Spectrul electromagnetic

(O diagramă a spectrului electromagnetic, care prezintă diferite proprietăți în întreaga gamă de frecvențe și lungimi de undă.)

Spectrul electromagnetic este domeniul de frecvențe (spectrul) radiației electromagnetice și a lungimilor de undă respective și a energiilor fotonice.

Spectrul electromagnetic acoperă undele electromagnetice cu frecvențe variind de la mai putin de un hertz la peste 10²⁵ hertzi, corespunzând lungimilor de undă de la mii de kilometri până la o fracțiune din dimensiunea nucleului atomic. Această gamă de frecvențe este împărțită în benzi separate, iar undele electromagnetice din fiecare bandă de frecvențe sunt numite prin nume diferite; începând cu frecvența joasă (lungimea de undă lungă) a spectrului, acestea sunt: ​​undele radio, microundele, infraroșu, lumina vizibilă, ultravioletele, razele X și razele gamma la capătul de frecvență înaltă (lungime de undă scurtă). Undele electromagnetice din fiecare dintre aceste benzi au caracteristici diferite, cum ar fi modul în care sunt produse, modul în care acestea interacționează cu materia și aplicațiile lor practice. Limita pentru lungimi de undă lungi este dimensiunea universului în sine, în timp ce se consideră că limita de lungime de undă scurtă este în vecinătatea lungimii Planck. Razele gama, razele X și radiațiile ultraviolete sunt clasificate drept radiații ionizante, deoarece fotonii lor au suficientă energie pentru a ioniza atomii, provocând reacții chimice. Expunerea la aceste raze poate fi un pericol pentru sănătate, cauzând boală prin radiații, daune ADN și cancer. Radiația lungimilor de undă ale luminii vizibile și a celor inferioare se numesc radiații neionizante, deoarece acestea nu pot provoca aceste efecte.

În majoritatea benzilor de frecvență de mai sus, o tehnică numită spectroscopie poate fi utilizată pentru a separa fizic undele de frecvențe diferite, producând un spectru care prezintă frecvențele constituente. Spectroscopia este folosită pentru a studia interacțiunile undelor electromagnetice cu materia.

Clasa				Frecvența	Lungimea de undă	Energia
Radiații ionizante	γ	Raze gama		300 EHz	1 pm	1.24 MeV
				30 EHz	10 pm	124 keV
	HX	Raze X tari
				3 EHz	100 pm	12.4 keV
	SX	Raze X moi
				300 PHz	1 nm	1.24 keV
				30 PHz	10 nm	124 eV
	EUV	Ultraviolete extreme
				3 PHz	100 nm	12.4 eV
	NUV	Ultraviolete apropiate
Vizibile				300 THz	1 μm	1.24 eV
	NIR	Infraroșii apropiate
				30 THz	10 μm	124 meV
	MIR	Infraroșii medii
				3 THz	100 μm	12.4 meV
	FIR	Infraroșii îndepărtate
				300 GHz	1 mm	1.24 meV
Microunde și radiounde	EHF	Frecvență extrem de înalte
				30 GHz	1 cm	124 μeV
	SHF	Frecvențe super înalte
				3 GHz	1 dm	12.4 μeV
	UHF	Frecvențe ultra înalte
				300 MHz	1 m	1.24 μeV
	VHF	Frecvențe foarte înalte
				30 MHz	10 m	124 neV
	HF	Frecvențe înalte
				3 MHz	100 m	12.4 neV
	MF	Frecvențe medii
				300 kHz	1 km	1.24 neV
	LF	Frecvențe joase
				30 kHz	10 km	124 peV
	VLF	Frecvențe foarte joase
				3 kHz	100 km	12.4 peV
	ULF	Frecvențe ultra joase
				300 Hz	1 Mm	1.24 peV
	SLF	Frecvențe super joase
				30 Hz	10 Mm	124 feV
	ELF	Frecvențe extrem de joase
				3 Hz	100 Mm	12.4 feV
Legend
γ = Raze gama MIR = Infraroșii medii HF = Frecvență înaltă HX = Raze X tari FIR = Infraroșii îndepărtate MF = Frecvență medie SX = Raze X moi Unde radio LF = Frecvență joasă EUV = Ultraviolete extreme EHF = Frecvență extrem de înaltă VLF = Frecvență foarte joasă NUV = Ultraviolete apropiate SHF = Frecvență super înaltă VF/ULF = Frecvență vocală Lumina vizibilă UHF = Frecvență super înaltă SLF = Frecvență super joasă NIR = Infraroșii apropiate VHF = Frecvență foarte înaltă ELF = Frecvență extrem de joasă Freq = Frecvență

Intervalul spectrului

(Spectrul luminii.)

