Электромагнитное излучение

Физическая модель распространения энергии

Линейно поляризованная электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси z, где E обозначает электрическое поле , а перпендикуляр B обозначает магнитное поле.

В физике электромагнитное излучение ( ЭМИ ) состоит из волн электромагнитного (ЭМ) поля , которые распространяются в пространстве и переносят импульс и электромагнитную лучистую энергию . ^[1]

Классически электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн , которые являются синхронизированными колебаниями электрического и магнитного полей . В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света , обычно обозначаемой как c . Там, в зависимости от частоты колебаний, производятся различные длины волн электромагнитного спектра. В однородных, изотропных средах колебания двух полей в среднем перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волны, образуя поперечную волну .

Положение электромагнитной волны в электромагнитном спектре можно охарактеризовать либо ее частотой колебаний, либо ее длиной волны. Электромагнитные волны разной частоты называются по-разному, поскольку они имеют разные источники и эффекты на материю. В порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны электромагнитный спектр включает: радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый свет , ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . ^{[2] [3]}

Электромагнитные волны испускаются электрически заряженными частицами , подвергающимися ускорению , ^{[4] [5],} и эти волны могут впоследствии взаимодействовать с другими заряженными частицами, оказывая на них силу. ЭМ волны переносят энергию, импульс и угловой момент от исходной частицы и могут передавать эти величины материи , с которой они взаимодействуют. Электромагнитное излучение связано с теми ЭМ волнами, которые могут свободно распространяться («излучать») без постоянного влияния движущихся зарядов, которые их произвели, потому что они достигли достаточного расстояния от этих зарядов. Таким образом, ЭМИ иногда называют дальним полем , в то время как ближнее поле относится к ЭМ полям вблизи зарядов и тока , которые их непосредственно произвели, в частности, явлениям электромагнитной индукции и электростатической индукции .

В квантовой механике альтернативный способ рассмотрения ЭМИ заключается в том, что он состоит из фотонов , незаряженных элементарных частиц с нулевой массой покоя , которые являются квантами электромагнитного поля , ответственными за все электромагнитные взаимодействия. ^[6] Квантовая электродинамика — это теория того, как ЭМИ взаимодействует с материей на атомном уровне. ^[7] Квантовые эффекты обеспечивают дополнительные источники ЭМИ, такие как переход электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение черного тела . ^[8] Энергия отдельного фотона квантуется и пропорциональна частоте в соответствии с уравнением Планка E = hf , где E — энергия на фотон, f — частота фотона, а h — постоянная Планка . Таким образом, фотоны с более высокой частотой имеют больше энергии. Например,10 ²⁰  Гц гамма-фотон имеет10 ¹⁹ раз больше энергии10 ¹  Гц крайне низкочастотный радиоволновой фотон.

Воздействие ЭМИ на химические соединения и биологические организмы зависит как от мощности излучения , так и от его частоты. ЭМИ с более низкой энергией ультрафиолета или более низких частот (т. е. ближнего ультрафиолета , видимого света, инфракрасного излучения, микроволн и радиоволн) является неионизирующим, поскольку его фотоны по отдельности не обладают достаточной энергией для ионизации атомов или молекул или разрыва химических связей . Воздействие неионизирующего излучения на химические системы и живую ткань в первую очередь заключается в простом нагреве посредством комбинированной передачи энергии многих фотонов. Напротив, высокочастотное ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение являются ионизирующими — отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией для ионизации молекул или разрыва химических связей . Ионизирующее излучение может вызывать химические реакции и повреждать живые клетки помимо простого нагрева, а также может быть опасным для здоровья.

Физика

Теория

Относительные длины электромагнитных волн трех различных цветов света (синего, зеленого и красного) со шкалой расстояний в микрометрах по оси x.

Уравнения Максвелла

Джеймс Клерк Максвелл вывел волновую форму электрических и магнитных уравнений , тем самым раскрыв волновую природу электрических и магнитных полей и их симметрию . Поскольку скорость электромагнитных волн, предсказанная волновым уравнением, совпала с измеренной скоростью света , Максвелл пришел к выводу, что сам свет является электромагнитной волной. ^{[9] [10]} Уравнения Максвелла были подтверждены Генрихом Герцем в ходе экспериментов с радиоволнами. ^[11]

Ближние и дальние поля

В электромагнитном излучении (например, микроволнах от антенны, показанных здесь) термин излучение применяется только к тем частям электромагнитного поля , которые излучаются в бесконечное пространство и уменьшаются по закону обратных квадратов мощности, так что полная энергия, которая пересекает воображаемую сферу, окружающую источник, одинакова независимо от размера сферы. Таким образом, электромагнитное излучение достигает дальней части электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть ближнего поля (вблизи передатчика) включает изменяющееся электромагнитное поле , но это не электромагнитное излучение .

Уравнения Максвелла установили, что некоторые заряды и токи ( источники ) создают локальные электромагнитные поля вблизи себя, которые не излучают. Токи непосредственно создают магнитные поля, но такие поля магнитно-дипольного типа, которые затухают с расстоянием от тока. Аналогичным образом, движущиеся заряды, раздвигаемые в проводнике изменяющимся электрическим потенциалом (например, в антенне), создают электрическое поле электрического дипольного типа, но оно также ослабевает с расстоянием. Эти поля составляют ближнее поле. Ни одно из этих поведений не отвечает за электромагнитное излучение. Вместо этого они эффективно передают энергию только приемнику, расположенному очень близко к источнику, например, внутри трансформатора . Ближнее поле сильно влияет на свой источник, при этом любая энергия, отбираемая приемником, вызывает повышенную нагрузку (уменьшенное электрическое реактивное сопротивление ) на источнике. Ближнее поле не распространяется свободно в пространстве, унося энергию без ограничения расстояния, а скорее колеблется, возвращая свою энергию передатчику, если она не поглощается приемником. ^[12]

Напротив, дальнее поле состоит из излучения , которое свободно от передатчика, в том смысле, что передатчику требуется та же мощность для отправки изменений в поле независимо от того, поглощает ли что-либо сигнал, например, радиостанции не нужно увеличивать свою мощность, когда больше приемников используют сигнал. Эта дальняя часть электромагнитного поля является электромагнитным излучением. Дальние поля распространяются (излучаются), не позволяя передатчику влиять на них. Это делает их независимыми в том смысле, что их существование и их энергия после того, как они покинули передатчик, полностью независимы как от передатчика, так и от приемника. Из-за закона сохранения энергии количество мощности, проходящей через любую сферическую поверхность, нарисованную вокруг источника, одинаково. Поскольку такая поверхность имеет площадь, пропорциональную квадрату ее расстояния от источника, плотность мощности электромагнитного излучения от изотропного источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника; это называется законом обратных квадратов . Это контрастирует с дипольными частями электромагнитного поля, ближним полем, интенсивность которого изменяется в соответствии с законом обратной кубической мощности, и, таким образом, не переносит сохраняющееся количество энергии на расстояния, а вместо этого затухает с расстоянием, при этом его энергия (как отмечалось) быстро возвращается к передатчику или поглощается близлежащим приемником (например, вторичной катушкой трансформатора).

В формулировке потенциала Льенара-Вихерта электрических и магнитных полей, вызванных движением одной частицы (согласно уравнениям Максвелла), термины, связанные с ускорением частицы, являются теми, которые отвечают за часть поля, которая рассматривается как электромагнитное излучение. Напротив, термин, связанный с изменяющимся статическим электрическим полем частицы, и магнитный термин, который является результатом равномерной скорости частицы, оба связаны с ближним полем и не включают электромагнитное излучение. ^[13]

Характеристики

Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную осциллирующую волну электрических и магнитных полей. Эта 3D-анимация показывает плоскую линейно поляризованную волну, распространяющуюся слева направо. Электрические и магнитные поля в такой волне находятся в фазе друг с другом, достигая минимумов и максимумов вместе.

