Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Reihe aller möglichen Frequenzen der elektromagnetischen Radiation. Das "elektromagnetische Spektrum" eines Gegenstands ist der charakteristische Vertrieb der elektromagnetischen Radiation, die ausgestrahlt oder von diesem besonderen Gegenstand gefesselt ist.

Das elektromagnetische Spektrum erweitert von niedrigen Frequenzen, die für die moderne Radiokommunikation an die Gammastrahlung an der kurzen Wellenlänge (hochfrequenz)-Ende verwendet sind, dadurch Wellenlängen von Tausenden von Kilometern unten zu einem Bruchteil der Größe eines Atoms bedeckend. Es ist aus diesem Grund, dass das elektromagnetische Spektrum zu spektroskopischen Zwecken hoch studiert wird, Sache zu charakterisieren. Die Grenze für die lange Wellenlänge ist die Größe des Weltalls selbst, während es gedacht wird, dass die kurze Wellenlänge-Grenze in der Nähe von der Länge von Planck ist, obwohl im Prinzip das Spektrum unendlich und dauernd ist.

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Geschichte

Für den grössten Teil der Geschichte war Licht der einzige bekannte Teil des elektromagnetischen Spektrums. Die alten Griechen haben anerkannt, dass Licht in Geraden gereist ist und einige der Eigenschaften davon, einschließlich des Nachdenkens und der Brechung studiert hat. Im Laufe der Jahre hat die Studie des Lichtes weitergegangen, und während der 16. und 17. Jahrhunderte dort kollidierten Theorien, die Licht entweder als eine Welle oder als eine Partikel betrachtet haben. Es wurde zuerst mit dem Elektromagnetismus 1845 verbunden, als Michael Faraday bemerkt hat, dass Licht auf ein magnetisches Feld geantwortet hat. Die erste Entdeckung von elektromagnetischen Wellen außer dem Licht ist 1800 gekommen, als William Herschel Infrarotlicht entdeckt hat. Er studierte die Temperatur von verschiedenen Farben, indem er ein Thermometer durch das durch ein Prisma gespaltene Licht bewegt hat. Er hat bemerkt, dass die heißeste Temperatur außer dem Rot war. Er hat theoretisiert, dass es 'Licht' gab, das Sie nicht sehen konnten. Im nächsten Jahr hat Johann Ritter am anderen Ende des Spektrums gearbeitet und hat bemerkt, dass es 'chemische Strahlen' gab, die sich ähnlich dem benommen haben, aber darüber hinaus, sichtbare violette leichte Strahlen waren. Sie waren später umbenannte Ultraviolettstrahlung. Während der 1860er Jahre studierte James Maxwell elektromagnetisches Feld und hat begriffen, dass sie um die Geschwindigkeit des Lichtes gereist sind. Er hat vier teilweise Differenzialgleichungen entwickelt, um diese Korrelation zu erklären. Diese Gleichungen haben viele Frequenzen von elektromagnetischen Wellen vorausgesagt, die mit der Geschwindigkeit des Lichtes reisen. Versuchend, die Gleichungen von Maxwell 1886 zu beweisen, hat Heinrich Hertz einen Apparat gebaut, um Funkwellen zu erzeugen und zu entdecken. Er ist im Stande gewesen zu bemerken, dass sie mit der Geschwindigkeit des Lichtes gereist sind und sowohl widerspiegelt und gebrochen werden konnten. In einem späteren Experiment hat er ähnlich erzeugt und hat Mikrowellen gemessen. Diese neuen Wellen haben für Erfindungen wie der Radiotelegraf und das Radio den Weg geebnet. 1895 hat Wilhelm Röntgen einen neuen Typ der während eines Experimentes ausgestrahlten Radiation bemerkt. Er hat diese Röntgenstrahlen genannt und hat gefunden, dass sie im Stande gewesen sind, durch Teile des menschlichen Körpers zu reisen, aber durch die dichtere Sache wie Knochen widerspiegelt wurden. In Kürze wurde vieler Gebrauch für sie im Feld der Medizin gefunden. Der letzte Teil des elektromagnetischen Spektrums wurde mit der Entdeckung der Gammastrahlung ausgefüllt. 1900 studierte Paul Villard Radioaktivität. Er der erste Gedanke waren sie Partikeln, die dem Alpha und den Beta-Partikeln ähnlich sind. Jedoch 1910 hat Ernest Rutherford ihre Wellenlängen gemessen und hat gefunden, dass sie elektromagnetische Wellen waren.

