電磁波的波譜與性質。
電磁波譜 (英語:electromagnetic spectrum )又称电磁频谱 、电磁谱 ,是電磁輻射 的頻率 范围(即频谱 )以及这些频率它们各自相应的波长 和光子能量 [1] 。一個物體的電磁波譜專指的是這物體所發射或吸收的電磁輻射 (又稱電磁波 )的特徵頻率分布。
电磁波谱频率从低到高分別列为无线电波 、微波 、红外线 、可见光 、紫外线 、X射线 和伽马射线 。可见光只是电磁波谱中一个很小的部分。電磁波譜波長 有長到數千公里,也有短到只有原子 的一小段。短波長的極限被認為,幾乎等於普朗克長度 ,長波長的極限被認為,等於整個宇宙 的大小,雖然原則上,電磁波譜是無限的,而且連續的。
波譜值域
電磁輻射分類: γ = 伽馬射線 X射線 : HX = 硬X射線 SX = 軟X射線紫外線 : EUV = 極端紫外線 NUV = 近紫外線紅外線 : NIR = 近紅外線 MIR =中紅外線 FIR = 遠紅外線 微波 : EHF = 極高頻 SHF = 超高頻 UHF = 特高頻 無線電波 : VHF = 甚高頻 HF = 高頻 MF = 中頻 LF = 低頻 VLF = 甚低頻 ULF = 特低頻 SLF = 超低頻 ELF = 極低頻
電磁波通常以頻率 、波長 或光子 能量 ,這三種物理量 之中的任意一種物理量來描述。它們彼此之間的關係,以方程式表達為
f
=
c
λ λ -->
{\displaystyle f={\frac {c}{\lambda }}\,\!}
、
f
=
E
h
{\displaystyle f={\frac {E}{h}}\,\!}
、
E
=
h
c
λ λ -->
{\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}
;
其中,
f
{\displaystyle f\,\!}
是頻率,
λ λ -->
{\displaystyle \lambda \,\!}
是波長,
E
{\displaystyle E\,\!}
是光子能量,
c
{\displaystyle c\,\!}
是真空 的光速 ,
h
{\displaystyle h\,\!}
是普朗克常數 [2] 。
波长与频率成反比,波长越长,频率越低;反之,频率越高,波长越短,其乘积是一个常数即光速
c
{\displaystyle c\,\!}
。另外电磁波的能量与频率成正比,係数为普朗克常數
h
{\displaystyle h\,\!}
。即频率越高,波长越短,能量越大。
按照波長長短,從長波開始,電磁波可以分類為無線電波 、微波 、紅外線 、可見光 、紫外線 、X射線 和伽馬射線 等等。電磁波的物理行為與其波長有關。人類眼睛可以觀測到波長大約在400奈米 和700奈米之間的電磁輻射,稱為可見光。在光譜學 裏,各種各樣的光譜儀 可以偵測到的電磁波波長的值域,比可見光的波長值域還要寬廣很多。普通實驗使用的光譜儀可以測量從2奈米到2500奈米波長的電磁波。使用這種儀器,可以得知物體、氣體或甚至恆星的詳細波譜數據。這是天文物理學 的必備儀器。例如,因為超精細分裂 (hyperfine splitting ),氫原子 會發射波長為21.12公分的無線電波[3] 。某些星雲 會產生頻率大約為或低於30 赫茲 的電磁波[4] 。對於星雲物理行為的研究,這是很重要的實驗對象。在波譜的另一端,從天文星源發射出來,頻率高過2.9×1027 赫茲的電磁波也曾經被偵測到過[5] 。
簡介
在波譜的不同譜域,電磁輻射與物質相互作用的機制也會大不相同,因此,稱呼這些為不同種類的電磁輻射是情有可原的。同時,電磁輻射是連續不斷地,包括了所有這些不同種類的電磁輻射。所以,電磁波譜指的是電磁波獨一無二的波譜,但是,按照電磁輻射與物質相互作用的不同機制,可以分為很多種類。
波譜的譜域
與物質相互作用的機制
無線電波
