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{{NoteTA
|G1=物理學
|1=zh-cn:纳米;zh-tw:奈米;zh-hk:納米;zh-mo:納米;
}}
[[File:EM Spectrum Properties edit zh.svg|thumb|300px|電磁波的波譜與性質。]]

'''電磁波譜'''（{{lang-en|electromagnetic spectrum}}）又称'''电磁频谱'''、'''电磁谱'''，是[[電磁輻射]]的[[頻率 (物理學)|頻率]]范围（即[[频谱]]）以及这些频率它们各自相应的[[波长]]和[[光子能量]]<ref>美國太空總署網頁：{{citation|url=http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/emspectrum.html|title=電磁波譜|accessdate=2010-04-30|archive-date=2006-09-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20060905131651/http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/emspectrum.html|dead-url=no}}</ref>。一個物體的電磁波譜專指的是這物體所發射或吸收的[[電磁輻射]]（又稱[[電磁波]]）的特徵頻率分布。

电磁波谱频率从低到高分別列为[[无线电波]]、[[微波]]、[[红外线]]、[[可见光]]、[[紫外线]]、[[X射线]]和[[伽马射线]]。可见光只是电磁波谱中一个很小的部分。電磁波譜[[波長]]有長到數千公里，也有短到只有[[原子]]的一小段。短波長的極限被認為，幾乎等於[[普朗克長度]]，長波長的極限被認為，等於整個[[宇宙]]的大小，雖然原則上，電磁波譜是無限的，而且連續的。
 
== 波譜值域 ==
[[File:Light spectrum.svg|right|thumb|200px|'''電磁輻射分類：'''
{| border="0"  cell<br />
γ = [[伽馬射線]]<br />
'''[[X射線]]：'''<br />
HX = 硬[[X射線]]<br />
SX = 軟X射線<br />
'''[[紫外線]]：'''<br />
EUV = 極端[[紫外線]]<br />
NUV = 近紫外線<br />
'''[[紅外線]]：'''<br />
NIR = 近[[紅外線]]<br />
MIR =中紅外線<br />
FIR = [[遠紅外線]]<br />
'''[[微波]]：'''<br />
EHF = [[極高頻]]<br />
SHF = [[超高頻]]<br />
UHF = [[特高頻]]<br />
'''[[無線電波]]：'''<br />
VHF = [[甚高頻]]<br />
HF = [[高頻]]<br />
MF = [[中頻]]<br />
LF = [[低頻]]<br />
VLF = [[甚低頻]]<br />
ULF = [[特低頻]]<br />
SLF = [[超低頻]]<br />
ELF = [[極低頻]]
|}]]

電磁波通常以[[頻率 (物理學)|頻率]]、[[波長]]或[[光子]][[能量]]，這三種[[物理量]]之中的任意一種物理量來描述。它們彼此之間的關係，以方程式表達為
:<math>f =\frac{c}{\lambda}\,\!</math>、
:<math>f =\frac{E}{h}\,\!</math>、
:<math>E=\frac{hc}{\lambda}\,\!</math>；

其中，<math>f\,\!</math>是頻率，<math>\lambda\,\!</math>是波長，<math>E\,\!</math>是光子能量，<math>c\,\!</math>是[[真空]]的[[光速]]，<math>h\,\!</math>是[[普朗克常數]]<ref name="CODATA">{{Citation
  | publisher= 美國國家標準與技術學院（{{lang|en|NIST}}）
  | title= CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006
  | year= 2006
  | url= http://physics.nist.gov/cuu/Constants/codata.pdf
  | accessdate= 2010-04-30
  | archive-date= 2018-06-12
  | archive-url= https://web.archive.org/web/20180612163158/https://physics.nist.gov/cuu/Constants/codata.pdf
  | dead-url= no
  }}</ref>。

波长与频率成反比，波长越长，频率越低；反之，频率越高，波长越短，其乘积是一个常数即光速<math>c\,\!</math>。另外电磁波的能量与频率成正比，係数为普朗克常數<math>h\,\!</math>。即频率越高，波长越短，能量越大。

