Elektromágneses spektrum

rádióhullámok

rádióhullámok bocsátanak ki és fogadnak antennákat, amelyek olyan vezetőkből állnak, mint a fémrúd rezonátorok. A rádióhullámok mesterséges generálásakor egy adó nevű elektronikus eszköz egy AC elektromos áramot generál, amelyet egy antennára alkalmaznak. Az antennában lévő oszcilláló elektronok oszcilláló elektromos és mágneses mezőket generálnak, amelyek rádióhullámokként távolodnak az antennától., A rádióhullámok vételekor egy rádióhullám pár oszcilláló elektromos és mágneses mezője az antennában lévő elektronokhoz, oda-vissza nyomva őket, oszcilláló áramokat hozva létre, amelyeket egy rádióvevőre alkalmaznak. A Föld légköre elsősorban a rádióhullámok számára átlátszó, kivéve az ionoszférában lévő töltött részecskék rétegeit, amelyek bizonyos frekvenciákat tükrözhetnek.,

a rádióhullámokat rendkívül széles körben használják a rádió kommunikációs rendszerek, például a rádióműsorok, a televízió, a kétirányú rádiók, a mobiltelefonok, a kommunikációs műholdak és a vezeték nélküli hálózatok közötti távolságokra történő információ továbbítására. Egy rádió kommunikációs rendszerben a rádiófrekvenciás áramot egy adóban lévő Információhordozó jellel modulálják az amplitúdó, a frekvencia vagy a fázis változtatásával, és egy antennára alkalmazzák., A rádióhullámok az információt az űrben egy vevőhöz továbbítják, ahol egy antenna fogadja őket, valamint a vevőben a demodulációval kinyert információkat. A rádióhullámokat navigációs célokra is használják olyan rendszerekben, mint a globális helymeghatározó rendszer (GPS) és a navigációs jelzőfények, valamint távoli objektumok radiolokációban és radarban történő lokalizálása. Ezeket távvezérlésre, ipari fűtésre is használják.,

a rádióspektrum használatát szigorúan a kormányok szabályozzák, amelyet a Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) nevű testület koordinál, amely különböző felhasználókra osztja a frekvenciákat különböző célokra.

a mikrohullámok rövid hullámhosszú rádióhullámok, körülbelül 10 centiméterről egy milliméterre, az SHF és EHF frekvenciasávokban. A mikrohullámú energiát klystron és magnetron csövekkel, valamint szilárdtest-eszközökkel, például Gunn és IMPATT diódákkal állítják elő. Bár rövid antennák bocsátják ki és szívják fel őket, a poláris molekulák is elnyelik őket, vibrációs és rotációs üzemmódba kapcsolva, ami nagy melegítést eredményez., Ellentétben a magasabb frekvenciájú hullámokkal, mint például az infravörös és a fény, amelyek elsősorban a felületeken szívódnak fel, a mikrohullámok behatolhatnak az anyagokba, és energiájukat a felszín alatt helyezik el. Ezt a hatást használják a hő élelmiszer mikrohullámú sütők, valamint az ipari fűtés, orvosi diatermia. A mikrohullámok a radarban használt fő hullámhosszak, amelyeket műholdas kommunikációra, valamint vezeték nélküli hálózati technológiákra, például Wi-Fi-re használnak., A rézkábelek (távvezetékek), amelyeket az alacsonyabb frekvenciájú rádióhullámok antennákhoz történő szállítására használnak, túlzott energiaveszteséggel rendelkeznek a mikrohullámú frekvenciákon, és a hullámvezetőknek nevezett fémcsöveket használják azok hordozására. Bár a sáv alsó végén a légkör elsősorban átlátszó, a sáv felső végén a mikrohullámok légköri gázokkal történő abszorpciója néhány kilométerre korlátozza a gyakorlati terjedési távolságokat.,

a Terahertz-sugárzás vagy a szubmilliméteres sugárzás a mikrohullámok és a távoli infravörös között körülbelül 100 GHz-től 30 terahertzes (THz) tartomány, amely bármelyik sávhoz tartozónak tekinthető. A tartományt egészen a közelmúltig ritkán tanulmányozták, és az úgynevezett terahertz-szakadékban kevés forrás létezett a mikrohullámú energia számára, de ma már megjelennek olyan alkalmazások, mint a képalkotás és a kommunikáció. A tudósok is keres alkalmazni parp-technológia a fegyveres erők, ahol magas frekvenciájú hullámok lehet irányítani, hogy az ellenséges csapatokat, hogy akadályozza az elektronikus berendezések., A Terahertz sugárzást erősen felszívják a légköri gázok, így ez a frekvenciatartomány haszontalan a távolsági kommunikációhoz.

infravörös sugárzás

az elektromágneses spektrum infravörös része nagyjából 300 GHz – től 400 THz-ig terjed (1 mm-750 nm). Három részre osztható:

