전자기 스펙트럼
Electromagnetic spectrum
전자기 스펙트럼은 주파수 또는 파장별로 구성된 전자기 방사선의 전체 범위입니다. 스펙트럼은 별도의 밴드로 나뉘며 각 밴드 내의 전자파에 대한 이름이 다릅니다. 저주파에서 고주파까지 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선입니다. 각 밴드의 전자파는 생성 방법, 물질과의 상호 작용 및 실제 적용과 같은 다양한 특성을 가지고 있습니다.
스펙트럼의 저주파 끝에 있는 전파는 가장 낮은 광자 에너지와 가장 긴 파장인 수천 킬로미터 또는 그 이상의 파장을 가지고 있습니다.
감마선은 스펙트럼의 고주파 끝에서 가장 높은 광자 에너지와 가장 짧은 파장을 갖는데, 이는 원자핵보다 훨씬 작습니다. 감마선, X선, 극자외선 등은 높은 광자 에너지로 원자를 이온화시켜 화학반응을 일으키기 때문에 전리방사선이라고 불립니다. 가시광선과 더 긴 파장의 방사선은 비이온성입니다. 그 광자들은 이러한 효과를 일으키기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않습니다.
전자기 스펙트럼의 대부분에서 분광법을 사용하여 서로 다른 주파수의 파동을 분리할 수 있으므로 방사선의 세기를 주파수 또는 파장의 함수로 측정할 수 있습니다. 분광학은 전자기파와 물질의 상호작용을 연구하는 데 사용됩니다.[1]
역사와 발견
인간은 항상 가시광선과 복사열을 알고 있었지만 대부분의 역사에서 이러한 현상들이 연관되어 있거나 더 광범위한 원리를 나타내는 것으로 알려져 있지 않았습니다. 고대 그리스인들은 빛이 직선으로 이동한다는 것을 인식하고 반사와 굴절을 포함한 빛의 특성을 연구했습니다. 빛은 17세기 초부터 집중적으로 연구되어 망원경과 현미경과 같은 중요한 기구들이 발명되었습니다. 아이작 뉴턴은 프리즘으로 백색광을 나눌 수 있는 색의 범위에 대해 스펙트럼이라는 용어를 처음 사용했습니다. 1666년부터 뉴턴은 이 색들이 빛의 본질적인 것이며 백색광으로 재결합될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 르네 데카르트, 로버트 훅, 크리스티안 하위헌스는 파동 묘사를, 뉴턴은 입자 묘사를 선호하면서 빛이 파동성을 갖는지 입자성을 갖는지에 대한 논쟁이 일어났습니다. 특히 호이겐스는 잘 발달된 이론을 가지고 있었는데, 이 이론으로부터 반사와 굴절의 법칙을 이끌어낼 수 있었습니다. 1801년경, 토마스 영은 빛이 파동이라는 것을 결론적으로 보여주는 두 개의 슬릿 실험으로 광선의 파장을 측정했습니다.
1800년에 윌리엄 허셜은 적외선 복사를 발견했습니다.[2] 그는 프리즘에 의해 쪼개진 빛을 통해 온도계를 움직여 여러 가지 색깔의 온도를 연구하고 있었습니다. 그는 최고 기온이 붉은색을 넘는 것을 알아차렸습니다. 그는 이 온도 변화가 볼 수 없는 광선의 한 종류인 "열선" 때문이라고 이론을 세웠습니다. 다음 해, 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 연구하던 요한 리터는 그가 "화학선"(특정 화학 반응을 유도하는 보이지 않는 광선)이라고 부르는 것을 알아차렸습니다. 이것들은 가시광선과 비슷하게 행동했지만 스펙트럼에서는 그 이상이었습니다.[3] 나중에 자외선으로 이름이 바뀌었습니다.
전자기학에 대한 연구는 1820년 한스 크리스티안 외르스테드가 전류가 자기장을 생성한다는 것을 발견하면서 시작되었습니다. 빛은 1845년 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 투명한 물질을 통과하는 빛의 편광이 자기장에 반응한다는 것을 알아차렸을 때 처음으로 전자기학과 연결되었습니다. 1860년대에 제임스 클러크 맥스웰은 전자기장을 위한 편미분방정식 4개를 개발했습니다. 이 방정식 중 두 개는 현장에서 파동의 가능성과 행동을 예측했습니다. 맥스웰은 이 이론적 파동들의 속도를 분석하면서 그들이 알려진 빛의 속도와 비슷한 속도로 이동해야 한다는 것을 깨달았습니다. 이 놀라운 값의 일치는 맥스웰로 하여금 빛 자체가 전자기파의 일종이라는 추론을 하게 만들었습니다. 맥스웰 방정식은 무한히 많은 전자기파의 진동수를 예측했고, 모두 빛의 속도로 이동했습니다. 이것은 전체 전자기 스펙트럼의 존재를 보여주는 첫 번째 징후였습니다.