Электрические и магнитные поля подчиняются свойствам суперпозиции . Таким образом, поле, вызванное любой конкретной частицей или изменяющимся во времени электрическим или магнитным полем, вносит вклад в поля, присутствующие в том же пространстве из-за других причин. Кроме того, поскольку они являются векторными полями, все векторы магнитного и электрического поля складываются согласно векторному сложению . ^[14] Например, в оптике две или более когерентных световых волн могут взаимодействовать и посредством конструктивной или деструктивной интерференции давать результирующую освещенность, отклоняющуюся от суммы компонент освещенности отдельных световых волн. ^[15]

Электромагнитные поля света не подвержены влиянию при прохождении через статические электрические или магнитные поля в линейной среде, такой как вакуум. Однако в нелинейных средах, таких как некоторые кристаллы , могут происходить взаимодействия между светом и статическими электрическими и магнитными полями — эти взаимодействия включают эффект Фарадея и эффект Керра . ^{[16] [17]}

При преломлении волна, переходящая из одной среды в другую с другой плотностью, изменяет свою скорость и направление при входе в новую среду. Отношение показателей преломления сред определяет степень преломления и суммируется законом Снеллиуса . Свет составных длин волн (естественный солнечный свет) рассеивается в видимый спектр , проходя через призму, из-за зависящего от длины волны показателя преломления материала призмы ( дисперсия ); то есть каждая составляющая волна в составе света изгибается на разную величину. ^[18]

ЭМ излучение проявляет как волновые свойства, так и корпускулярные свойства одновременно (см. корпускулярно-волновой дуализм ). Как волновые, так и корпускулярные характеристики были подтверждены во многих экспериментах. Волновые характеристики более очевидны, когда ЭМ излучение измеряется в относительно больших временных масштабах и на больших расстояниях, в то время как корпускулярные характеристики более очевидны при измерении малых временных масштабов и расстояний. Например, когда электромагнитное излучение поглощается веществом, корпускулярные свойства будут более очевидны, когда среднее число фотонов в кубе соответствующей длины волны намного меньше 1. Не так уж сложно экспериментально наблюдать неравномерное распределение энергии при поглощении света, однако это само по себе не является доказательством «корпускулярного» поведения. Скорее, это отражает квантовую природу вещества . ^[19] Демонстрация того, что квантуется сам свет, а не только его взаимодействие с веществом, является более тонким делом.

Некоторые эксперименты демонстрируют как волновую, так и корпускулярную природу электромагнитных волн, например, самоинтерференцию одного фотона . ^[20] Когда один фотон посылается через интерферометр , он проходит по обоим путям, интерферируя сам с собой, как это делают волны, но обнаруживается фотоумножителем или другим чувствительным детектором только один раз.

Квантовая теория взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, например электронами, описывается теорией квантовой электродинамики .

Электромагнитные волны могут быть поляризованы , отражены, преломлены или дифрагированы и могут интерферировать друг с другом. ^{[21] [22] [23]}

Волновая модель

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения

В однородных, изотропных средах электромагнитное излучение представляет собой поперечную волну , ^[24] что означает, что его колебания перпендикулярны направлению передачи и перемещения энергии. Это следует из следующих уравнений : Эти уравнения предполагают, что любая электромагнитная волна должна быть поперечной волной , где электрическое поле E и магнитное поле B оба перпендикулярны направлению распространения волны. $${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$

Электрическая и магнитная части поля в электромагнитной волне находятся в фиксированном соотношении напряженностей, чтобы удовлетворять двум уравнениям Максвелла , которые определяют, как одно получается из другого. В средах без диссипации (без потерь) эти поля E и B также находятся в фазе, причем оба достигают максимума и минимума в одних и тех же точках пространства (см. иллюстрации). В дальнем поле электромагнитного излучения, которое описывается двумя уравнениями оператора ротора Максвелла без источника , изменение во времени в одном типе поля пропорционально ротору другого. Эти производные требуют, чтобы поля E и B в ЭМИ были в фазе (см. раздел математики ниже). ^{[ необходима цитата ]}Важным аспектом природы света является его частота . Частота волны — это скорость ее колебаний, которая измеряется в герцах , единице измерения частоты в системе СИ , где один герц равен одному колебанию в секунду. Свет обычно имеет несколько частот, которые суммируются, образуя результирующую волну. Различные частоты преломляются под разными углами, это явление известно как дисперсия .

Монохроматическая волна (волна одной частоты) состоит из последовательных впадин и гребней, а расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называется длиной волны . Волны электромагнитного спектра различаются по размеру: от очень длинных радиоволн, длиннее континента, до очень коротких гамма-лучей, меньших атомных ядер. Частота обратно пропорциональна длине волны, согласно уравнению: ^[25]

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

где v — скорость волны ( c в вакууме или меньше в других средах), f — частота, а λ — длина волны. Когда волны пересекают границы между различными средами, их скорости изменяются, но частоты остаются постоянными.

Электромагнитные волны в свободном пространстве должны быть решениями уравнения электромагнитной волны Максвелла . Известны два основных класса решений, а именно плоские волны и сферические волны. Плоские волны можно рассматривать как предельный случай сферических волн на очень большом (в идеале бесконечном) расстоянии от источника. Оба типа волн могут иметь форму волны, которая является произвольной функцией времени (при условии, что она достаточно дифференцируема, чтобы соответствовать волновому уравнению). Как и любую функцию времени, ее можно разложить с помощью анализа Фурье на ее частотный спектр или отдельные синусоидальные компоненты, каждая из которых содержит одну частоту, амплитуду и фазу. Такая составляющая волна называется монохроматической . Монохроматическая электромагнитная волна может быть охарактеризована ее частотой или длиной волны, ее пиковой амплитудой, ее фазой относительно некоторой опорной фазы, ее направлением распространения и ее поляризацией.

Интерференция — это суперпозиция двух или более волн, приводящая к новому волновому паттерну. Если поля имеют компоненты в одном и том же направлении, они конструктивно интерферируют, в то время как противоположные направления вызывают деструктивную интерференцию. Кроме того, множественные сигналы поляризации могут быть объединены (т. е. интерферированы) для формирования новых состояний поляризации, что известно как генерация состояний параллельной поляризации. ^[26]

Энергию электромагнитных волн иногда называют лучистой энергией . ^{[27] [28] [29]}

Модель частиц и квантовая теория

В конце 19 века возникла аномалия, связанная с противоречием между волновой теорией света и измерениями электромагнитных спектров, которые излучались тепловыми излучателями, известными как черные тела . Физики безуспешно боролись с этой проблемой в течение многих лет, и позже она стала известна как ультрафиолетовая катастрофа . В 1900 году Макс Планк разработал новую теорию излучения черного тела , которая объяснила наблюдаемый спектр. Теория Планка была основана на идее, что черные тела излучают свет (и другое электромагнитное излучение) только в виде дискретных пучков или пакетов энергии. Эти пакеты были названы квантами . В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил рассматривать кванты света как реальные частицы. Позже частица света получила название фотон , чтобы соответствовать другим частицам, описанным в то время, таким как электрон и протон . Фотон имеет энергию E , пропорциональную его частоте f , по формуле

${\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}$

где h — постоянная Планка , — длина волны, а c — скорость света . Иногда это уравнение называют уравнением Планка–Эйнштейна . ^[30] В квантовой теории (см. первое квантование ) энергия фотонов, таким образом, прямо пропорциональна частоте волны ЭМИ. ^[31] ${\displaystyle \lambda }$

Аналогично, импульс p фотона также пропорционален его частоте и обратно пропорционален его длине волны:

