Elektromagnetiese bestraling - World Encyclopedia - Ek wil alles weet - 2020
Elektromagnetiese uitstraling (EM-bestraling of EMR) neem die vorm aan van self-voortplantende golwe in 'n vakuum of in materie. EM-bestraling het sowel elektriese as magnetiese veldkomponente wat in fase loodreg op mekaar en in die rigting van energie-voortplanting swaai. Dit dra energie en momentum, wat oorgedra kan word wanneer dit met materie in wisselwerking is.
Elektromagnetiese straling word in verskillende soorte onderverdeel volgens die frekwensie van die golf. Hierdie tipes sluit (in volgorde van toenemende frekwensie) in: radiogolwe, mikrogolwe, terahertz-bestraling, infrarooi bestraling, sigbare lig, ultravioletstraling, X-strale en gammastrale. Daarvan het radiogolwe die langste golflengtes en gammastrale het die kortste. 'N Klein raam van frekwensies, wat die sigbare spektrum of lig genoem word, word deur die oog van verskillende organismes waargeneem, met variasies van die grense van hierdie nou spektrum.
Toon drie elektromagnetiese modusse (blou, groen en rooi) met 'n afstandskaal in mikron langs die x-as.
Elektromagnetiese golwe is eers deur James Clerk Maxwell gepostuleer en daarna deur Heinrich Hertz bevestig. Maxwell het 'n golfvorm afgelei van die elektriese en magnetiese vergelykings, wat die golfagtige aard van elektriese en magnetiese velde openbaar, en hul simmetrie. Omdat die spoed van EM-golwe wat deur die golfvergelyking voorspel is, saamval met die gemete spoed van lig, het Maxwell die gevolgtrekking gemaak dat lig self 'n EM-golf is.
Volgens Maxwell se vergelykings genereer 'n tydveranderlike elektriese veld 'n magnetiese veld en andersom. As 'n ossillerende elektriese veld dus 'n ossilerende magnetiese veld opwek, genereer die magnetiese veld op sy beurt weer 'n ossillerende elektriese veld, ensovoorts. Hierdie ossillerende velde vorm saam 'n elektromagnetiese golf.
'N Kwantieteorie van die interaksie tussen elektromagnetiese straling en materie soos elektrone word deur die teorie van kwantumelektrodinamika beskryf.
Elektromagnetiese golwe kan voorgestel word as 'n self-voortplantende dwars ossillerende golf van elektriese en magnetiese velde. Hierdie diagram toon 'n vlak lineêr gepolariseerde golf wat van regs na links voortplant. Die elektriese veld is in 'n vertikale vlak, die magneetveld in 'n horisontale vlak.
Elektriese en magnetiese velde gehoorsaam die eienskappe van superposisie, dus velde as gevolg van bepaalde deeltjies of tydsveranderende elektriese of magnetiese velde dra by tot die velde as gevolg van ander oorsake. (Aangesien hierdie velde vektorvelde is, voeg alle magnetiese en elektriese veldvektore saam volgens vektoroptelling.) Hierdie eienskappe veroorsaak verskillende verskynsels, waaronder breking en diffraksie. Byvoorbeeld, 'n bewegende EM-golfvoorval op 'n atoomstruktuur veroorsaak ossillasie in die atome, waardeur hulle hul eie EM-golwe uitstraal. Hierdie uitstoot verander dan die indringende golf deur interferensie.
Aangesien lig 'n ossillasie is, word dit nie beïnvloed deur deur statiese elektriese of magnetiese velde in 'n lineêre medium soos 'n vakuum te beweeg nie. In nie-lineêre media, soos sommige kristalle, kan interaksies tussen ligte en statiese elektriese en magnetiese velde plaasvind - hierdie interaksies sluit die Faraday-effek en die Kerr-effek in.
By breking verander 'n golfkruising van een medium na 'n ander met verskillende digtheid sy snelheid en rigting by die betreding van die nuwe medium. Die verhouding van die brekingsindekse van die media bepaal die mate van breking, en word saamgevat deur die wet van Snell. Lig versprei na 'n sigbare spektrum, aangesien lig deur 'n prisma geskyn word as gevolg van die golflengteafhanklike brekingsindeks van die prisma-materiaal (Dispersie).
