Az elektromágneses spektrum

Általános értelemben valamely fizikai mennyiség energia szerinti eloszlását spektrumnak nevezzük. Ennek megfelelően az elektromágneses spektrum is felosztható különböző tartományokra a sugárzás (foton)energiája szerint, azonban a gyakorlatban inkább az energiának megfeleltethető hullámhossz vagy frekvencia szerinti kategorizálással élünk.

Az elektromágneses sugárzáson belül a következő főbb hullámhossztartományokat szokás megkülönböztetni: rádióhullámok, mikrohullámú sugárzás (bár ezt időnként összevonják a rádióhullámokkal), infravörös (vagy hő-) sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugarak és gamma-sugarak. Az elektromágneses sugárzásra ugyancsak érvényes a hullámoknál már tárgyalt, terjedési sebességet (c), frekvenciát (f) és hullámhosszat (λ) összekapcsoló

\[c = \lambda \cdot f\]

összefüggés, így egy adott közegben a kisebb hullámhosszú elektromágneses sugárzáshoz nagyobb frekvencia társítható. Emellett fontos megjegyezni, hogy minél nagyobb az elektromágneses sugárzás frekvenciája, annál nagyobb energiával rendelkezik a sugárzás – a Planck-féle összefüggés értelmében a fotonok E energiája arányos az elektromágneses sugárzás f frekvenciájával:

\[E=hf,\]

ahol h = 6,63×10^–34 Js a Planck-állandó.

Az elektromágneses spektrum tartományai:

A rádióhullámokat hullámhosszuk szerint csoportosítjuk: megkülönböztetünk hosszúhullámokat (650 m – 10 km), középhullámokat (180 m – 650 m), rövidhullámokat (10 m – 180 m), ultrarövidhullámokat (10 cm – 10 m), deciméteres, centiméteres és milliméteres hullámokat, valamint mikrohullámokat (300 µm – 30 cm). A hosszú-, rövid- és középhullámokat a rádiótechnikában használják, az ultrarövidhullámokat egyaránt alkalmazza a rádiós és a televíziós kommunikáció, valamint a radartechnika (a mikrohullámok mellett). A mágnesesrezonancia-tomográfiában (MRI) ultrarövid és deciméteres hullámokat használnak, a mobiltávközlés ugyancsak deciméteres hullámhossztartományban történik. Mikrohullámokat alkalmaznak gyógyászati célokra is, ugyanis a szövetek belső melegítése, a vérellátás fokozása jótékony hatású bizonyos mozgásszervi megbetegedéseknél. A mikrohullámú sütőben a dipólusos molekulákat (pl. víz) a változó elektromágneses mező forgásra kényszeríti, és a forgásuk során fellépő dielektromos veszteségek miatt hő fejlődik. A mikrohullámú sütőben kialakuló állóhullámok csomópontjaiban nincs molekuláris forgás, ezért forgótányér nélkül néhány centiméterenként változnának a hideg és meleg pontok az ételben.

Az infravörös sugárzás hullámhossza nagyobb, mint a látható fényé. Ugyan szemünkben nem vált ki ingerületet, hőhatása révén bőrünk érzékeli. A termográfia módszere megfelelő detektorok segítségével a tárgyak, élőlények infravörös tartományba eső kisugárzását jeleníti meg. Ezt a gyógyászatban lokális gyulladások, daganatok korai felismerésére, illetve az építőipar és az energetika területén a lakóházak hőszigetelésének vizsgálatára használják. Egyes ragadozók észlelik a zsákmányállat által kibocsátott infravörös sugarakat, és az éjjellátó készülékek is ebben a hullámhossztartományban működnek. A műholdak ugyancsak infravörös tartományban végzik a földfelszín megfigyelését, mert ezt a felhőzet nem zavarja, továbbá infravörös sugarakat bocsát ki a háztartási készülékek távirányítója, illetve a fényképezőgépek távolságmérője is. Az infravörös tartományban végzett spektroszkópiai mérések a minta molekuláris tulajdonságairól szolgáltatnak információt.

A látható fény olyan elektromágneses sugárzás, amely 380 nm és 780 nm közötti hullámhosszával az infravörös és az ultraibolya sugárzások tartományai közé esik. A fényt – mint bármely elektromágneses hullámot – három alapvető jellemzője határozza meg. A fényintenzitás az elektromos és mágneses térerősség-komponensek amplitúdójával van összefüggésben, és az emberi szem fényerőként, fényességként érzékeli. A fény frekvenciája vagy hullámhossza határozza meg a fény színét. A fény polarizációján a rezgés irányát értjük, amelyet az emberi szem normál körülmények között nem érzékel. A fény polarizálhatósága arra bizonyíték, hogy az elektromágneses sugárzás transzverzális hullám.

A fényérzékelést az emberi szem retináján lévő fényérzékeny receptorsejtek, az ún. csapok és pálcikák teszik lehetővé. A csapok három különböző, keskeny hullámhossztartományban (kék, zöldessárga és narancsvörös) elnyelő pigmentmolekulát tartalmaznak, amelyek együttműködése hozza létre a színérzetet (akárcsak a három különböző színösszetevővel működő, RGB-rendszerű képmegjelenítő eszközöknél). A pálcikákban lévő, szélesebb elnyelési tartományú rodopszinmolekulák a fényerősség ingerének kiváltásáért felelősek. 

Az ultraibolya sugarak hullámhossza kisebb, mint a látható fényé, így az emberi szem nem érzékeli, azonban számos rovar, például a háziméh látja az ultraibolya fényt, és ez teszi számára lehetővé egyes virágok felismerését. Az UV-sugárzás jelentős élettani hatásokkal bír: közreműködik a D-vitamin keletkezésében, fokozza a barnulásért felelős pigmentképződést a bőrben. Az intenzív UV-sugárzás roncsolja a sejteket, ezért használható sterilizálásra, de bőrgyulladást és bőrrákot is okozhat. Az erős napfény vagy a hegesztés ívfénye kötőhártya-gyulladást idézhet elő. Az ultraibolya fény egyes anyagokban lumineszcenciát képes kiváltani, amelyet gyakran hasznosítanak sejtalkotók megfestéséhez (fluoreszcencia-mikroszkópia) vagy okmányok hamisíthatóságának megakadályozására. A hagyományos üveg elnyeli az UV-sugárzást, így az UV-sugarakkal dolgozó optikai alkalmazásokhoz kvarcüvegből készült optikai elemeket alkalmaznak (ezért szükséges például az UV-spektroszkópiai vizsgálatok során kvarcküvettát használni). A szoláriumokban használt kvarclámpákban higanygőzzel töltött kisülési cső van, és a cső búrája ugyancsak kvarcüveg. Hullámhossz alapján az UV-sugárzást három tartományra bontjuk:

UV-A (320 nm – 400 nm): a D-vitamin keletkezésében és a barnulásban van szerepe,
UV-B (280 nm – 320 nm): karcinogén (a napfényből a légköri ózon elnyeli),
UV-C (200 nm – 280 nm): sterilizálásra alkalmas (a napfényből a légkör elnyeli).

Az UV-B és UV-C sugárzás kémiai kötéseket bont fel vagy alakít ki, ionizációs hatása van.

A röntgensugárzás hullámhossza 10 nanométer és 100 pikométer közé esik. A nagyjából 0,1 nm-nél hosszabb hullámhosszú röntgensugárzást lágy röntgensugárzásnak, az ennél rövidebb hullámhosszúakat (azaz nagyobb energiájúakat) pedig kemény röntgensugárzásnak nevezzük. A röntgensugárzást anyagvizsgálatra, orvosi diagnosztikai és terápiás célokra használják.

A gamma-sugárzás tulajdonságaiban a kemény röntgensugárzáshoz hasonlít, sőt, tartományaik részben át is fedik egymást. Valójában az elnevezést a sugárzás keletkezési módja határozza meg: a röntgensugárzást nagyenergiájú elektronfolyamatok hozzák létre, míg a gammasugárzás atommag-átalakulások során jön létre, az atommagok mesterséges és természetes átalakulásaitkísérő gerjesztett állapotok megszűnése során keletkezik. A gammasugárzást anyagvizsgálatra, daganatterápiás célokra, az élelmiszeriparban konzerválásra használják.