Ο όρος ηλεκτρομαγνητικό κύμα περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMR) κινείται στο διάστημα. Οι διαφορετικές μορφές EMR διακρίνονται από τα μήκη κύματός τους, τα οποία ποικίλλουν από πολλά γιάρδες (μέτρα) έως απόσταση μικρότερη από τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα. Το πλήρες εύρος, με φθίνουσα σειρά μήκους κύματος, πηγαίνει από τα ραδιοκύματα μέσω των μικροκυμάτων, το ορατό φως, τις υπεριώδεις και τις ακτίνες Χ στις ακτίνες γάμμα και είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν πολλές εφαρμογές, τόσο στην επιστήμη όσο και στην καθημερινή ζωή.
Κύματα φωτός
Από πολλές απόψεις, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συμπεριφέρεται παρόμοια με τους κυματισμούς στο νερό ή με τον ήχο που ταξιδεύει μέσω ενός μέσου όπως ο αέρας. Για παράδειγμα, εάν ένα φως εκτοξευθεί σε μια οθόνη μέσω ενός φραγμού με δύο στενές σχισμές, εμφανίζεται ένα σχέδιο φωτεινών και σκούρων λωρίδων. Αυτό ονομάζεται μοτίβο παρεμβολής: όπου οι κορυφές των κυμάτων από τη μια σχισμή συναντούν τις κορυφές των κυμάτων από την άλλη, ενισχύονται η μία την άλλη, σχηματίζοντας μια φωτεινή λωρίδα, αλλά όπου μια κορυφή συναντά μια γούρνα, ακυρώνονται, αφήνοντας μια σκοτεινή λωρίδα. Το φως μπορεί επίσης να κάμπτεται γύρω από ένα εμπόδιο, όπως οι ωκεανοθραύστες γύρω από έναν τοίχο του λιμανιού: αυτό είναι γνωστό ως περίθλαση. Αυτά τα φαινόμενα παρέχουν αποδείξεις για την κυματοειδή φύση του φωτός.
Θεωρήθηκε από καιρό ότι, όπως ο ήχος, το φως πρέπει να ταξιδεύει μέσω κάποιου είδους μέσου. Σε αυτό δόθηκε το όνομα «αιθέρας», που μερικές φορές γράφεται «αιθέρας», και θεωρήθηκε ότι ήταν ένα αόρατο υλικό που γέμιζε χώρο, αλλά μέσα από το οποίο μπορούσαν να περάσουν ανεμπόδιστα στερεά αντικείμενα. Τα πειράματα που σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύσουν τον αιθέρα από την επίδρασή του στην ταχύτητα του φωτός προς διαφορετικές κατευθύνσεις, απέτυχαν να βρουν κανένα στοιχείο για αυτόν και η ιδέα τελικά απορρίφθηκε. Ήταν προφανές ότι το φως, και άλλες μορφές EMR, δεν απαιτούσαν κανένα μέσο και μπορούσαν να ταξιδέψουν μέσα στον κενό χώρο.
Μήκος κύματος και συχνότητα
Ακριβώς όπως ένα κύμα του ωκεανού, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα έχει κορυφές και κοιλότητες. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο πανομοιότυπων σημείων του κύματος από κύκλο σε κύκλο, για παράδειγμα, η απόσταση μεταξύ μιας κορυφής ή κορυφής και της επόμενης. Το EMR μπορεί επίσης να οριστεί ως προς τη συχνότητά του, που είναι ο αριθμός των κορυφών που περνούν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Όλες οι μορφές EMR ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα: την ταχύτητα του φωτός. Επομένως, η συχνότητα εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το μήκος κύματος: όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα.
Ενέργεια
Μικρότερο μήκος κύματος ή υψηλότερη συχνότητα, το EMR μεταφέρει περισσότερη ενέργεια από τα μεγαλύτερα μήκη κύματος ή τις χαμηλότερες συχνότητες. Η ενέργεια που μεταφέρεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα καθορίζει πώς επηρεάζει την ύλη. Τα ραδιοκύματα χαμηλής συχνότητας διαταράσσουν ήπια τα άτομα και τα μόρια, ενώ τα μικροκύματα τα αναγκάζουν να κινούνται πιο έντονα: το υλικό θερμαίνεται. Οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα έχουν πολύ μεγαλύτερη διάτρηση: μπορούν να σπάσουν χημικούς δεσμούς και να χτυπήσουν ηλεκτρόνια από άτομα, σχηματίζοντας ιόντα. Για το λόγο αυτό περιγράφονται ως ιονίζουσες ακτινοβολίες.
