Elektromagnetiskt spektrum

radiovågor

radiovågor emitteras och tas emot av antenner, som består av ledare som metallstavresonatorer. I artificiell generering av radiovågor genererar en elektronisk enhet som kallas en sändare en AC elektrisk ström som appliceras på en antenn. De oscillerande elektronerna i antennen genererar oscillerande elektriska och magnetiska fält som utstrålar bort från antennen som radiovågor., Vid mottagning av radiovågor, de oscillerande elektriska och magnetiska fält av en radiovåg par till elektronerna i en antenn, driver dem fram och tillbaka, skapa oscillerande strömmar som appliceras på en radiomottagare. Jordens atmosfär är huvudsakligen transparent för radiovågor, förutom lager av laddade partiklar i jonosfären som kan återspegla vissa frekvenser.,

radiovågor används extremt ofta för att överföra information över avstånd i radiokommunikationssystem som radiosändningar, TV, tvåvägsradioer, mobiltelefoner, kommunikationssatelliter och trådlösa nätverk. I ett radiokommunikationssystem moduleras en radiofrekvensström med en informationsbärande signal i en sändare genom att variera amplituden, frekvensen eller fasen och appliceras på en antenn., Radiovågorna bär informationen över rymden till en mottagare, där de mottas av en antenn och den information som extraheras genom demodulation i mottagaren. Radiovågor används också för navigering i system som Global Positioning System (GPS) och navigationssändare, och lokalisera avlägsna objekt i Radiolokalisering och radar. De används också för fjärrkontroll och för industriell uppvärmning.,

användningen av radiospektrumet är strikt reglerad av regeringar, samordnad av ett organ som heter International Telecommunications Union (ITU) som fördelar frekvenser till olika användare för olika användningsområden.

mikrovågor

mikrovågor är radiovågor med kort våglängd, från ca 10 centimeter till en millimeter, i SHF-och EHF-frekvensbanden. Mikrovågsenergi produceras med klystron-och magnetron-rör och med fasta tillståndsanordningar som Gunn och IMPATTDIODER. Även om de emitteras och absorberas av korta antenner absorberas de också av polära molekyler, koppling till vibrations-och rotationslägen, vilket resulterar i bulkuppvärmning., Till skillnad från högre frekvensvågor såsom infrarött och ljus som absorberas huvudsakligen på ytor, kan mikrovågor tränga in i material och deponera sin energi under ytan. Denna effekt används för att värma mat i mikrovågsugnar och för industriell uppvärmning och medicinsk diatermi. Mikrovågor är de viktigaste våglängderna som används i radar, och används för satellitkommunikation och trådlösa nätverksteknik som Wi-Fi., Kopparkablarna (överföringsledningar) som används för att bära lägre frekvensradiovågor till antenner har stora effektförluster vid mikrovågsfrekvenser, och metallrör som kallas vågledare används för att bära dem. Även vid den låga änden av bandet atmosfären är huvudsakligen transparent, vid den övre änden av bandet absorption av mikrovågor genom atmosfäriska gaser begränsar praktiska förökning avstånd till några kilometer.,

Terahertz strålning eller submillimeterstrålning är ett område av spektrumet från ca 100 GHz till 30 terahertz (THz) mellan mikrovågor och långt infraröd som kan anses tillhöra något av banden. Fram till nyligen studerades sortimentet sällan och få källor fanns för mikrovågsenergi i det så kallade terahertz-gapet, men applikationer som bildbehandling och kommunikation visas nu. Forskare vill också tillämpa terahertz-teknik i de väpnade styrkorna, där högfrekventa vågor kan riktas mot fiendens trupper för att oskadliggöra sin elektroniska utrustning., Terahertz strålning absorberas starkt av atmosfäriska gaser, vilket gör detta frekvensområde värdelöst för långdistanskommunikation.

infraröd strålning

den infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet täcker intervallet från ungefär 300 GHz till 400 THz (1 mm – 750 nm). Den kan delas in i tre delar:

