Хоча в вакуумі електромагнітні хвилі всіх частот поширюються однаково - зі швидкістю світла, їх взаємодія з речовиною дуже сильно залежить від частоти (а так само від довжини хвилі і енергії кванта). За характером взаємодії з речовиною випромінювання ділять на діапазони: гамма-випромінювання, рентген, ультрафіолет, видиме світло, інфрачервоне випромінювання і радіохвилі, які разом утворюють електромагнітний спектр. Самі ці діапазони в свою чергу поділяють на піддіапазони, причому в науці немає єдиної усталеної традиції такого поділу. Тут багато що залежить від застосовуваних технічних засобів для генерації і реєстрації випромінювання. Тому в кожній сфері науки і техніки піддіапазони визначають по-своєму, а нерідко навіть зрушують кордону основних діапазонів.
видиме випромінювання
З усього спектра людське око здатне вловлювати випромінювання тільки в дуже вузькому діапазоні видимого світла. Від одного його краю до іншого частота випромінювання (а так само довжина хвилі і енергія квантів) змінюється менш ніж в два рази. Для порівняння найдовші радіохвилі в 10 14 разів довше видимого випромінювання, а самі енергійні гамма-кванти - в 10 20 енергійніше. Тим не менш, протягом багатьох тисяч років більшу частину інформації про навколишній світ люди черпали з діапазону видимого випромінювання, межі якого визначаються властивостями світлочутливих клітин людської сітківки.
Різні довжини хвиль видимого світла сприймаються людиною як різні кольори - від червоного до фіолетового. Традиційний поділ видимого діапазону спектра на сім кольорів веселки є культурною умовністю. Ніяких чітких фізичних кордонів між квітами немає. Англійці, наприклад, зазвичай ділять веселку на шість кольорів. Відомі й інші варіанти. За сприйняття усього розмаїття кольорів і відтінків видимого світла відповідають за все три різних типи рецепторів, які чутливі до червоного, зеленого і синього кольору. Це дозволяє відтворювати практично будь-який колір, змішуючи на екрані ці три основні кольори.
Для прийому видимого світла від далеких космічних джерел використовують увігнуті дзеркала, які збирають випромінювання з великою площею майже в одну точку. Чим більше дзеркала, тим потужніше телескоп. Дзеркала повинні виготовлятися з надзвичайно високою точністю - відхилення форми поверхні від ідеальної не повинні перевищувати десятої частки довжини хвилі - 40 нанометрів, тобто 0,04 мікрона. І така точність повинна зберігатися при будь-яких поворотах дзеркала. Це визначає високу вартість великих телескопів. Діаметр дзеркал найбільших оптичних інструментів - телескопів Кека на Гаваях - 10 метрів.
Хоча атмосфера прозора для видимого світла (відзначено блакитними стрілками на плакаті), вона все ж створює серйозні перешкоди для спостережень. Навіть якщо забути про хмари, атмосфера трохи викривляє промені світла, що знижує чіткість зображення. Крім того, саме повітря розсіює падаюче світло. Вдень це блакитне світіння, викликане розсіяним світлом Сонця, не дозволяє вести астрономічні спостереження, а вночі - розсіяне світло зірок (і в останні десятиліття штучна засвітка неба зовнішнім освітленням міст, автомобілями і т. П.) Обмежує видимість самих блідих об'єктів. Справитися з цими труднощами дозволяє винос телескопів в космос. Телескоп «Хаббл» за земними мірками має дуже скромні розміри - діаметр 2,24 метра, проте завдяки заатмосферні розміщення він дозволив зробити безліч першокласних астрономічних відкриттів.
Ультрафіолетове випромінювання
З короткохвильового боку від видимого світла розташовується ультрафіолетовий діапазон, який ділять на ближній і вакуумний. Як і видиме світло, ближній ультрафіолет проходить через атмосферу. Органами почуттів людина його не сприймає, але на шкірі ближній ультрафіолет викликає поява засмаги. Це захисна реакція шкіри на певні хімічні порушення під дією ультрафіолету. Чим коротше довжина хвилі, тим більші порушення може викликати ультрафіолетове випромінювання в біологічних молекулах. Якби весь ультрафіолет проходив через атмосферу, життя на поверхні Землі була б неможлива. Однак вище деякої частоти атмосфера перестає пропускати ультрафіолетове випромінювання, оскільки енергії його квантів стає досить для руйнування (дисоціації) молекул повітря. Одним з перших ультрафіолетовий удар приймає на себе озон, за ним слід кисень. Разом атмосферні гази оберігають поверхню Землі від жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке називають вакуумним, оскільки воно може поширюватися тільки в порожнечі (вакуумі). Верхня межа вакуумного ультрафіолету - 200 нм. З цієї довжини хвилі починає поглинати ультрафіолет молекулярний кисень (O2).
