전자기 스펙트럼

파장·주파수·광자 에너지에 따른 전자기 스펙트럼의 개략도

전자기 스펙트럼(영어: electromagnetic spectrum)은 전자기파를 주파수 또는 파장에 따라 배열한 연속적인 범위이다. 전자기파는 진공에서 빛의 속도 $c$로 전파되며, 파장 $\lambda$와 주파수 $f$의 관계는 $c=f\lambda$이다. 광자 하나의 에너지는 $E=hf$이므로 주파수가 높을수록 파장이 짧고 광자 에너지가 크다.

스펙트럼의 가장 긴 전파부터 가장 짧은 감마선까지 각 영역에는 관습적인 이름이 붙어 있다. 그러나 영역 사이에 자연적으로 정해진 경계가 있는 것은 아니며, 연구 분야와 응용에 따라 경계와 용어가 달라질 수 있다. 전파·마이크로파·적외선·가시광선·자외선·엑스선·감마선은 모두 같은 전자기파의 서로 다른 주파수 범위이다.

발견과 역사

아이작 뉴턴은 프리즘으로 백색광을 분해해 가시광선의 색이 연속적으로 배열된다는 사실을 연구했다. 1800년 윌리엄 허셜은 가시광선의 붉은 쪽 바깥에서 온도를 높이는 보이지 않는 복사를 발견했고, 이 복사를 오늘날 적외선이라고 부른다. 이듬해 요한 빌헬름 리터는 보라색 바깥에서 사진 작용을 일으키는 복사를 발견했으며, 이는 자외선으로 알려졌다.

19세기에는 제임스 클러크 맥스웰의 이론이 전기장과 자기장의 파동이 서로 다른 주파수로 존재할 수 있음을 예측했다. 하인리히 헤르츠는 1880년대에 전파를 발생시키고 검출하여 전자기파의 존재를 확인했다. 이후 X선과 감마선이 발견되면서 스펙트럼은 가시광선보다 훨씬 넓은 범위로 확장되었다.

파장·주파수·에너지

전자기파의 파장과 주파수는 서로 반비례한다. 진공에서

$c=f\lambda$

이며, 여기서 $c$는 빛의 속도, $f$는 주파수, $\lambda$는 파장이다. 매질 안에서는 위상 속도가 달라지고 파장은 매질의 굴절률에 따라 변하지만 주파수는 경계면을 지날 때 보존된다. 광자 에너지 $E=hf$와 운동량 $p=h/\lambda$는 전자기 복사의 주파수와 파장이 물질과의 상호작용을 결정하는 이유를 보여 준다.

범위와 대역 경계

전자기파의 파장과 주파수에는 물리적으로 정해진 최장·최단 한계가 없으며, 전파·마이크로파·적외선 등의 이름은 관측과 기술에서 편리하게 쓰기 위해 정한 대역명이다. 같은 복사를 연구 분야에 따라 서로 다른 대역으로 부르기도 하고, 테라헤르츠파처럼 인접 영역을 가리키는 별도 용어를 쓰기도 한다. 따라서 그림에 표시된 경계값은 대표적인 범위이며 엄밀한 불연속을 뜻하지 않는다.

영역

전자기 스펙트럼의 대표적인 영역과 파장·주파수의 관계

NASA가 제작한 전자기 스펙트럼의 영역과 응용 도식

전파

전파는 스펙트럼에서 비교적 긴 파장을 가진 복사로, 통신·방송·항법·전파천문학에 사용된다. 낮은 주파수의 전파는 지표면을 따라 전파되거나 전리층에 반사될 수 있으며, 높은 주파수의 전파는 안테나의 크기와 직진성이 중요해진다. 무선 스펙트럼의 주파수 분배는 통신 규정과 용도에 따라 관리된다.

마이크로파와 테라헤르츠파

마이크로파는 레이더·위성 통신·무선 통신·전자레인지 등에 이용된다. 마이크로파보다 짧고 적외선보다 긴 범위를 테라헤르츠파라고 부르기도 하지만, 이 용어의 경계는 문헌마다 다르다. 대기 중 수증기와 산소는 특정 주파수에서 흡수선을 만들므로 지상 통신과 천문 관측에는 이른바 전파창과 대기 투과 창이 중요하다.

파장에 따른 지구 대기의 전자기파 투과율과 흡수 영역

적외선

적외선은 가시광선의 붉은색보다 긴 파장을 가진다. 물체의 열복사, 분자 진동·회전, 열화상 카메라, 원격 탐사와 적외선 통신에 관련된다. 적외선의 세부 영역은 근적외선·중적외선·원적외선 등으로 나누지만, 각각의 경계는 분야에 따라 조금씩 다르다.

가시광선

가시광선은 사람의 눈이 감지하는 좁은 영역이다. 진공에서 파장은 대략 수백 나노미터 범위이며, 파장에 따라 보라색에서 빨간색까지 색으로 인식된다. 색의 경계는 관찰자의 시각과 광원의 스펙트럼에 따라 달라지므로 단일한 경계값으로 정해지지 않는다.

자외선

자외선은 가시광선보다 파장이 짧고 에너지가 높다. 태양 복사, 형광, 광화학 반응과 관련되며, 일부 자외선은 피부와 눈에 손상을 줄 수 있다. 지구 대기의 오존층은 파장이 짧은 자외선을 강하게 흡수해 지표면에 도달하는 복사의 양을 줄인다. 자외선 안에서도 근자외선·원자외선·극자외선 등의 구분을 사용한다.

고도와 오존층에 따른 자외선 투과량의 변화

엑스선

엑스선은 물질을 통과하는 정도가 물질의 밀도와 원자 번호에 따라 달라져 의료 영상·결정 구조 분석·천문 관측에 이용된다. 고에너지 엑스선은 원자를 이온화할 수 있으므로 발생 장치와 차폐를 관리해야 한다.

감마선

감마선은 보통 원자핵의 방사성 붕괴나 고에너지 입자 반응에서 방출되는 고에너지 전자기 복사를 가리킨다. 천체물리학에서는 감마선 폭발, 펄서와 활동은하핵을 관측하는 데 사용되며, 의학에서는 방사선 치료와 핵의학에 이용된다. 엑스선과 감마선은 에너지 범위가 겹칠 수 있고, 실제 구분은 파장만이 아니라 발생 과정에 따라 이루어지는 경우가 많다.

이온화와 물질과의 상호작용

자외선의 일부, 엑스선, 감마선은 광자 에너지가 충분히 커서 원자나 분자에서 전자를 떼어 낼 수 있는 이온화 방사선이다. 이온화 여부는 단순히 대역 이름만으로 결정되지 않고 광자 에너지와 물질의 결합 에너지에 의존한다. 전파·마이크로파·적외선·가시광선의 광자는 일반적으로 원자를 직접 이온화하지 않지만, 물질에 흡수되어 가열하거나 분자 상태를 변화시킬 수 있다.

대부분의 전자기 스펙트럼은 분광학으로 분석한다. 분광기는 파장 또는 주파수별로 복사를 분리해 방출선·흡수선·연속 스펙트럼을 측정하며, 물질의 조성·온도·운동 상태와 천체의 물리적 조건을 알아내는 데 쓰인다.

같이 보기

• 전자기파
• 전자기학
• 무선 스펙트럼
• 빛
• 스펙트럼
• 분광학
• 이온화 방사선
• 비이온화 방사선
• 전파천문학
• 오존층
• 전파창
• 복사 에너지
• 방사선
• 뇌전도
• 우주선 (물리)