Sähkömagneettisen spektrin on luokittelu sähkömagneettisen säteilyn , jonka taajuus ja aallonpituus tyhjiössä tai fotonin energia .
Sähkömagneettinen spektri ulottuu saumattomasti nollasta äärettömään. Sekä historiallisista että fyysisistä syistä se on jaettu useisiin suuriin luokkiin, joissa säteilyä tutkitaan erityisin keinoin.
Spektroskopia tai spektrometrialla on kokeellinen tutkimus sähkömagneettinen spektri menetelmiä, havainnointi ja mittaus säteily hajaantuu taajuusalueilla ihanteellisesti tarkennettua. Spektroskopia koskee yleensä kohteen absorptiospektriä tai emissiospektriä .
Sähkömagneettista säteilyä kuvataan sen esteettömimmillä ominaisuuksilla sen muodon ja käytön mukaan.
Radioaaltoja yleensä ominaista mukaan taajuus , jota sovelletaan myös piirit laitteiden käytetään niiden tuottamiseen.
Taajuuksien kasvaessa vastaavat aallonpituudet lyhenevät, kunnes niistä tulee samaa suuruusluokkaa kuin laitteet, ja niistä tulee yleisin käyttöparametri.
Tietyn rajan yli käytetään pääasiassa optisia instrumentteja, aivan kuten valossa, ja alipaineen aallonpituudesta tulee mukavin ominaisuus. Se osallistuu suoraan diffraktioristikkojen häiriöiden laskemiseen ja moniin muihin sovelluksiin.
X-säteet, aallonpituudet käytetään harvoin: koska ne ovat erittäin energinen hiukkasia, se on energia , joka vastaa havaitun X tai γ fotonin , joka on enemmän hyötyä.
Sähkömagneettinen spektri on yleensä jaettu eri kenttiin aallonpituuden ja tämän tyyppisen aallon lähettävän fyysisen ilmiön tyypin mukaan:
Sukunimi | Aallon pituus | Taajuus | Fotoni energia ( eV ) | Fyysisen ilmiön tyyppi |
---|---|---|---|---|
Gammasäde | <17 pm | > 6 × 10 19 Hz | > 2,5 x 10 5 eV | Siirtymät atomiytimessä , jotka usein syntyvät epästabiilin ytimen radioaktiivisen hajoamisen seurauksena syntyvien lapsiytimien herätyksen aikana, spontaanisti tai kiihdytyksen vaikutuksesta hiukkaskiihdyttimessä. |
Röntgen | 10 nm - 17 pm | 30 PHz - 60 EHz | 1,2 × 10 2 eV - 2,5 × 10 5 eV | Syvien kerrosten elektronisiirtymät atomin sisällä, kiihtyvyys tai hidastuminen ( bremsstrahlung ) vapaiden suurenergisten elektronien sisällä. |
Ultravioletti | 300 nm - 1 nm | 1 PHz - 300 PHz | 4,1 eV - 1,2 × 10 3 eV | Valenssielektronisiirtymät atomien tai molekyylien kanssa, joilla on vielä korkeampi energia, joita ihmissilmä ei havaitse. |
Näkyvä | 750 nm - 380 nm | 400 THz - 789 THz | 1,7 eV - 3,3 eV | |
Infrapuna | 100 um - 0,75 um | 3 THz - 400 THz | 1, 2 × 10 −2 eV - 1,7 eV | Hiukkasten värähtelyt, molekyylivärinä, valenssielektronisiirtymät atomien tai molekyylien sisällä . |
Terahertz / submillimetri | 1 mm - 0,1 mm | 300 GHz - 3 THz | 1,2 × 10 −3 eV - 1,2 × 10 −2 eV | Kompleksimolekyylien tärinätasot. |
Mikroaaltouuni | 1 m - 1 mm | 300 MHz - 300 GHz | 1,2 × 10 −6 eV - 1,2 × 10 −3 eV | Elektronien värähtelyt tietyissä sähkökomponenteissa (kuten esimerkiksi Gunn-diodissa ), molekyylin rotaatiossa tai antennissa (kuten matkapuhelimessa, joka voi käyttää mikroaaltoja kantoaaltoina, kuten 60 GHz ). |
Radioaallot | 100000 km - 1 m | 3 Hz - 300 MHz | 1,2 × 10 −14 eV - 1,2 × 10 −6 eV | Elektronien värähtelyt sähköpiirissä, kuten antennissa. |
Yksityiskohtainen jako taajuuksille ITU-standardien mukaisesti löytyy alla olevasta kappaleesta "Käyttö ja luokittelu".
