電磁スペクトル

電磁スペクトルは、周波数または波長によって分類される電磁放射の全範囲です。スペクトルは個別の帯域に分割され、各帯域内の電磁波には異なる名前が付けられています。低周波数から高周波数の順に、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線があります。これらの帯域の電磁波はそれぞれ、発生方法、物質との相互作用、実際の用途など、異なる特性を持っています。

電波はスペクトルの低周波側にあり、光子エネルギーが最も低く、波長が最も長く、数千キロメートル以上あります。電波はアンテナで放射および受信され、大気、木の葉、ほとんどの建築材料を通過します。

ガンマ線は、スペクトルの高周波端にあり、光子エネルギーが最も高く、波長が最も短く、原子核よりもはるかに短いです。ガンマ線、X 線、極端紫外線は、高い光子エネルギーによって原子をイオン化し、化学反応を引き起こすことができるため 、電離放射線と呼ばれます。可視光などの波長の長い放射線は非電離放射線です。光子には原子をイオン化するのに十分なエネルギーがありません。

電磁スペクトルのほとんどにおいて、分光法は異なる周波数の波を分離するために使用することができ、これにより放射の強度を周波数または波長の関数として測定することができます。分光法は、電磁波と物質の相互作用を研究するために使用されます。^[1]

人間は常に可視光線と放射熱を認識していたが、歴史のほとんどにおいて、これらの現象が関連していることや、より広範な原理を代表していることは知られていなかった。古代ギリシャ人は、光が直線で進むことを認識し、反射や屈折などの光の特性のいくつかを研究した。光は 17 世紀初頭から集中的に研究され、望遠鏡や顕微鏡などの重要な機器が発明された。アイザック・ニュートンは、プリズムで白色光を分割できる色の範囲をスペクトルという用語で表した最初の人物である。1666 年以降、ニュートンは、これらの色が光に固有のものであり、白色光に再結合できることを示した。光が波動性を持つのか粒子性を持つのかをめぐって論争が起こり、ルネ・デカルト、ロバート・フック、クリスティアーン・ホイヘンスは波動性を支持し、ニュートンは粒子性を支持した。特にホイヘンスは、反射と屈折の法則を導き出すことができた、よく発達した理論を持っていた。 1801 年頃、トーマス・ヤングは二重スリット実験で光線の波長を測定し、光が波であることを決定的に証明しました。

1800年、ウィリアム・ハーシェルは赤外線を発見した。^[2]彼はプリズムで分割された光に温度計を当てて、さまざまな色の温度を研究していた。彼は最高温度が赤より上であることに気づいた。彼はこの温度変化は「熱線」、つまり目に見えない光線によるものだと理論づけた。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」（特定の化学反応を引き起こす目に見えない光線）と呼ぶものを発見した。これらは可視紫光線と似た動作をしたが、スペクトルでは可視紫光線より上にあった。^{[3]これらは後に}紫外線と改名された。

電磁気学の研究は、ハンス・クリスチャン・エルステッドが電流が磁場を生成することを発見した1820 年に始まりました(エルステッドの法則)。光が初めて電磁気学と関連づけられたのは 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いたときです (ファラデー効果を参照)。1860 年代に、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電磁場に対する4 つの偏微分方程式(マクスウェル方程式) を開発しました。これらの方程式のうち 2 つは、電磁場における波の可能性と動作を予測しました。これらの理論上の波の速度を分析して、マクスウェルは、波が既知の光速とほぼ同じ速度で移動する必要があることに気付きました。この驚くべき値の一致から、マクスウェルは光自体が電磁波の一種であると推論しました。マクスウェル方程式は、すべて光速で移動する電磁波の周波数の範囲が無限であることを予測しました。これは、電磁スペクトル全体が存在することを示す最初の兆候でした。

