Elektromagnetisk stråling

Elektromagnetisk stråling er en grundlæggende fænomen af ​​elektromagnetismen, opfører sig som bølger og også som partikler kaldet fotoner, der rejser gennem rummet bærer strålingsenergi. I fysik er al EMR ofte omtalt bredt som "light", mens det i andre dagligdags anvendelser "lys" er reserveret til synligt lys, som kun er en meget lille del af det spektrum af EMR. I nogle mellemliggende anvendelser, udtrykket "lys" henviser også til de dele af det elektromagnetiske spektrum, som er ved siden af ​​det synlige spektrum, såsom ultraviolet og infrarødt "lys." Men udtrykket "lys" ikke er veldefineret i videnskaben.

Det elektromagnetiske spektrum, i rækkefølge efter stigende hyppighed og faldende bølgelængde, kan deles af praktiske ingeniørmæssige formål, til radiobølger, mikrobølger, infrarød stråling, synlig lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler.

I et vakuum, EMR udbreder sig med lysets hastighed, normalt i lige linier. EMR udsendes og absorberes af ladede partikler. Som en elektromagnetisk bølge, det har både elektriske og magnetiske felter komponenter, som synkront svinger vinkelret på hinanden og vinkelret på retningen af ​​energi og bølgeudbredelse. I klassisk fysik, er EMR produceres, når ladede partikler accelereres af kræfter, der virker på dem. Elektroner er ansvarlige for emission af de fleste EMR, fordi de har lav masse, og derfor er let accelereres ved en række mekanismer. Kvanteprocesser kan også producere EMR, såsom når atomkerner undergår gamma henfald, og processer såsom neutrale pion forfald.

EMR bærer energi undertiden kaldes strålingsenergi gennem rummet kontinuerligt væk fra kilden. EMR også bærer både momentum og impulsmoment. Disse egenskaber kan alle bibringes at sagen, som den interagerer. Når oprettet, er EMR fremstillet af andre typer af energi og omdannes til andre typer, når det er ødelagt.

Den foton er kvante af den elektromagnetiske interaktion, og er den grundlæggende bestanddel af alle former for EMR. Den kvante natur lys bliver mere synlige ved høje frekvenser; EMR opfører sig mere som partikler og mindre ligesom bølger som dens stigende frekvens. Højere frekvenser har mere energi i de fotoner, ifølge Plancks ligning E = hv, hvor E er energien per foton, ν er frekvensen bæres af foton, og h er Plancks konstant. En enkelt gammastråler foton bærer langt mere energi end en enkelt foton af synligt lys.

Elektromagnetisk stråling er forbundet med EM felter, som frit kan udbrede sig uden vedvarende påvirkning af de bevægelige afgifter, der producerede dem, fordi de har opnået tilstrækkelig afstand fra disse afgifter. Således er EMR undertiden benævnt fjernfeltet. I dette sprog, den nærmeste felt refererer til EM felter nær de afgifter og strøm, der direkte har produceret dem, som med enkle magneter, elektromagnetisk induktion og statisk elektricitet fænomener. Elektriske og magnetiske felter i EMR står i fase og i et fast forhold mellem intensiteten til hinanden, med maksima og knudepunkter i hvert findes på de samme steder i rummet.

Virkningerne af EMR upon biologiske systemer afhænger både af den stråling magt og frekvens. For lavere frekvenser af EMR op til dem af synligt lys, er skaderne på cellerne og også til mange almindelige materialer under sådanne betingelser bestemmes hovedsagelig af opvarmning effekter, og dermed ved magt stråling. Derimod for højere frekvensstråler på ultraviolette frekvenser og over skader på kemikalier og levende celler ved EMR er langt større end det gjort ved simpel opvarmning, skyldes muligheden af ​​enkelte fotoner i en sådan høj frekvens EMR at beskadige enkelte molekyler kemisk.

Fysik

Teori

Maxwells ligninger for EM felter langt fra kilder

James Clerk Maxwell først formelt postuleret elektromagnetiske bølger. Disse blev efterfølgende bekræftet af Heinrich Hertz. Maxwell udledt en bølgeform af de elektriske og magnetiske ligninger, således at afdække den bølge-lignende karakter elektriske og magnetiske felter og deres symmetri. Fordi hastigheden af ​​EM bølger forudsagt af bølgeligningen faldt sammen med den målte lysets hastighed, konkluderede Maxwell, at lyset selv er en EM bølge.

Ifølge Maxwells ligninger, er et rumligt varierende elektrisk felt altid forbundet med et magnetfelt, der ændrer sig over tid. Ligeledes er et rumligt varierende magnetisk felt i forbindelse med specifikke ændringer over tid i det elektriske felt. I en elektromagnetisk bølge, er ændringer i det elektriske felt altid ledsaget af en bølge i magnetfeltet i én retning, og omvendt. Dette forhold mellem de to sker uden hverken typefelt forårsager den anden side; snarere, de forekommer sammen på samme måde, som tid og rum sker ændringer sammen og hænger sammen i specielle relativitetsteori. Faktisk kan magnetfelter ses som relativistiske fordrejninger af elektriske felter, så det tætte forhold mellem rum og tid ændringer her er mere end en analogi. Tilsammen udgør disse områder danner en formerings elektromagnetisk bølge, som bevæger sig ud i rummet, og behøver aldrig igen påvirke kilden. Den fjerne EM felt er dannet på denne måde ved acceleration af en afgift bærer energi med det at "udstråler" væk gennem rummet, deraf udtrykket for det.

Nære og fjerne felter

Maxwells ligninger konstateret, at nogle afgifter og strømme producere en lokal type elektromagnetiske felt i nærheden af ​​dem, der ikke har adfærd EMR. Navnlig ifølge Maxwell, strømme direkte at fremstille et magnetfelt, men det er af et magnetisk dipol type, som dør ud hurtigt med afstanden fra den aktuelle. På lignende måde, ladninger i bevægelse er adskilt fra hinanden i en leder med en skiftende elektrisk potentiale producere en elektrisk dipol typen elektrisk felt, men det også dør væk meget hurtigt med afstanden. Begge disse områder udgør den nær-området nær EMR-kilde. Ingen af ​​disse adfærdsmønstre er ansvarlige for EM-stråling. I stedet, de forårsager elektromagnetisk felt adfærd, der kun effektivt overfører strøm til en modtager meget tæt på kilden, såsom magnetisk induktion i en transformer eller feedback adfærd, der sker tæt på spolen i en metaldetektor. Typisk nær-områder har en kraftig indvirkning på deres egne kilder, der forårsager en øget "belastning" i kilden eller sender, når energien tilbage fra EM-felt af en modtager. Ellers behøver disse felter ikke "udbrede" frit ud i rummet, bærer deres energi væk uden distance-grænse, men snarere svinge frem og tilbage, vender tilbage deres energi til senderen, hvis det ikke er modtaget af en modtager.

