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电磁波谱

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电磁波的波谱与性质。

电磁学里,电磁波谱包括电磁辐射所有可能的频率[1]。一个物体的电磁波谱专指的是这物体所发射或吸收的电磁辐射(又称电磁波)的特征频率分布。

电磁波谱频率从低到高分别列为无线电波微波红外线可见光紫外线X射线伽马射线。可见光只是电磁波谱中一个很小的部分。电磁波谱波长有长到数千公里,也有短到只有原子的一小段。短波长的极限被认为,几乎等于普朗克长度,长波长的极限被认为,等于整个宇宙的大小,虽然原则上,电磁波谱是无限的,而且连续的。

波谱值域[编辑]

电磁辐射分类: γ = 伽马射线
X射线
HX = 硬X射线
SX = 软X射线
紫外线
EUV = 极端紫外线
NUV = 近紫外线
红外线
NIR = 近红外线
MIR =中红外线
FIR = 远红外线
微波
EHF = 极高频
SHF = 超高频
UHF = 特高频
无线电波
VHF = 甚高频
HF = 高频
MF = 中频
LF = 低频
VLF = 甚低频
ULF = 特低频
ELF = 极低频

电磁波通常以频率波长光子能量,这三种物理量之中的任意一种物理量来描述。它们彼此之间的关系,以方程表达为

其中,是频率,是波长,是光子能量,真空光速普朗克常数[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。另外电磁波的能量与频率成正比,系数为普朗克常数。即频率越高,波长越短,能量越大。

按照波长长短,从长波开始,电磁波可以分类为无线电波微波红外线可见光紫外线X射线伽马射线等等。电磁波的物理行为与其波长有关。人类眼睛可以观测到波长大约在400奈米和700 奈米之间的电磁辐射,称为可见光。在光谱学里,各种各样的光谱仪可以侦测到的电磁波波长的值域,比可见光的波长值域还要宽广很多。普通实验使用的光谱仪可以测量从2奈米到2500奈米波长的电磁波。使用这种仪器,可以得知物体、气体或甚至恒星的详细波谱数据。这是天文物理学的必备仪器。例如,因为超精细分裂hyperfine splitting),氢原子会发射波长为21.12公分的无线电波[3]。某些星云会产生频率大约为或低于30 赫兹的电磁波[4]。对于星云物理行为的研究,这是很重要的实验对象。在波谱的另一端,从天文星源发射出来,频率高过2.9×1027赫兹的电磁波也曾经被侦测到过[5]

简介[编辑]

在波谱的不同谱域,电磁辐射与物质相互作用的机制也会大不相同,因此,称呼这些为不同种类的电磁辐射是情有可原的。同时,电磁辐射是连续不断地,包括了所有这些不同种类的电磁辐射。所以,电磁波谱指的是电磁波独一无二的波谱,但是,按照电磁辐射与物质相互作用的不同机制,可以分为很多种类。

波谱的谱域 与物质相互作用的机制
无线电波 在大块物质内,电荷载子的集体振荡。例如,由导体组成的天线,其导体内部的电子的振荡。
微波至红外线 等离子体振荡plasma oscillation),分子转动molecular rotation
近红外线 分子振动molecular vibration),等离子体振荡(只在金属里)
可见光 分子电子激发(包括可以在人体视网膜里找到的色素分子),等离子体振荡(只在金属里)
紫外线 分子或原子的价电子的激发,包括电子的发射光电效应
X射线 原子的内层电子的激发与发射,低原子序数的原子的康普顿散射
伽马射线 重元素的内层电子的高能量发射,康普顿散射原子核的激发(包括原子核的解离)
超高能量伽马射线 粒子和其反粒子的成对产生。在超高能量状况,单独光子与物质的相互作用,能够产生高能量的粒子与反粒子射丛。

电磁辐射种类[编辑]

电磁波谱

X射线与伽马射线之间主要是根据发射源来区分:伽马射线是由核衰变或其它种核子过程或次核粒子subnuclear particle)/粒子过程所产生的光子,而X射线则是由原子内部的高能量电子的跃迁所产生的光子。通常而言,核子跃迁的能量远超过电子跃迁的能量,所以,伽马射线的能量比X射线的能量大很多。但是,还是可以找到一些例外。依照前述常规,μ子原子muonic atom)跃迁产生的也是X射线,虽然这X射线能量可能会超过6MeV(0.96pJ)[6]。从另一方面来说,也有很多低能量的核子跃迁(至少已经发现了77种低于10 eV的低能量核子跃迁),例如,-229核子跃迁的能量为7.6 eV,虽然这能量比μ子X射线小一百万倍,由于辐射源是核子,发射的光子仍旧称为伽马射线[7]