• távoli infravörös, 300 GHz-től 30 THz-ig (1 mm – 10 µm). Ennek a tartománynak az alsó részét mikrohullámoknak vagy terahertz hullámoknak is nevezhetjük., Ezt a sugárzást jellemzően gázfázisú molekulák úgynevezett forgási módjai, folyadékok molekuláris mozgása, szilárd anyagok fononjai szívják fel. A Föld légkörében lévő víz olyan erősen felszívódik ebben a tartományban, hogy gyakorlatilag átlátszatlanná teszi a légkört. Az átlátszatlan tartományon belül azonban vannak bizonyos hullámhossz-tartományok (“ablakok”), amelyek lehetővé teszik a részleges átvitelt, és felhasználhatók csillagászatra. A körülbelül 200 µm-től néhány mm-ig terjedő hullámhossz-tartományt gyakran Szubmilliméteres csillagászatnak nevezik, amely messze infravörös a 200 µm alatti hullámhosszokra.,
• közepes infravörös, 30-120 THz (10-2, 5 µm). A forró tárgyak (fekete testű radiátorok) erősen sugárzhatnak ebben a tartományban, az emberi bőr normál testhőmérsékleten erősen sugárzik a régió alsó végén. Ezt a sugárzást molekuláris rezgések szívják fel, ahol a molekula különböző atomjai egyensúlyi helyzetük körül rezegnek. Ezt a tartományt néha ujjlenyomat-régiónak nevezik, mivel egy vegyület közepes infravörös abszorpciós spektruma nagyon specifikus az adott vegyületre.
• közeli infravörös, 120-400 THz (2500-750 nm)., Az e tartomány szempontjából releváns fizikai folyamatok hasonlóak a látható fényhez. A régió legmagasabb frekvenciáit közvetlenül lehet érzékelni bizonyos típusú fényképészeti filmekkel, valamint sokféle szilárdtest-képérzékelővel az infravörös fényképezéshez és a videográfiához.

látható fény

felett infravörös frekvencia jön látható fény., A nap a látható régióban bocsátja ki csúcsteljesítményét, bár a teljes kibocsátási teljesítmény spektrum integrálása minden hullámhosszon azt mutatja, hogy a nap valamivel több infravörös fényt bocsát ki, mint a látható fény. Definíció szerint a látható fény az EM spektrum része, amelyre az emberi szem a legérzékenyebb. A látható fényt (és a közeli infravörös fényt) jellemzően az egyik energiaszintről a másikra mozgó molekulákban és atomokban lévő elektronok szívják fel és bocsátják ki. Ez a hatás lehetővé teszi az emberi látás és a növényi fotoszintézis alapját képező kémiai mechanizmusokat., Az emberi vizuális rendszert izgató fény az elektromágneses spektrum nagyon kis része. A szivárvány az elektromágneses spektrum optikai (látható) részét mutatja; az infravörös (ha látható) közvetlenül a szivárvány vörös oldalán helyezkedik el, az ultraibolya pedig közvetlenül az ibolya végén jelenik meg.

A 380 nm és 760 nm (400-790 terahertz) közötti hullámhosszú elektromágneses sugárzást az emberi szem érzékeli és látható fénynek érzékeli., Más hullámhosszokat, különösen az infravörös (760 nm-nél hosszabb) és az ultraibolya (380 nm-nél rövidebb) közelében is fénynek neveznek, különösen akkor, ha az emberek láthatósága nem releváns. A fehér fény a látható spektrum különböző hullámhosszú fényeinek kombinációja. A fehér fény áthaladása egy prizmán keresztül felosztja a látható spektrumban megfigyelt több fényszínre 400 nm és 780 nm között.,

Ha az EM spektrum látható régiójában frekvenciájú sugárzás egy tárgyat, például egy tál gyümölcsöt tükröz, majd a szemébe ütközik, ez a jelenet vizuális észlelését eredményezi. Az agy vizuális rendszere a visszavert frekvenciák sokaságát különböző árnyalatokká és színárnyalatokká dolgozza fel, és ezen a nem eléggé megértett pszichofizikai jelenségen keresztül a legtöbb ember egy tál gyümölcsöt érzékel.

a legtöbb hullámhosszon azonban az elektromágneses sugárzás által szállított információkat az emberi érzékek nem észlelik közvetlenül., A természetes források EM-sugárzást termelnek a spektrumban, a technológia pedig a hullámhossz széles skáláját is manipulálhatja. Az optikai szál olyan fényt továbbít, amely bár nem feltétlenül a spektrum látható részében (általában infravörös) képes információt hordozni. A moduláció hasonló a rádióhullámokhoz.

Ultraibolya sugárzás

a Következő a frekvencia jön ultraibolya (UV)., Az UV sugarak hullámhossza rövidebb, mint a látható spektrum lila vége, de hosszabb, mint a röntgen.