${\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.}$

Источником предположения Эйнштейна о том, что свет состоит из частиц (или может действовать как частицы в некоторых обстоятельствах), была экспериментальная аномалия, не объясняемая волновой теорией: фотоэлектрический эффект , при котором свет, ударяясь о металлическую поверхность, выбрасывает электроны с поверхности, заставляя электрический ток течь через приложенное напряжение . Экспериментальные измерения показали, что энергия отдельных выброшенных электронов пропорциональна частоте , а не интенсивности света. Более того, ниже определенной минимальной частоты, которая зависит от конкретного металла, ток не будет течь независимо от интенсивности. Эти наблюдения, казалось, противоречили волновой теории, и в течение многих лет физики тщетно пытались найти объяснение. В 1905 году Эйнштейн объяснил эту загадку, воскресив корпускулярную теорию света, чтобы объяснить наблюдаемый эффект. Однако из-за преобладания доказательств в пользу волновой теории идеи Эйнштейна изначально были встречены с большим скептицизмом среди признанных физиков. В конце концов объяснение Эйнштейна было принято, поскольку было обнаружено новое корпускулярное поведение света, такое как эффект Комптона . ^{[32] [33]}

Когда фотон поглощается атомом , он возбуждает атом, поднимая электрон на более высокий энергетический уровень (тот, который в среднем находится дальше от ядра). Когда электрон в возбужденной молекуле или атоме опускается на более низкий энергетический уровень, он испускает фотон света на частоте, соответствующей разнице энергий. Поскольку энергетические уровни электронов в атомах дискретны, каждый элемент и каждая молекула испускают и поглощают свои собственные характерные частоты. Непосредственное испускание фотона называется флуоресценцией , типом фотолюминесценции . Примером является видимый свет, испускаемый флуоресцентными красками в ответ на ультрафиолет ( черный свет ). Известно много других флуоресцентных излучений в спектральных диапазонах, отличных от видимого света. Задержанное испускание называется фосфоресценцией . ^{[34] [35]}

Корпускулярно-волновой дуализм

Современная теория, объясняющая природу света, включает в себя понятие корпускулярно-волнового дуализма.

Волновые и корпускулярные эффекты электромагнитного излучения

Вместе волновые и корпускулярные эффекты полностью объясняют спектры излучения и поглощения электромагнитного излучения. Состав вещества среды, через которую проходит свет, определяет природу спектра поглощения и излучения. Эти полосы соответствуют разрешенным уровням энергии в атомах. Темные полосы в спектре поглощения обусловлены атомами в промежуточной среде между источником и наблюдателем. Атомы поглощают определенные частоты света между излучателем и детектором/глазом, а затем излучают их во всех направлениях. Темная полоса появляется для детектора из-за излучения, рассеянного из светового луча . Например, темные полосы в свете, излучаемом далекой звездой , обусловлены атомами в атмосфере звезды. Аналогичное явление происходит для излучения , которое наблюдается, когда излучающий газ светится из-за возбуждения атомов от любого механизма, включая тепло. Когда электроны опускаются на более низкие энергетические уровни, излучается спектр, который представляет собой скачки между энергетическими уровнями электронов, но линии видны, потому что излучение снова происходит только при определенных энергиях после возбуждения. ^[36] Примером является спектр излучения туманностей . ^[37] Быстро движущиеся электроны наиболее резко ускоряются, когда сталкиваются с областью действия силы, поэтому они ответственны за создание большей части электромагнитного излучения самой высокой частоты, наблюдаемого в природе.

Эти явления могут помочь в различных химических определениях состава газов, освещенных сзади (спектры поглощения) и для светящихся газов (спектры испускания). Спектроскопия (например) определяет, какие химические элементы входят в состав конкретной звезды. Спектроскопия также используется для определения расстояния до звезды, используя красное смещение . ^[38]

Скорость распространения

Когда любой провод (или другой проводящий объект, такой как антенна ) проводит переменный ток , электромагнитное излучение распространяется на той же частоте, что и ток.

Как волна, свет характеризуется скоростью (скоростью света ), длиной волны и частотой . Как частицы, свет представляет собой поток фотонов . Каждый из них имеет энергию, связанную с частотой волны, заданной соотношением Планка E = hf , где E — энергия фотона, h — постоянная Планка , 6,626 × 10−34 ^Дж ·с, а f — частота волны. ^[39]

В среде (кроме вакуума) учитываются фактор скорости или показатель преломления , в зависимости от частоты и применения. Оба они являются отношениями скорости в среде к скорости в вакууме.

История открытия

Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от длин волн видимого света, было открыто в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Уильяму Гершелю , который опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . ^[40] Гершель использовал стеклянную призму для преломления света от Солнца и обнаружил невидимые лучи, которые вызывали нагревание за пределами красной части спектра, посредством повышения температуры, регистрируемой термометром . Эти «теплотворные лучи» позже были названы инфракрасными. ^[41]

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолет в эксперименте, похожем на эксперимент Гершеля, используя солнечный свет и стеклянную призму. Риттер заметил, что невидимые лучи вблизи фиолетового края солнечного спектра, рассеиваемые треугольной призмой, затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем близлежащий фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранним предшественником того, что впоследствии стало фотографией. Риттер заметил, что ультрафиолетовые лучи (которые сначала назывались «химическими лучами») способны вызывать химические реакции. ^{[42] [43]}

Джеймс Клерк Максвелл
(1831–1879)

В 1862–64 годах Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения для электромагнитного поля, которые предполагали, что волны в поле будут распространяться со скоростью, очень близкой к известной скорости света. Поэтому Максвелл предположил, что видимый свет (а также невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи по предположению) состоят из распространяющихся возмущений (или излучения) в электромагнитном поле. Радиоволны были впервые намеренно получены Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний на гораздо более низкой частоте, чем частота видимого света, следуя рецептам создания колеблющихся зарядов и токов, предложенным уравнениями Максвелла. Герц также разработал способы обнаружения этих волн и создал и охарактеризовал то, что позже было названо радиоволнами и микроволнами . ^{[44] : 286, 7}

Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . После экспериментов с высоким напряжением, приложенным к вакуумной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине покрытого стекла. За один месяц он открыл основные свойства рентгеновских лучей. ^{[44] : 307}

Последняя открытая часть спектра ЭМ была связана с радиоактивностью . Анри Беккерель обнаружил, что соли урана вызывают запотевание неэкспонированной фотографической пластинки через покровную бумагу способом, похожим на рентгеновские лучи, а Мария Кюри обнаружила, что только определенные элементы испускают эти лучи энергии, вскоре открыв интенсивное излучение радия . Излучение от уранита было дифференцировано на альфа-лучи ( альфа-частицы ) и бета-лучи ( бета-частицы ) Эрнестом Резерфордом с помощью простого эксперимента в 1899 году, но они оказались заряженными корпускулярными типами излучения. Однако в 1900 году французский ученый Поль Виллар открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения от радия, и после того, как он описал его, Резерфорд понял, что это должен быть еще третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами . В 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг продемонстрировал, что гамма-лучи являются электромагнитным излучением, а не частицами, а в 1914 году Резерфорд и Эдвард Андраде измерили их длины волн, обнаружив, что они похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и более высокой частотой, хотя «переход» между рентгеновскими и гамма-лучами позволяет иметь рентгеновские лучи с более высокой энергией (и, следовательно, с более короткой длиной волны), чем гамма-лучи, и наоборот. Происхождение лучей отличает их, гамма-лучи, как правило, являются естественными явлениями, происходящими из нестабильного ядра атома, а рентгеновские лучи генерируются электрически (и, следовательно, искусственными), если только они не являются результатом тормозного рентгеновского излучения, вызванного взаимодействием быстро движущихся частиц (таких как бета-частицы), сталкивающихся с определенными материалами, обычно с более высокими атомными номерами. ^{[44] : 308, 9}

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр с выделенным видимым светом. Нижний график (видимый спектр) показывает длину волны в единицах нанометров (нм).