电磁辐射的频率与观察者的参考系有关(详尽物理解释,请参阅多普勒效应)。设定两个参考系A和B,相对于参考系B,参考系A以相对速度移动。则对于同一电磁波,处于参考系A的观察者所观测到的频率,跟处于参考系B的观察者所观测到的频率必不相同,两个频率可能会属于不同的频域。例如,形成于宇宙初期,当物质与电磁辐射解耦时的宇宙微波背景辐射,是由氢原子激发态跃迁至基态所产生的电磁辐射。原本这些电磁辐射属于来曼系跃迁,是紫外线。可是,由于宇宙学红移cosmological red shift),现在,相对于宇宙,缓慢移动的观察者所观测到的是微波。但是,对于以相对论性速度移动(接近光速)的粒子而言,处于这相对论性速度粒子的参考系的观察者,会观测到这些电磁辐射的蓝移。对于拥有最高能量的宇宙线质子而言,处于这质子的参考系的观察者,会观测到这些电磁辐射的蓝移至高能量伽马射线,与质子相互作用,产生夸克-反夸克对偶(π介子)。这是GZK极限的由来。

无线电波[编辑]

根据共振原理,无线电波可以由天线发射出去或接收回来,其波长在几百米至一厘米之间。通过调变,可将信息加载于无线电波。因此无线电波可以用来传递信息。电视移动电话无线网络业余无线电,都使用无线电波来传递信息。为了便利大众能够和谐地共同使用无线电波为传递信息的媒介,政府会采取频率分配frequency allocation)制度来规划管理无线电波频域。

应用振幅调变频率调变相位调变phase modulation)等等技术,分配到狭窄频带的无线电波可以传递信息。当电磁辐射遇到电导体时,它会与电导体耦合,沿着电导体传播,靠着激发处于表面的电子,在电导体表面感应出电流。这效应称为集肤效应,是天线运作的主要原理。

某些物体的分子会吸收电磁辐射的能量,因而使得物体的热能增加,造成热效应。这是微波炉运作的主要原理。

微波[编辑]

地球大气尘对于不同频率电磁辐射的不透明度图

微波的波长通常不会超过可以传播于一般直径管状金属波导的最长长度。电子调速管klystron)或磁控管magnetron)可以用来生成微波。每一种电极性分子,会对应着某些特定频率的微波,使得电极性分子随着振荡电场一起旋转,这机制称为电介质加热dielectric heating)。由于这种机制(不是热传导机制),电极性分子会吸收微波的能量。微波炉就是应用这运作原理,通过水分子脂肪的旋转,更均匀地将食物加热,减少等候时间。微波加热方法所需时间可以减少至一般加热方法所需时间的1%。

无线网络通信技术Wi-Fi(无线保真技术)使用低强度微波来传递信息。使用的强度并不会造成加热效应。这技术得到全世界广泛的支持,大多数国家都已经采用了这技术。

太赫兹辐射[编辑]

太赫兹辐射terahertz radiation)的频域在红外线与微波之间。直到最近,这频域并不常被研究,发射高频端太拉赫辐射(波长低于釐米的电磁波)的仪器也不常见。但是,现在已发展出成像通讯等等应用科技。科学家也开始发展太拉赫辐射科技的军事用途。高频率电磁波可能会使敌方军队的电子设备失去功能。

红外线[编辑]

红外线的频域在300 GHz (1 mm)至400 THz (750 nm)之间,可以分为三部分:

  • 远红外线的频域在300 GHz (1 mm)至30 THz (10 μm)之间。处于不同物态的物质会用不同的机制来吸收远红外线:气态分子通常会以旋转模机制、液体靠着分子的旋转运动机制、固体用声子机制。地球大气尘分子会强烈地吸收远红外线,使得远红外线无法有效地透射过大气尘。但是,波长大约在200微米至几厘米之间,还是存在有一些狭窄的频域(频窗),能够允许部分远红外线透射。利用这特性做天文学研究,可以得到很大的收获。关于这方面的学术分支称为次毫米天文学submillimeter astronomy)。
  • 中红外线的频域在30 THz (10 μm)至120 THz (2.5 μm)之间。热物体(黑体辐射源)辐射中红外线的强度大大强过其它种类的电磁辐射。中红外线会被分子振动吸收,分子内部的原子会因而增加振动的振幅。对于热物体而言,这频域称为指纹频域,因为每一种热物体都有其特征的吸收谱线。
  • 近红外线的频域在120 THz (2,500 nm)至400 THz (750 nm)之间。在这频域内的物理过程类似于可见光频域的物理过程。