Optinen spektri kattaa infrapuna- , näkyvän spektrin , ja UV- domeenit . Aaltojen lakeja ja käyttäytymistä tällä alalla tutkiva ala on optiikkaa .
Näkyvä spektriNäkyvä sähkömagneettinen säteily on sähkömagneettisen spektrin hyvin kapea osa, johon ihmisen visuaalinen havaitseminen on mahdollista; se vastaa vahvin energian auringon säteilyn saapuu pinnalla maapallon . Ihmisen herkkyys on suurimmillaan noin aallonpituus tyhjiössä on 550 nm: in hämäränäkökykyä , merkittäviä valaistusarvot, on suuruusluokkaa näiden löytyy päivä Maan pinnalla. Tämän maksimin kummallakin puolella herkkyys vähenee vähitellen. Se on vähemmän kuin 1%: n maksimi 410 nm: ssä ja 690 nm: ssä , ja mitään edelleen 360 nm: ssä . Matalan energian puolella se havaitsee korkeintaan 820 nm: n , vaikkakin hyvin heikosti, mutta ihmiset ja muut maaeläimet tuntevat infrapunasäteilyä ihon lämmön muodossa. Vuonna scotopic visio , yö, maksimi on 510 nm emmekä erottaa värejä.
Kolorimetrisesti yhdistää fyysiseen mittaukseen säteilyn väriä havaittu . Normaali ihminen voi erottaa yksiväriset aallot, joiden aallonpituus eroaa hieman alle 1 nm : llä ja yli sadalla kirkkaustasolla. Värin kuvaus ei kuitenkaan tarvitse niin paljon tietoa kuin spektroskopia saattaa ehdottaa. Ihmisillä on päivänäkössä vain kolmen tyyppisiä reseptoreita, ja monet eri aallonpituuksien säteilyseokset, jotka tunnetaan nimellä "metameerit" , havaitaan identtisesti.
Kunnes XIX th -luvulla, vain osa sähkömagneettisen spektrin, joka oli tiedossa oli näkyvän spektrin tai optisen spektrin . Jos ilmiö sateenkaaren taivaalle tiedettiin varhaisten ihmisten, se on vain XVII th luvulla Newton osoitti, että valkoinen valo voidaan jakaa eri värejä .
Termi spektri , joka tarkoittaa "aineeton ulkonäkö," "illuusio" sovelletaan, XVII th -luvulla, kaikki optiset ilmiöt, joita ei voitu selittää. Synonyymi vahingossa esiintyville väreille , sitä käytettiin verkkokalvon vaikutelmiin samanaikaisesta tai peräkkäisestä kontrastista samoin kuin irismalle, joka nähtiin kohteen prismassa katsottuna kohteen prismassa . Newton käytetään vain kerran esittää hänen kokeiluja on optiikka hänen 1671 artikkelissa. Kun selitti, että valkoinen valo on "heterogeeninen seos eri refrangible säteet" ( op. Cit. , P. 3079), ja että värit eivät ole pätevyys valo , kuten Aristoteleen jälkeen on arvioitu , mutta alkuperäiset ominaisuudet, erilaiset jokaisessa säteessä; että vähemmän uudelleen taipumattomat ovat punaisia ja kaikkein uusimmat ovat syvän purppuraa, eikä tätä ominaisuuksien yhdistystä voida katkaista millään tavalla ( op. viite , s. 3081); että värien transmutaatioita esiintyy vain silloin, kun säteitä on sekoitettu. Nämä sekoittavat värit eivätkä prisman erottamat värit ovat harhaisia, ohikiitäviä ja ilmeisiä. Siksi Newton käyttää aina ilmaisua "prisma värit" , jättäen spektrin epäilyttäville tai selittämättömille ilmiöille. Mutta tapa kutsua näitä värejä "spektraaleiksi" jatkuu, ja fyysisen valoteorian vastustajat, kuten Goethe ja Schopenhauer , kannustavat ja edistävät sitä .