Условные обозначения:
γ = Гамма-лучи

HX = Жесткие рентгеновские лучи
SX = Мягкие рентгеновские лучи

EUV = Крайний ультрафиолет
NUV = Ближний ультрафиолет

Видимый свет (цветные полосы)

NIR = Ближний инфракрасный
MIR = Средний инфракрасный
FIR = Дальний инфракрасный

EHF = Крайне высокая частота (микроволны)
SHF = Сверхвысокая частота (микроволны)

UHF = Сверхвысокая частота (радиоволны)
VHF = Очень высокая частота (радио)
HF = Высокая частота (радио)
MF = Средняя частота (радио)
LF = Низкая частота (радио)
VLF = Очень низкая частота (радио)
VF = Голосовая частота
ULF = Сверхнизкая частота (радио)
SLF = Сверхнизкая частота (радио)
ELF = Крайне низкая частота (радио)

ЭМ-излучение (обозначение «излучение» исключает статические электрические и магнитные и ближние поля ) классифицируется по длине волны на радио , микроволновое , инфракрасное , видимое , ультрафиолетовое , рентгеновское и гамма-излучение . Произвольные электромагнитные волны могут быть выражены с помощью анализа Фурье в терминах синусоидальных волн ( монохроматическое излучение ), которые, в свою очередь, могут быть классифицированы по этим областям спектра ЭМИ.

Для некоторых классов электромагнитных волн наиболее полезно рассматривать форму волны как случайную , и тогда спектральный анализ должен быть выполнен с помощью несколько иных математических методов, соответствующих случайным или стохастическим процессам . В таких случаях отдельные частотные компоненты представлены в терминах их энергетического содержания, а фазовая информация не сохраняется. Такое представление называется спектральной плотностью мощности случайного процесса. Случайное электромагнитное излучение, требующее такого рода анализа, встречается, например, внутри звезд и в некоторых других очень широкополосных формах излучения, таких как поле нулевой точки электромагнитного вакуума.

Поведение электромагнитного излучения и его взаимодействие с веществом зависит от его частоты и качественно меняется с изменением частоты. Более низкие частоты имеют более длинные волны, а более высокие частоты имеют более короткие волны и связаны с фотонами с более высокой энергией. Не существует фундаментального предела, известного для этих длин волн или энергий, на обоих концах спектра, хотя фотоны с энергиями, близкими к энергии Планка или превышающими ее (слишком высокими, чтобы когда-либо наблюдаться), потребуют новых физических теорий для описания.

Радио и микроволновая печь

Когда радиоволны падают на проводник , они взаимодействуют с ним, распространяются по нему и индуцируют электрический ток на поверхности проводника, перемещая электроны проводящего материала в коррелированные сгустки заряда.

Явления электромагнитного излучения с длиной волны от одного метра до одного миллиметра называются микроволнами; их частоты находятся в диапазоне от 300 МГц (0,3 ГГц) до 300 ГГц.

На радио- и микроволновых частотах ЭМИ взаимодействует с веществом в основном как с объемным набором зарядов, которые распределены по большому числу затронутых атомов. В электрических проводниках такое индуцированное объемное движение зарядов ( электрические токи ) приводит к поглощению ЭМИ или же к разделению зарядов, которое вызывает генерацию нового ЭМИ (эффективное отражение ЭМИ). Примером является поглощение или испускание радиоволн антеннами или поглощение микроволн водой или другими молекулами с электрическим дипольным моментом, как, например, внутри микроволновой печи . Эти взаимодействия производят либо электрические токи, либо тепло, либо и то, и другое.

Инфракрасный

Подобно радио и микроволнам, инфракрасное (ИК) излучение также отражается металлами (а также большинством ЭМИ, в том числе и в ультрафиолетовом диапазоне). Однако, в отличие от низкочастотного радио- и микроволнового излучения, инфракрасное ЭМИ обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые изменяются, когда атомы вибрируют на концах одной химической связи. Следовательно, оно поглощается широким спектром веществ, заставляя их повышать температуру, поскольку колебания рассеиваются в виде тепла. Тот же самый процесс, запущенный в обратном порядке, заставляет объемные вещества спонтанно излучать в инфракрасном диапазоне (см. раздел «Тепловое излучение» ниже).

Инфракрасное излучение делится на спектральные подобласти. Хотя существуют различные схемы подразделения, ^{[45] [46]} спектр обычно делится на ближнюю инфракрасную область (0,75–1,4 мкм), коротковолновую инфракрасную область (1,4–3 мкм), средневолновую инфракрасную область (3–8 мкм), длинноволновую инфракрасную область (8–15 мкм) и дальнюю инфракрасную область (15–1000 мкм). ^[47]

Видимый свет

Естественные источники производят электромагнитное излучение по всему спектру. ЭМ-излучение с длиной волны примерно от 400 нм до 700 нм напрямую обнаруживается человеческим глазом и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно близкие инфракрасные (длиннее 700 нм) и ультрафиолетовые (короче 400 нм) также иногда называют светом.

По мере увеличения частоты в видимом диапазоне фотоны получают достаточно энергии, чтобы изменить структуру связей некоторых отдельных молекул. Неслучайно, что это происходит в видимом диапазоне, поскольку механизм зрения включает изменение связей одной молекулы, ретиналя , которая поглощает один фотон. Изменение ретиналя вызывает изменение формы белка родопсина , в котором он содержится, что запускает биохимический процесс, который заставляет сетчатку человеческого глаза воспринимать свет.

Фотосинтез также становится возможным в этом диапазоне по той же причине. Одна молекула хлорофилла возбуждается одним фотоном. В растительных тканях, которые проводят фотосинтез, каротиноиды действуют, чтобы погасить электронно-возбужденный хлорофилл, произведенный видимым светом в процессе, называемом нефотохимическим тушением , чтобы предотвратить реакции, которые в противном случае мешали бы фотосинтезу при высоких уровнях освещенности.

Животные, способные улавливать инфракрасное излучение, используют небольшие порции воды, которые меняют температуру, в ходе термического процесса, в котором задействовано множество фотонов.

Известно, что инфракрасные, микроволны и радиоволны повреждают молекулы и биологические ткани только за счет объемного нагрева, а не возбуждения отдельными фотонами излучения.

Видимый свет способен воздействовать лишь на крошечный процент всех молекул. Обычно не постоянным или разрушительным образом, а фотон возбуждает электрон, который затем испускает другой фотон, возвращаясь в исходное положение. Это источник цвета, производимого большинством красителей. Ретиналь является исключением. Когда фотон поглощается, ретиналь постоянно меняет структуру с цис на транс и требует белка, чтобы преобразовать ее обратно, т. е. сбросить ее, чтобы она снова могла функционировать как детектор света.

Ограниченные данные указывают на то, что некоторые активные формы кислорода создаются видимым светом в коже и что они могут играть определенную роль в фотостарении, так же как и ультрафиолет А. ^[48 ]

ультрафиолетовый

По мере увеличения частоты в ультрафиолете фотоны теперь несут достаточно энергии (около трех электронвольт или более), чтобы возбудить определенные молекулы с двойной связью в постоянную химическую перестройку. В ДНК это вызывает долговременные повреждения. ДНК также косвенно повреждается активными формами кислорода, производимыми ультрафиолетом А (UVA), энергия которого слишком мала, чтобы повредить ДНК напрямую. Вот почему ультрафиолет на всех длинах волн может повредить ДНК и способен вызывать рак, а также (для UVB ) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем те, которые были бы вызваны простым нагреванием (повышением температуры).

