Hva er en elektromagnetisk bølge?

Begrepet elektromagnetisk bølge beskriver hvordan elektromagnetisk stråling (EMR) beveger seg gjennom rommet. Ulike former for EMR kjennetegnes ved deres bølgelengder, som varierer fra mange meter (meter) til en avstand som er mindre enn diameteren til en atomkjerne. Hele rekkevidden, i synkende rekkefølge av bølgelengde, går fra radiobølger gjennom mikrobølger, synlig lys, ultrafiolett og røntgenstråler til gammastråler og er kjent som det elektromagnetiske spekteret. Elektromagnetiske bølger har mange bruksområder, både innen vitenskap og hverdag.

Lette bølger

På mange måter oppfører en elektromagnetisk bølge seg på samme måte som krusninger på vann, eller til lyd som reiser gjennom et medium som luft. For eksempel, hvis det lyses et lys på en skjerm gjennom en barriere med to smale spalter, sees et mønster av lyse og mørke striper. Dette kalles et interferensmønster: der bølgene i den ene spalten møter dem fra den andre, forsterker de hverandre og danner en lys stripe, men der en kråke møter et trau, avbryter de ut og etterlater en mørk stripe. Lys kan også bøye seg rundt et hinder, som havbrytere rundt en havnmur: dette er kjent som diffraksjon. Disse fenomenene gir bevis på lysets bølgelignende natur.

Det ble lenge antatt at lys, som lyd, må reise gjennom et slags medium. Dette fikk navnet "eter", noen ganger stavet "eter", og ble antatt å være et usynlig materiale som fylte rom, men som faste gjenstander kunne passere uhindret gjennom. Eksperimenter utviklet for å oppdage eteren ved dens innvirkning på lysets hastighet i forskjellige retninger klarte ikke å finne noe bevis for det, og ideen ble til slutt avvist. Det var tydelig at lys og andre former for EMR ikke krevde noe medium og kunne reise gjennom tomt rom.

Bølgelengde og frekvens

Akkurat som en havbølge har en elektromagnetisk bølge topper og renner. Bølgelengden er avstanden mellom to identiske punkter i bølgen fra syklus til syklus, for eksempel avstanden mellom den ene toppen eller toppen og den neste. EMR kan også defineres med tanke på frekvensen, som er antall kammer som går forbi i et gitt tidsintervall. Alle former for EMR kjører med samme hastighet: lysets hastighet. Derfor avhenger frekvensen helt av bølgelengden: jo kortere bølgelengde, desto høyere er frekvensen.

Energi

Kortere bølgelengde, eller høyere frekvens, EMR bærer mer energi enn lengre bølgelengder eller lavere frekvenser. Energien som føres av en elektromagnetisk bølge avgjør hvordan den påvirker materien. Lavfrekvente radiobølger forstyrrer mildt atomer og molekyler, mens mikrobølger får dem til å bevege seg kraftigere: materialet varmes opp. Røntgenstråler og gammastråler pakker mye mer av et slag: de kan bryte kjemiske bindinger og banke elektroner fra atomer og danne ioner. Av denne grunn blir de beskrevet som ioniserende stråling.

Opprinnelsen til elektromagnetiske bølger

Forholdet mellom lys og elektromagnetisme ble etablert av arbeidet til fysikeren James Clerk Maxwell på 1800-tallet. Dette førte til studiet av elektrodynamikk, der elektromagnetiske bølger, som lys, blir sett på som forstyrrelser, eller "krusninger", i et elektromagnetisk felt, skapt av bevegelse av elektrisk ladede partikler. I motsetning til den ikke-eksisterende eteren, er det elektromagnetiske feltet ganske enkelt innflytelsesområdet til en ladet partikkel, og ikke en konkret, materiell ting.

Senere arbeid, på begynnelsen av 1900-tallet, viste at EMR også hadde partikkellignende egenskaper. Partiklene som utgjør elektromagnetisk stråling kalles fotoner . Selv om det virker motstridende, kan EMR oppføre seg som bølger eller som partikler, avhengig av type eksperiment som utføres. Dette er kjent som bølge-partikkel dualiteten. Det gjelder også subatomære partikler, hele atomer og til og med ganske store molekyler, som alle noen ganger kan oppføre seg som bølger.

Bølgepartikkeldualiteten dukket opp når kvante teori ble utviklet. I følge denne teorien representerer "bølgen" sannsynligheten for å finne en partikkel, for eksempel et foton, på et gitt sted. Partikkers bølgelignende natur og bølgenes partikkellignende natur har gitt opphav til mye vitenskapelig debatt og noen ufattelige ideer, men ingen generell enighet om hva det faktisk betyr.

I kvanteteori produseres elektromagnetisk stråling når subatomære partikler frigjør energi. For eksempel kan et elektron i et atom absorbere energi, men det må til slutt falle til et lavere energinivå og frigjøre energien som EMR. Avhengig av hvordan den blir observert, kan denne strålingen fremstå som en partikkel eller en elektromagnetisk bølge.

Bruker

Mye av moderne teknologi er avhengig av elektromagnetiske bølger. Radio, TV, mobiltelefoner og Internett er avhengige av overføring av radiofrekvens EMR gjennom luft-, rom- eller fiberoptiske kabler. Laserne som brukes til å spille inn og spille av DVDer og lyd-CDer, bruker lysbølger til å skrive til og lese fra platene. Røntgenmaskiner er et viktig verktøy innen medisin og flyplass sikkerhet. I vitenskapen kommer vår kunnskap om universet i stor grad fra analyse av lys, radiobølger og røntgenstråler fra fjerne stjerner og galakser.

farer

Det antas ikke at elektromagnetiske bølger med lav energi, som radiobølger, er skadelige. Ved høyere energier utgjør EMR imidlertid risikoer. Ioniserende stråling, som røntgenstråler og gammastråler, kan drepe eller skade levende celler. De kan også endre DNA, noe som kan føre til kreft. Risikoen for pasienter fra medisinske røntgenbilder anses som ubetydelig, men radiografer, som blir utsatt for dem regelmessig, bruker blyforklær - som røntgenstråler ikke kan trenge gjennom - for å beskytte seg selv. Ultrafiolett lys, til stede i sollys, kan forårsake solforbrenning og kan også forårsake hudkreft hvis eksponeringen er overdreven.