Hvad er en elektromagnetisk bølge?

Udtrykket elektromagnetisk bølge beskriver den måde, elektromagnetisk stråling (EMR) bevæger sig gennem rummet. Forskellige former for EMR skelnes ved deres bølgelængder, der varierer fra mange yards (meter) til en afstand, der er mindre end diameteren til en atomkerne. Det fulde interval, i faldende rækkefølge af bølgelængde, går fra radiobølger gennem mikrobølger, synligt lys, ultraviolet og røntgenstråler til gammastråler og er kendt som det elektromagnetiske spektrum. Elektromagnetiske bølger har mange anvendelser, både inden for videnskab og hverdag.

Lette bølger

I mange henseender opfører en elektromagnetisk bølge sig på lignende måde som krusninger på vand eller til lyd, der bevæger sig gennem et medium, såsom luft. For eksempel, hvis der lyses et lys på en skærm gennem en barriere med to smalle spalter, ses et mønster af lyse og mørke striber. Dette kaldes et interferensmønster: hvor bølgerne fra den ene spalte imødekommer dem fra den anden, forstærker de hinanden og danner en lys stripe, men hvor en kam møder et tråg, annulleres de og efterlader en mørk stribe. Lys kan også bøje rundt en hindring, ligesom havbrydere omkring en havnevæg: dette er kendt som diffraktion. Disse fænomener viser bevis for lysets bølgelignende natur.

Det blev længe antaget, at lys, ligesom lyd, må rejse gennem et slags medium. Dette fik navnet "ether", nogle gange stavet "ether" og blev antaget at være et usynligt materiale, der fyldte plads, men gennem hvilket faste genstande kunne passere uhindret. Eksperimenter designet til at detektere eteren ved dens virkning på lysets hastighed i forskellige retninger kunne ikke finde noget bevis for det, og ideen blev endelig afvist. Det var tydeligt, at lys og andre former for EMR ikke krævede noget medium og kunne rejse gennem tom plads.

Bølgelængde og frekvens

Ligesom en havbølge har en elektromagnetisk bølge toppe og truger. Bølgelængden er afstanden mellem to identiske punkter i bølgen fra cyklus til cyklus, for eksempel afstanden mellem den ene top eller toppen og den næste. EMR kan også defineres ud fra dens hyppighed, hvilket er antallet af kamber, der går forbi i et givet tidsinterval. Alle former for EMR kører med samme hastighed: lysets hastighed. Derfor afhænger frekvensen helt af bølgelængden: jo kortere bølgelængden, desto højere er frekvensen.

Energi

Kortere bølgelængde eller højere frekvens, EMR bærer mere energi end længere bølgelængder eller lavere frekvenser. Energien, der transporteres af en elektromagnetisk bølge, bestemmer, hvordan den påvirker stof. Lavfrekvente radiobølger forstyrrer let atomer og molekyler, mens mikrobølger får dem til at bevæge sig mere kraftigt: materialet opvarmes. Røntgenstråler og gammastråler pakker meget mere af et slag: de kan bryde kemiske bindinger og banke elektroner fra atomer og danne ioner. Af denne grund beskrives de som ioniserende stråling.

Oprindelsen af ​​elektromagnetiske bølger

Forholdet mellem lys og elektromagnetisme blev etableret af fysikeren James Clerk Maxwells arbejde i det 19. århundrede. Dette førte til studiet af elektrodynamik, hvor elektromagnetiske bølger, såsom lys, betragtes som forstyrrelser eller "krusninger" i et elektromagnetisk felt, skabt af bevægelse af elektrisk ladede partikler. I modsætning til den ikke-eksisterende æter, er det elektromagnetiske felt simpelthen indflydelsessfæren af ​​en ladet partikel og ikke en håndgribelig, materiel ting.

Senere arbejde, i det tidlige 20. århundrede, viste, at EMR også havde partikellignende egenskaber. Partiklerne, der udgør elektromagnetisk stråling, kaldes fotoner . Selvom det virker modstridende, kan EMR opføre sig som bølger eller som partikler, afhængigt af den type eksperiment, der udføres. Dette er kendt som bølge-partikeldualitet. Det gælder også subatomære partikler, hele atomer og endda ret store molekyler, som alle undertiden kan opføre sig som bølger.

Bølgepartikeldualiteten opstod, da kvanteteorien blev udviklet. I henhold til denne teori repræsenterer "bølgen" sandsynligheden for at finde en partikel, såsom en foton, på et givet sted. Partiklernes bølgelignende natur og bølgenes partikellignende natur har givet anledning til megen videnskabelig debat og nogle forvirrende ideer, men ingen generel enighed om, hvad det faktisk betyder.

I kvanteteori produceres elektromagnetisk stråling, når subatomære partikler frigiver energi. For eksempel kan en elektron i et atom absorbere energi, men den skal til sidst falde til et lavere energiniveau og frigive energien som EMR. Afhængig af hvordan det observeres, kan denne stråling vises som en partikel eller en elektromagnetisk bølge.

Anvendelser

En stor del af moderne teknologi afhænger af elektromagnetiske bølger. Radio, tv, mobiltelefoner og Internettet er afhængige af transmission af radiofrekvens EMR gennem luft-, rum- eller fiberoptiske kabler. Laserne, der bruges til at optage og afspille dvd'er og lyd-cd'er bruger lysbølger til at skrive til og læse fra diske. Røntgenmaskiner er et vigtigt værktøj inden for medicin og lufthavnsikkerhed. I videnskaben kommer vores viden om universet stort set fra analyse af lys, radiobølger og røntgenstråler fra fjerne stjerner og galakser.

farer

Det antages ikke, at elektromagnetiske bølger med lav energi, såsom radiobølger, er skadelige. Ved højere energier udgør EMR imidlertid risici. Ioniserende stråling, såsom røntgenstråler og gammastråler, kan dræbe eller skade levende celler. De kan også ændre DNA, hvilket kan føre til kræft. Risikoen for patienter fra medicinske røntgenbilleder betragtes som ubetydelig, men radiografer, der regelmæssigt udsættes for dem, bærer blyforklæder - som røntgenstråler ikke kan trænge ind - for at beskytte sig selv. Ultraviolet lys, der er til stede i sollys, kan forårsage solskoldning og kan også forårsage hudkræft, hvis eksponeringen er overdreven.