맥스웰이 예측한 파동에는 적외선에 비해 매우 낮은 주파수의 파동이 포함되어 있었는데, 이론적으로는 어떤 종류의 일반적인 전기 회로에서 전하를 진동시킴으로써 생성될 수 있습니다. 1886년 물리학자 하인리히 헤르츠는 맥스웰 방정식을 증명하고 이와 같은 저주파 전자기 복사를 검출하려고 시도하여 오늘날 라디오파라고 불리는 것을 생성하고 검출하는 장치를 만들었습니다. 헤르츠는 파동을 발견했고 (파장을 측정하고 진동수를 곱함으로써) 그들이 빛의 속도로 이동한다는 것을 추론할 수 있었습니다. 헤르츠는 또한 새로운 방사선이 빛과 같은 방식으로 다양한 유전체 매체에 의해 반사되고 굴절될 수 있다는 것을 증명했습니다. 예를 들어, 헤르츠는 나무 송진으로 만든 렌즈를 사용하여 파동을 집중시킬 수 있었습니다. 이후 실험에서 헤르츠는 마이크로웨이브의 특성을 유사하게 생산하고 측정했습니다. 이러한 새로운 유형의 파도는 무선 전신과 라디오와 같은 발명의 길을 열었습니다.
1895년 빌헬름 뢴트겐은 고압을 받는 진공관을 실험하는 동안 방출되는 새로운 종류의 방사선을 발견했습니다. 그는 이 방사선을 "엑스레이"라고 불렀고 그것들이 인체의 일부를 여행할 수 있지만 뼈와 같은 밀도가 높은 물질에 의해 반사되거나 중단된다는 것을 발견했습니다. 얼마 지나지 않아 이 방사선 촬영에 많은 용도가 발견되었습니다.
전자기 스펙트럼의 마지막 부분은 감마선의 발견으로 채워졌습니다. 1900년, 폴 빌라드는 라듐의 방사능 방출을 연구하고 있었는데, 그는 처음에는 알려진 알파 입자와 베타 입자와 유사한 입자로 구성되어 있다고 생각했지만, 그 어느 쪽보다도 훨씬 더 투과력이 있는 새로운 유형의 방사선을 발견했습니다. 그러나 1910년 영국의 물리학자 윌리엄 헨리 브래그는 감마선이 입자가 아닌 전자기 방사선이라는 것을 증명했고, 1914년 어니스트 러더퍼드(1903년 대전된 알파 및 베타 입자와 근본적으로 다르다는 것을 깨달았을 때 감마선이라고 이름 지었습니다)와 에드워드 안드레이드는 이들의 파장을 측정했습니다. 그리고 감마선은 X선과 비슷하지만 파장은 더 짧다는 것을 발견했습니다.
파동 입자 논쟁은 1901년 막스 플랑크가 빛이 현재 광자라고 불리는 이산적인 "양자"에서만 흡수된다는 것을 발견하면서 다시 불이 붙었습니다. 이 아이디어는 1905년 알버트 아인슈타인에 의해 명시되었지만 플랑크와 다른 많은 동시대 사람들은 결코 받아들이지 않았습니다. 과학의 현대적 입장은 전자기 복사가 파동과 입자성, 즉 파동-입자 이중성을 모두 가지고 있다는 것입니다. 이러한 입장에서 발생하는 모순은 여전히 과학자와 철학자들에 의해 논쟁되고 있습니다.
범위
일반적으로 전자기파는 주파수 f, 파장 λ 또는 광자 에너지 E의 세 가지 물리적 특성 중 하나로 설명됩니다. 천문학에서 관측되는 주파수는 2.4×1023 Hz(1 GeV 감마선)에서 이온화된 성간 매질의 국부 플라즈마 주파수(~1 kHz)까지 다양합니다. 파장은 파동 주파수에 반비례하므로 [1]감마선은 원자 크기의 분수인 매우 짧은 파장을 가지고 있는 반면 스펙트럼의 반대쪽 끝에 있는 파장은 무한히 길 수 있습니다. 광자 에너지는 파동 주파수에 정비례하므로 감마선 광자는 가장 높은 에너지(약 10억 전자 볼트)를 갖는 반면 전파 광자는 매우 낮은 에너지(펨토 전자 볼트)를 갖습니다. 이러한 관계는 다음 방정식으로 설명됩니다.
위치:
- c = 299792458m/s는 진공에서의 빛의 속도입니다.
