Promieniowanie elektromagnetyczne -Electromagnetic radiation

Liniowo spolaryzowana fala elektromagnetyczna biegnąca wzdłuż osi z, gdzie E oznacza pole elektryczne, a prostopadła B oznacza pole magnetyczne

W fizyce promieniowanie elektromagnetyczne ( EMR ) składa się z fal pola elektromagnetycznego (EM) , rozchodzących się w przestrzeni, niosących elektromagnetyczną energię promieniowania . Obejmuje fale radiowe , mikrofale , podczerwień , (widzialne) światło , ultrafiolet , promienie rentgenowskie i promienie gamma . Wszystkie te fale stanowią część widma elektromagnetycznego .

Klasycznie promieniowanie elektromagnetyczne składa się z fal elektromagnetycznych , które są zsynchronizowanymi drganiami pól elektrycznych i magnetycznych . Promieniowanie elektromagnetyczne lub fale elektromagnetyczne powstają w wyniku okresowej zmiany pola elektrycznego lub magnetycznego. W zależności od tego, jak zachodzi ta okresowa zmiana i generowanej mocy, wytwarzane są różne długości fal widma elektromagnetycznego. W próżni fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła , powszechnie oznaczaną jako c . W jednorodnych, izotropowych ośrodkach oscylacje dwóch pól są prostopadłe do siebie i prostopadłe do kierunku energii i propagacji fali, tworząc falę poprzeczną . Pozycję fali elektromagnetycznej w widmie elektromagnetycznym można scharakteryzować za pomocą częstotliwości oscylacji lub długości fali . Fale elektromagnetyczne o różnej częstotliwości są nazywane różnymi nazwami, ponieważ mają różne źródła i wpływ na materię. W kolejności rosnącej częstotliwości i malejącej długości fali są to: fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

Fale elektromagnetyczne są emitowane przez naładowane elektrycznie cząstki podlegające przyspieszeniu, a fale te mogą następnie oddziaływać z innymi naładowanymi cząstkami, wywierając na nie siłę. Fale EM przenoszą energię, pęd i moment pędu z dala od swojej cząstki źródłowej i mogą przekazywać te wielkości materii, z którą wchodzą w interakcje. Promieniowanie elektromagnetyczne jest związane z tymi falami EM, które mogą się swobodnie rozchodzić ("promieniować") bez ciągłego wpływu poruszających się ładunków, które je wytworzyły, ponieważ osiągnęły wystarczającą odległość od tych ładunków. Dlatego EMR jest czasami określane jako pole dalekie . W tym języku pole bliskie odnosi się do pól EM w pobliżu ładunków i prądu, które bezpośrednio je wytworzyły, w szczególności zjawiska indukcji elektromagnetycznej i indukcji elektrostatycznej .

W mechanice kwantowej alternatywnym sposobem postrzegania EMR jest to, że składa się ono z fotonów , nienaładowanych cząstek elementarnych o zerowej masie spoczynkowej , które są kwantami pola elektromagnetycznego , odpowiedzialnymi za wszystkie oddziaływania elektromagnetyczne. Elektrodynamika kwantowa to teoria interakcji PEM z materią na poziomie atomowym. Efekty kwantowe zapewniają dodatkowe źródła EMR, takie jak przejście elektronów na niższe poziomy energii w atomie i promieniowanie ciała doskonale czarnego . Energia pojedynczego fotonu jest skwantowana i jest większa dla fotonów o wyższej częstotliwości. Zależność tę podaje równanie Plancka E = hf , gdzie E jest energią na foton, f jest częstotliwością fotonu, a h jest stałą Plancka . Na przykład pojedynczy foton promieniowania gamma może przenosić ~100 000 razy energię pojedynczego fotonu światła widzialnego.

Oddziaływanie PEM na związki chemiczne i organizmy biologiczne zależy zarówno od mocy promieniowania, jak i jego częstotliwości. EMR o widzialnych lub niższych częstotliwościach (tj. światło widzialne, podczerwień, mikrofale i fale radiowe) nazywa się promieniowaniem niejonizującym , ponieważ jego fotony nie mają indywidualnie wystarczającej energii, aby zjonizować atomy lub cząsteczki lub zerwać wiązania chemiczne . Skutki tego promieniowania na układy chemiczne i żywą tkankę są spowodowane głównie efektami cieplnymi z połączonego transferu energii wielu fotonów. Natomiast ultrafiolet o wysokiej częstotliwości, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma nazywane są promieniowaniem jonizującym , ponieważ pojedyncze fotony o tak wysokiej częstotliwości mają wystarczającą energię, aby zjonizować cząsteczki lub zerwać wiązania chemiczne . Promieniowania te mają zdolność wywoływania reakcji chemicznych i uszkadzania żywych komórek w stopniu wykraczającym poza zwykłe ogrzewanie i mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia.

Fizyka

Teoria

Pokazuje względne długości fal elektromagnetycznych trzech różnych kolorów światła (niebieskiego, zielonego i czerwonego) ze skalą odległości w mikrometrach wzdłuż osi x.

równania Maxwella

James Clerk Maxwell wyprowadził falową formę równań elektrycznych i magnetycznych , odkrywając w ten sposób falową naturę pól elektrycznych i magnetycznych oraz ich symetrię . Ponieważ prędkość fal EM przewidywana przez równanie falowe pokrywała się ze zmierzoną prędkością światła , Maxwell doszedł do wniosku, że samo światło jest falą EM. Równania Maxwella zostały potwierdzone przez Heinricha Hertza poprzez eksperymenty z falami radiowymi.

Maxwell zdał sobie sprawę, że skoro wiele elementów fizyki jest symetrycznych i matematycznie artystycznych, musi istnieć również symetria między elektrycznością a magnetyzmem. Zdał sobie sprawę, że światło jest kombinacją elektryczności i magnetyzmu, a zatem muszą być ze sobą powiązane. Zgodnie z równaniami Maxwella , przestrzennie zmienne pole elektryczne jest zawsze związane z polem magnetycznym, które zmienia się w czasie. Podobnie przestrzennie zmienne pole magnetyczne jest związane z określonymi zmianami pola elektrycznego w czasie. W fali elektromagnetycznej zmianom pola elektrycznego zawsze towarzyszy fala w polu magnetycznym w jednym kierunku i odwrotnie. Ten związek między nimi występuje bez żadnego rodzaju pola powodującego drugie; raczej zachodzą razem w taki sam sposób, w jaki zmiany czasu i przestrzeni zachodzą razem i są ze sobą powiązane w szczególnej teorii względności . W rzeczywistości pola magnetyczne mogą być postrzegane jako pola elektryczne w innym układzie odniesienia, a pola elektryczne mogą być postrzegane jako pola magnetyczne w innym układzie odniesienia, ale mają one takie samo znaczenie, jak fizyka jest taka sama we wszystkich układach odniesienia, więc bliski związek między zmianami przestrzeni i czasu jest tu czymś więcej niż analogią. Razem pola te tworzą propagującą się falę elektromagnetyczną, która przemieszcza się w kosmos i nigdy więcej nie musi wchodzić w interakcje ze źródłem. Odległe pole EM utworzone w ten sposób przez przyspieszenie ładunku niesie ze sobą energię, która „promieniuje” w przestrzeni, stąd określenie.

Bliskie i dalekie pola

W promieniowaniu elektromagnetycznym (takim jak mikrofale z anteny pokazanej tutaj) termin „promieniowanie” odnosi się tylko do tych części pola elektromagnetycznego, które wypromieniowują w nieskończoną przestrzeń i zmniejszają intensywność zgodnie z odwrotnym kwadratem mocy, tak że całkowita energia promieniowania przechodząca przez wyobrażoną kulistą powierzchnię jest taka sama, bez względu na to, jak daleko od anteny rysowana jest kulista powierzchnia. Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje zatem daleką część pola elektromagnetycznego wokół nadajnika. Część „bliskiego pola” w pobliżu nadajnika stanowi część zmiennego pola elektromagnetycznego , ale nie jest zaliczana do promieniowania elektromagnetycznego.

