Elektromagneta radiado

Elektromagneta radiado estas radiado el elektra kampo (${\displaystyle {\vec {E}}}$) kaj magneta indukdenso (${\displaystyle {\vec {B}}}$) de fotonoj. La du kampoj estas ortaj inter si kaj havas fiksan rilaton.

Oni montras la relativajn ondolongojn de la elektromagnetaj ondoj de tri diferencaj koloroj de lumo (blua, verda kaj ruĝa) kun distanca skalo en mikrometroj laŭlonge de la ikso-akso.

Elektromagneta ondo: ligita oscilado de elektra kampo kaj magneta indukdenso, modelo de vibranta dupoluso, norma 3-dimensia sistemo de karteziaj koordinatoj: (${\displaystyle {\vec {v}}}$,${\displaystyle {\vec {E}}}$,${\displaystyle {\vec {B}}}$, ${\displaystyle {\vec {v}}}$ direkto de propago.)

La fizikisto James Clerk Maxwell en 1864 antaŭdiris elektromagnetajn ondojn surbaze de teoriaj kalkuloj kaj la ekvacioj poste nomitaj laŭ li. Li kalkulis, ke ili propagiĝas per lumrapido kaj tial jam (prave) supozis, ke videbla lumo konsistas el elektromagnetaj ondoj. En 1888 Heinrich Rudolf Hertz praktike demonstris la ekziston de elektromagnetaj ondoj.

Parto de videbla spektro

Elektromagnetaj ondoj havas diversajn frekvencojn ( f ), ligitajn al la ondolongo (λ) per la lumrapido c ( f·λ = c ). La rapido de iliaj fotonoj ne varias laŭ la moviĝo de la mezursistemo, sed estas absoluta kaj konstanta. Tiun fakton Albert Einstein eltrovis en sia speciala teorio de relativeco.

Elektromagnetaj ondoj montras fenomenojn, kiuj klare distingas ilin kiel ondojn, ekzemple interferon. Aliflanke ili montras ankaŭ fenomenojn, kiuj pruvas ilian partiklan naturon, ekzemple la fakton (lasero), ke la joniga kapablo de lumo dependas ne de ties intenso, sed de ties frekvenco. Elektromagnetaj ondoj do klare montras duoblan naturon, kaj sin tenas kiel ondoj kaj partikloj.

Fiziko

Proprecoj

Elektromagneta radiado estas produktita per akcelado de ŝarĝitaj partikloj kaj povas esti nature elsendita,^[1][2] kiel de la Suno kaj aliaj ĉielaj korpoj, aŭ artefarite generita por diversaj aplikoj. La energio en elektromagnetaj ondoj foje estas nomita "radia energio".^[3][4] La energio de la elektromagnetaj ondoj ne bezonas disvastigan medion por vojaĝi tra la spaco; ili moviĝas tra vakuo je la lumrapideco.^[5]

Elektromagnetaj ondoj povas esti imagitaj kiel mem-disvastiĝanta transversa oscila ondo de elektraj kaj magnetaj kampoj. Ĉi tiu 3D animacio montras ebenan linie polusigitan ondon disvastiĝantan de maldekstre dekstren. La elektraj kaj magnetaj kampoj en tia ondo estas en fazo unu kun la alia, atingante minimumojn kaj maksimumojn kune.

Elektraj kaj magnetaj kampoj obeas la ecojn de supermeto. Tiel, kampo pro iu aparta partiklo aŭ tempovaria elektra aŭ magneta kampo kontribuas al la ĉeestantaj kampoj en la sama spaco pro aliaj kaŭzoj. Plue, ĉar ili estas vektoraj kampoj, ĉiuj magnetaj kaj elektrokampaj vektoroj kuniĝas laŭ vektora aldono.^[6] Ekzemple, en optiko du aŭ pli da koheraj lum-ondoj povas interagi kaj per konstrua aŭ detrua interfero donas rezultan radiadon deviantan de la sumo de la komponentaj radiadoj de la individuaj lum-ondoj.^[7] La elektromagnetaj kampoj de lumo ne estas trafitaj per vojaĝado tra statikaj elektraj aŭ magnetaj kampoj en lineara medio kiel vakuo. Tamen, en neliniaj medioj, kiel ekzemple kelkaj kristaloj, interagadoj povas okazi inter lumo kaj statikaj elektraj kaj magnetaj kampoj - tiuj interagadoj inkludas la Faraday-efikon kaj la Kerr-efikon.^[8][9]