Die fisika van elektromagnetiese straling is elektrodinamika, 'n subveld van elektromagnetisme.
EM-straling vertoon terselfdertyd golweienskappe en deeltjie-eienskappe (sien golf-deeltjie-dualiteit). Die golfeienskappe is duideliker as EM-bestraling gemeet word oor relatiewe groot tydskale en oor groot afstande, en die deeltjie-eienskappe is duideliker wanneer u klein afstande en tydskale meet. Albei eienskappe is in 'n groot aantal eksperimente bevestig.
Daar is eksperimente waarin die golf- en deeltjie-aard van elektromagnetiese golwe in dieselfde eksperiment voorkom, soos die diffraksie van 'n enkele foton. As 'n enkele foton deur twee splete gestuur word, gaan dit deur albei wat deur homself inmeng, soos golwe ook al, maar word dit slegs een keer deur 'n fotomultiplikator of 'n ander sensitiewe detektor opgespoor. Soortgelyke selfinterferensie word waargeneem wanneer 'n enkele foton in 'n Michelson-interferometer of ander interferometers gestuur word.
Vertoon wit lig wat in verskillende frekwensiegolwe geskei word.
'N Belangrike aspek van die aard van lig is frekwensie. Die frekwensie van 'n golf is die snelheid van ossillasie en word gemeet in hertz, die SI-eenheid van frekwensie, waar een hertz gelyk is aan een ossillasie per sekonde. Lig het gewoonlik 'n spektrum van frekwensies wat saamvat om die resulterende golf te vorm. Verskillende frekwensies ondergaan verskillende brekingshoeke.
'N Golf bestaan ​​uit opeenvolgende trogies en kruine, en die afstand tussen twee aangrensende kruine of trogies word die golflengte genoem. Golwe van die elektromagnetiese spektrum wissel in grootte, van baie lang radiogolwe, die grootte van geboue tot baie kort gammastrale kleiner as atoomkerne. Frekwensie is omgekeerd eweredig aan die golflengte volgens die vergelyking:
waar v is die spoed van die golf (c in 'n vakuum, of minder in ander media), f is die frekwensie en λ is die golflengte. As golwe grense tussen verskillende media oorsteek, verander hul snelheid, maar hul frekwensies bly konstant.
Interferensie is die superposisie van twee of meer golwe wat lei tot 'n nuwe golfpatroon. As die velde komponente in dieselfde rigting het, beïnvloed hulle konstruktief, terwyl teenoorgestelde rigtings vernietigende interferensie veroorsaak.
Die energie in elektromagnetiese golwe word soms stralingsenergie genoem.
Omdat energie van 'n EM-golf gekwantifiseer word, bestaan ​​'n golf in die deeltjie-model van EM-bestraling uit afsonderlike pakkies energie, of kwanta, genaamd fotone. Die frekwensie van die golf is eweredig aan die grootte van die deeltjie se energie. Omdat fotone ook deur gelaaide deeltjies vrygestel en geabsorbeer word, dien hulle as energie-transporteerders. Die energie per foton kan bereken word deur Planck se vergelyking:
waar E is die energie, h is Planck se konstante, en f is frekwensie. Hierdie foton-energie-uitdrukking is 'n spesifieke geval van die energievlakke van die meer algemene elektromagnetiese ossillator Daar kan getoon word dat die gemiddelde energie, wat gebruik word om die stralingswet van Planck te bekom, skerp verskil van die wat voorspel word deur die toerustingbeginsel by lae temperatuur, waardeur 'n mislukking van die uitrusting weens kwantumeffekte by lae temperatuur bepaal word1.
Aangesien 'n foton deur 'n atoom opgeneem word, is dit 'n elektron wat dit tot 'n hoër energievlak verhoog. As die energie groot genoeg is, sodat die elektron tot 'n hoog genoeg energievlak spring, kan dit die positiewe trek van die kern vryspring en word dit vrygestel van die atoom in 'n proses genaamd foto-ionisasie. Omgekeerd, stuur 'n elektron wat na 'n laer energievlak in 'n atoom daal, 'n foton van lig uit wat gelyk is aan die energieverskil. Aangesien die energievlakke van elektrone in atome afsonderlik is, word die elemente eie karakteristieke frekwensies vrygestel en geabsorbeer.