Vuonna 1800 William Herschel löysi melko tahattomasti ei-näkyvän valonsäteilyn , infrapunasäteilyn . Seuraavana vuonna saksalainen fyysikko Johann Wilhelm Ritter laajensi tunnettua sähkömagneettista spektriä lyhyen aallonpituudella osoittamalla ultraviolettisäteilyn olemassaolon .
Valon tulkinta sähkömagneettisen aallon etenemisenä johtuu James Clerk Maxwellista 1860-luvulla, joka ennusti myös kaikkien mahdollisten taajuuksien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon, kaikki liikkuvat tyhjiössä nopeuden valossa c . Työn fyysikko Heinrich Hertz johti havaintoon vuonna 1886 radioaaltojen, joka tunnetaan myös radioaaltoja , joka edelleen laajentaa sähkömagneettisen spektrin alla infrapuna alalla matalien taajuuksien tai pitkillä aallonpituuksilla. Kokeisiin elektroniputket avulla Wilhelm Röntgen osoittaa, että on olemassa uuden tyyppinen säteilyn, lyhyempi aallonpituus kuin ultravioletti, röntgenkuvat .
Viimeinen osa sähkömagneettisen spektrin, gammasäteily , alkaa tutkia alussa XX : nnen vuosisadan työn Paul Villard ja William Bragg .
Taulukossa mainitut kaistojen määritelmät ovat seuraavat ( ITU: n tekemä kansainvälinen standardointi paitsi THF-kaista); niihin viitataan yleisesti myös metrisen aallonpituusluokan perusteella. Alla olevassa taulukossa aallonpituudet lasketaan nykyisellä likiarvolla: c = 300 000 km / s .
Bändit | Taajuus | Aallon pituus | Käyttää | |
---|---|---|---|---|
TLF-aallot ( valtavan matala taajuus ) | 0 Hz - 3 Hz | 100,000 km: n klo ∞ | Magneettikentät , aallot ja luonnollinen sähkömagneettinen melu | |
ELF-aallot ( erittäin matala taajuus ) | 3 Hz - 30 Hz | 10000 km: n 100.000 km: n | Luonnolliset sähkömagneettiset aallot, Schumannin maanpäällinen resonanssi , ihmisen aivoaallot, geofyysinen tutkimus, molekyylispektrilinjat | |
SLF-aallot ( erittäin matala taajuus ) | 30 Hz - 300 Hz | 1000 km - 10000 km | Luonnolliset sähkömagneettiset aallot, Schumannin maanpäällinen resonanssi , ihmisen fysiologiset aallot, voimajohtojen aallot, teolliset induktiiviset käyttötarkoitukset, EDF Pulsadis -kaukosäätimet , sähköaaltojen harmoniset yliaallot | |
ULF ( erittäin matalataajuiset ) aallot | 300 Hz - 3 kHz | 100 km - 1000 km | Luonnolliset sähkömagneettiset aallot, erityisesti aurinkomyrskyt, ihmisen fysiologiset aallot, puhelinverkkojen sähköaallot, sähköaaltojen yliaallot , TGV: n TVM- signalointi | |
VLF-aallot ( erittäin matala taajuus ) | 3 kHz - 30 kHz | 10 km - 100 km | Luonnolliset sähkömagneettiset aallot, sotilaalliset sukellusveneiden radioviestinnät, PLC- lähetykset , radionavigointijärjestelmät, aikasignaalilähettimet | |
LF-aallot ( matalat taajuudet ) tai kilometri-aallot | 30 kHz - 300 kHz | 1 km - 10 km | Luonnolliset sähkömagneettiset aallot maanpäällisistä myrskyistä, meri- ja merialuksen radioviestinnästä, PLC- lähetyksistä , OL-lähetyksistä, aikasignaalien lähettimistä, radionavigointijärjestelmistä | |