按照波長長短，從長波開始，電磁波可以分類為[[無線電波]]、[[微波]]、[[紅外線]]、[[可見光]]、[[紫外線]]、[[X射線]]和[[伽馬射線]]等等。電磁波的物理行為與其波長有關。人類眼睛可以觀測到波長大約在400[[奈米]]和700奈米之間的電磁輻射，稱為可見光。在[[光譜學]]裏，各種各樣的[[光譜儀]]可以偵測到的電磁波波長的值域，比可見光的波長值域還要寬廣很多。普通實驗使用的光譜儀可以測量從2奈米到2500奈米波長的電磁波。使用這種儀器，可以得知物體、氣體或甚至恆星的詳細波譜數據。這是[[天文物理學]]的必備儀器。例如，因為[[超精細分裂]]（{{lang|en|hyperfine splitting}}），[[氫原子]]會發射波長為21.12公分的無線電波<ref>{{Citation
  | last = Griffiths
  | first = David J.
  | title = Hyperfine splitting in the ground state of hydrogen
  | journal = American Journal of Physics
  | volume = 50
  | issue = 8
  | pages = pp. 698
  | url = http://hep.ucsb.edu/courses/ph125_02/hyperfine.pdf
  | date = August 1982
  | accessdate = 2010-04-30
  | archive-date = 2020-05-12
  | archive-url = https://web.archive.org/web/20200512192410/http://hep.ucsb.edu/courses/ph125_02/hyperfine.pdf
  | dead-url = yes
  }}</ref>。某些[[星雲]]會產生頻率大約為或低於30 [[赫茲]]的電磁波<ref>{{cite web|url=http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/Pulsars.html|title=Essential Radio Astronomy: Pulsar Properties|author=J. J. Condon and S. M. Ransom|publisher=National Radio Astronomy Observatory|accessdate=2008-01-05|archive-date=2011-05-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20110504064425/http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/Pulsars.html|dead-url=yes}}</ref>。對於星雲物理行為的研究，這是很重要的實驗對象。在波譜的另一端，從天文星源發射出來，頻率高過2.9×10<sup>27</sup>赫茲的電磁波也曾經被偵測到過<ref>{{cite journal|doi= 10.1086/513696|title=Discovery of TeV Gamma‐Ray Emission from the Cygnus Region of the Galaxy|journal=The Astrophysical Journal Letters|date=2007-03-20|author=A. A. Abdo ''et al.''|volume=658|pages=L33}}</ref>。

== 簡介 ==
在波譜的不同譜域，電磁輻射與物質相互作用的機制也會大不相同，因此，稱呼這些為不同種類的電磁輻射是情有可原的。同時，電磁輻射是連續不斷地，包括了所有這些不同種類的電磁輻射。所以，電磁波譜指的是電磁波獨一無二的波譜，但是，按照電磁輻射與物質相互作用的不同機制，可以分為很多種類。
{| class="wikitable"
|-
! 波譜的譜域 
! 與物質相互作用的機制
|-
|無線電波 
|在大塊物質內，[[電荷載子]]的集體振盪。例如，由[[導體]]組成的[[天線]]，其導體內部的[[電子]]的振盪。
|-
|微波至紅外線
|[[電漿振盪]]（{{lang|en|plasma oscillation}}），[[分子轉動]]（{{lang|en|molecular rotation}}）  
|-
|近紅外線 
|[[分子振動]]（{{lang|en|molecular vibration}}），電漿振盪（只在金屬裏）
|-
|可見光
|[[分子]]的[[電子]][[激發態|激發]]（包括人體[[視網膜]]裏的[[色素]]分子），電漿振盪（只在金屬裏）
|-
|紫外線
|分子或原子的價電子的激發，包括電子的[[發射光譜|發射]]（[[光電效應]]）
|-
|X射線
|原子的內層電子的激發與發射，低[[原子序數]]的原子的[[康普頓散射]]
|-
|伽馬射線
|重元素的內層電子的高能量發射，[[康普頓散射]]，[[原子核]]的激發（包括原子核的解離）
|-
|超高能量伽馬射線
|粒子和其反粒子的[[成對產生]]。在超高能量狀況，單獨光子與物質的相互作用，能夠產生高能量的粒子與反粒子射叢。
|-
|}

== 電磁輻射種類 ==
[[File:Electromagnetic-Spectrum.png|thumb|200px|電磁波譜]]

