奧林巴斯顯微鏡，電磁輻射的性質

可見光是一個復雜的現象，是古典與基于傳播射線和波前一個簡單的模型來解釋，一個概念*早在17世紀末期由荷蘭物理學家惠更斯提出。 電磁輻射，大家族到可見光屬于（也稱為輻射能 ）波浪狀的現象，是主要手段，通過對宇宙的浩瀚下游輸送能量。 由可見光發射或吸收的物質，以及它是如何變化的條件下，可預見的反應，因為它穿越空間和大氣的機制，形成色彩在我們的宇宙中存在的基礎。

術語電磁輻射 ，爵士詹姆斯·克拉克·麥克斯韋杜撰，從通用于所有形式的這種波浪狀能量的電特性和磁學性質得出，通過空間表現為兩個電磁振蕩場的波的產生傳播。 可見光表示電磁輻射的整個頻譜的一小部分（如歸類于圖1），其從高頻的宇宙射線和γ射線，通過X射線，紫外光，紅外輻射，微波和延伸，下降到非常低的頻率長波長的無線電波。

光，電和磁之間的聯系是不會立即明顯，早期的科學家誰是嘗試與光的基本屬性和關系。 紅外光，這在于*越可見光的長波長紅色，是電磁輻射被發現的*個“看不見”的形式。 英國科學家和天文學家威廉·赫歇爾在調查溫度計和棱鏡的熱和光之間的關系時，他發現溫度*高的區域只是*出了可見光光譜的紅色部分。 赫歇爾建議，必須有在這個區域是不可見肉眼另一種類型的光。

紫外線輻射，在可見光譜的另一端，被發現由Wilhelm特爾，誰是第科學家調查與可見光相關的能量中的一個。 通過觀察在其中各種顏色的光激發的紙用硝酸銀的溶液飽和變暗速率，里特發現，光的另一個看不見的形式，*越了光譜的藍端，得到*快的速率。

電和磁是*個在1820年時，相關的丹麥物理學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特發現，流經導線的電流會產生一個羅盤針偏轉。 同年晚些時候，法國科學家安德烈 - 瑪麗·安培表明，兩條導線承載的電流，可向吸引或排斥對方，類似磁極的一種時尚。 在接下來的幾十年里，下面的這些線索補充調查所產生的證據表明，電和磁是非常密切相關，彼此越來越多。

*后，在1865年，蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋擴大了他的氣體動力學理論來解釋數學上電和磁之間的聯系。 麥克斯韋推測，這兩種現象是如此緊密相連，他們經常一起行動為電磁 ，發現交流電會產生電磁波輻射是到太空以光的速度兩個實體組成。 從這些觀察，他得出的結論是可見光是電磁輻射的一種形式。

電磁波傳播或傳播該被定向成直角的兩電（E）和磁（B）的振蕩場矢量的振動，來自輻射源的能量傳送到一個不確定的*終目的地的方向。 在兩個振蕩能量場相互垂直（在圖2中示出）和下一個正弦波的數學形式的振動同相。 電場和磁場向量不是*的彼此垂直的，但也垂直于波的傳播方向。 按照慣例，為了簡化圖示，表示電磁波的電場和磁場的振蕩場的矢量常常省略，盡管它們被理解為仍然存在。

是否考慮從廣播臺發送到無線電信號的形式，熱從壁爐輻射，牙醫的X射線產生的牙齒的圖像，或在可見光和紫外光從太陽發出的，在各類電磁輻射的所有有著相同和基波樣特性。 電磁輻射，包括可見光，每一個類別中的振蕩的周期的方式與峰和谷（或波谷），并顯示了特征的振幅 ， 波長和頻率共同定義的方向，能量和輻射的強度。

在圖2中呈現的電磁波的經典示意圖示出，因為他們通過空間傳播的振蕩電場和磁場分量向量的正弦性質。 為方便起見，多數的插圖描繪電磁輻射故意省略磁性部件，而不是僅代表電場矢量在一個二維圖形情節具有定義的x和y坐標的正弦波。 按照慣例，該正弦波的y分量表示的電（或磁場）的振幅，而x分量表示時間，行駛的距離，或與另一正弦波的相位關系。