Derimod er EM fjernfelts sammensat af stråling, der er fri for senderen i den forstand, at senderen kræver den samme magt til at sende disse ændringer i felterne ud, om signalet straks afhentet eller ej. Denne fjern del af det elektromagnetiske felt er "elektromagnetisk stråling". Langt-felter udbreder uden evne til senderen til at påvirke dem, og det får dem til at være uafhængige i den forstand, at deres eksistens og deres energi, efter at de har forladt senderen, er helt uafhængig af både sender og modtager. Fordi sådanne bølger spare på den mængde energi, de overfører gennem en sfærisk grænseflade trukket omkring deres kilde, og fordi sådanne overflader har et område, der er defineret af kvadratet på afstanden fra kilden, magt EM stråling altid varierer ifølge en AFSTANDSKVADRATLOVEN. Dette er i modsætning til dipolære dele af EM-felt tæt på kilden, der varierer i belastning i henhold til en omvendt terning potenslov, og dermed ikke transporterer en konserveret mængde energi over afstande, men i stedet dør væk hurtigt med afstanden, med sin energi enten hurtigt vender tilbage til senderen, ellers absorberes af en nærliggende modtager.

Den langt-felt afhænger en anden mekanisme for sin produktion end nærfelt, og ved forskellige udtryk i Maxwells ligninger. Henviser den magnetiske del af nærfelt skyldes strømninger i kilden, magnetfeltet i EMR kun skyldes den lokale ændring i det elektriske felt. På en tilsvarende måde, medens det elektriske felt i nærfeltet skyldes direkte til de afgifter og charge-separation i kilden, det elektriske felt i EMR skyldes en ændring i den lokale magnetfelt. Begge disse processer til fremstilling af elektriske og magnetiske EMR felter har en anden afhængighed af afstand end gøre nær-felt dipole elektriske og magnetiske felter, og det er grunden til, at EMR type EM felt bliver dominerende i magt "langt" fra kilder. Udtrykket "langt fra kilder" henviser til, hvor langt fra kilden nogen del af passiv bevægelse EM felt er beliggende, ved den tid, kilde strømme ændres af varierende kilde potentiale, og kilden er derfor begyndt at generere en udad flytte EM felt i en anden fase.

En mere kompakt visning af EMR er, at langt felt, der komponerer EMR er generelt den del af EM felt, der har rejst tilstrækkelig afstand fra kilden, at det er blevet helt fri feedback til de afgifter og strømninger, der oprindeligt var ansvarlig for det. Nu uafhængig af kilde afgifter, EM-felt, som den bevæger sig længere væk, er afhængig kun på de accelerationer af de afgifter, der producerede den. Det ikke længere har en stærk forbindelse til de direkte marker af de afgifter, eller at hastigheden af ​​afgifterne.

I Liénard-Wiechert potentielle formulering af de elektriske og magnetiske felter på grund af bevægelse af en enkelt partikel, udtrykkene er forbundet med acceleration af partiklen er dem, der er ansvarlige for den del af det område, der anses for elektromagnetisk stråling. Derimod udtrykket er forbundet med den ændrede statisk elektrisk felt af partiklen og den magnetiske sigt, at resultaterne fra partiklens ensartet hastighed, begge ses at være forbundet med det elektromagnetiske nærfelt, og ikke omfatter EM-stråling.

Egenskaber

Fysik af elektromagnetisk stråling er elektrodynamik. Elektromagnetisme er det fysiske fænomen forbundet med teorien om elektrodynamik. Elektriske og magnetiske felter adlyder egenskaber superposition. Således et felt på grund af en bestemt partikel eller tidsvarierende elektriske eller magnetiske felt bidrager til de områder, der er til stede i det samme rum på grund af andre årsager. Yderligere, da de er vektorfelter, alle magnetiske og elektriske feltvektorer addere ifølge vektor tilføjelse. For eksempel i optik to eller flere sammenhængende lysbølger kan interagere og konstruktiv eller destruktiv interferens udbytte en resulterende bestrålingsstyrke afviger fra summen af ​​de indgående bølgelængder på de enkelte lysbølger.

Da lys er en svingning det påvirkes ikke af at rejse gennem statiske elektriske eller magnetiske felter i et lineært medium såsom et vakuum. Men i lineære medier, såsom nogle krystaller, kan forekomme interaktioner mellem lys og statiske elektriske og magnetiske felter disse interaktioner omfatter Faraday effekten og Kerr effekt.

I brydning, en bølge passage fra et medie til et andet af forskellig tæthed ændrer dens hastighed og retning ved ankomsten til nye medie. Forholdet mellem brydningsindekser medierne bestemmer graden af ​​refraktion, og resultaterne er sammenfattet af Snell lov. Lyset af sammensatte bølgelængder dispergeres i en synlige spektrum passerer gennem et prisme, på grund af bølgelængdeafhængig brydningsindeks prisme materiale det vil sige, er hver komponent bølge inden for sammensatte lette bøjet et andet beløb.

EM stråling udviser både bølge- egenskaber og partikelegenskaber samtidig. Både bølge- og partikelkarakteristika er blevet bekræftet i et stort antal forsøg. Wave karakteristika er mere tydelige, når EM-stråling måles over relativt store tidsplaner og over store afstande, mens partikel egenskaber er mere indlysende, når man måler små tidsplaner og afstande. For eksempel, når elektromagnetisk stråling absorberes af sagen, vil partikel-lignende egenskaber være mere indlysende, når det gennemsnitlige antal fotoner i tredje potens af den relevante bølgelængde er meget mindre end 1. Det er ikke for vanskelige at observere eksperimentelt uensartet aflejring af energi, når lys absorberes, men dette alene er ikke tegn på "partikler" adfærd af lys. Tværtimod, det afspejler den kvante natur stof. Hvilket viser, at lyset i sig selv er kvantiseret, ikke blot dens vekselvirkning med stof, er en mere subtil problem.

