams through rain, making a rainbow and revealing the spectrum «hidden» inside white light. 90003 90015 What is electromagnetic radiation? 90016 90002 Light waves and other types of energy that radiate (travel out) from where they’re produced are called electromagnetic radiation.Together, they make up what’s known as the electromagnetic spectrum. Our eyes can see only a limited part of the electromagnetic spectrum-the colorful rainbow we see on sunny-rainy days, which is an incredibly tiny part of all the electromagnetic radiation that zaps through our world. We call the energy we can see visible light (We discuss it in detail in our main article on light) and, like radio waves, microwaves, and all the rest, it’s made up of electromagnetic waves. These are up-and-down, wave-shaped patterns of electricity and magnetism that race along at right angles to one another, at the speed of light (300,000 km per second or 186,000 miles per second, which is fast enough to go 400 times round the world in a minute!).The light we can see stretches in a spectrum from red (the lowest frequency and longest wavelength of light our eyes can register) through orange, yellow, green, blue, and indigo to violet (the highest frequency and shortest wavelength we can see). 90003 90002 90003 90002 Artwork: Above: How an electromagnetic wave travels: If we could peer inside a light ray (or other electromagnetic wave), this is what we’d see: an electrical wave vibrating in one direction (blue in this case, and vibrating up- and-down) and a magnetic wave vibrating at right angles to it (red in this case, and vibrating from side to side).The two waves vibrate in perfect step, at right angles to the direction they’re traveling in. This diagram shows us something scientists only really understood in the 19th century: electricity and magnetism are equal partners that work together closely at all times. Below: An animated version of the same artwork. 90003 90002 90003 90015 What kinds of energy make up the electromagnetic spectrum? 90016 90002 What are the other kinds of electromagnetic radiation that objects give off? Here are a few of them, ranged in order from the longest wavelength to the shortest.Note that these are not really definite bands with hard edges: they blur into one another with some overlap between them. 90003 90004 90006 Radio waves: If our eyes could see radio waves, we could (in theory) watch TV programs just by staring at the sky! Well not really, but it’s a nice idea. Typical size: 30cm-500m. Radio waves cover a huge band of frequencies, and their wavelengths vary from tens of centimeters for high-frequency waves to hundreds of meters (the length of an athletics track) for lower-frequency ones.That’s simply because any electromagnetic wave longer than a microwave is called a radio wave. 90007 90006 Microwaves: Obviously used for cooking in microwave ovens, but also for transmitting information in radar equipment. Microwaves are like short-wavelength radio waves. Typical size: 15cm (the length of a pencil). 90007 90006 Infrared: Just beyond the reddest light we can see, with a slightly shorter frequency, there’s a kind of invisible «hot light» called infrared. Although we can not see it, we can feel it warming our skin when it hits our face-it’s what we think of as radiated heat.If, like rattlesnakes, we could see infrared radiation, it would be a bit like having night-vision lenses built into our heads. Typical size: 0.01mm (the length of a cell). 90007 90006 Visible light: The light we can actually see is just a tiny slice in the middle of the spectrum. Typical size: 550 nanometers (the size of a small amoeba). 90007 90006 Ultraviolet: This is a kind of blue-ish light just beyond the highest-frequency violet light our eyes can detect. The Sun transmits powerful ultraviolet radiation that we can not see: that’s why you can get sunburned even when you’re swimming in the sea or on cloudy days-and why sunscreen is so important.Typical size: 500 nanometers (the width of a typical bacteria). 90007 90006 X rays: A very useful type of high-energy wave widely used in medicine and security. Find out more in our main article on X rays. Typical size: 0.1 nanometers (the width of an atom). 90007 90006 Gamma rays: These are the most energetic and dangerous form of electromagnetic waves. Gamma rays are a type of harmful radiation. Typical size: 0.000001 nanometers (the width of an atomic nucleus). 