所有的電磁輻射的一個衡量標準是波長的量級（在真空中），它通常以納米（千分之一微米），用于在光譜的可見光部分的單位表示。 的波長被定義為兩個連續的峰（或谷）之間的波形（見圖2）的距離。 的輻射波，這是正弦周期（振蕩或完整的波長）的數量是通過每秒一個給定的點的對應頻率 ，正比于波長的倒數。因此，較長的波長對應于較低頻率輻射和較短的波長對應于較高的頻率的輻射。 頻率通常以赫茲（Hz）或每秒（cps）的周期數量。

赫茲被指定為電磁輻射頻率的識別德國物理學家海因里希赫茲，誰成功地生成和執行與電磁波實驗于1887年，麥克斯韋去世八年后的工作的標準單位。 赫茲生產，檢測，甚至測量輻射的波長（約1米），現在歸類于射頻范圍。 大衛·休斯，一個倫敦出生的科學家是誰在他早期的職業生涯中的音樂教授，實際上可能是*個調查中無線電波的傳播（1879年）成功，但未能說服英國皇家學會后，他決定不出版他的作品，它不被認可，直到很多年以后。

不同的波長和頻率，包括各種形式的電磁輻射是在它們的所有旅行每秒（或約300,000每秒千米）相同的速度大約186000英里基本上類似，速度通常被稱為光的速度（與由符號 C表示）。 電磁輻射（包括可見光）行駛1.49億公里（93000000英里）從太陽到地球約8分鐘。 相比之下，汽車飛馳在每小時100公里（每小時60英里）需要177年做出同樣的單程旅行。 在只有一秒，輕者可環繞地球的七倍。

光的波長，和所有其他形式的電磁輻射，是關系到頻率通過一個相對簡單的等式：

其中 ，c是光的速度（米每秒），ν是赫茲（Hz）的光的頻率，而λ是以米為單位測得的光的波長。 從這個關系可以得出結論，光的波長是與頻率成反比。 在頻率的增加產生一個比例減少的光的波長，與構成該光的光子的能量的相應增加。 在進入一個新的介質（如玻璃或水從空氣中），光的速度和波長減小時，雖然頻率保持不變。

在正常情況下，通過均勻的介質，如空氣或真空中行進時，光沿直線傳播，直到與另一個介質或材料相互作用誘導路徑的變化，通過折射 （彎曲）或反射 。 的強度也可以通過介質減少吸收的結果。 如果光波穿過一個狹窄的縫隙或開口（孔），然后可以將它們衍射或分散（分散的），以形成一個特征衍射圖案。 按照眾所周知的平方反比定律 ，電磁輻射的強度（或輻射）成反比行進的距離的平方。 因此，后光具有給定的行駛距離的兩倍，強度下降了的4倍。

可見光顯示經典波浪狀的特性，但它也表現出性能讓人想起顆粒，這是通過具有能量和動量（但沒有質量）實體顯現出來，并且被稱為光子 。 該原子是各種形式的電磁輻射，不管是可見的或不可見的源。 較高能量形式的輻射，如γ波和X射線，是由發生干擾的原子的核穩定的事件產生。 輻射具有較低能量，如紫外線，可見光和紅外光，以及無線電和微波，從周圍的細胞核或1原子的相互作用與另一個電子云起源。 這些形式的輻射的發生是由于事實，即電子的移動在繞原子核的軌道被安排在不同的能量水平的概率分布函數內。 許多電子的能吸收更多的能量從電磁輻射的外部源（見圖3），這將導致他們的推廣到一個內在的不穩定性較高的能級。

*終，“興奮”電子通過發射低能量的電磁輻射失去多余的能量，在此過程中，回落到原來的穩定的能量水平。所發射的輻射的能量等于*初是由電子減去其他少量的能量，通過若干次級過程的丟失所吸收的能量。

電磁輻射的能量水平可以變化，以一個顯著程度取決于源的電子或原子核的能量。 例如，無線電波具有顯著較少的能量比做微波，紅外線，或可見光，并且所有這些波的含有能量遠小于紫外線，X射線和γ波。 作為一項規則，更高的電磁輻射能量與更短的波長比同類形式的輻射具有較低的能量有關。 的電磁波的能量，其頻率之間的關系被表示的公式：