Der er forsøg, hvor de bølge- og partikelegenskaber beskaffenheden af ​​elektromagnetiske bølger vises i det samme forsøg, såsom selv-interferens af en enkelt foton. Ægte enkelt foton eksperimenter kan i dag gøres på bachelor-niveau laboratorier. Når en enkelt foton sendes gennem et interferometer, passerer gennem begge veje, interferere med sig selv, som bølger gør, men detekteres af en fotomultiplikator eller en anden detektor kun én gang.

En kvanteteori for samspillet mellem elektromagnetisk stråling og stof som elektroner beskrives af teorien om kvanteelektrodynamik.

Wave model

Elektromagnetisk stråling er et tværgående bølge, hvilket betyder, at svingningerne af bølgerne er vinkelret på retningen af ​​energioverførsel og rejse. De elektriske og magnetiske dele af feltet stå i et fast forhold af styrker med henblik på at opfylde de to Maxwell ligninger, der angiver, hvordan man er fremstillet af den anden. Disse E og B felter er også i fase med både nå maksima og minima ved de samme punkter i rummet. En almindelig misforståelse er, at E og B felter i elektromagnetisk stråling er ude af fase, fordi en ændring i en producerer det andet, og dette ville producere en faseforskel mellem dem som sinusformede funktioner. I fjernfelts EM stråling, som er beskrevet af de to source-fri Maxwell krøller operatør ligninger, en mere korrekt beskrivelse er imidlertid, at en tid-ændring i en type felt er proportional med et rum-ændring i den anden. Disse derivater kræver, at E og B felter i EMR er i fase.

Et vigtigt aspekt af lysets natur er frekvens. Hyppigheden af ​​en bølge er dens sats på svingning og måles i hertz, SI-enheden for frekvens, hvor den ene hertz er lig med en svingning per sekund. Lys har normalt et spektrum af frekvenser dette beløb til at danne den resulterende bølge. Forskellige frekvenser gennemgår forskellige vinkler af brydning, et fænomen kendt som dispersion.

En bølge består af successive render og kamme, og afstanden mellem to tilstødende toppe eller trug kaldes bølgelængden. Bølger af det elektromagnetiske spektrum varierer i størrelse fra meget lange radiobølger størrelsen af ​​bygninger til meget korte gammastråler mindre end atomkernerne. Frekvens er omvendt proportional med bølgelængden, ifølge ligningen:

hvor v er hastigheden af ​​bølgen, f er frekvensen og λ er bølgelængden. Som bølger krydser grænserne mellem forskellige medier, deres hastigheder ændre sig, men deres frekvenser forbliver konstant.

Elektromagnetiske bølger i frit rum skal være opløsninger af Maxwells elektromagnetiske bølge ligning. To vigtige klasser af løsninger er kendt, nemlig plane bølger og sfæriske bølger. De plane bølger kan ses som det begrænsende tilfælde af sfæriske bølger i meget stor afstand fra kilden. Begge typer af bølger kan have en bølgeform, som er en vilkårlig funktion af tiden. Som med enhver funktion af tiden, kan det nedbrydes ved hjælp af Fourier-analyse i sin frekvensspektrum, eller individuelle sinusformede komponenter, der hver indeholder en enkelt frekvens, amplitude og fase. En sådan komponent bølge siges at være monokromatisk. En monokromatisk elektromagnetiske bølger kan karakteriseres ved dens frekvens eller bølgelængde, sit højdepunkt amplitude, dens fase i forhold til nogle reference fase, dens udbredelsesretning, og dens polarisering.

Interferens er superposition af to eller flere bølger resulterer i en ny bølge mønster. Hvis felterne har komponenter i samme retning, de konstruktivt interfererer, mens modsatte retninger forårsage destruktiv interferens. Et eksempel på interferens forårsaget af EMR er elektromagnetisk interferens eller som det er mere almindeligt kendt som, radio-frekvens interferens.

Energien i elektromagnetiske bølger kaldes undertiden strålingsenergi.

Partikel model og kvanteteorien

En anomali opstod i slutningen af ​​det 19. århundrede, der involverer en modsætning mellem den bølge teori om lys på den ene side, og på den anden, observatørernes faktiske målinger af det elektromagnetiske spektre, der blev udsendt af termiske radiatorer kendt som sorte organer. Fysikere kæmpet med dette problem, som senere blev kendt som den ultraviolette katastrofe, uden held i mange år. I 1900, Max Planck udviklet en ny teori om sort-legeme stråling, der forklarede den observerede spektrum. Plancks teori var baseret på den idé, at sorte organer udsender lys kun som diskrete bundter eller pakker af energi. Disse pakker blev kaldt kvanter. Senere forslag Albert Einstein, at kvanter af lys kan betragtes som reelle partikler, og partiklen af ​​lys fik navnet foton, at korrespondere med andre partikler, der beskrives omkring dette tidspunkt, såsom elektron og proton. En foton har en energi, E, proportional med dens frekvens, f ved

hvor h er Plancks konstant, er bølgelængden, og c er lysets hastighed. Dette er også kendt som Planck-Einstein-ligningen. I kvanteteori energien af ​​fotonerne er således direkte proportional med frekvensen af ​​EMR bølge.

Ligeledes momentum p af en foton er også proportional med dens frekvens og omvendt proportional med dens bølgelængde:

Kilden til Einstein forslag om, at lyset var sammensat af partikler var en eksperimentel anomali ikke forklares ved bølgeteorien: den fotoelektriske effekt, hvor lyset, der rammer en metaloverflade udstødes elektroner fra overfladen, der forårsager en elektrisk strøm til at strømme på tværs af en påtrykt spænding. Eksperimentelle målinger viste, at energien af ​​individuelle udslyngede elektroner var proportional med frekvensen, snarere end intensiteten af ​​lyset. Endvidere under et vist minimum frekvens, som afhang af den særlige metal, vil ingen aktuelle flow uanset intensiteten. Disse observationer syntes at modsige den bølge teori, og i årevis fysikere forsøgte forgæves at finde en forklaring. I 1905 Einstein forklarede dette puslespil ved at genoplive partiklen teori om lys til at forklare den observerede effekt. På grund af overvægten af ​​beviser til fordel for den bølge teori, men Einsteins ideer blev oprindeligt mødt med stor skepsis blandt etablerede fysikere. Til sidst Einsteins forklaring blev accepteret som ny partikel-lignende opførsel af lys blev observeret, såsom Compton effekt.