マクスウェルが予測した波には、赤外線に比べて非常に低い周波数の波も含まれていました。理論的には、ある種の通常の電気回路で電荷を振動させることによって生成される可能性があります。マクスウェル方程式を証明し、そのような低周波の電磁放射を検出しようとして、1886年に物理学者ハインリッヒ・ヘルツは、現在では電波と呼ばれているものを生成および検出する装置を製作しました。ヘルツは波を発見し、（波長を測定し、それに周波数を掛けることで）波が光速で伝わると推測することができました。ヘルツはまた、この新しい放射が光と同じように、さまざまな誘電体媒体によって反射および屈折できることも実証しました。たとえば、ヘルツは樹脂でできたレンズを使用して波を集束させることができました。後の実験で、ヘルツは同様にマイクロ波を生成し、その特性を測定しました。これらの新しいタイプの波は、無線電信やラジオなどの発明への道を開いたのです。

1895 年、ヴィルヘルム・レントゲンは、高電圧をかけた真空管を使った実験中に放出される新しいタイプの放射線に気付きました。彼はこの放射線を「X 線」と名付け、この放射線は人体の各部を透過できるものの、骨などの密度の高い物質によって反射または遮断されることを発見しました。やがて、この放射線撮影法にはさまざまな用途が見つかりました。

電磁スペクトルの最後の部分は、ガンマ線の発見によって埋められました。1900年、ポール・ヴィラードはラジウムの放射性放出を研究していたときに、新しいタイプの放射線を特定しました。ヴィラードは最初、この放射線は既知のアルファ粒子やベータ粒子に似た粒子で構成されていると考えていましたが、そのどちらよりもはるかに透過力が強いと考えられていました。しかし、1910年に英国の物理学者ウィリアム・ヘンリー・ブラッグは、ガンマ線は粒子ではなく電磁放射線であることを実証し、1914年にはアーネスト・ラザフォード（1903年に、ガンマ線が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付き、ガンマ線と名付けた）とエドワード・アンドラーデがガンマ線の波長を測定し、ガンマ線はX線に似ているが、波長が短いことを発見しました。

波動粒子論争は、マックス・プランクが光は離散的な「量子」（現在では光子と呼ばれる）でのみ吸収されることを発見し、光が粒子の性質を持つことを示唆した 1901 年に再燃しました。この考えは、アルバート・アインシュタインが 1905 年に明確にしましたが、プランクや他の多くの同時代の人々には受け入れられませんでした。現代の科学の立場は、電磁波は波動と粒子の両方の性質、つまり波動粒子二重性を持っているというものです。この立場から生じる矛盾は、科学者や哲学者によって今も議論されています。

電磁波は、通常、周波数 f、波長 λ、光子エネルギー Eのいずれかの物理的特性によって記述されます。天文学で観測される周波数の範囲は、2.4 × 10 ²³  Hz (1 GeVガンマ線)から電離星間物質の局所プラズマ周波数​​ (~1 kHz) までの範囲で変化します。波長は波の周波数に反比例するため^{[1] 、ガンマ線の波長は}原子のサイズの何分の 1 かという非常に短い波長を持ちますが、スペクトルの反対側の端にある波長は無限に長くなります。光子のエネルギーは波の周波数に正比例するため、ガンマ線光子のエネルギーは最も高く (約 10 億電子ボルト)、電波光子のエネルギーは非常に低くなります (約 1フェムト電子ボルト)。これらの関係は次の式で示されます。

${\displaystyle f={\frac {c}{\lambda }},\quad {\text{or}}\quad f={\frac {E}{h}},\quad {\text{or}}\quad E={\frac {hc}{\lambda }},}$

どこ：

• cは真空中の光の速度である
• h はプランク定数です。

電磁波が物質を含む媒体を伝わる場合、その波長は短くなります。電磁波の波長は、伝わる媒体が何であれ、通常は真空の波長で表されますが、必ずしも明示的に述べられるわけではありません。

一般的に、電磁波は波長によって電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線に分類されます。電磁波の挙動は波長によって異なります。電磁波が単一の原子や分子と相互作用する場合、その挙動はそれが運ぶ量子（光子）あたりのエネルギー量によっても異なります。

