Sähkömagneettinen energia on useimmille ihmisille tuttua valona ja lämmönä, mutta se voi olla monessa muussa muodossa, kuten radioaaltoja ja röntgensäteitä. Nämä ovat kaikentyyppistä säteilyä, joka on peräisin sähkömagneettisesta voimasta, joka on vastuussa kaikista sähköisistä ja magneettisista ilmiöistä. Säteily kulkee valon nopeudella tavalla, joka muistuttaa aaltoja.
Toisin kuin ääniaallot, sähkömagneettiset aallot eivät vaadi väliainetta, jonka läpi ne voivat liikkua, ja ne voivat kulkea tyhjän tilan poikki. Aallon pituus voi vaihdella sadoista jaardeista (metreihin) alasatomisiin asteikkoihin. Koko aallonpituusalue tunnetaan sähkömagneettisena spektrina, josta näkyvä valo muodostaa vain pienen osan. Huolimatta havaitusta aaltomaisesta sähkömagneettisen säteilyn luonteesta (EMR), se voi myös käyttäytyä ikään kuin se koostuisi pienistä hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi.
Valoa, sähköä ja magneettisuutta
Fyysikko James Clerk Maxwellin työ sähkö- ja magneettikentistä paljasti 19 -luvulla valon ja sähkömagnetismin välisen yhteyden. Käyttäen kehittämiä yhtälöitä hän havaitsi, että nopeus, jolla kentät liikkuvat avaruudessa, oli täsmälleen valonnopeus, ja päätyi siihen, että valo oli näiden kenttien häiriö, joka kulki aaltojen muodossa. Hänen yhtälönsä osoittivat myös, että muut EMR -muodot, joilla oli pidempi ja lyhyempi aallonpituus, olivat mahdollisia; nämä tunnistettiin myöhemmin. Maxwellin havainnot johtivat elektrodynamiikan tutkimukseen, jonka mukaan EMR koostuu värähtelevistä sähkö- ja magneettikentistä, jotka ovat suorassa kulmassa toisiinsa ja liikesuuntaan nähden. Tämä selitti valon aaltomaisen luonteen, kuten monissa kokeissa havaittiin.
Aallonpituus, taajuus ja energia
Sähkömagneettista säteilyä voidaan kuvata sen aallonpituuden – aaltojen harjanteiden välisen etäisyyden – tai sen taajuuden – kiinteän pisteen kautta kulkevien harjanteiden lukumäärän perusteella. Kun tyhjiössä liikutaan, EMR kulkee aina valonnopeudella; siksi harjanteiden kulkunopeus ei vaihtele ja taajuus riippuu vain aallon pituudesta. Lyhyempi aallonpituus osoittaa korkeampaa taajuutta ja suurempaa energiaa. Tämä tarkoittaa, että suuren energian gammasäteet eivät kulje nopeammin kuin matalan energian radioaaltoja; sen sijaan niillä on paljon lyhyempiä aallonpituuksia ja paljon korkeampia taajuuksia.
Aalto-hiukkasten kaksinaisuus
Elektrodynamiikka oli erittäin onnistunut kuvaamaan sähkömagneettista energiaa kenttien ja aaltojen suhteen, mutta 20 -luvun alussa Albert Einsteinin tutkimus valosähköisestä vaikutuksesta, jossa valo irrottaa elektronit metallipinnalta, herätti ongelman. Hän havaitsi, että elektronien energia oli täysin riippuvainen valon taajuudesta eikä intensiteetistä. Taajuuden lisääntyminen tuotti suuremman energian elektroneja, mutta kirkkauden lisääntyminen ei vaikuttanut asiaan. Tulokset voitaisiin selittää vain, jos valo koostuisi erillisistä hiukkasista – myöhemmin nimetyistä fotoneista – jotka siirtävät energiansa elektronille. Tämä loi palapelin: suurten mittakaavojen havaittu EMR käyttäytyy aaltoina, mutta sen vuorovaikutus aineen kanssa pienimmissä mittakaavoissa voidaan selittää vain hiukkasilla.
Tätä kutsutaan aalto-hiukkasten kaksinaisuudeksi. Se syntyi kvanttiteorian kehityksen aikana ja koskee kaikkea subatomista mittakaavaa; Esimerkiksi elektronit voivat käyttäytyä aaltoina ja hiukkasina. Tiedemiehet eivät ole yksimielisiä siitä, mitä tämä kaksinaisuus todellisuudessa tarkoittaa sähkömagneettisen energian luonteesta.