Równania Maxwella wykazały, że niektóre ładunki i prądy („źródła”) wytwarzają w ich pobliżu lokalne pole elektromagnetyczne , które nie zachowuje się jak EMR. Prądy bezpośrednio wytwarzają pole magnetyczne, ale jest to dipol magnetyczny , który zanika wraz z odległością od prądu. W podobny sposób poruszające się ładunki odpychane w przewodniku przez zmieniający się potencjał elektryczny (np. w antenie) wytwarzają pole elektryczne typu dipola elektrycznego, ale ono również maleje wraz z odległością. Pola te tworzą bliskie pole w pobliżu źródła EMR. Żadne z tych zachowań nie jest odpowiedzialne za promieniowanie EM. Zamiast tego powodują zachowanie pola elektromagnetycznego, które skutecznie przenosi moc do odbiornika znajdującego się bardzo blisko źródła, takie jak indukcja magnetyczna wewnątrz transformatora lub zachowanie sprzężenia zwrotnego, które ma miejsce w pobliżu cewki wykrywacza metalu . Zazwyczaj pola bliskie mają silny wpływ na własne źródła, powodując zwiększone „obciążenie” (zmniejszoną reaktancję elektryczną ) w źródle lub nadajniku, za każdym razem, gdy energia jest pobierana z pola EM przez odbiornik. W przeciwnym razie pola te nie „rozchodzą się” swobodnie w kosmos, unosząc swoją energię bez ograniczenia odległości, ale raczej oscylują, zwracając energię do nadajnika, jeśli nie jest odbierana przez odbiornik.

Natomiast pole dalekie EM składa się z promieniowania , które jest wolne od nadajnika w tym sensie, że (w przeciwieństwie do transformatora elektrycznego) nadajnik wymaga tej samej mocy, aby wysłać te zmiany w polach, niezależnie od tego, czy sygnał jest natychmiast odebrane, czy nie. Ta odległa część pola elektromagnetycznego to „promieniowanie elektromagnetyczne” (zwane także dalekim polem ). Odległe pola rozchodzą się (promieniują) bez wpływu na nie nadajnika. Powoduje to, że są niezależne w tym sensie, że ich istnienie i ich energia po opuszczeniu nadajnika są całkowicie niezależne zarówno od nadajnika, jak i odbiornika. Ze względu na zachowanie energii ilość energii przechodzącej przez każdą kulistą powierzchnię wokół źródła jest taka sama. Ponieważ powierzchnia taka ma powierzchnię proporcjonalną do kwadratu jej odległości od źródła, gęstość mocy promieniowania EM zawsze maleje z odwrotnością kwadratu odległości od źródła; nazywa się to prawem odwrotności kwadratu . Jest to w przeciwieństwie do dipolowych części pola EM w pobliżu źródła (pola bliskiego), które różnią się mocą zgodnie z odwrotnym prawem mocy sześcianu, a zatem nie przenoszą zachowanej ilości energii na odległość, ale zanikają z odległością, której energia (jak zauważono) szybko powraca do nadajnika lub jest pochłaniana przez pobliski odbiornik (taki jak cewka wtórna transformatora).

Pole dalekie (EMR) zależy od innego mechanizmu jego wytwarzania niż pole bliskie i od innych warunków w równaniach Maxwella. Podczas gdy magnetyczna część bliskiego pola jest spowodowana prądami w źródle, pole magnetyczne w EMR jest spowodowane tylko lokalną zmianą pola elektrycznego. W podobny sposób, podczas gdy pole elektryczne w polu bliskim jest spowodowane bezpośrednio ładunkami i separacją ładunków w źródle, pole elektryczne w EMR jest spowodowane zmianą lokalnego pola magnetycznego. Oba procesy wytwarzania pól elektrycznych i magnetycznych EMR mają inną zależność od odległości niż dipolowe pola elektryczne i magnetyczne bliskiego pola. Dlatego pole EM typu EMR staje się dominujące w mocy "daleko" od źródeł. Termin „daleko od źródeł” odnosi się do tego, jak daleko od źródła (poruszając się z prędkością światła) znajduje się jakakolwiek część pola elektromagnetycznego poruszającego się na zewnątrz, do czasu, gdy prądy źródłowe są zmieniane przez zmieniający się potencjał źródła, a źródło zaczęło zatem generować poruszające się na zewnątrz pole EM o innej fazie.

Bardziej zwarty pogląd na EMR jest taki, że dalekie pole, które składa się na EMR, to na ogół ta część pola EM, która przebyła wystarczającą odległość od źródła, że ​​została całkowicie odłączona od wszelkich sprzężeń zwrotnych do ładunków i prądów, które były pierwotnie odpowiedzialne dla tego. Teraz, niezależnie od ładunków źródłowych, pole EM, w miarę oddalania się, zależy tylko od przyspieszeń ładunków, które je wytworzyły. Nie ma już silnego połączenia z bezpośrednimi polami ładunków ani z prędkością ładunków (prądów).

W sformułowaniu potencjału Liénarda-Wiecherta pola elektrycznego i magnetycznego wywołanego ruchem pojedynczej cząstki (zgodnie z równaniami Maxwella) terminami związanymi z przyspieszeniem cząstki są te, które odpowiadają za część pola uważaną za promieniowanie elektromagnetyczne. W przeciwieństwie do tego, termin związany ze zmieniającym się statycznym polem elektrycznym cząstki i termin magnetyczny, który wynika z jednorodnej prędkości cząstki, są związane z bliskim polem elektromagnetycznym i nie obejmują promieniowania EM.

Nieruchomości

Fale elektromagnetyczne można sobie wyobrazić jako samorozchodzącą się poprzeczną falę oscylacyjną pól elektrycznych i magnetycznych. Ta animacja 3D pokazuje płaszczyznę liniowo spolaryzowaną falę rozchodzącą się od lewej do prawej. Pola elektryczne i magnetyczne w takiej fali są ze sobą w fazie, osiągając razem minima i maksima.

Elektrodynamika to fizyka promieniowania elektromagnetycznego, a elektromagnetyzm to zjawisko fizyczne związane z teorią elektrodynamiki. Pola elektryczne i magnetyczne podlegają właściwościom superpozycji . W ten sposób pole wywołane jakąkolwiek konkretną cząstką lub zmiennym w czasie polem elektrycznym lub magnetycznym przyczynia się do powstawania pól obecnych w tej samej przestrzeni z innych przyczyn. Ponadto, ponieważ są to pola wektorowe , wszystkie wektory pola magnetycznego i elektrycznego sumują się zgodnie z dodawaniem wektorów . Na przykład, w optyce dwie lub więcej spójnych fal świetlnych może oddziaływać i przez konstruktywną lub destrukcyjną interferencję dawać wynikowe natężenie promieniowania odbiegające od sumy składowych natężenia promieniowania poszczególnych fal świetlnych.

Na pola elektromagnetyczne światła nie ma wpływu podróżowanie przez statyczne pola elektryczne lub magnetyczne w ośrodku liniowym, takim jak próżnia. Jednak w ośrodkach nieliniowych, takich jak niektóre kryształy , mogą wystąpić interakcje między światłem a statycznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi — te interakcje obejmują efekt Faradaya i efekt Kerra .

W załamaniu fala przechodząca z jednego ośrodka do drugiego o różnej gęstości zmienia swoją prędkość i kierunek po wejściu do nowego ośrodka. Stosunek współczynników załamania mediów określa stopień załamania i jest podsumowany przez prawo Snella . Światło o kompozytowych długościach fal (naturalne światło słoneczne) rozprasza się w widzialnym widmie przechodząc przez pryzmat, z powodu zależnego od długości fali współczynnika załamania materiału pryzmatu ( dyspersja ); to znaczy, że każda fala składowa w kompozytowym świetle jest wygięta w innym stopniu.