En refrakto, ondo transiranta de unu medio al alia de malsama denseco ŝanĝas siajn rapidecon kaj direkton sur enirado de la nova medio. La rilatumo de la refraktaj indicoj de la medio determinas la gradon da refrakto, kaj estas resumita per la leĝo de Snell. Lumo de kunmetitaj ondolongoj (natura sunlumo) disiĝas en videblan spektron pasantan tra prismo, pro la ondolong-dependa refrakta indico de la prisma materialo (dispersiĝo); tio estas, ĉiu komponentondo ene de la kunmetita lumo estas fleksita je malsama kvanto.^[10]

EM-radiado elmontras kaj ondotrajtojn kaj partiklajn trajtojn en la sama tempo (konata kiel ondo-partikla dueco). Kaj ondo- kaj partiklo-karakterizaĵoj estis konfirmitaj en multaj eksperimentoj. Ondokarakterizaĵoj estas pli verŝajnaj kiam EM-radiado estas mezurita super relative grandaj temposkaloj kaj super grandaj distancoj dum partiklo-karakterizaĵoj estas pli evidentaj dum mezurado de malgrandaj temposkaloj kaj distancoj. Ekzemple, kiam elektromagneta radiado estas sorbita de materio, partiklosimilaj proprecoj estos pli evidentaj kiam la averaĝa nombro da fotonoj en la kubo de la koncerna ondolongo estas multe pli malgranda ol 1. Ne estas tiel malfacile eksperimente observi ne-unuforman demetadon de energio kiam lumo estas sorbita, tamen tio sole ne estas pruvo de "partikla" konduto. Prefere, ĝi reflektas la kvantuman naturon de materio. ^[11] Kvantuma teorio de la interagado inter elektromagneta radiado kaj materio kiel ekzemple elektronoj estas priskribita per la teorio de kvantuma elektrodinamiko.

Elektromagnetaj ondoj povas esti polarigitaj, reflektitaj, refraktitaj aŭ difraktitaj, kaj povas influi unu la alian.^[12][13][14] Kelkaj eksperimentoj montras kaj la ondajn kaj la partiklajn naturojn de elektromagnetaj ondoj, kiel ekzemple la mem-interfero de ununura fotono.^[15] Kiam malalta intenseca lumo estas sendita tra interferometro, ĝi estos detektita per fotomultobligilo aŭ alia sentema detektilo nur laŭ unu brako de la aparato, kongrua kun partiklotrajtoj, kaj tamen la akumulita efiko de multaj tiaj detektoj estos interfero kongrua kun ondotrajtoj.

Ondomodelo

Reprezento de la vektoro de elektra kampo de ondo de cirkonference polusigita elektromagneta radiado.

En homogena, izotropa medio, elektromagneta radiado estas transversa ondo,^[16] signifante ke ĝiaj osciladoj estas perpendikularaj al la direkto de energiaj transigo kaj vojaĝado. Ĝi venas de la sekvaj ekvacioj:$${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$ Tiuj ekvacioj predikas, ke iu ajn elektromagneta ondo devas esti la magneta transversa ondo en kiu la kampo E kaj la elektra kampo B estas ambaŭ perpendikulara al la direkto de ondodisvastigo. La elektraj kaj magnetaj partoj de la kampo en elektromagneta ondo staras en fiksa proporcio de fortoj por kontentigi la du ekvaciojn de Maxwell kiuj precizigas kiel unu estas produktita de la alia. En disip-malpli (senperda) medio, tiuj E kaj B kampoj ankaŭ estas en fazo, kaj ambaŭ atingas maksimumojn kaj minimumojn ĉe la samaj punktoj en spaco.

En la malproksima kampo de EM-radiado kiu estas priskribita per la sen-dufontaj Maxwell-kirlaj ekvacioj, tempoŝanĝo en unu speco de kampo estas proporcia al la kirlo de la alia. Tiuj derivaĵoj postulas ke la kampoj E kaj B en EMR estas en fazo. Grava aspekto de la naturo de lumo estas ĝia frekvenco. La frekvenco de ondo estas ĝia indico de oscilado kaj estas mezurita en hercoj, la SI-unuo de frekvenco, en kiuj unu herco estas egala al unu oscilado je sekundo. Lumo kutime havas multoblajn frekvencojn kiuj sumiĝas por formi la rezultan ondon. Malsamaj frekvencoj spertas malsamajn angulojn de refrakto, fenomenon konatan kiel "disperso".

