電磁波スペクトル

電磁波の周波数範囲（スペクトル）とそれぞれの波長、光子エネルギーです。
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電磁スペクトルは、1ヘルツ以下から1025ヘルツ以上の周波数を持つ電磁波をカバーしており、波長は数千キロメートルから原子核のサイズの数分の1に相当します。 この周波数帯を細かくバンド分けして、それぞれの周波数帯の電磁波を呼びます。低周波（長波長）から電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、高周波（短波長）のガンマ線です。 それぞれの帯域の電磁波は、その発生方法、物質との相互作用、実用性など、さまざまな特徴を持っています。 長波長の限界は宇宙そのものの大きさであり、短波長の限界はプランク長近辺と考えられている。 ガンマ線、X線、高紫外線は、原子を電離させ、化学反応を起こすのに十分なエネルギーを持っているため、電離放射線に分類される。 これらの放射線を浴びると、放射線病、DNA損傷、癌などの健康被害が発生する。 上記のほとんどの周波数帯では、分光法という技術を使って、異なる周波数の波を物理的に分離し、構成する周波数を示すスペクトルを作成することができます。 分光法は、電磁波と物質との相互作用を研究するために用いられる。 また、「電磁波」の項では、その他の技術的な利用法について説明している。
電磁波スペクトル発見の歴史
歴史の大半において、可視光は電磁波スペクトルの中で唯一知られている部分であった。 古代ギリシャ人は光が直線的に進むことを認識し、反射や屈折などいくつかの性質を研究した。 その後、光の研究は続けられ、16～17世紀には、光を波と見なすか粒子と見なすか、相反する理論があった。 彼は、プリズムで分割された光の中を温度計を動かして、さまざまな色の温度を調べていた。 彼は、赤の先が最も温度が高いことに気づいた。 この温度変化は、目に見えない光線の一種である「熱線」によるものだと理論付けました。
翌年、スペクトルの反対側で研究していたヨハン・リッターは、彼が「化学線」（特定の化学反応を誘発する目に見えない光線）と呼ぶものに気づきました。 この光線は可視光線である紫色光線と同じような働きをするが、スペクトル的には紫色光線より上である。 1845年、マイケル・ファラデーが、透明な物質を通過する光の偏光が磁場に反応することに気づき、電磁気学と結びつけました（ファラデー効果参照）。 1860年代には、ジェームズ・マクスウェルが電磁場に関する4つの偏微分方程式を開発した。 これらの方程式のうち2つは、磁場中の波の可能性と挙動を予測するものであった。 これらの理論的な波の速度を分析し、マクスウェルは、それらが既知の光速とほぼ同じ速度で移動しなければならないことに気がついた。 この驚くべき値の一致から、マクスウェルは光そのものが電磁波の一種であるという推論を行った。
マクスウェルの方程式は、電磁波の周波数が無限にあり、すべてが光速で進むと予測した。 マクスウェルの方程式は、光速で伝わる電磁波の周波数が無限にあることを予言し、これが電磁スペクトル全体の存在を示す最初の指標となった。マクスウェルが予言した波には、赤外線に比べて非常に低い周波数の波が含まれており、理論的にはある種の普通の電気回路で電荷を振動させると発生するかもしれない。 1886年、物理学者ハインリッヒ・ヘルツは、マクスウェルの方程式を証明し、そのような低周波の電磁波を検出しようと、現在電波と呼ばれているものを発生・検出する装置を製作した。 ヘルツは電波を発見し、その波長を測定し、それに周波数を乗じることによって、その波が光速で伝わることを推論することができた。 さらにヘルツは、この新しい電波が光と同じように、さまざまな誘電体媒体で反射したり屈折したりすることも実証した。 例えば、木の樹脂で作ったレンズを使って、波の焦点を合わせることができた。 後の実験では、マイクロ波も同様に作り出し、その性質を測定している。 1895年、ヴィルヘルム・レントゲンは、真空管に高電圧をかける実験において、新しいタイプの放射線を発見した。 彼はこの放射線をX線と名付け、人体を通過することはできるが、骨などの密度の高い物質で反射したり、停止したりすることを発見した。 まもなく、医学の分野で多くの用途が見出された。
電磁スペクトルの最後の部分は、ガンマ線の発見で埋め尽くされた。 1900年、ポール・ビラードはラジウムの放射性放出について研究していたところ、新しいタイプの放射線を発見した。彼は最初、既知のアルファおよびベータ粒子に似た粒子から成るが、どちらよりもはるかに浸透力が強いと考えた。 しかし、1910年にイギリスの物理学者ウィリアム・ヘンリー・ブラッグがガンマ線は粒子ではなく電磁波であることを証明し、1914年にはアーネスト・ラザフォード（1903年に荷電したアルファ粒子やベータ粒子とは根本的に異なることに気づいてガンマ線と命名）とエドワード・アンドラーデが波長を測定し、ガンマ線は波長が短く周波数が高いがX線と似ていると判明しました。電磁波が物質との媒質の中に存在すると、必ず波長が短くなる。 一般に、電磁波は波長によって、電波、マイクロ波、テラヘルツ（またはサブミリ）波、赤外線、光として認識される可視域、紫外線、X線、ガンマ線に分類される。 電磁波はその波長によって挙動が異なる。 また、電磁波が原子や分子と相互作用したときの挙動は、その量子（光子）あたりのエネルギー量に依存します。
分光法は、可視光線の400 nmから700 nmよりもはるかに広い範囲の電磁スペクトルを検出することができます。 一般的な実験室の分光器では、2nmから2500nmの波長を検出することができます。 この種の装置から、物体、気体、あるいは星の物理的特性に関する詳細な情報を得ることができる。 分光器は天体物理学の分野で広く使われている。 例えば、多くの水素原子は21.12cmの波長の電波を放出している。 また、30Hz以下の周波数は、ある種の恒星状星雲の研究において重要であり、2.9×1027Hzという高い周波数が天体物理的な天体から検出されている。

