Електромагнітний спектр

Електромагнітний спектр

Електромагнітний спектр — спектр електромагнітного випромінювання.

Довжина хвилі — частота — енергія фотона

Як спектральну характеристику електромагнітного випромінювання використовують такі величини:

• Довжину хвилі;
• Частоту коливань;
• Енергію фотона (кванта електромагнітного поля).

Енергія фотона за квантовою механікою пропорційна частоті: ${\displaystyle E=h\nu }$, де h — стала Планка, Е — енергія, ${\displaystyle \nu }$ — частота. Довжина електромагнітної хвилі у вакуумі обернено пропорційна частоті і виражається через швидкість світла: ${\displaystyle \nu \,\lambda \,=\,c}$. Говорячи про довжину електромагнітних хвиль в середовищі, зазвичай мають на увазі еквівалентну величину довжину хвилі у вакуумі, яка відрізняється на коефіцієнт заломлення, оскільки частота хвилі при переході з одного середовища в інше зберігається, а довжина хвилі — змінюється.

У верхній частині шкали наводяться значення енергії (в електронвольтах). Частоти, зазначені в нижній частині шкали, виражені в герцах, а також у кратних одиницях: кГц = 1000 Гц, МГц = 1000 кГц = 1000000 Гц, ГГц = 1000 МГц = 10⁹ Гц, ТГц = 1000 ГГц = 10¹² Гц.

Шкала частот (довжин хвиль, енергій) є неперервною, але традиційно розбита на ряд діапазонів. Сусідні діапазони можуть трохи перекриватися.

Основні електромагнітні діапазони

γ-випромінювання

Гамма-промені мають енергію понад 124 000 еВ і довжину хвилі меншу, ніж 0,01 нм = 0,1 Å.

Джерела: космос, ядерні реакції, радіоактивний розпад, синхротронне випромінювання.

Прозорість речовини для гамма-променів, на відміну від видимого світла, залежить не від хімічної форми і агрегатного стану речовини, а в основному від заряду ядер, що входять до складу речовини, і від енергії гамма-квантів. Тому поглинаючу здатність шару речовини для гамма-квантів у першому наближенні можна охарактеризувати її поверхневою густиною (в г/см²). Дзеркал і лінз для γ-променів не існує.

Різкої нижньої межі для гамма-випромінювання не існує, проте зазвичай вважається, що гамма-кванти випромінюються ядром, а рентгенівські кванти — електронною оболонкою атома (це лише термінологічне розходження, що не зачіпає фізичних властивостей випромінювання).

Рентгенівське випромінювання

• Від 0,1 нм = 1 Å (12 400 еВ) до 0,01 нм = 0,1 Å (124 000 еВ) — жорстке рентгенівське випромінювання. Джерела: деякі ядерні реакції, електронно-променеві трубки.
• Від 10 нм (124 еВ) до 0,1 нм = 1 Å (12 400 еВ) — м'яке рентгенівське випромінювання. Джерела: електронно-променеві трубки, теплове випромінювання плазми.

Рентгенівські кванти випромінюються в основному при переходах електронів в електронній оболонці важких атомів на нижчі орбіти. Вакансії на нижчих орбітах створюються зазвичай електронним ударом. Рентгенівське випромінювання, створене таким чином, має лінійчастий спектр з частотами, характерними для даного атома (див. характеристичне рентгенівське випромінювання); це дозволяє, зокрема, дослідити склад речовин (рентгенофлуоресцентний аналіз). Теплове, гальмівне і синхротронне рентгенівське випромінювання має неперервний спектр.

У рентгенівських променях спостерігається дифракція на кристалічних ґратках, оскільки довжини електромагнітних хвиль на цих частотах близькі до періодів кристалічних ґраток. На цьому заснований метод рентгенодифракційного аналізу.