Som en foton bliver absorberet af et atom, det ophidser atomet, opløftende en elektron til en højere energiniveau. Når en elektron i en ophidset molekyle eller atom ned til et lavere energiniveau, udsender en foton af lys svarer til den energi forskel. Da energi niveauer af elektroner i atomer er diskrete, udsender hvert element og hvert molekyle og absorberer sine egne karakteristiske frekvenser. Når emissionen af ​​fotonen er umiddelbar, er dette fænomen kaldes fluorescens, en type fotoluminescens. Et eksempel er synligt lys, der udsendes fra fluorescerende maling, som reaktion på ultraviolet lys. Mange andre fluorescerende emissioner er kendt i andre end synligt lys spektralbånd. Når emissionen af ​​fotonen forsinkes, er fænomenet kaldes phosphorescens.

Partikel-bølge dualitet

Den moderne teori, der forklarer lysets natur omfatter begrebet partikel-bølge dualitet. Mere generelt teorien, at alt har både en partikel natur og en bølge natur og forskellige forsøg kan gøres for at bringe den ene eller den anden. Partiklen naturen er lettere skelnes hvis en genstand har en stor masse, og det var ikke før en fed proposition af Louis de Broglie i 1924, at det videnskabelige samfund indså, at elektroner også udstillet bølge-partikel dualitet.

Bølge- og partikel effekter af elektromagnetisk stråling

Sammen bølge- og partikel effekter forklare emission og absorptionsspektre af EM-stråling, uanset hvor den er set. Sagen-sammensætning af mediet, hvorigennem lyset bevæger bestemmer arten af ​​absorption og emission spektrum. Disse bånd svarer til de tilladte energiniveauer i atomer. Mørke striber på absorptionsspektret skyldes atomerne i en mellemliggende medium mellem kilden og iagttageren, der absorberer visse frekvenser af lys mellem emitteren og detektoren / øje, så udsender dem i alle retninger, således at et mørkt bånd ser ud til detektoren, på grund af stråling spredt ud af strålen. For eksempel, mørke striber på lyset fra en fjern stjerne skyldes atomerne i stjernens atmosfære. Et lignende fænomen forekommer for emission, som ses, når den emitterende gassen er glødende skyldes excitation af atomerne fra enhver ordning, herunder varme. Som elektroner ned til lavere energi-niveauer, er et spektrum udsendes der repræsenterer hopper mellem energi niveauer af elektroner, men linjer ses, fordi igen sker emission kun på bestemte energier efter excitation. Et eksempel er emissionsspektret for tåger. Hurtigt bevægelige elektroner mest markant accelereret, når de støder på et område af kraft, så de er ansvarlige for at producere meget af den højeste frekvens elektromagnetiske stråling observeret i naturen.

I dag er forskerne bruger disse fænomener til at udføre forskellige kemiske bestemmelser for sammensætningen af ​​gasser belyst bagfra og glødende gasser. Spektroskopi bestemmer, hvad kemiske elementer en stjerne er sammensat af. Spektroskopi anvendes også ved bestemmelse af afstanden af ​​en stjerne, med den røde forskydning.

Hastighed for spredning

Alle elektriske ladning, der accelererer, eller en skiftende magnetfelt, producerer elektromagnetisk stråling. Elektromagnetisk oplysninger om ladningen bevæger sig med lysets hastighed. Præcis behandling inkorporerer således et koncept kaldet retarderede tid, hvilket øger de udtryk for elektrodynamiske elektriske felt og magnetfelt. Disse ekstra udtryk er ansvarlig for elektromagnetisk stråling.

Når en wire leder vekselstrøm, er elektromagnetisk stråling opformeret ved den samme frekvens som den elektriske strøm. I mange sådanne situationer er det muligt at identificere en elektrisk dipolmoment, der opstår fra separering af afgifter på grund af den spændende elektrisk potentiale, og det dipolmoment svinger i tid, idet afgifterne bevæge sig frem og tilbage. Denne svingning ved en given frekvens giver anledning til at ændre elektriske og magnetiske felter, som derefter indstille elektromagnetisk stråling i bevægelse.

På kvante-niveau, er elektromagnetisk stråling fremkaldt når wavepacket af en ladet partikel svinger eller på anden måde accelererer. Ladede partikler i en stationær tilstand ikke bevæger sig, men en superposition af sådanne tilstande kan resultere i overgang stat, som har en elektrisk dipolmoment, der svinger i tiden. Denne oscillerende dipolmoment er ansvarlig for fænomenet radiative overgang mellem kvantetilstande en ladet partikel. Sådanne tilstande forekommer i atomer, når fotoner udstråles som atom skifter fra én stationær tilstand til en anden.

Afhængigt af omstændighederne kan elektromagnetisk stråling opfører sig som en bølge eller som partikler. Som en bølge, er det kendetegnet ved en hastighed, bølgelængde og frekvens. Når de betragtes som partikler, kaldes de fotoner, og hver har en energi relateret til hyppigheden af ​​bølgen afgivet Plancks forhold E = hv, hvor E er energien af ​​fotonen, h = 6,626 × 10 J · s er Plancks konstant, og ν er frekvensen af ​​bølgen.

En regel altid adlydt uanset omstændighederne: EM-stråling i et vakuum altid bevæger sig med lysets hastighed, i forhold til iagttageren, uanset observatørens hastighed.

I et medium, der hastigheden faktor eller brydningsindeks betragtes, afhængigt af frekvens og anvendelse. Begge disse er forhold af hastigheden i et medium til hastighed i et vakuum.

