Диапазоны спектра электромагнитных волн

Электромагнитный спектр условно делится на диапазоны. В результате их рассмотрения необходимо знать следующее.

• Название диапазонов электромагнитных волн.
• Порядок их следования.
• Границы диапазонов в длинах волн или частотах.
• Чем обусловлено поглощение или излучение волн того или иного диапазона.
• Использование каждого типа электромагнитных волн.
• Источники излучения различных электромагнитных волн (естественные и искусственные).
• Опасность каждого вида волн.
• Примеры объектов, имеющих размеры, сравнимые с длиной волны соответствующего диапазона.
• Понятие об излучении абсолютно черного тела.
• Солнечное излучение и окна прозрачности атмосферы.

Диапазоны электромагнитных волн

На рисунке – солнечное излучение при входе в атмосферу (желтый цвет) и на поверхности Земли (красный цвет). Для сравнения приведена кривая излучения абсолютно черного тела с температурой, которая максимально приближает кривую к спектру излучения солнца. Видно, что на некоторых длинах волн излучение не дотигает поверхности Земли, а поглощается атмосферными молекулярными газами.

Большинство лазеров, к примеру, ND:YAG, многие волоконные и большинство мощных диодных лазеров, излучают в ближнем ИК диапазоне. Относительно небольшое число лазеров излучает в средней и длинноволновой части ИК диапазона. Например, CO₂ лазер излучает в районе 10,6 мкм и 9,6 мкм и на некоторых других длинах волн в этой области. Лазеры на свободных электронах позволяют получить очень мощное, перестраиваемое в широких пределах, инфракрасное излучение. ИК излучение может быть также получено за счет преобразования частоты в нелинейных кристаллах.

Инфракрасные волны используются в телекоммуникациях (0,75 – 1,8 мкм), для обработки материалов (резка, “сверление” и т.д.) (1 – 10 мкм), термографии (0,9 – 14 мкм), для дистанционного управления бытовой техникой (телевизоры, видео магнитофоны), в физиотерапии для прогрева травмированных участков тела, для связи на коротких дистанциях, в приборах ночного видения, в чувствительных к теплу детекторах боеголовок снарядов и ракет (3 – 5 мкм), в охранных системах домов, устройствах ночного видения, спектроскопии.

Видимый диапазон

Один из наиболее важных для человека диапазонов, связанных с возможностью видеть окружающий мир. Он занимает сравнительно небольшой участок электромагнитного спектра 380 – 730 нм.

Они

• Легко проходят атмосферу.
• Единственные эдектромагнитные волны, которые могут быть обнаружены человеческим глазом.
• Поглощаются за счет возбуждения электронов в молекулах и атомах, межзонных переходов в полупроводниках.
• Естественные источники: солнце, молнии. Искусственные: лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды, лазеры на красителях, газовые ионные, твердотельные и полупроводниковые лазеры.
• Имеют неизмеримое количество приложений.

Волны с разной длиной имеют свой цвет. Цветовая гамма состоит из бесконечного количества цветовых оттенков, но принято именовать 7 основных цветов. Красный (625—740), оранжевый (590—625), желтый (565—590), зеленый (500—565), голубой (485—500), синий (440—485), фиолетовый (380—440).

Среди лазеров и источников с их применением, излучающих в видимом диапазоне, можно назвать следующие: первый запущенный лазер, — рубиновый, с длиной волны 694,3 нм, диодные лазеры, к примеру на основе GaInP и AlGaInP для красного диапазона, и на основе GaN для синего диапазона, титан-сапфировый лазер, He-Ne лазер, лазеры на ионах аргона и криптона, лазер на парах меди, лазеры на красителях, лазеры с удвоением или суммированием частоты в нелинейных средах, рамановские лаэеры. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Долгое время существовала проблема в создании компактных лазеров в сине-зеленой части спектра. Имелись газовые лазеры, такие как аргоновый ионный лазер (с 1964 года), у которого две основные линии генерации лежат в синей и зеленой части спектра (488 и 514 нм) или гелий кадмиевый лазер. Однако для многих приложений они не годились из-за своей громоздкости и ограниченного количества линий генерации. Создать полупроводниковые лазеры с широкой запрещенной зоной не удавалось из-за огромных технологических трудностей. Однако в конечном итоге были разработаны эффективные методы удвоения и утроения частоты твердотельных лазеров ИК и оптического диапазона в нелинейных кристаллах, полупроводниковые лазеры на основе двойных соединений GaN и лазеров с повышением частоты накачки (upconversion lasers).

