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波譜值域

 電磁輻射分類： γ =伽馬射線X射線： HX = 硬X射線 SX = 軟X射線紫外線： EUV = 極端紫外線 NUV = 近紫外線紅外線： NIR = 近紅外線 MIR =中紅外線 FIR =遠紅外線微波： EHF =極高頻 SHF =超高頻 UHF =特高頻無線電波： VHF =甚高頻 HF =高頻 MF =中頻 LF =低頻 VLF =甚低頻 ULF =特低頻 ELF =極低頻

電磁波通常以頻率、波長或光子能量，這三種物理量之中的任意一種物理量來描述。它們彼此之間的關(guān)系，以方程表達為

其中， f {\displaystyle f\,\!} 是頻率， λ λ --> {\displaystyle \lambda \,\!} 是波長， E {\displaystyle E\,\!} 是光子能量， c {\displaystyle c\,\!} 是真空的光速， h {\displaystyle h\,\!} 是普朗克常數(shù) 。

波長與頻率成反比，波長越長，頻率越低；反之，頻率越高，波長越短，其乘積是一個常數(shù)即光速 c {\displaystyle c\,\!} 。另外電磁波的能量與頻率成正比，系數(shù)為普朗克常數(shù) h {\displaystyle h\,\!} 。即頻率越高，波長越短，能量越大。

按照波長長短，從長波開始，電磁波可以分類為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等等。電磁波的物理行為與其波長有關(guān)。人類眼睛可以觀測到波長大約在400奈米和700 奈米之間的電磁輻射，稱為可見光。在光譜學(xué)里，各種各樣的光譜儀可以偵測到的電磁波波長的值域，比可見光的波長值域還要寬廣很多。普通實驗使用的光譜儀可以測量從2奈米到2500奈米波長的電磁波。使用這種儀器，可以得知物體、氣體或甚至恒星的詳細波譜數(shù)據(jù)。這是天文物理學(xué)的必備儀器。例如，因為超精細分裂（ hyperfine splitting ），氫原子會發(fā)射波長為21.12公分的無線電波 。某些星云會產(chǎn)生頻率大約為或低于30赫茲的電磁波 。對于星云物理行為的研究，這是很重要的實驗對象。在波譜的另一端，從天文星源發(fā)射出來，頻率高過2.9×10 赫茲的電磁波也曾經(jīng)被偵測到過 。

簡介

在波譜的不同譜域，電磁輻射與物質(zhì)相互作用的機制也會大不相同，因此，稱呼這些為不同種類的電磁輻射是情有可原的。同時，電磁輻射是連續(xù)不斷地，包括了所有這些不同種類的電磁輻射。所以，電磁波譜指的是電磁波獨一無二的波譜，但是，按照電磁輻射與物質(zhì)相互作用的不同機制，可以分為很多種類。

電磁輻射種類

  電磁波譜

X射線與伽馬射線之間主要是根據(jù)發(fā)射源來區(qū)分：伽馬射線是由核衰變或其它種核子過程或次核粒子（ subnuclear particle ）／粒子過程所產(chǎn)生的光子，而X射線則是由原子內(nèi)部的高能量電子的躍遷所產(chǎn)生的光子。通常而言，核子躍遷的能量遠超過電子躍遷的能量，所以，伽馬射線的能量比X射線的能量大很多。但是，還是可以找到一些例外。依照前述常規(guī)，μ子原子（ muonic atom ）躍遷產(chǎn)生的也是X射線，雖然這X射線能量可能會超過6MeV（0.96pJ） 。從另一方面來說，也有很多低能量的核子躍遷（至少已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了77種低于10 eV的低能量核子躍遷），例如，釷-229核子躍遷的能量為7.6 eV，雖然這能量比μ子X射線小一百萬倍，由于輻射源是核子，發(fā)射的光子仍舊稱為伽馬射線 。

電磁輻射的頻率與觀察者的參考系有關(guān)（詳盡物理解釋，請參閱多普勒效應(yīng)）。設(shè)定兩個參考系Ａ和Ｂ，相對于參考系Ｂ，參考系Ａ以相對速度 v {\displaystyle v\,\!} 移動。則對于同一電磁波，處于參考系A(chǔ)的觀察者所觀測到的頻率，跟處于參考系B的觀察者所觀測到的頻率必不相同，兩個頻率可能會屬于不同的頻域。例如，形成于宇宙初期，當(dāng)物質(zhì)與電磁輻射解耦時的宇宙微波背景輻射，是由氫原子從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)所產(chǎn)生的電磁輻射。原本這些電磁輻射屬于來曼系躍遷，是紫外線?？墒?，由于宇宙學(xué)紅移（ cosmological red shift ），現(xiàn)在，相對于宇宙，緩慢移動的觀察者所觀測到的是微波。但是，對于以相對論性速度移動（接近光速）的粒子而言，處于這相對論性速度粒子的參考系的觀察者，會觀測到這些電磁輻射的藍移。對于擁有最高能量的宇宙線質(zhì)子而言，處于這質(zhì)子的參考系的觀察者，會觀測到這些電磁輻射的藍移至高能量伽馬射線，與質(zhì)子相互作用，產(chǎn)生夸克-反夸克對偶（π介子）。這是GZK極限的由來。