其中，E是能量在每摩爾千焦耳，h是普朗克常數，并且其他變量的定義如前所述。 根據此公式中，電磁波的能量成正比的頻率和反比于波長。 因此，隨著頻率的增加（與波長相應減少）時，電磁波的能量增加，反之亦然。 不同類型的電磁輻射的選定的特性，它們的波長，頻率和能量水平的定義，將單獨評論在下面的段落中。

即使電磁輻射是由波形的波長和頻率的習慣那樣，其它特性時考慮波通過空間傳播的方式是重要的。 示于圖4是表示被用于描述電磁輻射的均勻性的程度共同狀態的各種波形。 因為可見光是*常見的討論形式的輻射，在圖4所示的例子中有代表性的波長在此光譜區域。 例如， 單色光由波都具有相同的波長和頻率，或宏觀上，相同顏色的可見光。 相比之下， 多色可見光通常出現應有的貢獻從全部或大部分波長在光譜中400和700納米之間不等的混合物為白色 。

當光是非偏振的 （圖4）中，電場矢量的振動在躺在垂直于傳播方向的所有平面。 光已經被反射的光滑表面以臨界角，或通過偏振濾光器通過，假定平面偏振方向與所有的電矢量垂直于傳播方向的振動在一個單一的平面。 來自太陽，并且大多數普通白熾燈和熒光燈可見光源，光是非偏振光，而光通過定制太陽鏡偏光鏡片看到的被極化的垂直方向。 在一些情況下，光可以是橢圓形或當其穿過具有一個以上的折射率（ 雙折射或加倍折射的物質）的材料的圓偏振光。

大多數人造和天然光源發出非相干光用于顯示各種相位關系存在于光譜中的波長之間（圖4）。 在這種情況下，在各個波的振動狀態的峰和谷在空間或時間上不重合。 相干光由波長是在彼此同相的，并表現在一個非常不同的方式比非相干光相對于光學性能和相互作用的問題。 由相干光產生的波陣面有電場和磁場矢量的振動在振蕩階段，具有低發散角，并且通常是由單色光的波長或具有窄分布。 激光是相干光的一個常見來源。

光波具有同軸的，相對非發散路徑，因為它們穿越空間被稱為平行 。 這個組織的光的形狀不擴散或收斂到一個顯著度以上比較長的距離。 準直的光形成了一個非常緊湊的光束，但不一定必須波長的窄頻帶（它也不一定是單色的），一個共同的相位關系，或一個定義的偏振狀態。 準直的光的波陣面是平面，并垂直于傳播軸。 與此相反， 發散或者非準直光傳播到不同程度，同時通過空間移動，并且必須通過以被準直或聚焦透鏡或光圈被傳遞。

伽馬射線 -即具有*高頻率的高能量輻射（與波長*短），伽馬射線發射的原子核，包括某些放射性物質（天然的和人工的）核內躍遷的結果。 伽瑪波也從核爆炸以及各種在外層空間進行其他來源的起源。 這些**的射線具有巨大的穿透能力，據報道，能夠通過具體的三米！ 個別伽瑪射線光子含有它們很容易被發現如此多的能量，但非常小的波長限制了實驗觀察的任何波狀特性。 伽瑪射線從宇宙中*熱的地區，包括*新星爆炸，中子星，脈沖星和黑洞始發，通過在太空中遙遠的距離才能到達地球。 這種高能量輻射的形式具有波長小于百分之一納米（10皮米）中，光子能量大于500千電子伏（ 千電子伏 ），以及頻率*過30exahertz（EHZ）。

暴露于γ射線可誘發突變，染色體畸變，甚至細胞死亡，如通常在一些形式的輻射中毒的觀察。 然而，通過控制伽瑪射線的輻射，放射科醫生可以重新引導高能量水平，以對抗疾病，并幫助治療某些癌癥。 伽瑪射線天文學是一個相對較新的科學，以產生宇宙的圖像，如圖5所示收集這些高能量波。 這種技術能提供科學家機會觀察在尋找新的物理概念，遙遠的天體現象，并測試無法通過這里在地球上進行的實驗被質疑的理論。