Kvanttielektrodynamiikka
Uusi teoria, joka tunnetaan nimellä kvanttelektrodynamiikka (QED), syntyi lopulta selittämään EMR: n hiukkasmaista käyttäytymistä. QED: n mukaan fotonit ovat hiukkasia, jotka kuljettavat sähkömagneettista voimaa, ja sähköisesti varautuneiden esineiden vuorovaikutukset selitetään näiden hiukkasten tuotannolla ja absorptiolla. QED: ää pidetään yhtenä menestyneimmistä koskaan kehitetyistä teorioista.
Kuinka sähkömagneettista energiaa tuotetaan
Klassinen elektrodynamiikka kuvasi EMR: n tuotantoa sähkövarausten liikkeen kannalta, mutta nykyaikaisempi selitys – kvanttiteorian mukaisesti – perustuu ajatukseen, että aineen muodostavat subatomiset hiukkaset voivat varata vain tiettyjä kiinteitä energiatasoja. Sähkömagneettinen säteily vapautuu siirtymällä korkeammasta matalampaan energiatilaan. Itselleen jätettynä aine yrittää aina saavuttaa alimman energiansa.
EMR voidaan tuottaa, kun aine imee tilapäisesti energiaa – esimerkiksi kuumennettaessa – ja vapauttaa sen sitten laskeakseen alemmalle tasolle. Alempi energiatila voidaan saavuttaa myös silloin, kun atomit tai molekyylit yhdistyvät keskenään kemiallisessa reaktiossa. Palaminen on tuttu esimerkki: tyypillisesti molekyyli yhdistyy ilman hapen kanssa muodostaen tuotteita, joilla on yhteisesti vähemmän energiaa kuin alkuperäinen molekyyli. Tämä aiheuttaa sähkömagneettisen energian vapautumisen liekin muodossa.
Auringon ytimessä neljä vetyydintä yhdistyvät useissa vaiheissa muodostamaan heliumytimen, jolla on hieman vähemmän massaa ja siten vähemmän energiaa. Tätä prosessia kutsutaan ydinfuusioksi. Ylimääräinen energia vapautuu korkeataajuisina gammasäteinä, jotka aine absorboi kauemmas, ja joka sitten lähettää tätä energiaa, lähinnä näkyvän valon ja lämmön muodossa.
Sähkömagneettinen energia, elämä ja tekniikka
Auringosta saatava energia on elintärkeää maapallon elämälle. Auringonvalo lämmittää maapallon pintaa, joka puolestaan lämmittää ilmakehää ylläpitäen elämään sopivia lämpötiloja ja ajaa planeetan sääjärjestelmiä. Kasvit käyttävät auringon sähkömagneettista energiaa fotosynteesiin, menetelmään, jolla ne tuottavat ruokaa. Aurinkoenergia muunnetaan kemialliseksi energiaksi, joka ohjaa prosesseja, joiden avulla kasvit voivat tuottaa glukoosia, jota he tarvitsevat selviytyäkseen hiilidioksidista ja vedestä. Tämän reaktion sivutuote on happi, joten fotosynteesi on vastuussa planeetan happitasojen ylläpitämisestä.
Useimmat tekniikan muodot riippuvat suurelta osin sähkömagneettisesta energiasta. Teollinen vallankumous sai voimansa fossiilisten polttoaineiden polttamisesta syntyvästä lämmöstä, ja viime aikoina aurinkosäteilyä on käytetty suoraan “puhtaan” ja uusiutuvan energian tuottamiseen. Nykyaikainen viestintä, yleisradiotoiminta ja Internet riippuvat suuresti radioaalloista ja valokaapelien kautta kanavoidusta valosta. Lasertekniikka käyttää valoa CD- ja DVD -levyjen lukemiseen ja kirjoittamiseen. Suurin osa siitä, mitä tiedemiehet tietävät maailmankaikkeudesta, tulee analysoimalla EMR: tä eri aallonpituuksilla kaukaisista tähdistä ja galakseista.
Vaikutukset terveyteen
Korkeataajuinen EMR, kuten gammasäteet, röntgensäteet ja ultraviolettivalo, kuljettaa tarpeeksi energiaa aiheuttamaan kemiallisia muutoksia biologisissa molekyyleissä. Se voi katkaista kemialliset sidokset tai poistaa elektroneja atomista muodostaen ioneja. Tämä voi vahingoittaa soluja ja muuttaa DNA: ta, mikä lisää syöpäriskiä. Huolta on ilmaistu myös alemman taajuuden EMR: n terveysvaikutuksista, kuten matkapuhelimien ja muiden viestintälaitteiden käyttämistä radioaalloista ja mikroaalloista. Vaikka näillä säteilymuodoilla ei näytä olevan suoraa vaikutusta elämän kemiaan, ne voivat aiheuttaa kudoksen kuumenemista paikallisilla alueilla pitkäaikaisessa altistumisessa. Toistaiseksi ei näytä olevan vakuuttavia todisteita siitä, että tämä voisi saada ihmiset sairaiksi.