Specielle relativitetsteori

Ved slutningen af ​​det nittende århundrede, men forblev en håndfuld af eksperimentelle anomalier, der ikke kunne forklares ved den simple bølge teori. En af disse uregelmæssigheder involverede en kontrovers over lysets hastighed. Lysets hastighed og andre EMR forudsagt af Maxwells ligninger syntes ikke, medmindre ligningerne blev ændret på en måde, først foreslået af FitzGerald og Lorentz, ellers ellers ville det afhænge af hastigheden af ​​observatør i forhold til det "medium", som angiveligt "gennemført "den elektromagnetiske bølge. Eksperimenter har undladt at finde nogen observatør effekt, dog. I 1905 foreslog Albert Einstein, at tid og rum syntes at være velocity-foranderlige enheder, ikke kun for lys formering, men alle andre processer og love samt. Disse ændringer derefter automatisk tegnede sig for den konstans lysets hastighed og alle elektromagnetisk stråling, fra synspunkter alle observatører selv de i relativ bevægelse.

Historien om opdagelsen

Elektromagnetisk stråling med andre end de af synligt lys bølgelængder blev opdaget i begyndelsen af ​​det 19. århundrede. Opdagelsen af ​​infrarød stråling tilskrives William Herschel, astronomen. Herschel offentliggjorde sine resultater i 1800, før Royal Society of London. Herschel brugte et glas prisme til at bryder lys fra Solen og detekteret usynlige stråler, der forårsagede opvarmning ud over den røde del af spektret, gennem en forøgelse af temperaturen optaget med et termometer. Disse "brændværdi stråler" blev senere kaldt infrarød.

I 1801, den tyske fysiker Johann Wilhelm Ritter gjorde opdagelsen af ​​ultraviolet i et eksperiment der ligner Hershel s, ved hjælp af sollys og et glas prisme. Ritter bemærkes, at usynlige stråler nær den violette kanten af ​​en solspektret spredt af en trekantet prisme formørket sølvchlorid-præparater hurtigere end gjorde det nærliggende violet lys. Ritter eksperimenter var en tidlig forløber for, hvad der ville blive fotografering. Ritter bemærkes, at de ultraviolette stråler var i stand til at forårsage kemiske reaktioner.

I 1862-4 James Clerk Maxwell udviklet ligninger for det elektromagnetiske felt, som antydede, at bølger i området ville rejse med en hastighed, som var meget tæt på den kendte lysets hastighed. Maxwell foreslog derfor, at synligt lys alle bestod af formerings forstyrrelser i det elektromagnetiske felt. Radiobølger ikke først opdaget fra en naturlig kilde, men snarere var fremstillet bevidst og kunstigt fra den tyske videnskabsmand Heinrich Hertz i 1887, ved hjælp af elektriske kredsløb beregnet til at frembringe svingninger ved en meget lavere frekvens end den for synligt lys, efter opskrifter til fremstilling af oscillerende gebyrer og strømninger foreslået af Maxwells ligninger. Hertz også udviklet metoder til at detektere disse bølger, og produceret og karakteriseret det, der senere blev kaldt radiobølger og mikrobølger.

Wilhelm Conrad Röntgen opdagede og navngivet røntgenstråler. Efter at have eksperimenteret med høje spændinger anvendes på en evaccuated rør den 8. november 1895 bemærkede han en fluorescens på en nærliggende plade af belagt glas. I en måned opdagede han de vigtigste egenskaber ved X-stråler, som vi forstår den dag i dag.

Den sidste del af EM-spektret blev opdaget i forbindelse med radioaktivitet. Henri Becquerel fandt, at uran salte forårsagede dug af et eksponerede fotografisk plade gennem et der dækker papir på en lignende måde for røntgenstråler, og Marie Curie opdagede, at kun visse elementer gav fra disse stråler af energi, snart opdage den intense stråling af radium. Strålingen fra begblende blev differentieret i alfa-stråler og beta stråler af Ernest Rutherford gennem simpel eksperimentering i 1899, men disse viste sig at blive opkrævet partikulære former for stråling. Men i 1900 den franske videnskabsmand Paul Villard opdagede en tredje neutralt ladet og især gennemtrængende type stråling fra radium, og efter at han beskrev det, Rutherford indset det skal være endnu en tredje type af stråling, som i 1903 Rutherford opkaldt gammastråler. I 1910 britiske fysiker William Henry Bragg viste, at gammastråler er elektromagnetisk stråling, ikke partikler, og i 1914 Rutherford og Edward Andrade målt deres bølgelængder, og fandt, at de var ens for røntgenstråler, men med kortere bølgelængder og højere frekvens, selv om der er en "cross-over" mellem X og gammastråler, så det er muligt at have røntgenstråler med en højere energi end gammastråler og vice versa. Det er oprindelsen af ​​stråle, der adskiller dem, gammastråler tendens til at være en naturlig fænomener, der stammer fra den ustabile kernen af ​​etn atom og røntgenstråler er elektrisk genereret medmindre de er som følge af bremsstrahlung røntgenstråling forårsaget af interaktionen af ​​hurtigt bevægende partikler kolliderer med visse materialer, sædvanligvis af højere atomnumre ..

Elektromagnetiske spektrum

Generelt er EM-stråling klassificeret af bølgelængde i radio, mikroovn, infrarød, synlige, ultraviolette, røntgenstråler, og gammastråler. Vilkårlige elektromagnetiske bølger kan altid udtrykkes ved Fourier-analyse i form af sinusformede bølger monokromatiske, hvilket igen kan hver klassificeres i disse regioner af EMR spektrum.

For visse klasser af EM bølger, er bølgeform mest hensigtsmæssigt behandles som tilfældig, og derefter spektralanalyse skal ske ved lidt forskellige matematiske teknikker passende til tilfældige eller stokastiske processer. I sådanne tilfælde er de enkelte frekvens komponenter repræsenteret i form af deres magt indhold og information fasen ikke bevaret. En sådan repræsentation kaldes power spectral density af tilfældig proces. Tilfældig elektromagnetisk stråling, der kræver denne form for analyse, for eksempel, stødt i det indre af stjerner, og på visse andre meget bredbånds former for stråling, såsom Zero-Point bølge inden for det elektromagnetiske vakuum.