На верхнем конце ультрафиолетового диапазона энергия фотонов становится достаточно большой, чтобы передать достаточно энергии электронам, чтобы заставить их освободиться от атома, в процессе, называемом фотоионизацией . Энергия, необходимая для этого, всегда больше, чем примерно 10 электронвольт (эВ), что соответствует длинам волн менее 124 нм (некоторые источники предлагают более реалистичное ограничение в 33 эВ, что является энергией, необходимой для ионизации воды). Этот верхний конец ультрафиолетового спектра с энергиями в приблизительном диапазоне ионизации иногда называют «экстремальным УФ». Ионизирующий УФ сильно фильтруется атмосферой Земли. ^{[ необходима цитата ]}

Рентгеновские лучи и гамма-лучи

Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, которые несут минимальную энергию ионизации или больше (что включает весь спектр с более короткими длинами волн), поэтому называется ионизирующим излучением . (Многие другие виды ионизирующего излучения состоят из не-ЭМ частиц). Ионизирующее излучение электромагнитного типа простирается от крайнего ультрафиолета до всех более высоких частот и более коротких длин волн, что означает, что все рентгеновские лучи и гамма-лучи соответствуют требованиям. Они способны вызывать самые серьезные типы молекулярных повреждений, которые могут произойти в биологии с любым типом биомолекулы, включая мутацию и рак, и часто на большой глубине под кожей, поскольку верхняя часть рентгеновского спектра и весь спектр гамма-лучей проникают в вещество. ^{[ необходима цитата ]}

Атмосфера и магнитосфера

Грубый график поглощения и рассеивания (или непрозрачности ) атмосферы Земли различных длин волн электромагнитного излучения

Большая часть ультрафиолета и рентгеновских лучей блокируется поглощением сначала молекулярным азотом , а затем (для длин волн в верхнем УФ) электронным возбуждением дикислорода и, наконец, озоном в среднем диапазоне УФ. Только 30% ультрафиолетового света Солнца достигает земли, и почти весь он хорошо передается.

Видимый свет хорошо передается в воздухе, это свойство известно как атмосферное окно , поскольку он недостаточно энергичен, чтобы возбудить азот, кислород или озон, но слишком энергичен, чтобы возбудить молекулярные колебательные частоты водяного пара и CO2. ^[49]

Полосы поглощения в инфракрасном диапазоне обусловлены модами колебательного возбуждения в водяном паре. Однако при энергиях, слишком низких для возбуждения водяного пара, атмосфера снова становится прозрачной, позволяя свободно передавать большинство микроволновых и радиоволн. ^[50]

Наконец, на радиоволнах длиной более 10 м или около того (около 30 МГц) воздух в нижних слоях атмосферы остается прозрачным для радио, но плазма в определенных слоях ионосферы начинает взаимодействовать с радиоволнами (см. skywave ). Это свойство позволяет некоторым более длинным волнам (100 м или 3 МГц) отражаться и приводит к коротковолновому радио за пределами прямой видимости. Однако определенные ионосферные эффекты начинают блокировать входящие радиоволны из космоса, когда их частота меньше примерно 10 МГц (длина волны больше примерно 30 м). ^[51]

Тепловое и электромагнитное излучение как форма тепла

Базовая структура материи включает заряженные частицы, связанные вместе. Когда электромагнитное излучение падает на материю, оно заставляет заряженные частицы колебаться и приобретать энергию. Окончательная судьба этой энергии зависит от контекста. Она может быть немедленно повторно излучена и появиться как рассеянное, отраженное или прошедшее излучение. Она может рассеиваться в других микроскопических движениях внутри материи, приходя к тепловому равновесию и проявляясь как тепловая энергия или даже кинетическая энергия в материале. За несколькими исключениями, связанными с высокоэнергетическими фотонами (такими как флуоресценция , генерация гармоник , фотохимические реакции , фотогальванический эффект для ионизирующего излучения в дальнем ультрафиолетовом, рентгеновское и гамма-излучение), поглощенное электромагнитное излучение просто отдает свою энергию, нагревая материал. Это происходит с инфракрасным, микроволновым и радиоволновым излучением. Интенсивные радиоволны могут термически обжигать живую ткань и могут готовить пищу. В дополнение к инфракрасным лазерам , достаточно интенсивные видимые и ультрафиолетовые лазеры могут легко поджечь бумагу. ^[52]

Ионизирующее излучение создает высокоскоростные электроны в материале и разрывает химические связи, но после того, как эти электроны сталкиваются много раз с другими атомами, в конечном итоге большая часть энергии становится тепловой энергией, и все это за крошечную долю секунды. Этот процесс делает ионизирующее излучение гораздо более опасным на единицу энергии, чем неионизирующее излучение. Это предостережение также относится к УФ, хотя почти все оно не является ионизирующим, потому что УФ может повреждать молекулы из-за электронного возбуждения, которое намного больше на единицу энергии, чем эффекты нагрева. ^{[52] [ необходима цитата ]}

Инфракрасное излучение в спектральном распределении черного тела обычно считается формой тепла, поскольку оно имеет эквивалентную температуру и связано с изменением энтропии на единицу тепловой энергии. Однако «тепло» является техническим термином в физике и термодинамике и часто путается с тепловой энергией. Любой тип электромагнитной энергии может быть преобразован в тепловую энергию при взаимодействии с веществом. Таким образом, любое электромагнитное излучение может «нагревать» (в смысле повышения температуры тепловой энергии ) материал, когда оно поглощается. ^[53]

Обратный или обращенный во времени процесс поглощения — это тепловое излучение. Большая часть тепловой энергии в материи состоит из случайного движения заряженных частиц, и эта энергия может быть излучена из материи. Полученное излучение может впоследствии быть поглощено другой частью материи, при этом выделенная энергия нагревает материал. ^[54]

Электромагнитное излучение в непрозрачной полости при тепловом равновесии фактически является формой тепловой энергии, имеющей максимальную энтропию излучения . ^[55]

Биологические эффекты

Биоэлектромагнетизм изучает взаимодействие и воздействие электромагнитного излучения на живые организмы. Воздействие электромагнитного излучения на живые клетки, включая клетки человека, зависит от мощности и частоты излучения. Для низкочастотного излучения (от радиоволн до ближнего ультрафиолета) наиболее изученными являются эффекты, обусловленные только мощностью излучения, действующие через нагревание при поглощении излучения. Для этих тепловых эффектов важна частота, поскольку она влияет на интенсивность излучения и проникновение в организм (например, микроволны проникают лучше, чем инфракрасные). Широко признано, что низкочастотные поля, которые слишком слабы, чтобы вызвать значительное нагревание, не могут иметь никакого биологического эффекта. ^[56]

Некоторые исследования показывают, что более слабые нетепловые электромагнитные поля (включая слабые магнитные поля СНЧ, хотя последние не совсем квалифицируются как электромагнитное излучение ^{[56] [57] [58]} ) и модулированные РЧ и СВЧ поля могут оказывать биологическое воздействие, хотя значимость этого неясна. ^{[59] [60]}

Всемирная организация здравоохранения классифицировала радиочастотное электромагнитное излучение как группу 2B – возможно канцерогенное. ^{[61] [62]} В эту группу входят возможные канцерогены, такие как свинец, ДДТ и стирол.

На более высоких частотах (некоторые из видимых и за их пределами) эффекты отдельных фотонов начинают становиться важными, поскольку теперь они обладают достаточной энергией по отдельности, чтобы напрямую или косвенно повредить биологические молекулы. ^[63] Все частоты УФ-излучения были классифицированы Всемирной организацией здравоохранения как канцерогены Группы 1. Ультрафиолетовое излучение от воздействия солнца является основной причиной рака кожи. ^{[64] [65]}

Таким образом, на частотах УФ и выше электромагнитное излучение наносит биологическим системам больше вреда, чем предсказывает простое нагревание. Это наиболее очевидно в «дальнем» (или «экстремальном») ультрафиолете. УФ, вместе с рентгеновским и гамма-излучением, называют ионизирующим излучением из-за способности фотонов этого излучения производить ионы и свободные радикалы в материалах (включая живую ткань). Поскольку такое излучение может серьезно повредить жизнь на уровнях энергии, которые производят мало нагревания, оно считается гораздо более опасным (с точки зрения повреждений, произведенных на единицу энергии или мощности), чем остальная часть электромагнитного спектра.