Undele electromagnetice sunt în mod obișnuit descrise prin oricare dintre următoarele trei proprietăți fizice: frecvența f, lungimea de undă λ sau energia fotonică E. Frecvențele observate în astronomie variază de la 2,4×10²³ Hz (raze gama de 1 GeV) până la frecvența plasmatică locală a mediului interstelar ionizat (~ 1 kHz). Lungimea de undă este invers proporțională cu frecvența undei, astfel încât razele gama au lungimi de undă foarte scurte care sunt fracții ale mărimii atomilor, în timp ce lungimile de undă de pe capătul opus al spectrului pot de mărimea universului. Energia fotonică este direct proporțională cu frecvența undei, astfel încât fotonii cu raze gama au cea mai mare energie (aproximativ un miliard de electroni volți), în timp ce fotonii cu unde radio au energie foarte mică (în jurul unui femtoelectronvolt). Aceste relații sunt ilustrate prin următoarele ecuații:

f = c/λ sau f = E/h sau E = hc/λ,

unde: c = 299792458 m/s este viteza luminii în vid, h = 6.62606896(33)×10^-34 J·s = 4.13566733(10)×10^-15 eV · s este constanta lui Planck.

Ori de câte ori există unde electromagnetice într-un mediu cu materie, lungimea lor de undă scade. Lungimile de undă ale radiației electromagnetice, indiferent de mediul în care se deplasează, sunt de obicei citate în termeni de lungime de undă în vid, deși acest lucru nu este întotdeauna specificat explicit.

În general, radiațiile electromagnetice sunt clasificate prin lungimi de undă în radiații radio, microunde, radiații terahertz (sau submilimetrice), infraroșu, regiunea vizibilă care este percepută ca lumină, ultraviolet, raze X și raze gama. Comportamentul radiației electromagnetice depinde de lungimea de undă. Când radiația electromagnetică interacționează cu atomii și moleculele individuale, comportamentul acesteia depinde și de cantitatea de energie pe o cuantă (foton) pe care îl transportă.

Spectroscopia poate detecta o regiune mult mai largă a spectrului electromagnetic decât domeniul vizibil de 400 nm până la 700 nm. Un spectroscop de laborator comun poate detecta lungimi de undă de la 2 nm la 2500 nm. Informații detaliate despre proprietățile fizice ale obiectelor, gazelor sau chiar stelelor pot fi obținute de pe acest tip de dispozitiv. Spectroscoapele sunt utilizate pe scară largă în astrofizică. De exemplu, mulți atomi de hidrogen emit un foton cu unde radio care are o lungime de undă de 21,12 cm. De asemenea, frecvențele de 30 Hz și mai mici pot fi obținute și sunt importante în studiul anumitor nebuloase stelare, iar frecvențele de până la 2,9×10²⁷ Hz au fost detectate din surse astrofizice.

(Spectrul electromagnetic.)

Argumentare pentru denumirile regionale ale spectrului

Radiațiile electromagnetice interacționează cu materia în diferite moduri pe întreg spectrul. Aceste tipuri de interacțiuni sunt atât de diferite încât istoric diferite nume au fost aplicate la diferite părți ale spectrului, ca și cum acestea ar fi diferite tipuri de radiații. Astfel, deși aceste „tipuri diferite” de radiații electromagnetice formează un spectru cantitativ continuu de frecvențe și lungimi de undă, spectrul rămâne împărțit din motive practice legate de aceste diferențe calitative de interacțiune.

Interacțiunea radiației electromagnetice cu materia

Regiunea spectrului	Principalele interacțiuni cu materia
Radio	Oscilația colectivă a purtătorilor de sarcină în material (oscilație în plasmă). Un exemplu ar fi călătoriile oscilante ale electronilor dintr-o antenă.
Cuptor cu microunde prin infraroșu	Oscilația plasmei, rotația moleculară
Infraroșu apropiat	Vibrații moleculare, oscilații în plasmă (numai în metale)
Vizibil	Excitație electronică moleculară (inclusiv molecule de pigment găsite în retina umană), oscilații plasmatice (numai în metale)
Ultraviolet	Excitarea electronilor de valență moleculară și atomică, inclusiv ejectarea electronilor (efect fotoelectric)
Razele X	Excitare și ejecție a electronilor atomici de bază, împrăștiere Compton (pentru numere atomice scăzute)
Raze gama	Ejectarea energetică a electronilor de bază în elemente grele, împrăștierea Compton (pentru toate numerele atomice), excitarea nucleelor ​​atomice, inclusiv disocierea nucleelor
Razele gama de mare putere	Crearea de perechi de particule-antiparticule. La energii foarte înalte un singur foton poate crea o avalanșă de particule de energie înaltă și antiparticule la interacțiunea cu materia.