Opførslen af ​​EM-stråling afhænger af dens frekvens. Lavere frekvenser har længere bølgelængder, og højere frekvenser har kortere bølgelængder, og er forbundet med fotoner med højere energi. Der er ikke nogen fundamental grænse kendt til disse bølgelængder eller energier, i hver ende af spektret, selv om fotoner med energier nær Planck energi eller overstiger det vil kræve nye fysiske teorier til at beskrive.

Lydbølgerne er ikke elektromagnetisk stråling. Ved den nedre ende af det elektromagnetiske spektrum, ca. 20 Hz til ca. 20 kHz, er frekvenser, der kan overvejes i frekvensområdet. Men elektromagnetiske bølger kan ikke direkte opfattes af det menneskelige øre. Lydbølger oscillerende sammenpresning af molekyler. At blive hørt, må elektromagnetisk stråling konverteres til trykbølger af væsken, hvor øret er placeret.

Radio- og mikroovn opvarmning og strømninger, og infrarød varme

Når EM-stråling vekselvirker med stof, dens opførsel ændrer sig kvalitativt som dens frekvens ændringer. Ved radio- og mikrobølgefrekvenser, EMR vekselvirker med stof stort set som en bulk opkrævning af afgifter, der er spredt ud over et stort antal berørte atomer. I elektriske ledere, såsom induceret bulk-bevægelse af afgifter resulterer i absorption af EPJ, ellers separationer af afgifter, der forårsager dannelse af nye EMR. Et eksempel er absorption eller emission af radiobølger af antenner, eller absorption af mikrobølger ved vand eller andre molekyler med en elektrisk dipolmoment, som for eksempel i en mikrobølgeovn. Disse interaktioner producerer enten elektrisk strøm eller varme eller begge dele. Infrarød EMR interagerer med dipoler til stede i enkelte molekyler, som ændrer som atomer vibrere ved enderne af en enkelt kemisk binding. Af denne grund er infrarød reflekteret af metaller, men absorberes af en lang række stoffer, får dem til at stige i temperatur som vibrationerne sprede varme. I den samme proces, bulk- stoffer udstråler i det infrarøde spontant.

Reversible og nonreversible molekylære ændringer fra synligt lys

Når frekvensen stiger i det synlige område, fotoner med EMR har nok energi til at ændre bindingen struktur nogle individuelle molekyler. Det er ikke et tilfælde, at det sker i "synlige område", som mekanismen af ​​synet involverer ændring i binding af et enkelt molekyle, som absorberer lys i rhodopsin nethinden i det menneskelige øje. Fotosyntese bliver muligt i dette område så godt, for lignende årsager, som et enkelt molekyle af klorofyl er ophidset af en enkelt foton. Dyr, der detekterer infrarød ikke anvende sådanne enkelt molekyle processer, men er tvunget til at gøre brug af små pakker af vand, som ændrer temperaturen, i det væsentlige termisk proces, der involverer mange fotoner. Af denne grund er infrarød, mikrobølgeovn og radiobølger menes at beskadige molekyler og biologiske væv kun ved bulk opvarmning, ikke excitering fra enkelte fotoner af strålingen.

Synligt lys er i stand til at påvirke et par molekyler med enkelte fotoner, men normalt ikke i en permanent eller skadelig måde, i fravær af strøm er høj nok til at øge temperaturen til skadelige niveauer. Men i plantevæv, der udøver fotosyntese, carotenoider virker ved at slukke elektronisk exciteret klorofyl produceret af synligt lys i en proces, der kaldes ikke-fotokemiske quenching, for at undgå reaktioner, der ellers ville interferere med fotosyntese ved høje lysniveauer. Der er også nogle tegn på, at begrænsede nogle reaktive oxygenspecies er skabt af synligt lys i huden, og at disse kan have en vis rolle i photoaging, på samme måde som ultraviolet A gør.

Molekylær skader fra ultraviolet

Som en foton vekselvirker med enkelte atomer og molekyler, effekten afhænger af mængden af ​​energi fotonen bærer. Som stigende frekvens uden synlige i det ultraviolette, fotoner nu bærer nok energi til at vække visse dobbelt bundne molekyler i permanent kemisk omlejring. Hvis disse molekyler er biologiske molekyler i DNA, dette medfører varig skade. DNA også indirekte beskadiget af reaktive oxygenarter fremstillet ved ultraviolet A, der har energi for lav til at beskadige DNA direkte. Dette er grunden til ultraviolet ved alle bølgelængder kan beskadige DNA og er i stand til at fremkalde kræft, og forbrænding af huden, der er langt værre end der frembringes af enkle opvarmningseffekter. Denne egenskab for at forårsage molekylære skader, der er langt ude af proportion med alle temperatur skiftende effekter, er karakteristisk for alle EMR med frekvenser på det synlige lys og derover. Disse egenskaber højfrekvente EMR skyldes kvantevirkninger som forårsager permanent skade på materialer og væv på enkelt molekylært niveau.

Ionisering og ekstreme former for molekylær skader fra røntgenstråler og gammastråler

Ved den øvre ende af det ultraviolette område, energien af ​​fotoner bliver stor nok til at give nok energi til elektroner til at få dem til at blive befriet fra atomet, i en proces kaldet photoionisation. Den energi, der kræves til dette er altid større end ca. 10 elektronvolt der svarer til bølgelængder mindre end 124 nm. Denne høje ende af det ultraviolette spektrum med energi i det omtrentlige ionisering rækkevidde, kaldes undertiden "ekstrem UV.".

Elektromagnetisk stråling sammensat af fotoner, der bærer mindst-ionisering energi eller flere ,, derfor betegnes ioniserende stråling .. elektromagnetisk type ioniserende stråling strækker sig fra den ekstreme ultraviolette til alle højere frekvenser og kortere bølgelængder, hvilket betyder, at alle X-stråler og gamma stråler ioniserende stråling. Disse er i stand til de mest alvorlige former for molekylær skade, som kan ske i biologi til enhver type biomolekyle, herunder mutation og kræft, og ofte på store dybder fra huden, idet den højere ende af røntgenspektret, og alle af gamma ray spektrum, der trænger igennem til noget. Det er denne form for skader, som forårsager disse former for stråling til at være særligt overvåges nøje på grund af deres fare, selv ved forholdsvis lav-energi, for alle levende organismer.