Источники света в сине зеленой области позволяют увеличить плотность записи на CD-ROM, качество репрографии, необходимы для создания полноцветных проекторов, для осуществления связи с подводными лодками, для снятия рельефа морского дна, для лазерного охлаждения отдельных атомов и ионов, для контроля за осаждением из газа (vapor deposition), в проточной цитометрии. (взято из “Compact blue-green lasers” by W. P. Risk et al).

Ультрафиолетовый диапазон

Считается, что ультрафиолетовый диапазон занимает область от 10 до 380 нм. Хотя границы его четко не определены, особенно в коротковолновой области. Он делится на поддиапазоны и это деление также не является однозначным, так как в разных источниках привязано к различным физическим и биологическим процессам.

Так на сайте "Health Physics Society" ультрафиолетовый диапазон определен в границах 40 — 400 нм и делится на пять поддиапазонов: вакуумный УФ (40-190 нм), дальний УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), и UVA (320-400 нм) (черный свет). В англоязычной версии статьи об ультрафиолете в Википедии "Ultraviolet" под ультрафиолетовое излучение выделяется диапазон 40 — 400 нм, однако в таблице в тексте представляется его деление на кучу перекрывающихся поддиапазонов, начиная с 10 нм. В русскоязычной версии Википедии "Ультрафиолетовое излучение" с самого начала границы УФ диапазона устанавливаются в пределах 10 — 400нм. Кроме того в Википедии для диапазонов UVC, UVB и UVA указаны области 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение несмотря на свое благотворное влияние в небольших количествах на биологические объекты является одновременно самым опасным из всех других естественных широкораспространенных излучений других диапазонов.

Основным естественным источником УФ излучения является Солнце. Однако не все излучение достигает Земли, так как поглощается озоновым слоем стратосферы и в области короче 200 нм очень сильно атмосферным кислородом.

UVC практически полностью поглощается атмосферой и не достигает земной поверхности. Этот диапазон используется бактерицидными лампами. Чрезмерная экспозиция приводит к повреждению роговицы и снежной слепоте, а также к тяжелым ожогам лица.

UVB наиболее разрушительная часть УФ излучения, так как она имеет достаточно энергии для повреждения ДНК. Она не полностью поглощается атмосферой (проходит около 2%). Это излучение необходимо для выработки (синтеза) витамина D, однако вредное влияние могут повлечь ожоги, катаракту и рак кожи. Эта часть излучения поглощается озоном атмосферы, снижение концентрации которого вызывает беспокойство.

UVA практически полностью достигает Земли (99%). Оно ответственно за загар, но чрезмерность приводит к ожогам. Как и UVB оно необходимо для синтеза витамина D. Облучение сверх меры приводит к подавлению иммунной системы, жесткости кожи и образованию катаракты. Излучение в этом диапазоне называют еще черным светом. Насекомые и птицы способны видеть этот свет.

На рисунке ниже для примера показана зависимость концентрации озона по высоте на северных широтах (желтая кривая) и уровень блокирования озоном солнечного ультрафиолета. UVC полностью поглощается до высот в 35 км. В то же время UVA почти полностью достигает поверхности Земли, однако это излучение практически не представляет какой-либо опасности. Озон задерживает большую часть UVB, однако некоторая его часть достигает Земли. В случае истощения озонового слоя большая часть будет облучать поверхность и приводить к генетическому повреждению живых существ.

Краткий список использования электромагнитных волн УФ диапазона.

• Фотолитография высокого качеста для изготовления электронных устройств таких, как микропроцессоры и микросхем памяти.
• При изготовлении оптоволоконных элементов, в частности брэгговских решеток.
• Обеззараживание от микробов продуктов, воды, воздуха, предметов (UVC).
• Черный свет (UVA) в криминалистике, в экспертизе произведений искусства, в установлении подлинности банкнот (явление флуоресценции).
• Искусственный загар.
• Лазерная гравировка.
• Дерматология.
• Стоматология (фотополимеризация пломб).

Рукотворными источниками ультрафиолетового излучения являются:

Немонохроматические: Ртутные газоразрядные лампы различных давлений и конструкций.

