Bức xạ điện từ là gì

Trong vật lý, bức xạ điện từ ( bức xạ EM hay EMR ) dùng để chỉ các sóng (hoặc lượng tử , photon của chúng) của trường điện từ , lan truyền (bức xạ) trong không gian, mang theo năng lượng bức xạ điện từ. Nó bao gồm sóng vô tuyến , vi sóng , tia hồng ngoại , ánh sáng (nhìn thấy được) , tia cực tím , tia X và tia gamma .

Về mặt cổ điển, bức xạ điện từ bao gồm sóng điện từ , là dao động đồng bộ của điện trường và từ trường . Trong chân không, sóng điện từ truyền với tốc độ ánh sáng , thường được ký hiệu là c . Trong môi trường đồng chất, đẳng hướng, dao động của hai trường vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền năng lượng và phương truyền sóng, tạo thành sóng ngang.

Mặt sóng của sóng điện từ phát ra từ một nguồn điểm (chẳng hạn như bóng đèn) là một hình cầu. Vị trí của sóng điện từ trong phổ điện từ có thể được đặc trưng bởi tần số dao động hoặc bước sóng của nó . Sóng điện từ có tần số khác nhau được gọi bằng các tên khác nhau vì chúng có các nguồn và tác động khác nhau lên vật chất. Theo thứ tự tần số tăng dần và bước sóng giảm dần đó là: sóng vô tuyến, vi sóng, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tử ngoại, tia X và tia gamma.

Sóng điện từ được phát ra bởi các hạt mang điện khi trải qua gia tốc, và những sóng này sau đó có thể tương tác với các hạt mang điện khác, tác dụng lực lên chúng. Sóng EM mang năng lượng , động lượng và mômen động lượng ra khỏi hạt nguồn của chúng và có thể truyền các đại lượng đó cho vật chất mà chúng tương tác.

Bức xạ điện từ liên kết với những sóng EM tự do truyền đi (“bức xạ“) mà không bị ảnh hưởng liên tục của các điện tích chuyển động tạo ra chúng, bởi vì chúng đã đạt được khoảng cách đủ từ các điện tích đó. Do đó, EMR đôi khi được gọi là trường xa. Trong ngôn ngữ này, trường gần dùng để chỉ các trường EM gần các điện tích và dòng điện trực tiếp tạo ra chúng, cụ thể là hiện tượng cảm ứng điện từ và cảm ứng tĩnh điện .

Trong cơ học lượng tử , một cách khác để xem EMR là nó bao gồm các photon , các hạt cơ bản không tích điện có khối lượng nghỉ bằng không , là lượng tử của lực điện từ , chịu trách nhiệm cho tất cả các tương tác điện từ. Điện động lực học lượng tử là lý thuyết về cách EMR tương tác với vật chất ở cấp độ nguyên tử.

Hiệu ứng lượng tử cung cấp thêm các nguồn EMR, chẳng hạn như sự chuyển đổi của các điện tử xuống mức năng lượng thấp hơn trong nguyên tử và bức xạ vật đen . Năng lượng của một photon riêng lẻ được lượng tử hóa và lớn hơn đối với các photon có tần số cao hơn.

Mối quan hệ này được đưa ra bởi phương trình Planck E = hf , trong đó E là năng lượng trên mỗi photon, f là tần số của photon và h là hằng số Planck . Ví dụ, một photon tia gamma có thể mang năng lượng gấp ~ 100.000 lần năng lượng của một photon ánh sáng khả kiến.

Ảnh hưởng của EMR đối với các hợp chất hóa học và sinh vật sinh học phụ thuộc cả vào công suất và tần số của tia bức xạ . EMR của tần số nhìn thấy hoặc tần số thấp hơn (tức là ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, vi sóng và sóng vô tuyến) được gọi là bức xạ không ion hóa , bởi vì các photon của nó không có đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử hoặc phá vỡ các liên kết hóa học.