分光法は、真空中の可視波長範囲400nm～700nmよりもはるかに広いEMスペクトル領域を検出できます 。一般的な実験室用分光器は、2nm～2500nmの波長を検出できます。 ^[1]このタイプのデバイスから、物体、ガス、さらに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ます。分光器は天体物理学で広く使用されています。たとえば、多くの水素原子は、波長21.12cmの電波光子を放出します。また、 30Hz以下の周波数は、特定の恒星雲によって生成され、その研究で重要であり^[4]、最大1000Hzの周波数も生成されます。天体物理学的源から2.9 × 1027Hz^が検出されている。  [ ^5]

電磁放射線の種類は、大きく分けて以下のクラス（領域、帯域、タイプ）に分類されます。^[1]

1. ガンマ線
2. X線放射
3. 紫外線
4. 可視光（人間が見ることができる光）
5. 赤外線
6. マイクロ波放射
7. 電波

この分類は、放射線の種類に応じて波長が増加する順で行われます。^[1]

電磁スペクトルの帯域間には、明確に定義された境界はなく、虹の帯域（可視光線のサブスペクトル）のように、互いに溶け合っています。各周波数と波長（または各帯域）の放射は、それを区切るスペクトルの 2 つの領域の特性が混在しています。たとえば、赤色光は、一部の化学結合を励起してエネルギーを加えることができる点で赤外線に似ており、実際に光合成や視覚系の働きを司る化学機構を動かすためにそうしなければなりません。

X線とガンマ線の区別は、発生源に基づいている部分もある。原子核崩壊やその他の原子核および亜原子核/粒子過程から生成される光子は常にガンマ線と呼ばれるが、X線は高エネルギー内部原子電子の電子遷移によって生成される。^{[6] [7] [8]}一般に、原子核遷移は電子遷移よりもはるかにエネルギーが高いため、ガンマ線はX線よりもエネルギーが高いが、例外も存在する。電子遷移と同様に、ミューオン原子遷移も、そのエネルギーが6メガ電子ボルト（0.96 pJ）を超えることがあるにもかかわらず、X線を生成すると言われています。^[9]一方、低エネルギーの原子核遷移（例えば、トリウム229mの7.6 eV（1.22 aJ）の原子核遷移）は数多くあり（10 keV（1.6 fJ）未満が77個知られています）、一部のミューオンX線よりも100万倍もエネルギーが低いにもかかわらず、放出される光子は原子核起源のためガンマ線と呼ばれています。^[10]

しかし、原子核から来ることがわかっている電磁放射線は常に「ガンマ線」放射線と呼ばれるという慣習は、唯一普遍的に尊重されている慣習です。多くの天体ガンマ線源（ガンマ線バーストなど）は、原子核起源にしてはエネルギーが強すぎる（強度と波長の両方において）ことがわかっています。高エネルギー物理学や医療放射線療法では、原子核ガンマ線よりもエネルギーが高い非常に高エネルギーの電磁放射線（> 10 MeV 領域）は、X 線やガンマ線とは呼ばれず、代わりに「高エネルギー光子」という一般的な用語で呼ばれることがよくあります。

観測される特定の電磁放射が含まれるスペクトルの領域は、基準フレームに依存します (光のドップラー効果による)。そのため、ある観測者がスペクトルのある領域にあると言う電磁放射が、最初の領域に対して光速のかなりの割合で移動する観測者には、スペクトルの別の部分にあるように見える場合があります。 たとえば、宇宙マイクロ波背景放射を考えてみましょう。これは、水素原子が基底状態への励起を解除することによって、物質と放射が分離したときに生成されました。これらの光子はライマン系列遷移によるもので、電磁スペクトルの紫外線 (UV) 部分に入ります。現在、この放射は宇宙論的赤方偏移を十分に受けており、宇宙に対して (光速と比較して) ゆっくり移動する観測者にとっては、スペクトルのマイクロ波領域に入ります。

電磁放射は、スペクトル全体にわたってさまざまな方法で物質と相互作用します。これらの相互作用の種類は非常に異なるため、歴史的にはスペクトルのさまざまな部分に、あたかもこれらがさまざまな種類の放射であるかのように、さまざまな名前が付けられてきました。したがって、これらの「異なる種類」の電磁放射は、周波数と波長の量的に連続したスペクトルを形成しますが、これらの質的な相互作用の違いから生じる実用的な理由により、スペクトルは分割されたままです。