MF-aallot ( keskitaajuus ) tai hektometriset aallot | 300 kHz - 3 MHz | 100 m - 1 km | Järjestelmien radionavigointi , lähetys OM: ssa, meriradio ja ilmailu , amatööriradio , aikasignaalit ja ADSL | |
HF-aallot ( korkea taajuus ) tai HF-aallot | 3 MHz - 30 MHz | 10 m - 100 m | Kansainvälinen yleisradiotoiminta , radioamatöörit , meri- , ilmailu- , sotilas- ja suurlähetystöradioviestintä , humanitaarinen apu , valtion lähetykset, hyväksytyt induktiiviset sovellukset, PLC- lähetykset , aikasignaalit , CB 27 MHz: ssä , horisontin tutkat | |
VHF-aallot ( erittäin korkea taajuus ) tai metriset aallot | 30 MHz - 300 MHz | 1 m - 10 m | Radio- ja televisiolähetykset, ammattimainen radioviestintä, sotilaslähetykset, julkiset hätäyhteydet, radionavigointi ( VOR ja ILS ) ja ilmailuradioviestintä , radioharrastajat, sääsatelliitit, radiotähtitiede , avaruustutkimus | |
UHF ( erittäin korkea taajuus ) tai UHF aallot | 300 MHz - 3 GHz | 10 cm - 1 m | Televisiolähetykset, digitaalinen lähetys, radioamatöörit, ammattimainen radioviestintä, sotilaslähetykset, mukaan lukien ilmailu , valtion linkit, satelliittilinkit, maanpäällinen FH , radiolokointi ja radionavigointi, DGAC- palvelut , avaruuskäyttö, sääsatelliitit, GSM- puhelin , UMTS ja DECT , Wi- Fi- linkit Fi ja Bluetooth , tutkajärjestelmät, mikroaaltouunit | |
SHF-aallot ( erittäin korkea taajuus ) tai senttimetrin aallot | 3 GHz - 30 GHz | 1 cm - 10 cm | Maanpäällinen ja satelliitti- FH , tutkajärjestelmät, erilaiset sotilasyhteydet ja FH, BLR- järjestelmät , radioastronomia ja avaruuskäyttö, satelliittiradio- ja televisiolähetykset, Wi-Fi- linkit | |
EHF-aallot ( erittäin korkea taajuus ) tai millimetrin aallot | 30 GHz - 300 GHz | 1 mm - 1 cm | Maanpäällinen ja satelliitti-FH, avaruustutkimus, radiotähtitiede , erilaiset satelliitit, sotilasyhteydet ja FH, radioamatöörit, tutkajärjestelmät, molekyylispektrilinjat, tieteelliset kokeet ja tutkimus | |
THF-aallot ( valtavan korkea taajuus ) | 300 GHz - 384 THz | 0,78 pm 1 mm: n kohdalla
(mikrometriset aallot) |
Infrapuna-aallot
( CIE: n suosittelemat osa-alueet )
|
Infrapuna-aallot
(muun osastokaavion mukaan)
|
384 THz - 300 PHz | 10 - 780 nm
(nanometriset aallot) |
|
||
300 PHz - 300 EHz | 1 pm - 10 nm
(pikometriset aallot) |
|
Viritetyt atomit tai molekyylit (esimerkiksi iskujen vaikutuksesta) virittyvät sähkömagneettisen aallon lähettämällä . Tämä voidaan jakaa siniaaltojen (yksiväristen) superpositiolle, jolle on tunnusomaista niiden aallonpituudet. Spektri koostuu kaikista läsnä olevista aallonpituuksista. Se voidaan materialisoida käyttämällä prismaa hajottamaan valo osajoukkoiksi, spektriviivoiksi , jotka vastaavat eri säteileviä aallonpituuksia . Tarkkuuden lisäämiseksi voimme myös edustaa tätä spektriä kaaviona valon voimakkuudesta aallonpituuden funktiona.