Gesamentlik verklaar hierdie effekte die absorpsiespektra van lig. Die donker bande in die spektrum is te wyte aan die atome in die tussenliggende medium wat verskillende frekwensies van die lig absorbeer. Die samestelling van die medium waardeur die lig beweeg bepaal die aard van die absorpsiespektrum. Donker bande in die lig wat deur 'n ster afgelei word, is byvoorbeeld te wyte aan die atome in die ster se atmosfeer. Hierdie bande stem ooreen met die toegelate energievlakke in die atome. 'N Soortgelyke verskynsel kom voor emissie voor. Soos die elektrone na laer energievlakke daal, word 'n spektrum vrygestel wat die spronge tussen die energievlakke van die elektrone voorstel. Dit word gemanifesteer in die emissiespektrum van newels. Vandag gebruik wetenskaplikes hierdie verskynsel om te bepaal uit watter elemente 'n sekere ster bestaan. Dit word ook gebruik om die afstand van 'n ster te bepaal met behulp van die sogenaamde rooi skuif.
Elke elektriese lading wat versnel, of enige veranderende magnetiese veld, produseer elektromagnetiese straling. Elektromagnetiese inligting oor die lading beweeg teen die snelheid van die lig. Akkurate behandeling bevat dus 'n konsep bekend as vertraagde tyd (in teenstelling met gevorderde tyd, wat onfisies is in die lig van oorsaaklikheid), wat bydra tot die uitdrukkings vir die elektrodinamiese elektriese veld en magneetveld. Hierdie ekstra bepalings is verantwoordelik vir elektromagnetiese bestraling. Wanneer enige draad (of ander geleidende voorwerp soos 'n antenna) wisselstroom gelei, word elektromagnetiese straling op dieselfde frekwensie as die elektriese stroom voortgeplant. Afhangend van die omstandighede, kan dit optree as 'n golf of as deeltjies. As 'n golf word dit gekenmerk deur 'n snelheid (die spoed van lig), golflengte en frekwensie. As dit as deeltjies beskou word, staan ​​dit bekend as fotone, en elkeen het 'n energie wat verband hou met die frekwensie van die golf wat deur Planck se verhouding gegee word. E = hν, waar E is die energie van die foton, h = 6.626 × 10-34 J • s is Planck se konstante, en ν is die frekwensie van die golf.
Een reël word altyd nagekom, ongeag die omstandighede: EM-bestraling in 'n vakuum beweeg altyd teen die snelheid van die lig, relatief tot die waarnemer, ongeag die snelheid van die waarnemer. (Hierdie waarneming het gelei tot die ontwikkeling van Albert Einstein van die teorie van spesiale relatiwiteit.)
Afhangend van frekwensie en toediening word snelheidsfaktor of brekingsindeks in 'n medium (anders as vakuum) oorweeg. Albei is verhoudings van die snelheid in 'n medium tot snelheid in 'n vakuum.
Hoofartikel: Elektromagnetiese spektrum Elektromagnetiese spektrum met lig uitgelig legende:
_ = Gamma-strale
HX = Harde X-strale
SX = sagte X-strale
EUV = Uiterste ultraviolet
NUV = Naby ultraviolet
NIR = Naby infrarooi
MIR = Matig infrarooi
FIR = Ver infrarooi
EHF = Uiters hoë frekwensie (mikrogolwe)
SHF = Super hoë frekwensie (mikrogolwe)
UHF = Ultrahoge frekwensie (mikrogolwe)
VHF = Baie hoë frekwensie
HF = Hoë ​​frekwensie
MF = Medium frekwensie
LF = Lae frekwensie
VLF = Baie lae frekwensie
VF = Stemfrekwensie
ELF = Uiters lae frekwensie
Oor die algemeen word EM-straling volgens golflengte geklassifiseer in elektriese energie, radio, mikrogolf, infrarooi, die sigbare gebied wat ons as lig-, ultraviolet-, X-strale en gammastrale sien.