90007 90008 90015 The electromagnetic spectrum-a closer look 90016 90002 90003 90002 Photo: Diagram of electromagnetic spectrum courtesy of NASA.90003 90002 All the different kinds of electromagnetic radiation are essentially the same «stuff» as light: they’re forms of energy that travel in straight lines, at the speed of light (300,000 km or 186,000 miles per second), when electrical and magnetic vibrations wiggle from side to side. Together, we refer to these forms of energy as the electromagnetic spectrum. You can think of it as a kind of super-big spectrum that stretches either side of the smaller spectrum we can actually see (the rainbow of light colors).90003 90002 There are lots of images of the electromagnetic spectrum available online, so we will not bothering drawing it out for you again. Click the small image on the right to see quite a nice diagram of the spectrum from NASA. 90003 90015 Who discovered the electromagnetic spectrum? 90016 90002 90003 90002 Photo: James Clerk Maxwell: the father of electromagnetism. Photo courtesy of Wikimedia Commons. 90003 90002 Up until the 19th century, scientists thought electricity and magnetism were completely separate things.Then, following a series of amazing experiments, it became clear that they were linked together very closely. Electricity could cause magnetism and vice-versa! Around 1819/1820, a Danish physicist called Hans Christian Oersted (1777-1851) showed that an electric wire would create a pattern of magnetism around it. About a decade later, English chemist Michael Faraday (1791-1867) proved that the opposite could happen too-you could use magnetism to generate electricity-and that led him to develop the electric motors and electricity generators that now power our world.90003 90002 Thanks to the pioneering work of people like this, another great scientist, James Clerk Maxwell (1831-1879) was able to come up with a single theory that explained both electricity and magnetism. Maxwell summed up everything people had discovered in four simple equations to produce a superb theory of electromagnetism, which he published in 1873. He realized that electromagnetism could travel in the form of waves, at the speed of light, and concluded that light itself had to be a kind of electromagnetic wave.About a decade after Maxwell’s death, a brilliant German physicist named Heinrich Hertz (1857-1894) became the first person to produce electromagnetic waves in a laboratory. That piece of work led to the development of radio, television, and-much more recently-things like wireless Internet. 90003 90015 How can we «see» other parts of the spectrum? 90016 90002 Our eyes pick up light from just one tiny slice of the spectrum, but the Universe is buzzing with other kinds of radiation. If we want to «see» beyond the electromagnetic limits of our own eyes, we can use telescopes «tuned» to higher or lower wavelengths.Astronomers use all kinds of telescopes-some on Earth, some in space-to glean information about distant objects from the electromagnetic radiation they give off. 90003 90069 Radio waves 90070 90002 Giant satellite-dish antennas pick up long-wavelength, high-frequency radio waves. The biggest radio telescope on Earth is the Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) in China, which is getting on for twice the size of the much better known 305m (1000ft) Arecibo Observatory in Puerto Rico.The dish pictured here is about seven times smaller than FAST and four times smaller than Arecibo. It’s the 70m (230ft) Canberra deep dish satellite in Australia. 90003 90069 Microwaves 90070 90002 Because cosmic microwaves can not get through the whole of Earth’s atmosphere, we have to study them from space. Cosmic Background Explorer (COBE), launched in 1989 and deactivated in 1993, was a space satellite designed to do this. These images of the night sky were taken by COBE using different wavelengths of infrared light.90003 90069 Infrared 90070 90002 Water in Earth’s atmosphere absorbs infrared; studying that kind of electromagnetic radiation is another job for a space-based satellite, such as the Infrared Astronomical Satellite (IRAS), which operated for 10 months during 1983. This is an image of the Andromeda Galaxy taken by IRAS. 90003 90069 Visible light 90070 90002 Visible light shooting in from space is one thing we can easily study from Earth with any conventional, optical telescope.This one is the historic 66cm (26inch) refractor telescope at the U.S. Naval Observatory in Washington, D.C. However, Earth-bound telescopes like this can pick up only so much-hence the need for telescopes (like the Hubble and its replacement, the James Webb) that travel into space. 