Reihe des Spektrums

Elektromagnetische Wellen werden normalerweise durch einige der folgenden drei physikalischen Eigenschaften beschrieben: die Frequenz f, Wellenlänge λ, oder Foton-Energie E. Frequenzen erstrecken sich von (1 Gammastrahlung von GeV) unten zur lokalen Plasmafrequenz des ionisierten interstellaren Mediums (~1 Kilohertz). Wellenlänge ist zur Welle-Frequenz umgekehrt proportional, so hat Gammastrahlung sehr kurze Wellenlängen, die Bruchteile der Größe von Atomen sind, wohingegen Wellenlängen so lange das Weltall sein können. Foton-Energie ist zur Welle-Frequenz direkt proportional, so hat Gammastrahlung die höchste Energie (ungefähr eine Milliarde Elektronvolt) und Funkwellen sehr niedrige Energie (ringsherum femto Elektronvolt) haben. Diese Beziehungen werden durch die folgenden Gleichungen illustriert:

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Wann auch immer elektromagnetische Wellen in einem Medium mit der Sache bestehen, wird ihre Wellenlänge vermindert. Wellenlängen der elektromagnetischen Radiation, egal was Medium sie durch reisen, werden gewöhnlich in Bezug auf die Vakuumwellenlänge angesetzt, obwohl das nicht immer ausführlich festgesetzt wird.

Allgemein wird EM Radiation durch die Wellenlänge in die Funkwelle, Mikrowelle, terahertz (oder Submillimeter) Radiation, infrarot, das sichtbare Gebiet klassifiziert, das wir als leichter, ultraviolettes, Röntgenstrahlen und Gammastrahlung wahrnehmen. Das Verhalten der EM Radiation hängt von seiner Wellenlänge ab. Wenn EM Radiation mit einzelnen Atomen und Molekülen aufeinander wirkt, hängt sein Verhalten auch vom Betrag der Energie pro Quant (Foton) ab es trägt.

Spektroskopie kann ein viel breiteres Gebiet des EM Spektrums entdecken als die sichtbare Reihe von 400 nm zu 700 nm. Ein allgemeines Laborspektroskop kann Wellenlängen von 2 nm bis 2500 nm entdecken. Die ausführliche Information über die physikalischen Eigenschaften von Gegenständen, Benzin oder sogar Sternen kann bei diesem Typ des Geräts erhalten werden. Spektroskope werden in der Astrophysik weit verwendet. Zum Beispiel strahlen viele Wasserstoffatome ein Funkwelle-Foton aus, das eine Wellenlänge von 21.12 Cm hat. Außerdem können Frequenzen von 30 Hz und unten dadurch erzeugt werden und sind in der Studie von bestimmten Sternnebelflecken und Frequenzen so hoch wichtig, wie von astrophysical Quellen entdeckt worden sind.

Grundprinzip

Elektromagnetische Radiation wirkt mit Sache unterschiedlich in verschiedenen Teilen des Spektrums aufeinander. Die Typen der Wechselwirkung können so verschieden sein, dass es scheint, gerechtfertigt zu werden, um sich auf verschiedene Typen der Radiation zu beziehen. Zur gleichen Zeit gibt es ein Kontinuum, das alle diese "verschiedenen Arten" der elektromagnetischen Radiation enthält. So beziehen wir uns auf ein Spektrum, aber zerteilen es gestützt auf den verschiedenen Wechselwirkungen mit der Sache.

Typen der Radiation

Die Typen der elektromagnetischen Radiation werden in die folgenden Klassen weit gehend eingeteilt:

  1. Gammastrahlung
  2. Röntgenstrahl-Radiation
  3. Ultraviolettstrahlung
  4. Sichtbare Radiation
  5. Infrarotradiation
  6. Mikrowellenradiation
  7. Funkwellen

Diese Klassifikation geht in die zunehmende Ordnung der Wellenlänge hinein, die für den Typ der Radiation charakteristisch ist.