電波は、金属棒共振器などの導体で構成されるアンテナによって発信および受信されます。人工的に電波を生成するには、送信機と呼ばれる電子機器で交流電流を発生させ、これをアンテナに流します。アンテナ内の振動する電子によって振動する電界と磁界が生成され、これがアンテナから電波として放射されます。電波を受信すると、電波の振動する電界と磁界がアンテナ内の電子と結合して電子を前後に押し、振動電流を発生させて無線受信機に流します。地球の大気は、特定の周波数を反射する電離層の荷電粒子の層を除いて、主に電波を透過します。

電波は、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で、情報を遠距離に送信するために非常に広く使用されています。無線通信システムでは、送信機で無線周波数電流が情報伝達信号で振幅、周波数、または位相を変化させて変調され、アンテナに適用されます。電波は空間を越えて情報を受信機に運び、そこでアンテナが情報を受信し、受信機で復調によって情報が抽出されます。電波は、全地球測位システム(GPS) やナビゲーション ビーコンなどのシステムでのナビゲーションや、無線測位やレーダーでの遠方の物体の位置特定にも使用されます。また、リモート コントロールや工業用加熱に も使用されます。

無線周波数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）によって調整され、さまざまな用途のさまざまなユーザーに周波数が割り当てられます。

マイクロ波は、波長が約 10 センチメートルから 1 ミリメートルの短波長の電波で、 SHFおよびEHF周波数帯域にあります。マイクロ波エネルギーは、クライストロンとマグネトロン管、およびガンダイオードやインパットダイオードなどの固体デバイスで生成されます。マイクロ波は短いアンテナによって放射され吸収されますが、極性分子によっても吸収され、振動モードと回転モードに結合してバルク加熱を引き起こします。主に表面で吸収される赤外線や可視光などの高周波とは異なり、マイクロ波は物質に浸透して表面下にエネルギーを蓄積します。この効果は、電子レンジで食品を加熱したり、工業用加熱や医療用ジアテルミーに使用されます。マイクロ波はレーダーで使用される主な波長であり、衛星通信やWi-Fiなどの無線ネットワーク技術にも使用されます。低周波の電波をアンテナに運ぶために使用される銅ケーブル (伝送線) は、マイクロ波周波数では電力損失が大きすぎるため、導波管と呼ばれる金属パイプを使用して伝送されます。帯域の下限では大気は主に透明ですが、帯域の上限では大気ガスによるマイクロ波の吸収により、実際の伝播距離は数キロメートルに制限されます。

テラヘルツ放射またはサブミリ波放射は、マイクロ波と遠赤外線の間の約100GHzから30テラヘルツ（THz）までのスペクトル領域であり、どちらの帯域にも属すると見なすことができます。最近まで、この範囲はほとんど研究されておらず、いわゆるテラヘルツギャップのマイクロ波エネルギー源はほとんど存在しませんでしたが、現在ではイメージングや通信などの用途が登場しています。科学者たちはまた、軍隊でテラヘルツ技術を応用することを検討しており、高周波を敵軍に向け、電子機器を無力化する可能性があります。^[14]テラヘルツ放射は大気中のガスに強く吸収されるため、この周波数範囲は長距離通信には役に立ちません。

電磁スペクトルの赤外線部分は、およそ300GHzから400THz（1mm～750nm）の範囲をカバーしており、3つの部分に分けることができます。^[1]