在大塊物質內,電荷載子 的集體振盪。例如,由導體 組成的天線 ,其導體內部的電子 的振盪。
微波至紅外線
電漿振盪 (plasma oscillation ),分子轉動 (molecular rotation )
近紅外線
分子振動 (molecular vibration ),電漿振盪(只在金屬裏)
可見光
分子 的電子 激發 (包括人體視網膜 裏的色素 分子),電漿振盪(只在金屬裏)
紫外線
分子或原子的價電子的激發,包括電子的發射 (光電效應 )
X射線
原子的內層電子的激發與發射,低原子序數 的原子的康普頓散射
伽馬射線
重元素的內層電子的高能量發射,康普頓散射 ,原子核 的激發(包括原子核的解離)
超高能量伽馬射線
粒子和其反粒子的成對產生 。在超高能量狀況,單獨光子與物質的相互作用,能夠產生高能量的粒子與反粒子射叢。
電磁輻射種類
電磁波譜
X射線與伽馬射線之間主要是根據發射源來區分:伽馬射線是由核衰變 或其它種核子 過程或次核粒子 (subnuclear particle )/粒子過程所產生的光子,而X射線則是由原子內部的高能量電子的躍遷 所產生的光子。通常而言,核子躍遷的能量遠超過電子躍遷的能量,所以,伽馬射線的能量比X射線的能量大很多。但是,還是可以找到一些例外。依照前述常規,緲子原子 (muonic atom )躍遷產生的也是X射線,雖然這X射線能量可能會超過6MeV(0.96pJ)[6] 。從另一方面來說,也有很多低能量的核子躍遷(至少已經發現了77種低於10 eV的低能量核子躍遷),例如,釷 -229核子躍遷的能量為7.6 eV,雖然這能量比緲子X射線小一百萬倍,由於輻射源是核子,發射的光子仍舊稱為伽馬射線[7] 。
電磁輻射的頻率與觀察者的參考系 有關(詳盡物理解釋,請參閱多普勒效應 )。設定兩個參考系A和B,相對於參考系B,參考系A以相對速度
v
{\displaystyle v\,\!}
移動。則對於同一電磁波,處於參考系A的觀察者所觀測到的頻率,跟處於參考系B的觀察者所觀測到的頻率必不相同,兩個頻率可能會屬於不同的頻域。例如,形成於宇宙初期,當物質與電磁輻射解耦時的宇宙微波背景輻射 ,是由氫原子 從激發態 躍遷至基態 所產生的電磁輻射。原本這些電磁輻射屬於來曼系 躍遷,是紫外線。可是,由於宇宙學紅移 (cosmological red shift ),現在,相對於宇宙,緩慢移動的觀察者所觀測到的是微波。但是,對於以相對論性速度移動(接近光速)的粒子而言,處於這相對論性速度粒子的參考系的觀察者,會觀測到這些電磁輻射的藍移 。對於擁有最高能量的宇宙線 質子 而言,處於這質子的參考系的觀察者,會觀測到這些電磁輻射的藍移 至高能量伽馬射線,與質子相互作用,產生夸克 -反夸克 對偶(π介子 )。這是GZK極限 的由來。
無線電波
根據共振原理 ,無線電波可以由天線 發射出去或接收回來,其波長在幾百公尺至一厘米之間。通過調變 ,可將信息加載於無線電波。因此無線電波可以用來傳遞信息。電視 、行動電話 、無線網路 和業餘無線電 ,都使用無線電波來傳遞信息。為了便利大眾能夠和諧地共同使用無線電波為傳遞信息的媒介,政府會採取頻率分配 (frequency allocation )制度來規劃管理無線電波頻域。
應用振幅調變 、頻率調變 、相位調變 (phase modulation )等等技術,分配到狹窄頻帶的無線電波可以傳遞信息。當電磁輻射遇到電導體時,它會與電導體耦合,沿著電導體傳播,靠著激發處於表面的電子,在電導體表面感應出電流。這效應稱為集膚效應 ,是天線運作的主要原理。
某些物體的分子會吸收電磁輻射的能量,因而使得物體的熱能 增加,造成熱效應。這是微波爐 運作的主要原理。
微波
地球大氣層對於不同頻率電磁輻射的不透明度圖
