Spektrum – Rozložení podle vlnové délky (fyzika): Rozšířený slovníček

Porozumění spektru – tedy tomu, jak jsou fyzikální veličiny jako energie nebo intenzita rozloženy podle vlnových délek, frekvencí nebo energií fotonů – je základním kamenem moderní fyziky. Elektromagnetické spektrum, pojem spojující světlo, rádiové vlny, rentgenové záření a další, je základem pokroku ve vědě, technice i průmyslu. Tento slovníček objasňuje všechny důležité termíny, koncepty a veličiny související se spektry a elektromagnetickým zářením, čerpající z autoritativních mezinárodních a vědeckých zdrojů.

Spektrum

Spektrum je grafické nebo matematické zobrazení toho, jak se fyzikální vlastnost (například energie, intenzita nebo výkon) mění v závislosti na jiné proměnné, jako je vlnová délka, frekvence nebo energie fotonu. V kontextu elektromagnetického záření může být spektrum:

• Spojité (všechny hodnoty v rozsahu, např. sluneční světlo)
• Diskrétní (konkrétní hodnoty, např. čáry atomového záření)

Spektra odhalují složení, teplotu a chování látek i zdrojů záření. Jsou zásadní v spektroskopii, astronomii, radiometrii i široké škále vědeckých a technických aplikací.

Elektromagnetické záření

Elektromagnetické záření (EMR) je energie, která se šíří prostorem jako kmitající elektrická a magnetická pole, navzájem kolmá i kolmá na směr šíření. EMR zahrnuje rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření a gama záření – všechny se ve vakuu šíří rychlostí světla. EMR je popsáno klasicky Maxwellovými rovnicemi a kvantově fotony.

Využití je rozsáhlé: komunikace, medicína, průmysl, věda a další.

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum je celý rozsah všech možných elektromagnetických záření, členěný podle vlnové délky, frekvence nebo energie fotonu. Zahrnuje:

• Rádiové vlny
• Mikrovlny
• Infračervené záření
• Viditelné světlo
• Ultrafialové záření
• Rentgenové záření
• Gama záření

Každá oblast má charakteristické interakce s látkou, technologie pro detekci/generování a specializované vědecké využití.

Elektromagnetické vlny

Elektromagnetické vlny jsou samovolně se šířící kmity elektrického a magnetického pole. Jsou příčné: pole jsou navzájem kolmá a kolmá na směr šíření. Ve vakuu se šíří rychlostí světla. Všechny formy EMR jsou elektromagnetické vlny.

Vlnová délka (λ)

Vlnová délka ((\lambda)) je vzdálenost mezi stejnými body v po sobě jdoucích cyklech vlny (například vrchol-vrchol). U EM vln platí:

[ \lambda = \frac{c}{f} ]

kde (c) je rychlost světla a (f) frekvence. Vlnová délka určuje, jak EM záření interaguje s látkou a definuje oblasti spektra.

Frekvence (f nebo ν)

Frekvence ((f) nebo (\nu)) je počet cyklů vlny za sekundu, měřený v hertzech (Hz). S vlnovou délkou souvisí:

[ f = \frac{c}{\lambda} ]

Vyšší frekvence znamená vyšší energii fotonu a kratší vlnovou délku. Frekvence je klíčovým parametrem v telekomunikacích, kvantové fyzice a spektroskopii.

Energie (E)

Energie EM záření je kvantována ve fotonech:

[ E = h f = \frac{h c}{\lambda} ]

kde (h) je Planckova konstanta. Energie fotonu určuje účinky záření na látku, například ionizaci nebo excitaci, a je zásadní v rentgenové a gama fyzice.

Foton

Foton je kvantová částice elektromagnetického záření, nese energii ((E = h f)), ale nemá hmotnost ani náboj. Fotony zprostředkovávají elektromagnetické interakce a vykazují vlnové i částicové vlastnosti. Detekují se ve fotodiodách, PMT a CCD a jsou klíčové v kvantové optice a komunikaci.

Rychlost světla (c)

Rychlost světla ve vakuu je fundamentální konstanta:

[ c = 299,792,458, \text{m/s} ]

Spojuje vlnovou délku a frekvenci a je základem relativity i elektromagnetické teorie. V látkách se světlo zpomaluje o faktor indexu lomu.

Spektrální rozložení

Spektrální rozložení ukazuje, jak je veličina (energie, intenzita, tok) rozložena napříč spektrem (vlnová délka, frekvence nebo energie). Často se znázorňuje graficky. Spektrální rozložení je klíčové pro charakterizaci zdrojů (např. sluneční spektrum), návrh detektorů i interpretaci astronomických pozorování.

Spektrální hustota

Spektrální hustota je koncentrace fyzikální veličiny na jednotku vlnové délky, frekvence nebo energie. Dvě formy:

• Na vlnovou délku ((\Phi_\lambda)): W·m⁻²·m⁻¹
• Na frekvenci ((\Phi_\nu)): W·m⁻²·Hz⁻¹

Spektrální hustota je zásadní v optice, radiometrii, zpracování signálu a komunikacích.

