Det elektromagnetiska spektrumet
Radiovågor, värmestrålning, ljus, röntgen och gammastrålning är samma sorts våg med olika frekvens. Här får du överblicken, ser var radion slutar och förstår skillnaden mellan joniserande och icke-joniserande strålning.
Innehåll
Radiovågor är bara en liten del av en mycket större familj. Åt ena hållet finns infraröd strålning, synligt ljus och ultraviolett ljus, åt det andra röntgen och gammastrålning. Alla är elektromagnetiska vågor och följer samma fysik, och det enda som skiljer dem åt är frekvensen. Hela familjen kallas det elektromagnetiska spektrumet, och här får du överblicken: var radion ligger, var den tar slut och varför vissa vågor är ofarliga medan andra kan skada celler.
En familj av vågor#
I Elektromagnetiska vågor såg du att en våg uppstår när laddningar accelererar, och i Frekvens, våglängd och periodtid att våglängden är . Det finns ingen övre eller undre gräns för vilka frekvenser en elektromagnetisk våg kan ha. Ordnar man alla vågor efter frekvens får man spektrumet (figur 1).
Eftersom frekvenserna sträcker sig över många tiopotenser ritas spektrumet på en logaritmisk skala, där varje steg i sidled är en tiofaldig ökning. På en vanlig skala skulle radiovågorna, som är mer än en miljard gånger lägre i frekvens än röntgenstrålning, trängas ihop i en ände.
Tabell 1 sammanfattar områdena. Gränserna är konventioner och skiljer sig något mellan olika källor. Röntgen och gammastrålning överlappar i frekvens, och skillnaden handlar mest om hur strålningen har uppstått: röntgen från elektroner och gamma från atomkärnor.
Tabell 1. Spektrumets delar med ungefärliga frekvens- och våglängdsgränser.
| Område | Frekvens | Våglängd | Exempel på användning |
|---|---|---|---|
| Radiovågor | upp till 3 THz | längre än 0,1 mm | Rundradio, tv, mobiltelefoni, Wi-Fi, radar, satellit |
| Infrarött | ca 0,3–400 THz | 1 mm–750 nm | Värmestrålning, fjärrkontroller, värmekameror, fiberoptik |
| Synligt ljus | ca 400–790 THz | 750–380 nm | Det vi ser med ögonen |
| Ultraviolett | ca 0,8–30 PHz | 380–10 nm | Solens UV-strålning, desinfektion |
| Röntgen | ca 30 PHz–30 EHz | 10–0,01 nm | Medicinsk bilddiagnostik, säkerhetskontroll |
| Gamma | över ca 30 EHz | kortare än ca 0,01 nm | Radioaktiva ämnen, strålbehandling, rymden |
Radion ligger alltså längst ner i frekvens och längst upp i våglängd. Inom radioområdet finns i sin tur en uppdelning i band med namn som kortvåg och UHF. Den förklaras i Frekvensband och bandbeteckningar.
Var slutar radio?#
Radioreglementet från ITU definierar radiovågor som elektromagnetiska vågor med frekvenser godtyckligt lägre än 3 000 GHz, som breder ut sig i rymden utan särskilt anordnad ledare. I Sverige är definitionen i lagen (2022:482) om elektronisk kommunikation snarlik, men anger också en nedre gräns: 9 kHz till 3 000 GHz.1 Det är en juridisk avgränsning av vad som regleras, inte en fysikalisk gräns. I naturen är det ingen skillnad på en våg på 2,9 THz och en på 3,1 THz.
I praktiken märker man ändå en övergång. Upp genom mikrovågsområdet bygger man sändare och mottagare med elektronik och antenner. Vid infrarött och ljus används i stället lasrar, lysdioder, linser och optiska detektorer. Området däremellan, ungefär 0,3–3 THz, kallas terahertzvågor och är tekniskt svårt att utnyttja, eftersom det ligger mellan elektronikens och optikens verktyg.
Vad händer när frekvensen ökar?#
Samma fysik gäller i hela spektrumet, men vågornas beteende i praktiken ändras mycket med frekvensen:
- Radiovågor går genom väggar, träd och dimma och kan fånga upp över långa avstånd. Låga frekvenser följer jordytan eller studsar mot jonosfären, och höga frekvenser kräver ofta fri sikt. Se Så färdas radiovågor.
- Infrarött och synligt ljus stoppas av de flesta fasta material. Värmestrålningen från en kropp ligger i det infraröda, och ögat är känsligt för ett smalt område av synligt ljus.
- Ultraviolett strålning absorberas till största delen av atmosfären, framför allt av ozonlagret, så bara en liten del når marken.
- Röntgen och gamma går igenom mjuka material men stoppas av täta, som bly och tjock betong. De absorberas av jordens atmosfär, och därför måste röntgenteleskop sitta på satelliter.
Atmosfären släpper alltså igenom två "fönster": synligt ljus (med närliggande infrarött) och radiovågor inom ett brett område, ungefär från några MHz till omkring hundra GHz, med luckor vid vissa frekvenser. Radiofönstret är anledningen till att radioteleskop kan ligga på marken, se Radioastronomi.