90003 90002 90003 90002 Photo by Seth Rossman courtesy of US Navy. 90003 90069 Ultraviolet light 90070 90002 Ultraviolet light can cause skin cancer, so it’s a good job much of it is absorbed by Earth’s ozone layer.Unfortunately, the downside of this is that we have to study ultraviolet light coming from space using satellites such as the International Ultraviolet Explorer (IUE), which operated for almost two decades between 1978 and 1996. 90003 90069 X rays 90070 90002 Think of X rays and you probably think of broken bones-but they’re whizzing round space too. Earth’s atmosphere prevents these dangerous, high-energy rays from reaching telescopes on the ground, but space telescopes, such as the Roentgen Satellite (ROSAT) (which operated between 1990 and 1999), have been able to observe them in space.The Sun looks the way it does because our eyes see only a fraction of the electromagnetic radiation it gives off. If we could see X rays, the Sun might look more like it does in this image taken taken in December 2001 by the Soft X ray Telescope (SXT), an instrument onboard the Yohkoh observatory spacecraft. What does the Sun really look like? We can never know: our eyes can not appreciate it completely! 90003 90002 90003 90002 Photo by courtesy of NASA Goddard Space Flight Center (NASA-GSFC).90003 90069 Gamma rays 90070 90002 High-energy gamma rays are also blocked by Earth’s atmosphere, so we need space-based telescopes to study those too, such as the Compton Gamma-Ray Observatory, which operated from 1991 to 2000. This photo shows the Compton whizzing over Baja California, Mexico in 1991 року, and was taken from the Space Shuttle that launched it). The Compton was named for US physicist Arthur Holly Compton (1892-1962), one of the first scientists to study cosmic rays. 90003 .90000 What Is Electromagnetic Radiation? | Live Science 90001 90002 Electromagnetic (EM) radiation is a form of energy that is all around us and takes many forms, such as radio waves, microwaves, X-rays and gamma rays. Sunlight is also a form of EM energy, but visible light is only a small portion of the EM spectrum, which contains a broad range of electromagnetic wavelengths. 90003 90004 Electromagnetic theory 90005 90002 Electricity and magnetism were once thought to be separate forces. However, in 1873, Scottish physicist James Clerk Maxwell developed a unified theory of electromagnetism.The study of electromagnetism deals with how electrically charged particles interact with each other and with magnetic fields. 90003 90002 There are four main electromagnetic interactions: 90003 90010 90011 The force of attraction or repulsion between electric charges is inversely proportional to the square of the distance between them. 90012 90011 Magnetic poles come in pairs that attract and repel each other, much as electric charges do. 90012 90011 An electric current in a wire produces a magnetic field whose direction depends on the direction of the current.90012 90011 A moving electric field produces a magnetic field, and vice versa. 90012 90019 90002 Maxwell also developed a set of formulas, called Maxwell’s equations, to describe these phenomena. 90003 90004 Waves and fields 90005 90002 EM radiation is created when an atomic particle, such as an electron, is accelerated by an electric field, causing it to move. The movement produces oscillating electric and magnetic fields, which travel at right angles to each other in a bundle of light energy called a photon.Photons travel in harmonic waves at the fastest speed possible in the universe: 186,282 miles per second (299,792,458 meters per second) in a vacuum, also known as the speed of light. The waves have certain characteristics, given as frequency, wavelength or energy. 90003 90002 90003 Electromagnetic waves are formed when an electric field (shown in red arrows) couples with a magnetic field (shown in blue arrows). Magnetic and electric fields of an electromagnetic wave are perpendicular to each other and to the direction of the wave.