Monokromata ondo (ondo de ununura frekvenco) konsistas el sinsekvaj trogoj kaj krestoj, kaj la distanco inter du apudaj krestoj aŭ trogoj estas nomita la ondolongo. Ondoj de la elektromagneta spektro varias en grandeco, de tre longaj radiondoj pli longaj ol kontinento ĝis mallongegaj gamaradioj pli malgrandaj ol atomkernoj. Frekvenco estas inverse proporcia al ondolongo, laŭ la ekvacio:^[17]

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

kie v estas la ondorapido (c en vakuo aŭ malpli en aliaj medioj), f estas la frekvenco, kaj λ estas la ondolongo. Ĉar ondoj transiras limojn inter malsamaj medioj, iliaj rapidecoj ŝanĝiĝas sed iliaj frekvencoj restas konstantaj.

Elektromagnetaj ondoj en libera spaco devas esti solvoj de la elektromagneta ondo-ekvacio de Maxwell. Du ĉefaj klasoj de solvoj estas konataj, nome ebenaj ondoj kaj sferaj ondoj. La ebenaj ondoj povas esti rigarditaj kiel la limiga kazo de sferaj ondoj ĉe tre granda (ideale senfina) distanco de la fonto. Ambaŭ specoj de ondoj povas havi ondformon kiu estas arbitra tempofunkcio (tiel longe kiel ĝi estas sufiĉe diferencigebla por konformiĝi al la onda ekvacio). Kiel kun iu tempofunkcio, tio povas esti malkomponita per Fourier-analizo en sian frekvencan spektron, aŭ individuajn sinusoidajn komponentojn, ĉiu el kiuj enhavas ununuran frekvencon, amplitudon, kaj fazon. Tia komponentondo laŭdire estas monokromata.

Interfero estas la supermeto de du aŭ pli da ondoj rezultigantaj novan ondpadronon. Se la kampoj havas komponentojn en la sama direkto, ili konstrue interferas, dum kontraŭaj indikoj kaŭzas detruan interferon. Plie, multoblaj polussignaloj povas esti kombinitaj (t.e. interferitaj) por formi novajn statojn de polusiĝo, kiu estas konata kiel paralela polusiĝoŝtata generacio.^[18]

Aparatoj

Diagramo de bolometro.

Bolometro estas aparato, kiu mezuras la varmigan povumon de elektromagneta radiado. Bolometro konsistas el du ĉefelementoj:

• Varmosorbilo, ekzemple maldika metala lado
• Varmorezervujo (korpo tiel granda, ke ĝia temperaturo ne multe ŝanĝas)

La du elementoj estas ligitaj per varmokonduktilo.

Kiam radioj verŝiĝas sur la sorbilon, la sorbilo varmiĝas. La varmo trafluas tra la kondukilo en la rezervujon. Se la rapido de radia surverŝo estas sufiĉe granda, do la sorbilo hejtiĝas pli rapide ol la kapablo de la kondukilo forkondukti la troan varmon; termometro (ekz. termistoro) povas do mezuri la temperaturan diferencon inter la du ĉefelementojn kaj, tiele, la radian povumon.

Se la varmokapacito de la sorbilo estas ${\displaystyle C}$ (en ĵulo/kelvino), kaj la varmokonduktanco de la konduktilo estas ${\displaystyle G}$ (en vato/kelvino), do la tempa varmokonstanto estas ${\displaystyle \tau =C/G}$ (en sekundo). Ju pli granda estas la tempa varmokonstanto, des pli sentiva estas la bolometro.

Historio de rilataj malkovroj

Benjamin Franklin ĉirkaŭ la jaro 1750 esploradis elektrostatikon. Multaj tiamaj fizikistoj ekkonatiĝis kaj interesiĝis pri elektro, danke al liaj eksperimentoj pri fulmoj kaj iliaj proprecoj.^[19]

Franklin publikigis hipotezon, laŭ kiu elektrajn proprecojn kaŭzis iu elektra likvaĵo per sia abundo aŭ malabundo en materialoj. Kvankam malĝusta, lia teorio komencis la ĝisnunan kutimon uzi la simbolojn + kaj - por priskribi elektrajn ŝarĝojn.^[20]

Kulombo.

