6.6 大气圈的物理性质

大气圈的物理性质

 

电磁波谱

在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。

分类

依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：

无线电波

波长从3000米到10^-3米，一般的电视和无线电广播、手机等的波段就是用这种波；

微波

波长从1米到0.1厘米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；

红外线

波长从10^-3米到7.8×10^-7米；红外线的热效应特别显著；

可见光

这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。可见光的波长范围很窄，大约在7600 ～4000埃（在光谱学中常采用埃作长度单位来表示波长，1=10^-10米）。从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，波长大约从7600直到十分之几毫米。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分，波长从（7.8～3.8）×10^-7米。

紫外线

波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从(380～10)×10^-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；

红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测。无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的。一方面由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝波长更长的方向扩展。日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠；

伦琴射线

这部分电磁波谱，波长从（10～0.01）×10^-9米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；X射线，它是由原子中的内层电子发射的。随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展。在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ射线领域。放射性辐射γ射线的波长是认1左右直到无穷短的波长；

У射线（伽马射线）

是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。

由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。实际中用的无线电波是从波长约几千米（频率为几百千赫）开始。波长3000米～50米（频率100千赫～6兆赫）的属于中波段；波长50米～10米（频率6兆赫～30兆赫）的为短波；波长10米～1厘米（频率30兆赫～3万兆赫）甚至达到1毫米（频率为3×10^5兆赫）以下的为超短波（或微波）。有时按照波长的数量级大小也常出现米波，分米波，厘米波，毫米波等名称。中波和短波用于无线电广播和通信，微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。

电磁波谱中上述各波段主要是按照得到和探测它们的方式不同来划分的。随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限与其他相邻波段重叠起来。在电磁波谱中除了波长极短（10^-4埃～10^-5埃以下）的一端外，不再留有任何未知的空白了。

划分方式

按照各种电磁波产生的方式，可将其划分成三个组成部分：

高频区（高频辐射区）

其中包括x射线，Y射线和宇宙射线。他们是利用带电粒子轰击某些物质而产生的。这些辐射的特点是他们的量子能量高，当他们与物质相互作用中，波动性弱而粒子性强。

长波区（低能辐射区）

其中包括长电振荡、无线电波和微波等最低频率的辐射。它们由电子束管 配合电容、电感的共振结构来产生和接收的，也就是能量在电容和电感之间振荡而形成。它们与物质间的相互作用更多地表现为波动性。

中间区（中能辐射区）

其中包括红外辐射、可见光和紫外辐射。这部分辐射产生于原子和分子的运动，在红外区辐射主要产生于分子的转动和振动；而在可见与紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁。这部分辐射统称为光辐射，这些辐射在与物质的相互作用中 ，显示出波动和粒子双重性。

产生机理

不同的电磁波产生的机理和产生方式不同。无线电波是可以人工制造的，是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的。红外线、可见光、紫外线；伦琴射线；γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。

在电磁波谱中各种电磁波由于频率或波长不同而表现出不同的特性，如波长较长的无线电波很容易表现出干涉、衍射等现象，但对波长越来越短的可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线要观察到它们的干涉衍射现象就越来越困难。但是从电磁波谱中看到各种电磁波的范围已经衔接起来，并且发生了交错，因此它们本质上相同，服从共同的规律。

电磁波谱在英文中被称为：Electromagnetic Spectrum

电磁波的能量

电磁波是由光子组成的，宇宙深处的星体发射的电磁波含有大量光子，光子在传递过程中由于分散，距离星体越远，单位时间内单位面积上获得的光子数越少，表现为电磁波的能量的衰减。而电磁波频率的改变量很小。

自然界中各类辐射源的电磁波谱是相当丰富、相当宽阔的，与光电子成像技术直接有关的是其中的X线，紫外线，可见光线，红外线和微波等电磁波谱，它们的特征参量是波长λ、频率v和光子能量E。三者的关系是v=c/λ，E=hv=hc/λ和E=1.24/λ，式中，E和λ的单位分别是eV（电子伏）和μm，h为普朗克常数（6.6260755X10J·S）；c为光速，其真空中的近似值等于3X108m/s，在工程实践中，根据不同的需要和习惯，采用不同的频谱参量计量单位。

对x线，紫外线，可见光和红外线，常用μm、nm表示波长；对无线电频谱，用Hz或m来分别表示其频率和波长；对高能粒子辐射，常用eV表示能量。

由物理学可知，“辐射”的本质是原子中电子的能级跃迁并交换能量的结果，低能级电子受到某种外界能量激发，可跃迁至高能级，当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时，就会以辐射的形式，向外传播能量。上述E=1.24/λ，正好将辐射的波长λ与其能量E联系起来。例如，E高-E低=1.24eV时，辐射的波长λ=1μm。

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