Телескопи для ближнього ультрафіолетового випромінювання будуються за тими ж принципами, що і для видимого діапазону. У них теж використовуються дзеркала, покриті тонким відображає металевим шаром, але виготовляти їх треба з ще більшою точністю. Близький ультрафіолет можна спостерігати з Землі, вакуумний - тільки з космосу.
рентгенівське випромінювання
Формальною кордону між жорстким ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням немає. До її визначенням є два основні підходи: з одного боку, до рентгену прийнято відносити випромінювання, здатне викликати збудження атомних ядер - подібно до того, як видиме і інфрачервоне випромінювання збуджує електронні оболонки атомів і молекул. У цьому випадку навіть жорсткий вакуумний ультрафіолет в деяких випадках може бути віднесений до рентгену. В іншому підході рентгеном вважають випромінювання з довжиною хвилі менше характерного розміру атомів (0,1 нм). Тоді виходить, що більшу частину м'якого рентгенівського діапазону слід вважати наджорстким ультрафіолетом.
М'яке рентгенівське випромінювання ще може відбиватися від полірованого металу, але тільки при ковзному падінні - під кутом менше 1 градуса. Більш жорстке випромінювання доводиться концентрувати іншими способами. Для завдання напряму використовують вузькі трубки, що відтинають кванти, що приходять збоку, а приймачем служить сцинтилятор, в якому рентгенівські кванти іонізують атоми, а ті, знову об'єднуючись з електронами, випускають видиме або ультрафіолетове випромінювання, яке реєструють за допомогою фотоелектронних помножувачів. По суті, в телескопах жорсткого рентгенівського діапазону ведеться підрахунок окремих квантів випромінювання і вже потім за допомогою комп'ютера формується зображення.
Від рентгена до гамма
Кордон, на якій рентгенівський діапазон змінюється гамма-випромінюванням, також умовна. Зазвичай її пов'язують з енергією квантів, які випромінюються при ядерних реакціях (або навпаки, можуть їх викликати). Інший підхід пов'язаний з тим, що теплове випромінювання не прийнято відносити до гамма-діапазону, як би не була висока його енергія. У Всесвіті спостерігаються відносно стабільні макроскопічні об'єкти, розігріті до десятків мільйонів градусів - це центральні ділянки акреційних дисків навколо нейтронних зірок і чорних дір. А ось об'єкти з температурою в мільярди градусів - наприклад, ядра масивних червоних гігантів - практично завжди вкриті непрозорою оболонкою. Втім, нерідко навіть випромінювання в їхніх надрах називають не м'яким гамма-випромінюванням, а наджорстким рентгеном. Стійких утворень з температурою вище десятків мільярдів градусів в сучасному Всесвіті невідомо. Це дає підставу вважати, що гамма-випромінювання завжди генерується нетепловим шляхом. Основним механізмом є випромінювання при зіткненні заряджених частинок, розігнаних до близькосвітлових швидкостей потужними електромагнітними полями, наприклад, у нейтронних зірок.
Гамма-випромінювання
Розподіл гамма-випромінювання на піддіапазони носить ще більш умовний характер. До надвисоким енергій відносять гамма-кванти, генерація яких виходить за межі можливостей сучасних технологій. Всі джерела такого випромінювання пов'язані виключно з космосом. Але оскільки технологіям властиво розвиватися, це визначення не можна назвати чітким.
Атмосфера захищає нас і від гамма-випромінювання. У м'якому і жорсткому поддиапазонах вона повністю його поглинає. Кванти діапазону надвисоких енергій, стикаючись з ядрами атомів в атмосфері, породжують каскади частинок, енергія яких поступово знижується і розсіюється. Однак перші ешелони частинок в них рухаються швидше за швидкість світла в повітрі. В таких умовах заряджені частинки породжують так зване гальмівне (черенковское) випромінювання, в чем-то подібне звуковий ударної хвилі від надзвукового літака. Ультрафіолетові і видимі кванти гальмівного випромінювання досягають поверхні Землі, де уловлюються спеціальними телескопами. Можна сказати, що сама атмосфера стає частиною телескопа, і це дозволяє спостерігати з Землі гамма-випромінювання надвисоких енергій. Це зазначено на плакаті червоними стрілками.