X射線與伽馬射線之間主要是根據發射源來區分：伽馬射線是由[[放射性衰變|核衰變]]或其它種[[核子]]過程或[[次核粒子]]（{{lang|en|subnuclear particle}}）／粒子過程所產生的光子，而X射線則是由原子內部的高能量電子的[[躍遷]]所產生的光子。通常而言，核子躍遷的能量遠超過電子躍遷的能量，所以，伽馬射線的能量比X射線的能量大很多。但是，還是可以找到一些例外。依照前述常規，[[緲子原子]]（{{lang|en|muonic atom}}）躍遷產生的也是X射線，雖然這X射線能量可能會超過6MeV（0.96pJ）<ref>[http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-0335.pdf Corrections to muonic X-rays and a possible proton halo] {{Wayback|url=http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-0335.pdf |date=20170313134112 }} slac-pub-0335 (1967)</ref>。從另一方面來說，也有很多低能量的核子躍遷（至少已經發現了77種低於10 eV的低能量核子躍遷），例如，[[釷]]-229核子躍遷的能量為7.6 eV，雖然這能量比緲子X射線小一百萬倍，由於輻射源是核子，發射的光子仍舊稱為伽馬射線<ref>[[喬治亞州州立大學]]（{{lang|en|Georgia State University}}）線上物理網頁：[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ems3.html#c5 伽馬射線] {{Wayback|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ems3.html#c5 |date=20210421031911 }}</ref>。

電磁輻射的頻率與觀察者的[[參考系]]有關（詳盡物理解釋，請參閱[[多普勒效應]]）。設定兩個參考系Ａ和Ｂ，相對於參考系Ｂ，參考系Ａ以相對速度<math>v\,\!</math>移動。則對於同一電磁波，處於參考系A的觀察者所觀測到的頻率，跟處於參考系B的觀察者所觀測到的頻率必不相同，兩個頻率可能會屬於不同的頻域。例如，形成於宇宙初期，當物質與電磁輻射解耦時的[[宇宙微波背景輻射]]，是由[[氫原子]]從[[激發態]]躍遷至[[基態]]所產生的電磁輻射。原本這些電磁輻射屬於[[來曼系]]躍遷，是紫外線。可是，由於[[宇宙學紅移]]（{{lang|en|cosmological red shift}}），現在，相對於宇宙，緩慢移動的觀察者所觀測到的是微波。但是，對於以相對論性速度移動（接近光速）的粒子而言，處於這相對論性速度粒子的參考系的觀察者，會觀測到這些電磁輻射的[[藍移]]。對於擁有最高能量的[[宇宙線]][[質子]]而言，處於這質子的參考系的觀察者，會觀測到這些電磁輻射的[[藍移]]至高能量伽馬射線，與質子相互作用，產生[[夸克]]-[[反夸克]]對偶（[[π介子]]）。這是[[GZK極限]]的由來。

=== 無線電波 ===
{{main|無線電波}} 
根據[[共振|共振原理]]，無線電波可以由[[天線]]發射出去或接收回來，其波長在幾百公尺至一厘米之間。通過[[調變]]，可將信息加載於無線電波。因此無線電波可以用來傳遞信息。[[電視]]、[[行動電話]]、[[無線網路]]和[[業餘無線電]]，都使用無線電波來傳遞信息。為了便利大眾能夠和諧地共同使用無線電波為傳遞信息的媒介，政府會採取[[頻率分配]]（{{lang|en|frequency allocation}}）制度來規劃管理無線電波頻域。

應用[[振幅調變]]、[[頻率調變]]、[[相位調變]]（{{lang|en|phase modulation}}）等等技術，分配到狹窄頻帶的無線電波可以傳遞信息。當電磁輻射遇到電導體時，它會與電導體耦合，沿著電導體傳播，靠著激發處於表面的電子，在電導體表面感應出電流。這效應稱為[[集膚效應]]，是天線運作的主要原理。

某些物體的分子會吸收電磁輻射的能量，因而使得物體的[[熱能]]增加，造成熱效應。這是[[微波爐]]運作的主要原理。

=== 微波 ===
{{main|微波}}
[[File:Atmospheric electromagnetic opacity.svg|thumb|right|300px|地球大氣層對於不同頻率電磁輻射的不透明度圖]]

微波的波長通常不會超過可以傳播於一般直徑管狀金屬[[波導]]的最長長度。[[電子調速管]]（{{lang|en|klystron}}）或[[磁控管]]（{{lang|en|magnetron}}）可以用來生成微波。每一種[[極性|電極性分子]]，會對應著某些特定頻率的微波，使得電極性分子隨著振蕩電場一起[[旋轉]]，這機制稱為[[電介質加熱]]（{{lang|en|dielectric heating}}）。由於這種機制（不是[[熱傳導]]機制），電極性分子會吸收微波的能量。[[微波爐]]就是應用這運作原理，通過[[水分子]]或[[脂肪]]的旋轉，更均勻地將食物加熱，減少等候時間。微波加熱方法所需時間可以減少至一般加熱方法所需時間的1%。