Fotoner och joniserande strålning#
Elektromagnetisk strålning beter sig både som en våg och som en ström av små energipaket, fotoner. En fotons energi bestäms enbart av frekvensen:
Här är Plancks konstant.2 Ju högre frekvens, desto mer energi per foton. Eftersom energier på atomnivå är små anger man dem ofta i elektronvolt (eV), där . Med frekvensen i hertz blir elektronvolt.
Jonisering innebär att en foton har så mycket energi att den slår loss en elektron ur en atom eller molekyl, så att det bildas en laddad jon. För det krävs i storleksordningen 10 eV. Vatten, som är huvudbeståndsdelen i levande vävnad, har en joniseringsenergi på ungefär 12 eV. Det motsvarar en frekvens på ungefär 3 PHz och en våglängd på ungefär 100 nm, mitt i det ultravioletta området (figur 2).
Strålning vars fotoner ligger över gränsen kallas joniserande strålning. Den kan bryta kemiska bindningar och skada DNA direkt. Hit hör den kortvågiga delen av UV-strålningen, röntgen och gammastrålning. Fotoner under gränsen ger icke-joniserande strålning. Hit hör radiovågor, infrarött, synligt ljus och större delen av UV-strålningen.
En viktig poäng är att joniseringen beror på varje enskild fotons energi, inte på hur många fotoner som kommer. En radiosändare på 1 000 W skickar ut oerhört många fotoner, men var och en har för lite energi för att jonisera. Skillnaden mellan att höja effekten och att höja frekvensen är som mellan att kasta fler tennisbollar mot en vägg och att kasta en enda kanonkula.
Men "icke-joniserande" betyder inte ofarligt. Tillräckligt stark radiostrålning kan värma vävnad, och ultraviolett ljus kan ge solbränna och skada huden trots att det mestadels ligger under joniseringsgränsen. Därför finns gränsvärden även för icke-joniserande strålning, se Elektromagnetiska fält och hälsa och Exponering, gränsvärden och mätning av fält.
Radiospektrumet i vardagen#
Radiodelen av spektrumet är i sin tur uppdelad mellan många tjänster. Figur 3 visar ett urval, grovt ritat på logaritmisk skala. Lågfrekventa signaler på kilohertz används för tidssignaler och för att nå ubåtar och fartyg långt bort. Kortvåg används av radioamatörer och för långdistanssamband. FM-radio, flygradio och marin VHF ligger i området 30–300 MHz, och mobilnät, GPS och Wi-Fi i området ovanför. Uppåt i frekvens finns radiolänkar, satellit-tv och bilradar på tiotals gigahertz.
Att så många tjänster ryms beror på att varje tjänst får sitt eget frekvensområde, och att frekvenserna återanvänds på olika platser. Varför det krävs regler beskrivs i Vad är radio? och i området om reglering.
Kontrollfrågor#
Vad är det som skiljer radiovågor från ljus och röntgenstrålning?
Ingenting annat än frekvensen (och därmed våglängden). Alla är elektromagnetiska vågor som färdas med ljusets hastighet i vakuum.
Vilken våglängd har en radiovåg på 3 THz, den övre gränsen för radio?
m = 0,1 mm.
Ordna delarna av spektrumet från lägst till högst frekvens.
Radiovågor, infrarött, synligt ljus, ultraviolett, röntgen, gammastrålning.
Varför kan en kraftig radiosändare inte jonisera atomer, medan en svag röntgenkälla kan?
Jonisering bestäms av energin hos varje enskild foton, och den är . Radiofotoner har långt under 1 eV och räcker inte för att slå loss elektroner, oavsett hur många de är. Röntgenfotoner har tiotusentals eV.
Beräkna fotonenergin för en FM-sändning på 100 MHz i elektronvolt.
eV, alltså omkring 0,4 µeV.
En mikrovågsugn arbetar vid 2,45 GHz. Vilken våglängd har strålningen?
m, alltså ungefär 12 cm.
Varför kan radioteleskop ligga på marken men inte röntgenteleskop?
Atmosfären släpper igenom radiovågor inom ett brett frekvensområde (radiofönstret) men absorberar röntgenstrålning. Röntgenteleskop måste därför sitta på satelliter ovanför atmosfären.
Betyder ”icke-joniserande” att strålningen är ofarlig?
Nej. Icke-joniserande strålning kan fortfarande ha effekter om den är tillräckligt stark: radiovågor kan värma vävnad och UV-ljus kan ge solbränna. Därför finns gränsvärden för exponering.
-
Lag (2022:482) om elektronisk kommunikation, 1 kap. 7 §; ITU Radioreglementet nr 1.5 (”arbitrarily lower than 3 000 GHz”). ITU-R V.431-9 (2025) numrerar frekvensbanden till och med band 12, THF (300–3 000 GHz). ↩
-
Plancks konstant är exakt J·s och elementarladdningen exakt C i SI-systemet sedan 2019 (BIPM, SI-broschyren). Gränsen runt 10–12 eV för jonisering av biologiskt material är en tumregel och inte skarp. ↩