Spektrální tok

Spektrální tok je energetický tok na jednotku plochy a na jednotku vlnové délky nebo frekvence:

[ F_\lambda = \frac{d^2 E}{dA,dt,d\lambda} ]

Používá se v astrofyzice, radiometrii i klimatologii; spektrální tok udává, kolik záření prochází plochou při každé vlnové délce.

Radiometrické veličiny

Radiometrické veličiny objektivně měří elektromagnetické záření, bez ohledu na lidské vidění. Klíčové pojmy:

• Zářivá energie ((Q)): Celková energie (J)
• Zářivý tok ((\Phi)): Výkon (W)
• Ozáření ((E)): Výkon na plochu (W·m⁻²)
• Zářivost ((L)): Výkon na plochu a steradián (W·m⁻²·sr⁻¹)
• Spektrální ozáření/zářivost: Členěné podle vlnové délky nebo frekvence

Tyto veličiny jsou základem kalibrací, porovnávání i standardů ve vědě a technice.

Záření černého tělesa

Záření černého tělesa je teoretické vyzařování dokonalého absorbéru a zářiče. Jeho spektrum (Planckův zákon) závisí pouze na teplotě:

[ B_\lambda(T) = \frac{2 h c^2}{\lambda^5} \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda k_B T}} - 1} ]

Maximum spektra se s teplotou posouvá (Wienův zákon) a celkové vyzařování roste se čtvrtou mocninou teploty (Stefanův–Boltzmannův zákon). Záření černého tělesa vysvětluje spektra hvězd i reliktní záření.

Typy elektromagnetického záření

Rádiové vlny

Rádiové vlny: Nejdelší vlnové délky (>1 mm), nejnižší frekvence (<300 GHz). Používají se v rozhlasu, radaru a radioastronomii. Difrakce umožňuje šíření na velké vzdálenosti.

Mikrovlny

Mikrovlny: Vlnové délky 1 mm–25 μm. Využití v radaru, satelitních komunikacích, mikrovlnných troubách i molekulární spektroskopii.

Infračervené záření

Infračervené záření (IR): 25 μm–750 nm. Vyzařují ho všechny teplé objekty. Použití v termovizi, dálkovém průzkumu Země i optických vláknech.

Viditelné světlo

Viditelné světlo: 400–700 nm. Rozsah vnímaný lidským zrakem, zásadní pro život, barvy i většinu optických technologií.

• Fialová: 400–450 nm
• Modrá: 450–495 nm
• Zelená: 495–570 nm
• Žlutá: 570–590 nm
• Oranžová: 590–620 nm
• Červená: 620–700 nm

Ultrafialové záření

Ultrafialové záření (UV): 400–10 nm. Může ionizovat atomy, způsobovat spálení kůže a sterilizovat zařízení. Použití v litografii i astronomii.

Rentgenové záření

Rentgenové záření: 10–0,01 nm. Prostupuje hmotou, využívá se v lékařském zobrazování a analýze materiálů.

Gama záření

Gama záření: <0,01 nm. Nejvyšší energie fotonů, vzniká při jaderných přeměnách a v kosmu. Využití k léčbě rakoviny a v astrofyzice.

Spektroskopie

Spektroskopie je studium spekter, tedy analýza interakce látek s elektromagnetickým zářením. Umožňuje identifikovat prvky, určovat chemické složení, měřit rychlosti (Dopplerův jev) i zkoumat fyzikální podmínky hvězd, galaxií a materiálů.

Využití spektra

• Astronomie: Určování složení, teploty, vzdálenosti a pohybu těles.
• Medicína: Zobrazování (rentgen, MRI), diagnostika (infračervená termografie).
• Komunikace: Rádio, WiFi, mobilní telefony, optická vlákna.
• Životní prostředí: Dálkový průzkum, monitoring klimatu a znečištění.
• Průmysl: Řezání laserem, analýza materiálů, kontrola kvality.

Slovníček souvisejících pojmů

• Absorpční spektrum: Ukazuje vlnové délky pohlcované látkou.
• Emisní spektrum: Vlnové délky vyzařované atomy nebo molekulami.
• Čárové spektrum: Diskrétní spektrální čáry z kvantových přechodů.
• Spojité spektrum: Všechny vlnové délky v určitém rozsahu.
• Spektrální čára: Úzký útvar označující emisi nebo absorpci na konkrétní vlnové délce.
• Planckův zákon: Popisuje záření černého tělesa.
• Wienův zákon: Maximum spektra je nepřímo úměrné teplotě.
• Stefanův–Boltzmannův zákon: Celkové vyzařování je úměrné T^4.
• Energie fotonu: Energie jednoho kvanta, E = hν.
• Maxwellovy rovnice: Základní zákony elektřiny, magnetismu a světla.
• Difrakční mřížka: Zařízení pro rozklad světla na spektrum.
• Spektrometr: Přístroj na měření spekter.
• Radiometr: Měří zářivou energii.

Další zdroje a autoritativní literatura

• “Fundamentals of Photonics” – B.E.A. Saleh & M.C. Teich
• NIST Physical Measurement Laboratory: https://www.nist.gov/pml
• NASA Imagine the Universe: https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html
• Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE): https://cie.co.at/

Pochopení spektra a souvisejících pojmů otevírá hlubší porozumění neviditelným silám, které utvářejí náš vesmír, naši techniku i každodenní život.