Die gedrag van EM-straling hang af van die golflengte. Hoër frekwensies het korter golflengtes, en laer frekwensies het langer golflengtes. Wanneer EM-straling met enkel atome en molekules in wisselwerking is, hang die gedrag daarvan af van die hoeveelheid energie per kwantum wat dit dra. Spektroskopie kan 'n veel groter gebied van die EM-spektrum opspoor as die sigbare omvang van 400 nm tot 700 nm. 'N Algemene laboratoriumspektroskoop kan golflengtes van 2 nm tot 2500 nm opspoor. Gedetailleerde inligting oor die fisiese eienskappe van voorwerpe, gasse of selfs sterre kan op hierdie tipe apparaat verkry word. Dit word wyd gebruik in astrofisika. Waterstofatome stuur byvoorbeeld radiogolwe met 'n golflengte van 21,12 cm uit.
EM-bestraling met 'n golflengte tussen ongeveer 400 nm en 700 nm word deur die menslike oog waargeneem en as sigbare lig gesien. Ander golflengtes, veral infrarooi naby (langer as 700 nm) en ultraviolet (korter as 400 nm), word ook soms lig genoem, veral as die sigbaarheid vir mense nie relevant is nie.
As bestraling met 'n frekwensie in die sigbare gebied van die EM-spektrum weerkaats van 'n voorwerp, byvoorbeeld, 'n bak met vrugte, en dan ons oë tref, lei dit tot ons visuele persepsie van die toneel. Ons visuele sisteem van ons brein verwerk die veelheid van gereflekteerde frekwensies in verskillende skakerings en skakerings, en deur hierdie nie-heeltemal verstaanbare psigofisiese verskynsel, sien die meeste mense 'n bak vrugte.
Op die meeste golflengtes word die inligting wat deur elektromagnetiese straling oorgedra word nie direk deur menslike sintuie opgespoor nie. Natuurlike bronne produseer EM-straling oor die hele spektrum, en ons tegnologie kan ook 'n wye verskeidenheid golflengtes manipuleer. Optiese vesel stuur lig uit wat, hoewel dit nie geskik is vir direkte besigtiging nie, data kan bevat wat vertaal kan word na klank of 'n beeld. Die kodering wat in sulke data gebruik word, is soortgelyk aan dié wat met radiogolwe gebruik word.
Radiogolwe kan gemaak word om inligting te dra deur 'n kombinasie van die amplitude, frekwensie en fase van die golf binne 'n frekwensieband te wissel.
Wanneer EM-straling 'n geleier beïnvloed, koppel dit aan die geleier, beweeg dit langs en induceer 'n elektriese stroom op die oppervlak van die geleier deur die elektrone van die geleidende materiaal op te wek. Hierdie effek (die veleffek) word in antennas gebruik. EM-straling kan ook veroorsaak dat sekere molekules energie opneem en sodoende opwarm; dit word in mikrogolfoonde ontgin.
Elektromagnetiese golwe as 'n algemene verskynsel is voorspel deur die klassieke wette van elektrisiteit en magnetisme, bekend as Maxwell se vergelykings. As u Maxwell se vergelykings sonder bronne (ladings of strome) inspekteer, sal u vind dat die teorie, tesame met die moontlikheid dat niks gebeur nie, nie-triviale oplossings van veranderende elektriese en magnetiese velde sal toelaat. Begin met Maxwell se vergelykings vir vrye ruimte:
waar is 'n vektordifferensiaaloperateur (sien Del).
Om die interessanter een te sien, gebruik ons ​​vektoridentiteite, wat vir enige vektor werk, soos volg:
Om te sien hoe ons dit kan gebruik, neem die krul van vergelyking (2):
Evaluering van die linkerkant:
waar ons bogenoemde vereenvoudig het deur vergelyking (1) te gebruik.