• långt infraröd, från 300 GHz till 30 THz (1 mm-10 µm). Den nedre delen av detta intervall kan också kallas mikrovågor eller terahertz vågor., Denna strålning absorberas vanligtvis av så kallade rotationslägen i gasfasmolekyler, genom molekylära rörelser i vätskor och av fononer i fasta ämnen. Vattnet i jordens atmosfär absorberar så starkt i detta område att det gör atmosfären i effekt ogenomskinlig. Det finns dock vissa våglängdsområden (”fönster”) inom det ogenomskinliga området som tillåter partiell överföring och kan användas för astronomi. Våglängdsområdet från cirka 200 µm upp till några mm kallas ofta submillimeter astronomi, reservera långt infrarött för våglängder under 200 µm.,
• mid-infrared, från 30 till 120 THz (10-2, 5 µm). Heta föremål (svarta kroppsradiatorer) kan utstråla starkt inom detta område, och mänsklig hud vid normal kroppstemperatur strålar starkt i nedre änden av denna region. Denna strålning absorberas av molekylära vibrationer, där de olika atomerna i en molekyl vibrerar runt deras jämviktspositioner. Detta intervall kallas ibland fingeravtrycksområdet, eftersom det Mid-infraröda absorptionsspektrumet för en förening är mycket specifikt för den föreningen.
• i det Nära infraröda, från 120 till 400 THz (för 2 500–750 nm)., Fysiska processer som är relevanta för detta intervall liknar dem för synligt ljus. De högsta frekvenserna i denna region kan detekteras direkt av vissa typer av fotografisk film och av många typer av solid state bildsensorer för infraröd fotografering och videografi.

synligt ljus

ovan infrarött i frekvens kommer synligt ljus., Solen avger sin toppeffekt i det synliga området, men integrerar hela emissionseffekten spektrum genom alla våglängder visar att solen avger något mer infrarött än synligt ljus. Per definition är synligt ljus den del av EM-spektrumet det mänskliga ögat är det mest känsliga för. Synligt ljus (och nästan infrarött ljus) absorberas typiskt och avges av elektroner i molekyler och atomer som rör sig från en energinivå till en annan. Denna åtgärd tillåter de kemiska mekanismer som ligger till grund för mänsklig syn och växtfotsyntes., Ljuset som exciterar det mänskliga visuella systemet är en mycket liten del av det elektromagnetiska spektrumet. En regnbåge visar den optiska (synliga) delen av det elektromagnetiska spektrumet; infraröd (om det kunde ses) skulle ligga strax bortom den röda sidan av regnbågen med ultraviolett som uppträder strax bortom den violetta änden.

elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan 380 nm och 760 nm (400-790 terahertz) detekteras av det mänskliga ögat och uppfattas som synligt ljus., Andra våglängder, särskilt nära infraröd (längre än 760 nm) och ultraviolett (kortare än 380 nm) kallas också ibland ljus, särskilt när synligheten för människor inte är relevant. Vitt ljus är en kombination av ljus med olika våglängder i det synliga spektrumet. Passerar vitt ljus genom ett prisma delar upp det i flera färger av ljus som observerats i det synliga spektrumet mellan 400 nm och 780 nm.,

om strålning som har en frekvens i det synliga området av EM-spektrumet reflekterar av ett objekt, säg en skål med frukt och sedan slår ögonen, resulterar detta i visuell uppfattning av scenen. Hjärnans visuella system behandlar de många reflekterade frekvenserna i olika nyanser och nyanser, och genom detta otillräckligt förstådda psykofysiska fenomen uppfattar de flesta en skål med frukt.

vid de flesta våglängder detekteras emellertid inte den information som bärs av elektromagnetisk strålning direkt av mänskliga sinnen., Naturliga källor producerar EM-strålning över spektrumet, och tekniken kan också manipulera ett brett spektrum av våglängder. Optisk fiber sänder ljus som, men inte nödvändigtvis i den synliga delen av spektrumet (det är vanligtvis infrarött), kan bära information. Moduleringen liknar den som används med radiovågor.

ultraviolett strålning

nästa frekvens kommer ultraviolett (UV)., Våglängden för UV-strålar är kortare än den violetta änden av det synliga spektrumet men längre än röntgenstrålen.