Promieniowanie EM wykazuje jednocześnie zarówno właściwości falowe, jak i właściwości cząstek (patrz dualność falowo-cząstkowa ). W wielu eksperymentach potwierdzono zarówno charakterystykę falową, jak i cząsteczkową. Charakterystyki fal są bardziej widoczne, gdy promieniowanie EM jest mierzone w stosunkowo dużych skalach czasowych i na dużych odległościach, podczas gdy charakterystyka cząstek jest bardziej widoczna podczas pomiaru w małych skalach czasowych i odległościach. Na przykład, gdy promieniowanie elektromagnetyczne jest pochłaniane przez materię, właściwości cząsteczkowe będą bardziej widoczne, gdy średnia liczba fotonów w sześcianie o odpowiedniej długości fali jest znacznie mniejsza niż 1. Nie jest tak trudno doświadczalnie zaobserwować nierównomierne osadzanie się energii, gdy światło jest pochłaniane, jednak samo to nie jest dowodem na zachowanie „cząstek”. Odzwierciedla raczej kwantową naturę materii . Wykazanie, że samo światło jest skwantowane, a nie tylko jego interakcja z materią, jest sprawą bardziej subtelną.

Niektóre eksperymenty pokazują zarówno falową, jak i cząsteczkową naturę fal elektromagnetycznych, na przykład interferencję własną pojedynczego fotonu . Kiedy pojedynczy foton jest przesyłany przez interferometr , przechodzi przez obie ścieżki, zakłócając się, tak jak fale, ale jest wykrywany przez fotopowielacz lub inny czuły detektor tylko raz.

Teorię kwantową oddziaływania między promieniowaniem elektromagnetycznym a materią, taką jak elektrony, opisuje teoria elektrodynamiki kwantowej .

Fale elektromagnetyczne mogą być spolaryzowane , odbijane, załamywane, uginane lub zakłócać się nawzajem.

Model fali

Reprezentacja wektora pola elektrycznego fali spolaryzowanego kołowo promieniowania elektromagnetycznego.

W jednorodnych, izotropowych ośrodkach promieniowanie elektromagnetyczne jest falą poprzeczną , co oznacza, że ​​jego drgania są prostopadłe do kierunku przekazywania i przemieszczania się energii. Pochodzi z następujących równań :

Równania te wskazują, że każda fala elektromagnetyczna musi być falą poprzeczną , gdzie pole elektryczne E i pole magnetyczne B są prostopadłe do kierunku propagacji fali.

Części elektryczne i magnetyczne pola w fali elektromagnetycznej mają stały stosunek sił, aby spełnić dwa równania Maxwella , które określają, w jaki sposób jedno jest wytwarzane z drugiego. W mediach bez rozpraszania (bezstratnych) te pola E i B są również w fazie, osiągając zarówno maksima, jak i minima w tych samych punktach w przestrzeni (patrz ilustracje). Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że pola E i B w promieniowaniu elektromagnetycznym są przesunięte w fazie, ponieważ zmiana jednego z nich powoduje drugie, a to spowodowałoby różnicę faz między nimi jako funkcje sinusoidalne (co rzeczywiście ma miejsce w przypadku indukcji elektromagnetycznej i bliskiej -pole blisko anten). Jednak w przypadku promieniowania EM dalekiego pola, które jest opisane przez dwa bezźródłowe równania operatora zwinięcia Maxwella, bardziej poprawnym opisem jest to, że zmiana czasu w jednym typie pola jest proporcjonalna do zmiany przestrzeni w drugim. Te pochodne wymagają, aby pola E i B w EMR były w fazie (patrz sekcja matematyka poniżej). Ważnym aspektem natury światła jest jego częstotliwość . Częstotliwość fali jest szybkością jej oscylacji i jest mierzona w hercach , jednostce częstotliwości układu SI , gdzie jeden herc odpowiada jednemu oscylacji na sekundę. Światło zwykle ma wiele częstotliwości, które sumują się, tworząc falę wynikową. Różne częstotliwości podlegają różnym kątom załamania, zjawisku znanym jako dyspersja .

Fala monochromatyczna (fala o pojedynczej częstotliwości) składa się z następujących po sobie dolin i grzbietów, a odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami lub dolinami nazywana jest długością fali . Fale widma elektromagnetycznego różnią się wielkością, od bardzo długich fal radiowych dłuższych niż kontynent do bardzo krótkich promieni gamma, mniejszych niż jądra atomów. Częstotliwość jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, zgodnie z równaniem:

gdzie v to prędkość fali ( c w próżni lub mniej w innych ośrodkach), f to częstotliwość, a λ to długość fali. Gdy fale przekraczają granice między różnymi mediami, ich prędkości zmieniają się, ale ich częstotliwości pozostają stałe.

Fale elektromagnetyczne w wolnej przestrzeni muszą być rozwiązaniami równania fal elektromagnetycznych Maxwella . Znane są dwie główne klasy rozwiązań, a mianowicie fale płaskie i fale sferyczne. Fale płaskie mogą być postrzegane jako graniczny przypadek fal sferycznych w bardzo dużej (najlepiej nieskończonej) odległości od źródła. Oba typy fal mogą mieć przebieg, który jest dowolną funkcją czasu (o ile jest wystarczająco różniczkowalny, aby był zgodny z równaniem falowym). Podobnie jak w przypadku każdej funkcji czasu, można ją rozłożyć za pomocą analizy Fouriera na jej widmo częstotliwościowe lub poszczególne składowe sinusoidalne, z których każda zawiera jedną częstotliwość, amplitudę i fazę. Mówi się, że taka fala składowa jest monochromatyczna . Monochromatyczna fala elektromagnetyczna może być scharakteryzowana przez jej częstotliwość lub długość fali, jej szczytową amplitudę, jej fazę względem jakiejś fazy odniesienia, jej kierunek propagacji i jej polaryzację.

Interferencja to superpozycja dwóch lub więcej fal, w wyniku której powstaje nowy wzór fal. Jeśli pola mają składowe w tym samym kierunku, konstruktywnie zakłócają, podczas gdy przeciwne kierunki powodują destrukcyjne interferencje. Przykładem zakłóceń powodowanych przez PEM są zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) lub, jak to jest powszechniej znane, zakłócenia o częstotliwości radiowej (RFI). Dodatkowo, sygnały wielokrotnej polaryzacji mogą być łączone (tj. zakłócane) w celu utworzenia nowych stanów polaryzacji, co jest znane jako generowanie stanów polaryzacji równoległej .

Energia fal elektromagnetycznych jest czasami nazywana energią promieniowania .

Model cząstek i teoria kwantowa

Pod koniec XIX wieku pojawiła się anomalia polegająca na sprzeczności między falową teorią światła a pomiarami widm elektromagnetycznych emitowanych przez promienniki termiczne zwane ciałami doskonale czarnymi . Fizycy przez wiele lat bezskutecznie zmagali się z tym problemem. Później stał się znany jako katastrofa ultrafioletowa . W 1900 roku Max Planck opracował nową teorię promieniowania ciała doskonale czarnego , która wyjaśniała obserwowane widmo. Teoria Plancka opierała się na założeniu, że ciała czarne emitują światło (i inne promieniowanie elektromagnetyczne) tylko w postaci dyskretnych wiązek lub pakietów energii. Pakiety te nazwano kwantami . W 1905 Albert Einstein zaproponował, aby kwanty światła były uważane za cząstki rzeczywiste. Później cząstce światła nadano nazwę foton , co odpowiadało innym cząsteczkom opisywanym w tym czasie, takim jak elektron i proton . Foton ma energię E , proporcjonalną do jego częstotliwości f , by

gdzie h jest stałą Plancka , jest długością fali ic jest prędkością światła . Jest to czasami znane jako równanie Plancka-Einsteina . W teorii kwantowej (patrz pierwsza kwantyzacja ) energia fotonów jest zatem wprost proporcjonalna do częstotliwości fali EMR.