Vety emissiospektri havaitaan avulla Geissler putken, jossa on kaksi elektrodia ja alhainen paine vety . Elektrodeihin kohdistuu 1000 V: n potentiaaliero . Vahva sähkökenttä kiihdyttää läsnä olevia ioneja , jotka iskun kautta virittävät vetyatomeja . Kun he ovat innoissaan, ne lähettävät valoa, joka analysoidaan spektroskoopilla . Kaikissa tapauksissa havaitaan (näkyvästi) sama spektri, joka koostuu neljästä viivasta (linjaspektri) aallonpituuksilla: 410 nm , 434 nm , 486 nm , 656 nm .
Niels Bohr tulkitsee sitten valon emissiota fotonin emissiolla, kun atomi siirtyy energiatasolta toiselle. Minkä tahansa elementin emissiospektri voidaan saada kuumentamalla kyseistä elementtiä ja analysoimalla sitten aineen lähettämä säteily. Tämä spektri on elementille ominainen.
Periaate on täsmälleen sama kuin emissiospektrin: annettu energiataso vastaa aallonpituutta. Mutta sen sijaan, että jännittävä aine (esimerkiksi lämmittämällä sitä) päästää valoa, valaisemme sen valkoisella valolla (joka sisältää siis kaikki aallonpituudet), jotta voimme nähdä, mitkä aallonpituudet absorboituvat. Jokaiselle elementille ominaiset energiatasot, elementin absorptiospektri on täsmälleen emissiospektrin täydennys. Sitä käytetään erityisesti astrofysiikassa: esimerkiksi kaasumaisten pilvien koostumuksen määrittämiseksi tutkitaan niiden absorptiospektriä käyttämällä tähtiä taustalla valonlähteenä. Tämä on yleensä absorptiospektrografian tavoite: tuntemattomien alkuaineiden (tai seosten) tunnistaminen niiden spektrin perusteella.
Ilmakehän imeytyminenSuurin osa ultraviolettisäteilystä ja röntgensäteistä absorboituu ylemmässä ilmakehässä.
Sähkömagneettisen säteilyn näkyvässä osassa ilmakehä on suhteellisen läpinäkyvä.
On infrapuna-alueella , sähkömagneettista säteilyä voimakkaasti absorboi ilmakehässä, erityisesti eri moodien mukaisesti virityksen vesihöyryä.
Sitten radiotaajuuksien kentällä, kun fotonien energia pienenee, ilmakehästä tulee jälleen läpinäkyvä paitsi alimmat taajuudet ( pitkät aallot ), jotka ionosfääri pysäyttää.
Sähkömagneettista säteilyä voidaan pitää joko liikkuvana aallona tai hiukkasten kokoelmana.
Jos katsomme sen aalloksi, voimme hajottaa sen Fourier-muunnoksen mukaan monokromaattisten aaltojen summaksi, joista kukin on täysin kuvattu kahdella fysikaalisella määrällä :
Jos katsomme sitä hiukkasten joukoksi, kukin niistä on täysin kuvattu sen energialla. Energioiden jakautuminen ja niiden summa noudattavat tilastolakeja .
YksikötMennään määritelmästä aalloksi määritelmään hiukkasena seuraavien suhteiden avulla:
missä on Planckin vakio : ≈ 6,626 070 040 × 10 −34 J s ≈ 4,115 667 662 × 10 −15 eV s .Aallonpituus riippuu valon nopeudesta etenemisväliaineessa. Jos tätä ei ole määritelty, se on aallonpituus tyhjössä
missä on valon nopeus tyhjiössä: = 299792458 m s −1 (tämä arvo on tarkka mittarin nykyisen määritelmän vuoksi )jos ei
missä on taitekerroin väliaineella taajuudella , aina yhtä suuri kuin 1 tyhjössä.