Ảnh hưởng của những bức xạ này lên các hệ thống hóa học và mô sống chủ yếu là do hiệu ứng gia nhiệt từ sự truyền năng lượng tổng hợp của nhiều photon. Ngược lại, tia cực tím, tia X và tia gamma tần số cao được gọi là bức xạ ion hóa , vì các photon riêng lẻ có tần số cao như vậy có đủ năng lượng để ion hóaphân tử hoặc phá vỡ liên kết hóa học .

Những bức xạ này có khả năng gây ra các phản ứng hóa học và làm hỏng các tế bào sống, ngoài ra còn có thể gây ra bởi quá trình sưởi ấm đơn giản và có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Phương trình Maxwell

James Clerk Maxwell đã suy ra một dạng sóng của các phương trình điện và từ , do đó khám phá ra bản chất giống như sóng của điện trường và từ trường và tính đối xứng của chúng . Vì tốc độ của sóng EM được dự đoán bằng phương trình sóng trùng với tốc độ ánh sáng đo được , Maxwell kết luận rằng bản thân ánh sáng là sóng EM. Phương trình Maxwell đã được xác nhận bởi Heinrich Hertz thông qua các thí nghiệm với sóng vô tuyến.

Theo phương trình Maxwell , một điện trường biến thiên trong không gian luôn gắn liền với một từ trường thay đổi theo thời gian.  Tương tự như vậy, từ trường thay đổi theo không gian có liên quan đến những thay đổi cụ thể theo thời gian trong điện trường. Trong sóng điện từ, sự thay đổi của điện trường luôn đi kèm với sóng trong từ trường theo một hướng và ngược lại.

Mối quan hệ này giữa cả hai xảy ra mà không có loại trường nào gây ra trường kia; đúng hơn, chúng xảy ra cùng nhau theo cùng một cách mà những thay đổi về thời gian và không gian xảy ra cùng nhau và được liên kết với nhau trong thuyết tương đối hẹp.

Trên thực tế, từ trường có thể được xem như điện trường trong một hệ quy chiếu khác, và điện trường có thể được xem như từ trường trong một hệ quy chiếu khác, nhưng chúng có ý nghĩa như nhau vì vật lý giống nhau trong tất cả các hệ quy chiếu, vì vậy Mối quan hệ chặt chẽ giữa những thay đổi không gian và thời gian ở đây không chỉ là sự tương tự.

Cùng với nhau, các trường này tạo thành một sóng điện từ lan truyền, di chuyển ra ngoài không gian và không bao giờ cần tương tác lại với nguồn. Trường EM ở xa được hình thành theo cách này bởi gia tốc của một điện tích mang theo năng lượng mà nó “bức xạ” ra ngoài không gian, do đó có thuật ngữ này.

Các lĩnh vực gần và xa

Các phương trình của Maxwell thiết lập rằng một số điện tích và dòng điện (“nguồn”) tạo ra một loại trường điện từ cục bộ gần chúng mà không có hoạt động của EMR. Dòng điện trực tiếp tạo ra một từ trường, nhưng nó thuộc loại lưỡng cực từ trường sẽ chết dần theo khoảng cách với dòng điện.

Theo cách tương tự, các điện tích chuyển động bị đẩy ra xa trong vật dẫn bởi điện thế thay đổi (chẳng hạn như trong ăng-ten) tạo ra điện trường kiểu lưỡng cực điện, nhưng trường này cũng giảm theo khoảng cách. Các trường này tạo nên trường gầngần nguồn EMR.

Cả hai hành vi này đều không gây ra bức xạ EM. Thay vào đó, chúng gây ra hành vi trường điện từ chỉ truyền điện một cách hiệu quả đến máy thu rất gần nguồn, chẳng hạn như cảm ứng từ bên trong máy biến áp hoặc hành vi phản hồi xảy ra gần cuộn dây của máy dò kim loại .

Thông thường, các trường gần có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các nguồn của chính chúng, gây ra tăng “tải” (giảm điện kháng) trong nguồn hoặc máy phát, bất cứ khi nào năng lượng bị máy thu rút khỏi trường EM.