Η προέλευση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
Η σχέση μεταξύ φωτός και ηλεκτρομαγνητισμού καθιερώθηκε από το έργο του φυσικού James Clerk Maxwell τον 19ο αιώνα. Αυτό οδήγησε στη μελέτη της ηλεκτροδυναμικής, στην οποία τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως το φως, θεωρούνται ως διαταραχές ή «κυματισμοί» σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που δημιουργείται από την κίνηση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Σε αντίθεση με τον ανύπαρκτο αιθέρα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι απλώς η σφαίρα επιρροής ενός φορτισμένου σωματιδίου και όχι ένα απτό υλικό πράγμα.
Μεταγενέστερη εργασία, στις αρχές του 20ου αιώνα, έδειξε ότι το EMR είχε επίσης ιδιότητες που μοιάζουν με σωματίδια. Τα σωματίδια που συνθέτουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ονομάζονται φωτόνια. Αν και φαίνεται αντιφατικό, το EMR μπορεί να συμπεριφέρεται ως κύματα ή ως σωματίδια, ανάλογα με τον τύπο του πειράματος που διεξάγεται. Αυτό είναι γνωστό ως δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Ισχύει επίσης για υποατομικά σωματίδια, ολόκληρα άτομα και ακόμη και αρκετά μεγάλα μόρια, τα οποία μερικές φορές μπορεί να συμπεριφέρονται ως κύματα.
Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου εμφανίστηκε καθώς αναπτύχθηκε η κβαντική θεωρία. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το «κύμα» αντιπροσωπεύει την πιθανότητα εύρεσης ενός σωματιδίου, όπως ένα φωτόνιο, σε μια δεδομένη θέση. Η κυματοειδής φύση των σωματιδίων και η σωματιδιακή φύση των κυμάτων έχουν προκαλέσει μεγάλη επιστημονική συζήτηση και μερικές συγκλονιστικές ιδέες, αλλά καμία συνολική συναίνεση σχετικά με το τι σημαίνει στην πραγματικότητα.
Στην κβαντική θεωρία, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία παράγεται όταν τα υποατομικά σωματίδια απελευθερώνουν ενέργεια. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο μπορεί να απορροφήσει ενέργεια, αλλά πρέπει τελικά να πέσει σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας και να απελευθερώσει την ενέργεια ως EMR. Ανάλογα με το πώς παρατηρείται, αυτή η ακτινοβολία μπορεί να εμφανιστεί ως σωματίδιο ή ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
μπορείτε να χρησιμοποιήσετε
Ένα μεγάλο μέρος της σύγχρονης τεχνολογίας εξαρτάται από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ραδιόφωνο, η τηλεόραση, τα κινητά τηλέφωνα και το Διαδίκτυο βασίζονται στη μετάδοση EMR ραδιοσυχνοτήτων μέσω του αέρα, του διαστήματος ή των καλωδίων οπτικών ινών. Τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται για την εγγραφή και την αναπαραγωγή δίσκων DVD και CD ήχου χρησιμοποιούν φωτεινά κύματα για εγγραφή και ανάγνωση από τους δίσκους. Τα μηχανήματα ακτίνων Χ είναι απαραίτητο εργαλείο για την ιατρική και την ασφάλεια των αεροδρομίων. Στην επιστήμη, οι γνώσεις μας για το σύμπαν προέρχονται σε μεγάλο βαθμό από την ανάλυση του φωτός, των ραδιοκυμάτων και των ακτίνων Χ από μακρινά αστέρια και γαλαξίες.
Κίνδυνοι
Δεν θεωρείται ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής ενέργειας, όπως τα ραδιοκύματα, είναι επιβλαβή. Σε υψηλότερες ενέργειες, ωστόσο, το EMR ενέχει κινδύνους. Η ιονίζουσα ακτινοβολία, όπως οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα, μπορούν να σκοτώσουν ή να καταστρέψουν τα ζωντανά κύτταρα. Μπορούν επίσης να αλλάξουν το DNA, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο. Ο κίνδυνος για τους ασθενείς από τις ιατρικές ακτινογραφίες θεωρείται αμελητέος, αλλά οι ακτινογράφοι, που εκτίθενται σε αυτές τακτικά, φορούν ποδιές από μόλυβδο – τις οποίες οι ακτινογραφίες δεν μπορούν να διαπεράσουν – για να προστατευτούν. Το υπεριώδες φως, που υπάρχει στο ηλιακό φως, μπορεί να προκαλέσει ηλιακό έγκαυμα και μπορεί επίσης να προκαλέσει καρκίνο του δέρματος εάν η έκθεση είναι υπερβολική.