Спектр електромагнітного випромінювання - всесвіт - від плоскої землі до квазарів

Спектр електромагнітного випромінювання

Але повернемося до фотонам. До 1800 р людині були відомі тільки фотони видимого світла, які він міг відчувати безпосередньо. Довжини хвиль такого світла становлять від 0,000 076 см на червоному кінці видимого спектру до половини цієї величини, тощо до 0,000 038 см, на його фіолетовому кінці. Енергії фотонів світла обернено пропорційна довжині світлової хвилі. Оскільки хвиля фіолетового світла на межі видимості вдвічі коротше хвилі червоного світла на межі видимості, значить, фотони фіолетового світла мають вдвічі більшою енергією, ніж фотони червоного світла. Енергія фотонів видимого світла складає від 1,5 МеВ (ев) на червоному кінці спектра до 3,0 ев на фіолетовому його кінці.
На початку XIX ст. було відкрито інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання. Енергія інфрачервоних фотонів була, зрозуміло, нижче 1,5 ев, а ультрафіолетових фотонів - вище 3,0 ев.
Але як далеко простирається інфрачервона область спектру в напрямку зменшення енергії, а ультрафіолетовая- в напрямку її зростання, залишалося невідомим.
Однак в 1861 р шотландський фізик Джеймс Кларк Максвелл (1831 -1879) розробив загальну теорію електрики і магнетизму, в якій показав тісний і нерозривний зв'язок цих двох видів енергії (тому можна говорити про електромагнітне поле, об'єднуючи ці два види енергії). Він, крім того, довів, що періодичні коливання напруженості такого поля породжують щось на зразок хвилі, віддаляється від джерела коливань зі швидкістю світла. Більш того, і саме світло він вважав формою такого електромагнітного випромінювання.
Оскільки електромагнітне поле може мати будь-яким періодом коливанні, довжина хвилі електромагнітного випромінювання теж може бути будь-хто. Отже, повинні існувати електромагнітні випромінювання з хвилями, набагато довшими, ніж хвилі інфрачервоного світла, і набагато більш короткими, ніж хвилі ультрафіолетового світла.
Підтвердження цього пророкування чекати довго не довелося. У 1888 р німецький фізик Генріх Рудольф Герц (1857-1894) отримав електромагнітні хвилі колосальної в порівнянні зі світловими довжини. Таке випромінювання (назване спочатку хвилями Герца) стало служити для радіотелеграфного повідомлення, тобто для передачі повідомлень не за допомогою електричного струму, що йде по проводах, а за допомогою хвиль, випромінюваних в простір. Природно було б очікувати, що подібне випромінювання отримає назву «радіотелеграфні хвилі», але в вживання увійшла скорочена форма «радіохвилі».
У 1895 р німецький фізик Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923) виявив випромінювання, яке виявилося за своєю природою електромагнітним, але мало надзвичайно коротку довжину хвилі. Оскільки його природа спочатку була неясна, його назвали ікс-променями, але пізніше ці промені були названі рентгенівськими.
Три різновиди випромінювання радіоактивних речовин (відкриті в 1896 р Беккерелем) Резерфорд назвав по першими трьома літерами грецького алфавіту альфа-променями, бета-променями і гамма-променями. Як виявилося, гамма-промені теж мали електромагнітну природу - це була форма випромінювання з довжиною хвилі навіть ще меншою, ніж у рентгенівських променів.
Отже, до початку XX в. в розпорядженні фізиків виявився колосальний електромагнітний спектр, що охоплює близько 60 октав, тобто довжина хвилі від найменшої з відомих до найбільшої подвоювалася 60 разів. Таким чином, найдовші хвилі були довші найкоротших в 2 60 раз, тобто приблизно в 1 000 000 000 000 000 000 (мільярд мільярдів) раз. Видиме світло займав всього лише одну октаву цього величезного діапазону.
Електромагнітний спектр безперервний, і між сусідніми видами випромінювання немає ніяких розривів. Межі, встановлені людиною, чисто умовні і залежать від його здатності безпосередньо сприймати лише незначну частину спектру, а також від випадкового порядку, в якому робилися відкриття за межами цієї частини. Зазвичай ці довільні кордону виражаються в довжині хвилі або в частоті (кількості хвиль даної довжини, вироблених за секунду). Я ж визначу їх тут через енергію складових їх фотонів - величину, прямо пропорційну частоті.
Електромагнітне випромінювання з найдовшими хвилями (і, отже, що складається з фотонів з найбільш низькими енергіями) -це радіохвилі. Радіохвилі в широкому сенсі охоплюють фотони з енергією 0,001 еВ і менше. Цей діапазон виявився надмірно великим, і для зручності його часто ділять на три області: довгі, короткі і ультракороткі радіохвилі. Останні часто називаються мікрорадіоволни. Енергія їх фотонів така:

довгі радіохвилі від 0 до 0,000 000 001 ев,

короткі радіохвилі від 0,000 000 001 до 0,000 01 ев,

ультракороткі хвилі від 0,000 01 до 0,001 ев

Інфрачервону область в свою чергу можна поділити на дальню, середню і ближню - в порядку зменшення довжини хвилі і зростання енергії фотонів
далека інфрачервона область від 0,001 до 0,03 ев,

середня інфрачервона область від 0,03 до 0,3 ев,

ближня інфрачервона область від 0,3 до 1,5 ев

Видима область, як зазначалося вище, лежить в діапазоні від 1,5 до 3,0 ев Відповідно до кольору енергія розподіляється так (в середньому),

червоний 1,6 ев,
помаранчевий 1,8 ев, жовтий 2,0 ев,
зелений 2,2 ев, синій 2,4 ев,
фіолетовий 2,7 ев.

Електромагнітне випромінювання, фотони якого мають більшу енергією, ніж фотони видимого світла, включає ближню ультрафіолетову область, далеку ультрафіолетову область, рентгенівські промені і гамма-промені:
ближня ультрафіолетова область від 3 до 6 еВ,

далека ультрафіолетова область від 6 до 100 ев,

рентгенівські промені від 100 до 100 000 ев,
гамма-промені більше 100 000 ев.