Formering og absorption i Jordens atmosfære og magnetosfære

De fleste elektromagnetiske bølger med højere frekvens end synligt lys blokeres af absorption først fra molekylær nitrogen, og derefter fra den elektroniske excitation af dioxygen, og endelig ozon ved mellemklassen UV. Kun 30% af solens ultraviolette lys når jorden, og næsten alt dette er ved enden af ​​UV-spektret i nærheden af ​​synligt lys, som ikke er blokeret af ozon og transmitteres godt. Synligt lys er også godt sendes i luften, da det ikke er energisk nok til at excitere nitrogen, oxygen eller ozon, men for energisk at excitere molekylære vibrationsfrekvenser af vandmolekyler i luft.

Nedenfor synligt lys, en række absorptionsbånd i det infrarøde skyldes former for vibrations excitation i vanddamp. Men ved energier for lave til at ophidse vanddamp atmosfæren bliver gennemsigtig igen, tillader fri overførsel af de fleste mikroovn og radiobølger.

Endelig ved radio bølgelængder længere end 10 meter eller så, luften i den nedre atmosfære forbliver transparent for radio, men plasma i visse lag af ionosfæren af ​​øvre Earth atmosfære begynder at interagere med radiobølger. Dette hotel tillader nogle længere bølgelængder afspejles og resulterer i længere kortbølgeradio, end der kan opnås ved line-of-sight. Imidlertid begynder visse ionosfæriske effekter blokere indgående radiobølger fra rummet, når deres frekvens er mindre end ca. 10 MHz.

Typer og kilder, klassificeret af spektralbånd

Se elektromagnetiske spektrum for detaljer

Radiobølger

Når EM stråling ved de frekvenser, for hvilke det er benævnt "radiobølger" indvirker på en leder, det kobles til lederen, bevæger sig langs det, og inducerer en elektrisk strøm på overfladen af ​​lederen ved at flytte elektronerne i den ledende materiale i korrelerede klaser af afgift. Sådanne virkninger kan omfatte makroskopiske afstande i ledere, da bølgelængden af ​​radiobølger er lang, af menneskelige skalaer. Radiobølger har således de mest åbenlyst "bølge-lignende" karakteristika for alle de typer af EMR, da deres bølger er så lang tid.

Mikrobølger

Infrarød

Synligt lys

Naturlige kilder producerer EM-stråling på tværs af spektret. EM-stråling med en bølgelængde på mellem ca. 400 nm og 700 nm er direkte detekteres af det menneskelige øje og opfattes som synligt lys. Andre bølgelængder, især nærliggende infrarøde og ultraviolette også undertiden benævnt lys, især når sigtbarheden til mennesker er ikke relevant.

Ultraviolet

Røntgenstråler

Gammastråler

Varmestråling og elektromagnetisk stråling som en form af varme

Den grundlæggende struktur af stof involverer ladede partikler bundet sammen på mange forskellige måder. Når elektromagnetisk stråling falder ind på spørgsmål, det forårsager de ladede partikler til at svinge og få energi. Det ultimative skæbne denne energi afhænger af situationen. Det kunne umiddelbart igen udstrålede og fremstår som spredte, afspejlede eller transmitteres stråling. Det kan også blive spredes til andre mikroskopiske bevægelser inden for området, kommer til termisk ligevægt og manifesterer sig som termisk energi i materialet. Med nogle få undtagelser i relation til højenergi fotoner, absorberede elektromagnetisk stråling simpelthen indskud sin energi ved at opvarme materialet. Det sker både for infrarød, mikroovn og radiobølger stråling. Intense radiobølger kan termisk brænde levende væv, og kan lave mad. Ud over infrarøde lasere, kan tilstrækkeligt intense synlige og ultraviolette lasere også let sætte papir i brand.

Ioniserende elektromagnetisk stråling skaber højhastighedstog elektroner i et materiale og bryder kemiske bindinger, men efter disse elektroner kolliderer mange gange med andre atomer i materialet til sidst det meste af energien nedjusteres til termisk energi; Hele denne proces sker i en lille brøkdel af et sekund. Denne proces gør ioniserende stråling langt farligere pr energienhed end ikke-ioniserende stråling. Denne advarsel gælder også for det ultraviolette spektrum, selv om næsten det hele ikke ioniserende, fordi UV kan beskadige molekyler på grund af elektronisk excitation, som er langt større pr energi end opvarmningsvirkninger producere.

Infrarød stråling i den spektrale fordeling af et sort legeme er normalt som en form af varme, da det har en tilsvarende temperatur, og er forbundet med en entropiændring pr termisk energi. Men ordet "varme" er en meget teknisk term i fysik og termodynamikken, og er ofte forveksles med termisk energi. Enhver form for elektromagnetisk energi kan omdannes til varmeenergi i samspil med stof. En hvilken som helst elektromagnetisk stråling kan "varme" et materiale, når det absorberes.

Den inverse eller tidsreverseret processen med absorption er ansvarlig for varmestråling. En stor del af den termiske energi i stof består af tilfældige bevægelse af ladede partikler, og denne energi kan udstråles fra sagen. Den resulterende stråling kan efterfølgende blive absorberet af et stykke stof, med det deponerede energi opvarmning af materialet. Varmestråling er en vigtig mekanisme for varmeoverføring.

Den elektromagnetiske stråling i en uigennemsigtig hulrum ved termisk ligevægt er reelt en form for termisk energi, der har maksimal stråling entropi.

Biologiske effekter

Virkningerne af elektromagnetisk stråling upon levende celler, herunder dem i mennesker, afhænger af magt og frekvensen af ​​strålingen. For lavfrekvent stråling de bedst forståede virkninger der skyldes strålingseffekt alene, der gennem effekten af ​​enkle opvarmning, når strålingen absorberes af cellen. For disse termiske virkninger, er det vigtigt at strålingens frekvens kun som den påvirker stråling indtrængen i organismen. I første omgang troede man, at lavfrekvensfelter der var for svag til at forårsage betydelig opvarmning umuligt kunne have nogen biologisk effekt.

På trods af denne opfattelse blandt forskere, har akkumuleret beviser, der understøtter eksistensen af ​​komplekse biologiske effekter af svagere ikke-termiske elektromagnetiske felter ,, og moduleret RF og mikrobølge felter. Grundlæggende mekanismer af interaktionen mellem biologisk materiale og elektromagnetiske felter på ikke-termiske niveauer er ikke fuldt forstået. Bioelectromagnetics er studiet af disse interaktioner og effekter.