Az UV A leghosszabb hullámhosszú sugárzás, amelynek fotonjai elég energikusak ahhoz, hogy ionizálják az atomokat, elválasztva az elektronokat tőlük, ezáltal kémiai reakciókat okozva. A rövid hullámhosszú UV-t és a felette lévő rövidebb hullámhosszú sugárzást (röntgensugarak és gamma-sugarak) ionizáló sugárzásnak nevezik, és az expozíció károsíthatja az élő szöveteket, ami egészségügyi veszélyt jelent. Az UV sok anyagot is okozhat, hogy látható fényben ragyogjon; ezt fluoreszcenciának nevezik.,

Az UV-sugárzás középső tartományában az UV-sugarak nem tudnak ionizálni, de megszakíthatják a kémiai kötéseket, így a molekulák szokatlanul reakcióképesek. A napégést például a középkategóriás UV-sugárzás bomlasztó hatása okozza a bőrsejtekre, ami a bőrrák fő oka. A középső tartományban lévő UV sugarak helyrehozhatatlanul károsíthatják a timin dimereket előállító sejtek komplex DNS-molekuláit, így nagyon erős mutagén.,

a nap jelentős UV-sugárzást bocsát ki (teljes teljesítményének körülbelül 10% – a), beleértve a rendkívül rövid hullámhosszú UV-t, amely potenciálisan elpusztíthatja a legtöbb életet a szárazföldön (az óceánvíz védelmet nyújt az élet számára). A nap káros UV hullámhosszainak nagy részét azonban a légkör elnyeli, mielőtt elérik a felületet. Az UV (úgynevezett “vákuum UV”) magasabb energia – (legrövidebb hullámhosszú) tartományait nitrogén, hosszabb hullámhosszon pedig egyszerű diatómikus oxigén szívja fel a levegőben., A középső energiatartományban lévő UV nagy részét az ózonréteg blokkolja, amely erősen elnyeli a fontos 200-315 nm-es tartományt, amelynek alacsonyabb energiatartománya túl hosszú ahhoz, hogy a szokásos dioxigén felszívódjon a levegőben. Ez a napfénynek kevesebb, mint 3% – át hagyja a tengerszint felett UV-ben, ennek a maradéknak az alacsonyabb energiái vannak. A fennmaradó rész UV-A, valamint néhány UV-B. A legalacsonyabb energia tartománya UV között 315 nm és a látható fény (úgynevezett UV-A) nem blokkolja jól a légkör, de nem okoz leégést, és nem kevesebb biológiai károsodást., Ez azonban nem ártalmatlan, és oxigéngyököket, mutációkat és bőrkárosodást okoz.

X-sugarak

után UV jönnek X-sugarak, amelyek, mint a felső tartományban UV is ionizáló. Magasabb energiáik miatt azonban a röntgensugarak a Compton-hatás révén kölcsönhatásba léphetnek az anyaggal is. Nehéz az X-sugarak rövidebb hullámhosszú, mint puha X-sugarak, de ahogy át sok anyagok kis felszívódását, hogy lehet használni, hogy ‘látom át’ tárgyak ‘vastag’ kevesebb, mint az azzal egyenértékű, hogy pár méterre a víz., Az egyik figyelemre méltó alkalmazás a diagnosztikai röntgenfelvétel az orvostudományban (radiográfiának nevezett folyamat). A röntgensugarak szondákként hasznosak a nagy energiájú fizikában. A csillagászatban a neutroncsillagok és a fekete lyukak körüli felhalmozódó lemezek röntgensugarakat bocsátanak ki, lehetővé téve e jelenségek tanulmányozását. A röntgensugarakat a csillagkorona is kibocsátja, és bizonyos típusú ködök erősen kibocsátják., A röntgensugár-távcsöveket azonban a Föld légkörén kívül kell elhelyezni, hogy csillagászati röntgensugarakat láthassanak, mivel a Föld légkörének nagy mélysége átlátszatlan a röntgensugarakkal (1000 g/cm2 területsűrűséggel), ami 10 méter vastagságú víznek felel meg. Ez egy olyan mennyiség, amely elegendő ahhoz, hogy szinte minden csillagászati röntgensugarat blokkoljon (valamint csillagászati gamma-sugarakat is—lásd alább).

Gamma sugarak

kemény röntgensugarak után jönnek gamma sugarak, amelyeket Paul Ulrich Villard fedezte fel 1900-ban., Ezek a legenergiásabb fotonok, amelyeknek nincs meghatározott alsó határa a hullámhosszukra. A csillagászatban értékesek a nagy energiájú tárgyak vagy régiók tanulmányozásához, azonban a röntgensugarakhoz hasonlóan ezt csak a Föld légkörén kívüli teleszkópokkal lehet megtenni. A gammasugarakat a fizikusok kísérletileg használják behatoló képességük érdekében, és számos radioizotóp termeli őket. A sterilizáláshoz használt élelmiszerek és magvak besugárzására használják őket, az orvostudományban pedig alkalmanként sugárterápiában használják őket., A gamma-sugarakat gyakrabban használják diagnosztikai képalkotáshoz a nukleáris orvoslásban, például PET-vizsgálatok. A gamma-sugarak hullámhossza nagy pontossággal mérhető a Compton-szórás hatásain keresztül.