X射線 -具有電磁輻射的頻率只是紫外上述（但伽瑪以下）的范圍被劃分為X射線，并且是能量足以通過許多材料容易通過，包括動物的軟組織。 高穿透深度的這些**的波，加上其露出感光乳劑的能力，導致了廣泛使用的X射線的醫學研究的紋理在人體內，并在某些情況下，作為一種治療或外科手術工具。 以同樣的方式作為高能量的γ射線，不受控制暴露于X射線可導致突變，染色體畸變，以及其他形式的細胞損傷。 傳統的X線成像方法本質上產生無非致密的材料鑄件的影子，而不是詳細的圖像。 在X-射線反射鏡可聚焦技術的*新進展，但是，已經導致了從各種利用X射線望遠鏡，X射線顯微鏡，干涉儀和物體的顯著更詳細的圖像。

在外層空間熱氣散發出的X射線，這是由天文學家利用來獲得關于宇宙的星際地區的起源和特性信息的**的頻譜。 許多極熱天體，包括太陽，黑洞，脈沖星和，放出主要是在光譜的X射線區域和是天文數字X射線研究的課題。 的X射線的頻譜跨越一個非常大的范圍內，用*短的波長接近的原子的直徑。 然而，整個透視光譜區域橫穿約10納米和10皮米之間的長度尺度。 該波長范圍內，使X射線輻射地質學家和化學家的重要工具，用于表征晶體材料的結構和性質，這對一個長度尺度周期結構特征相媲美的透視波長。

紫外線燈 -通常縮寫（UV），紫外線輻射傳播頻率略高于那些紫色的可見光光譜。 雖然這個光譜區域的低能端鄰近可見光，紫外線，在其頻率范圍的上端有足夠的能量，以殺死活細胞和產生顯著組織損傷。 太陽是紫外線輻射的恒流源，但地球（主要是臭氧分子）的氣氛有效地阻止大多數這種可能致命的輻射流的更短的波長，從而提供對植物和動物合適的生活環境。 在紫外光的光子能量足以電離從多個氣體分子在大氣中的原子數，這是由電離層被創建和持續的過程。 盡管小劑量的這種相對高能量的光可以促進維生素D在體內的生產，導致皮膚曬黑極小，過多的紫外線照射會導致嚴重的曬傷，永久性的視網膜損傷，并促進皮膚癌。

紫外線被廣泛使用科學儀器來探測各種化學和生物系統的性能，這也是很重要的太陽系，銀河系和宇宙的其他部分的天文觀測。 星等熱點天體是紫外線輻射較強的發射器。 紫外線波長光譜范圍從約10至約400納米，具有光子能量3.2和100電子伏特（eV）之間的范圍內。 這一類的輻射具有在水和食物治療應用中作為抗微生物劑，作為光催化劑為籠狀化合物，并且是利用硬化石膏中的藥物治療。 紫外線的殺菌活性發生在波長小于約290納米。 A股市場的封鎖和過濾而皮膚乳液，太陽眼鏡，和窗口色調采用化合物旨在控制紫外線照射的陽光。

一些昆蟲（特別是蜜蜂）和鳥類具有在紫外區域至長波長響應足夠的視覺靈敏度，并且可以依靠這種能力中的導航。 人類是在它們對紫外線輻射敏感度由于吸收較短波長的角膜限定，由強吸收在眼透鏡在波長大于300納米。

可見光 -與可見光光譜相關聯的顏色的彩虹代表了整個電磁頻譜的只有約2.5％，并包括光子能量約1.6到3.2電子伏特之間。 顏色不是光本身的性質，但對顏色的感覺時，通過人的眼睛，神經，腦傳感系統的結合反應。 在電磁波譜的可見光區位于一個窄頻帶內，從約384至769 太赫茲和被感知為顏色從深紅（780納米波長）深紫外線（400納米）。

