จักรวาลแผ่รังสีออกมาในทุกทิศทางตามยาวและคลื่นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่รังสีนี้มีอยู่ในทุกพื้นที่ของชีวิตและช่วยให้การทำงานของระบบนิเวศส่วนใหญ่ของโลกและทำให้เราอบอุ่นด้วยการส่งพลังงาน อย่างไรก็ตาม มีสมบัติในชั้นบรรยากาศที่ยอมให้รังสีบางชนิดผ่านไปยังพื้นผิวโลกได้และเรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ.
หน้าต่างบรรยากาศคืออะไร?
เป็นพลังพิเศษของชั้นบรรยากาศของโลกที่จะโปร่งใสต่อการแผ่รังสีบางอย่างที่มาจากนอกโลกและในทางกลับกันก็ป้องกันไม่ให้การแผ่รังสีอื่น ๆ ขึ้นสู่พื้นผิวซึ่งจะทำให้การดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปไม่ได้ โดยทั่วไป การแผ่รังสีที่อนุญาตให้เข้าสู่พื้นผิวโลกจากจักรวาลคือคลื่นวิทยุและแสงที่มองเห็นได้ (บวกเศษเล็กเศษน้อยของ รังสีอินฟราเรด และรังสีอัลตราไวโอเลต) ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่เรียกว่าหน้าต่างออปติคัลและวิทยุ
หน้าต่างออปติคัลและวิทยุ
ชั้นบรรยากาศของโลกมีความสามารถในการดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากจักรวาลในช่วงความยาวคลื่นส่วนใหญ่ มีแถบที่บรรยากาศเกือบจะโปร่งใสและสองสิ่งเหล่านี้กว้างพอที่จะเป็นที่สนใจทางดาราศาสตร์และเป็นเป้าหมายของการศึกษาต่อไป
ที่รู้จักกันดีที่สุดคือ "หน้าต่างออปติคัล" ซึ่งช่วยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกกันทั่วไปว่าสเปกตรัมที่มองเห็นผ่านผ่านได้: ความยาวคลื่นตั้งแต่ประมาณ 300 ถึง 1.000 นาโนเมตร (0,3 ถึง 1 พิโกเมตร) ประการที่สองเรียกว่า "Radio Window" ซึ่งขยายความยาวคลื่นตั้งแต่ 1 มิลลิเมตรถึง 15 เมตร (300 Ghz - 20 Mhz)
ในเขตระหว่างหน้าต่างออปติคัลและหน้าต่างวิทยุ การดูดกลืนบรรยากาศส่วนใหญ่เกิดจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ (แถบโปร่งใสบางส่วนบางส่วนก็ปรากฏชัดที่นี่ด้วย) เกี่ยวกับความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด (ระหว่าง 1 มม. ถึง 1 ซม.) พวกมันมีหน้าที่ในการดูดซับซึ่งส่วนใหญ่เป็นออกซิเจนและไอน้ำ
หน้าต่างบรรยากาศสู่สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าการจัดสรรพลังงานของชุดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับโดยสาร สเปกตรัมสามารถสังเกตได้โดยใช้สเปกโตรสโคป นอกจากจะให้ความเป็นไปได้ในการสังเกตสเปกตรัมแล้ว ยังอนุญาตให้ทำการตรวจวัดได้ เช่น ความยาวคลื่น ความถี่ และความเข้มของรังสี
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าขยายจากการแผ่รังสีความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เช่น รังสีแกมมาและรังสีเอกซ์ ผ่านแสงอัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็นได้ และรังสีอินฟราเรด ไปจนถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า เช่น คลื่นวิทยุ เป็นไปได้ว่าขีดจำกัดสำหรับความยาวคลื่นที่เล็กที่สุดคือความยาวพลังค์และขีดจำกัดสูงสุดจะเป็นขนาดของจักรวาลแม้ว่า วิทยาศาสตร์ยืนยันอย่างเป็นทางการว่าสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้านั้นไม่มีที่สิ้นสุดและต่อเนื่อง.