Types of radiation
Boundaries
電磁スペクトルの領域（またはバンド、種類）について以下に述べます。 なお、電磁波スペクトルの帯域には明確な境界はなく、虹の帯域（可視光のサブスペクトル）のように、互いにフェードインしています。 各周波数、波長（または各バンド）の放射線は、それを束ねる2つの領域の特性が混在しています。 例えば、赤色光は、ある化学結合を励起してエネルギーを加えることができるという点で赤外線に似ており、実際、光合成や視覚系の働きを担う化学機構に力を与えるためにそうしなければならない

スペクトルの領域
電磁波の種類は、大きく分けて以下のクラスに分類される。ラジオ周波数
ラジオ波は、金属棒共鳴器などの導体からなるアンテナによって放射および受信されている。 人工的に電波を発生させる場合、送信機と呼ばれる電子機器から交流電流を発生させ、それをアンテナに印加する。 アンテナ内の電子が振動することで、電界と磁界が振動し、電波としてアンテナから放射される。 電波の受信では、電波の振動電界と磁界がアンテナ内の電子と結合し、電子を前後に押して振動電流を作り出し、これをラジオ受信機に印加する。 ラジオ放送、テレビ、双方向ラジオ、携帯電話、通信衛星、ワイヤレスネットワークなどの無線通信システムにおいて、距離を越えて情報を伝送するために、電波は非常に広く利用されている。 無線通信システムでは、送信機で情報信号を含む高周波電流を振幅、周波数、位相のいずれかを変化させて変調し、アンテナに印加している。 電波は空間を超えて情報を受信機まで運び、アンテナで受信し、受信機で復調して情報を抽出する。 電波は、GPS（全地球測位システム）や航法ビーコンなどのナビゲーションや、ラジオロケーションやレーダーなどの遠くの物体の位置確認にも使われています。 また、遠隔操作や工業用加熱にも使われている。
電波スペクトルの使用は政府によって厳しく規制されており、国際電気通信連合（ITU）という組織が調整し、異なる用途のユーザーに周波数を割り当てている。
マイクロ波
様々な波長の電磁波に対する地球大気の透過率（または不透明度）のプロット
マイクロ波は、SHFおよびEHF周波数帯の約10cmから1mmまでの短い波長の電波です。 クライストロン管やマグネトロン管、ガンダイオードやIMPATTダイオードなどの固体素子でマイクロ波エネルギーを発生させる。 短いアンテナで放射・吸収されるが、極性分子にも吸収され、振動・回転モードと結合し、バルク加熱となる。 主に表面で吸収される赤外線や光などの高周波と異なり、マイクロ波は物質の内部に入り込み、表面下にエネルギーを沈着させることができる。 この効果を利用して、電子レンジによる食品の加熱や、工業用加熱、医療用ジアテルミーなどに利用されている。 マイクロ波はレーダーに使われる主要な波長であり、衛星通信やWifiなどの無線ネットワーク技術にも使われているが、これは熱による加熱ができない強度レベルである。 低周波の電波をアンテナに伝えるための銅線（伝送路）は、マイクロ波では電力損失が大きいため、導波管と呼ばれる金属のパイプを使って伝えている。
テラヘルツ波
テラヘルツ波は、遠赤外線とマイクロ波の間のスペクトル領域であり、大気は主に透明であるが、帯域の上端では大気ガスによるマイクロ波の吸収により、実用上の伝搬距離は数kmに制限される。 これまで、この領域はほとんど研究されておらず、帯域の高い方のマイクロ波エネルギー（サブミリ波、いわゆるテラヘルツ波）の発生源もほとんど存在しなかったが、現在ではイメージングや通信などの用途が現れてきている。 また、テラヘルツ波技術を軍隊に応用し、高周波を敵軍に照射してその電子機器を無力化することも考えられている。 テラヘルツ波は大気中の気体に強く吸収されるため、この周波数帯は長距離通信には不向きである。 3つのパートに分けられます。