- h = 6.62607015×10−34 J·s = 4.13566733(10)×10−15 eV·s is the Planck constant.[4]
전자파는 물질이 있는 매질을 이동할 때마다 파장이 줄어듭니다. 전자기복사의 파장은 그들이 어떤 매질을 통과하든, 항상 명확하게 언급되는 것은 아니지만, 진공 파장의 관점에서 일반적으로 인용됩니다.
일반적으로 전자기 방사선은 파장별로 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 분류됩니다. 전자파 방사선의 거동은 파장에 따라 달라집니다. 전자파 복사가 단일 원자 및 분자와 상호 작용할 때, 전자파 복사의 행동은 또한 전자파가 운반하는 양자(광자)당 에너지의 양에 달려 있습니다.
분광기는 진공에서 400 nm에서 700 nm의 가시 파장 범위보다 EM 스펙트럼의 훨씬 더 넓은 영역을 감지할 수 있습니다. 일반적인 실험실 분광기는 2nm에서 2500nm까지의 파장을 감지할 수 있습니다.[citation needed] 물체, 가스, 심지어 별의 물리적 특성에 대한 자세한 정보는 이런 종류의 장치에서 얻을 수 있습니다. 분광기는 천체 물리학에서 널리 사용됩니다. 예를 들어 많은 수소 원자들이 21.12cm 파장의 전파 광자를 방출합니다. 또한 30 Hz 이하의 주파수는 천체 물리학 소스에서 2.9×1027 Hz만큼 높은 주파수와 특정 항성 성운의[5] 연구에서 생성될 수 있으며 중요합니다.[6]
지역
전자기 방사선의 종류는 크게 다음과 같은 등급(영역, 밴드 또는 유형)으로 분류됩니다.[1]
- 감마선
- 엑스레이 방사선
- 자외선
- 가시광선(인간이 볼 수 있는 빛)
- 적외선 복사
- 마이크로파 복사
- 전파
이 분류는 방사선의 종류의 특징인 파장이 증가하는 순서로 진행됩니다.[1]
전자기 스펙트럼의 밴드 사이에는 정확하게 정의된 경계가 없습니다. 오히려 무지개의 밴드(가시광선의 하위 스펙트럼)처럼 서로 희미해집니다. 각 주파수 및 파장(또는 각 대역)의 방사선은 스펙트럼의 두 영역을 묶는 특성이 혼합되어 있습니다. 예를 들어, 붉은 빛은 일부 화학 결합을 흥분시키고 에너지를 더할 수 있다는 점에서 적외선과 유사하며, 광합성과 시각 시스템의 작동을 담당하는 화학적 메커니즘을 작동시키기 위해 실제로 그렇게 해야 합니다.
X선과 감마선의 구별은 부분적으로 소스에 기반을 두고 있습니다: 핵붕괴 또는 다른 핵과 핵하/입자 과정에서 생성된 광자를 항상 감마선이라고 부르는 반면, X선은 매우 에너지가 높은 내부 원자 전자를 포함하는 전자 전이에 의해 생성됩니다.[7][8][9] 일반적으로 핵전이는 전자전이보다 훨씬 더 에너지가 있어서 감마선이 X선보다 더 에너지가 있지만 예외는 존재합니다. 전자 전이와 유사하게, 뮤온 원자 전이는 에너지가 6 메가 전자볼트(0.96 pJ)[10]를 초과할 수 있지만 많은 (77은 10 keV(1.6 fJ) 미만으로 알려져 있음) 저에너지 핵 전이(예: 토륨-229m의 7.6 eV(1.22 aJ) 핵 전이)가 있으며, 일부 뮤온 X선보다 100만 배의 에너지가 덜하지만 방출되는 광자는 핵 기원 때문에 여전히 감마선이라고 불립니다.[11]
그러나 핵에서 나오는 것으로 알려진 전자파 방사선을 항상 "감마선" 방사선이라고 부른다는 관습은 보편적으로 존중되는 유일한 관습입니다. 감마선 폭발과 같은 많은 천문학적 감마선 소스는 핵에서 유래하기에는 (강도와 파장 모두에서) 너무 에너지가 있는 것으로 알려져 있습니다. 고에너지 물리학 및 의료 방사선 치료에서 어떤 핵 감마선보다 높은 에너지를 가진 매우 높은 에너지 EMR(> 10 MeV 영역)을 X선 또는 감마선이라고 하지 않고 "고에너지 광자"라는 일반적인 용어로 부릅니다.