無線網路通信技術[[Wi-Fi]]（無線保真技術）使用低強度微波來傳遞信息。使用的強度並不會造成加熱效應。這技術得到全世界廣泛的支持，大多數國家都已經採用了這技術。

==== 太赫兹輻射 ====
{{main|太赫兹輻射}}
[[太赫兹輻射]]（{{lang|en|terahertz radiation}}）的頻域在紅外線與微波之間。直到最近，這頻域並不常被研究，發射高頻端太拉赫輻射（波長低於釐米的電磁波）的儀器也不常見。但是，現在已發展出[[成像]]和[[通訊]]等等應用科技。科學家也開始發展太拉赫輻射科技的軍事用途。高頻率電磁波可能會使敵方軍隊的電子設備失去功能。

=== 紅外線 ===
{{main|紅外線}}
紅外線的頻域在300 GHz (1 mm)至400 THz (750 nm)之間，可以分為三部份：
*'''遠紅外線'''的頻域在300 GHz (1 mm)至30 THz (10 μm)之間。處於不同物態的物質會用不同的機制來吸收遠紅外線：氣態分子通常會以旋轉模機制、液體靠著分子的旋轉運動機制、固體用[[聲子]]機制。地球[[大氣層]]的[[水]]分子會強烈地吸收遠紅外線，使得遠紅外線無法有效地透射過大氣層。但是，波長大約在200[[微米]]至幾厘米之間，還是存在有一些狹窄的頻域（頻窗），能夠允許部分遠紅外線透射。利用這特性做[[天文學]]研究，可以得到很大的收穫。關於這方面的學術分支稱為[[次毫米天文學]]（{{lang|en|submillimeter astronomy}}）。
*'''中紅外線'''的頻域在30 THz (10 μm)至120 THz (2.5 μm)之間。熱物體（[[黑体 (物理学)|黑體]]輻射源）輻射中紅外線的強度大大強過其它種類的電磁輻射。中紅外線會被分子振動吸收，分子內部的原子會因而增加振動的振幅。對於熱物體而言，這頻域稱為'''指紋頻域'''，因為每一種熱物體都有其特徵的吸收譜線。
*'''近紅外線'''的頻域在120 THz (2,500 nm)至400 THz (750 nm)之間。在這頻域內的物理過程類似於可見光頻域的物理過程。

=== 可見光 ===
[[File:Spectre.svg|thumb|200px|right|可见光只是电磁波谱中很小的一部分。]]
{{main|可见光}}

可見光是頻率在400 THz (760 nm)至790 THz (380 nm)之間的電磁輻射，可以被人類[[眼睛]]偵測感知。可見光的頻域也是[[太陽]]和其它類似的[[恆星]]所發射的大部份輻射的頻域。這大概不是湊巧，而是生物演化形成的事實。

可見光（和近紅外線）通常會被在分子或原子內部的電子吸收或發射。由於吸收了電磁輻射能量，電子會從低能級躍遷至高能級。由於電子從高能級躍遷至低能級，電子會發射能量等於能級差的電磁輻射。[[彩虹]]是一種[[光學]]現象。當[[太陽光]]入射於大氣層後，被水滴[[折射]]與[[反射 (物理学)|反射]]，在天空形成了可以辨明為[[紅色]]、[[橙色]]、[[黃色]]、[[綠色]]、[[藍色]]、[[靛色]]和[[紫色]]的七彩光譜。

可見光從某一物體反射後，傳播達到眼睛，通過[[折射|折光]]系統在[[視網膜]]上成像，經[[視神經]]傳入到[[大腦]]視覺中樞，就可以分辨眼睛所看到的物體的色澤和分辨其亮度。因而可以看清視覺範圍內的發光或反光物體的輪廓，形狀，大小，顏色，遠近和表面細節等情況。

人類視覺器官並不能偵測到其它頻率的電磁輻射。自然輻射源所發射的電磁輻射的頻率分散於整個波譜。只有依賴光學儀器，才能將這些電磁輻射及其所載有的資訊，轉換成人類視覺器官可以偵測到的可見光。