Während im Allgemeinen das Klassifikationsschema ist in Wirklichkeit genau, es häufig ein Übergreifen zwischen benachbarten Typen der elektromagnetischen Energie gibt. Zum Beispiel können SLF Funkwellen an 60 Hz erhalten und von Astronomen studiert werden, oder können ducted entlang Leitungen als elektrische Macht sein, obwohl der Letztere, im strengen Sinn, nicht der elektromagnetischen Radiation überhaupt ist (sieh nahes und weites Feld)

Die Unterscheidung zwischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlung basiert auf Quellen: Gammastrahlung ist die Fotonen, die vom Kernzerfall oder anderen Kern- und Subkernprozess / Partikel-Prozess erzeugt sind, wohingegen Röntgenstrahlen durch elektronische Übergänge erzeugt werden, die mit hoch energischen inneren Atomelektronen verbunden sind. Im Allgemeinen sind Kernübergänge viel energischer als elektronische Übergänge, so ist Gammastrahlung energischer als Röntgenstrahlen, aber Ausnahmen bestehen. Analog zu elektronischen Übergängen, muonic Atom-Übergänge werden auch gesagt, Röntgenstrahlen zu erzeugen, wenn auch ihre Energie zu weit gehen kann, wohingegen es viele (77 bekannte gibt, um weniger zu sein, als) niedrige Energie Kernübergänge (z.B, der Kernübergang des Thoriums 229), und, trotz, eine Million fach weniger energisch zu sein, als einige muonic Röntgenstrahlen, werden die ausgestrahlten Fotonen noch Gammastrahlung wegen ihres Kernursprungs genannt.

Außerdem ist das Gebiet des Spektrums der besonderen elektromagnetischen Radiation Bezugsrahmenabhängiger (wegen der Verschiebung von Doppler für das Licht), so ist EM Radiation, die ein Beobachter sagen würde, in einem Gebiet des Spektrums, konnte einem Beobachter scheinen, der sich an einem wesentlichen Bruchteil der Geschwindigkeit des Lichtes in Bezug auf das erste bewegt, in einem anderen Teil des Spektrums zu sein. Denken Sie zum Beispiel den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Es wurde erzeugt, wenn Sache und Radiation decoupled, durch die De-Erregung von Wasserstoffatomen zum Boden festsetzen. Diese Fotonen waren von Reihe-Übergängen von Lyman, sie im ultravioletten (UV) Teil des elektromagnetischen Spektrums stellend. Jetzt hat diese Radiation genug kosmologische rote Verschiebung erlebt, um es ins Mikrowellengebiet des Spektrums für Beobachter zu stellen, die sich langsam (im Vergleich zur Geschwindigkeit des Lichtes) in Bezug auf das Weltall bewegen. Jedoch, für Partikeln, die sich in der Nähe von der Geschwindigkeit des Lichtes bewegen, wird diese Radiation in ihrem Rest-Rahmen blau ausgewechselt. Kosmische Strahl-Protone der höchsten Energie bewegen sich solch, dass, in ihrem Rest-Rahmen, diese Radiation blueshifted zur energiereichen Gammastrahlung ist, die mit dem Proton aufeinander wirkt, um gebundene Paare des Quark-Antiquarks (pions) zu erzeugen. Das ist die Quelle der GZK-Grenze.

Radiofrequenz

Funkwellen werden allgemein durch Antennen der passenden Größe (gemäß dem Grundsatz der Klangfülle) mit Wellenlängen im Intervall von Hunderten von Metern zu ungefähr einem Millimeter verwertet. Sie werden für die Übertragung von Daten über die Modulation verwendet. Fernsehen, Mobiltelefone, Radionetzwerkanschluss und Amateurradio alle Gebrauch-Funkwellen. Der Gebrauch des Radiospektrums wird von vielen Regierungen durch die Frequenzzuteilung geregelt.