Podobnie pęd p fotonu jest również proporcjonalny do jego częstotliwości i odwrotnie proporcjonalny do jego długości fali:

Źródłem propozycji Einsteina, że ​​światło składa się z cząstek (lub w pewnych okolicznościach może działać jako cząstki) była eksperymentalna anomalia niewyjaśniona przez teorię falową: efekt fotoelektryczny , w którym światło uderzające w metalową powierzchnię wyrzucało elektrony z powierzchni, powodując prąd elektryczny przepływający przez przyłożone napięcie . Pomiary eksperymentalne wykazały, że energia poszczególnych wyrzucanych elektronów była proporcjonalna do częstotliwości , a nie natężenia światła. Co więcej, poniżej pewnej minimalnej częstotliwości, która zależała od konkretnego metalu, żaden prąd nie płynąłby niezależnie od natężenia. Obserwacje te wydawały się zaprzeczać teorii falowej i przez lata fizycy na próżno próbowali znaleźć wyjaśnienie. W 1905 Einstein wyjaśnił tę zagadkę, wskrzeszając cząsteczkową teorię światła, aby wyjaśnić obserwowany efekt. Jednak ze względu na przewagę dowodów na korzyść teorii falowej idee Einsteina spotkały się początkowo z wielkim sceptycyzmem wśród uznanych fizyków. Ostatecznie wyjaśnienie Einsteina zostało zaakceptowane, ponieważ zaobserwowano nowe, cząsteczkowe zachowanie światła, takie jak efekt Comptona .

Gdy foton jest absorbowany przez atom , wzbudza on atom, podnosząc elektron na wyższy poziom energii (ten, który znajduje się średnio dalej od jądra). Gdy elektron w wzbudzonej cząsteczce lub atomie schodzi na niższy poziom energetyczny, emituje foton światła o częstotliwości odpowiadającej różnicy energii. Ponieważ poziomy energetyczne elektronów w atomach są dyskretne, każdy pierwiastek i każda cząsteczka emitują i pochłaniają własne charakterystyczne częstotliwości. Natychmiastowa emisja fotonów nazywana jest fluorescencją , rodzajem fotoluminescencji . Przykładem jest światło widzialne emitowane z farb fluorescencyjnych, w odpowiedzi na ultrafiolet (światło ultrafioletowe ) . Wiele innych emisji fluorescencyjnych jest znanych w pasmach widmowych innych niż światło widzialne. Emisja opóźniona nazywana jest fosforescencją .

Dualizm falowo-cząsteczkowy

Współczesna teoria wyjaśniająca naturę światła zawiera pojęcie dualizmu falowo-cząsteczkowego. Mówiąc bardziej ogólnie, teoria mówi, że wszystko ma zarówno naturę cząsteczkową, jak i falową, i można przeprowadzić różne eksperymenty, aby wydobyć jedno lub drugie. Charakter cząstek łatwiej rozpoznać po zastosowaniu obiektu o dużej masie. Odważna propozycja Louisa de Broglie z 1924 roku doprowadziła społeczność naukową do zrozumienia, że ​​materia (np . elektrony ) również wykazuje dualizm falowo-cząsteczkowy.

Efekty falowe i cząsteczkowe promieniowania elektromagnetycznego

Efekty falowe i cząsteczkowe razem w pełni wyjaśniają widma emisyjne i absorpcyjne promieniowania EM. Skład materii ośrodka, przez który przechodzi światło, określa charakter widma absorpcji i emisji. Pasma te odpowiadają dozwolonym poziomom energii w atomach. Ciemne pasma w widmie absorpcyjnym są spowodowane atomami w ośrodku pośredniczącym między źródłem a obserwatorem. Atomy pochłaniają określone częstotliwości światła między emiterem a detektorem/okiem, a następnie emitują je we wszystkich kierunkach. W detektorze pojawia się ciemne pasmo spowodowane promieniowaniem rozproszonym z wiązki. Na przykład ciemne pasma w świetle emitowanym przez odległą gwiazdę są spowodowane atomami w atmosferze gwiazdy. Podobne zjawisko występuje w przypadku emisji , które obserwuje się, gdy emitujący gaz świeci w wyniku wzbudzenia atomów z dowolnego mechanizmu, w tym z ciepła. Gdy elektrony schodzą do niższych poziomów energii, emitowane jest widmo, które reprezentuje skoki między poziomami energii elektronów, ale widoczne są linie, ponieważ ponownie emisja następuje tylko przy określonych energiach po wzbudzeniu. Przykładem jest widmo emisyjne mgławic . Gwałtownie poruszające się elektrony są najsilniej przyspieszane, gdy napotykają obszar siły, więc są odpowiedzialne za wytwarzanie większości promieniowania elektromagnetycznego o najwyższej częstotliwości obserwowanej w przyrodzie.

Zjawiska te mogą pomóc w różnych chemicznych oznaczeniach składu gazów oświetlonych od tyłu (widma absorpcyjne) oraz gazów żarzących się (widma emisyjne). Spektroskopia (na przykład) określa, jakie pierwiastki chemiczne składają się na daną gwiazdę. Spektroskopia jest również wykorzystywana do wyznaczania odległości do gwiazdy, wykorzystując przesunięcie ku czerwieni .

Prędkość propagacji

Kiedy dowolny przewód (lub inny przewodzący obiekt, taki jak antena ) przewodzi prąd przemienny , promieniowanie elektromagnetyczne jest rozprowadzane z taką samą częstotliwością jak prąd. W wielu takich sytuacjach możliwe jest zidentyfikowanie elektrycznego momentu dipolowego, który powstaje w wyniku rozdzielenia ładunków z powodu wzbudzającego potencjału elektrycznego, a ten moment dipolowy oscyluje w czasie, gdy ładunki poruszają się tam iz powrotem. Ta oscylacja przy danej częstotliwości powoduje powstawanie zmieniających się pól elektrycznych i magnetycznych, które następnie wprawiają w ruch promieniowanie elektromagnetyczne.

Na poziomie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest wytwarzane, gdy pakiet fal naładowanej cząstki oscyluje lub w inny sposób przyspiesza. Naładowane cząstki w stanie stacjonarnym nie poruszają się, ale superpozycja takich stanów może skutkować stanem przejściowym, w którym elektryczny moment dipolowy oscyluje w czasie. Ten oscylujący moment dipolowy odpowiada za zjawisko radiacyjnego przejścia między stanami kwantowymi naładowanej cząstki. Takie stany występują (na przykład) w atomach, gdy fotony są wypromieniowywane, gdy atom przechodzi z jednego stanu stacjonarnego do drugiego.

Światło jako fala charakteryzuje się prędkością ( prędkość światła ), długością fali i częstotliwością . Światło jako cząstki jest strumieniem fotonów . Każda ma energię związaną z częstotliwością fali określoną zależnością Plancka E = hf , gdzie E jest energią fotonu, h jest stałą Plancka , 6,626 × 10 -34 J·s, a f jest częstotliwością fali .

Jedna zasada jest przestrzegana niezależnie od okoliczności: promieniowanie EM w próżni przemieszcza się z prędkością światła , względem obserwatora , niezależnie od jego prędkości. W medium (innym niż próżnia) bierze się pod uwagę współczynnik prędkości lub współczynnik załamania światła , w zależności od częstotliwości i zastosowania. Oba są stosunkami prędkości w medium do prędkości w próżni.

Szczególna teoria względności

Pod koniec XIX wieku różnych anomalii eksperymentalnych nie można było wyjaśnić za pomocą prostej teorii falowej. Jedna z tych anomalii wiązała się z kontrowersją dotyczącą prędkości światła. Prędkość światła i inne PEM przewidywane przez równania Maxwella nie pojawiły się, chyba że równania zostały zmodyfikowane w sposób po raz pierwszy zaproponowany przez FitzGeralda i Lorentza (patrz historia szczególnej teorii względności ), w przeciwnym razie prędkość ta zależałaby od prędkości obserwatora względem "medium" (zwane świecącym eterem ), które rzekomo "przenosiło" falę elektromagnetyczną (w sposób analogiczny do sposobu, w jaki powietrze przenosi fale dźwiękowe). Eksperymenty nie przyniosły żadnego efektu obserwatora. W 1905 Einstein zaproponował, że przestrzeń i czas wydają się być jednostkami zmiennymi pod względem prędkości propagacji światła oraz wszystkich innych procesów i praw. Zmiany te tłumaczyły stałość prędkości światła i całego promieniowania elektromagnetycznego z punktu widzenia wszystkich obserwatorów — nawet tych we względnym ruchu.