可见光[编辑]

可见光只是电磁波谱中很小的一部分。

可见光是频率在400 THz (760 nm)至790 THz (380 nm)之间的电磁辐射,可以被人类眼睛侦测感知。可见光的频域也是太阳和其它类似的恒星所发射的大部分辐射的频域。这大概不是凑巧,而是生物演化形成的事实。

可见光(和近红外线)通常会被在分子或原子内部的电子吸收或发射。由于吸收了电磁辐射能量,电子会从低能级跃迁至高能级。由于电子从高能级跃迁至低能级,电子会发射能量等于能级差的电磁辐射。彩虹是一种光学现象。当太阳光入射于大气层后,被水滴折射反射,在天空形成了可以辨明为红色橙色黄色绿色蓝色靛色紫色的七彩光谱。

可见光从某一物体反射后,传播达到眼睛,通过折光系统在视网膜上成像,经视神经传入到大脑视觉中枢,就可以分辨眼睛所看到的物体的色泽和分辨其亮度。因而可以看清视觉范围内的发光或反光物体的轮廓,形状,大小,颜色,远近和表面细节等情况。

人类视觉器官并不能侦测到其它频率的电磁辐射。自然辐射源所发射的电磁辐射的频率分散于整个波谱。只有依赖光学仪器,才能将这些电磁辐射及其所载有的信息,转换成人类视觉器官可以侦测到的可见光。

光纤传输光波。由于光波在光纤的传输损失比电在电线传导的损耗低得多,促使光纤被用作长距离的信息传递工具。光纤的主要生产原料是,蕴藏量极大,较易开采,所以价格便宜。随着光纤的价格进一步降低,光纤也被用于医疗照明的用途。

紫外线[编辑]

随着高度,紫外线穿透地球臭氧层的程度。黄色曲线是臭氧层随着高度的分布。

由于紫外线的能量很高,能够破坏化学键,使分子不寻常地具有高反应性,或使分子被离子化(参阅光电效应)。例如,日光长时间地照射于皮肤会造成晒伤sunburn),这是因为紫外线会伤害皮肤细胞。假若,由于紫外线被细胞吸收,使得DNA遭受无法挽回的破坏,则很可能会造成皮肤癌skin cancer)。紫外线已被证明是一种突变原,会诱导有机体突变。每一天,太阳都会发射大量的紫外线。这会杀掉地表所有的生物,使得地球迅速地变为毫无生命的沙漠。但是,大部分的紫外线都会被大气层高空的臭氧层吸收,不会抵达地球表面。

X射线[编辑]

X射线会使分子被离子化。由于X射线具有更高能量,X射线能够以康普顿效应与物质相互作用。X射线又分为硬X射线和软X射线两种。硬X射线的波长恒短于软X射线的波长。由于X射线能透过大多数物质,X射线可以用来透视物体。放射线照相术radiography)用X射线来产生诊断图像,这可能是X射线技术应用最广泛的地方。

中子星和环绕着黑洞吸积盘所发射的电磁辐射多半为X射线。这给与了天文学家很优良的辐射源。

利用电子对X射线的散射作用,X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况,仔细分析这数据,可以求得原子的位置信息,即晶体结构

伽马射线[编辑]

伽马射线是由保罗·维拉德Paul Villard)于1900年研究元素发射的辐射时发现的。伽马射线是能量最高的光子,其频率没有定义上限。天文学家时常会研究高能量天文体发射的伽马射线。从测得的数据,可以了解天文体的结构与行为。伽马射线辐照irradiation)能够灭菌,可以用于保持食品和种子的新鲜。在医学方面,伽马射线可以用于像正电子发射计算机断层扫描一类的诊断图像癌症放射线治疗

相关主题[编辑]

参阅[编辑]

外部链接[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 美国国家航空航天局网页:电磁波谱 
  2. ^ CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 (PDF), 美国国家标准与技术学院(NIST), 2006 
  3. ^ Griffiths, David J., Hyperfine splitting in the ground state of hydrogen (PDF), American Journal of Physics, August 1982, 50 (8): pp. 698 
  4. ^ J. J. Condon and S. M. Ransom. Essential Radio Astronomy: Pulsar Properties. National Radio Astronomy Observatory. [2008-01-05]. 
  5. ^ A. A. Abdo; 等. 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. 
  6. ^ Corrections to muonic X-rays and a possible proton halo slac-pub-0335 (1967)
  7. ^ 乔治亚州州立大学Georgia State University)线上物理网页:伽马射线