• 遠赤外線、300 GHz から 30 THz (1 mm – 10 μm)。この範囲の低い部分は、マイクロ波またはテラヘルツ波と呼ばれることもあります。この放射は、通常、気相分子のいわゆる回転モード、液体の分子運動、および固体のフォノンによって吸収されます。地球の大気中の水は、この範囲で非常に強く吸収するため、実質的に大気が不透明になります。ただし、不透明範囲内に部分的な透過を可能にする特定の波長範囲 (「ウィンドウ」) があり、天文学に使用できます。約 200 μm から数 mm までの波長範囲は、サブミリ波天文学と呼ばれることが多く、200 μm 未満の波長は遠赤外線と呼ばれます。
• 中赤外線、30 THz から 120 THz (10–2.5 μm)。高温の物体 (黒体放射体) はこの範囲で強く放射することがあり、通常の体温の人間の皮膚はこの範囲の下限で強く放射します。この放射は分子振動によって吸収され、分子内のさまざまな原子が平衡位置の周りで振動します。化合物の中赤外線吸収スペクトルはその化合物に非常に特有であるため、この範囲は指紋領域と呼ばれることもあります。
• 近赤外線、120 THz ～ 400 THz (2,500～750 nm)。この範囲に関連する物理的プロセスは、可視光の場合と同様です。この領域の最高周波数は、一部のタイプの写真フィルムや、赤外線写真およびビデオ撮影用の多くのタイプの固体画像センサーによって直接検出できます。

可視光は、赤外線の周波数より上にある。太陽は可視領域でピークパワーを放射するが、すべての波長にわたる放射パワースペクトル全体を積分すると、太陽は可視光よりもわずかに多くの赤外線を放射していることがわかる。^{[15]定義上、可視光は、}人間の目が最も敏感な電磁スペクトルの部分である。可視光（および近赤外線）は通常、分子や原子内の電子が1つのエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに移動するにつれて吸収および放射される。この作用により、人間の視覚と植物の光合成の基礎となる化学メカニズムが可能になる。人間の視覚系を刺激する光は、電磁スペクトルのごく一部である。虹は、電磁スペクトルの光学（可視）部分を示している。赤外線（見える場合）は虹の赤い側のすぐ外側に位置し、紫外線は反対側の紫色の端のすぐ外側に現れる。

380 nmから 760 nm (400～790 テラヘルツ) の波長の電磁放射は、人間の目に感知され、可視光として認識されます。他の波長、特に近赤外線 (760 nm より長い) と紫外線 (380 nm より短い) も、特に人間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、可視スペクトル内の異なる波長の光の組み合わせです。白色光をプリズムに通すと、400 nm から 780 nm の可視スペクトルで観察される複数の色の光に分割されます。

電磁スペクトルの可視領域の周波数を持つ放射線が、例えばフルーツのボウルなどの物体から反射し、目に当たると、その光景が視覚的に認識されます。脳の視覚系は、反射された多数の周波数をさまざまな色合いに処理し、この十分に理解されていない心理物理学的現象を通じて、ほとんどの人がフルーツのボウルを認識します。

しかし、ほとんどの波長では、電磁放射によって運ばれる情報は人間の感覚で直接感知されません。自然源はスペクトル全体にわたって電磁放射を生成し、技術によって広範囲の波長を操作することもできます。光ファイバーは、必ずしもスペクトルの可視部分ではないものの (通常は赤外線)、情報を運ぶことができる光を伝送します。変調は、電波で使用されるものと似ています。

次に周波数が高いのは紫外線(UV)です。周波数 (つまりエネルギー) では、UV 線は可視スペクトルの紫色の端と X 線の範囲の間にあります。UV 波長スペクトルは 399 nm から 10 nm の範囲で、UVA、UVB、UVC の 3 つのセクションに分かれています。

UV 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つ最も低いエネルギー範囲です。したがって、UV、X 線、ガンマ線は総称して電離放射線と呼ばれ、これらにさらされると生体組織が損傷する可能性があります。UV は、物質を可視光で発光させることもできます。これは蛍光と呼ばれます。UV 蛍光は、犯罪現場で生成された血液や尿などの証拠を検出するために法医学で使用されます。また、UV 蛍光は、偽造紙幣や偽造 ID を検出するためにも使用されます。偽造紙幣や偽造 ID には、UV の下で発光する素材が使用されているためです。

中波長の紫外線では、紫外線はイオン化できませんが、化学結合を破壊して分子を異常に反応しやすくします。たとえば日焼けは、中波長の紫外線が皮膚 細胞に及ぼす破壊的な影響によって引き起こされ、これが皮膚がんの主な原因です。中波長の紫外線は、細胞内の複雑なDNA分子に修復不可能な損傷を与え、チミン二量体を生成して非常に強力な変異原性物質となります。紫外線による皮膚がんのため、紫外線によるダメージに対抗するために日焼け止め業界が発明されました。中波長の紫外線は UVB と呼ばれ、殺菌灯などの UVB 光は細菌を殺すためや、水を殺菌するために使用されています。