無線電波

根據(jù)共振原理，無線電波可以由天線發(fā)射出去或接收回來，其波長在幾百米至一厘米之間。通過調(diào)變，可將信息加載于無線電波。因此無線電波可以用來傳遞信息。電視、移動電話、無線網(wǎng)絡(luò)和業(yè)余無線電，都使用無線電波來傳遞信息。為了便利大眾能夠和諧地共同使用無線電波為傳遞信息的媒介，政府會采取頻率分配（ frequency allocation ）制度來規(guī)劃管理無線電波頻域。

應(yīng)用振幅調(diào)變、頻率調(diào)變、相位調(diào)變（ phase modulation ）等等技術(shù)，分配到狹窄頻帶的無線電波可以傳遞信息。當(dāng)電磁輻射遇到電導(dǎo)體時，它會與電導(dǎo)體耦合，沿著電導(dǎo)體傳播，靠著激發(fā)處于表面的電子，在電導(dǎo)體表面感應(yīng)出電流。這效應(yīng)稱為集膚效應(yīng)，是天線運作的主要原理。

某些物體的分子會吸收電磁輻射的能量，因而使得物體的熱能增加，造成熱效應(yīng)。這是微波爐運作的主要原理。

微波

  地球大氣塵對于不同頻率電磁輻射的不透明度圖

微波的波長通常不會超過可以傳播于一般直徑管狀金屬波導(dǎo)的最長長度。電子調(diào)速管（ klystron ）或磁控管（ magnetron ）可以用來生成微波。每一種電極性分子，會對應(yīng)著某些特定頻率的微波，使得電極性分子隨著振蕩電場一起旋轉(zhuǎn)，這機制稱為電介質(zhì)加熱（ dielectric heating ）。由于這種機制（不是熱傳導(dǎo)機制），電極性分子會吸收微波的能量。微波爐就是應(yīng)用這運作原理，通過水分子或脂肪的旋轉(zhuǎn)，更均勻地將食物加熱，減少等候時間。微波加熱方法所需時間可以減少至一般加熱方法所需時間的1%。

無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)Wi-Fi（無線保真技術(shù)）使用低強度微波來傳遞信息。使用的強度并不會造成加熱效應(yīng)。這技術(shù)得到全世界廣泛的支持，大多數(shù)國家都已經(jīng)采用了這技術(shù)。

太赫茲輻射

太赫茲輻射（ terahertz radiation ）的頻域在紅外線與微波之間。直到最近，這頻域并不常被研究，發(fā)射高頻端太拉赫輻射（波長低于釐米的電磁波）的儀器也不常見。但是，現(xiàn)在已發(fā)展出成像和通訊等等應(yīng)用科技?？茖W(xué)家也開始發(fā)展太拉赫輻射科技的軍事用途。高頻率電磁波可能會使敵方軍隊的電子設(shè)備失去功能。

紅外線

紅外線的頻域在300 GHz (1 mm)至400 THz (750 nm)之間，可以分為三部分：

遠紅外線 的頻域在300 GHz (1 mm)至30 THz (10 μm)之間。處于不同物態(tài)的物質(zhì)會用不同的機制來吸收遠紅外線：氣態(tài)分子通常會以旋轉(zhuǎn)模機制、液體靠著分子的旋轉(zhuǎn)運動機制、固體用聲子機制。地球大氣塵的水分子會強烈地吸收遠紅外線，使得遠紅外線無法有效地透射過大氣塵。但是，波長大約在200微米至幾厘米之間，還是存在有一些狹窄的頻域（頻窗），能夠允許部分遠紅外線透射。利用這特性做天文學(xué)研究，可以得到很大的收獲。關(guān)于這方面的學(xué)術(shù)分支稱為次毫米天文學(xué)（ submillimeter astronomy ）。

中紅外線 的頻域在30 THz (10 μm)至120 THz (2.5 μm)之間。熱物體（黑體輻射源）輻射中紅外線的強度大大強過其它種類的電磁輻射。中紅外線會被分子振動吸收，分子內(nèi)部的原子會因而增加振動的振幅。對于熱物體而言，這頻域稱為 指紋頻域 ，因為每一種熱物體都有其特征的吸收譜線。

