Termi sähkömagneettinen aalto kuvaa tapaa, jolla sähkömagneettinen säteily (EMR) liikkuu avaruudessa. Erilaiset EMR -muodot erottuvat aallonpituuksiltaan, jotka vaihtelevat monista jaardeista (metreistä) atomimaton halkaisijaa pienempään etäisyyteen. Koko aallonpituuden alenevassa järjestyksessä kulkee radioaalloista mikroaaltojen, näkyvän valon, ultravioletti- ja röntgensäteiden läpi gammasäteisiin ja tunnetaan sähkömagneettisena spektrinä. Sähkömagneettisilla aalloilla on monia sovelluksia sekä tieteessä että jokapäiväisessä elämässä.
Kevyet aallot
Sähkömagneettinen aalto käyttäytyy monin tavoin samalla tavalla kuin veden aaltoilu tai ääni, joka kulkee väliaineen, kuten ilman, läpi. Jos esimerkiksi valoa valaistaan valkokankaalle kahden kapean raon esteen läpi, näkyy vaaleiden ja tummien raitojen kuvio. Tätä kutsutaan häiriökuvioksi: kun aallonharjat yhdestä raosta kohtaavat toisen raot, ne vahvistavat toisiaan muodostaen kirkkaan raidan, mutta kun harja kohtaa kourun, ne poistuvat ja jättävät tumman raidan. Valo voi myös taipua esteen ympärille, kuten valtamerenmurtajat sataman seinän ympärille: tätä kutsutaan diffraktioksi. Nämä ilmiöt todistavat valon aaltomaisesta luonteesta.
Kauan oletettiin, että äänen tavoin valon täytyy kulkea jonkinlaisen väliaineen läpi. Tälle annettiin nimi “eetteri”, joskus kirjoitettu “eetteriksi”, ja sen uskottiin olevan näkymätön materiaali, joka täytti tilan, mutta jonka läpi kiinteät esineet pääsivät esteettömästi. Kokeet, joiden tarkoituksena oli havaita eetteri sen vaikutuksesta valon nopeuteen eri suuntiin, eivät löytäneet sille mitään todisteita, ja idea hylättiin lopulta. Oli ilmeistä, että valo ja muut EMR -muodot eivät vaadi mitään väliainetta ja voisivat kulkea tyhjän tilan läpi.
Aallonpituus ja taajuus
Aivan kuten valtameren aallolla, myös sähkömagneettisella aallolla on huiput ja aallot. Aallonpituus on etäisyys aallon kahden identtisen pisteen välillä syklistä jaksoon, esimerkiksi etäisyys yhden huippun tai harjanteen ja seuraavan välillä. EMR voidaan määritellä myös sen taajuuden perusteella, joka on harjanteiden määrä, joka kulkee tietyllä aikavälillä. Kaikki EMR -muodot kulkevat samalla nopeudella: valon nopeudella. Siksi taajuus riippuu täysin aallonpituudesta: mitä lyhyempi aallonpituus, sitä suurempi taajuus.
energia
Lyhyempi aallonpituus tai korkeampi taajuus, EMR kuljettaa enemmän energiaa kuin pidemmät aallonpituudet tai alemmat taajuudet. Sähkömagneettisen aallon kuljettama energia määrää, miten se vaikuttaa aineeseen. Matalataajuiset radioaallot häiritsevät lievästi atomeja ja molekyylejä, kun taas mikroaallot saavat ne liikkumaan voimakkaammin: materiaali kuumenee. Röntgen- ja gammasäteet pakottavat paljon enemmän: ne voivat katkaista kemialliset siteet ja lyödä elektroneja atomista muodostaen ioneja. Tästä syystä niitä kuvataan ionisoivaksi säteilyksi.
Sähkömagneettisten aaltojen alkuperä
Valon ja sähkömagnetismin välinen suhde perustettiin fyysikon James Clerk Maxwellin työllä 19 -luvulla. Tämä johti sähködynamiikan tutkimukseen, jossa sähkömagneettisia aaltoja, kuten valoa, pidetään häiriöinä tai “väreilyinä” sähkömagneettisessa kentässä, joka syntyy sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikkeen vuoksi. Toisin kuin olematon eetteri, sähkömagneettinen kenttä on yksinkertaisesti varautuneen hiukkasen vaikutusalue, eikä konkreettinen, aineellinen asia.
Myöhempi työ, 20-luvun alussa, osoitti, että EMR: llä oli myös hiukkasmaisia ominaisuuksia. Hiukkasia, jotka muodostavat sähkömagneettisen säteilyn, kutsutaan fotoneiksi. Vaikka se näyttää ristiriitaiselta, EMR voi käyttäytyä aaltoina tai hiukkasina suoritettavan kokeen tyypistä riippuen. Tätä kutsutaan aalto-hiukkasten kaksinaisuudeksi. Se koskee myös subatomisia hiukkasia, kokonaisia atomeja ja jopa melko suuria molekyylejä, jotka kaikki voivat joskus käyttäytyä aaltoina.
Aalto-hiukkasten kaksinaisuus syntyi kvanttiteoriaa kehitettäessä. Tämän teorian mukaan “aalto” edustaa todennäköisyyttä löytää hiukkanen, kuten fotoni, tietystä paikasta. Hiukkasten aaltomainen luonne ja aaltojen hiukkasmainen luonne ovat herättäneet paljon tieteellistä keskustelua ja joitain järkyttäviä ajatuksia, mutta yleistä yksimielisyyttä siitä, mitä se todellisuudessa tarkoittaa.
Kvanttiteoriassa sähkömagneettista säteilyä syntyy, kun subatomiset hiukkaset vapauttavat energiaa. Esimerkiksi atomin elektroni voi absorboida energiaa, mutta sen on lopulta pudotettava alemmalle energiatasolle ja vapautettava energia EMR: nä. Sen havaitsemisesta riippuen tämä säteily voi esiintyä hiukkasena tai sähkömagneettisena aallona.
käytät
Suuri osa nykyaikaisesta tekniikasta riippuu sähkömagneettisista aalloista. Radio, televisio, matkapuhelimet ja Internet luottavat radiotaajuisen EMR: n lähetykseen ilma-, avaruus- tai kuituoptisten kaapeleiden kautta. DVD -levyjen ja audio -CD -levyjen tallentamiseen ja toistamiseen käytetyt laserit käyttävät valoaaltoja levyille kirjoittamiseen ja levyiltä lukemiseen. Röntgenlaitteet ovat olennainen työkalu lääketieteessä ja lentokentän turvallisuudessa. Tieteessä tietomme maailmankaikkeudesta tulee suurelta osin etäisten tähtien ja galaksien valon, radioaaltojen ja röntgensäteiden analysoinnista.
vaarat
Vähäenergisten sähkömagneettisten aaltojen, kuten radioaaltojen, ei uskota olevan haitallisia. Korkeammalla energialla EMR aiheuttaa kuitenkin riskejä. Ionisoiva säteily, kuten röntgen- ja gammasäteet, voivat tappaa tai vahingoittaa eläviä soluja. Ne voivat myös muuttaa DNA: ta, mikä voi johtaa syöpään. Lääketieteellisten röntgensäteiden riskiä potilaille pidetään vähäisenä, mutta säännöllisesti heille altistuvat radiografit käyttävät lyijyesiliinoja-joita röntgensäteet eivät voi tunkeutua-suojautuakseen. Auringonvalossa läsnä oleva ultraviolettivalo voi aiheuttaa auringonpolttamia ja myös ihosyöpää, jos altistuminen on liiallista.