低能量，長波長紅色的顏色（622-780納米），其次是按順序由橙色（597-622納米），黃色（577-597納米），綠色（492-577納米），藍色（455-492納米），*后是相對高能量，短波長的紫外線（455納米及以下）。 一個簡單的方法來記住在可見光光譜的顏色順序（增加頻率）與助記符縮寫ROY摹BIV（R版，O范圍，Y ellow， 綠，B略， 我ndigo，V iolet， ），作為教導百萬計的學童近一個世紀（盡管靛藍是由一些科學家不再被認為是相關的顏色）。

可見光光譜成彩色區域基于物理性質的劃分很簡單，但在色彩感應的方式就沒有那么明顯。 從人的感測系統的對可見光譜的各種頻率的區域，以及各種光的頻率的不同組合的主觀反應的顏色感知的結果可以產生“看到”的特定顏色的相同的視覺響應。 人類可以感知的顏色綠色，例如，反應輕幾種顏色的組合，其中并無必然組成的“綠色”波長。

可見光的基礎是地球上所有生命，是由初級產品生產者或自養生物 ，如綠色植物抓獲。 生物食物鏈的這些基本成員利用太陽光作為能源的來源，制造自己的食物和生化組成部分。 作為回報，自養生物釋放氧氣，在所有的動物依賴，作為一個副產品。

在1672年，艾薩克·牛頓爵士的研究可見光與玻璃棱鏡的互動和*認識到白光實際上是不同的顏色代表了整個可見光光譜的混合物。 從多種天然和人工白熾光源，包括陽光，化學反應（如火災）和白熾燈鎢絲白色光的起源。 從這種類型的源的寬的發射光譜被稱為熱輻射。 可見光的其它來源，例如氣體放電管，能夠在狹窄的，明確定義的頻率范圍（相當于一個單一的顏色），這取決于特定的能級躍遷的源材料的原子發射的光。各個顏色的強烈感覺也導致從材料及被白光照明對象的特定的吸收，反射或透射特性。 一種常見的合成染料，鳶尾藍B的可見紫外光的吸收光譜，示于圖6。 這個色彩鮮艷的有機分子的吸收解決方案中均可見及紫外光的光譜范圍的光，似乎大多數人作為一個富有，中等藍色。

紅外輻射 -通常簡稱IR，紅外波段的大波段從可見光光譜（約700-780納米）的遠紅外部分延伸到波長大約1毫米。 隨著光子能量范圍大約從?1.2 millielectron伏到略低于1.7電子伏特，紅外線波有相應的300千兆赫（GHz）和大約400 太赫茲之間的頻率。 這種類型的輻射與所述熱區，其中可見光不一定是可檢測的，甚至存在關聯。 例如，對人體不發射可見光，但它并發出微弱的紅外輻射，這是感覺，并且可以記錄為熱量。 發射光譜始于約3000納米的范圍*出了遠紅外，*高達到約10000納米。

存在上述的*零度（-273攝氏度）的溫度的所有對象的分子發出紅外射線，并排出量一般隨溫度增加而增加。 約一半的太陽的電磁能量被在紅外區發射的，和家用物品，如加熱器和燈也產生大量。 白熾鎢絲燈的光線相當低效的生產者，實際上發射比可見光波更紅外線。

依靠紅外輻射探測常用的工具是夜視鏡，電子探測器，在衛星和飛機的傳感器，和天文儀器。 由軍方使用所謂的熱尋的******的紅外探測器指導。 在外太空，輻射的紅外線波長對應恒星之間的天體的塵埃，就證明了從地球觀看銀河系時可見大暗斑。 在家庭中，紅外輻射起著加熱和干燥衣服一個熟悉的作用，以及允許的車庫門和家庭娛樂設備的遙控操作。

紅外攝影采用近紅外光譜的優勢，以記錄片的專業法醫有用，遙感（如航空農作物和森林調查），繪畫修復，衛星成像和軍事監控應用的圖像。 奇怪的是，太陽眼鏡和其它光學表面涂覆有紫外光和可見光粘連劑紅外照片顯示為透明，并揭示了眼睛后面貌似不透明鏡片。 紅外線照相膠片將不記錄的熱輻射（熱）的分布，因為它不是足夠靈敏，以長波長的輻射（遠紅外線）。 圖7給出兩個美國城市和維蘇威火山，在意大利的幾個紅外傳感器生成的衛星圖像。