Historia odkrycia

Promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal innych niż światło widzialne odkryto na początku XIX wieku. Odkrycie promieniowania podczerwonego przypisuje się astronomowi Williamowi Herschelowi , który opublikował swoje wyniki w 1800 roku przed Royal Society of London . Herschel użył szklanego pryzmatu do załamywania światła słonecznego i wykrył niewidzialne promienie, które powodowały ogrzewanie poza czerwoną część widma, poprzez wzrost temperatury rejestrowany termometrem . Te „promienie kaloryczne” nazwano później podczerwienią.

W 1801 roku niemiecki fizyk Johann Wilhelm Ritter odkrył ultrafiolet w eksperymencie podobnym do Herschela, wykorzystującym światło słoneczne i szklany pryzmat. Ritter zauważył, że niewidzialne promienie w pobliżu fioletowej krawędzi widma słonecznego rozpraszane przez trójkątny pryzmat ciemniały preparaty chlorku srebra szybciej niż pobliskie światło fioletowe. Eksperymenty Rittera były wczesnym prekursorem tego, co miało stać się fotografią. Ritter zauważył, że promienie ultrafioletowe (które początkowo nazywano „promieniem chemicznym”) mogą wywoływać reakcje chemiczne.

W latach 1862-64 James Clerk Maxwell opracował równania dla pola elektromagnetycznego, które sugerowały, że fale w polu poruszają się z prędkością bardzo zbliżoną do znanej prędkości światła. Dlatego Maxwell zasugerował, że światło widzialne (a także niewidzialne promienie podczerwone i ultrafioletowe) składa się z propagacji zaburzeń (lub promieniowania) w polu elektromagnetycznym. Fale radiowe zostały po raz pierwszy wytworzone celowo przez Heinricha Hertza w 1887 roku, przy użyciu obwodów elektrycznych obliczonych na wytwarzanie oscylacji o znacznie niższej częstotliwości niż światło widzialne, zgodnie z recepturami wytwarzania oscylujących ładunków i prądów sugerowanych przez równania Maxwella. Hertz opracował również sposoby wykrywania tych fal oraz wyprodukował i scharakteryzował to, co później nazwano falami radiowymi i mikrofalami .

Wilhelm Röntgen odkrył i nazwał promienie X. Po eksperymentach z wysokimi napięciami przyłożonymi do opróżnionej rury w dniu 8 listopada 1895, zauważył fluorescencję na pobliskiej płytce z powlekanego szkła. W ciągu miesiąca odkrył główne właściwości promieni rentgenowskich.

Ostatnia odkryta część widma EM była związana z radioaktywnością . Henri Becquerel odkrył, że sole uranu powodują zamglenie nienaświetlonej kliszy fotograficznej przez papier pokrywający w sposób podobny do promieni rentgenowskich, a Marie Curie odkryła, że ​​tylko niektóre pierwiastki emitują te promienie energii, wkrótce odkrywając intensywne promieniowanie radu . Promieniowanie z blendy smolistej zostało rozróżnione na promienie alfa (cząstki alfa ) i promienie beta (cząstki beta ) przez Ernesta Rutherforda w wyniku prostych eksperymentów w 1899 roku, ale okazało się, że są to naładowane cząstki. Jednak w 1900 roku francuski naukowiec Paul Villard odkrył trzeci neutralnie naładowany i szczególnie przenikliwy typ promieniowania radu, a po jego opisaniu Rutherford zdał sobie sprawę, że musi to być jeszcze trzeci rodzaj promieniowania, który w 1903 roku Rutherford nazwał promieniami gamma . W 1910 roku brytyjski fizyk William Henry Bragg wykazał, że promienie gamma są promieniowaniem elektromagnetycznym, a nie cząstkami, a w 1914 Rutherford i Edward Andrade zmierzyli ich długości fal, stwierdzając, że są one podobne do promieni rentgenowskich, ale mają krótszą długość fali i wyższą częstotliwość, -over' między promieniami X i gamma umożliwia uzyskanie promieni rentgenowskich o wyższej energii (a tym samym krótszej długości fali) niż promienie gamma i na odwrót. Pochodzenie promienia je różnicuje, promienie gamma wydają się być naturalnymi zjawiskami pochodzącymi z niestabilnego jądra atomu, a promienie rentgenowskie są generowane elektrycznie (a więc wytworzone przez człowieka), chyba że są one wynikiem promieniowania rentgenowskiego spowodowanego przez interakcja szybko poruszających się cząstek (takich jak cząstki beta) zderzających się z pewnymi materiałami, zwykle o wyższych liczbach atomowych.

Widmo elektromagnetyczne

Widmo elektromagnetyczne z podświetlonym światłem widzialnym
Legenda:
γ = promieniowanie gamma

HX = twarde promieniowanie rentgenowskie
SX = miękkie promieniowanie rentgenowskie

EUV = skrajne ultrafiolet
NUV = bliskie ultrafiolet

światło widzialne (kolorowe paski)

NIR = bliska podczerwień
MIR = średnia podczerwień
FIR = daleka podczerwień

EHF = Bardzo wysoka częstotliwość (mikrofale)
SHF = Bardzo wysoka częstotliwość (mikrofale)

UHF = Ultrawysoka częstotliwość (fale radiowe)
VHF = Bardzo wysoka częstotliwość (radio)
HF = Wysoka częstotliwość (radio)
MF = Średnia częstotliwość (radio)
LF = Niska częstotliwość (radio)
VLF = Bardzo niska częstotliwość (radio)
VF = Częstotliwość głosu
ULF = Bardzo niska częstotliwość (radio)
SLF = Bardzo niska częstotliwość (radio)
ELF = Niezwykle niska częstotliwość (radio)

Promieniowanie EM (oznaczenie "promieniowanie" wyklucza statyczne pola elektryczne i magnetyczne oraz pola bliskie ) dzieli się według długości fali na radiowe , mikrofalowe , podczerwone , widzialne , ultrafioletowe , promienie rentgenowskie i promienie gamma . Arbitralne fale elektromagnetyczne można wyrazić za pomocą analizy Fouriera w postaci sinusoidalnych fal monochromatycznych , które z kolei można zaklasyfikować do tych obszarów widma PEM.

W przypadku niektórych klas fal EM, przebieg jest najbardziej użytecznie traktowany jako losowy , a następnie analiza widmowa musi być wykonana za pomocą nieco innych technik matematycznych odpowiednich dla procesów losowych lub stochastycznych . W takich przypadkach poszczególne składowe częstotliwości są reprezentowane pod względem ich mocy , a informacja o fazie nie jest zachowywana. Taka reprezentacja nazywana jest gęstością widmową mocy procesu losowego. Przypadkowe promieniowanie elektromagnetyczne wymagające tego rodzaju analizy jest na przykład spotykane we wnętrzu gwiazd oraz w niektórych innych bardzo szerokopasmowych formach promieniowania, takich jak pole fali punktu zerowego próżni elektromagnetycznej.

Zachowanie promieniowania EM i jego oddziaływanie z materią zależy od jego częstotliwości i zmienia się jakościowo wraz ze zmianą częstotliwości. Niższe częstotliwości mają dłuższe fale, a wyższe częstotliwości mają krótsze fale i są związane z fotonami o wyższej energii. Nie ma fundamentalnych granic znanych dla tych długości fal lub energii na żadnym końcu widma, chociaż fotony o energiach bliskich lub przekraczających energię Plancka (zdecydowanie zbyt wysokie, aby kiedykolwiek zostały zaobserwowane) będą wymagały opisania nowych teorii fizycznych.