Использовать как оружие

Тепловой луч — это применение ЭМИ, которое использует микроволновые частоты для создания неприятного эффекта нагрева в верхнем слое кожи. Общеизвестное оружие с тепловым лучом, называемое системой активного отчуждения, было разработано американскими военными в качестве экспериментального оружия для того, чтобы лишить противника доступа к определенной территории. ^[66] Луч смерти — это теоретическое оружие, которое доставляет тепловой луч на основе электромагнитной энергии на уровнях, которые способны повредить человеческую ткань. Изобретатель луча смерти Гарри Гринделл Мэтьюз утверждал, что потерял зрение на левый глаз во время работы над своим оружием с лучом смерти на основе микроволнового магнетрона 1920-х годов (обычная микроволновая печь создает эффект разрушения тканей внутри печи при напряжении около 2 кВ/м). ^[67]

Вывод из электромагнитной теории

Электромагнитные волны предсказываются классическими законами электричества и магнетизма, известными как уравнения Максвелла . Существуют нетривиальные решения однородных уравнений Максвелла (без зарядов и токов), описывающих волны изменяющихся электрических и магнитных полей. Начиная с уравнений Максвелла в свободном пространстве :

где

• ${\displaystyle \mathbf {E} }$и - электрическое поле (измеряемое в В /м или Н / Кл ) и магнитное поле (измеряемое в Тл или Вб /м ² ) соответственно; ${\displaystyle \mathbf {B} }$
• ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {X} }$дает дивергенцию и ротор векторного поля ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {X} }$ ${\displaystyle \mathbf {X} ;}$
• ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$и являются частными производными (скорость изменения во времени при фиксированном местоположении) магнитного и электрического поля; ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$
• ${\displaystyle \mu _{0}}$— проницаемость вакуума (4 π  × 10−7 ^Гн  / м), — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10−12 ^Ф / м); ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 

Помимо тривиального решения, полезные решения могут быть получены с помощью следующего векторного тождества , справедливого для всех векторов в некотором векторном поле: $${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} ,}$$ ${\displaystyle \mathbf {A} }$ $${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .}$$

Взяв ротор второго уравнения Максвелла ( 2 ), получаем:

Оценивая левую часть ( 5 ) с помощью приведенного выше тождества и упрощая с помощью ( 1 ), получаем:

Оценивая правую часть ( 5 ) путем замены последовательности производных и вставки четвертого уравнения Максвелла ( 4 ), получаем:

Объединение ( 6 ) и ( 7 ) снова дает векторное дифференциальное уравнение для электрического поля, решающее однородные уравнения Максвелла:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}}$

Взяв ротор четвертого уравнения Максвелла ( 4 ), получаем аналогичное дифференциальное уравнение для магнитного поля, решающее однородные уравнения Максвелла:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}.}$

Оба дифференциальных уравнения имеют вид общего волнового уравнения для волн, распространяющихся со скоростью , где — функция времени и местоположения, которая дает амплитуду волны в некоторый момент времени в определенном месте: Это также записывается как: где обозначает так называемый оператор Даламбера , который в декартовых координатах задается как: ${\displaystyle c_{0},}$ ${\displaystyle f}$ $${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}}$$ $${\displaystyle \Box f=0}$$ ${\displaystyle \Box }$ $${\displaystyle \Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\ }$$

Сравнивая термины для скорости распространения, получаем в случае электрического и магнитного полей: $${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$$

Это скорость света в вакууме. Таким образом, уравнения Максвелла связывают диэлектрическую проницаемость вакуума , проницаемость вакуума и скорость света, c ₀ , через приведенное выше уравнение. Эта связь была открыта Вильгельмом Эдуардом Вебером и Рудольфом Кольраушем до развития электродинамики Максвелла, однако Максвелл был первым, кто создал теорию поля, согласующуюся с волнами, распространяющимися со скоростью света. ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$

Это всего лишь два уравнения по сравнению с исходными четырьмя, поэтому больше информации относится к этим волнам, скрытым в уравнениях Максвелла. Общая векторная волна для электрического поля имеет вид $${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$$

Здесь — постоянный вектор, — любая вторая дифференцируемая функция, — единичный вектор в направлении распространения, — вектор положения. — общее решение волнового уравнения. Другими словами, для общей волны, распространяющейся в направлении. ${\displaystyle \mathbf {E} _{0}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$ ${\displaystyle {\mathbf {x} }}$ ${\displaystyle f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$ $${\displaystyle \nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},}$$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

Из первого уравнения Максвелла получаем $${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0}$$

Таким образом, это означает, что электрическое поле ортогонально направлению распространения волны. Второе из уравнений Максвелла дает магнитное поле, а именно, $${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0}$$ $${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$$

Таким образом, $${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} }$$

Оставшиеся уравнения будут удовлетворены при этом выборе . ${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$

Волны электрического и магнитного поля в дальнем поле движутся со скоростью света. Они имеют особую ограниченную ориентацию и пропорциональные величины, , которые можно сразу увидеть из вектора Пойнтинга . Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны ортогональны, и волна распространяется в том же направлении, что и . Кроме того, дальние поля E и B в свободном пространстве, которые как волновые решения зависят в первую очередь от этих двух уравнений Максвелла, находятся в фазе друг с другом. Это гарантируется, поскольку общее волновое решение имеет первый порядок как в пространстве, так и во времени, а оператор ротора с одной стороны этих уравнений приводит к пространственным производным первого порядка волнового решения, в то время как производная по времени с другой стороны уравнений, которая дает другое поле, имеет первый порядок по времени, что приводит к одинаковому сдвигу фаз для обоих полей в каждой математической операции. ${\displaystyle E_{0}=c_{0}B_{0}}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$

С точки зрения электромагнитной волны, движущейся вперед, электрическое поле может колебаться вверх и вниз, в то время как магнитное поле колеблется вправо и влево. Эту картину можно повернуть, когда электрическое поле колеблется вправо и влево, а магнитное поле колеблется вниз и вверх. Это другое решение, которое движется в том же направлении. Эта произвольность в ориентации относительно направления распространения известна как поляризация . На квантовом уровне она описывается как поляризация фотона . Направление поляризации определяется как направление электрического поля.

Доступны более общие формы волновых уравнений второго порядка, приведенные выше, которые допускают как невакуумные среды распространения, так и источники. Существует множество конкурирующих выводов, все с различными уровнями приближения и предполагаемыми приложениями. Одним из самых общих примеров является форма уравнения электрического поля ^[68] , которая была факторизована в пару явно направленных волновых уравнений, а затем эффективно сведена в одно однонаправленное волновое уравнение с помощью простого приближения медленной эволюции.