관측된 특정 전자기 방사선이 떨어지는 스펙트럼의 영역은 기준 프레임에 의존적입니다(빛에 대한 도플러 쉬프트로 인해). 따라서 한 관측자가 스펙트럼의 한 영역에 있다고 말할 수 있는 전자파 복사는 첫 번째 영역이 스펙트럼의 다른 부분에 있는 것과 관련하여 광속의 상당한 부분으로 이동하는 관측자에게 나타날 수 있습니다. 예를 들어 우주 마이크로파 배경을 생각해 보세요. 물질과 방사선이 분리되었을 때, 바닥 상태에 대한 수소 원자의 여기 해제에 의해 생성되었습니다. 이 광자들은 라이만 계열 전이에서 나온 것으로 전자기 스펙트럼의 자외선(UV) 부분에 놓였습니다. 이제 이 방사선은 우주에 대해 천천히 움직이는 관찰자들을 위해 스펙트럼의 마이크로파 영역에 넣을 수 있을 정도로 우주론적 적색 이동을 거쳤습니다.
| 학급 | 웨이브- 길이 | 프레크- 통일성이 있는 | 1인당 에너지 광자의 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 이온화 방사능 | γ | 감마선 | 밤10시 | 30 EHz | 124keV | |
| 오후 100시 | 3 EHz | 12.4 keV | ||||
| HX | 하드 엑스레이 | |||||
| SX | 소프트 엑스레이 | 10nm | 30PHz | 124 eV | ||
| EUV | 극도의 자외선의 | 121nm | 3PHz | 10.2 eV | ||
| NUV | 자외선에 가까운 | 400nm | 750THz | |||
| 가시 스펙트럼 | 700nm | 480THz | ||||
| 적외선 | NIR | 근적외선 | 1μm | 300THz | 1.24 eV | |
| 10 μm | 30 THz | 124meV | ||||
| 미르 | 중적외선 | |||||
| 100μm | 3THz | 12.4 meV | ||||
| FIR | 원적외선 | |||||
| 1mm | 300GHz | 1.24 meV | ||||
| 마이크로- 흔든다 | EHF | 극도로 높음 빈도수. | ||||
| 1cm | 30GHz | 124μeV | ||||
| SHF | 슈퍼하이 빈도수. | |||||
| 1 dm | 3GHz | 12.4μeV | ||||
| UHF | 초고 빈도수. | |||||
| 1m | 300MHz | 1.24μeV | ||||
| 라디오 흔든다 | VHF | 매우 높음 빈도수. | ||||
| 10m | 30MHz | 124 neV | ||||
| HF | 높은 빈도수. | |||||
| 100m | 3MHz | 12.4 neV | ||||
| MF | 중간의 빈도수. | |||||
| 1km | 300kHz | 1.24 neV | ||||
| LF | 로우 빈도수. | |||||
| 10km | 30kHz | 124 peV | ||||
| VLF | 매우 낮음 빈도수. | |||||
| 100km | 3kHz | 12.4 peV | ||||
| ULF | 초저온 빈도수. | |||||
| 1mm | 300Hz | 1.24 peV | ||||
| SLF | 초저공 빈도수. | |||||
| 10mm | 30Hz | 124 feV | ||||
| ELF | 극저 빈도수. | |||||
| 100mm | 3Hz | 12.4 feV | ||||
| 출처: 파일:Light spectrum.svgTable은[12][13][14] 지정된 클래스의 하한을 나타냅니다. | ||||||
이름의 근거
전자기 방사선은 스펙트럼에 걸쳐 다양한 방식으로 물질과 상호 작용합니다. 이러한 유형의 상호작용은 매우 다르기 때문에 스펙트럼의 다른 부분에 역사적으로 다른 이름이 적용되었습니다. 마치 이들이 다른 유형의 방사선인 것처럼 말입니다. 따라서, 이러한 "다른 종류의" 전자기 방사선은 주파수와 파장의 양적으로 연속적인 스펙트럼을 형성하지만, 스펙트럼은 이러한 질적 상호작용의 차이로 인해 발생하는 실질적인 이유로 인해 분할된 상태를 유지합니다.