(Image credit: NOAA.) 90002 A wavelength is the distance between two consecutive peaks of a wave. This distance is given in meters (m) or fractions thereof. Frequency is the number of waves that form in a given length of time. It is usually measured as the number of wave cycles per second, or hertz (Hz). A short wavelength means that the frequency will be higher because one cycle can pass in a shorter amount of time, according to the University of Wisconsin. Similarly, a longer wavelength has a lower frequency because each cycle takes longer to complete.90003 90004 The EM spectrum 90005 90002 EM radiation spans an enormous range of wavelengths and frequencies. This range is known as the electromagnetic spectrum. The EM spectrum is generally divided into seven regions, in order of decreasing wavelength and increasing energy and frequency. The common designations are: radio waves, microwaves, infrared (IR), visible light, ultraviolet (UV), X-rays and gamma rays. Typically, lower-energy radiation, such as radio waves, is expressed as frequency; microwaves, infrared, visible and UV light are usually expressed as wavelength; and higher-energy radiation, such as X-rays and gamma rays, is expressed in terms of energy per photon.90003 90002 90003 The electromagnetic spectrum is generally divided into seven regions, in order of decreasing wavelength and increasing energy and frequency: radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet, X-rays and gamma rays. (Image credit: Biro Emoke Shutterstock) 90004 Radio waves 90005 90002 Radio waves are at the lowest range of the EM spectrum, with frequencies of up to about 30 billion hertz, or 30 gigahertz (GHz), and wavelengths greater than about 10 millimeters ( 0.4 inches). Radio is used primarily for communications including voice, data and entertainment media. 90003 90004 Microwaves 90005 90002 Microwaves fall in the range of the EM spectrum between radio and IR. They have frequencies from about 3 GHz up to about 30 trillion hertz, or 30 terahertz (THz), and wavelengths of about 10 mm (0.4 inches) to 100 micrometers (μm), or 0.004 inches. Microwaves are used for high-bandwidth communications, radar and as a heat source for microwave ovens and industrial applications.90003 90004 Infrared 90005 90002 Infrared is in the range of the EM spectrum between microwaves and visible light. IR has frequencies from about 30 THz up to about 400 THz and wavelengths of about 100 μm (0.004 inches) to 740 nanometers (nm), or 0.00003 inches. IR light is invisible to human eyes, but we can feel it as heat if the intensity is sufficient. 90003 90004 Visible light 90005 90002 Visible light is found in the middle of the EM spectrum, between IR and UV. It has frequencies of about 400 THz to 800 THz and wavelengths of about 740 nm (0.00003 inches) to 380 nm (.000015 inches). More generally, visible light is defined as the wavelengths that are visible to most human eyes. 90003 90004 Ultraviolet 90005 90002 Ultraviolet light is in the range of the EM spectrum between visible light and X-rays. It has frequencies of about 8 × 10 90 055 14 90056 to 3 × 10 90 055 16 90056 Hz and wavelengths of about 380 nm (.000015 inches) to about 10 nm (0.0000004 inches). UV light is a component of sunlight; however, it is invisible to the human eye.It has numerous medical and industrial applications, but it can damage living tissue. 90003 90004 X-rays 90005 90002 X-rays are roughly classified into two types: soft X-rays and hard X-rays. Soft X-rays comprise the range of the EM spectrum between UV and gamma rays. Soft X-rays have frequencies of about 3 × 10 90 055 16 90056 to about 10 90 055 18 90056 Hz and wavelengths of about 10 nm (4 × 10 90 055 -7 90056 inches) to about 100 picometers (pm), or 4 × 10 90 055 -8 90056 inches. Hard X-rays occupy the same region of the EM spectrum as gamma rays.The only difference between them is their source: X-rays are produced by accelerating electrons, while gamma rays are produced by atomic nuclei. 90003 90004 Gamma-rays 90005 90002 Gamma-rays are in the range of the spectrum above soft X-rays. Gamma-rays have frequencies greater than about 10 90055 18 90056 Hz and wavelengths of less than 100 pm (4 × 10 90055 -9 90056 inches). Gamma radiation causes damage to living tissue, which makes it useful for killing cancer cells when applied in carefully measured doses to small regions.Uncontrolled exposure, though, is extremely dangerous to humans. 90003 90004 Additional resources 90005 .90000 electromagnetic spectrum | Definition, Diagram, & Uses 90001 90002 90003 Electromagnetic spectrum 90004, the entire distribution of electromagnetic radiation according to frequency or wavelength. Although all electromagnetic waves travel at the speed of light in a vacuum, they do so at a wide range of frequencies, wavelengths, and photon energies. The electromagnetic spectrum comprises the span of all electromagnetic radiation and consists of many subranges, commonly referred to as portions, such as visible light or ultraviolet radiation.The various portions bear different names based on differences in behaviour in the emission, transmission, and absorption of the corresponding waves and also based on their different practical applications. There are no precise accepted boundaries between any of these contiguous portions, so the ranges tend to overlap. 