Шкала электромагнитных волн

Понятие и связь величин

• Электромагнитный спектр — непрерывный диапазон частот и длин волн, на котором распространяются электромагнитные волны одинаковой природы.
• Базовые связи: $c=f\lambda,\qquad \omega=2\pi f,\qquad E=h f,\qquad p=\frac{h}{\lambda}$ где $c$ — скорость света в вакууме, $f$ — частота, $\lambda$ — длина волны, $E$ — энергия фотона, $p$ — импульс фотона, $h$ — постоянная Планка.

Границы диапазонов условны и в разных стандартах немного расходятся.

Крупные диапазоны спектра (в вакууме, ориентировочно)

• Радиоволны: $\lambda\gtrsim 1\,\text{m}$ (частоты $f\lesssim 300\,\text{MHz}$ и ниже до единиц Гц). Источники/применения: радиосвязь, вещание, навигация, радиолокация (частично перекрывается с микроволнами).
• Микроволны: $\lambda\approx 1\,\text{m}\text{–}1\,\text{mm}$ ($f\approx 300\,\text{MHz}\text{–}300\,\text{GHz}$). Радар, спутниковая связь, Wi-Fi, СВЧ-нагрев; чувствительны к молекулярным вращательным переходам.
• Инфракрасное (IR): $\lambda\approx 1\,\text{mm}\text{–}0.75\,\mu\text{m}$ ($f\approx 300\,\text{GHz}\text{–}400\,\text{THz}$). Тепловое излучение, дистанционное зондирование, ИК-спектроскопия (колебательные переходы).
• Видимый свет: $\lambda\approx 400\text{–}700\,\text{nm}$ ($f\approx 430\text{–}750\,\text{THz}$). Фоторецепция, оптика, фотометрия.
• Ультрафиолет (UV): $\lambda\approx 10\text{–}400\,\text{nm}$ ($f\approx 0.75\text{–}30\,\text{PHz}$). Фотоэффект, стерилизация, флуоресценция; при коротких $\lambda$ — ионизирующее.
• Рентгеновское: $\lambda\approx 0.01\text{–}10\,\text{nm}$ ($f\approx 30\text{–}30000\,\text{PHz}$). Диагностика, кристаллография; ионизирующее.
• Гамма-излучение: $\lambda\lesssim 0.01\,\text{nm}$ ($f\gtrsim 30\,\text{EHz}$). Ядерные процессы, космические источники; ионизирующее.

Поддиапазоны (часто используемые)

Радиодиапазон (условно, ITU)

• ELF $<3\,\text{kHz}$, VLF $3\text{–}30\,\text{kHz}$, LF $30\text{–}300\,\text{kHz}$, MF $0.3\text{–}3\,\text{MHz}$, HF $3\text{–}30\,\text{MHz}$, VHF $30\text{–}300\,\text{MHz}$, UHF $0.3\text{–}3\,\text{GHz}$, SHF $3\text{–}30\,\text{GHz}$, EHF $30\text{–}300\,\text{GHz}$.

Инфракрасное

• NIR $0.75\text{–}3\,\mu\text{m}$, MIR $3\text{–}30\,\mu\text{m}$, FIR $30\text{–}1000\,\mu\text{m}$.

Ультрафиолет

• UVA $315\text{–}400\,\text{nm}$, UVB $280\text{–}315\,\text{nm}$, UVC $100\text{–}280\,\text{nm}$, часто выделяют EUV $10\text{–}121\,\text{nm}$.

Рентгеновское (грубо)

• Мягкое $0.1\text{–}10\,\text{nm}$, жёсткое $0.01\text{–}0.1\,\text{nm}$.

Цвета видимого диапазона (ориентировочно)

• Фиолетовый $380\text{–}450\,\text{nm}$, синий $450\text{–}495\,\text{nm}$, зелёный $495\text{–}570\,\text{nm}$, жёлтый $570\text{–}590\,\text{nm}$, оранжевый $590\text{–}620\,\text{nm}$, красный $620\text{–}750\,\text{nm}$.

Взаимодействие с веществом (качественно)

• Радио/микро: дипольные вращательные уровни молекул, проводники (токи, волноводы), нагрев в диэлектриках.
• IR: колебательные уровни молекул, тепловое излучение тел.
• Видимый/UV: электронные переходы в атомах/молекулах (абсорбция, эмиссия, люминесценция).
• X/γ: возбуждение внутренних оболочек, фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование пар (ионизация).

Оконные диапазоны атмосферы (наблюдения с поверхности)

• Оптическое окно: примерно $0.3\text{–}0.9\,\mu\text{m}$.
• Радиоокно: примерно $1\,\text{cm}\text{–}10\,\text{m}$ (широко, но с «провалами» из-за линий поглощения).
• ИК-окна — узкие интервалы прозрачности между полосами водяного пара и $\text{CO}_2$.

Безопасность

• Неионизирующее: радио → ИК (главным образом тепловое воздействие; нормируется по плотности потока и SAR).
• Ионизирующее: коротковолновый UV → X → γ (вызывает ионизацию, требует строгих мер защиты).

Ключевые формулы (сводка)

$c=f\lambda,\qquad \omega=2\pi f$

$E=h f,\qquad p=\frac{h}{\lambda}$