Ще більш енергійні кванти - ультрависоких енергій - породжують настільки потужні каскади частинок, що вони пробивають атмосферу наскрізь і досягають поверхні Землі. Їх називають широкими атмосферними зливами (шал) і реєструють сцинтиляційними датчиками. Частинки шал поряд з природною радіоактивністю земних порід можуть пошкоджувати біологічні молекули, зокрема ДНК, і викликати мутації в живих організмах. Тим самим вони вносять свій внесок в еволюцію життя на Землі. Але якби їх інтенсивність була помітно вище, це могло б стати серйозною перешкодою для життя. На щастя, чим вище енергія гамма-квантів, тим рідше вони зустрічаються. Найенергійніші кванти з енергією близько 10 20 ев приходять приблизно раз в сто років на квадратний кілометр земної поверхні. Походження настільки енергійних гамма-квантів поки не цілком ясно. Значно більшою енергією кванти володіти не можуть, так як вище деякого порога вони починають взаємодіяти з реліктовим мікрохвильовим випромінюванням, приводячи до народження заряджених частинок. Інакше кажучи, Всесвіт непрозора для випромінювання помітно більш енергійного, ніж 10 21 -10 24 еВ.
Інфрачервоне випромінювання
Вирушаючи від видимого світла в довгохвильову сторону спектра, ми потрапляємо в діапазон інфрачервоного випромінювання. Блажен ІК-випромінювання фізично нічим не відрізняється від видимого світла, за винятком того, що не сприймається сітківкою ока. Його можна реєструвати тими ж приладами, зокрема, телескопами, що і видиме світло. Людина також відчуває інфрачервоне випромінювання шкірою - як тепло. Саме завдяки інфрачервоному випромінюванню нам тепло сидіти біля багаття. Більшу частину енергії горіння забирає вгору висхідний потік повітря, на якому ми кип'ятимо воду в казанку, а інфрачервоне (і видиме) випромінювання випускається в сторони молекулами газів, продуктів згоряння і розпеченими частками вугілля.
З ростом довжини хвилі атмосфера втрачає прозорість для інфрачервоного випромінювання. Це пов'язано з так званими колебательно-обертальними смугами поглинання молекул атмосферних газів. Будучи квантовими об'єктами, молекули не можуть обертатися або коливатися довільним чином, як вантажі на пружинці. У кожної молекули є свій набір енергій (і, відповідно, частот випромінювання), які вони можуть запасати в формі коливальних і обертальних рухів. Однак навіть у не самих складних молекул повітря набір цих частот настільки великий, що фактично атмосфера поглинає все випромінювання в деяких ділянках інфрачервоного спектра - це так звані інфрачервоні смуги поглинання. Вони перемежовуються невеликими ділянками, в яких космічне ІК-випромінювання досягає поверхні Землі - це так звані вікна прозорості, яких налічується близько десятка. Їх існування представлено на плакаті розрізненими блакитними стрілками в інфрачервоному діапазоні. Цікаво відзначити, що поглинання ІЧ-випромінювання майже повністю відбувається в нижніх шарах атмосфери через підвищення щільності повітря біля поверхні Землі. Це дозволяє вести спостереження багато в чому інфрачервоному діапазоні з аеростатів і висотних літаків, які піднімаються в стратосферу.
Розподіл інфрачервоного випромінювання на піддіапазони також вельми умовно. Кордон між ближнім і середнім інфрачервоним випромінюванням проводиться приблизно в районі абсолютної температури 300 К, яка характерна для предметів на земній поверхні. Тому всі вони, включаючи прилади, є потужними джерелами інфрачервоного випромінювання. Щоб в таких умовах виділити випромінювання космічного джерела, апаратуру доводиться охолоджувати до температур, близьких до абсолютного нуля, і виносити за межі атмосфери, яка сама інтенсивно світить в середньому ІЧ-діапазоні - саме за рахунок цього випромінювання Земля розсіює в космос енергію, постійно надходить від сонця. Основний тип приймача випромінювання в цьому діапазоні - болометр, тобто, просто кажучи, маленьке чорне тіло, що поглинає випромінювання, поєднане зі надточним термометром.
