Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Η Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι εκπομπή στον χώρο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας υπό μορφή κυμάτων που ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι συγχρονισμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία τα οποία ταλαντώνονται σε κάθετα επίπεδα μεταξύ τους και κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης. Διαδίδονται στο κενό με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός (c=299.792.458 m/s) αλλά και μέσα στην ύλη με ταχύτητα λίγο μικρότερη απ' την ταχύτητα του φωτός. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία. Δημιουργούνται επίσης όταν ένα ηλεκτρόνιο κάποιου ατόμου χάνει μέρος της ενέργειάς του και μεταπίπτει σε χαμηλότερη τροχιά ή ενεργειακή στάθμη κοντά στον πυρήνα. Αυτό έχει ως συνέπεια να δημιουργηθεί μια ταλάντωση που διαδίδεται πλέον στο χώρο με τη μορφή ενός ταυτόχρονα ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Τα δύο αυτά πεδία είναι, αφενός μεν, κάθετα μεταξύ τους, αφετέρου και κάθετα με τη διεύθυνση διάδοσης του παραγόμενου κύματος, του λεγόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσκρούσει σε κάποιο άτομο τα δύο συνδυαζόμενα αυτού πεδία μπορούν να προσφέρουν μεταφερόμενη ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο με αποτέλεσμα να το εξαναγκάσουν να μεταπηδήσει αυτό σε ανώτερη ενεργειακή στάθμη, ή ακόμα και να το απελευθερώσει από το άτομο σε περίπτωση που βρίσκεται στην εξωτερική στοιβάδα (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).

 Το σύμπαν είναι διάχυτο από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το φως που εκπέμπεται από τα άστρα είναι μέρος του συνολικού φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που συναντάται στο σύμπαν. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ανάλογα με την συχνότητα, του μήκους των κυμάτων της και αντίστοιχα την ενέργεια που μεταφέρει χωρίζεται σε περιοχές. Αυτές είναι τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, οι υπέρυθρες ακτίνες, το ορατό φως, οι υπεριώδεις ακτίνες, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα. Όλες αυτές οι παραπάνω μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κινούνται (ταξιδεύουν) με την ταχύτητα φωτός και μπορούν ακόμη να διαπεράσουν και ορισμένα υλικά. Από το νόμο του Γκάους για το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, τον νόμο της επαγωγής του Φάραντεϊ και το νόμο του Αμπέρ συμπληρωμένο με έναν ακόμη όρο από τον Μάξγουελ που αφορά τη μεταβολή της ροής της ηλεκτρικής μετατόπισης μέσα από την επιφάνεια που περικλείει μια κλειστή γραμμή προκύπτουν οι τέσσερις εξισώσεις του Μάξγουελ. ∇ ⋅ D → = ρ f {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {D}}=\rho _{f}} ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} ∇ ⋅ B → = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {B}}=0} ∇ × H → = j → f + ∂ D → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {H}}={\vec {j}}_{f}+{\partial {\vec {D}} \over \partial t}} Όπου D → {\displaystyle ~{\vec {D}}~} η ηλεκτρική μετατόπιση, H → {\displaystyle ~{\vec {H}}~} η ένταση του μαγνητικού πεδίου, j → f {\displaystyle ~{\vec {j}}_{f}~} η πυκνότητα του ελεύθερου ρεύματος και ρ f {\displaystyle ~\rho _{f}~} η πυκνότητα όγκου των ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων. Σε περιοχές του χώρου όπου δεν υπάρχουν φορτία ή ρεύματα, οι εξισώσεις του Μάξγουελ γράφονται ως ∇ ⋅ E → = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {E}}=0} ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} ∇ ⋅ B → = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {B}}=0} ∇ × B → = μ 0 ϵ 0 ∂ E → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=\mu _{0}\epsilon _{0}{\partial {\vec {E}} \over \partial t}} όπου με E → {\displaystyle ~{\vec {E}}~} συμβολίζεται η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, με H → {\displaystyle ~{\vec {H}}~} η ένταση του μαγνητικού πεδίου, με B → {\displaystyle ~{\vec {B}}~} η μαγνητική επαγωγή και με ϵ 0 {\displaystyle ~\epsilon _{0}\,} και μ 0 {\displaystyle ~\mu _{0}\,} η ηλεκτρική και μαγνητική διαπερατότητα του κενού αντίστοιχα. Από τις εξισώσεις αυτές, και με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία και αποσύζευξη του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου, προκύπτουν οι σχέσεις ∇ 2 E → = ϵ 0 μ 0 ∂ 2 E → ∂ t 2 {\displaystyle \nabla ^{2}{\vec {E}}=\epsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial ^{2}{\vec {E}}}{\partial t^{2}}}} ∇ 2 B → = ϵ 0 μ 0 ∂ 2 B → ∂ t 2 {\displaystyle \nabla ^{2}{\vec {B}}=\epsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial ^{2}{\vec {B}}}{\partial t^{2}}}} οι οποίες έχουν τη μορφή κυματικής εξίσωσης, και περιγράφουν κύματα που κινούνται με ταχύτητα u = 1 μ 0 ϵ 0 = 3 , 00 ⋅ 10 8 {\displaystyle u={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}}}}=3,00\cdot 10^{8}} τιμή που ισούται ακριβώς με την ταχύτητα του φωτός. Οι βασικοί νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού προβλέπουν δηλαδή την ύπαρξη κυμάτων που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Κατά συνέπεια, σύμφωνα με τον ίδιο τον Μάξγουελ, είναι δύσκολο να αποφύγουμε το συμπέρασμα ότι το φως δεν είναι τίποτε άλλο παρά εγκάρσιοι κυματισμοί του ίδιου εκείνου μέσου που προκαλεί τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα, να δεχθούμε δηλαδή την ερμηνεία του φωτός ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Στο εσωτερικό της ύλης, αλλά σε περιοχές όπου δεν υπάρχουν ελεύθερα φορτία ή ελεύθερα ρεύματα με την υπόθεση δηλαδή πως το υλικό είναι μη αγώγιμο και ισότροπο τα ηλεκτρόνια είναι δεσμευμένα από τα άτομα του υλικού και όλες οι διευθύνσεις είναι ισοδύναμες. Αυτό πραγματοποιείται στα απλά ισότροπα υλικά διηλεκτρικά όπως είναι το γυαλί. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύουν οι σχέσεις: D → = ϵ E → {\displaystyle {\vec {D}}=\epsilon {\vec {E}}} H → = 1 μ B → {\displaystyle {\vec {H}}={\frac {1}{\mu }}{\vec {B}}} οι σχέσεις του Μάξγουελ γίνονται ∇ ⋅ E → = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {E}}=0} ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} ∇ ⋅ B → = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\vec {B}}=0} ∇ × B → = μ ϵ ∂ E → ∂ t {\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=\mu \epsilon {\partial {\vec {E}} \over \partial t}} .Η μόνη διαφορά των τελευταίων σχέσεων με αυτών στο κενό, είναι ότι η ποσότητα μ 0 ϵ 0 {\displaystyle \mu _{0}\epsilon _{0}\,} έχει αντικατασταθεί από το μ ϵ {\displaystyle \mu \epsilon \,} . Συνεπώς, σε ένα γραμμικό ομογενές υλικό τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με ταχύτητα u = 1 μ ϵ {\displaystyle u={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}} που είναι πάντα μικρότερη από αυτή του φωτός. Ηλεκτρόνιο Ηλεκτροοπτική Θερμική ακτινοβολία