Монохроматические:

1. Лазерные диоды, в основном на базе GaN, (небольшой мощности), генерирующие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне;
2. Эксимерные лазеры являются очень мощными источниками ультрафиолетового излучения. Они излучают наносекундные (пикосекундные и микросекундные) импульсы со средней мощностью от нескольких ватт до сотен ватт. Типичные длины волн лежат между 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
3. Некоторые твердотельные лазеры, легированные церием, такие как Ce3+:LiCAF или Ce3+:LiLuF4, которые работают в импульсном режиме с наносекундными импульсами;
4. Некоторые оптоволоконные лазеры, к примеру, легированные неодимом;
5. Некоторые лазеры на красителях способны излучать ультрафиолет;
6. Ионный аргоновый лазер, который, несмотря на то, что основные линии лежат в оптическом диапазоне, может генерировать непрерывное излучение с длинами волн 334 и 351 нм, но с меньшей мощностью;
7. Азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм. Очень простой и дешевый лазер, работает в импульсном режиме с наносекундной длительностью импульсов и с пиковой мощностью несколько мегаватт;
8. Утроенние частоты Nd:YAG лазера в нелинейных кристаллах;

Спектр электромагнитных волн – это весь диапазон частот или длин вол электромагнитного поля, которое существует в природе. Этот спектр достаточно широк, поэтому его, для удобства классификации и работы с ним, разделяют на несколько диапазонов.

Все диапазоны электромагнитных вол по мере возрастания их частоты или длины волны располагают на так называемой «шкале электромагнитных волн». На этой шкале размещены (в порядке возрастания частоты) следующие диапазоны:

1. Низкочастотные электромагнитные волны (от нескольких Гц до 100 кГц).
2. Радиоволны (от 100 кГц до 300 ГГц).
3. Инфракрасное излучение (от 300 ГГц до 400 тыс. ГГц).
4. Видимый свет (от 400 до 800 тыс. ГГц).
5. Ультрафиолетовое излучение (от 800 тыс. ГГц до 30 млн. ГГц).
6. Рентгеновское излучение.
7. Гамма излучение.

Рассмотрим более подробно каждый из этих диапазонов.

Низкочастотные электромагнитные волны – это самый низкий диапазон спектра. Именно в этом диапазоне работает большинство электронных приборов. Дело в том, что с низкочастотным диапазоном легче всего работать и им легче всего управлять.

Радиоволны идут следующим диапазоном в спектре. Как мы знаем, с помощью радиоволн работают практически все беспроводные системы и устройства для передачи информации. В свою очередь радиоволны разделяются на несколько поддиапазонов: длинные, средние, короткие, ультракороткие и сверхвысокочастотные (СВЧ).

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение входят в так называемый «оптический диапазон» или оптический спектр. Этот диапазон находится в промежутке частот между 3·10 11 до 3·10 16 Гц. Оптический спектр также широко используется в системах передачи информации, но кроме этого еще и в системах отображения визуальной информации: дисплеях, мониторах, информационных табло и т.д.

Рентгеновское излучение возникает в результате различных процессов, возникающих в электронной оболочке атомов различных веществ. Например, при резком торможении быстрых заряженных частиц: электронов, протонов и других. Используется в основном в медицине.

Гамма излучение, также как и рентгеновское генерируется внутри ядер, правда не в результате торможения частиц, а в процессе реакции их деления. Используется, а точнее является следствием использования радиоактивных материалов в энергетике.

Основной характеристикой электромагнитного спектра представляющего совокупность диапазонов частот является волновой процесс. В результате электромагнитный спектр можно определить по его длине волны и частоте.

Человек может видеть свет в определенном диапазоне длин колебаний и частот. Этот диапазон называется видимым спектром. Частотный диапазон видимого спектра составляет от 405 терагерц до 790 терагерц.

Типы волн и электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр включает широкий спектр волн, который люди не могут видеть. Невидимые типы волн представляют радиоволны, инфракрасные и рентгеновские лучи. Эти типы колебаний широко применяются в различных областях науки и техники.

Если бы у человека глаза были как у гремучей змеи или совы он мог бы хорошо видеть ночью. Для того чтобы помочь пилотам увидеть в темноте или при плохой погоде в кабине устанавливается радар, обнаруживающий отражение радиоволн. И если бы глаза человека были чувствительны как лучи рентгеновской камеры люди могли бы даже видеть через органы или здания!

В видимом спектре цвет света зависит от частоты. Видимый спектр представляет сложную комбинацию состоящую из многих длин. Если пропустить видимый спектр через призму создастся «радуга» путем перенаправления каждой длины волны под несколько иным углом. Порядок цветов красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго (темно синий) и фиолетовый.