Radio i mikrofalówka

Kiedy fale radiowe uderzają w przewodnik , łączą się z nim, przemieszczają się wzdłuż niego i indukują prąd elektryczny na powierzchni przewodnika, przesuwając elektrony materiału przewodzącego w skorelowanych wiązkach ładunku. Takie efekty mogą obejmować makroskopowe odległości w przewodnikach (takich jak anteny radiowe), ponieważ długość fali fal radiowych jest duża.

Zjawiska promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od jednego metra do jednego milimetra nazywane są mikrofalami; o częstotliwościach od 300 MHz (0,3 GHz) do 300 GHz.

Na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych, EMR oddziałuje z materią w dużej mierze jako zbiór ładunków, które są rozłożone na dużą liczbę dotkniętych atomów. W przewodnikach elektrycznych taki indukowany masowy ruch ładunków ( prądów elektrycznych ) powoduje absorpcję PEM, lub też separację ładunków, która powoduje generowanie nowego PEM (efektywne odbicie PEM). Przykładem jest absorpcja lub emisja fal radiowych przez anteny lub absorpcja mikrofal przez wodę lub inne cząsteczki z elektrycznym momentem dipolowym, jak na przykład w kuchence mikrofalowej . Te interakcje wytwarzają albo prądy elektryczne, albo ciepło, albo jedno i drugie.

Podczerwień

Podobnie jak radio i mikrofale, podczerwień (IR) jest również odbijana przez metale (a także większość EMR, daleko w zakresie ultrafioletu). Jednak w przeciwieństwie do promieniowania radiowego i mikrofalowego o niższej częstotliwości, podczerwień EMR często oddziałuje z dipolami obecnymi w pojedynczych cząsteczkach, które zmieniają się, gdy atomy drgają na końcach pojedynczego wiązania chemicznego. W konsekwencji jest pochłaniany przez szeroką gamę substancji, powodując ich wzrost temperatury, gdy drgania rozpraszają się w postaci ciepła. Ten sam proces, prowadzony w odwrotnej kolejności, powoduje spontaniczne promieniowanie substancji masowych w podczerwieni (patrz sekcja dotycząca promieniowania cieplnego poniżej).

Promieniowanie podczerwone dzieli się na podregiony widmowe. Chociaż istnieją różne schematy podziału, widmo jest zwykle podzielone na bliską podczerwień (0,75-1,4 μm), podczerwień o krótkiej długości fali (1,4-3 μm), podczerwień o średniej długości fali (3-8 μm), podczerwień o długiej fali (8 –15 μm) i dalekiej podczerwieni (15–1000 μm).

Widzialne światło

Źródła naturalne wytwarzają promieniowanie EM w całym spektrum. Promieniowanie EM o długości fali od około 400 nm do 700 nm jest bezpośrednio wykrywane przez ludzkie oko i odbierane jako światło widzialne. Inne długości fal, zwłaszcza pobliska podczerwień (dłuższa niż 700 nm) i ultrafiolet (krótsza niż 400 nm) są również czasami określane jako światło.

Wraz ze wzrostem częstotliwości w zakresie widzialnym fotony mają wystarczającą energię, aby zmienić strukturę wiązań niektórych pojedynczych cząsteczek. Nie jest to przypadek, że dzieje się to w zakresie widzialnym, ponieważ mechanizm widzenia polega na zmianie wiązania pojedynczej cząsteczki, siatkówki , która pochłania pojedynczy foton. Zmiana w siatkówce powoduje zmianę kształtu zawartego w niej białka rodopsyny , co uruchamia proces biochemiczny, który powoduje, że siatkówka ludzkiego oka wyczuwa światło.

Fotosynteza staje się możliwa również w tym zakresie, z tego samego powodu. Pojedyncza cząsteczka chlorofilu jest wzbudzana pojedynczym fotonem. W tkankach roślin, które przeprowadzają fotosyntezę, karotenoidy działają w celu wygaszenia elektronicznie wzbudzonego chlorofilu wytwarzanego przez światło widzialne w procesie zwanym wygaszaniem niefotochemicznym , aby zapobiec reakcjom, które w przeciwnym razie zakłócałyby fotosyntezę przy wysokich poziomach światła.

Zwierzęta, które wykrywają podczerwień , wykorzystują małe paczki wody, które zmieniają temperaturę w zasadniczo termicznym procesie, w którym bierze udział wiele fotonów.

Wiadomo, że podczerwień, mikrofale i fale radiowe uszkadzają molekuły i tkankę biologiczną tylko przez podgrzewanie, a nie wzbudzanie przez pojedyncze fotony promieniowania.

Światło widzialne może oddziaływać tylko na niewielki procent wszystkich cząsteczek. Zwykle nie w sposób trwały lub szkodliwy, raczej foton wzbudza elektron, który następnie emituje inny foton po powrocie do swojej pierwotnej pozycji. To jest źródło koloru wytwarzanego przez większość barwników. Wyjątkiem jest siatkówka . Kiedy foton zostaje zaabsorbowany, siatkówka trwale zmienia strukturę z cis na trans i wymaga białka, aby go z powrotem przekonwertować, tj. zresetować, aby móc ponownie funkcjonować jako detektor światła.

Ograniczone dowody wskazują, że niektóre reaktywne formy tlenu są tworzone przez światło widzialne w skórze i mogą odgrywać pewną rolę w fotostarzeniu, w taki sam sposób jak ultrafiolet A .

Ultrafioletowy

Gdy częstotliwość wzrasta do ultrafioletu, fotony przenoszą teraz wystarczającą ilość energii (około trzech elektronowoltów lub więcej), aby wzbudzić pewne podwójnie związane cząsteczki do trwałego przegrupowania chemicznego. W DNA powoduje to trwałe uszkodzenie. DNA jest również pośrednio uszkadzane przez reaktywne formy tlenu wytwarzane przez ultrafiolet A (UVA), który ma zbyt niską energię, aby bezpośrednio uszkodzić DNA. To dlatego ultrafiolet na wszystkich długościach fal może uszkadzać DNA i jest zdolny do wywoływania raka i (w przypadku UVB ) oparzeń skóry (oparzeń słonecznych), które są znacznie gorsze niż te, które powstałyby w wyniku zwykłego ogrzewania (wzrostu temperatury). Ta właściwość powodowania uszkodzeń molekularnych, które są nieproporcjonalne do efektów nagrzewania, jest charakterystyczna dla wszystkich PEM o częstotliwościach w zakresie światła widzialnego i powyżej. Te właściwości EMR o wysokiej częstotliwości wynikają z efektów kwantowych, które trwale uszkadzają materiały i tkanki na poziomie molekularnym.

Na wyższym końcu zakresu ultrafioletu energia fotonów staje się wystarczająco duża, aby przekazać elektronom wystarczającą ilość energii, aby uwolnić je z atomu w procesie zwanym fotojonizacją . Potrzebna do tego energia jest zawsze większa niż około 10 elektronowoltów (eV), co odpowiada falom o długości mniejszej niż 124 nm (niektóre źródła sugerują bardziej realistyczne odcięcie 33 eV, co jest energią wymaganą do jonizacji wody). Ten wysoki koniec widma ultrafioletowego o energiach w przybliżeniu w zakresie jonizacji jest czasami nazywany „ekstremalnym UV”. Jonizujące promieniowanie UV jest silnie filtrowane przez ziemską atmosferę.

Promienie rentgenowskie i promienie gamma

Promieniowanie elektromagnetyczne składające się z fotonów, które niosą minimalną lub większą energię jonizacji (co obejmuje całe widmo o krótszych długościach fal), jest zatem nazywane promieniowaniem jonizującym . (Wiele innych rodzajów promieniowania jonizującego składa się z cząstek innych niż EM). Promieniowanie jonizujące typu elektromagnetycznego rozciąga się od skrajnego ultrafioletu do wszystkich wyższych częstotliwości i krótszych długości fal, co oznacza, że ​​kwalifikują się wszystkie promienie rentgenowskie i gamma . Są one zdolne do najpoważniejszych rodzajów uszkodzeń molekularnych, które mogą wystąpić w biologii dla każdego rodzaju biomolekuły, w tym mutacji i raka, a często na dużych głębokościach pod skórą, ponieważ wyższy koniec widma rentgenowskiego i wszystkie widma gamma, przenikają materię.