90005 The electromagnetic spectrum. The narrow range of visible light is shown enlarged at the right. 90006 Encyclopædia Britannica, Inc. 90007 90002 Read More on This Topic 90005 90002 electromagnetic radiation: The electromagnetic spectrum 90005 90002 The brief account of familiar phenomena given above surveyed electromagnetic radiation from low frequencies of ν (radio waves) to exceedingly… 90005 90002 The entire electromagnetic spectrum, from the lowest to the highest frequency (longest to shortest wavelength), includes all radio waves (eg, commercial radio and television, microwaves, radar), infrared radiation, visible light, ultraviolet radiation, X-rays, and gamma rays. Nearly all frequencies and wavelengths of electromagnetic radiation can be used for spectroscopy. 90005 Radio waves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays are all types of electromagnetic radiation.Radio waves have the longest wavelength, and gamma rays have the shortest wavelength. 90006 Encyclopædia Britannica, Inc. 90007.90000 Introduction to the Electromagnetic Spectrum 90001 90002 Electromagnetic energy travels in waves and spans a broad spectrum from very long radio waves to very short gamma rays. The human eye can only detect only a small portion of this spectrum called visible light. A radio detects a different portion of the spectrum, and an x-ray machine uses yet another portion. NASA’s scientific instruments use the full range of the electromagnetic spectrum to study the Earth, the solar system, and the universe beyond.90003 90002 When you tune your radio, watch TV, send a text message, or pop popcorn in a microwave oven, you are using electromagnetic energy. You depend on this energy every hour of every day. Without it, the world you know could not exist. 90003 90002 90003 90008 90009 90008 Our Protective Atmosphere 90009 90002 Our Sun is a source of energy across the full spectrum, and its electromagnetic radiation bombards our atmosphere constantly. However, the Earth’s atmosphere protects us from exposure to a range of higher energy waves that can be harmful to life.Gamma rays, x-rays, and some ultraviolet waves are «ionizing,» meaning these waves have such a high energy that they can knock electrons out of atoms. Exposure to these high-energy waves can alter atoms and molecules and cause damage to cells in organic matter. These changes to cells can sometimes be helpful, as when radiation is used to kill cancer cells, and other times not, as when we get sunburned. 90003 90008 Atmospheric Windows 90009 90002 Seeing Beyond our Atmosphere — NASAspacecraft, such as RHESSI, provide scientistswith a unique vantage point, helping them «see» at higher-energy wavelengths that areblocked by the Earth’s protective atmosphere.90003 90002 Electromagnetic radiation is reflected or absorbed mainly by several gases in the Earth’s atmosphere, among the most important being water vapor, carbon dioxide, and ozone. Some radiation, such as visible light, largely passes (is transmitted) through the atmosphere. These regions of the spectrum with wavelengths that can pass through the atmosphere are referred to as «atmospheric windows.» Some microwaves can even pass through clouds, which make them the best wavelength for transmitting satellite communication signals.90003 90002 While our atmosphere is essential to protecting life on Earth and keeping the planet habitable, it is not very helpful when it comes to studying sources of high-energy radiation in space. Instruments have to be positioned above Earth’s energy-absorbing atmosphere to «see» higher energy and even some lower energy light sources such as quasars. 90003 90002 Top of Page | Next: Anatomy of an Electromagnetic Wave 90003 90024 90008 Citation 90009 90027 APA 90028 90002 National Aeronautics and Space Administration, Science Mission Directorate.(2010). Introduction to the Electromagnetic Spectrum. Retrieved 90030 [insert date — e.g. August 10, 2016] 90031, from NASA Science website: http://science.nasa.gov/ems/01_intro 90003 90027 MLA 90028 90002 Science Mission Directorate. «Introduction to the Electromagnetic Spectrum» 90036 NASA Science 90037. 2010. National Aeronautics and Space Administration. 90030 [insert date — e.g. 10 Aug. 2016] 90031 http://science.nasa.gov/ems/01_intro 90003 .