Далекий інфрачервоний діапазон - один з найбільш складних, як для генерації, так і для реєстрації випромінювання. Останнім часом завдяки розробці особливих матеріалів і надшвидкодіючої електроніки з ним навчилися досить ефективно працювати. У техніці його часто називають Терагерцового випромінюванням. Зараз активно йде розробка безконтактних сканерів для визначення хімічного складу об'єктів на основі генераторів терагерцового випромінювання. Вони зможуть виявляти пластикову вибухівку і наркотики на контрольних пунктах у аеропортах.
В астрономії цей діапазон частіше називають субміліметровим випромінюванням. Він цікавий тим, що в ньому (а також в сусідньому з ним мікрохвильовому діапазоні) спостерігається реліктове випромінювання Всесвіту. До рівня моря субміліметрове випромінювання не доходить, але поглинається воно в основному в самих нижніх шарах атмосфери. Тому в горах Чилі і Мексики на висоті близько 5 тисяч метрів над рівнем моря зараз будуються великі субміліметрові телескопи - в Мексиці 50-метровий, а в Чилі масив з 64 телескопів діаметром 12 метрів.
Мікрохвилі і радіохвилі
До інфрачервоному діапазону примикає радіовипромінювання, яке охоплює весь довгохвильовий край електромагнітного спектра. Енергія квантів в радіодіапазоні дуже мала. Її зазвичай не вистачає для істотних змін в структурі атомів і молекул, але вистачає, щоб взаємодіяти з обертовими рівнями молекул, наприклад, води. Енергії радіохвиль також досить для того, щоб впливати на вільні електрони, наприклад, в провідниках. Коливання електромагнітного поля радіохвилі викликають синхронні коливання електронів в антені, тобто змінний електричний струм.
Чим більше довжина радіохвилі, тим меншу енергію вона несе і тим важче її зареєструвати. Для прийому антену, в якій під дією радіохвилі виникають електричні коливання, підключають до електричного контуру. При попаданні в резонанс з його власною частотою коливання посилюються і їх можна зареєструвати. Щоб зловити радіохвилі, що йдуть з космосу, застосовують дзеркала-антени параболічної форми, які збирають радіовипромінювання всій своїй площею і концентрують його на невеликій антені. Тим самим підвищується чутливість інструменту.
Велика частина мікрохвильового випромінювання (починаючи з довжини хвилі 3-5 мм) проходить через атмосферу. Те ж можна сказати про ультракороткі хвилі (УКХ), на яких ведуть мовлення місцеві телевізійні та радіостанції (в т. Ч. FM-станції) і ведеться космічна радіозв'язок. Випромінювання їх передавачів реєструється тільки в межах прямої видимості антен. Вікно прозорості атмосфери в радіодіапазоні (блакитні стрілки на плакаті) закінчується приблизно на довжині хвилі 10-30 метрів.
Довші радіохвилі відбиваються від іоносфери Землі. Це не дозволяє спостерігати космічні радіоджерела на більш довгих хвилях, але зате забезпечує можливість глобальної короткохвильового радіозв'язку. Радіохвилі в діапазоні від 10 до 100 метрів можуть огинати всю Землю, багаторазово відбиваючись від іоносфери і поверхні Землі. Правда, їх поширення залежить від стану іоносфери, на яку сильно впливає сонячна активність. Тому короткохвильова зв'язок не відрізняється високою якістю і надійністю.
Середні і довгі хвилі також відбиваються від іоносфери, але сильніше загасають з відстанню. Для того щоб сигнал можна було зловити на відстані понад тисячу кілометрів, потрібні дуже потужні передавачі. Наддовгі радіохвилі, з довжиною в сотні і тисячі кілометрів, огинають Землю вже не завдяки іоносфері, а за рахунок хвильових ефектів, які також дозволяють їм проникати на деяку глибину під поверхню океану. Ця властивість використовується для екстреного зв'язку з бойовими підводними човнами в зануреному стані. Інші радіохвилі не проходять через морську воду, яка через розчинених в ній солей вдає із себе хороший провідник і поглинає або відображає радіовипромінювання.
Ніякого теоретичної межі для довжини радіохвиль невідомо. На практиці експериментально вдалося створити і зареєструвати радіохвилю з довжиною хвилі 38 тис. Км (частота 8 Гц).