微波爐 -目前在千家萬戶用于加熱食品的普遍技術的基礎上，微波光譜的波長范圍從大約一毫米到30厘米（或約一英尺）。 在偶然的情況下，水分子存在于大多數食物有微波范圍內的旋轉共振頻率利用微波在食品制備結果的吸引力。 在2.45千兆赫（12.2厘米波長）的頻率，水分子有效地吸收微波能量，并隨后消散輻射熱（紅外線）。 如果容器不包含水的材料組成是用來在微波爐裝食品，他們往往會保持冷靜，增添了顯著額外的便利，以微波烹

微波爐構成的*高頻率的無線電波，并通過地球發射，建筑物，汽車，飛機和其它大型物體。 此外，低強度微波輻射滲透的空間，在那里它被推測宇宙的形成過程中已公布的大爆炸 。 更高頻率的微波所依據的雷達，這代表RA DIODetecting釹?anging，追蹤大型物件，并計算它們的速度和距離所使用的發送和接收技術的縮寫。 天文學家利用外星微波輻射來研究銀河系和其它鄰近星系。 一個顯著金額的天文資料是來自于學習一個特定的發射波長（21厘米或1420兆赫茲），不帶電荷的氫原子，其廣泛分布于整個空間。

微波爐也被用于運送從地球信息軌道衛星在廣闊的通信網絡，用于中繼從陸基站的信息長距離，而在地形測繪。 出乎意料的是，一些由海因里希赫茲，Jagadis錢德拉百色，和馬可尼（現代無線電之父）進行了首次電磁實驗，進行了利用輻射或接近微波區域。 利用了狹窄的波束寬度和聚焦的微波，這是很難攔截并含有比較大量的信息允許增加調制帶寬早期軍事應用。 有一些爭論在科學界在癌癥和與移動電話塔和不斷累積的微波輻射暴露，泄漏微波爐，并把靠近大腦移動電話在使用過程中的行為相關聯的熱組織損傷的潛在的健康風險。

無線電波 -電磁波譜的膨脹射頻部分包括從約30厘米波長為數千公里。 輻射在該范圍內包含非常少的能量，和上限頻率（約1千兆赫）發生在其中廣播電視被限制的頻帶的端部。 在這樣低的頻率下，輻射的光子（粒狀）字符是看不出來的，波浪出現在一個平滑，連續的方式傳遞能量。 沒有理論上限，射頻輻射的波長。 低頻率（60赫茲）交變電流通過電源線進行，作為一個例子，有大約500萬米（或大約3,000英里）的波長。 用于通信的無線電波被調制以兩種傳輸規范之一： 振幅調制（AM）波，在不同的波長的振幅和頻率調制（FM;見圖8）波，在不同的波長的頻率。 無線電波發揮行業重要的作用，通信，醫藥，和磁共振成像（MRI）。

電視的聲音和視頻部分通過大氣通過具有波長小于一米，其被調制為廣播很像FM收音機較短的無線電波被傳送。 無線電波在遙遠的星系星也產生了，并且可以通過天文學家利用專門的射電望遠鏡進行檢測。 龍波，數百萬英里長，已發現從深太空輻射向地球。 由于信號是如此之弱，射電望遠鏡常常聯合起來在含有大量巨大的天線，接收器基于并行陣列。

當研究的范圍廣泛的電磁輻射光譜的光的頻率（每單位時間振蕩的次數）和波長（各振蕩的長度）之間的關系的性質變得很明顯。 非常高頻率的電磁輻射，例如γ射線，X射線，和紫外線，包括非常短的波長和顯著量的能量。 另一方面，較低的頻率輻射，包括可見光，紅外線，微波和無線電波，相應地具有較長的波長具有較低的能量。 雖然電磁頻譜通常被描述為在頻率和波長遍歷幅度約為24的訂單，沒有內在的上部或下部邊界輻射這個連續分布的波長和頻率。