Wat is een elektromagnetische golf?
De term elektromagnetische golf beschrijft de manier waarop elektromagnetische straling (EMR) door de ruimte beweegt. Verschillende vormen van EMR onderscheiden zich door hun golflengtes, die variëren van vele meters (meters) tot een afstand kleiner dan de diameter van een atoomkern. Het volledige bereik, in afnemende volgorde van golflengte, loopt van radiogolven via microgolven, zichtbaar licht, ultraviolet en röntgenstralen tot gammastralen en staat bekend als het elektromagnetische spectrum. Elektromagnetische golven hebben veel toepassingen, zowel in de wetenschap als in het dagelijks leven.
Lichtgolven
In veel opzichten gedraagt een elektromagnetische golf zich op dezelfde manier als rimpelingen op water, of als geluid dat zich voortbeweegt door een medium zoals lucht. Als bijvoorbeeld een licht op een scherm wordt geschenen door een barrière met twee smalle spleten, ziet u een patroon van lichte en donkere strepen. Dit wordt een interferentiepatroon genoemd: waar de toppen van de golven van de ene spleet die van de andere ontmoeten, versterken ze elkaar, waardoor een heldere streep wordt gevormd, maar waar een kam een trog ontmoet, gaan ze uit en laten ze een donkere streep achter. Licht kan ook rond een obstakel buigen, zoals oceaanbrekers rond een havenmuur: dit staat bekend als diffractie. Deze fenomenen leveren het bewijs van de golfachtige aard van licht.
Er werd lang aangenomen dat, net als geluid, licht door een soort medium moet reizen. Dit kreeg de naam 'ether', soms gespeld als 'ether', en werd beschouwd als een onzichtbaar materiaal dat de ruimte vulde, maar waardoor vaste objecten ongehinderd konden passeren. Experimenten ontworpen om de ether te detecteren door zijn effect op de snelheid van het licht in verschillende richtingen, konden er geen enkel bewijs voor vinden en het idee werd uiteindelijk verworpen. Het was duidelijk dat licht en andere vormen van EMR geen medium nodig hadden en door lege ruimte konden reizen.
Golflengte en frequentie
Net als een oceaangolf heeft een elektromagnetische golf pieken en dalen. De golflengte is de afstand tussen twee identieke punten van de golf van cyclus tot cyclus, bijvoorbeeld de afstand tussen de ene piek of top en de volgende. EMR kan ook worden gedefinieerd in termen van de frequentie ervan, wat het aantal toppen is dat binnen een bepaald tijdsinterval passeert. Alle vormen van EMR reizen met dezelfde snelheid: de snelheid van het licht. Daarom hangt de frequentie volledig af van de golflengte: hoe korter de golflengte, hoe hoger de frequentie.
Energie
Kortere golflengte of hogere frequentie, EMR draagt meer energie dan langere golflengtes of lagere frequenties. De energie gedragen door een elektromagnetische golf bepaalt hoe het materie beïnvloedt. Laagfrequente radiogolven verstoren atomen en moleculen mild, terwijl microgolven ervoor zorgen dat ze krachtiger bewegen: het materiaal warmt op. Röntgenstralen en gammastralen zijn veel krachtiger: ze kunnen chemische bindingen verbreken en elektronen van atomen slaan, waardoor ionen worden gevormd. Om deze reden worden ze beschreven als ioniserende straling.
De oorsprong van elektromagnetische golven
De relatie tussen licht en elektromagnetisme werd vastgesteld door het werk van de fysicus James Clerk Maxwell in de 19e eeuw. Dit leidde tot de studie van elektrodynamica, waarin elektromagnetische golven, zoals licht, worden beschouwd als verstoringen of "rimpelingen" in een elektromagnetisch veld, gecreëerd door de beweging van elektrisch geladen deeltjes. In tegenstelling tot de niet-bestaande ether, is het elektromagnetische veld eenvoudig de invloedssfeer van een geladen deeltje, en geen tastbaar, materieel ding.
Later werk, in het begin van de 20e eeuw, toonde aan dat EMR ook deeltjesachtige eigenschappen had. De deeltjes waaruit elektromagnetische straling bestaat, worden fotonen genoemd . Hoewel het tegenstrijdig lijkt, kan EMR zich als golven of als deeltjes gedragen, afhankelijk van het type experiment dat wordt uitgevoerd. Dit staat bekend als de dualiteit van golfdeeltjes. Het is ook van toepassing op subatomaire deeltjes, hele atomen en zelfs vrij grote moleculen, die zich soms allemaal als golven kunnen gedragen.
De dualiteit van golfdeeltjes ontstond tijdens de ontwikkeling van de kwantumtheorie. Volgens deze theorie vertegenwoordigt de "golf" de waarschijnlijkheid om op een bepaalde locatie een deeltje, zoals een foton, te vinden. De golfachtige aard van deeltjes en de deeltjesachtige aard van golven hebben aanleiding gegeven tot veel wetenschappelijk debat en een aantal verbijsterende ideeën, maar geen algemene consensus over wat het eigenlijk betekent.
In de kwantumtheorie wordt elektromagnetische straling geproduceerd wanneer subatomaire deeltjes energie vrijgeven. Een elektron in een atoom kan bijvoorbeeld energie absorberen, maar het moet uiteindelijk naar een lager energieniveau dalen en de energie als EMR vrijgeven. Afhankelijk van hoe het wordt waargenomen, kan deze straling verschijnen als een deeltje of een elektromagnetische golf.
Toepassingen
Veel moderne technologie is afhankelijk van elektromagnetische golven. Radio, televisie, mobiele telefoons en internet zijn afhankelijk van de overdracht van radiofrequente EMR via lucht, ruimte of glasvezelkabels. De lasers die werden gebruikt om dvd's op te nemen en af te spelen en audio-cd's gebruiken lichtgolven om te schrijven naar en te lezen van de schijven. Röntgenapparatuur is een essentieel hulpmiddel in de geneeskunde en op de luchthaven. In de wetenschap komt onze kennis van het universum grotendeels voort uit analyse van licht, radiogolven en röntgenstralen van verre sterren en sterrenstelsels.
Gevaren
Er wordt niet gedacht dat elektromagnetische golven met lage energie, zoals radiogolven, schadelijk zijn. Bij hogere energieën brengt EMR echter risico's met zich mee. Ioniserende straling, zoals röntgenstralen en gammastralen, kunnen levende cellen doden of beschadigen. Ze kunnen ook DNA veranderen, wat kan leiden tot kanker. Het risico voor patiënten van medische röntgenfoto's wordt als te verwaarlozen beschouwd, maar radiografen, die er regelmatig aan worden blootgesteld, dragen loodschorten - waartoe röntgenstralen niet kunnen doordringen - om zichzelf te beschermen. Ultraviolet licht, aanwezig in zonlicht, kan zonnebrand veroorzaken en kan ook huidkanker veroorzaken als de blootstelling te hoog is.