Цвета света

Что мы видим, когда наблюдаем отраженный свет от объекта. Когда свет попадает на объект несколько длин колебаний поглощаются этим объектом, а некоторые отражаются. Свет различных длин волн выглядит как разные цвета. Когда мы видим объект определенного цвета, что означает, что свет этого цвета отражается от объекта. Например, когда вы видите красную рубашку, рубашка поглощает все цвета света, за исключением красного. Частота света, который мы видим, является отражение красного и мы видим эту рубашку как красную.

Черный и белый немного отличается от других цветов. Белый – это сочетание всех цветов, поэтому когда мы видим белый, объект отражает все цвета света. Черный является противоположностью. Когда мы видим черный объект, то это означает, что почти все цвета света поглощаются.

Аддитивные цвета

Аддитивность –целое значение величины равно сумме значений его составный частей.

Аддитивные основные цвета могут быть объединены, чтобы сделать любой другой цвет. Это три цвета красный, синий и зеленый. Этот факт используется все время в технологиях, таких как компьютерные экраны и телевизоры. Объединяя только три основных вида света различными способами, можно сделать любой цвет.

Субтрактивные цвета

Субтрактивный – вычитание из равномерного белого составляющих.

Если есть белый свет и хотите вычесть цвета, чтобы получить любой другой цвет, то необходимо использовать основные субтрактивные цвета для фильтрации или удаления света определенных цветов. Первичные субтрактивные цвета — голубой, пурпурный и желтый.

Что такое электромагнитное излучение?

Световые волны и другие виды энергии, которые излучаются вызывают электромагнитное излучение. Вместе они составляют то, что называется электромагнитный спектр. Наши глаза могут видеть только ограниченную часть электромагнитного спектра — красочные радуги мы видим в солнечный, но дождливый день, когда невероятно узкая часть электромагнитного излучения преломляется в капельках дождя. Это энергия видимого света, и как радиоволны и все остальное состоит из электромагнитных волн.

Свет, который видят люди тянется в спектре от красного (самая низкая частота и большая длина волны, которую глаза могут зарегистрировать) далее оранжевый, желтый, зеленый, синий и индиго (темно синий) и фиолетовый.

Как электромагнитная волна двигается

Если бы мы могли заглянуть внутрь светового луча (или других электромагнитных волн), что можно увидеть: электрическая волна вибрирует в одном направлении, а магнитная вибрирует в перпендикулярном. Две волны вибрируют в идеальной зависимости, перпендикулярном направлении путешествуете всегда вместе.

С XIX века ученые понимают, что электричество и магнетизм являются равноправными партнерами, которые работают вместе, близко во все времена.

Какие виды энергии составляют электромагнитный спектр?

Другие виды электромагнитного излучения, которые испускают объекты

• Радиоволны: если бы наши глаза могут видеть радиоволны, мы бы могли (в теории) смотреть ТВ программы просто глядя на небо! Длина радиоволны: 30 см – 500 м. Радиоволны охватывают огромную полосу частот варьируемой от десятков сантиметров высокой частоты до сотен метров в низкочастотном диапазоне. Электромагнитная волна больше, чем СВЧ радиоволна микроволновой печи.
• СВЧ: такие радиоволны используются не только для приготовления пищи в микроволновой печи, но и для передачи информации в радиолокационной технике. Типичный размер: 15 см (длина карандаша).
• Инфракрасное: просто с частотой немного короче чем красный цвет. Есть своего рода невидимый «горячий свет» называемый ИК. Хотя мы не можем видеть излучение, мы можем почувствовать путем потепления кожи, когда он попадает на наше лицо – это то, что мы думаем как излучаемое тепло. Если бы глаза человека были бы как у гремучих змей человек бы видел инфракрасное излучение, как линзы ночного видения, встроенные в наших головах. Типичная длина колебания: 0,01 мм
• Видимый спектр о котором пояснено выше.
• Ультрафиолетовое: это выше частоты фиолетового света, который наши глаза могут обнаружить. Солнце передает мощное ультрафиолетовое излучение, которое человек не может видеть. Вот почему человек получает загар, даже когда плавает в море или в пасмурные дни. Вот почему так важен солнцезащитный крем. Типичная длина колебания: 500 Нм (как большая бактерия).
• Рентгеновские лучи: очень полезный тип высокочастотных волн, широко используются в медицине и безопасности. Типичный размер: 0,1 Нм (ширина атома).
• Гамма лучи: излучаются радиоактивными веществами и опасны для жизни. Типичный размер: 0,02 Нм (ядро атома).