• 300GHz～30THz (1mm～10μm)の遠赤外線。 この範囲の下限はマイクロ波やテラヘルツ波と呼ばれることもある。 この放射は、一般に気相分子の回転モード、液体中の分子運動、固体中のフォノンによって吸収される。 地球大気中の水は、この波長域を強く吸収するため、実質的に大気を不透明にしている。 しかし、不透明な波長域の中にも、部分的に透過する波長域（窓）があり、天文学に利用することができる。 200μm以下の波長を遠赤外線として、約200μmから数mmの波長域をサブミリ波と呼ぶことがあります。 高温物体（黒体放射体）はこの領域で強く放射することがあり、常温の人間の皮膚はこの領域の下限で強く放射している。 この放射は、分子内のさまざまな原子が平衡位置のまわりで振動する分子振動によって吸収される。 この領域は、ある化合物の中赤外吸収スペクトルがその化合物に対して非常に特異であることから、指紋領域と呼ばれることもあります。
• 近赤外、120～400 THz (2,500-750 nm). この範囲に関連する物理的プロセスは、可視光線のものと同様である。

可視光線（光）
赤外の上に位置するのが可視光線です。 太陽は可視光域でピークパワーを発揮しますが、全波長の発光パワースペクトルを積分すると、可視光よりもわずかに赤外線を多く放射していることがわかります。 可視光は、人間の目が最も敏感に反応する電磁波の一部と定義されています。 可視光線（および近赤外線）は、通常、分子や原子の電子があるエネルギー準位から別のエネルギー準位に移動することによって吸収・放出される。 この作用により、人間の視覚や植物の光合成の根底にある化学的メカニズムが可能になる。 人間の視覚系を興奮させる光は、電磁波スペクトルのごく一部である。 虹は、電磁スペクトルのうち光学的（可視的）な部分を示しており、赤外線は虹の赤のすぐ先に、紫外線は紫のすぐ先に現れる。
波長が380nm～760nm（400～790テラヘルツ）の電磁波は、人間の目によって検知されて可視光として認識される。 それ以外の波長、特に近赤外線（760nmより長い）、紫外線（380nmより短い）も、特に人間への視認性が関係ない場合は光と呼ばれることがあります。 白色光は、可視光線の中の異なる波長の光を組み合わせたものです。 白色光をプリズムに通すと、400nm～780nmの可視光領域にある数色の光に分解される。 しかし、ほとんどの波長では、電磁波が伝える情報は、人間の感覚では直接感知できない。 しかし、ほとんどの波長では、電磁波によって運ばれる情報は、人間の感覚によって直接検出されない。自然発生源は、スペクトル全体にわたってEM放射を生成し、技術もまた広範囲の波長を操作することが可能である。 光ファイバーは、必ずしも可視光線ではないものの（通常は赤外線）、情報を伝えることができる光を伝送する。
紫外線
周波数の次に来るのが紫外線（UV）です。 紫外線の波長は可視光線の紫色より短く、X線より長い。
紫外線は最も波長の長い放射線で、その光子は原子をイオン化して電子を分離し、化学反応を引き起こすのに十分なエネルギーを持っている。 波長の短い紫外線とその上の波長の短い放射線（X線、ガンマ線）は電離放射線と呼ばれ、これらを浴びると生体組織に損傷を与え、健康に害を及ぼすことがある。 また、紫外線は多くの物質を可視光で光らせることができ、これは蛍光と呼ばれている。
中波長の紫外線は電離はできないが、化学結合を切断して分子を異常に反応させることができる。 例えば日焼けは、中域の紫外線が皮膚細胞を破壊することによって起こり、これが皮膚がんの主な原因となっています。 中波長域の紫外線は、細胞内の複雑なDNA分子を修復不可能なほど損傷し、チミン二量体を生成して非常に強力な変異原となる。