[[光纖]]傳輸光波。由於光波在光纖的傳輸損失比電在電線傳導的損耗低得多，促使光纖被用作長距離的信息傳遞工具。光纖的主要生產原料是[[矽]]，蘊藏量極大，較易開採，所以價格便宜。隨著光纖的價格進一步降低，光纖也被用於[[醫療]]和[[照明]]的用途。

=== 紫外線 ===
{{main|紫外線}}
[[File:Ozone altitude UV graph.jpg|right|thumb|200px|隨著高度，紫外線穿透地球[[臭氧層]]的程度。黃色曲線是臭氧層隨著高度的分佈。]]
由於紫外線的能量很高，能夠破壞[[化學鍵]]，使分子不尋常地具有高反應性，或使分子被[[離子]]化（參閱[[光電效應]]）。例如，[[日光]]長時間地照射於皮膚會造成[[曬傷]]（{{lang|en|sunburn}}），這是因為紫外線會傷害皮膚細胞。假若，由於紫外線被細胞吸收，使得[[DNA]]遭受無法挽回的破壞，則很可能會造成[[皮膚癌]]（{{lang|en|skin cancer}}）。紫外線已被證明是一種[[突變源]]，會誘導有機體[[突變]]。每一天，太陽都會發射大量的紫外線。這會殺掉地表所有的生物，使得地球迅速地變為毫無生命的沙漠。但是，大部分的紫外線都會被大氣層高空的[[臭氧層]]吸收，不會抵達地球表面。

=== X射線 ===
{{main|X射線}}
X射線會使分子被離子化。由於X射線具有更高能量，X射線能夠以康普頓效應與物質相互作用。X射線又分為硬X射線和軟X射線兩種。硬X射線的波長恆短於軟X射線的波長。由於X射線能透過大多數物質，X射線可以用來透視物體。[[放射線照相術]]（{{lang|en|radiography}}）用X射線來產生[[醫學影像|診斷圖像]]，這可能是X射線技術應用最廣泛的地方。

[[中子星]]和環繞著[[黑洞]]的[[吸積盤]]所發射的電磁輻射多半為X射線。這給與了[[天文學家]]很優良的輻射源。

利用電子對X射線的[[散射]]作用，[[X射線晶體學]]可以獲得[[晶體]]中電子密度的分布情況，仔細分析這數據，可以求得原子的位置信息，即[[晶體結構]]。

=== 伽馬射線 ===
{{main|伽馬射線}}
伽馬射線是由[[保罗·维拉尔]]於1900年研究[[鐳]]元素發射的輻射時發現的。伽馬射線是能量最高的光子，其頻率沒有定義上限。天文學家時常會研究高能量天文體發射的伽馬射線。從測得的數據，可以了解天文體的結構與行為。伽馬射線[[輻照]]（{{lang|en|irradiation}}）能夠滅菌，可以用於保持食品和種子的新鮮。在醫學方面，伽馬射線可以用於像[[正電子發射計算機斷層掃描]]一類的[[醫學影像|診斷圖像]]和[[癌症]]的[[放射線治療]]。

== 参见 ==
*[[宇宙線]]
*[[腦電圖]]
*[[光譜學]]
*[[游離輻射]]
*[[輻射]]

== 参考资料 ==
{{reflist}}

== 外部連結 ==
{{commonscat|Electromagnetic spectrum}}
*中華民國（台灣）的[https://web.archive.org/web/20131006163026/http://freqdbo.ncc.gov.tw/upload/FILESAVE/080724081215.pdf 無線電波波譜分配圖表]
*香港的[http://www.coms-auth.hk/filemanager/tc/content_613/spectrum_plan2014_tc.pdf 無線電波波譜分配圖表] {{Wayback|url=http://www.coms-auth.hk/filemanager/tc/content_613/spectrum_plan2014_tc.pdf |date=20150923210921 }}
*日本的[http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/usecondition/wagakuni.pdf 無線電波波譜分配圖表] {{Wayback|url=http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/usecondition/wagakuni.pdf |date=20210423095234 }}
*美國的[http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.html 無線電波波譜分配圖表] {{Wayback|url=http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.html |date=20080204194331 }}—頻域從3 kHz to 300 GHz

{{EMSpectrum}}
{{DEFAULTSORT:D}}
[[Category:電磁波譜|*]]
[[Category:振動和波]]
[[Category:光學]]
[[Category:電磁學]]