| 스펙트럼 영역 | 물질과의 주요 상호작용 |
|---|---|
| 라디오 | 벌크 물질에서 전하 캐리어의 집합적인 진동(플라즈마 진동). 안테나 내 전자의 진동 이동이 그 예가 될 것입니다. |
| 원적외선을 통한 전자레인지 | 플라즈마 진동, 분자 회전 |
| 근적외선 | 분자 진동, 플라즈마 진동(금속에만 해당) |
| 보이는 | 분자 전자 여기(인간 망막에서 발견되는 색소 분자 포함), 플라즈마 진동(금속에서만 발견됨) |
| 자외선 | 전자의 방출을 포함한 분자 및 원자가 전자의 여기(광전 효과) |
| 엑스레이 | 중심핵 원자 전자의 여기 및 방출, 콤프턴 산란(저원자 번호의 경우) |
| 감마선 | 무거운 원소에서 중심 전자의 에너지 방출, 콤프턴 산란(모든 원자 번호에 대해), 핵의 해리를 포함한 원자핵의 여기 |
| 고에너지 감마선 | 입자-반입자 쌍의 생성. 매우 높은 에너지에서 단일 광자는 물질과 상호 작용할 때 고에너지 입자와 반입자의 소나기를 만들 수 있습니다. |
방사선의 종류
전파
전파는 금속봉 공명기와 같은 전도체로 구성된 안테나에 의해 방출 및 수신됩니다. 인공적인 전파 발생에서 송신기라고 불리는 전자 장치는 안테나에 인가되는 교류 전류를 발생시킵니다. 안테나의 진동하는 전자는 진동하는 전기장과 자기장을 생성하여 안테나에서 전파로 방사합니다. 라디오파를 수신할 때, 라디오파의 진동하는 전기장과 자기장이 안테나의 전자와 결합하여 앞뒤로 밀어내면서 라디오 수신기에 인가되는 진동 전류를 만듭니다. 지구의 대기는 특정 주파수를 반사할 수 있는 전리층의 하전 입자 층을 제외하고는 주로 전파에 대해 투명합니다.
라디오 방송, 텔레비전, 양방향 라디오, 휴대 전화, 통신 위성 및 무선 네트워킹과 같은 라디오 통신 시스템에서 라디오파는 거리를 가로질러 정보를 전송하는 데 매우 광범위하게 사용됩니다. 무선 통신 시스템에서 무선 주파수 전류는 진폭, 주파수 또는 위상을 변화시켜 송신기에서 정보를 포함하는 신호로 변조되어 안테나에 인가됩니다. 전파는 정보를 공간을 가로질러 수신기로 전달하고, 수신기에서 안테나에 의해 수신되고 복조에 의해 정보가 추출됩니다. 또한 전파는 GPS(Global Positioning System) 및 내비게이션 비콘과 같은 시스템의 내비게이션, 무선 위치 및 레이더에서 먼 물체를 찾는 데 사용됩니다. 원격 제어 및 산업용 난방에도 사용됩니다.
라디오 스펙트럼의 사용은 정부에 의해 엄격하게 규제되며, 다양한 용도로 주파수를 서로 다른 사용자에게 할당하는 국제전기통신연합(ITU)에 의해 조정됩니다.
전자레인지
마이크로파는 SHF와 EHF 주파수 대역에서 약 10cm에서 1mm 정도의 짧은 파장의 전파입니다. 마이크로파 에너지는 klystron과 magnetron tube, 그리고 Gunn과 IMPATT 다이오드와 같은 고체 상태 장치로 생산됩니다. 짧은 안테나에 의해 방출되고 흡수되지만 극성 분자에도 흡수되어 진동 모드와 회전 모드가 결합되어 대량 가열이 발생합니다. 주로 표면에서 흡수되는 적외선이나 가시광선 같은 고주파와 달리 마이크로파는 물질 속으로 침투해 표면 아래에 에너지를 축적할 수 있습니다. 이 효과는 전자레인지에서 음식을 데우는 데 사용되며, 산업용 난방 및 의료용 기저귀에 사용됩니다. 마이크로파는 레이더에 사용되는 주요 파장으로 위성 통신, 와이파이 등 무선 네트워킹 기술에 사용됩니다. 안테나로 저주파 전파를 운반하기 위해 사용되는 구리 케이블(송전선)은 마이크로파 주파수에서 전력 손실이 과도하게 발생하고, 이를 운반하기 위해 도파관이라는 금속 파이프를 사용합니다. 밴드의 낮은 끝에서는 주로 투명하지만, 밴드의 위쪽 끝에서는 대기 가스에 의한 마이크로파의 흡수가 실제적인 전파 거리를 몇 킬로미터로 제한합니다.
테라헤르츠 방사선 또는 서브 밀리미터 방사선은 마이크로파와 원적외선 사이의 약 100GHz에서 30 테라헤르츠(THz)까지의 스펙트럼 영역으로, 두 대역 중 하나에 속한다고 간주할 수 있습니다. 최근까지 이른바 테라헤르츠 갭에서 마이크로웨이브 에너지에 대한 범위는 거의 연구되지 않았고 소스도 거의 존재하지 않았지만, 지금은 영상 및 통신과 같은 응용 분야가 등장하고 있습니다. 과학자들은 또한 군대에서 테라헤르츠 기술을 적용하려고 하고 있는데, 여기서 고주파는 그들의 전자 장비를 무력화하기 위해 적군을 향할 수도 있습니다.[15] 테라헤르츠 방사선은 대기 가스에 강하게 흡수되어 이 주파수 범위는 장거리 통신에 유용하지 않습니다.
