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📜  电磁频谱

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:36.225000             🧑  作者: Mango

电磁频谱

太阳是我们星球的主要能源，它的能量以电磁辐射的形式传播。电磁能以具有一定频率或波长范围的电场和磁场波的形式以光速穿过空间。

电磁波

通常，带电粒子会产生电场。该电场对其他带电粒子施加推力。正电荷在场的方向上加速，而负电荷在场的相反方向上加速。一个行进的带电粒子产生磁场。该磁场对其他运动粒子施加推动。因为作用在这些电荷上的力总是垂直于它们的运动，所以它只影响速度的方向，而不影响速度。结果，高速带电粒子产生电磁场。电磁波只不过是以光速 c 穿过开放空间的电场和磁场。

当一个带电粒子围绕一个平衡位置振荡时，就说它正在加速。如果带电粒子的振荡频率为 f，它会产生频率为 f 的电磁波。该波的波长可以使用以下公式计算：

λ = c/f

电磁波是一种在太空中发生的能量转移。

电磁波的表示

电磁频谱

电磁波谱是电磁波频率、波长和光子能量的集合，范围从 1Hz 到 10 25 Hz，相当于从几百公里到小于原子核大小的波长。因此，电磁频谱基本可以描述为所有类型电磁辐射的范围。在真空中，所有电磁波都以与光相同的速度传播。然而，对于不同形式的电磁波，波长、频率和光子能量会有所不同。

电磁波谱中的电磁波

无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线辐射、X 射线、伽马射线和宇宙射线按频率递减顺序和波长递增顺序构成整个范围（电磁频谱）。

  1. 无线电波
    • 带电粒子在导线上的快速传播会导致这些波。
    • 广播、电视和电信信号通过它们传输。
    • 这些波的频率范围约为 3kHz 至 300MHz。
    • 在超高频 (UHF) 频带中，蜂窝电话使用无线电波来传送语音通信。
    • 无线电接收无线电台广播的无线电波。无线电波可以由太空中的气体和恒星发射。大多数无线电波用于电视和移动通信。
  2. 微波炉
    • 微波是一种频率为几千兆赫 (GHz) 的电磁辐射。
    • 速调管、磁控管和耿氏二极管是生产它们的独特真空管。
    • 微波由于其短波长而常用于航空导航。
    • 这些射线用于微波，有助于在家中和办公室加热饭菜。天文学家也用它来弄清楚和了解周围星系和恒星的结构。
  3. 红外线
    • 红外线是由热的物体和分子产生的，因此被称为热波。
    • 红外线靠近可见光谱的低频或长波长端。
    • 这些射线引起的温室效应对于维持全球变暖和平均温度至关重要。
    • 二氧化碳和水蒸气等温室气体将这些辐射捕获在地球大气中。
    • 夜视镜利用这些辐射。这些设备可以读取和捕捉黑暗中物体产生的红外光。红外光用于追踪太空中的星际尘埃。红外辐射由电子设备发射，通常用于各种家用电器的遥控开关。
  4. 可见光线
    • 可见射线是可以用肉眼看到的电磁波。它们是最常见的电磁波类型。
    • 这些可以在 4×10 14 Hz–7×10 14 Hz 的频率范围或 400nm–700nm 的波长范围内找到。
    • 从我们周围的物体反射或释放的可见光线帮助我们看世界，不同的生物可见辐射的范围是不同的。
    • 在电磁光谱的可见区域发光的设备包括灯泡、灯、蜡烛、LED、管灯等。
  5. 紫外线
    • 虽然太阳是地球上紫外线辐射的主要来源，但臭氧层在到达大气之前吸收了大部分紫外线能量。
    • 紫外线辐射的波长为 400nm–1nm。
    • 这些辐射是由特殊的灯和极热的物体发出的，大量辐射会对人体造成重大伤害。它会使皮肤晒黑并造成灼伤。
    • 由于这些辐射可能会聚焦在微小的光束上，因此它们可用于高精度应用，例如 LASIK 或基于激光的眼科手术。
    • 紫外线灯用于净水器以消除水中可能存在的微生物。
    • 在使用紫外线焊接电弧时，焊工使用特殊的护目镜来保护他们的眼睛。
  6. X 射线
    • 这种电磁辐射存在于电磁光谱的紫外线 (UV) 区域之外，在医学领域非常有价值。
    • X 射线辐射的波长范围为 1nm– 10–3 nm。
    • 通过用高能电子轰击金属靶，可以产生 X 射线。
    • X 射线是一种医学诊断技术，对治疗某些类型的癌症非常有帮助。为了找到问题的根源，医生使用 X 射线扫描仪扫描我们的骨骼或牙齿。过度暴露在 X 射线下会对生物体的健康组织造成伤害或死亡。因此，在处理 X 射线时必须格外小心。
    • 在机场检查站，安检人员利用它来检查乘客的行李。宇宙中的加热气体也会发出 X 射线。
  7. 伽马射线
    • 宇宙是最大的伽马射线发生器。
    • 这些射线位于电磁波谱的高频区域。
    • 伽马射线的波长范围为 10 –12 m 至 10 –14 m。
    • 放射性核释放高频辐射，这也是在核过程中产生的。
    • 伽马射线具有广泛的医学应用，包括破坏癌细胞。伽马射线成像是医生用来检查患者身体内部的一种技术。

Types of Radiation

Frequency range (Hz)

Wavelength Range

Gamma-rays

1020-1024

<10-12 m

X-rays

1017-1020

1 nm – 1 pm

Ultraviolet rays 

1015-1017

400 nm – 1 nm

Visible rays

4 x 1014 – 7.5 x 1014

750 nm – 400 nm

Near-infrared 

1 x 1014 – 4 x 1014

2.5 μm – 750 nm 

Infrared rays

1013 – 1014

25 μm – 2.5 μm

Microwaves

3 x 1011 – 1013

11 mm – 25 μm

Radio waves

< 3x 1011

>1 mm

光谱学

当一束光线穿过物质时，它会被散射。它与给定物质的原子和分子相互作用，这些原子根据它们的共振频率与相似频率的光波相互作用。当光线与处于激发态的原子碰撞时，会释放出某些独特的频率，从而产生线谱。该谱线由一组不连续的发射谱线组成。产生的光的波长是分开的。当具有连续波长的光通过低密度材料时，会产生吸收光谱。具有类似于光波的特征频率的原子和分子将被吸收，从而导致缺少几条线的连续光谱。

电磁频谱的应用

全电磁波谱的存在最初由麦克斯韦证明。他的数学表明，电磁辐射可能有无数种频率。电磁频谱是各种辐射的基于频率和波长的组织。以下是 EM 频谱应用的一些示例：

  1. 赫兹是第一个发现无线电波和微波的人。无线电视和广播，以及移动通信，都是这些波的结果。
  2. 紫外线辐射可用于原子的电离，这有助于引发许多化学反应。
  3. 伽马射线是由保罗·维拉德发现的。这些用于核医学和电离实验的发展。
  4. X射线是伦琴发明的。这些用于发现骨骼和牙齿的问题以及异常情况。
  5. 电磁光谱的可见光部分使我们能够看到我们周围的世界。这部分电磁频谱有助于感知所有物体，包括颜色。

示例问题

问题一：什么是电磁波？

回答：

问题 2：能量为 6.626 x 10 -19 J 的 EM 波的频率和波长是多少？

回答：

问题3：什么是光谱仪？

回答：