Funkwellen können gemacht werden, Information durch das Verändern einer Kombination des Umfangs, der Frequenz und der Phase der Welle innerhalb eines Frequenzbandes zu tragen. Wenn EM Radiation auf einen Leiter stößt, paart sie sich dem Leiter, reist entlang ihm, und veranlasst einen elektrischen Strom auf der Oberfläche dieses Leiters durch das Aufregen die Elektronen des Leiten-Materials. Diese Wirkung (die Hautwirkung) wird in Antennen verwendet.

Mikrowellen

Die superhohe Frequenz (SHF) und äußerst hohe Frequenz (EHF) von Mikrowellen kommen nach Funkwellen. Mikrowellen sind Wellen, die normalerweise kurz genug sind, um röhrenförmige Metallwellenleiter des angemessenen Diameters zu verwenden. Mikrowellenenergie wird mit klystron und magnetron Tuben, und mit Dioden des festen Zustands wie Gunn und IMPATT Geräte erzeugt. Mikrowellen sind von Molekülen gefesselt, die einen Dipolmoment in Flüssigkeiten haben. In einem Mikrowellengerät wird diese Wirkung verwendet, um Essen zu heizen. Mikrowellenradiation der niedrigen Intensität wird in Wi-Fi verwendet, obwohl das an Intensitätsniveaus ist, die unfähig sind, Thermalheizung zu verursachen.

Volumetrische Heizung, wie verwendet, durch Mikrowellengeräte, überträgt Energie durch das Material elektromagnetisch, nicht als ein Thermalhitzefluss. Der Vorteil davon ist eine gleichförmigere Heizung und reduzierte Anwärmdauer; Mikrowellen können Material in weniger als 1 % der Zeit von herkömmlichen Heizungsmethoden heizen.

Wenn aktiv, ist das durchschnittliche Mikrowellengerät stark genug, um Einmischung an der nahen Reihe mit schlecht beschirmten elektromagnetischen Feldern wie diejenigen zu verursachen, die in beweglichen medizinischen Geräten und preiswerter Verbraucherelektronik gefunden sind.

Radiation von Terahertz

Radiation von Terahertz ist ein Gebiet des Spektrums zwischen weitem infrarot und Mikrowellen. Bis neulich wurde die Reihe selten studiert, und wenige Quellen haben für die Mikrowellenenergie am hohen Ende des Bandes bestanden (Submillimeter-Wellen oder so genannte terahertz Wellen), aber Anwendungen wie Bildaufbereitung und Kommunikationen erscheinen jetzt. Wissenschaftler achten auch, terahertz Technologie in den Streitkräften anzuwenden, wo Hochfrequenzwellen an feindlichen Truppen angeordnet werden könnten, ihre elektronische Ausrüstung untauglich zu machen.

Infrarotradiation

Der Infrarotteil des elektromagnetischen Spektrums bedeckt die Reihe von ungefähr 300 GHz (1 Mm) zu 400 THz (750 nm). Es kann in drei Teile geteilt werden:

  • Weit-infrarot, von 300 GHz (1 Mm) zu 30 THz (10 μm). Der niedrigere Teil dieser Reihe kann auch Mikrowellen genannt werden. Diese Radiation ist von so genannten Rotationsweisen in gasphasigen Molekülen, durch molekulare Bewegungen in Flüssigkeiten, und durch phonons in Festkörpern normalerweise gefesselt. Das Wasser in der Atmosphäre der Erde absorbiert so stark in dieser Reihe, dass es die tatsächlich undurchsichtige Atmosphäre macht. Jedoch gibt es bestimmte Wellenlangenbereiche ("Fenster") innerhalb der undurchsichtigen Reihe, die teilweise Übertragung erlauben, und für die Astronomie verwendet werden können. Der Wellenlangenbereich von etwa 200 μm bis zu einige Mm wird häufig "Submillimeter" in der Astronomie genannt, weit infrarot für Wellenlängen unter 200 μm vorbestellend.
  • Mitte infrarot, von 30 bis 120 THz (10 zu 2.5 μm). Heiße Gegenstände (Heizkörper des schwarzen Körpers) können stark in dieser Reihe ausstrahlen. Es ist von Molekülschwingungen gefesselt, wo die verschiedenen Atome in einem Molekül um ihre Gleichgewicht-Positionen vibrieren. Diese Reihe wird manchmal das Fingerabdruck-Gebiet genannt, da die Mitte Infrarotabsorptionsspektrum einer Zusammensetzung für diese Zusammensetzung sehr spezifisch ist.
  • Nah-infrarot, von 120 bis 400 THz (2,500 bis 750 nm). Physische Prozesse, die für diese Reihe wichtig sind, sind denjenigen für das sichtbare Licht ähnlich.