微波的波長通常不會超過可以傳播於一般直徑管狀金屬波導 的最長長度。電子調速管 (klystron )或磁控管 (magnetron )可以用來生成微波。每一種電極性分子 ,會對應著某些特定頻率的微波,使得電極性分子隨著振蕩電場一起旋轉 ,這機制稱為電介質加熱 (dielectric heating )。由於這種機制(不是熱傳導 機制),電極性分子會吸收微波的能量。微波爐 就是應用這運作原理,通過水分子 或脂肪 的旋轉,更均勻地將食物加熱,減少等候時間。微波加熱方法所需時間可以減少至一般加熱方法所需時間的1%。
無線網路通信技術Wi-Fi (無線保真技術)使用低強度微波來傳遞信息。使用的強度並不會造成加熱效應。這技術得到全世界廣泛的支持,大多數國家都已經採用了這技術。
太赫兹輻射
太赫兹輻射 (terahertz radiation )的頻域在紅外線與微波之間。直到最近,這頻域並不常被研究,發射高頻端太拉赫輻射(波長低於釐米的電磁波)的儀器也不常見。但是,現在已發展出成像 和通訊 等等應用科技。科學家也開始發展太拉赫輻射科技的軍事用途。高頻率電磁波可能會使敵方軍隊的電子設備失去功能。
紅外線
紅外線的頻域在300 GHz (1 mm)至400 THz (750 nm)之間,可以分為三部份:
遠紅外線 的頻域在300 GHz (1 mm)至30 THz (10 μm)之間。處於不同物態的物質會用不同的機制來吸收遠紅外線:氣態分子通常會以旋轉模機制、液體靠著分子的旋轉運動機制、固體用聲子 機制。地球大氣層 的水 分子會強烈地吸收遠紅外線,使得遠紅外線無法有效地透射過大氣層。但是,波長大約在200微米 至幾厘米之間,還是存在有一些狹窄的頻域(頻窗),能夠允許部分遠紅外線透射。利用這特性做天文學 研究,可以得到很大的收穫。關於這方面的學術分支稱為次毫米天文學 (submillimeter astronomy )。
中紅外線 的頻域在30 THz (10 μm)至120 THz (2.5 μm)之間。熱物體(黑體 輻射源)輻射中紅外線的強度大大強過其它種類的電磁輻射。中紅外線會被分子振動吸收,分子內部的原子會因而增加振動的振幅。對於熱物體而言,這頻域稱為指紋頻域 ,因為每一種熱物體都有其特徵的吸收譜線。
近紅外線 的頻域在120 THz (2,500 nm)至400 THz (750 nm)之間。在這頻域內的物理過程類似於可見光頻域的物理過程。
可見光
可见光只是电磁波谱中很小的一部分。
可見光是頻率在400 THz (760 nm)至790 THz (380 nm)之間的電磁輻射,可以被人類眼睛 偵測感知。可見光的頻域也是太陽 和其它類似的恆星 所發射的大部份輻射的頻域。這大概不是湊巧,而是生物演化形成的事實。
可見光(和近紅外線)通常會被在分子或原子內部的電子吸收或發射。由於吸收了電磁輻射能量,電子會從低能級躍遷至高能級。由於電子從高能級躍遷至低能級,電子會發射能量等於能級差的電磁輻射。彩虹 是一種光學 現象。當太陽光 入射於大氣層後,被水滴折射 與反射 ,在天空形成了可以辨明為紅色 、橙色 、黃色 、綠色 、藍色 、靛色 和紫色 的七彩光譜。
可見光從某一物體反射後,傳播達到眼睛,通過折光 系統在視網膜 上成像,經視神經 傳入到大腦 視覺中樞,就可以分辨眼睛所看到的物體的色澤和分辨其亮度。因而可以看清視覺範圍內的發光或反光物體的輪廓,形狀,大小,顏色,遠近和表面細節等情況。
人類視覺器官並不能偵測到其它頻率的電磁輻射。自然輻射源所發射的電磁輻射的頻率分散於整個波譜。只有依賴光學儀器,才能將這些電磁輻射及其所載有的資訊,轉換成人類視覺器官可以偵測到的可見光。
光纖 傳輸光波。由於光波在光纖的傳輸損失比電在電線傳導的損耗低得多,促使光纖被用作長距離的信息傳遞工具。光纖的主要生產原料是矽 ,蘊藏量極大,較易開採,所以價格便宜。隨著光纖的價格進一步降低,光纖也被用於醫療 和照明 的用途。
紫外線
隨著高度,紫外線穿透地球臭氧層 的程度。黃色曲線是臭氧層隨著高度的分佈。