ช่วงสเปกตรัม
สเปกตรัมครอบคลุมพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกัน ความถี่ที่ 30 เฮิรตซ์หรือต่ำกว่ามักเกิดจากเนบิวลาดาวฤกษ์บางดวงและเกี่ยวข้องกับการศึกษาของพวกมัน พบความถี่สูงมากเช่น 2.9 * 1027 Hz คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงมีความยาวคลื่นสั้นและมีพลังงานสูงในขณะที่คลื่นความถี่ต่ำมีความยาวคลื่นยาวและมีพลังงานต่ำ
อย่างไรก็ตาม เมื่อใดก็ตามที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในตัวกลาง (สสาร) ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดลง ความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยไม่คำนึงถึงตัวกลางที่พวกมันเดินทาง โดยทั่วไปจะยกมาในรูปของความยาวคลื่นในสุญญากาศ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามักจำแนกตามความยาวคลื่น: คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด และบริเวณที่มองเห็นได้ ซึ่งเรามองว่าเป็นแสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา
คลื่นวิทยุ
เสาอากาศที่มีขนาดเหมาะสมมักใช้คลื่นวิทยุ (ตามหลักการเรโซแนนซ์) โดยมีความยาวคลื่นตั้งแต่หลายร้อยเมตรถึงประมาณหนึ่งมิลลิเมตร การใช้งานใช้ได้กับการรับส่งข้อมูลผ่านการมอดูเลต จากเครือข่ายไร้สาย โทรศัพท์มือถือ โทรทัศน์ และการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก เป็นเพียงส่วนหนึ่งของการใช้งานที่เรียกว่า "คลื่นวิทยุ" ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด
เตาไมโครเวฟ
เป็นคลื่นความถี่สูงและมีความยาวคลื่นสั้นมาก จึงเป็นที่มาของชื่อ คุณสมบัติเฉพาะของพวกมันคือกระตุ้นโมเลกุลของน้ำและตั้งอยู่ระหว่างรังสีอินฟราเรดกับคลื่นวิทยุทั่วไป มีความยาวคลื่นประมาณ 1 มม. ถึง 30 ซม. มีหลักฐานการใช้งานในเตาไมโครเวฟเพื่อให้ความร้อนกับอาหารที่มีของเหลว
คลื่นอินฟราเรด
อินฟราเรดเป็นคลื่นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแสงสีแดงที่มองเห็นได้และคลื่นเริ่มต้นของบริเวณคลื่นวิทยุ ในพื้นที่ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่เข้าใจกันว่าการแผ่รังสีนี้เป็นสิ่งที่เราสังเกตเห็นว่าเป็นความร้อน
ภูมิภาคที่มองเห็นได้
เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตร และ 700 นาโนเมตร ในช่วงนี้ ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ที่ใกล้เคียงกันจะทำให้เกิดรังสีส่วนใหญ่ และมีความถี่สูงกว่าอินฟราเรด แสงที่เราสังเกตจริง ๆ แล้วเป็นส่วนเล็ก ๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า รุ้งเป็นตัวอย่างของส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
รังสีอัลตราไวโอเลต
หรือที่เรียกว่ารังสี UV เป็นรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าปลายสีม่วงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เนื่องจากพลังงานของรังสีอัลตราไวโอเลตสามารถทำลายพันธะเคมีทำให้โมเลกุลมีปฏิกิริยาหรือแตกตัวเป็นไอออนได้เป็นพิเศษซึ่งจะเป็นการรับประกันการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของพวกมันด้วยเหตุนี้การถูกแดดเผาและแม้แต่มะเร็งก็เกิดจากรังสียูวี ของผิวหนัง
รังสีเอกซ์
รังสีเอกซ์เกิดขึ้นหลังจากรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์แบบแข็งมีความยาวคลื่นสั้นกว่ารังสีเอกซ์แบบอ่อน ประโยชน์ของมันใช้ได้กับการมองทะลุวัตถุบางอย่าง การปล่อยรังสีเอกซ์จากดาวนิวตรอนและดิสก์สะสมกำลังเป็นสิ่งที่ช่วยให้ศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ได้ รังสีเอกซ์มีประโยชน์ในด้านการแพทย์และอุตสาหกรรม ดวงดาวและโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนบิวลาบางชนิดเป็นตัวปล่อยรังสีเอกซ์หลัก
รังสีแกมมา
รังสีแกมมาเกิดขึ้นหลังจากเอ็กซ์เรย์และเป็นโฟตอนที่มีพลังมากที่สุด และไม่ทราบขีดจำกัดล่างของความยาวคลื่นของพวกมัน พวกมันมีประโยชน์ต่อนักดาราศาสตร์ในการศึกษาวัตถุหรือบริเวณที่มีพลังงานสูง และมีประโยชน์สำหรับนักฟิสิกส์เนื่องจากความสามารถในการแทรกซึมของพวกมันและการผลิตไอโซโทปรังสีของพวกมัน มิติคลื่นของรังสีแกมมาวัดได้อย่างแม่นยำสูงโดยใช้วิธีการกระจายแบบคอมป์ตัน
สเปกตรัมการปล่อยและการดูดซึม
สเปกตรัมการปล่อยอะตอมของธาตุเป็นชุดของความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของธาตุนั้น ในสถานะก๊าซ เมื่อมีการสื่อสารพลังงานไปยังธาตุนั้น สเปกตรัมการแผ่รังสีของแต่ละองค์ประกอบมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวและสามารถใช้เพื่อระบุว่าองค์ประกอบนั้นเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบที่ไม่รู้จักหรือไม่
สเปกตรัมการดูดกลืนแสดงเศษส่วนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบที่วัสดุดูดซับภายในช่วงความถี่ องค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดมีเส้นดูดกลืนที่ความยาวคลื่นบางส่วน ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่เกี่ยวข้องกับความแตกต่างด้านพลังงานของออร์บิทัลของอะตอมที่แตกต่างกัน อันที่จริง สเปกตรัมการดูดกลืนแสงใช้เพื่อระบุองค์ประกอบส่วนประกอบของตัวอย่างบางตัวอย่าง เช่น ของเหลวและก๊าซ เกิน, สามารถใช้กำหนดโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์ได้.
เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องชี้ให้เห็นว่าในสิ่งที่เรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศมีการดูดซึมหรือการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยโดยส่วนประกอบของอากาศระหว่างวัตถุที่จะวัดกับเครื่องมือวัด