UV är den längsta våglängdsstrålningen vars fotoner är energiska nog att jonisera atomer, separera elektroner från dem och därigenom orsaka kemiska reaktioner. Kort våglängd UV och den kortare våglängdsstrålningen ovanför den (röntgenstrålar och gammastrålar) kallas joniserande strålning, och exponering för dem kan skada levande vävnad, vilket gör dem till en hälsorisk. UV kan också orsaka många ämnen att glöda med synligt ljus; Detta kallas fluorescens.,

i mitten av UV kan UV-strålar inte jonisera men kan bryta kemiska bindningar, vilket gör molekyler ovanligt reaktiva. Solbränna orsakas till exempel av de störande effekterna av UV-strålning i mellanklassen på hudceller, vilket är den främsta orsaken till hudcancer. UV-strålar i mellanområdet kan irreparabelt skada de komplexa DNA-molekylerna i cellerna som producerar tymindimerer vilket gör det till en mycket potent mutagen.,

solen avger betydande UV-strålning (ca 10% av dess totala effekt), inklusive extremt kort våglängd UV som potentiellt kan förstöra det mesta livet på land (havsvatten skulle ge ett visst skydd för livet där). De flesta av solens skadliga UV-våglängder absorberas emellertid av atmosfären innan de når ytan. Den högre energi (Kortaste våglängd) intervall av UV (kallas ”vakuum UV”) absorberas av kväve och, vid längre våglängder, genom enkel diatomiskt syre i luften., Den största delen av UV-effekten i mitten av energiområdet blockeras av ozonskiktet, som absorberar starkt i det viktiga intervallet 200-315 nm, vars lägre energidel är för lång för vanlig dioxygen i luft att absorbera. Detta lämnar mindre än 3% av solljus på havsnivå i UV, med allt detta återstoden vid de lägre energierna. Resten är UV-A, tillsammans med lite UV-B. Det mycket lägsta energiområdet för UV mellan 315 nm och synligt ljus (kallat UV-A) blockeras inte bra av atmosfären, men orsakar inte solbränna och gör mindre biologisk skada., Det är dock inte ofarligt och skapar syreradikaler, mutationer och hudskador.

röntgenstrålar

Efter UV kommer röntgenstrålar, som, liksom de övre områdena av UV är också joniserande. Men på grund av deras högre energier kan röntgenstrålar också interagera med materia med hjälp av Compton-effekten. Hårda röntgenstrålar har kortare våglängder än mjuka röntgenstrålar och eftersom de kan passera genom många ämnen med liten absorption kan de användas för att ”se igenom” föremål med ”tjocklekar” mindre än det som motsvarar några meter vatten., En anmärkningsvärd användning är diagnostisk röntgenavbildning i medicin (en process som kallas radiografi). Röntgenstrålar är användbara som sonder i hög energifysik. I astronomi avger ackretionsskivorna runt neutronstjärnor och svarta hål röntgenstrålar, vilket möjliggör studier av dessa fenomen. Röntgenstrålar emitteras också av stellar corona och avges starkt av vissa typer av nebulosor., Röntgenteleskop måste dock placeras utanför jordens atmosfär för att se astronomiska röntgenstrålar, eftersom jordens stora djup är ogenomskinlig för röntgenstrålar (med arealdensitet på 1000 g/cm2), vilket motsvarar 10 meters tjocklek av vatten. Detta är en mängd som är tillräcklig för att blockera nästan alla astronomiska röntgenstrålar (och även astronomiska gammastrålar—se nedan).

gammastrålar

efter hårda röntgenstrålar kommer gammastrålar, som upptäcktes av Paul Ulrich Villard 1900., Dessa är de mest energiska fotonerna, som inte har någon definierad nedre gräns för deras våglängd. I astronomi är de värdefulla för att studera högenergiobjekt eller regioner, men som med röntgenstrålar kan detta endast göras med teleskop utanför jordens atmosfär. Gammastrålar används experimentellt av fysiker för deras penetrerande förmåga och produceras av ett antal radioisotoper. De används för bestrålning av livsmedel och frön för sterilisering, och i medicin används de ibland i strålningscancerterapi., Mer vanligt används gammastrålar för diagnostisk avbildning i kärnmedicin, ett exempel är PET-skanningar. Våglängden för gammastrålar kan mätas med hög noggrannhet genom effekterna av Compton spridning.