由於紫外線的能量很高,能夠破壞化學鍵 ,使分子不尋常地具有高反應性,或使分子被離子 化(參閱光電效應 )。例如,日光 長時間地照射於皮膚會造成曬傷 (sunburn ),這是因為紫外線會傷害皮膚細胞。假若,由於紫外線被細胞吸收,使得DNA 遭受無法挽回的破壞,則很可能會造成皮膚癌 (skin cancer )。紫外線已被證明是一種突變源 ,會誘導有機體突變 。每一天,太陽都會發射大量的紫外線。這會殺掉地表所有的生物,使得地球迅速地變為毫無生命的沙漠。但是,大部分的紫外線都會被大氣層高空的臭氧層 吸收,不會抵達地球表面。
X射線
X射線會使分子被離子化。由於X射線具有更高能量,X射線能夠以康普頓效應與物質相互作用。X射線又分為硬X射線和軟X射線兩種。硬X射線的波長恆短於軟X射線的波長。由於X射線能透過大多數物質,X射線可以用來透視物體。放射線照相術 (radiography )用X射線來產生診斷圖像 ,這可能是X射線技術應用最廣泛的地方。
中子星 和環繞著黑洞 的吸積盤 所發射的電磁輻射多半為X射線。這給與了天文學家 很優良的輻射源。
利用電子對X射線的散射 作用,X射線晶體學 可以獲得晶體 中電子密度的分布情況,仔細分析這數據,可以求得原子的位置信息,即晶體結構 。
伽馬射線
伽馬射線是由保罗·维拉尔 於1900年研究鐳 元素發射的輻射時發現的。伽馬射線是能量最高的光子,其頻率沒有定義上限。天文學家時常會研究高能量天文體發射的伽馬射線。從測得的數據,可以了解天文體的結構與行為。伽馬射線輻照 (irradiation )能夠滅菌,可以用於保持食品和種子的新鮮。在醫學方面,伽馬射線可以用於像正電子發射計算機斷層掃描 一類的診斷圖像 和癌症 的放射線治療 。
参见
参考资料
^ 美國太空總署網頁:電磁波譜 , [2010-04-30 ] , (原始内容存档 于2006-09-05)
^ CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 (PDF) , 美國國家標準與技術學院(NIST ), 2006 [2010-04-30 ] , (原始内容存档 (PDF) 于2018-06-12)
^ Griffiths, David J., Hyperfine splitting in the ground state of hydrogen (PDF) , American Journal of Physics, August 1982, 50 (8): pp. 698 [2010-04-30 ] , (原始内容 (PDF) 存档于2020-05-12)
^ J. J. Condon and S. M. Ransom. Essential Radio Astronomy: Pulsar Properties . National Radio Astronomy Observatory. [2008-01-05 ] . (原始内容 存档于2011-05-04).
^ A. A. Abdo; et al. Discovery of TeV Gamma‐Ray Emission from the Cygnus Region of the Galaxy. The Astrophysical Journal Letters. 2007-03-20, 658 : L33. doi:10.1086/513696 .
^ Corrections to muonic X-rays and a possible proton halo (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) slac-pub-0335 (1967)
^ 喬治亞州州立大學 (Georgia State University )線上物理網頁:伽馬射線 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
外部連結