Sichtbare Radiation (Licht)

Über infrarot in der Frequenz kommt sichtbares Licht. Das ist die Reihe, in der die Sonne und anderen Sterne den grössten Teil ihrer Radiation und des Spektrums ausstrahlen, zu dem das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Sichtbares Licht (und Nah-Infrarotlicht) werden normalerweise absorbiert und durch Elektronen in Molekülen und Atomen ausgestrahlt, die sich von einem Energieniveau bis einen anderen bewegen. Das Licht, das wir mit unseren Augen sehen, ist wirklich ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Ein Regenbogen zeigt den optischen (sichtbaren) Teil des elektromagnetischen Spektrums; infrarot (wenn Sie es sehen konnten) würde gerade außer der roten Seite des Regenbogens mit dem ultravioletten Erscheinen gerade außer dem violetten Ende gelegen.

Die elektromagnetische Radiation mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 760 nm (790-400 terahertz) wird durch das menschliche Auge entdeckt und als sichtbares Licht wahrgenommen. Andere Wellenlängen, besonders fast infrarot (länger als 760 nm) und ultraviolett (kürzer als 380 nm) werden auch manchmal Licht besonders genannt, wenn die Sichtbarkeit Menschen nicht wichtig ist. Weißes Licht ist eine Kombination von Lichtern von verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Der Übergang weißen Lichtes durch ein Prisma teilt es in zu den mehreren Farben des Lichtes auf, das im sichtbaren Spektrum zwischen 400 nm und 780 nm beobachtet ist.

Wenn Radiation, die eine Frequenz im sichtbaren Gebiet des EM Spektrums hat, von einem Gegenstand, sagen wir, eine Schüssel der Frucht widerspiegelt, und dann unsere Augen schlägt, läuft das auf unsere Sehwahrnehmung der Szene hinaus. Das Sehsystem unseres Gehirns bearbeitet die Menge von widerspiegelten Frequenzen in verschiedene Schatten und Farbtöne, und dadurch "nicht völlig verstanden" psychophysical Phänomen, die meisten Menschen nehmen eine Schüssel der Frucht wahr.

An den meisten Wellenlängen, jedoch, wird die durch die elektromagnetische Radiation getragene Information durch menschliche Sinne nicht direkt entdeckt. Natürliche Quellen erzeugen EM Radiation über das Spektrum, und unsere Technologie kann auch eine breite Reihe von Wellenlängen manipulieren. Glasfaserleiter übersendet Licht, das, obwohl nicht notwendigerweise im sichtbaren Teil des Spektrums, Information tragen kann. Die Modulation ist dem ähnlich, das mit Funkwellen verwendet ist.

Ultraviolettes Licht

Als nächstes in der Frequenz kommt ultraviolett (UV). Die Wellenlänge von UV Strahlen ist kürzer als das violette Ende des sichtbaren Spektrums, aber länger als der Röntgenstrahl.

UV in der sehr kürzesten Reihe (folgend zu Röntgenstrahlen) ist cabable sogar in Ionen zerfallender Atome (sieh fotoelektrische Wirkung), außerordentlich ihr physisches Verhalten ändernd.

