Elektromagnetna energija je večini ljudi znana kot svetloba in toplota, vendar ima lahko številne druge oblike, kot so radijski valovi in rentgenski žarki. To so vse vrste sevanja, ki izvirajo iz elektromagnetne sile, ki je odgovorna za vse električne in magnetne pojave. Sevanje potuje s svetlobno hitrostjo na način, ki je podoben valovom.
Za razliko od zvočnih valov, elektromagnetni valovi ne potrebujejo medija, skozi katerega se premikajo, in lahko potujejo po praznem prostoru. Dolžina vala se lahko spreminja od sto jardov (metrov) do subatomskih lestvic. Celoten obseg valovnih dolžin je znan kot elektromagnetni spekter, katerega vidna svetloba predstavlja le majhen del. Kljub opaženemu valovitemu značaju elektromagnetnega sevanja (EMR), se lahko tudi obnaša, kot da je sestavljeno iz drobnih delcev, znanih kot fotoni.
Svetloba, elektrika in magnetizem
Povezavo med svetlobo in elektromagnetizmom je v 19. stoletju razkrilo delo fizika Jamesa Clerka Maxwella o električnih in magnetnih poljih. Z uporabo enačb, ki jih je razvil, je ugotovil, da je hitrost, s katero se polja premikajo skozi vesolje, natanko hitrost svetlobe, in zaključil, da je svetloba motnja teh polj, ki potujejo v obliki valov. Njegove enačbe so pokazale tudi, da so možne tudi druge oblike EMR z daljšimi in krajšimi valovnimi dolžinami; te so bile kasneje identificirane. Maxwellove ugotovitve so dale povod za študij elektrodinamike, po kateri je EMR sestavljen iz nihajočih električnih in magnetnih polj pod pravim kotom drug na drugega in na smer gibanja. To je razložilo valovno naravo svetlobe, kot so opazili v številnih poskusih.
Valovna dolžina, frekvenca in energija
Elektromagnetno sevanje lahko opišemo v smislu njegove valovne dolžine — razdalje med vrhovi valov — ali njegove frekvence — števila vrhov, ki preidejo mimo fiksne točke v določenem časovnem intervalu. Ko se premikate skozi vakuum, EMR vedno potuje s svetlobno hitrostjo; zato se hitrost, s katero grebeni potujejo, ne spreminja in je frekvenca odvisna samo od dolžine vala. Krajša valovna dolžina kaže višjo frekvenco in višjo energijo. To pomeni, da visokoenergetski gama žarki ne potujejo hitreje kot nizkoenergijski radijski valovi; namesto tega imajo veliko krajše valovne dolžine in veliko višje frekvence.
Dvojnost val-delec
Elektrodinamika je bila zelo uspešna pri opisovanju elektromagnetne energije v smislu polj in valov, toda v začetku 20. stoletja je raziskava fotoelektričnega učinka, ki jo je izvedel Albert Einstein, pri kateri svetloba odstranjuje elektrone s kovinske površine, povzročila problem. Ugotovil je, da je energija elektronov v celoti odvisna od frekvence in ne od jakosti svetlobe. Povečanje frekvence je povzročilo elektrone z večjo energijo, vendar povečanje svetlosti ni povzročilo razlike. Rezultate bi lahko razložili le, če bi svetlobo sestavljali diskretni delci – kasneje imenovani fotoni -, ki so svojo energijo prenesli na elektrone. To je ustvarilo uganko: opazovano v velikih merilih, se EMR obnaša kot valovi, vendar je njegove interakcije s snovjo v najmanjših merilih mogoče razložiti le z delci.
To je znano kot dualnost valov-delec. Pojavila se je med razvojem kvantne teorije in velja za vse na subatomski lestvici; elektroni, na primer, se lahko obnašajo kot valovi in tudi kot delci. Med znanstveniki ni splošnega soglasja o tem, kaj ta dvojnost dejansko pomeni o naravi elektromagnetne energije.