Смотрите также

• Измерение антенны
• Биоэлектромагнетизм
• Болометр
• КОНЕЛРАД
• Электромагнитный импульс
• Электромагнитное излучение и здоровье
• Связь затухающих волн
• Метод конечных разностей во временной области
• Гравитационная волна
• Геликон
• Сопротивление свободного пространства
• Реакция на излучение
• Влияние солнечного света на здоровье
• Синусоидальные плоские волновые решения уравнения электромагнитной волны

Ссылки

1. * Перселл и Морин, Гарвардский университет. (2013). Электричество и магнетизм, 820 стр. (3-е изд.). Cambridge University Press, Нью-Йорк. ISBN 978-1-107-01402-2.стр. 430: «Эти волны... не требуют никакой среды для распространения. Бегущие электромагнитные волны переносят энергию, и... вектор Пойнтинга описывает поток энергии...» стр. 440: ... электромагнитная волна должна обладать следующими свойствами: 1) Поле распространяется со скоростью c (скоростью света); 2) В каждой точке волны... напряженность электрического поля E равна «c», умноженному на напряженность магнитного поля B; 3) Электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны друг другу и направлению движения или распространения.
2. Максвелл, Дж. Клерк (1 января 1865 г.). «Динамическая теория электромагнитного поля». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 155 : 459–512. Bibcode : 1865RSPT..155..459M. doi : 10.1098/rstl.1865.0008. S2CID  186207827.
3. * Браун, Майкл (2013). Физика для инженерии и науки, стр. 427 (2-е изд.). McGraw Hill/Schaum, Нью-Йорк. ISBN 978-0-07-161399-6.; стр. 319: «По историческим причинам различным частям электромагнитного спектра даны разные названия, хотя все они представляют собой одно и то же. Видимый свет составляет узкий диапазон спектра, с длинами волн около 400-800 нм.... ; стр. 320 «Электромагнитная волна переносит импульс вперед... Если излучение поглощается поверхностью, импульс падает до нуля, и на поверхность действует сила... Таким образом, давление излучения электромагнитной волны равно (формула)».
4. Cloude, Shane (1995). Введение в распространение электромагнитных волн и антенны. Springer Science and Business Media. С. 28–33. ISBN 978-0-387-91501-2.
5. Беттини, Алессандро (2016). Курс классической физики, т. 4 – Волны и свет. Springer. стр. 95, 103. ISBN 978-3-319-48329-0.
6. «Двойственная природа света, отраженная в Нобелевских архивах». nobelprize.org . Архивировано из оригинала 15 июля 2017 г. Получено 4 сентября 2017 г.
7. "Факты, информация, изображения об электромагнитном спектре | Статьи Encyclopedia.com об электромагнитном спектре". encyclopedia.com . Архивировано из оригинала 13 июня 2017 г. . Получено 4 сентября 2017 г. .
8. Типлер, Пол А. (1999). Физика для ученых и инженеров: Том 1: Механика, колебания и волны, термодинамика. MacMillan. стр. 454. ISBN 978-1-57259-491-3.
9. Элерт, Гленн. «Электромагнитные волны». Гипертекстовая книга по физике . Получено 4 июня 2018 г.
10. "Влияние работы Джеймса Клерка Максвелла". clerkmaxwellfoundation.org . Архивировано из оригинала 17 сентября 2017 г. . Получено 4 сентября 2017 г. .
11. "Уравнения Максвелла и секреты природы". plus.maths.org . 18 декабря 2015 г. . Получено 2 мая 2021 г. .
12. "Электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы | Britannica". www.britannica.com . 15 сентября 2023 г. . Получено 16 октября 2023 г. .
13. "10.1: Потенциалы Льенара-Вихерта". Physics LibreTexts . 9 декабря 2021 г. . Получено 26 июля 2024 г. .
14. Перселл, стр. 442: «Любое количество электромагнитных волн может распространяться через одну и ту же область, не влияя друг на друга. Поле E в точке пространства-времени является векторной суммой электрических полей отдельных волн, и то же самое относится к B ».
15. "Совместное моделирование производительности фотоэлектрических систем | Излучение в плоскости массива (POA)" . Получено 14 января 2022 г.
16. Чэнь, Сы-юань; Максимчук, Анатолий; Умштадтер, Дональд (17 декабря 1998 г.). «Экспериментальное наблюдение релятивистского нелинейного томсоновского рассеяния». Nature . 396 (6712): 653–655. arXiv : physics/9810036 . Bibcode :1998Natur.396..653C. doi :10.1038/25303. S2CID  16080209.
17. Кроутер, Джеймс Арнольд (1920). Жизнь и открытия Майкла Фарадея. Общество содействия христианскому знанию. С. 54–57 . Получено 15 июня 2014 г.
18. "Prisms". Спектроскопия . Спектроскопия-09-01-2008. 23 (9). Сентябрь 2008. Получено 17 января 2021 .
19. Кармайкл, Х. Дж. "Эйнштейн и фотоэлектрический эффект" (PDF) . Группа теории квантовой оптики, Оклендский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 27 июня 2007 г. Получено 22 декабря 2009 г.
20. Thorn, JJ; Neel, MS; Donato, VW; Bergreen, GS; Davies, RE; Beck, M. (2004). "Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory" (PDF) . American Journal of Physics . 72 (9): 1210. Bibcode :2004AmJPh..72.1210T. doi :10.1119/1.1737397. Архивировано (PDF) из оригинала 1 февраля 2016 г.
21. "ДАТА". galileo.phys.virginia.edu . Архивировано из оригинала 12 мая 2015 года . Получено 4 сентября 2017 года .
22. "Физика – Волны". www-jcsu.jesus.cam.ac.uk . Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 . Получено 4 сентября 2017 .
23. "Wave Behaviors | Science Mission Directorate". science.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 мая 2017 года . Получено 4 сентября 2017 года .
24. Страттон, Джулиус Адамс (1941). "Глава V Плоские волны в неограниченных изотропных средах". Электромагнитная теория . McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-470-13153-4.
25. "Электромагнитное излучение | КОСМОС". astronomy.swin.edu.au . Получено 29 марта 2020 г. .
26. She, Alan; Capasso, Federico (17 мая 2016 г.). "Parallel Polarization State Generation". Scientific Reports . 6 : 26019. arXiv : 1602.04463 . Bibcode : 2016NatSR...626019S. doi : 10.1038/srep26019. PMC 4869035. PMID  27184813 . 
27. "Что такое электромагнитное излучение?". Live Science . Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 года . Получено 4 сентября 2017 года .
28. Шнайдерман, Джилл (27 марта 2000 г.). Земля вокруг нас: как сохранить пригодную для жизни планету. Henry Holt and Company. ISBN 978-1-4668-1443-1.
29. Мичиганский технический университет. Библиотеки Мичиганского университета. 1960.
30. Пол М. С. Монк (2004). Физическая химия . John Wiley and Sons. стр. 435. ISBN 978-0-471-49180-4.
31. Вайнберг, С. (1995). Квантовая теория полей. Том 1. Cambridge University Press . С. 15–17. ISBN 978-0-521-55001-7.
32. Комминс, Юджин (2014). Квантовая механика; экспериментальный подход . Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-06399-0.
33. Линг, Сэмюэл Дж.; Сэнни, Джефф; Мёбс, Уильям (2016). «Эффект Комптона». Университетская физика. Том 3. OpenStax. ISBN 978-1-947172-22-7.
34. Ханиф, Дина Т. Кочунни, Джазир. "7 различий между флуоресценцией и фосфоресценцией". Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 г. Получено 4 сентября 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
35. Мередит, У. Дж.; Мэсси, Дж. Б. (22 октября 2013 г.). Фундаментальная физика радиологии. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-1-4832-8435-4.