Nếu không, các trường này sẽ không “truyền” tự do ra ngoài không gian, mang năng lượng của chúng đi không giới hạn khoảng cách, mà dao động, trả lại năng lượng của chúng cho máy phát nếu nó không được máy thu nhận. [ cần dẫn nguồn ]

Ngược lại, trường xa EM bao gồm bức xạ không có trong máy phát theo nghĩa là (không giống như trường hợp trong máy biến điện) máy phát yêu cầu cùng một công suất để gửi những thay đổi này trong trường ra ngoài, cho dù tín hiệu nhặt ngay lập tức hoặc không.

Phần xa của trường điện từ là “bức xạ điện từ” (còn gọi là trường xa ). Trường xa lan truyền (bức xạ) mà không cho phép máy phát ảnh hưởng đến chúng. Điều này khiến chúng độc lập theo nghĩa là sự tồn tại và năng lượng của chúng, sau khi chúng rời khỏi máy phát, hoàn toàn độc lập với cả máy phát và máy thu. Do bảo toàn năng lượng, điện lượng đi qua bất kỳ mặt cầu nào được vẽ xung quanh nguồn là như nhau.

Bởi vì bề mặt như vậy có diện tích tỷ lệ với bình phương khoảng cách của nó từ nguồn, mật độ công suất của bức xạ EM luôn giảm theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách từ nguồn; đây được gọi là luật nghịch đảo bình phương .

Điều này trái ngược với các phần lưỡng cực của trường EM gần nguồn (trường gần), thay đổi công suất theo định luật công suất khối lập phương nghịch đảo, và do đó không vận chuyển một lượng năng lượng bảo toàn qua các khoảng cách, mà thay vào đó giảm dần. với khoảng cách, với năng lượng của nó (như đã lưu ý) nhanh chóng quay trở lại máy phát hoặc bị máy thu gần đó hấp thụ (chẳng hạn như cuộn thứ cấp của máy biến áp).

Trường xa (EMR) phụ thuộc vào một cơ chế tạo ra nó khác với trường gần và dựa trên các thuật ngữ khác nhau trong phương trình Maxwell. Trong khi phần từ của trường gần là do dòng điện trong nguồn, từ trường trong EMR chỉ do sự thay đổi cục bộ trong điện trường.

Theo cách tương tự, trong khi điện trường trong trường gần là do trực tiếp các điện tích và sự phân tách điện tích trong nguồn, thì điện trường trong EMR là do sự thay đổi trong từ trường cục bộ. Cả hai quy trình sản xuất điện trường và từ trường EMR đều có sự phụ thuộc vào khoảng cách khác với từ trường và điện trường lưỡng cực gần. Đó là lý do tại sao loại EMR của trường EM trở nên chiếm ưu thế về quyền lực “ở xa” các nguồn.

Một quan điểm nhỏ gọn hơn về EMR là trường xa tạo ra EMR nói chung là một phần của trường EM đã đi đủ khoảng cách từ nguồn, đến mức nó hoàn toàn bị ngắt kết nối khỏi bất kỳ phản hồi nào đối với các điện tích và dòng điện mà ban đầu gây ra cho nó. Bây giờ không phụ thuộc vào các điện tích nguồn, trường EM, khi nó di chuyển ra xa hơn, chỉ phụ thuộc vào gia tốc của các điện tích tạo ra nó. Nó không còn có mối liên hệ chặt chẽ với các trường trực tiếp của các điện tích hoặc với vận tốc của các điện tích (dòng điện)

Trong công thức thế năng Liénard – Wiechert của điện trường và từ trường do chuyển động của một hạt đơn lẻ (theo phương trình Maxwell), các số hạng liên quan đến gia tốc của hạt là các số hạng chịu trách nhiệm cho một phần của trường được coi là bức xạ điện từ. Ngược lại, thuật ngữ liên quan đến điện trường thay đổi của hạt và thuật ngữ từ tính sinh ra từ vận tốc đồng đều của hạt, đều liên quan đến trường gần điện từ và không bao gồm bức xạ EM.