Atmosfera i magnetosfera

Przybliżony wykres absorpcji i rozpraszania (lub nieprzezroczystości ) w atmosferze Ziemi o różnych długościach fal promieniowania elektromagnetycznego

Większość promieni UV i rentgenowskich jest blokowana przez absorpcję najpierw z azotu cząsteczkowego , a następnie (dla długości fal w górnym UV) przez elektronowe wzbudzenie tlenu i wreszcie ozonu w średnim zakresie UV. Tylko 30% promieniowania ultrafioletowego Słońca dociera do ziemi i prawie wszystko jest dobrze przepuszczane.

Światło widzialne jest dobrze przepuszczane w powietrzu, ponieważ nie jest wystarczająco energetyczne, aby wzbudzić azot, tlen lub ozon, ale zbyt energetyczne, aby wzbudzić molekularne częstotliwości drgań pary wodnej.

Pasma absorpcji w podczerwieni wynikają z trybów wzbudzania wibracji w parze wodnej. Jednak przy energiach zbyt niskich, aby wzbudzić parę wodną, ​​atmosfera ponownie staje się przezroczysta, umożliwiając swobodną transmisję większości fal mikrofalowych i radiowych.

Wreszcie, przy długościach fal radiowych dłuższych niż 10 metrów (około 30 MHz), powietrze w niższych warstwach atmosfery pozostaje przezroczyste dla fal radiowych, ale plazma w niektórych warstwach jonosfery zaczyna oddziaływać z falami radiowymi (patrz fala nieba ). Ta właściwość pozwala na odbicie niektórych fal o większej długości (100 metrów lub 3 MHz) i powoduje, że radio krótkofalowe znajduje się poza zasięgiem wzroku. Jednak niektóre efekty jonosferyczne zaczynają blokować nadchodzące fale radiowe z kosmosu, gdy ich częstotliwość jest mniejsza niż około 10 MHz (długość fali większa niż około 30 metrów).

Promieniowanie cieplne i elektromagnetyczne jako forma ciepła

Podstawowa struktura materii obejmuje połączone ze sobą naładowane cząstki. Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne uderza w materię, powoduje drgania naładowanych cząstek i nabieranie energii. Ostateczny los tej energii zależy od kontekstu. Może zostać natychmiast ponownie wypromieniowany i pojawić się jako promieniowanie rozproszone, odbite lub przepuszczane. Może ulec rozproszeniu na inne mikroskopijne ruchy w materii, dochodząc do równowagi termicznej i manifestując się jako energia cieplna , a nawet energia kinetyczna w materiale. Z kilkoma wyjątkami związanymi z fotonami wysokoenergetycznymi (takimi jak fluorescencja , generowanie harmonicznych , reakcje fotochemiczne , efekt fotowoltaiczny promieniowania jonizującego w dalekim nadfiolecie, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma), pochłonięte promieniowanie elektromagnetyczne po prostu oddaje swoją energię poprzez ogrzewanie materiału . Dzieje się tak w przypadku promieniowania podczerwonego, mikrofalowego i fal radiowych. Intensywne fale radiowe mogą termicznie spalić żywą tkankę i gotować jedzenie. Oprócz laserów na podczerwień , wystarczająco intensywne lasery widzialne i ultrafioletowe mogą z łatwością podpalić papier.

Promieniowanie jonizujące tworzy w materiale szybkie elektrony i rozrywa wiązania chemiczne, ale po wielokrotnym zderzeniu tych elektronów z innymi atomami w końcu większość energii staje się energią cieplną w ułamku sekundy. Proces ten sprawia, że ​​promieniowanie jonizujące na jednostkę energii jest znacznie bardziej niebezpieczne niż promieniowanie niejonizujące. To zastrzeżenie dotyczy również promieniowania UV, mimo że prawie w całości nie jest ono jonizujące, ponieważ promieniowanie UV może uszkadzać cząsteczki z powodu wzbudzenia elektronowego, które jest znacznie większe na jednostkę energii niż efekty ogrzewania.

Promieniowanie podczerwone w rozkładzie widmowym ciała doskonale czarnego jest zwykle uważane za formę ciepła, ponieważ ma równoważną temperaturę i jest związane ze zmianą entropii na jednostkę energii cieplnej. Jednak „ciepło” jest terminem technicznym w fizyce i termodynamice i jest często mylone z energią cieplną. Każdy rodzaj energii elektromagnetycznej może zostać przekształcony w energię cieplną w interakcji z materią. Zatem każde promieniowanie elektromagnetyczne może „ogrzać” (w sensie podwyższenia temperatury energii cieplnej ) materiał, gdy zostanie pochłonięty.

Odwrotnym lub odwróconym w czasie procesem absorpcji jest promieniowanie cieplne. Duża część energii cieplnej w materii składa się z losowego ruchu naładowanych cząstek, a energia ta może być wypromieniowana z materii. Powstałe promieniowanie może następnie zostać pochłonięte przez inny kawałek materii, a zdeponowana energia ogrzewa materiał.

Promieniowanie elektromagnetyczne w nieprzezroczystej wnęce w równowadze termicznej jest w rzeczywistości formą energii cieplnej o maksymalnej entropii promieniowania .

Efekty biologiczne

Bioelektromagnetyka to badanie interakcji i skutków promieniowania EM na organizmy żywe. Skutki promieniowania elektromagnetycznego na żywe komórki, w tym u ludzi, zależą od mocy i częstotliwości promieniowania. W przypadku promieniowania o niskiej częstotliwości (fale radiowe do światła widzialnego) najlepiej zrozumianymi efektami są te wynikające z samej mocy promieniowania, działającej poprzez ogrzewanie, gdy promieniowanie jest pochłaniane. Dla tych efektów termicznych ważna jest częstotliwość, która wpływa na intensywność promieniowania i przenikanie do organizmu (np. mikrofale penetrują lepiej niż podczerwień). Powszechnie przyjmuje się, że pola o niskiej częstotliwości, które są zbyt słabe, aby spowodować znaczne nagrzewanie, nie mogą mieć żadnego efektu biologicznego.

Pomimo powszechnie akceptowanych wyników, przeprowadzono pewne badania, które wykazały, że słabsze nietermiczne pola elektromagnetyczne (w tym słabe pola magnetyczne ELF, chociaż te ostatnie nie kwalifikują się ściśle jako promieniowanie EM) oraz modulowane pola RF i mikrofalowe mają skutki biologiczne. Podstawowe mechanizmy oddziaływania materiału biologicznego z polami elektromagnetycznymi na poziomach nietermicznych nie są w pełni poznane.

Światowa Organizacja Zdrowia zaklasyfikowała promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej do grupy 2B – prawdopodobnie rakotwórcze. Ta grupa zawiera możliwe substancje rakotwórcze, takie jak ołów, DDT i styren. Na przykład badania epidemiologiczne poszukujące związku między używaniem telefonu komórkowego a rozwojem raka mózgu były w dużej mierze niejednoznaczne, z wyjątkiem wykazania, że ​​efekt, jeśli istnieje, nie może być duży.

Przy wyższych częstotliwościach (widocznych i poza nimi) efekty pojedynczych fotonów zaczynają nabierać znaczenia, ponieważ mają one teraz wystarczająco dużo energii, aby bezpośrednio lub pośrednio uszkodzić molekuły biologiczne. Wszystkie częstotliwości UV zostały sklasyfikowane przez Światową Organizację Zdrowia jako czynniki rakotwórcze grupy 1. Promieniowanie ultrafioletowe z ekspozycji na słońce jest główną przyczyną raka skóry.