적외선 복사
전자기 스펙트럼의 적외선 부분은 약 300GHz에서 400THz(1mm – 750nm) 범위를 커버합니다. 세 가지 부분으로 나눌 수 있습니다.[1]
- 원적외선, 300GHz~30THz(1mm~10μm)입니다. 이 범위의 아래 부분은 마이크로파 또는 테라헤르츠파라고도 할 수 있습니다. 이 방사선은 일반적으로 기상 분자에서 소위 회전 모드, 액체에서 분자 운동, 고체에서 포논에 의해 흡수됩니다. 지구 대기의 물은 이 범위에서 매우 강하게 흡수하여 사실상 대기를 불투명하게 만듭니다. 그러나 불투명한 범위 내에는 부분적인 전송이 가능한 특정 파장 범위("창")가 있으며 천문학에 사용될 수 있습니다. 약 200 μm에서 수 mm까지의 파장 범위를 서브밀리미터 천문학이라고 하며, 200 μm 미만의 파장에 대해서는 원적외선을 유지합니다.
- 중적외선, 30THz ~ 120THz(10~2.5μm)입니다. 뜨거운 물체(흑체 복사기)는 이 범위에서 강하게 방사될 수 있으며, 정상 체온의 인간 피부는 이 영역의 하단에서 강하게 방사됩니다. 이 방사선은 분자 진동에 의해 흡수되며, 분자의 서로 다른 원자들이 평형 위치를 중심으로 진동합니다. 화합물의 중적외선 흡수 스펙트럼이 해당 화합물에 매우 특이하기 때문에 이 범위를 지문 영역이라고 부르기도 합니다.
- 근적외선, 120THz ~ 400THz(2,500~750nm)입니다. 이 범위와 관련된 물리적 과정은 가시광선과 유사합니다. 이 영역에서 가장 높은 주파수는 일부 유형의 사진 필름과 적외선 사진 및 비디오 촬영을 위한 여러 유형의 고체 상태 이미지 센서에서 직접 감지할 수 있습니다.
가시광선
 | |||
|---|---|---|---|
| 색 | 파장 (nm) | 빈도수. (THz) | 광자 에너지 (eV) |
| 380–450 | 670–790 | 2.75–3.26 | |
| 450–485 | 620–670 | 2.56–2.75 | |
| 485–500 | 600–620 | 2.48–2.56 | |
| 500–565 | 530–600 | 2.19–2.48 | |
| 565–590 | 510–530 | 2.10–2.19 | |
| 590–625 | 480–510 | 1.98–2.10 | |
| 625–750 | 400–480 | 1.65–1.98 | |
적외선 이상의 주파수는 가시광선입니다. 모든 파장을 통해 전체 방출 전력 스펙트럼을 통합하면 태양이 가시광선보다 약간 더 많은 적외선을 방출한다는 것을 보여주지만 태양은 가시광선 영역에서 피크 전력을 방출합니다.[16] 정의상 가시광선은 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 전자파 스펙트럼의 부분입니다. 가시광선(및 근적외선)은 일반적으로 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동하는 분자 및 원자의 전자에 의해 흡수 및 방출됩니다. 이 작용은 인간의 시각과 식물 광합성의 기초가 되는 화학적 메커니즘을 허용합니다. 인간의 시각계를 흥분시키는 빛은 전자기 스펙트럼의 아주 작은 부분입니다. 무지개는 전자기 스펙트럼의 광학적(가시적) 부분을 보여줍니다. 적외선은 무지개의 빨간색 바로 너머에 위치하고 자외선은 보라색 반대쪽 끝에 나타납니다.
파장이 380nm에서 760nm(400~790테라헤르츠) 사이인 전자기 방사선은 사람의 눈에 감지되어 가시광선으로 인식됩니다. 다른 파장, 특히 근적외선(760nm보다 긴)과 자외선(380nm보다 짧은) 또한 빛이라고도 하며, 특히 인간에 대한 가시성이 관련이 없을 때는 더욱 그렇습니다. 백색광은 가시 스펙트럼에서 서로 다른 파장의 빛들의 조합입니다. 백색광을 프리즘에 통과시키면 400 nm에서 780 nm 사이의 가시 스펙트럼에서 관찰되는 여러 색의 빛으로 분리됩니다.
전자파 스펙트럼의 가시 영역에 주파수를 가진 방사선이 물체, 예를 들어 과일 그릇에 반사된 후 눈에 닿으면 이는 장면에 대한 시각적 인식으로 이어집니다. 뇌의 시각 시스템은 반사된 수많은 주파수를 다양한 색조와 색조로 처리하고, 이 충분히 이해되지 않은 심리 물리적 현상을 통해 대부분의 사람들은 과일 한 그릇을 지각합니다.
