Izraz elektromagnetno valovanje opisuje način, kako se elektromagnetno sevanje (EMR) premika skozi vesolje. Različne oblike EMR se razlikujejo po valovnih dolžinah, ki se gibljejo od več jardov (metrov) do razdalje, manjše od premera atomskega jedra. Celoten obseg, v padajočem vrstnem redu valovne dolžine, sega od radijskih valov preko mikrovalov, vidne svetlobe, ultravijoličnih in rentgenskih žarkov do gama žarkov in je znan kot elektromagnetni spekter. Elektromagnetno valovanje ima veliko uporab, tako v znanosti kot v vsakdanjem življenju.
Svetlobni valovi
V mnogih pogledih se elektromagnetno valovanje obnaša podobno kot valovanje na vodi ali zvok, ki potuje skozi medij, kot je zrak. Na primer, če svetloba sije na zaslon skozi pregrado z dvema ozkima režama, se vidi vzorec svetlih in temnih črt. Temu pravimo interferenčni vzorec: tam, kjer se grebeni valov iz ene reže srečajo s tistimi iz druge, se okrepijo in tvorijo svetlo črto, kjer pa se greben sreča z koritom, se izničijo in pustijo temno črto. Svetloba se lahko tudi upogne okoli ovire, kot so oceanski lomi okoli pristaniške stene: to je znano kot difrakcija. Ti pojavi dokazujejo valovno naravo svetlobe.
Dolgo je veljalo, da mora svetloba, tako kot zvok, potovati skozi nekakšen medij. Temu so dali ime “eter”, včasih se piše “eter”, in je veljalo za neviden material, ki zapolnjuje prostor, a skozi katerega lahko trdni predmeti neovirano prehajajo. Poskusi, namenjeni zaznavanju etra po njegovem učinku na hitrost svetlobe v različnih smereh, niso našli nobenega dokaza za to in ideja je bila nazadnje zavrnjena. Očitno je bilo, da svetloba in druge oblike EMR ne potrebujejo nobenega medija in lahko potujejo skozi prazen prostor.
Valovna dolžina in frekvenca
Tako kot oceanski val ima tudi elektromagnetno valovanje vrhove in padce. Valovna dolžina je razdalja med dvema enakima točkama vala od cikla do cikla, na primer razdalja med enim vrhom ali vrhom in naslednjim. EMR lahko definiramo tudi glede na njegovo frekvenco, ki je število grebenov, ki gredo mimo v določenem časovnem intervalu. Vse oblike EMR potujejo z enako hitrostjo: s svetlobno hitrostjo. Zato je frekvenca v celoti odvisna od valovne dolžine: krajša kot je valovna dolžina, višja je frekvenca.
Energija
EMR pri krajši valovni dolžini ali višji frekvenci nosi več energije kot pri daljših valovnih dolžinah ali nižjih frekvencah. Energija, ki jo prenaša elektromagnetno valovanje, določa, kako vpliva na snov. Nizkofrekvenčni radijski valovi rahlo motijo atome in molekule, medtem ko mikrovalovi povzročijo, da se gibljejo močneje: material se segreje. Rentgenski žarki in gama žarki imajo veliko močnejši udarec: lahko razbijejo kemične vezi in izbijejo elektrone iz atomov, pri čemer tvorijo ione. Zaradi tega so opisani kot ionizirajoče sevanje.
Izvor elektromagnetnih valov
Razmerje med svetlobo in elektromagnetizmom je vzpostavil fizik James Clerk Maxwell v 19. stoletju. To je pripeljalo do študija elektrodinamike, v kateri se elektromagnetno valovanje, kot je svetloba, obravnava kot motnje ali “valovanje” v elektromagnetnem polju, ki nastane zaradi gibanja električno nabitih delcev. Za razliko od neobstoječega etra je elektromagnetno polje preprosto sfera vpliva nabitega delca in ne otipljiva, materialna stvar.
Kasnejše delo, v začetku 20. stoletja, je pokazalo, da ima EMR tudi lastnosti, podobne delcem. Delci, ki sestavljajo elektromagnetno sevanje, se imenujejo fotoni. Čeprav se zdi protislovno, se EMR lahko obnaša kot valovi ali kot delci, odvisno od vrste eksperimenta, ki se izvaja. To je znano kot dualnost valov-delec. Velja tudi za subatomske delce, cele atome in celo precej velike molekule, ki se včasih lahko obnašajo kot valovi.
Dvojnost valov in delcev se je pojavila, ko se je razvijala kvantna teorija. V skladu s to teorijo “val” predstavlja verjetnost, da najdemo delce, kot je foton, na dani lokaciji. Valovita narava delcev in delcem podobna narava valov sta povzročila veliko znanstvenih razprav in nekaj osupljivih idej, vendar ni splošnega soglasja o tem, kaj dejansko pomeni.
V kvantni teoriji se elektromagnetno sevanje proizvaja, ko subatomski delci sprostijo energijo. Na primer, elektron v atomu lahko absorbira energijo, vendar se mora sčasoma spustiti na nižjo energijsko raven in sprostiti energijo kot EMR. Glede na to, kako ga opazujemo, se lahko to sevanje pojavi kot delec ali elektromagnetno valovanje.
uporabljate
Veliko sodobne tehnologije je odvisno od elektromagnetnih valov. Radio, televizija, mobilni telefoni in internet se zanašajo na prenos radijske frekvence EMR po zračnih, vesoljskih ali optičnih kablih. Laserji, ki se uporabljajo za snemanje in predvajanje DVD-jev in avdio CD-jev, uporabljajo svetlobne valove za zapisovanje in branje z diskov. Rentgenski aparati so bistveno orodje v medicini in varnosti letališč. V znanosti naše znanje o vesolju v veliki meri izhaja iz analize svetlobe, radijskih valov in rentgenskih žarkov oddaljenih zvezd in galaksij.
Nevarnosti
Ne domneva se, da so elektromagnetni valovi nizke energije, kot so radijski valovi, škodljivi. Pri višjih energijah pa EMR predstavlja tveganje. Ionizirajoče sevanje, kot so rentgenski žarki in gama žarki, lahko ubijejo ali poškodujejo žive celice. Prav tako lahko spremenijo DNK, kar lahko povzroči raka. Tveganje za bolnike zaradi medicinskih rentgenskih žarkov velja za zanemarljivo, vendar radiografi, ki so jim redno izpostavljeni, nosijo svinčene predpasnike, ki jih rentgenski žarki ne morejo prodreti, da se zaščitijo. Ultravijolična svetloba, prisotna v sončni svetlobi, lahko povzroči sončne opekline in lahko povzroči tudi kožnega raka, če je izpostavljenost pretirana.