Ультрафіолетове випромінювання

Діапазон: Від 400 нм (3,10 еВ) до 10 нм (124 еВ)

Назва	Абревіатура	Довжина хвилі у нанометрах	Кількість енергії на фотон
Ближній	NUV	400 — 300	3,10 — 4,13 еВ
Середній	MUV	300 — 200	4,13 — 6,20 еВ
Дальній	FUV	200 — 122	6,20 — 10,2 еВ
Екстремальний	EUV, XUV	121 — 10	10,2 — 124 еВ
Вакуумний	VUV	200 — 10	6,20 — 124 еВ
Ультрафіолет А, довгохвильовий діапазон, чорне світло	UVA	400 — 315	3,10 — 3,94 еВ
Ультрафіолет B (середній діапазон)	UVB	315 — 280	3,94 — 4,43 еВ
Ультрафіолет С, короткохвильовий, гермицидний діапазон	UVC	280 — 100	4,43 — 12,4 еВ

Видиме випромінювання

Випромінювання видимого діапазону (видиме світло і близьке інфрачервоне випромінювання) вільно проходить крізь атмосферу, може бути легко відбите й заломлюється в оптичних системах. Джерела: теплове випромінювання (у тому числі Сонця), флюоресценція, хімічні реакції, світлодіоди.

Кольори видимого випромінювання, відповідні монохроматичому випромінюванню, називаються спектральними. Спектр і спектральні кольори можна побачити при проходженні вузького світлового променя через призму або будь-яке інше середовище, в якому заломлюються хвилі. Традиційно, видимий спектр поділяється, у свою чергу, на діапазони кольорів:

Колір	Діапазон довжин хвиль, нм	Діапазон частот, ТГц	Діапазон енергії фотонів, еВ
Фіолетовий	380—440	790—680	2,82—3,26
Синій	440—485	680—620	2,56—2,82
Блакитний	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелений	500—565	600—530	2,19—2,48
Жовтий	565—590	530—510	2,10—2,19
Помаранчевий	590—625	510—480	1,98—2,10
Червоний	625—740	480—405	1,68—1,98

Ближнє інфрачервоне випромінювання займає діапазон від 207 ТГц (0,857 еВ) до 405 ТГц (1,68 еВ). Верхня межа визначається здатністю людського ока до сприйняття червоного світла, вона різна в різних людей. Як правило, прозорість в ближньому інфрачервоному випромінюванні відповідає прозорості у видимому світлі.

Інфрачервоне випромінювання

Діапазон хвиль інфрачервоного випромінювання лежить в межах довжин хвиль (частот) від 2000 мкм (1,5 ТГц) до 740 нм (405 ТГц). Інфрачервоне випромінювання називають ще тепловим випромінюванням — на цей діапазон припадає максимум випромінювання абсолютно чорного тіла за кімнатних температур. Фізично джерелами інфрачервоного випромінювання є коливання атомів в молекулах та твердих тілах. Вивчаючи спектри випромінювання та поглинання тіл в інфрачервоному діапазоні, можна будувати моделі таких коливань та хімічної будови відповідних речовин. Інфрачервоне випромінювання має численні технічні та військові застосування, наприклад його використовують в тепловізорах.

Електромагнітне терагерцове випромінювання

Терагерцове (субміліметрове) випромінювання розташоване між інфрачервоним випромінюванням і мікрохвилями, в діапазоні від 1 мм (300 ГГц) до 0,1 мм (3 ТГц). Терагерцовий діапазон найменш вивчений, але на початку 21 століття його дослідження набрали популярності. Складність дослідження в тому, що хвилі цього діапазону важко генерувати електронікою, водночас вони довші за теплове випромінювання. Штучні джерела терагерцового випромінювання використовують такі методи як, наприклад, змішування хвиль в нелінійній оптиці.

Електромагнітні мікро- і радіохвилі

Для електромагнітних хвиль з частотою нижче 300 ГГц існують монохроматичні джерела, випромінювання яких придатне для амплітудної та частотної модуляції. Тому, розподіл частот в цій області проводиться з огляду на методи передачі сигналів.

• Від 30 ГГц до 300 ГГц — мікрохвилі
• Від 3 ГГц до 30 ГГц — сантиметрові хвилі або ВЧ-діапазон (високих частот)^[1]
• Від 300 МГц до 3 ГГц — дециметрові хвилі
• Від 30 МГц до 300 МГц — метрові хвилі
• Від 3 МГц до 30 МГц — короткі хвилі
• Від 300 кГц до 3 МГц — середні хвилі
• Від 30 кГц до 300 кГц — довгі хвилі
• Від 3 кГц до 30 кГц — наддовгі (міріаметрові) хвилі

На відміну від оптичного діапазону, дослідження спектра в радіодіапазоні проводиться не за фізичним поділом хвиль, а за методами обробки сигналів.

Див. також

• Радіочастотний спектр
• Спектральна густина випромінювання

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0

Примітки

1. https://www.rfidfuture.com/ru/lf-hf-and-uhf-frequency-whats-the-difference.html