그러나 대부분의 파장에서 전자기 방사선이 전달하는 정보는 인간의 감각으로 직접 감지되지 않습니다. 천연 소스는 스펙트럼에 걸쳐 전자파 방사선을 생성하고 기술은 광범위한 파장을 조작할 수도 있습니다. 광섬유는 반드시 스펙트럼의 눈에 보이는 부분에 있는 것은 아니지만(일반적으로 적외선) 정보를 전달할 수 있는 빛을 전달합니다. 변조는 전파에 사용되는 것과 유사합니다.
자외선
다음은 자외선(UV)입니다. 자외선의 파장은 가시 스펙트럼의 보라색 끝보다 짧지만 X선보다는 깁니다.
UV는 광자가 원자를 이온화시킬 수 있을 정도로 에너지가 있어 전자와 전자를 분리시켜 화학 반응을 일으키는 가장 긴 파장의 방사선입니다. 파장이 짧은 자외선과 그 위의 파장이 짧은 방사선(X선, 감마선)을 전리방사선이라고 하는데, 이에 노출되면 생체조직이 손상돼 건강에 해가 될 수 있습니다. 또한 UV는 가시광선으로 많은 물질을 빛나게 할 수 있는데, 이것을 형광이라고 합니다.
자외선의 중간 영역에서 자외선은 이온화되지 않지만 화학결합을 파괴할 수 있어 분자가 비정상적으로 반응합니다. 예를 들어, 햇볕에 그을리는 것은 피부암의 주요 원인인 중간 범위의 자외선이 피부 세포에 미치는 파괴적인 영향으로 인해 발생합니다. 중간 범위의 자외선은 티민 이량체를 생성하는 세포의 복잡한 DNA 분자를 회복할 수 없을 정도로 손상시켜 매우 강력한 돌연변이원이 될 수 있습니다.
태양은 자외선(전체 전력의 약 10%)을 방출하는데, 여기에는 극도로 짧은 파장의 자외선이 포함되어 있어 육지의 대부분의 생명체를 파괴할 가능성이 있습니다(해양수는 바다에서 생명체를 보호할 수 있습니다). 그러나 태양의 해로운 자외선 파장의 대부분은 표면에 도달하기 전에 대기에 흡수됩니다. 더 높은 에너지(가장 짧은 파장) 범위의 UV("진공 UV"라고 함)는 질소에 의해 흡수되고 더 긴 파장에서는 공기 중의 단순한 이원자 산소에 의해 흡수됩니다. 에너지의 중간 범위에 있는 UV의 대부분은 오존층에 의해 차단되는데, 오존층은 200~315nm의 중요한 범위에서 강하게 흡수되며, 그 하부 에너지 부분은 공기 중의 일반적인 다이옥시겐이 흡수하기에는 너무 깁니다. 이것은 UV에서 해수면에서 3% 미만의 햇빛을 남기고 나머지는 모두 낮은 에너지에서 남습니다. 나머지는 UV-A와 일부 UV-B입니다. 315nm에서 가시광선(UV-A라고 함) 사이의 UV의 가장 낮은 에너지 범위는 대기에 의해 잘 차단되지 않지만 햇볕에 타지 않고 생물학적 손상이 적습니다. 그러나 무해하지 않으며 산소 라디칼, 돌연변이 및 피부 손상을 유발합니다.
엑스레이
UV 후 X선이 나오는데, 이 X선은 UV의 상위 범위와 마찬가지로 이온화됩니다. 그러나 에너지가 높기 때문에 X선은 콤프턴 효과를 통해 물질과 상호 작용할 수도 있습니다. 하드 엑스레이는 연질 엑스레이보다 파장이 짧고 흡수가 거의 없는 많은 물질을 통과할 수 있기 때문에 물 몇 미터에 해당하는 '두께'가 있는 물체를 '속히' 보는 데 사용할 수 있습니다. 한 가지 주목할 만한 용도는 의학에서 진단 X선 영상(방사선 촬영이라고 하는 프로세스)입니다. X선은 고에너지 물리학에서 프로브로 유용합니다. 천문학에서는 중성자별과 블랙홀 주변의 강착원반이 X선을 방출하여 이러한 현상에 대한 연구가 가능합니다. X선은 또한 항성 코로나에 의해 방출되며 일부 유형의 성운에 의해 강력하게 방출됩니다. 그러나 지구 대기의 대심도는 물의 10미터 두께에 해당하는 X선(실제 밀도 1000g/cm)에2 불투명하기 때문에 천문학적인 X선을 보려면 X선 망원경을 지구 대기 바깥에 배치해야 합니다.[17] 이는 거의 모든 천문학적 X선(및 천문학적 감마선, 아래 참조)을 차단하기에 충분한 양입니다.