En la jaro 1785, Charles-Augustin de Coulomb verkis tri memuarojn pri elektro kaj magnetismo,^[21] en kiu li raportis, ke la forto inter du elektraj ŝargoj estas simila al la gravito, kaj ke la forto estas inverse proporcia al la kvadrato de la rekta distanco inter la partikloj, la ŝargo de ili estas proporcia al iliaj densecoj de elektra fluidaĵo. La vektora formulado de la kulomba leĝo laŭ la internacia sistemo de unuoj estas:

${\displaystyle {\vec {\mathbf {F} }}_{12}=q_{1}{\vec {\mathbf {E} }}_{2}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{q_{1}q_{2} \over r^{2}}\,\mathbf {\hat {r}} _{21}\ ,}$

kie

${\displaystyle {\vec {\mathbf {F} }}_{12}}$ estas la elektra forto inter la partiklo 1 kaj la partiklo 2,

${\displaystyle {\vec {\mathbf {E} }}_{2}}$ estas la elektra kampo de la partikulo 2, en la loko de la partiklo 1,

q₁ et q₂ estas la respektivaj elektraj ŝargoj de la partikloj 1 et 2,

${\displaystyle r=|{\vec {\mathbf {r} }}_{1}-{\vec {\mathbf {r} }}_{2}|}$ estas la distanco inter la partikloj 1 kaj 2, t.e.

${\displaystyle \mathbf {\hat {r}} _{21}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {{\vec {\mathbf {r} }}_{1}-{\vec {\mathbf {r} }}_{2}}{\vert {\vec {\mathbf {r} }}_{1}-{\vec {\mathbf {r} }}_{2}\vert }}}$ estas vektoro indikanta la direkton de la forto suferita de partiklo 1 fare de partiklo 2, kaj

${\displaystyle {\frac {1}{4\pi \epsilon _{o}}}=8.988\times 10^{9}\,[{\frac {Nm^{2}}{C^{2}}}]}$ estas elektra konstanto, foje nomata kulomba konstanto.

Gaŭso.

Johann Carl Friedrich Gauss, matematikisto kaj sciencisto, en la jaro 1813, formulis la teoremon pri la inversa kvadrata leĝo de kampoj,^[22] kaj deduktis sian gaŭsan leĝon, kiu poste konsideriĝis kiel aparta kazo de la nuna nomita teoremo de Stokes.^[23] Aplikante la gaŭsan leĝon oni deduktas la kulomban leĝon, kaj per la diverĝenca teoremo (foje ankaŭ nomita gaŭsa teoremo) oni obtenas la gaŭsan elektrostatikan formulon sub la diferenciala formo de hodiaŭ:

${\displaystyle \nabla \cdot {\vec {\mathbf {E} }}=\rho /\epsilon _{o}\,,}$

kie ${\displaystyle \nabla \cdot }$ estas la diverĝenco, ${\displaystyle \rho }$ estas la loka denso de elektra ŝargo ĉirkaŭ la konsiderita punkto, se estas pluraj elektre ŝargitaj partikloj en iu volumeno, sekve ke ${\displaystyle {\vec {\mathbf {E} }}}$ estas la rezulta elektra kampo kreita de tiuj partikloj.

Nigrakorpa radiado

Nigra-korpa radiado estas la varma elektromagneta radiado ene, aŭ ĉirkaŭ, korpo en termodinamika ekvilibro kun sia medio, elsendita de nigra korpo (idealigita netravidebla, nereflekta korpo). Ĝi havas specifan, kontinuan spektron de ondolongoj, inverse rilataj al intenseco, kiu dependas nur el la korpa temperaturo, kio estas akceptita, je konto de kalkuloj kaj teorio, kiel uniforma kaj konstanta.^{[24][25][26][27]}

Dum la temperaturo de nigra korpo malpliiĝas, ankaŭ ties intenseco malpliiĝas kaj ties pinto moviĝas al pli longaj ondolongoj.

Max Planck

En 1894, Max Planck turnis sian atenton al la problemo de la nigra-korpa radiado. Tiu problemo estis jam starigita de Kirchhoff en 1859: "kiel la intenseco de la elektromagneta radiado elsendita de nigra korpo (perfekta absorbanto, konata ankaŭ kiel kavaĵa radianto) dependas el la frekvenco de la radiado (t.e., la koloro de la lumo) kaj el la temperaturo de la korpo?". La demando estis esplorita eksperimente, sed neniu teoria traktado kongruis kun la eksperimentaj valoroj. Wilhelm Wien proponis la leĝon de Wien, kiu ĝuste antaŭdiris la kutimaron je altaj frekvencoj, sed malsukcesis je malaltaj frekvencoj. La Leĝo Rayleigh–Jeans, nome alia alproksimiĝo al la problemo, kongruis kun la eksperimentaj rezultoj je malaltaj frekvencoj, sed kreis tion kio estis poste konata kiel la "ultraviola katastrofo" je altaj frekvencoj. Tamen, kontraŭ multaj lernolibroj, tio ne estis motivado por Planck.^[28]