近紅外線 的頻域在120 THz (2,500 nm)至400 THz (750 nm)之間。在這頻域內(nèi)的物理過程類似于可見光頻域的物理過程。

可見光

  可見光只是電磁波譜中很小的一部分。

可見光是頻率在400 THz (760 nm)至790 THz (380 nm)之間的電磁輻射，可以被人類眼睛偵測感知?？梢姽獾念l域也是太陽和其它類似的恒星所發(fā)射的大部分輻射的頻域。這大概不是湊巧，而是生物演化形成的事實。

可見光（和近紅外線）通常會被在分子或原子內(nèi)部的電子吸收或發(fā)射。由于吸收了電磁輻射能量，電子會從低能級躍遷至高能級。由于電子從高能級躍遷至低能級，電子會發(fā)射能量等于能級差的電磁輻射。彩虹是一種光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)太陽光入射于大氣層后，被水滴折射與反射，在天空形成了可以辨明為紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛色和紫色的七彩光譜。

可見光從某一物體反射后，傳播達到眼睛，通過折光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成像，經(jīng)視神經(jīng)傳入到大腦視覺中樞，就可以分辨眼睛所看到的物體的色澤和分辨其亮度。因而可以看清視覺范圍內(nèi)的發(fā)光或反光物體的輪廓，形狀，大小，顏色，遠近和表面細節(jié)等情況。

人類視覺器官并不能偵測到其它頻率的電磁輻射。自然輻射源所發(fā)射的電磁輻射的頻率分散于整個波譜。只有依賴光學(xué)儀器，才能將這些電磁輻射及其所載有的信息，轉(zhuǎn)換成人類視覺器官可以偵測到的可見光。

光纖傳輸光波。由于光波在光纖的傳輸損失比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，促使光纖被用作長距離的信息傳遞工具。光纖的主要生產(chǎn)原料是硅，蘊藏量極大，較易開采，所以價格便宜。隨著光纖的價格進一步降低，光纖也被用于醫(yī)療和照明的用途。

紫外線

  隨著高度，紫外線穿透地球臭氧層的程度。黃色曲線是臭氧層隨著高度的分布。

由于紫外線的能量很高，能夠破壞化學(xué)鍵，使分子不尋常地具有高反應(yīng)性，或使分子被離子化（參閱光電效應(yīng)）。例如，日光長時間地照射于皮膚會造成曬傷（ sunburn ），這是因為紫外線會傷害皮膚細胞。假若，由于紫外線被細胞吸收，使得DNA遭受無法挽回的破壞，則很可能會造成皮膚癌（ skin cancer ）。紫外線已被證明是一種突變原，會誘導(dǎo)有機體突變。每一天，太陽都會發(fā)射大量的紫外線。這會殺掉地表所有的生物，使得地球迅速地變?yōu)楹翢o生命的沙漠。但是，大部分的紫外線都會被大氣層高空的臭氧層吸收，不會抵達地球表面。

X射線

X射線會使分子被離子化。由于X射線具有更高能量，X射線能夠以康普頓效應(yīng)與物質(zhì)相互作用。X射線又分為硬X射線和軟X射線兩種。硬X射線的波長恒短于軟X射線的波長。由于X射線能透過大多數(shù)物質(zhì)，X射線可以用來透視物體。放射線照相術(shù)（ radiography ）用X射線來產(chǎn)生診斷圖像，這可能是X射線技術(shù)應(yīng)用最廣泛的地方。

中子星和環(huán)繞著黑洞的吸積盤所發(fā)射的電磁輻射多半為X射線。這給與了天文學(xué)家很優(yōu)良的輻射源。

利用電子對X射線的散射作用，X射線晶體學(xué)可以獲得晶體中電子密度的分布情況，仔細分析這數(shù)據(jù)，可以求得原子的位置信息，即晶體結(jié)構(gòu)。

伽馬射線

伽馬射線是由保羅·維拉德（ Paul Villard ）于1900年研究鐳元素發(fā)射的輻射時發(fā)現(xiàn)的。伽馬射線是能量最高的光子，其頻率沒有定義上限。天文學(xué)家時常會研究高能量天文體發(fā)射的伽馬射線。從測得的數(shù)據(jù)，可以了解天文體的結(jié)構(gòu)與行為。伽馬射線輻照（ irradiation ）能夠滅菌，可以用于保持食品和種子的新鮮。在醫(yī)學(xué)方面，伽馬射線可以用于像正電子發(fā)射計算機斷層掃描一類的診斷圖像和癌癥的放射線治療。

相關(guān)主題

參閱

宇宙線

腦電圖

光譜學(xué)

電離輻射

輻射

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