Thuộc tính

Điện động lực học là vật lý của bức xạ điện từ, và điện từ học là hiện tượng vật lý gắn liền với lý thuyết điện động lực học. Điện trường và từ trường tuân theo các tính chất của chất chồng chất .

Do đó, một trường do bất kỳ hạt cụ thể nào hoặc điện trường biến thiên theo thời gian đóng góp vào các trường hiện diện trong cùng một không gian do các nguyên nhân khác. Hơn nữa, vì chúng là trường vectơ , tất cả các vectơ từ trường và điện trường cộng lại với nhau theo phép cộng vectơ .

Ví dụ, trong quang học, hai hoặc nhiều sóng ánh sáng kết hợp có thể tương tác và bằng cách giao thoa xây dựng hoặc triệt tiêutạo ra một bức xạ kết quả lệch khỏi tổng các bức xạ thành phần của các sóng ánh sáng riêng lẻ

Các trường điện từ của ánh sáng không bị ảnh hưởng khi đi qua điện trường tĩnh hoặc từ trường trong môi trường tuyến tính như chân không. Tuy nhiên, trong môi trường phi tuyến, chẳng hạn như một số tinh thể , tương tác có thể xảy ra giữa ánh sáng và điện trường tĩnh và từ trường – những tương tác này bao gồm hiệu ứng Faraday và hiệu ứng Kerr .

Trong sự khúc xạ , một sóng truyền từ môi trường này sang môi trường khác có mật độ khác nhau sẽ làm thay đổi tốc độ và hướng của nó khi đi vào môi trường mới. Tỷ số chiết suất của môi trường xác định mức độ khúc xạ, và được tóm tắt bởi định luật Snell . Ánh sáng có bước sóng tổng hợp (ánh sáng mặt trời tự nhiên) phân tán thành quang phổ nhìn thấy khi đi qua lăng kính, vì chiết suất phụ thuộc bước sóng của vật liệu làm lăng kính ( tán sắc ); nghĩa là, mỗi sóng thành phần trong ánh sáng composite bị bẻ cong một lượng khác nhau.

Bức xạ EM thể hiện cả tính chất sóng và tính chất hạt cùng một lúc (xem đối ngẫu sóng-hạt). Cả hai đặc tính sóng và hạt đã được xác nhận trong nhiều thí nghiệm. Đặc tính sóng rõ ràng hơn khi bức xạ EM được đo trên các khoảng thời gian tương đối lớn và trên khoảng cách lớn trong khi các đặc tính của hạt rõ ràng hơn khi đo khoảng thời gian và khoảng cách nhỏ.

Ví dụ, khi bức xạ điện từ bị vật chất hấp thụ, các tính chất giống như hạt sẽ rõ ràng hơn khi số photon trung bình trong khối lập phương có bước sóng liên quan nhỏ hơn nhiều so với 1. Thực nghiệm không quá khó để quan sát sự lắng đọng không đồng nhất. năng lượng khi ánh sáng bị hấp thụ, tuy nhiên, điều này không phải là bằng chứng của hành vi “hạt”. Đúng hơn, nó phản ánh bản chất lượng tử của vật chất . Việc chứng minh rằng bản thân ánh sáng được lượng tử hóa, không chỉ đơn thuần là tương tác của nó với vật chất, là một vấn đề phức tạp hơn.

Một số thí nghiệm cho thấy cả bản chất sóng và hạt của sóng điện từ, chẳng hạn như sự tự giao thoa của một photon .  Khi một photon được gửi qua giao thoa kế , nó sẽ đi qua cả hai con đường, gây nhiễu cho chính nó, giống như các sóng, nhưng chỉ được phát hiện bởi một bộ nhân quang hoặc máy dò nhạy khác một lần.

Một lý thuyết lượng tử của sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất như electron được mô tả bởi lý thuyết về điện động lực học lượng tử .

Sóng điện từ có thể phân cực , phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ hoặc giao thoa với nhau.