太陽はかなりの紫外線（全出力の約10％）を放射しており、陸上のほとんどの生命を破壊する可能性のある極短波長の紫外線（海の水はそこの生命にある程度の保護を与えるだろう）を含んでいる。 しかし、太陽からの有害な紫外線の波長のほとんどは、地表に到達する前に大気によって吸収される。 エネルギーの高い（波長の短い）紫外線（「真空紫外線」と呼ばれる）は、窒素や、波長の長いものでは空気中の単純な二原子酸素に吸収される。 中程度のエネルギーの紫外線のほとんどは、オゾン層によって遮られる。オゾン層は、重要な200〜315nmの範囲を強く吸収し、その低エネルギー部分は、空気中の普通の二価酸素が吸収するには長すぎる。 このため、海面における太陽光のうち、紫外線は3％以下となり、この残りはすべて低エネルギーとなる。 残りはUV-Aと一部のUV-Bである。 315nmと可視光線の間の非常に低いエネルギーの紫外線（UV-Aと呼ばれる）は、大気によってうまく遮断されないが、日焼けを起こさず、生物学的なダメージが少ない。 しかし、無害ではなく、酸素ラジカルや突然変異、皮膚障害を生じさせる。 詳細は紫外線の項を参照。
X線
紫外線の次に来るのがX線で、これも紫外線の上部と同様に電離作用があります。 しかし、X線はエネルギーが高いため、コンプトン効果によって物質と相互作用することができます。 硬X線は軟X線よりも波長が短く、多くの物質を透過して吸収されることが少ないため、水の厚さ数メートル以下の物体を「透視」することができる。 その代表的な用途が、医療におけるX線画像診断（レントゲン撮影）である。 X線は高エネルギー物理学のプローブとして有用である。 天文学では、中性子星やブラックホールの周りにある降着円盤からX線が放射され、これらの現象を研究することができる。 また、星のコロナからもX線が放射されており、ある種の星雲からも強く放射されている。 しかし、地球の大気の深さ（面密度1000g/cm2）は水の厚さ10mに相当し、X線に対して不透明なため、天体X線を見るためには、X線望遠鏡を地球の大気圏外に設置しなければならない。
ガンマ線
硬X線の次は、1900年にポール・ウルリッヒ・ビラールによって発見されたガンマ線です。 1900年にポール・ウルリッヒ・ビラールが発見したもので、最もエネルギーの高い光子で、波長の下限はありません。 天文学の分野では、高エネルギーの物体や領域を調べるのに有効だが、X線と同様、地球大気圏外の望遠鏡でなければ観測できない。 ガンマ線は物理学者がその透過力を実験的に利用するもので、多くの放射性同位元素によって生成される。 食品、種子などの殺菌に使われるほか、医療では放射線がん治療にも使われることがある。 より一般的には、PET検査などの核医学における画像診断に使用されています。 ガンマ線の波長は、コンプトン散乱の効果により高精度で測定することができます。
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ウィキペディア（フリー百科事典）より
From Youtube
From NASA

Wikimedia Commons には電磁スペクトルに関するメディアを掲載しています。

• UnwantedEmissions.com （米国の電波スペクトラム割り当てリソース）
• Australian Radiofrequency Spectrum Allocations Chart (from Australian Communications and Media Authority)
• Canadian Table of Frequency Allocations (from Industry Canada)
• U.S. Radiofrequency Expansion (米国の周波数割当)
• U. Radiofrequency Expansion (米国の電波割当) (英語) (英語)。米国の周波数割当表 – 3 kHz から 300 GHz までをカバー（商務省より）
• 英国の周波数割当表（Radiocommunications Agency の業務を継承した Ofcom より、PDF 形式）
• Flash EM Spectrum Presentation / Tool – 非常に完全でカスタマイズも可能です。
• How to render the color spectrum / Code – Only approximately right.
• Poster “Electromagnetic Radiation Spectrum” (992 kB)
• Electromagnetic Spectrum presentation
• Electromagnetic Spectrum Strategy.を参照。 行動への呼びかけ 米国国防総省