36. Браун, стр. 376: «Излучение испускается или поглощается только тогда, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, и частота излучения зависит только от энергии электрона на начальной и конечной орбитах».
37. Хантер, Тим Б.; Добек, Джеральд О. (19 июля 2023 г.). «Туманности: обзор». Объекты Барнарда: тогда и сейчас . Springer Cham. doi :10.1007/978-3-031-31485-8. ISBN 978-3-031-31485-8.
38. "Спектроскопия". National Redshift Project . Архивировано из оригинала 1 февраля 2017 года . Получено 19 января 2017 года .
39. Джонс, Эрик (2007). RFID в логистике. Практическое введение. CRC Press. стр. 437. ISBN 978-0-367-38811-9.
40. Гершель, Уильям (1 января 1800 г.). «Эксперименты по преломлению невидимых лучей Солнца. Уильям Гершель, LL. DFR S». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 90 : 284–292. Bibcode : 1800RSPT...90..284H. doi : 10.1098/rstl.1800.0015 . JSTOR  107057.
41. Хольцер, Атон М.; Элметс, Крейг А. (2010). «Другой конец радуги: инфракрасное излучение и кожа». Журнал исследовательской дерматологии . 130 (6): 1496–1499. doi :10.1038/jid.2010.79. ISSN  0022-202X. PMC 2926798. PMID 20463675  . 
42. "Ultraviolet | COSMOS". astronomy.swin.edu.au . Архивировано из оригинала 1 марта 2021 г. . Получено 29 сентября 2021 г. .
43. Дэвидсон, Майкл У. (март 2014 г.). «Пионеры оптики: Иоганн Вильгельм Риттер и Эрнест Резерфорд». Microscopy Today . 22 (2): 48–51. doi : 10.1017/S1551929514000029 . ISSN  1551-9295. S2CID  135584871.
44. Джинс, Джеймс (1947) Рост физической науки. Издательство Кембриджского университета
45. Хендерсон, Рой. «Соображения относительно длины волны». Институты Umform- und Hochleistungs. Архивировано из оригинала 28 октября 2007 года . Проверено 18 октября 2007 г.
46. "Ближний, средний и дальний инфракрасный диапазон". NASA IPAC. Архивировано из оригинала 29 мая 2012 года . Получено 4 апреля 2007 года .
47. Бирнс, Джеймс (2009). Обнаружение и ликвидация последствий неразорвавшихся боеприпасов . Springer. стр. 21–22. Bibcode :2009uodm.book.....B. ISBN 978-1-4020-9252-7.
48. Либель, Ф.; Каур, С.; Руволо, Э.; Коллиас, Н.; Саутхолл, М. Д. (2012). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс». Журнал исследовательской дерматологии . 132 (7): 1901–1907. doi : 10.1038/jid.2011.476 . PMID  22318388.
49. Тао, Цзяшэн. «Источник излучения и оптическая атмосферная передача». Космическое оптическое дистанционное зондирование . Springer, Сингапур. doi :10.1007/978-981-99-3318-1_4. ISBN 978-981-99-3318-1.
50. Чаплин, Мартин (15 мая 2013 г.). "Инфракрасная спектроскопия" (PDF) : water.lsbu.ac.uk . Получено 19 апреля 2022 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
51. Dabas, RS (июль 2000). «Ионосфера и ее влияние на радиосвязь». Resonance . 5 (7): 28–43. doi :10.1007/bf02867245. ISSN  0971-8044. S2CID  121347063.
52. "CANDU textbook". nuceng.ca . Архивировано из оригинала 20 апреля 2017 . Получено 24 марта 2017 .
53. "Излучение черного тела". docs.kde.org . Архивировано из оригинала 8 августа 2017 г. . Получено 24 марта 2017 г. .
54. "Термодинамика Часть 1: Работа, Тепло, Внутренняя энергия и Энтальпия". www2.southeastern.edu . Архивировано из оригинала 24 марта 2017 г. Получено 24 марта 2017 г.
55. "Planck's law" (PDF) . astro.lu.se . Архивировано из оригинала (PDF) 30 ноября 2016 года . Получено 24 марта 2017 года .
56. Binhi, Владимир Н (2002). Magnetobiology: Underlines Physical Problems . Repiev, A & Edelev, M (переводчики с русского). San Diego: Academic Press. стр. 1–16. ISBN 978-0-12-100071-4. OCLC  49700531.
57. Delgado, JM; Leal, J.; Monteagudo, JL; Gracia, MG (1982). «Эмбриологические изменения, вызванные слабыми, крайне низкочастотными электромагнитными полями». Журнал анатомии . 134 (Pt 3): 533–551. PMC 1167891. PMID  7107514 . 
58. Харланд, Дж. Д.; Либерди, РП (1997). «Магнитные поля окружающей среды подавляют антипролиферативное действие тамоксифена и мелатонина в клеточной линии рака молочной железы человека». Биоэлектромагнитные явления . 18 (8): 555–562. doi :10.1002/(SICI)1521-186X(1997)18:8<555::AID-BEM4>3.0.CO;2-1. PMID  9383244.
59. Аалто, С.; Хаарала, К.; Брюк, А.; Сипиля, Х.; Хямяляйнен, Х.; Ринне, ДЖО (2006). «Мобильный телефон влияет на мозговой кровоток у человека». Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 26 (7): 885–890. дои : 10.1038/sj.jcbfm.9600279 . ПМИД  16495939.
60. Клири, С.Ф.; Лю, Л.М.; Мерчант, Р.Э. (1990). «Пролиферация лимфоцитов in vitro, индуцированная радиочастотным электромагнитным излучением в изотермических условиях». Биоэлектромагнитные явления . 11 (1): 47–56. doi :10.1002/bem.2250110107. PMID  2346507.
61. МАИР классифицирует радиочастотные электромагнитные поля как потенциально канцерогенные для человека Архивировано 1 июня 2011 г. на Wayback Machine . Всемирная организация здравоохранения. 31 мая 2011 г.
62. "Проблемы со стандартом излучения сотового телефона". CBS News. Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года.
63. См. Liebel, F; Kaur, S; Ruvolo, E; Kollias, N; Southall, MD (июль 2012 г.). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс». J. Invest. Dermatol . 132 (7): 1901–7. doi : 10.1038/jid.2011.476 . PMID  22318388.для доказательства квантового повреждения от видимого света через реактивные формы кислорода, генерируемые в коже. Это происходит также с UVA. С UVB повреждение ДНК становится прямым, с фотохимическим образованием пиримидиновых димеров .
64. Narayanan, DL; Saladi, RN; Fox, JL (сентябрь 2010 г.). «Ультрафиолетовое излучение и рак кожи». Международный журнал дерматологии . 49 (9): 978–86. doi : 10.1111/j.1365-4632.2010.04474.x . PMID  20883261. S2CID  22224492.
65. Салади, Р. Н.; Персо, А. Н. (январь 2005 г.). «Причины рака кожи: всесторонний обзор». Drugs of Today . 41 (1): 37–53. doi :10.1358/dot.2005.41.1.875777. PMID  15753968.
66. "DVIDS – Новости – Новое нелетальное оружие Корпуса морской пехоты подогревает обстановку". DVIDS . Получено 1 ноября 2014 г.
67. "Воздействие на организм человека: крайне низкая частота RF | Радиочастота | Радиоспектр". Scribd . Получено 8 марта 2021 г. .
68. Кинслер, П. (2010). «Распространение оптических импульсов с минимальными приближениями». Phys. Rev. A. 81 ( 1): 013819. arXiv : 0810.5689 . Bibcode : 2010PhRvA..81a3819K. doi : 10.1103/PhysRevA.81.013819.

• «Свет: Электромагнитные волны, электромагнитный спектр и фотоны (статья)». Khan Academy . Получено 2 мая 2021 г. .

Дальнейшее чтение

• Хехт, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Brooks Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика (5-е изд.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Рейц, Джон; Милфорд, Фредерик; Кристи, Роберт (1992). Основы электромагнитной теории (4-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-52624-0.
• Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Аллен Тафлов и Сьюзен С. Хагнесс (2005). Вычислительная электродинамика: метод конечных разностей во временной области, 3-е изд . Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9.

Внешние ссылки

• Фейнмановские лекции по физике, том I, гл. 28: Электромагнитное излучение
• Медиа, связанные с электромагнитным излучением на Wikimedia Commons
• Электромагнитные волны из уравнений Максвелла в проекте PHYSNET.