什么是电磁波谱?

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什么是电磁波谱?
当爱因斯坦引入了光子概念时,一种特定光的波越短,它的光子就越强的规律就逐渐成形了。因此,光谱中波最长的红光的光子能量最弱。橙、黄、绿、蓝光的光子能量依次递增,紫光具有最强的光子能量。然而问题是,是否普通光的光子包含了所有的光子。
答案是不,事实上,这是从 1800 年威廉·赫歇耳发现光谱延伸到可见光外时起,近 200 年以来所了解到的信息。你将回想起,赫歇耳在光谱的不同部分放一个温度计以便观察能得到什么温度,他发现光谱中红光区以外的温度比光谱自身任何部分的温度都高,这表明在光谱红外区有某种看不见的辐射。此光就是红外辐射(指红光的下一级),这在有关温室效应的内容中已提过了。
1801 年,英国物理学家托马斯·扬最终证明,与其说是小微粒不如说是微小的波构成了光。1850 年,意大利物理学家麦西唐尼·梅伦尼能证明红外辐射除了它的波更长且对眼睛无作用外,具有普通光的所有特性。一旦光子被理解,可认为所有红外光子都比可见光光子弱。
辐射光线也在光谱紫光以外存在。1801 年,德国物理学家约翰·威尔汉姆·里特正在试验一种方法,用这种方法,光可使某种银化合物变黑。他发现,当移向光谱紫光端时变黑就加速,但是比移出紫光区时要快。显然,也存在着紫外辐射(指紫光以外),虽然看不到它,目前我们知道紫外线与可见光相比波长较短,而且它的光子较强。
大约在 1870 年,詹姆斯·科勒克·麦克斯韦建立了四个方程式,描述了电学和磁学的所有特性,并指出这两个现象是一个电磁作用的不同方面。更重要的是,他指出如果电磁场振动,那么它就产生一个以光速传播的波形。如果振动是固有速度,就产生了光本身,结果光被认为是电磁辐射的一个例子。
虽然,各种速度的振动能产生越来越长的波,不仅有红外辐射,还有远超过它的其他辐射类型,也能产生非常短的波,包括紫外辐射和超过紫外的波。也就是说,有一个电磁波谱,波从惊人的短延伸到难以置信的长,可见光只是其构成的很小一段。
麦克斯韦曾指出这么极端的辐射是存在的,科学家知道寻找什么并能够找到。1888 年,一个德国物理学家海因理查·鲁道夫·赫兹发现了波长远长于红外线的无线电波。1895 年,另一个德国物理学家威尔汉姆·康拉德·伦琴发现了波长远短于紫外线的 X 射线。然后,1900 年,法国物理学家保罗·尤尔理查·威拉德发现被放射性物质发射的辐射线中的γ射线,它是一种波长比 X 射线更短的电磁辐射。
无线电波光子比红外光子弱;X 射线光子比紫外光子强;γ射线光子更强。
恒星倾向于发射贯穿整个电磁波谱的光子。既然这样,为什么我们只对波谱中很小的可见光波段敏感呢?
首先,一个像太阳的恒星释放出可见光区域中最大的辐射强度,所以由于依赖太阳的生活方式而得以发展的能接收这个波段且对其作出反应的感觉设备,是合理的。较冷的星,像红矮星,有大量较弱的红外辐射。较热的星,像大而厚的蓝白星,具有大量强紫外辐射。在这些热星 中,非常剧烈的活动能产生非常强的爆发性 X 射线,甚至γ射线。
其次,尽管地球的大气层,对可见光而言透射性很好,但对电磁波谱中其他部分而言是不透光的,所以我们没有很多机会去发现光的其他类型。但可见光波谱附近的一些红外线和紫外线设法穿透过来了;例如,穿过大气层的紫外线比可见光强,而且能更有效地产生晒斑。20 世纪 50 年代初,人类开始发射火箭到大气层外,装有能记录不能穿透地球大气层的电磁波谱仪器的卫星,被投入环绕地球运行的轨道。例如,通过研究太阳日冕发射的 X 射线,天文学家可以证明太阳的温度有几百万度。通过研究红外辐射,天文学家发现亮星天琴星座 a 星的尘带表明了行星物体的存在,并指导了褐矮星的研究。紫外线的发散以及偶然的爆发γ射线也都正在被研究。
然而,在天文学中,电磁波谱中最实用的部分无疑是无线电波。

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