Co je elektromagnetická vlna?

Termín elektromagnetická vlna popisuje způsob, jakým se elektromagnetické záření (EMR) pohybuje vesmírem. Různé formy EMR se vyznačují vlnovými délkami, které se liší od mnoha yardů (metrů) do vzdálenosti menší než je průměr atomového jádra. Celý rozsah, v sestupném pořadí vlnových délek, přechází od rádiových vln přes mikrovlny, viditelné světlo, ultrafialové a rentgenové záření k gama paprskům a je známý jako elektromagnetické spektrum. Elektromagnetické vlny mají mnoho aplikací jak ve vědě, tak v každodenním životě.

Světelné vlny

V mnoha ohledech se elektromagnetická vlna chová podobně jako vlnky na vodě nebo ke zvuku, který cestuje prostředím, jako je vzduch. Například, pokud světlo září na obrazovku skrz bariéru se dvěma úzkými štěrbinami, je vidět vzor světla a tmavých pruhů. Tomu se říká interferenční vzorec: kde se vrcholy vln z jedné štěrbiny setkávají s vlnami od druhé, navzájem se zesilují a vytvářejí jasný pruh, ale pokud se hřeben setkává se žlabem, zruší se a zanechají tmavý pruh. Světlo se také může ohýbat kolem překážky, jako jsou ocelové kladiva kolem přístavní zdi: toto je známé jako difrakce. Tyto jevy poskytují důkaz vlnové povahy světla.

Dlouho se předpokládalo, že stejně jako zvuk musí světlo projít nějakým druhem média. Toto bylo pojmenováno „éter“, někdy označované jako „éter“, a mělo se za to, že je neviditelným materiálem, který vyplňuje prostor, ale skrze který mohou pevné předměty procházet bez omezení. Experimenty navržené k detekci éteru jeho účinkem na rychlost světla v různých směrech pro všechny nedokázaly najít žádný důkaz pro to, a nápad byl nakonec odmítnut. Bylo zřejmé, že světlo a další formy EMR nevyžadují žádné médium a mohou cestovat prázdným prostorem.

Vlnová délka a frekvence

Stejně jako mořská vlna má elektromagnetická vlna vrcholy a žlaby. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma identickými body vlny od cyklu k cyklu, například vzdálenost mezi jedním vrcholem nebo vrcholem a dalším. EMR lze také definovat z hlediska jeho frekvence, což je počet hřebenů, které projdou v daném časovém intervalu. Všechny formy EMR cestují stejnou rychlostí: rychlost světla. Proto frekvence závisí zcela na vlnové délce: čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je frekvence.

Energie

Kratší vlnová délka nebo vyšší frekvence, EMR nese více energie než delší vlnové délky nebo nižší frekvence. Energie nesená elektromagnetickou vlnou určuje, jak ovlivňuje hmotu. Nízkofrekvenční rádiové vlny mírně narušují atomy a molekuly, zatímco mikrovlny způsobují, že se pohybují energičtěji: materiál se zahřívá. Rentgenové paprsky a gama paprsky sbírají mnohem víc punčů: mohou rozbít chemické vazby a klepat elektrony z atomů a vytvářet ionty. Z tohoto důvodu jsou popisovány jako ionizující záření.

Původ elektromagnetických vln

Vztah mezi světlem a elektromagnetismem byl založen prací fyzika Jamese Clerk Maxwella v 19. století. To vedlo ke studiu elektrodynamiky, ve které jsou elektromagnetické vlny, jako je světlo, považovány za rušení nebo „vlnky“ v elektromagnetickém poli vytvořené pohybem elektricky nabitých částic. Na rozdíl od neexistujícího éteru je elektromagnetické pole jednoduše sférou vlivu nabité částice a nikoli hmotnou hmotnou věcí.

Pozdější práce, počátkem 20. století, ukázala, že EMR měla také částice podobné vlastnosti. Částice, které tvoří elektromagnetické záření, se nazývají fotony . Ačkoli se zdá, že si protirečí, může se EMR chovat jako vlny nebo jako částice, v závislosti na typu prováděného experimentu. Toto je známé jako dualita vlnových částic. Platí také pro subatomické částice, celé atomy a dokonce i poměrně velké molekuly, které se mohou někdy chovat jako vlny.

Při vývoji kvantové teorie se objevila dualita vlnových částic. Podle této teorie představuje „vlna“ pravděpodobnost nalezení částice, například fotonu, v daném místě. Vlnová podoba částic a vlnitá podoba vln vyvolala velkou vědeckou debatu a některé nápady ohromující, ale žádný celkový konsensus o tom, co to vlastně znamená.

V kvantové teorii je elektromagnetické záření produkováno, když subatomické částice uvolňují energii. Například, elektron v atomu může absorbovat energii, ale nakonec musí klesnout na nižší úroveň energie a uvolnit energii jako EMR. V závislosti na tom, jak je pozorováno, se toto záření může objevit jako částice nebo elektromagnetická vlna.

Použití

Mnoho moderních technologií závisí na elektromagnetických vlnách. Rádio, televize, mobilní telefony a internet spoléhají na přenos vysokofrekvenční EMR vzduchovými, kosmickými nebo optickými kabely. Lasery používané k nahrávání a přehrávání disků DVD a zvukových disků CD používají k zápisu a čtení z disků světelné vlny. Rentgenové stroje jsou základním nástrojem v medicíně a bezpečnosti letišť. Ve vědě naše znalosti vesmíru pocházejí převážně z analýzy světla, rádiových vln a rentgenového záření ze vzdálených hvězd a galaxií.

Nebezpečí

Nepředpokládá se, že nízkoenergetické elektromagnetické vlny, jako jsou rádiové vlny, jsou škodlivé. Při vyšších energiích však EMR představuje rizika. Ionizující záření, jako jsou rentgenové a gama záření, může zabíjet nebo poškodit živé buňky. Mohou také změnit DNA, což může vést k rakovině. Riziko pro pacienty z lékařských rentgenových paprsků je považováno za zanedbatelné, ale radiografové, kteří jsou jim pravidelně vystaveni, nosí olověné zástěry - které rentgenové paprsky nemohou proniknout - aby se chránili. Ultrafialové světlo přítomné na slunci může způsobit spálení sluncem a může také způsobit rakovinu kůže, je-li expozice nadměrná.