Kvantna elektrodinamika
Sčasoma se je pojavila nova teorija, znana kot kvantna elektrodinamika (QED), ki je razložila obnašanje EMR, podobno delcem. Glede na QED so fotoni delci, ki nosijo elektromagnetno silo, interakcije električno nabitih predmetov pa so razložene v smislu proizvodnje in absorpcije teh delcev, ki sami po sebi nimajo naboja. QED velja za eno najuspešnejših teorij, ki so jih kdaj razvili.
Kako se proizvaja elektromagnetna energija
Klasična elektrodinamika je opisovala proizvodnjo EMR v smislu gibanja električnih nabojev, vendar sodobnejša razlaga – v skladu s kvantno teorijo – temelji na ideji, da lahko subatomski delci, iz katerih je sestavljena snov, zasedajo le določene fiksne energetske ravni. Elektromagnetno sevanje se sprosti s prehodom iz višjega energijskega stanja v nižje. Prepuščena sama sebi bo materija vedno poskušala doseči najnižjo raven energije.
EMR lahko nastane, ko snov začasno absorbira energijo – na primer, ko se segreje – nato pa jo sprosti, da pade na nižjo raven. Nižje energijsko stanje je mogoče doseči tudi, ko se atomi ali molekule združijo med seboj v kemični reakciji. Zgorevanje je znan primer: običajno se molekula združi s kisikom iz zraka in tvori produkte, ki imajo skupaj manj energije kot prvotna molekula. To povzroči, da se elektromagnetna energija sprosti v obliki plamena.
V Sončevem jedru se štiri vodikova jedra v nizu korakov združijo, da tvorijo helijevo jedro, ki ima nekoliko manjšo maso in zato manj energije. Ta proces je znan kot jedrska fuzija. Odvečna energija se sprosti kot visokofrekvenčni gama žarki, ki jih absorbira snov naprej, ki nato to energijo oddaja, večinoma v obliki vidne svetlobe in toplote.
Elektromagnetna energija, življenje in tehnologija
Sončna energija je ključnega pomena za življenje na Zemlji. Sončna svetloba segreva zemeljsko površino, ta pa segreva ozračje, ohranja temperature, primerne za življenje, in poganja vremenske sisteme planeta. Rastline uporabljajo sončno elektromagnetno energijo za fotosintezo, metodo, s katero proizvajajo hrano. Sončna energija se pretvori v kemično energijo, ki poganja procese, ki rastlinam omogočajo, da iz ogljikovega dioksida in vode proizvajajo glukozo, ki jo potrebujejo za preživetje. Stranski produkt te reakcije je kisik, zato je fotosinteza odgovorna za vzdrževanje ravni kisika na planetu.
Večina oblik tehnologije se v veliki meri zanaša na elektromagnetno energijo. Industrijsko revolucijo je poganjala toplota, ki je nastala pri zgorevanju fosilnih goriv, v zadnjem času pa se je sončno sevanje uporabljalo neposredno za zagotavljanje “čiste” in obnovljive energije. Sodobna komunikacija, oddajanje in internet so močno odvisni od radijskih valov in svetlobe, ki se usmerja po optičnih kablih. Laserska tehnologija uporablja svetlobo za branje in zapisovanje na CD-je in DVD-je. Večina tega, kar znanstveniki vedo o vesolju, izhaja iz analize EMR različnih valovnih dolžin oddaljenih zvezd in galaksij.
Učinki na zdravje
Visokofrekvenčna EMR, kot so žarki gama, rentgenski žarki in ultravijolična svetloba, nosijo dovolj energije, da povzročijo kemične spremembe v bioloških molekulah. Lahko prekine kemične vezi ali odstrani elektrone iz atomov, pri čemer tvori ione. To lahko poškoduje celice in spremeni DNK, kar poveča tveganje za raka. Izražena je bila tudi zaskrbljenost glede zdravstvenih učinkov nižje frekvenčnih elektromagnetnih valov, kot so radijski valovi in mikrovalovne pečice, ki jih uporabljajo mobilni telefoni in druge komunikacijske naprave. Čeprav se zdi, da te oblike sevanja nimajo neposrednega vpliva na kemijo življenja, lahko povzročijo segrevanje tkiva na lokaliziranih območjih ob daljši izpostavljenosti. Zaenkrat se zdi, da ni nobenih prepričljivih dokazov, da bi lahko zaradi tega ljudje zboleli.