An der mittleren Reihe von UV können UV Strahlen nicht ionisieren, aber können chemische Obligationen brechen, Moleküle machend, um ungewöhnlich reaktiv zu sein. Sonnenbrand wird zum Beispiel durch die störenden Effekten der mittleren Reihe UV Radiation auf Hautzellen verursacht, die die Hauptursache des Hautkrebses ist. UV Strahlen in der mittleren Reihe können die komplizierten DNA-Moleküle in den Zellen nicht wiedergutzumachend beschädigen, die thymine dimers das Bilden davon ein sehr starker mutagen erzeugen.

Die Sonne strahlt einen großen Betrag der UV Radiation aus, die die Landoberfläche der Erde in eine unfruchtbare Wüste potenziell verwandeln konnte (obwohl Ozeanwasser etwas Schutz für das Leben dort zur Verfügung stellen würde). Jedoch sind die meisten am meisten zerstörenden UV Wellenlängen der Sonne vom Stickstoff der Atmosphäre, Sauerstoff und Ozon-Schicht gefesselt, bevor sie die Oberfläche wiederschmerzen. Die höheren Reihen von UV (Vakuum-UV) sind vom Stickstoff gefesselt und (an längeren Wellenlängen durch einfachen diatomic Sauerstoff in der Luft. Die meisten UV darin des mittleren Bereichs werden durch die Ozon-Schicht blockiert, die stark in der wichtigen 200-315 Nm-Reihe absorbiert, deren niedrigerer Teil zu lang ist, um von gewöhnlichem dioxygen (Sauerstoff) in Luft gefesselt zu sein.

Die Reihe zwischen 315 nm und visibile Licht (hat UV-A genannt), wird gut durch die Atmosphäre nicht blockiert, aber verursacht Sonnenbrand nicht und richtet weniger biologischen Schaden an. Jedoch ist es nicht harmlos und verursacht wirklich Sauerstoff-Radikale, Veränderung und Hautschaden. Sieh ultraviolett für mehr Information.

Röntgenstrahlen

Nachdem UV Röntgenstrahlen kommen, die, wie die oberen Reihen von UV auch in Ionen zerfallen. Jedoch, wegen ihrer höheren Energien, können Röntgenstrahlen auch mit Sache mittels der Wirkung von Compton aufeinander wirken. Harte Röntgenstrahlen haben kürzere Wellenlängen als weiche Röntgenstrahlen. Da sie die meisten Substanzen durchführen können, können Röntgenstrahlen verwendet werden, um durch' Gegenstände, der bemerkenswerteste Gebrauch 'zu sehen, der diagnostische Röntgenstrahl-Images in der Medizin (ein Prozess ist, der als Röntgenografie bekannt ist), sowie für die energiereiche Physik und Astronomie. Neutronensterne und Akkretionsplatten um schwarze Löcher strahlen Röntgenstrahlen aus, die uns ermöglichen, sie zu studieren. Röntgenstrahlen werden durch Sterne abgegeben und werden durch einige Typen von Nebelflecken stark ausgestrahlt.

Gammastrahlung

Nachdem harte Röntgenstrahlen Gammastrahlung kommen, die von Paul Villard 1900 entdeckt wurde. Das sind die energischsten Fotonen, nicht niedrigere Grenze zu ihrer Wellenlänge definierend. Sie sind für Astronomen in der Studie von energiereichen Gegenständen oder Gebieten nützlich, und finden einen Gebrauch mit Physikern dank ihrer Eindringungsfähigkeit und ihrer Produktion von Radioisotopen. Gammastrahlung wird auch für das Ausstrahlen des Essens und Samens für die Sterilisation verwendet, und in der Medizin werden sie in der Strahlenkrebs-Therapie und einigen Arten der diagnostischen Bildaufbereitung wie LIEBLINGS-Ansehen verwendet. Die Wellenlänge der Gammastrahlung kann mit der hohen Genauigkeit mittels Comptons gemessen werden, der sich zerstreut.

Bemerken Sie, dass es keine genau definierten Grenzen zwischen den Bändern des elektromagnetischen Spektrums gibt. Die Radiation von einigen Typen hat eine Mischung der Eigenschaften von denjenigen in zwei Gebieten des Spektrums. Zum Beispiel ähnelt roter Licht Infrarotradiation, in der er einige chemische Obligationen mitschwingen kann.

Siehe auch

Links


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