Evalueer die regterkant:
Vergelykings (6) en (7) is gelyk, dus lei dit tot 'n vektorwaardeerde differensiaalvergelyking vir die elektriese veld, naamlik
Die toepassing van 'n soortgelyke patroon lei tot 'n soortgelyke differensiaalvergelyking vir die magneetveld:
Hierdie differensiaalvergelykings is gelyk aan die golfvergelyking:
waarc0 is die snelheid van die golf in vrye ruimte en
f beskryf 'n verplasing
waar is d'Alembertian:
Let op dat die elektriese en magnetiese velde die snelheid is:
Wat, soos dit blyk, die snelheid van lig in die vrye ruimte is. Maxwell se vergelykings het die permitiwiteit van vrye ruimte verenig , die deurlaatbaarheid van vrye ruimte , en die spoed van lig self, c0. Voor hierdie afleiding was dit nie bekend dat daar so 'n sterk verband tussen lig en elektrisiteit en magnetisme bestaan ​​nie.
Maar dit is slegs twee vergelykings, en ons het met vier begin, so daar is nog meer inligting rakende hierdie golwe wat in Maxwell se vergelykings versteek is. Kom ons kyk na 'n generiese vektorgolf vir die elektriese veld.
hier is die konstante amplitude, is enige tweede onderskeibare funksie, is 'n eenheidsvektor in die voortplantingsrigting, en is 'n posisievector. Ons neem dit waar is 'n generiese oplossing vir die golfvergelyking. Met ander woorde
vir 'n generiese golf wat in die rigting.
Hierdie vorm sal die golfvergelyking bevredig, maar sal dit alle Maxwell se vergelykings bevredig, en met watter ooreenstemmende magneetveld?
Die eerste van Maxwell se vergelykings impliseer dat die elektriese veld ortogonaal is in die rigting wat die golf uitbrei.
Die tweede van Maxwell se vergelykings lewer die magneetveld op. Die oorblywende vergelykings sal bevredig word deur hierdie keuse van .
Nie net beweeg die elektriese en magnetiese veldgolwe met die snelheid van die lig nie, maar hulle het 'n spesiale beperkte oriëntasie en eweredige groottes, , wat onmiddellik vanaf die Poynting-vektor gesien kan word. Die elektriese veld, magneetveld en die rigting van golfvermeerdering is almal ortogonaal, en die golf propageer in dieselfde rigting as .
Vanuit die siening van 'n elektromagnetiese golf wat vorentoe beweeg, kan die elektriese veld op en af ​​swaai, terwyl die magneetveld na links en regs beweeg; maar hierdie prent kan gedraai word met die elektriese veld wat regs en links swaai en die magneetveld op en af ​​swaai. Dit is 'n ander oplossing wat in dieselfde rigting beweeg. Hierdie willekeur in die oriëntasie ten opsigte van voortplantingsrigting staan ​​bekend as polarisasie.
↑ L. Vu-Quoc, 2008, Configuration integral (statistiese meganika). clesm.mae.ufl.edu. 15 Februarie 2009 herwin.
Hecht, Eugene. 2002. Optics, 4de uitg. Reading, MA: Addison-Wesley. ISBN 0805385665.
Jackson, John David. 1975. Klassieke elektrodinamika, 2de uitg. New York, NY: Wiley. ISBN 047143132X.
Reitz, John, Frederick Milford, en Robert Christy. 1993. Grondslae van die elektromagnetiese teorie, 4de uitg. Reading, MA: Addison-Wesley Pub. Co. ISBN 0201526247.
Serway, Raymond A., en John W. Jewett. 2004. Fisika vir wetenskaplikes en ingenieurs, 6de uitg. Belmont, CA: Thomson-Brooks / Cole. ISBN 0534408427.
Taflove, Allen en Susan C. Hagness. 2005. Berekeningselektrodinamika: die eind-verskil tyd-domein metode, 3de uitg. Boston, MA: Artech House. ISBN 1580538320.
Tipler, Paul, en Gene Mosca. 2004. Fisika vir wetenskaplikes en ingenieurs: elektrisiteit, magnetisme, lig en elementêre moderne fisika, 5de uitg. New York, NY: W.H. Freeman. ISBN 0716708108.