감마선
딱딱한 엑스레이 뒤에는 1900년에 폴 울리히 빌라드에 의해 발견된 감마선이 나옵니다. 이것들은 파장에 대한 정의된 하한이 없는 가장 에너지가 넘치는 광자입니다. 천문학에서는 고에너지 물체나 지역을 연구하는 데 유용하지만, X선과 마찬가지로 이것은 지구 대기권 밖의 망원경으로만 할 수 있습니다. 감마선은 물리학자들이 투과 능력을 위해 실험적으로 사용하고 있으며, 여러 방사성 동위원소에 의해 생성됩니다. 살균을 위한 식품 및 종자의 조사에 사용되며, 의학에서는 방사선 암 치료에 종종 사용됩니다.[18] 더 일반적으로 감마선은 핵의학의 진단 영상에 사용되며, 예를 들어 PET 스캔이 있습니다. 콤프턴 산란의 영향을 통해 감마선의 파장을 높은 정확도로 측정할 수 있습니다.
참고 항목
참고사항 및 참고사항
- ^ a b c d e Mehta, Akul (25 August 2011). "Introduction to the Electromagnetic Spectrum and Spectroscopy". Pharmaxchange.info. Retrieved 2011-11-08.
- ^ "Herschel Discovers Infrared Light". Cool Cosmos Classroom activities. Archived from the original on 2012-02-25. Retrieved 4 March 2013.
He directed sunlight through a glass prism to create a spectrum […] and then measured the temperature of each colour. […] He found that the temperatures of the colours increased from the violet to the red part of the spectrum. […] Herschel decided to measure the temperature just beyond the red of the spectrum in a region where no sunlight was visible. To his surprise, he found that this region had the highest temperature of all.
- ^ Davidson, Michael W. "Johann Wilhelm Ritter (1776–1810)". The Florida State University. Retrieved 5 March 2013.
Ritter […] hypothesized that there must also be invisible radiation beyond the violet end of the spectrum and commenced experiments to confirm his speculation. He began working with silver chloride, a substance decomposed by light, measuring the speed at which different colours of light broke it down. […] Ritter […] demonstrated that the fastest rate of decomposition occurred with radiation that could not be seen, but that existed in a region beyond the violet. Ritter initially referred to the new type of radiation as chemical rays, but the title of ultraviolet radiation eventually became the preferred term.
- ^ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006" (PDF). Reviews of Modern Physics. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. Archived from the original (PDF) on 2017-10-01. 가치에 대한 직접 링크.
- ^ Condon, J. J.; Ransom, S. M. "Essential Radio Astronomy: Pulsar Properties". National Radio Astronomy Observatory. Archived from the original on 2011-05-04. Retrieved 2008-01-05.
- ^ Abdo, A. A.; Allen, B.; Berley, D.; Blaufuss, E.; Casanova, S.; Chen, C.; Coyne, D. G.; Delay, R. S.; Dingus, B. L.; Ellsworth, R. W.; Fleysher, L.; Fleysher, R.; Gebauer, I.; Gonzalez, M. M.; Goodman, J. A.; Hays, E.; Hoffman, C. M.; Kolterman, B. E.; Kelley, L. A.; Lansdell, C. P.; Linnemann, J. T.; McEnery, J. E.; Mincer, A. I.; Moskalenko, I. V.; Nemethy, P.; Noyes, D.; Ryan, J. M.; Samuelson, F. W.; Saz Parkinson, P. M.; et al. (2007). "Discovery of TeV Gamma-Ray Emission from the Cygnus Region of the Galaxy". The Astrophysical Journal. 658 (1): L33–L36. arXiv:astro-ph/0611691. Bibcode:2007ApJ...658L..33A. doi:10.1086/513696. S2CID 17886934.
- ^ Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.1. US: Addison-Wesley. pp. 2–5. ISBN 978-0-201-02116-5.
- ^ L'Annunziata, Michael; Baradei, Mohammad (2003). Handbook of Radioactivity Analysis. Academic Press. p. 58. ISBN 978-0-12-436603-9.
- ^ Grupen, Claus; Cowan, G.; Eidelman, S. D.; Stroh, T. (2005). Astroparticle Physics. Springer. p. 109. ISBN 978-3-540-25312-9.
- ^ 뮤온 X선 및 가능한 양성자 후광 slac-pub-0335(1967)에 대한 수정
- ^ "Gamma-Rays". Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Retrieved 2010-10-16.
- ^ 빛이란? 2013년 12월 5일, Wayback Machine에서 보관 – UC Davis 강의 슬라이드
- ^ Elert, Glenn. "The Electromagnetic Spectrum". The Physics Hypertextbook. Retrieved 2022-01-21.