Co to jest fala elektromagnetyczna?
Termin fala elektromagnetyczna opisuje sposób, w jaki promieniowanie elektromagnetyczne (EMR) porusza się w przestrzeni. Różne formy EMR różnią się długością fali, która waha się od wielu jardów (metrów) do odległości mniejszej niż średnica jądra atomowego. Pełny zakres, w malejącym porządku długości fali, przechodzi od fal radiowych przez mikrofale, światło widzialne, ultrafioletowe i rentgenowskie do promieni gamma i jest znany jako widmo elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne mają wiele zastosowań, zarówno w nauce, jak i życiu codziennym.
Fale świetlne
Pod wieloma względami fala elektromagnetyczna zachowuje się podobnie jak fale na wodzie lub dźwięk przemieszczający się przez medium takie jak powietrze. Na przykład, jeśli światło padnie na ekran przez barierę z dwoma wąskimi szczelinami, widać wzór jasnych i ciemnych pasków. Nazywa się to wzorem interferencyjnym: gdy grzbiety fal z jednej szczeliny spotykają się z tymi z drugiej, wzmacniają się nawzajem, tworząc jasny pasek, ale gdy grzbiet spotyka się z doliną, znoszą się, pozostawiając ciemny pasek. Światło może również zginać się wokół przeszkody, takiej jak łamacze oceanów wokół ściany portu: nazywa się to dyfrakcją. Zjawiska te świadczą o falowej naturze światła.
Od dawna zakładano, że podobnie jak dźwięk światło musi przemieszczać się przez jakiś rodzaj medium. Nadano mu nazwę „eter”, czasami pisaną „eterem”, i uważano, że jest to niewidzialny materiał wypełniający przestrzeń, ale przez który stałe obiekty mogą przechodzić bez przeszkód. Eksperymenty mające na celu wykrycie eteru na podstawie jego wpływu na prędkość światła w różnych kierunkach nie znalazły żadnych dowodów na to, a pomysł został ostatecznie odrzucony. Było oczywiste, że światło i inne formy EMR nie wymagają żadnego medium i mogą podróżować przez pustą przestrzeń.
Długość fali i częstotliwość
Podobnie jak fala oceaniczna, fala elektromagnetyczna ma szczyty i doliny. Długość fali to odległość między dwoma identycznymi punktami fali między cyklami, na przykład odległość między jednym szczytem lub grzbietem a następnym. EMR można również zdefiniować pod względem jego częstotliwości, czyli liczby grzbietów, które przechodzą w danym przedziale czasu. Wszystkie formy EMR poruszają się z tą samą prędkością: prędkość światła. Dlatego częstotliwość zależy całkowicie od długości fali: im krótsza długość fali, tym wyższa częstotliwość.
Energia
Krótsza długość fali lub wyższa częstotliwość, EMR przenosi więcej energii niż dłuższe fale lub niższe częstotliwości. Energia przenoszona przez falę elektromagnetyczną determinuje jej wpływ na materię. Fale radiowe niskiej częstotliwości łagodnie zaburzają atomy i molekuły, a mikrofale powodują, że poruszają się one bardziej energicznie: materiał nagrzewa się. Promieniowanie rentgenowskie i gamma stanowią o wiele więcej mocy: mogą zerwać wiązania chemiczne i wyrzucać elektrony z atomów, tworząc jony. Z tego powodu są one opisywane jako promieniowanie jonizujące.
Powstanie fal elektromagnetycznych
Związek między światłem a elektromagnetyzmem został ustalony przez fizyka Jamesa Clerk Maxwella w XIX wieku. Doprowadziło to do badania elektrodynamiki, w której fale elektromagnetyczne, takie jak światło, są uważane za zaburzenia lub „fale” w polu elektromagnetycznym, powstałe w wyniku ruchu cząstek naładowanych elektrycznie. W przeciwieństwie do nieistniejącego eteru pole elektromagnetyczne jest po prostu sferą wpływu naładowanej cząstki, a nie materialną rzeczą.
Późniejsze prace, na początku XX wieku, wykazały, że EMR ma również właściwości podobne do cząstek. Cząstki tworzące promieniowanie elektromagnetyczne nazywane są fotonami . Chociaż wydaje się to sprzeczne, EMR może zachowywać się jak fale lub cząstki, w zależności od rodzaju przeprowadzanego eksperymentu. Jest to znane jako dualność falowo-cząsteczkowa. Dotyczy to również cząstek subatomowych, całych atomów, a nawet dość dużych cząsteczek, z których wszystkie mogą czasami zachowywać się jak fale.
Dualizm falowo-cząsteczkowy pojawił się wraz z rozwojem teorii kwantowej. Zgodnie z tą teorią „fala” reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia cząstki, takiej jak foton, w danym miejscu. Falowa natura cząstek i podobna do cząstek natura fal doprowadziły do wielu dyskusji naukowych i niektórych zadziwiających pomysłów, ale brak ogólnej zgody co do tego, co to właściwie znaczy.
W teorii kwantowej promieniowanie elektromagnetyczne powstaje, gdy cząsteczki subatomowe uwalniają energię. Na przykład elektron w atomie może absorbować energię, ale ostatecznie musi spaść do niższego poziomu energii i uwolnić energię jako EMR. W zależności od tego, jak się to obserwuje, promieniowanie to może pojawiać się jako cząstka lub fala elektromagnetyczna.
Używa
Wiele nowoczesnych technologii zależy od fal elektromagnetycznych. Radio, telewizja, telefony komórkowe i Internet polegają na transmisji częstotliwości radiowej EMR za pomocą kabli powietrznych, kosmicznych lub światłowodowych. Lasery używane do nagrywania i odtwarzania płyt DVD i audio CD wykorzystują fale świetlne do zapisu i odczytu z płyt. Urządzenia rentgenowskie są niezbędnym narzędziem w medycynie i bezpieczeństwie na lotniskach. W nauce nasza wiedza o wszechświecie pochodzi głównie z analizy światła, fal radiowych i promieni rentgenowskich z odległych gwiazd i galaktyk.
Zagrożenia
Nie uważa się, aby niskoenergetyczne fale elektromagnetyczne, takie jak fale radiowe, były szkodliwe. Jednak przy wyższych energiach EMR stanowi ryzyko. Promieniowanie jonizujące, takie jak promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma, może zabijać lub uszkadzać żywe komórki. Mogą również zmieniać DNA, co może prowadzić do raka. Ryzyko dla pacjentów związane z promieniowaniem rentgenowskim jest uważane za nieistotne, ale radiografowie, którzy są narażeni na nie regularnie, noszą fartuchy ołowiowe - których promienie rentgenowskie nie mogą przeniknąć - aby się chronić. Światło ultrafioletowe, obecne w świetle słonecznym, może powodować oparzenia słoneczne, a także może powodować raka skóry, jeśli ekspozycja jest nadmierna.