Электромагнитный спектр: типы излучения, длины волн и физические характеристики

Электромагнитный спектр охватывает полный диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения — от самых коротких гамма-лучей с длиной волны, составляющей доли диаметра атома (менее 10⁻¹⁵ м), до самых длинных радиоволн, простирающихся на сотни метров и более. Спектр объекта представляет собой характерное распределение излучения, испускаемого или поглощаемого этим объектом, по длинам волн. Длины волн электромагнитного излучения варьируются в колоссальных пределах: от долей диаметра атома до радиоволн длиной свыше 100 метров. Теоретически спектр неограничен: наибольшие возможные длины волн приближаются к масштабам Вселенной, тогда как наименьшие — к размерам протона (приблизительно 1,6 × 10⁻³ мкм).

Электромагнитная энергия характеризуется определённой длиной волны λ, которая соответствует определённой частоте f и энергии фотонов E. Соотношения между этими величинами выражаются тремя фундаментальными уравнениями:

- λ = c / f
- E = hc / λ
- E = hf

В этих уравнениях c представляет скорость света в вакууме (299 792 458 м/с), а h обозначает постоянную Планка, равную 6,62606896 × 10⁻³⁴ Дж·с. Данные соотношения демонстрируют, что высокочастотные электромагнитные волны обладают короткими длинами волн и высокой энергией, тогда как низкочастотные волны характеризуются длинными длинами волн и низкой энергией.

Длина волны электромагнитного излучения обычно выражается как её значение в вакууме. При прохождении через любую среду (воздух, воду и т.д.) длина волны уменьшается — это важный фактор, поскольку поведение излучения существенно зависит от его длины волны. Высокочастотное излучение соответствует более коротким длинам волн, низкочастотное — более длинным. Электромагнитное излучение проявляет корпускулярно-волновой дуализм, обладая свойствами как волн, так и частиц, что описывается квантовой механикой. При взаимодействии с мелкими частицами (молекулами или атомами) квантовые эффекты становятся доминирующими, и поведение излучения лучше всего описывается энергией, содержащейся в каждом кванте. С точки зрения уровней энергии электромагнитное излучение можно разделить на октавы, аналогично классификации звуковых волн.

Типы электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр традиционно делится на отдельные области в зависимости от длины волны. Наиболее широко принятая схема классификации включает: радиоволны, микроволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электромагнитный спектр

Радиоволны имеют длину волны от одного миллиметра до сотен метров, что соответствует частотам примерно от 3 Гц до 300 ГГц. Эти волны служат основой для передачи данных в телевизионном вещании, мобильных телекоммуникациях, беспроводном подключении к Интернету и множестве других приложений. Технология кодирования данных в радиоволны основана на модуляции амплитудных, частотных и фазовых соотношений волн в определённых диапазонах частот.

Микроволновое излучение имеет длину волны от одного миллиметра до одного метра и частоты от 0,3 ГГц до 300 ГГц. В эту категорию входят диапазоны сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ). Микроволны поглощаются молекулами, обладающими дипольными ковалентными связями, — свойство, используемое в микроволновых печах для быстрого и равномерного нагрева материалов.

Терагерцовое излучение занимает диапазон длин волн между дальним инфракрасным диапазоном и микроволнами, с частотами от 300 ГГц до 3 ТГц. Этот тип излучения применяется в технологиях визуализации, системах связи и радиоэлектронной борьбы для выведения из строя электронного оборудования.

Инфракрасное излучение охватывает длины волн, расположенные между видимым светом и терагерцовым излучением, с частотами от 300 ГГц (1 мм) до 400 ТГц (750 нм). Дальнее инфракрасное излучение (от 300 ГГц до 30 ТГц) поглощается за счёт вращательных переходов в молекулах газа, молекулярных движений в жидкостях и фононов (квантованных колебаний кристаллической решётки) в твёрдых фазах. Большая часть дальнего инфракрасного излучения, попадающего в атмосферу Земли, поглощается, за исключением определённых диапазонов длин волн, известных как атмосферные окна, где происходит частичное пропускание. Излучение в среднем инфракрасном диапазоне охватывает частоты от 30 до 120 ТГц и включает тепловое излучение абсолютно чёрных тел — теоретических объектов, которые в холодном состоянии поглощают всё падающее излучение на всех длинах волн. Излучение в ближней инфракрасной области (частоты от 120 до 400 ТГц) обладает свойствами, сходными с видимым светом.

Видимый свет занимает высокочастотную часть спектра (400–790 ТГц) с длинами волн от 400 до 700 нм, различимую человеческим глазом. Этот диапазон составляет большую часть излучения, испускаемого Солнцем и звёздами. Когда объекты отражают или излучают свет в видимом спектре, человеческий глаз и мозг совместно обрабатывают эти длины волн в виде когерентных оптических изображений. Точные механизмы восприятия и реконструкции визуальной информации мозгом остаются не до конца понятыми и представляют собой активную область исследований в молекулярной биологии, неврологии, психологии и биофизике.

Длина волны ультрафиолетового излучения короче, чем у видимого света, но длиннее, чем у рентгеновских лучей, и составляет приблизительно от 400 до 10 нм с соответствующими энергиями от 3 до 124 эВ. Солнце служит основным источником ультрафиолетового излучения, которое представляет собой высокоэнергетическое ионизирующее излучение, способное вызывать химические реакции, флуоресценцию некоторых веществ и солнечные ожоги на коже человека. Хотя ультрафиолетовое излучение Солнца вредно для большинства живых организмов, озоновый слой атмосферы поглощает большую часть этого излучения, предотвращая значительный биологический ущерб на поверхности Земли.

Рентгеновские лучи имеют длину волны от 10 до 0,01 нм, частоту от 30 ПГц до 30 ЭГц (30 × 10¹⁵ Гц – 30 × 10¹⁸ Гц) и энергию от 120 эВ до 120 кэВ. Рентгеновские лучи обладают способностью проникать сквозь определённые материалы (например, мягкие ткани) и поглощаться другими (например, костями), что позволяет использовать их в диагностической рентгенографии и кристаллографии для получения детальных изображений внутренних органов. В астрофизическом контексте рентгеновские лучи испускаются нейтронными звёздами, некоторыми туманностями и аккреционными дисками, окружающими чёрные дыры.

Гамма-лучи представляют собой наиболее энергичную форму электромагнитного излучения; нижний предел их длины волны не определён. Частота этих фотонов превышает 10¹⁹ Гц, энергия — более 100 кэВ, а длина волны — менее 10 пм. Гамма-лучи обладают высокой энергией и высокой степенью ионизации, что делает их способными наносить серьёзный ущерб тканям человека и представлять значительную опасность для здоровья.

Источники: Чейссон, Эрик и Стив Макмиллан. Астрономия сегодня. 6-е изд. Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Эддисон-Уэсли, 2007.
Коминс, Нил Ф. Открывая Вселенную. 8-е изд. Нью-Йорк: У. Х. Фриман, 2008.
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Центр космических полетов имени Годдарда. “Представьте себе Вселенную! Электромагнитный спектр”. Доступно онлайн. URL: http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/emspectrum.html. Обновлено 22 августа 2008 г.
Сноу, Теодор П. Основы динамической вселенной: Введение в астрономию. 4-е изд., Сент-Пол, Миннесота: Вест, 1991.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.