第三節 電磁波譜
觀察電磁波譜

過去人們進行了很多實驗,除證明光是電磁波外,亦發現有更多不同形式的電磁波。將各種不同的電磁波按波長(或頻率)的大小排列,就是電磁波譜 (electromagnetic spectrum),如所示。

各種各樣的電磁波中,它們的波長的分別可以很大。但要留意,不同類別的電磁波之間是沒有明確的分界位置的。

事實上在電磁波譜裡,可見光譜只佔一個很小的部分、波長範圍很窄。中除顯示各種電磁波的波長和頻率之外,在有關波長(或頻率)範圍下方的圖片,乃表示該範圍電磁波的來源或應用。

電磁波譜顯示了各種電磁波的波長和頻率。這裡另外加上了的圖片,旨在示意所在波長附近的電磁波的來源或應用。
各種電磁波典型範圍、來源和應用

同樣是屬於電磁波,都有各式各樣的不同類別。它們的波長範圍可以分別很大、於不同的領域上亦有豐富的應用。為了對各種電磁波有個概括了解,下方分頁分別對無線電波 (radio wave)、微波 (microwave)、紅外線 (infrared)、可見光 (visible light)、紫外線 (ultraviolet)、X射線 (X-ray) 和 伽瑪射線 (gamma ray) 作簡介:


無線電波:

  • 波長:\(3\times {{10}^{-2}}\ \text{m}\)  ~  \(3\times {{10}^{4}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\({{10}^{4}}\ \text{Hz}\)  ~  \({{10}^{10}}\ \text{Hz}\)

無線電波可由無線電發射器產生。

無線電發射器中的電子線路,會使天線中的電子發生振動。當電子在振動時,就會產生電磁波。


【應用】

無線電波主要用於通訊。電視()和電台廣播、手提電話()都是靠無線電波傳遞訊息。

家中所看到的電視節目,其廣播是利用無線電波傳遞訊息
手提電話都是利用無線電波來傳遞訊息

微波:

  • 波長:\(3\times {{10}^{-3}}\ \text{m}\)  ~  \(3\times {{10}^{-2}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\({{10}^{10}}\ \text{Hz}\)  ~  \({{10}^{11}}\ \text{Hz}\)

微波可以由電子線路中產生。


【應用】

  1. 微波爐()利用微波加熱食物。

  2. 所示為地上的發射站;由於微波可以射出大氣層,故微波會被應用於國際間的通訊系統。

  3. 雷達也是利用微波來偵察飛機、船隻及汽車的位置及運動。雷達系統會向偵察範圍內射出一束幼小的微波,若微波射到物體的金屬表面後便會被反射回雷達系統。雷達系統在分析反射的微波後便能確定物體的位置及速度。
微波爐;微波爐加熱食物時,食物中的水分子吸收微波後會加劇振動,使食物迅速變熱。

衛星通訊的訊號發射站;發射站會把微波訊號射向太空中的人造衛星,人造衛星將訊號放大,然後改送至遠處的訊號接收站。

紅外線:

  • 波長:\(7.6\times {{10}^{-7}}\ \text{m}\)  ~  \(3\times {{10}^{-3}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\(1\times {{10}^{11}}\ \text{Hz}\)  ~  \(4\times {{10}^{14}}\ \text{Hz}\)

任何發熱的物體都會發出紅外線。

紅外線給物體吸收後會轉化為內能,使物體變熱。因此人眼雖然不能看到紅外線,但我們的皮膚吸收紅外線後便感覺發熱而感到它的存在。


【應用】

  1. 紅外線有很多用途。例如利用探測物體發出的紅外線的儀器(夜視鏡),人們可以在漆黑中監察環境。(

  2. 紅外線也可用於傳播訊息。家中電視機、錄像機、音響系統等等所配備的遙控器(),都使用紅外線傳遞指令來遙控器材。現在紅外線也應用於互聯網訊息傳遞。
(a) 消防員用紅外線相機拍攝紅外線影像;(b) 從紅外線影像可準確地知道物體表面上各點的溫度
家中電器所配備的遙控器,頂部常設置有紅外線發射器

可見光:

  • 波長:\(4\times {{10}^{-7}}\ \text{m}\)  ~  \(7.6\times {{10}^{-7}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\(4\times {{10}^{14}}\ \text{Hz}\)  ~  \(7.5\times {{10}^{14}}\ \text{Hz}\)

可見光最大的來源是太陽,而高溫的物體也發出可見光()。

可見光是電磁波譜中能被人眼看到的部分。不同頻率的光會顯出不同的顏色。在可見光各種色光中,人眼對黃光及綠光最敏感。


【應用】

植物的綠葉吸收可見光(除了綠光)後會發生光合作用,製造碳水化合物。(

高溫的物體會發出可見光
綠葉吸收了可見光後發生光合作用,製造碳水化合物

紫外線:

  • 波長:\(5\times {{10}^{-9}}\ \text{m}\)  ~  \(4\times {{10}^{-7}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\(7.5\times {{10}^{14}}\ \text{Hz}\)  ~  \(6\times {{10}^{16}}\ \text{Hz}\)

紫外線通常來自太陽,會曬黑皮膚,並在皮下產生維他命 D,但過量照射會引起皮膚癌。


【應用】

  1. 紫外線有殺菌功效,可以用來消毒食水,甚至消毒空氣()。

  2. 一些化學劑在紫外光照射下會發出螢光。這些化學劑被用於印製鈔票,使真鈔和偽鈔可用紫外燈鑑別出來()。這些化學劑也會被加進洗衣粉中,使清潔好的衣物暴露在陽光下時顯得「更白」。
設置於食品製造工場,用於消毒空氣的紫外光燈

要檢查貨幣的真偽時,常會用到鈔票檢測器

X射線:

  • 波長:\(1\times {{10}^{-12}}\ \text{m}\)  ~  \(1\times {{10}^{-8}}\ \text{m}\)
  • 頻率:\(3\times {{10}^{16}}\ \text{Hz}\)  ~  \(3\times {{10}^{20}}\ \text{Hz}\)

X射線是由 X 射線管產生。


【應用】

  1. X 射線能穿透肌肉和內臟組織,而不能穿透骨骼和牙齒。因此醫生們會利用 X 射線來檢查病人的骨骼和牙齒。(

  2. X 射線能損害細胞,但適當使用,能殺死癌細胞。

  3. X 射線能用於偵察與安檢工作(),如檢查行李中的金屬利器或槍械。
X光底片

設於上海地鐵車站內的 X 射線安檢機

伽瑪射線:

  • 波長:小於  \(1\times {{10}^{-10}}\ \text{m}\)
  • 頻率:大於  \(3\times {{10}^{18}}\ \text{Hz}\)

伽瑪射線是由放射性物質發出的。

伽瑪射線的穿透性很高,能輕易通過人體組織。伽瑪射線危害生物細胞,會導致癌症。


【應用】

  1. 小心使用伽瑪射線,可殺死病人身上的癌細胞,這種治療方法稱為放射治療。(

  2. 伽瑪射線能用於殺死食物中的微生物,使食物不會迅速變壞。(
病患接受骨盆位置的放射治療。患者下身照射的激光用於確定放射目標的位置。

TASC_Peaches2
桃子在裝箱運輸前,會經過輻射照射,以殺死其中的微生物,延長保鮮期。
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