太陽は、陸上のほとんどの生命を死滅させる可能性のある極端に短い波長の紫外線を含む紫外線（全エネルギーの約 10%）を放射します（海水は、陸上の生命をある程度保護します）。しかし、太陽の有害な紫外線波長のほとんどは、地表に到達する前に大気によって吸収されます。高エネルギー（最短波長）範囲の紫外線（「真空紫外線」と呼ばれる）は窒素によって吸収され、より長い波長は空気中の単純な二原子酸素によって吸収されます。中エネルギー範囲の紫外線のほとんどはオゾン層によって遮断されます。オゾン層は重要な 200～315 nm 範囲で強い吸収を示しますが、その低エネルギー部分は空気中の通常の二原子酸素では吸収できないほど長すぎます。そのため、海面の太陽光の 3% 未満が紫外線で、残りはすべて低エネルギーです。残りは UV-A と一部の UV-B です。 315 nm から可視光線までの最も低いエネルギー範囲の紫外線 (UV-A と呼ばれる) は、大気によって十分に遮断されませんが、日焼けを引き起こさず、生物学的損傷も少なくなります。ただし、無害というわけではなく、酸素ラジカル、突然変異、皮膚損傷を引き起こします。

UV の次はX 線で、これも UV の上限範囲と同様に電離します。しかし、エネルギーが高いため、X 線はコンプトン効果によって物質と相互作用することもあります。硬 X 線は軟 X 線よりも波長が短く、多くの物質をほとんど吸収されずに通過できるため、数メートルの水に相当する厚さよりも薄い物体を「透視」するために使用できます。注目すべき用途の 1 つは、医療における診断用 X 線画像診断 (レントゲン撮影と呼ばれるプロセス) です。X 線は、高エネルギー物理学のプローブとして役立ちます。天文学では、中性子星やブラックホールの周りの降着円盤が X 線を放射し、これらの現象の研究を可能にします。X 線は恒星のコロナからも放射され、一部の種類の星雲からも強く放射されます。しかし、地球の大気圏の深部はX線を通さないため（面密度1000 g/cm ^{2 ）、天体X線を観測するには}X線望遠鏡を地球の大気圏外に設置する必要がある。これは水の厚さ10メートルに相当する。^[16]これはほぼすべての天体X線（および天体ガンマ線（下記参照））を遮断するのに十分な量である。

硬X線の次はガンマ線で、1900年にポール・ウルリッヒ・ヴィラールが発見しました。ガンマ線は最もエネルギーの強い光子で、波長の下限値は決まっていません。天文学では高エネルギーの物体や領域を研究するために役立ちますが、X線と同様に、これは地球の大気圏外の望遠鏡でしか行うことができません。ガンマ線は透過力があるため物理学者によって実験的に使用されており、多くの 放射性同位元素によって生成されます。食品や種子の殺菌のための照射に使用され、医学では癌の放射線治療に時々使用されます。^{[17]より一般的には、ガンマ線は}核医学における画像診断に使用され、その一例がPETスキャンです。ガンマ線の波長は、コンプトン散乱の効果を通じて高精度で測定できます。

ウィキメディア・コモンズには、電磁スペクトルに関連するメディアがあります。

• オーストラリアの無線周波数スペクトル割り当てチャート（オーストラリア通信メディア庁より）
• カナダの周波数割り当て表 2008-12-09 にWayback Machineでアーカイブ ( Industry Canadaより)
• 米国周波数割り当てチャート – 3 kHz から 300 GHz までの範囲をカバー (商務省より)
• 英国の周波数割り当て表（無線通信庁の任務を引き継いだOfcomより、PDF 形式）
• Flash EM スペクトル プレゼンテーション/ツール – 非常に完全かつカスタマイズ可能です。
• ポスター「電磁放射スペクトル」(992 kB)