Planck reviziis sian unuan alproksimiĝon al la nigra-korpa radiado, fidante al la statistika interpretado fare de Boltzmann de la dua leĝo de termodinamiko kiel vojo akiri pli fundamentan komprenon de la principoj malantaŭ sia radiad-leĝo.

La unua proponita solvo de Planck al la problemo en 1899 sekvis el tio kion Planck nomis la "principo de elementa disordo", kio ebligis, ke li derivu la leĝon de Wien el nombraj supozoj pri la entropio de ideala oscilado, kreante tion kio estis referencita kiel la leĝo Wien–Planck. Tuj oni trovis, ke eksperimenta pruvaro ne konfirmis la novan leĝon entute, ĝis Planck alvenis al frustracio. Planck reviziis sian alproksimiĝon, derivante la unuan version de la fama Leĝo de Planck pri la nigra-korpa radiado, kiu bone priskribis la eksperimente observitan nigra-korpan spektron. Ĝi estis por la unua fojo proponita en kunsido de DPG la 19an de Oktobro 1900 kaj publikigita en 1901. Tiu unua derivaĵo ne inkludis energikvantigon, kaj ne uzis statistikan mekanikon, por kio li sentis malinklinon. En Novembro 1900 Planck reviziis tiun unuan alproksimiĝon, fidante al la statistika interpretado fare de Boltzmann de la dua leĝo de termodinamiko kiel vojo akiri pli fundamentan komprenon de la principoj malantaŭ sia radiad-leĝo. Ĉar Planck estis tre malfidaj de la filozofiaj kaj fizikaj implikoj de tia interpretado de la alproksimiĝo fare de Boltzmann, lia reago estis, kiel li mem poste asertis, "ago de malespero ... Mi estis preta oferi ajnan el miaj antaŭaj konvinkoj pri fiziko".^[28]

La centra dedukto malantaŭ lia nova derivaĵo, prezentita al la DPG la 14an de Decembro 1900, estis la supozo, nune konata kiel la postulato de Planck, ke elektromagneta energio povus esti elsendita nur en kvantigita formo, alivorte, la energio povus esti nur multoblo de elementa unuo:

${\displaystyle E=h\nu }$

kie h estas la Konstanto de Planck, konata ankaŭ kiel kvantuma agado de Planck (jam enkondukita en 1899), kaj ν estas la frekvenco de la radiado. Oni notu, ke la elementaj unuoj de energio tie studitaj estas reprezentataj per hν kaj ne simple per ν. Fizikistoj nune nomas tiujn kvantumaj fotonoj, kaj fotono de frekvenco ν havos sian propran specifan kaj unikam energion. La totala energio je tiu frekvenco estas tiam egala al hν multobligita per la nombro de fotonoj je tiu frekvenco.

Optika sorbo

Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Optika sorbo.

Substanco kiu sorbas la tutan lumon (la tutan luma spektro) estas karakterizita per nigra koloro. La energio en la lumo igas la korpon varmiĝi.

Sorbado de elektromagneta radiado (aŭ en speciala kazo kaj ankaŭ simple dirite Lumosorbado) estas la procezo de perdo de energio per fluo de elektromagneta radiado pro interago kun materio. Ĝi estas fizika interago en kiu lumo liberigas sian energion en materion. Lumo-sorbado estas speciala kazo de la pli ĝenerala fizika fenomeno de sorbado. Kiam elektromagneta radiado estas sorbita, elektrono en atomo iras de energie pli favora stato al stato kun pli alta energio, tio okazas per la "elektronsalto". Tio estas nomita elektronika ekscito. La inversa procezo al lumsorbado estas spontanea lum-emisio. Lumo estas elsendita de materio, per kio la interna energio de la materio malpliiĝas je la responda energiproporcio.^[29]

Vidu ankaŭ

• fotono
• radioondo
• radiofonio
• mikroondoj
• infraruĝa radiado
• kosma fona radiado
• videbla spektro
• lumo
• ultraviola radiado
• ikso-radioj
• gamo-radioj
• spektra linio
• detektilo