Tak więc przy częstotliwościach UV i wyższych (i prawdopodobnie także w zakresie widzialnym) promieniowanie elektromagnetyczne wyrządza więcej szkód w układach biologicznych, niż przewiduje to zwykłe ogrzewanie. Jest to najbardziej widoczne w „dalekim” (lub „ekstremalnym”) ultrafiolecie. UV wraz z promieniowaniem rentgenowskim i gamma określane jest mianem promieniowania jonizującego ze względu na zdolność fotonów tego promieniowania do wytwarzania jonów i wolnych rodników w materiałach (w tym żywej tkance). Ponieważ takie promieniowanie może poważnie uszkodzić życie na poziomach energii, które wytwarzają niewiele ciepła, jest uważane za znacznie bardziej niebezpieczne (pod względem uszkodzeń wytwarzanych na jednostkę energii lub moc) niż reszta widma elektromagnetycznego.

Użyj jako broni

Promień ciepła to aplikacja EMR, która wykorzystuje częstotliwości mikrofalowe do wywołania nieprzyjemnego efektu ogrzewania w górnej warstwie skóry. Powszechnie znana broń wykorzystująca promienie cieplne, zwana Active Denial System , została opracowana przez wojsko USA jako eksperymentalna broń do odmowy wrogowi dostępu do obszaru. Promień śmierci to teoretyczna broń, która dostarcza promieniowanie cieplne oparte na energii elektromagnetycznej na poziomach, które mogą uszkodzić ludzką tkankę. Wynalazca promienia śmierci, Harry Grindell Matthews , twierdził, że stracił wzrok w lewym oku podczas pracy nad bronią promienia śmierci opartą na magnetronie mikrofalowym z lat 20 . około 2 kV/m).

Wyprowadzenie z teorii elektromagnetycznej

Fale elektromagnetyczne są przewidywane przez klasyczne prawa elektryczności i magnetyzmu, znane jako równania Maxwella . Istnieją nietrywialne rozwiązania jednorodnych równań Maxwella (bez ładunków i prądów), opisujących fale zmieniających się pól elektrycznych i magnetycznych. Zaczynając od równań Maxwella w wolnej przestrzeni :

 

 

 

 

( 1 )

 

 

 

 

( 2 )

 

 

 

 

( 3 )

 

 

 

 

( 4 )

gdzie

  • i są odpowiednio polem elektrycznym (mierzonym w V /m lub N / C ) i polem magnetycznym (mierzonym w T lub Wb /m 2 );
  • daje dywergencję i rotację pola wektorowego
  • i są pochodnymi cząstkowymi (szybkość zmian w czasie, z ustaloną lokalizacją) pola magnetycznego i elektrycznego;
  • jest przepuszczalnością próżni (4 π × 10 -7 ( H / m)) i jest przenikalnością próżni (8,85 × 10 -12 ( F / m));

Poza trywialnym rozwiązaniem

użyteczne rozwiązania można wyprowadzić z następującej tożsamości wektora , ważnej dla wszystkich wektorów w jakimś polu wektorowym:

Biorąc krzywiznę drugiego równania Maxwella ( 2 ) otrzymujemy:

 

 

 

 

( 5 )

Ocena lewej strony ( 5 ) z powyższą tożsamością i uproszczenie za pomocą ( 1 ) daje:

 

 

 

 

( 6 )

Obliczenie prawej strony ( 5 ) przez zamianę sekwencji wyprowadzeń i wstawienie czwartego równania Maxwella ( 4 ) daje:

 

 

 

 

( 7 )

Ponowne połączenie ( 6 ) i ( 7 ) daje równanie różniczkowe o wartościach wektorowych dla pola elektrycznego, rozwiązując jednorodne równania Maxwella:

Przyjęcie krzywizny czwartego równania Maxwella ( 4 ) daje podobne równanie różniczkowe dla pola magnetycznego rozwiązujące jednorodne równania Maxwella:

Oba równania różniczkowe mają postać ogólnego równania falowego dla fal rozchodzących się z prędkością , gdzie jest funkcją czasu i miejsca, co daje amplitudę fali w pewnym momencie w określonym miejscu:

Jest to również napisane jako:
gdzie oznacza tzw. operator d'Alemberta , który we współrzędnych kartezjańskich jest podawany jako:

Porównując warunki prędkości propagacji, otrzymujemy w przypadku pól elektrycznych i magnetycznych:

To jest prędkość światła w próżni. Zatem równania Maxwella łączą przenikalność próżniową ,

przepuszczalność próżni i prędkość światła c 0 , poprzez powyższe równanie. Związek ten został odkryty przez Wilhelma Eduarda Webera i Rudolfa Kohlrauscha przed opracowaniem elektrodynamiki Maxwella, jednak Maxwell jako pierwszy stworzył teorię pola zgodną z falami rozchodzącymi się z prędkością światła.

To tylko dwa równania w porównaniu z oryginalnymi czterema, więc więcej informacji dotyczy tych fal ukrytych w równaniach Maxwella. Ogólna fala wektorowa dla pola elektrycznego ma postać

Tutaj jest stałą amplitudą, jest dowolną drugą różniczkowalną funkcją, jest wektorem jednostkowym w kierunku propagacji i jest wektorem położenia. jest ogólnym rozwiązaniem równania falowego. Innymi słowy,

dla ogólnej fali poruszającej się w tym kierunku.

Z pierwszego z równań Maxwella otrzymujemy

Zatem,

co oznacza, że ​​pole elektryczne jest prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Drugie z równań Maxwella daje pole magnetyczne, a mianowicie:

Zatem,

Pozostałe równania zostaną spełnione przez ten wybór .

Fale pola elektrycznego i magnetycznego w polu dalekim przemieszczają się z prędkością światła. Mają specjalną ograniczoną orientację i proporcjonalne wielkości, co można natychmiast zobaczyć z

wektora Poyntinga . Pole elektryczne, pole magnetyczne i kierunek propagacji fali są prostopadłe, a fala rozchodzi się w tym samym kierunku co . Również dalekie pola E i B w wolnej przestrzeni, które jako rozwiązania falowe zależą głównie od tych dwóch równań Maxwella, są ze sobą w fazie. Jest to gwarantowane, ponieważ ogólne rozwiązanie falowe jest pierwszego rzędu zarówno w przestrzeni, jak i czasie, a operator zwinięcia po jednej stronie tych równań daje w wyniku przestrzenne pochodne pierwszego rzędu rozwiązania falowego, podczas gdy pochodna czasowa po drugiej stronie równania, które dają drugie pole, są pierwszego rzędu w czasie, co skutkuje tym samym przesunięciem fazowym dla obu pól w każdej operacji matematycznej.

Z punktu widzenia fali elektromagnetycznej poruszającej się do przodu, pole elektryczne może oscylować w górę iw dół, podczas gdy pole magnetyczne oscyluje w prawo iw lewo. Ten obraz można obracać, gdy pole elektryczne oscyluje w prawo iw lewo, a pole magnetyczne oscyluje w dół i w górę. To inne rozwiązanie, które podróżuje w tym samym kierunku. Ta arbitralność w orientacji względem kierunku propagacji jest znana jako polaryzacja . Na poziomie kwantowym określa się to jako polaryzację fotonów . Kierunek polaryzacji określa się jako kierunek pola elektrycznego.

Dostępne są bardziej ogólne postacie równań falowych drugiego rzędu podane powyżej, uwzględniające zarówno niepróżniowe media propagacyjne, jak i źródła. Istnieje wiele konkurencyjnych wyprowadzeń, wszystkie o różnych poziomach przybliżenia i zamierzonych zastosowaniach. Jednym z bardzo ogólnych przykładów jest postać równania pola elektrycznego, które zostało rozłożone na parę jawnie kierunkowych równań falowych, a następnie skutecznie zredukowane do pojedynczego jednokierunkowego równania falowego za pomocą prostego przybliżenia wolno-ewolucji.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki