电磁波谱
diàn cí bō pǔ
电磁波谱是光波的完整范围，从长波无线电到微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
Definition
电磁波谱是光波的整个家族，包括眼睛看不见的种类：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线，都是同一种波，只是波长不同，按从长到短排列，而可见光只是整个波谱中很小的一段。它的每一部分都在真空中以光速 $3.00 \times 10^8\ \text{m/s}$ 传播，不需要任何介质，波长越短意味着频率越高、每个波携带的能量也越多。电磁波是麦克斯韦方程组所预言的相互耦合、振荡的电场和磁场，以 $c = 1/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}$ 传播；这个波谱是连续的，各区域的名称只是一种约定：无线电（$\lambda > 1\ \text{mm}$）、微波（$1\ \text{mm}$ 到 $1\ \text{m}$）、红外线（$700\ \text{nm}$ 到 $1\ \text{mm}$）、可见光（$400$ 到 $700\ \text{nm}$）、紫外线（$10$ 到 $400\ \text{nm}$）、X射线（$0.01$ 到 $10\ \text{nm}$），伽马射线波长更短，光子能量为 $E = hf = hc/\lambda$，能量大约超过 $10\ \text{eV}$ 的辐射会成为电离辐射。
Example
收音机接收无线电波，微波炉用微波烹饪，遥控器用红外线，医生用X射线给骨骼成像；调频广播在 $100\ \text{MHz}$ 时波长 $\lambda = 3\ \text{m}$，而频率为 $5.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ 的可见绿光，波长 $\lambda = 3.00 \times 10^8 / 5.5 \times 10^{14} \approx 5.5 \times 10^{-7}\ \text{m}$，即 $550\ \text{nm}$。这个绿色光子携带的能量为 $E = hc/\lambda \approx 3.6 \times 10^{-19}\ \text{J} \approx 2.3\ \text{eV}$，而一个 $0.1\ \text{nm}$ 的医用X射线光子携带约 $12{,}400\ \text{eV}$，是前者的约 $5{,}500$ 倍，足以把电子从原子中剥离出来。
Key Insight
晒伤来自紫外线，而不是来自热，因为紫外线每个波所携带的能量足以损伤皮肤细胞，而携带大部分温暖的红外线却做不到。电磁波谱的每一个区域都是观察宇宙的一扇不同的窗口：无线电揭示冷气体，红外线穿透尘埃，可见光展示恒星，X射线暴露黑洞的吸积过程，伽马射线追踪最剧烈的事件，因此天文学早在走出电磁波谱之前，就已经是多信使的了。