WHO har klassificeret radiofrekvent elektromagnetisk stråling som en mulig gruppe 2b kræftfremkaldende. Denne gruppe indeholder mulige kræftfremkaldende stoffer med svagere beviser, på samme niveau som kaffe og bil udstødning. For eksempel har der været en række epidemiologiske undersøgelser af på udkig efter en sammenhæng mellem mobiltelefon brug og kræft i hjernen udvikling, som har været stort set resultatløse, gem til at demonstrere, at effekten, hvis den findes, kan ikke være en stor en. Se de vigtigste artiklen refereres ovenfor.

Ved højere frekvenser, virkningerne af de enkelte fotoner fra strålingen begynder at blive vigtig, da disse nu har nok energi individuelt direkte eller indirekte at skade biologiske molekyler. Alle frekvenser af UV-stråling er blevet klassificeret som Gruppe 1 kræftfremkaldende af World Health Organization. Ultraviolet stråling fra solen er den primære årsag til hudkræft.

Således ved UV frekvenser og højere, elektromagnetisk stråling gør langt mere skade på biologiske systemer end simpel opvarmning forudsiger. Dette er tydeligst i "langt" ultraviolet samt røntgen og gammastråling, benævnes ioniserende stråling på grund af evnen af ​​fotoner af denne stråling til at producere ioner og frie radikaler i materialer. Da en sådan stråling kan producere alvorlige skader på livet på kræfter, der producerer meget lidt varme, anses det langt farligere end resten af ​​det elektromagnetiske spektrum.

Afledning fra elektromagnetiske teori

Elektromagnetiske bølger som et generelt fænomen blev forudsagt af de klassiske love elektricitet og magnetisme, kendt som Maxwells ligninger. Inspektion af Maxwells ligninger uden kilder resulterer i, sammen med muligheden for noget sker, nontrivial opløsninger af skiftende elektriske og magnetiske felter. Begyndende med Maxwells ligninger i frit rum:

En løsning,

er trivielt.

For en mere anvendelig løsning, vi udnytter vektor identiteter, som arbejder for enhver vektor, som følger:

For at se, hvordan vi kan bruge denne, tage krølle af ligningen:

Evaluering af venstre side:

Vurdere højre side:

Ligninger og er lige, så det resulterer i en vektor-værdsat differentialligning for det elektriske felt, dvs.

Anvende en lignende resultater mønster i tilsvarende differentialligning for det magnetiske felt:

Disse differentialligninger svarer til den bølge ligning:

Eller mere enkelt:

Bemærk, at i tilfælde af de elektriske og magnetiske felter, hastigheden er:

Dette er lysets hastighed i vakuum. Maxwells ligninger forenet vakuumpermittivitet, vakuum permeabilitet, og hastigheden af ​​lyset selv, c0. Dette forhold er blevet opdaget af Wilhelm Eduard Weber og Rudolf Kohlrausch forud for udviklingen af ​​Maxwells elektrodynamik imidlertid Maxwell var den første til at producere et felt teori overensstemmelse med bølger, der bevæger sig med lysets hastighed.

Men disse er kun to ligninger og vi begyndte med fire, så der er stadig flere oplysninger vedrørende disse bølger skjult i Maxwells ligninger. Lad os betragte en generisk vektor bølge for det elektriske felt.

Her er den konstante amplitude, er en hvilken som helst anden differentiabel funktion, er en enhedsvektor i retning af formering, og det er en position vektor. Vi observerer, at er en generisk løsning på bølgeligningen. I andre ord

for et generisk bølge i retningen.

Denne formular vil tilfredsstille bølgeligningen, men vil det opfylde alle Maxwells ligninger, og med hvilke tilsvarende magnetfelt?

Den første af Maxwells ligninger betyder, at elektriske felt er vinkelret på retningen bølgen udbreder.

Den anden af ​​Maxwells ligninger giver magnetfeltet. De resterende ligninger vil blive tilfreds med dette valg af.

Ikke alene er de elektriske og magnetiske felt bølger i fjernfelt bevæger sig med lysets hastighed, men de har altid en særlig begrænset orientering og proportionale størrelser ,, som straks kan ses fra Poynting vektoren. Det elektriske felt, magnetisk felt og retningen for bølgeudbredelse er alle ortogonale, og bølgen udbreder sig i samme retning som. Også, E og B Far-felter i frit rum, der som bølge-løsninger afhænger primært på disse to Maxwell ligninger, er altid i fase med hinanden. Dette er sikret, da den generiske bølge opløsningen er af første orden i både tid og rum, og krøller operatør på den ene side af disse ligninger resulterer i førsteordens rumlige derivater af den bølge opløsning, mens tiden-derivat på den anden side af ligninger, som giver det andet felt, er af første orden i tid, hvilket resulterer i den samme faseforskydning for begge felter i hvert matematisk operation.

Set ud fra en elektromagnetisk bølge kørsel fremad, kan det elektriske felt oscillere op og ned, mens det magnetiske felt svinger til højre og venstre; men dette billede kan roteres med elektriske felt oscillerende højre og venstre magnetfeltet oscillerende ned og op. Dette er en anden løsning, der bevæger sig i samme retning. Denne vilkårlighed i orientering med hensyn til udbredelsesretningen er kendt som polarisering. På en kvante-niveau, er det beskrevet som foton polarisering. Retningen af ​​polarisering er defineret som retningen af ​​det elektriske felt.

Mere generelle former af de anden ordens bølge ligninger givet ovenfor er til rådighed, giver mulighed for både ikke-vakuum formering medier og kilder. Rigtig mange konkurrerende afledninger findes, alle med varierende niveauer af tilnærmelse og påtænkte anvendelse. Et meget generelt eksempel er en form af det elektriske felt ligning, som blev faktoriserede i et par udtrykkeligt retningsbestemte bølgeligninger, og derefter effektivt reduceres til en enkelt uni-directional bølgeligning ved hjælp af en simpel langsom evolution tilnærmelse.

  0   0
Forrige artikel Partition Bengalske
Næste artikel Anne Flournoy

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha