Elektromagnetno zračenje

 

U fizici, elektromagnetno zračenje (EM zračenje ili EMR) odnosi se na talase (ili njihove kvante, fotona) elektromagnetnog polja, koje se širi (zrači) kroz svemir, noseći elektromagnetnu energiju zračenja.^[1] Uključuje radio talasa, mikrotalasne pećnice, infracrvenu, (vidljivu) svjetlost, ultraljubičasto, rendgenska i gama zrake.^[2]

Klasično, elektromagnetno zračenje sastoji se od elektromagnetnih talasa, koji su sinhronizirane oscilacije električnog i magnetnih polja. U vakuumu, elektromagnetni talasi putuju brzinom svjetlosti, obično označenom sa c. U homogenim, izotropnim medijima, oscilacije dvaju polja međusobno su okomite i okomite na smjer širenja energije i talasa, formirajući poprečni talas. Talasni front elektromagnetnih talasaa koji se emituju iz tačkastog izvora (kao što je sijalica) je sferan. Položaj elektromagnetnog talasa unutar elektromagnetnog spektra može se okarakterizirati ili njegovom frekvencijom oscilacije ili talasnom dužinom. Elektromagnetni talasi različite frekvencije nazivaju se različitim imenima, jer imaju različite izvore i efekte na materiju. Redom za povećanje frekvencije i smanjivanje talasne dužine to su: radio talasi, mikrotalasi, infracrveno zračenje, vidljiva svetlost, ultraljubičasto zračenje, X-zrake i gama zrake.^[3]

Elektromagnetni talasi emitiraju se električno nabijenim česticama pod ubrzanjem,^[4][5] i mogu naknadno stupiti u interakciju s drugim nabijenim česticama, vršeći silu na njih. EM talasi nose energiju, zamah i ugaoni zamah dalje od izvorne čestice i mogu dati one količine materija kojima su u interakciji. Elektromagnetno zračenje povezano je s onim EM talasima koji se mogu sami širiti („zračiti“) bez trajnog uticaja pokretnih naboja koji su ih proizveli, jer su postigli dovoljnu udaljenost od tih naboja. Stoga se EMR ponekad naziva i daleko polje. U ovom jeziku, blisko polje odnosi se na EM polja u blizini naboja i struje koja ih je direktno proizvela, posebno pojave zvane elektromagnetna i elektrostatička indukcija.

U kvantnoj mehanici, alternativni način gledanja EMR-a je taj da se sastoji od fotona, nenapunjenih elementarnih čestica s nultom masom mirovanja koji su kvantovi elektromagnetnog polja, odgovornog za sve elektromagnetske interakcije.^[6] Kvantna elektrodinamika je teorija o tome kako EMR djeluje s materijom na atomskom nivou.^[7] Kvantni efekti pružaju dodatne izvore EMR-a, poput tranzicije elektrona na niže nivoe energija u atomu i zračenje crnog tijela.^[8] Energija pojedinačnog fotona je kvantizirana i veća je za fotone više frekvencije. Ovaj odnos daje Planckova jednadžba E = hf, gdje je E = energija po fotonu, f = frekvencija fotona, a h = Planckova konstanta. Naprimjer, jedan foton gama zraka može nositi ~100.000 puta veću energiju pojedinog fotona vidljive svjetlosti.

Efekti EMR-a na hemijske spojeve i biološke organizme ovise, kako o snazi zračenja tako i o njegovoj učestalosti. EMR vidljivih ili nižih frekvencija (tj. vidljive i infracrvene svetlosti, mikrotalasa i radio talasa) naziva se neionizirajuće zračenje, jer njegovi fotoni nemaju pojedinačno dovoljno energije da joniziraju atom ili molekulu ili da prekidaju hemijsku vezu. Efekti ovih zračenja na hemijske sisteme i živo tkivo uzrokovani su prvenstveno efektima zagreijavanja od kombiniranog prijenosa energije mnogih fotona. Suprotno tome, visokofrekventna ultraljubičasta zračenja i gama zrake nazivaju se ionizirajuće zračenje, jer pojedinačni fotoni tako visoke frekvencije imaju dovoljno energije da ionizuje molekule ili razbiju hemijske veze. Ova zračenja imaju sposobnost da izazovu hemijsku reakciju i oštete žive ćelije, osim onih koje nastaju jednostavnim zagrijavanjem i mogu predstavljati opasnost po zdravlje.

 

James Clerk Maxwell izveo je Oblik talasa električnih i magnetskih jednadžbi, otkrivajući tako prirodu talasastih električnih i magnetskih polja i njihovu simetriju. Budući da se brzina EM talasa predviđena ovom jednadžbom poklapala s izmjerenom brzinom svjetlosti, Maxwell je zaključio da je i sama svjetlost EM talas.^[9][10] Maxwellove jednadžbe potvrdio je Heinrich Hertz eksperimentima sa radio talasima.

Prema Maxwellovim jednadžbama, prostorno promenljivo električno polje uvek je povezano sa magnetnim poljem koje se mijenja tokom vremena .^[11] Slično tome, prostorno promjenjivo magnetno polje povezano je sa određenim promjenama u električnom polju tokom vremena. U elektromagnetnom talasu promjene u električnom polju uvijek prati talas u magnetnom polju u jednom smjeru i obrnuto. Ova veza između njih dvoje se javlja bez toga da bilo koja vrsta polja uzrokuje drugo. Događaju se zajedno, na isti način na koji se vremenske i prostorne promjene događaju zajedno i međusobno su povezane specijalnom relativnošću. Zapravo, magnetna polja mogu se gledati kao električna polja u drugom referentnom okviru, a električna polja mogu se gledati kao magnetna polja u drugom referentnom okviru, ali imaju jednak značaj, jer je fizika ista u svim referentnim okvirima, tako da blizak odnos između prostora i vremena ovdje je više od analogije. Ova polja zajedno tvore elektromagnetni talas koji se širi i odmiče u svemir i više nikada ne mora stupiti u interakciju s izvorom. Daleko EM polje nastalo na ovaj način ubrzanjem naboja sa sobom nosi energiju koja se "zrači" kroz svemir, pa otuda i pojam.

 

Elektrodinamika je fizika elektromagnetnog zračenja, a elektromagnetizam je fizički fenomen povezan sa teorijom elektrodinamike. Električna i magnetna polja podvrgavaju se svojstvima superpozicije. Dakle, polje zbog bilo koje određene čestice ili vremenski promenljivo električno ili magnetno polje doprinosi poljima koja se nalaze u istom prostoru zbog drugih uzroka. Dalje, kako su to vektorska polja, svi se vektori magnetnog i električnog polja zbrajaju prema adiciji vektora.

Bilo koji broj elektromagnetnih talasa može se širiti kroz isto područje bez međusobnog utjecaja. Polje E u vremenskoj tački prostora je vektorski zbir električnih polja pojedinačnih talasa, a isto vrijedi i za B. Naprimjer, u optici dva ili više koherentnih svjetlosnih talasa mogu međudjelovati i konstruktivnim ili destruktivnim interferencijskim pojavama, rezultirajuće zračenje odstupa od zbira zračenja pojedinačnih svjetlosnih komponenti.

Putovanje kroz statička električna ili magnetna polja u linearnom mediju, kao što je vakuum ne utiče na elektromagnetna polja svjetlosti. Međutim, u nelinearnim medijima, poput nekih kristala, mogu se pojaviti interakcije između svjetlosti i statičkih električnih i magnetnih polja – te interakcije uključuju i Faradayov efekt i Kerrov efekt.^[12][13]

U refrakciji, talas koji prelazi iz jednog u drugi medij različite gustoće mijenja svoju brzinu i smjer pri ulasku u novi medij. Odnos indeksa loma medija određuje stepen refrakcije i sažet je u Snellov zakon. Svjetlost kompozitnih talasnih dužina (prirodne sunčeve svjetlosti) raspršuje se u vidljivi spektar koji prolazi kroz prizmu, zbog indeksa refrakcije prizmolikog materijala koji ovisi o talasnoj dužini (disperzije); to jest, svaki komponentni talas unutar kompozitnog svjetla ima savijenu i različitu količinu.^[14]

EM zračenje istovremeno pokazuje svojstva talasa i svojstva čestica. Karakteristike talasa i čestica potvrđene su u mnogim eksperimentima. Karakteristike talasa su očiglednije kada se EM zračenje mjeri na relativno velikim vremenskim skalama i na velikim udaljenostima, dok su karakteristike čestica očiglednije kada se mjere mali vremenski okviri i udaljenosti. Naprimjer, kada tvar apsorbira elektromagnetno zračenje, svojstva nalik česticama bit će očiglednija kada je prosječni broj fotona u kocki odgovarajuće talasne dužine mnogo manji od 1. Nije tako teško eksperimentalno promatrati nejednoliko taloženje energije kada se svjetlost apsorbira, ali samo to, nije dokaz ponašanja "čestica". Umjesto toga, odražava kvantnu prirodu "materije".^[15] Demonstriranje da je sama svjetlost kvantizirana, a ne samo njena interakcija s materijom, suptilnija je stvar.

Neki eksperimenti prikazuju i talasnu i čestičnu prirodu elektromagnetnih talasa, poput samointerferencije pojedinog fotona.^[16] Kada se jedan foton pošalje kroz interferometar, on prolazi kroz obje staze, interferirajući, kao što to čine talasi, ali ga fotomultipler ili drugi osjetljivi detektor otkriva samo jednom.

Kvantna teorija interakcije između elektromagnetnog zračenja i materije kao što su elektroni opisana je teorijom kvantna elektrodinamika.

Elektromagnetni talasi mogu biti polarizirani, reflektirani, lomljeni, difraktirani ili ometati jedni druge.^[17][18][19]

 

U homogenim, izotropnim medijima, elektromagnetno zračenje je poprečni talas,^[20] što znači da su njegove oscilacije okomite na smjer prijenosa i putovanja energije. Električni i magnetni dijelovi polja stoje u fiksnom omjeru jakosti kako bi se zadovoljile dvije Maxwellove jednadžbe koje određuju kako se jedan proizvodi od drugog. U medijima bez rasipanja (bez gubitaka), ova polja E i B također su u fazi, dostižući maksimume i minimume na istim tačkama u prostoru (vidi ilustracije). Uobičajena zabluda je da su polja E i B u elektromagnetnom zračenju izvan faze, jer promjena jednog proizvodi drugo, što bi stvorilo faznu razliku između njih, kao sinusoidnih funkcija (kao što se zaista događa u elektromagnetnoj indukciji i u bliskom polju blizu antena). Međutim, u EM zračenju dalekog polja koje je opisano s dvije Maxwellove jednadžbe bez izvora) tačniji je opis da je vremenska promjena u jednom tipu polja proporcionalna promjena prostora u drugom. Ovi derivati zahtijevaju da polja E i B u EMR budu u fazi .

Važan aspekt prirode svjetlosti je frekvencija. Frekvencija talasa je njegova brzina oscilacije i mjeri se u hercima, SI jedinici frekvencije, gdje je jedan herc jednak jednom osciliranju po sekundi. Svjetlost obično ima više frekvencija koje se zbrajaju da bi stvorile rezultujući talas. Različite frekvencije prolaze pod različitim uglovima loma, što je fenomen poznat kao disperziji.

Monohromatski talas (talas jedne frekvencije) sastoji se od uzastopnih korita i grebena, a udaljenost između dva susjedna grebena ili korita naziva se talasna dužina. Talasi elektromagnetnog spektra variraju u veličini, od vrlo dugih radiotalasa dužih od kontinenta do vrlo kratkih gama zraka, manjih od atomskih jezgara. Frekvencija je obrnuto proporcionalna talasnoj dužini, prema jednadžbi

^[21]

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

gdje v = brzina talasa (brzina svjetlostii u vakuumu ili manje u drugim medijima), f = frekvencija, a λ = talasna dužina. Kako valovi prelaze granice između različitih medija, njihove brzine se mijenjaju, ali frekvencije ostaju konstantne.

Elektromagnetni talasi u slobodnom prostoru moraju biti rješenja Maxwellove jednadžbe elektromagnetnog talasa. Poznate su dvije glavne klase rješenja, a to su ravni i sferni talasi. Ravni talasi mogu se promatrati kao ograničavajući slučaj sfernih, na vrlo velikoj (idealno beskonačnoj) udaljenosti od izvora. Obje vrste talasaa mogu imati talasasti oblik koji je proizvoljna vremenska funkcija (sve dok je dovoljno diferencijabilan kako bi se prilagodio talasnoj jednadžbi). Kao i svaka vremenska funkcija, ona se pomoću Fourierove analize može razgraditi na svoj frekvencijski spektar ili na pojedinačne sinusoidne komponente, od kojih svaka sadrži jednu frekvenciju, amplitudu i fazu. Za takav komponentni talas kaže se da je monohromatski. Monohromatski elektromagnetni talas može se okarakterizirati frekvencijom ili talasnom dužinom, vršnom amplitudom, fazom u odnosu na neku referentnu fazu, smjerom širenja i polarizacijom.

Interferencija je superpozicija dva ili više talasa, što rezultira novim talasnim obrascem. Ako polja imaju komponente u istom smjeru, oni se konstruktivno ometaju, dok suprotni smjerovi uzrokuju destruktivne smetnje. Primjer smetnji uzrokovanih EMR-om je elektromagnetna interferencija (EMI) ili kako je poznatijE kao radiofrekvencijska interferencija (RFI). Pored toga, mogu se kombinirati (tj. Interferirati) višestruki polarizacijski signali, da bi se stvorila nova stanja polarizacije, koja su poznata kao paralelno stvaranje polarizacionog stanja.^[22]

Energija u elektromagnetnim talasima se ponekad naziva energija zračenja.^[23][24][25]

Potkraj 19. stoljeća pojavila se anomalija koja uključuje protivrječnost između talasne teorije svjetlosti i mjerenja elektromagnetnih spektara koju emitiraju toplotni radijatori poznati kao crna tijela. Fizičari su se dugi niz godina bezuspješno borili s tim problemom. Kasnije je postala poznata kao ultraljubičasta katastrofa. U 1900., Max Planck razvio je novu teoriju zračenja crnog tijela koja je objasnila posmatrani spektar. Planckova teorija temeljila se na ideji da crna tijela emitiraju svjetlost (i drugo elektromagnetno zračenje) samo kao diskretne snopove ili pakete energije. Ti paketi zvali su se kvanti. U 1905., Albert Einstein predložio je da se kvanti svjetlosti smatraju stvarnim česticama. Kasnije je čestica svjetlosti dobila ime foton, kako bi odgovarala drugim česticama koje su se opisivale u to vrijeme, poput elektrona i protona. Foton ima energiju, E, proporcionalnu njegovoj frekvenciji, f, prema

${\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}$ 

gdje h = Planckova konstanta, ${\displaystyle \lambda }$  = talasna dužina, a c = brzina svjetlosti. Ovo je poznato i kao Planck-Einsteinova jednadžba.^[26] U kvantnoj teoriji, energija fotona je prema tome direktno proporcionalna frekvenciji talasa EMR .^[27]

Slično tome, moment p fotona također je proporcionalan njegovoj frekvenciji i obrnuto proporcionalan njegovoj talasnoj dužini:

${\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.}$ 

Izvor Einsteinovog prijedloga da se svjetlost sastoji od čestica (ili bi mogla djelovati kao čestica u nekim okolnostima) bila je eksperimentalna anomalija koja nije objašnjena teorijom talasa: fotoelektrični efekt, u kojem je svjetlost, udarajući o metalnu površinu, izbacivala elektrone iz površine, uzrokujući da električna struja teče preko primijenjenog napona. Eksperimentalna mjerenja pokazala su da je energija pojedinačnih izbačenih elektrona proporcionalna frekvenciji, a ne intenzitetu svjetlosti. Nadalje, ispod određene minimalne frekvencije, koja je ovisila o određenom metalu, struja ne bi tekla, bez obzira na intenzitet. Činilo se da su ova zapažanja u suprotnosti s teorijom talasa i godinama su fizičari uzalud pokušavali pronaći objašnjenje. U 1905., Einstein je objasnio ovu zagonetku, uskrsnuvši teoriju čestica svjetlosti, kako bi objasnio opaženi efekt. Zbog prevlasti dokaza u korist teorije talasa, međutim, Einsteinove ideje su u početku nailazile na veliku skepsu među etabliranim fizičarima. Na kraju, prihvaćeno je Einsteinovo objašnjenje jer je uočeno novo ponašanje svjetla nalik na čestice, poput Comptonovog efekta.^[28]

Kako foton apsorbira atom, pobuđuje ga, podižući elektron na viši nivo energije (onaj koji je u prosjeku udaljeniji od jezgra). Kada se elektron u pobuđenoj molekuli ili atomu spusti na niži nivo energije, emitira foton svjetlosti na frekvenciji koja odgovara energetskoj razlici. Budući da su nivoi energije elektrona u atomima diskretni, svaki element i svaka molekula emitiraju i apsorbiraju svoje karakteristične frekvencije. Neposredna emisija fotona naziva se fluorescencija, tip fotoluminiscencije. Primjer je vidljiva svjetlost koja se emituje iz fluorescentnih boja, kao odgovor na ultraljubičasto svjetlo (crno svjetlo). Mnoge druge fluorescentne emisije poznate su u spektarskim opsezima, osim vidljive svjetlosti. Odložena emisija naziva se fosforescencija.^[29][30]

Moderna teorija koja objašnjava prirodu svjetlosti uključuje pojam dualnosti talasnih čestica. Općenito, teorija kaže da sve ima i prirodu čestica i prirodu talasa, a mogu se izvesti razni eksperimenti kako bi se otkrilo jedno ili drugo. Prirodu čestica lakše je prepoznati pomoću predmeta velike mase. Hrabar prijedlog naveo je Louis de Broglie 1924., naučnoj zajednicu da shvati da materija (npr. elektroni također pokazuje dualnost talas-čestica.^[31]

Zajedno, efekti talasa i čestica u potpunosti objašnjavaju spektar emisije i apsorpcije EM zračenja. Sastav materije medija kroz koji svjetlost putuje određuje prirodu spektra apsorpcije i emisije. Ovi opsezi odgovaraju dozvoljenim nivoima energije u atomima. Tamne trake u apsorpcijskom spektru nastaju zbog atoma u mediju koji intervenira između izvora i posmatrača. Atomi apsorbiraju određene frekvencije svjetlosti između emitora i detektora/oka, a zatim ih emitiraju u svim smjerovima. Detektoru se pojavljuje tamna traka zbog zračenja raspršenog izvan snopa. N primjer, tamne trake u svjetlosti koju emituje udaljena zvijezda nastaju zbog atoma u njenoj atmosferi. Sličan fenomen dešava se za emisiju, što se vidi kada emitirani plin svijetli usljed pobuđivanja atoma zbog bilo kojeg mehanizma, uključujući toplotu. Kako se elektroni spuštaju na niže energetske nivoe, emitira se spektar koji predstavlja skokove između energetskih nivoa elektrona, ali se vide linije, jer se emisija opet dešava samo kod određenih energija nakon pobude.^[32] Primjer je emisija spektarske maglice. Elektroni koji se brzo kreću najoštrije su ubrzani kada naiđu na područje sile, pa su odgovorni za proizvodnju mnogih najviših frekvencijsko elektromagnetnog zračenja uočenog u prirodi.

Ovi fenomeni mogu pomoći raznim hemijskim određivanjima sastava plinova, osvijetljenih straga (spektri apsorpcije) i užarenih plinova (spektri emisije). Spektroskopija (naprimjer) određuje šta hemijski element sadrži određene zvijezde. Koristi se i za određivanje udaljenosti zvijezde, pomoću crvenog preokreta.^[33]

Do kasnog devetnaestog stoljeća, razne eksperimentalne anomalije nisu se mogle objasniti teorijom jednostavnih talasaa. Jedna od ovih anomalija uključivala je kontroverzu oko brzine svjetlosti. Brzina svjetlosti i ostali EMR predviđeni Maxwellovim jednadžbama, nisu se pojavili ukoliko jednadžbe nisu izmijenjene na način koji su prvi predložili FitzGerald i Lorentz ili bi u suprotnom ta brzina ovisila o brzini posmatrača u odnosu na "medij" (nazvan luminiferni eter) koji je navodno "nosio" elektromagnetni talas (na način analogan načinu na koji zrak prenosi zvučne talase). Eksperimenti nisu uspjeli pronaći nikakav efekat posmatrača. U 1905., Einstein je predložio da su prostor i vrijeme entiteti koji se mijenjaju brzinom širenja svjetlosti i sve druge procese i zakone. Ove promjene predstavljale su postojanost brzine svjetlosti i svih elektromagnetnih zračenja, sa stanovišta svih posmatrača – čak i onih u relativnom kretanju.

 

 

EM zračenje (oznaka „zračenje“ isključuje statička električna i magnetna i bliska polja) klasificirano je prema talasnoj dužini u radiotalasima, mikrotalasima, infratalasima, vidljivim, ultrljubičastim, rendgenskim i gama zracima. Proizvoljni elektromagnetni talasi mogu se izraziti pomoću Fourierove analize u terminima sinusoidnih monohromatskih talasa, koji se zauzvrat mogu klasificirati u ove regije EMR spektra

Za određene klase EM talasaa, talasni oblik se najkorisnije tretira kao slučajan, a zatim se spektarska analiza mora izvršiti malo drugačijim matematičkim tehnikama, prikladnim za slučajne ili stohastičke procese. U takvim slučajevima su pojedinačne frekvencijske komponente predstavljene u smislu njihovog sadržaja „snage“, a informacije o fazi nisu sačuvane. Takav prikaz naziva se spektralna gustina snage slučajnog procesa. Slučajno elektromagnetno zračenje koje zahtijeva ovakvu analizu susreće se, naprimjer, u unutrašnjosti zvijezda i u nekim drugim vrlo širokopojasnim oblicima zračenja, poput polja talasa nulte tačke elektromagnetnog vakuuma.

Ponašanje EM zračenja i njegova interakcija s materijom ovisi o njegovoj frekvenciji, a kvalitativno se mijenja kako se frekvencija mijenja. Niže frekvencije imaju duže talasne dužine, a veće frekvencije imaju kraće talaasne dužine i povezane su s fotonima veće energije. Ne postoji osnovno ograničenje koje je poznato za ove talasne dužine ili energije, ni na jednom kraju spektra, iako će fotoni sa energijama u blizini Planckove energije ili prekoračiti ih (daleko previsoke da bi ikad bile uočene) zahtijevati opise nove fizičke teorije.

Radio talasii imaju najmanje energije i najnižu frekvenciju. Kada radio talasi nalete na vodič, spajaju se s provodnikom, putuju duž njega i indciraju električnu struju na površini provodnika, premeštajući elektrone provodnog materijala u korelirane gomile naboja. Takvi efekti mogu pokriti makroskopske udaljenosti u provodnicima (kao što su radio antene), jer je talasna dužina radiotalasa duga.

Fenomeni elektromagnetnog zračenja talasnih dužina u rasponu od jednog metra do kratkog milimetarskog, nazivaju se mikrotalasima; sa frekvencijama između 300 MHz (0,3 GHz) i 300 GHz.

Na radio i mikrotalasnim frekvencijama, EMR komunicira s materijom uglavnom kao skup skupova naboja koji se šire na veliki broj zahvaćenih atoma. U električnim provodnicima, takvo inducirano skupno kretanje naboja (električna struja) rezultira apsorpcijom EMR-a ili odvajanjem naboja koji uzrokuju stvaranje novog EMR-a (efektivni odraz EMR-a). Primjer je apsorpcija ili emisija radio talasa antenama ili apsorpcija mikrotalasa vodom ili drugim molekulama sa električnim dipolnim momentom, kao naprimjer unutar mikrovalne pećnice. Te interakcije proizvode ili električne struje ili toplotu, ili oboje.

Poput radija i mikrotalasne pećnice, i infracrveno (IR) se reflektuje od metala (a također i većina EMR, i to u ultraljubičastom opsegu). Međutim, za razliku od radiofrekvencijskog i mikrotalasnog zračenja niže frekvencije, infracrveni EMR obično komunicira s dipolima u pojedinačnim molekulama, koji se mijenjaju, dok atomi vibriraju na krajevima jedne hemijske veze. Posljedično ga apsorbira širok spektar supstanci, što uzrokuje njihovo povišenje temperature, kako se vibracije raspršuju kao toplota. Isti postupak, izveden obrnuto, uzrokuje spontano zračenje rasutih supstanci u infracrvenom zračenju.

Infracrveno zračenje podijeljeno je u spektarske podregije. Iako postoje različite sheme podjele,^[34][35] spektar se obično dijeli na blizinuinfracrvene (0,75–1,4 μm), infracrvene (kratke) talasne dužine (1,4–3 μm), dugotalasne infracrvene srednje talasne dužine (3–8 μm), infracrvene dugotalasne dužine (8–15 μm) i daleka infracrvena (15–1000 μm).^[36]

Prirodni izvori proizvode EM zračenje u čitavom spektru. EM zračenje sa talasnom dužinom između približno 400 nm i 700 nm direktno otkriva ljudsko oko i doživljava ga kao vidljivu svjetlost. Ostale talasne dužine, posebno infracrvene zrake u blizini (duže od 700 nm) i ultraljubičaste (kraće od 400 nm), također se ponekad nazivaju svjetlošću.

Kako se frekvencija povećava u vidljivi opseg, fotoni imaju dovoljno energije da promijene strukturu veze nekih pojedinačnih molekula. Nije slučajno što se to događa u vidljivom opsegu, jer mehanizam vida uključuje promjenu veze jednu molekule u mrežnjači, koja apsorbira jedan foton. Promjena mrežnjače uzrokuje promjenu oblika proteina rodopsina, što započinje biohemijski proces koji uzrokuje da mrežnjača ljudskog oka osjeti svjetlost.

Fotosinteza postaje moguća i u ovom opsegu, iz istog razloga. Jedana molekula hlorofila pobuđuje jedan foton. U biljnim tkivima koja vrše fotosintezu, karotenoidi djeluju na gašenje elektronski pobuđenog hlorofila proizvedenog vidljivom svjetlošću, u procesu koji se naziva nefotohemijsko gašenje, kako bi se spriječile reakcije koje bi inače mogle ometati fotosintezu pri visokim nivoima svjetlosti .

Životinje koje otkrivaju infracrveno svjetlo (zmije, npr.) koriste male paketiće vode koji mijenjaju temperaturu, u osnovi termički proces koji uključuje mnogo fotona.

Poznato je da infracrveni, mikrotalasi i radio talasi oštećuju molekule i biološko tkivo samo masovnim zagrijavanjem, a ne pobuđivanjem pojedinačnih fotona zračenja.

Vidljiva svjetlost može uticati na samo mali postotak svih molekula. Obično ne na trajni ili oštećujući način, već foton pobuđuje elektron, koji zatim emitira drugi foton, kada se vraća u prvobitni položaj. Ovo je izvor boje koju proizvodi većina nijansi. Mrežnjača je izuzetak. Kad se foton apsorbira, mrežnjača trajno mijenja strukturu iz cis u trans, i potreban joj je protein da je pretvori natrag, tj. resetira da bi mogla ponovo funkcionirati kao detektor svjetlosti.

Ograničeni dokazi ukazuju da su neke reaktivne vrste kisika stvorene vidljivom svetlošću u koži i da mogu imati neku ulogu u fotostarenju, na isti način kao i ultraljubičasto A.^[37]

Kako se frekvencija povećava u ultraljubičasto zračenje, fotoni nose dovoljno energije (oko tri elektrovolta ili više) da pobude određene dvostruko povezane molekule u trajno hemijsko preslagivanje. U DNK ovo uzrokuje trajna oštećenja. Također je indirektno oštećuju reaktivne vrste kisika, proizvedene ultraljubičastim A (UVA) dijelu, čija je energija preniska da bi mogla direktno oštetiti DNK. Zbog toga, ultraljubičasto zračenje na svim talasm dužinama može oštetiti DNK i sposobno je uzrokovati rak i UVBopekotine kože (opekline od sunca) koje su daleko gore nego što bi nastale jednostavnim efektima zagrijavanja (porasta temperature). Ovo svojstvo nanošenja molekulskih oštećenja koje nije proporcionalno efektima zagrijavanja karakteristično je za sve EMR frekvencije u opsegu vidljive svjetlosti i više. Ova svojstva visokofrekventnog EMR-a su posljedica kvantnih efekata koji trajno oštećuju materijale i tkiva na molekularnom nivou.

Na višem kraju ultraljubičastog opsega, energija fotona postaje dovoljno velika da elektronima preda dovoljno energije da ih oslobodi od atoma, u procesu koji se naziva fotoionizacija. Energija potrebna za to uvijek je veća od oko 10 elektrovolti (eV) što odgovara talasnim dužinama manjim od 124 nm (neki izvori sugeriraju realniji presjek od 33  eV, što je energija potrebna za ionizaciju vode) . Ovaj visoki kraj ultraljubičastog spektra sa energijama u približnom opsegu ionizacije, ponekad se naziva "ekstremnim UV zračenjem". Ionizirajuće UV zrake snažno filtrira Zemljina atmosfera.

Elektromagnetno zračenje sastavljeno od fotona koji nose energiju minimalne ionizacije ili više (što uključuje čitav spektar kraćih talasnih dužina); stoga se naziva ionizirajuće zračenje. (Mnoge druge vrste ionizujućeg zračenja izrađene su od ne-EM čestica). Ionizujuće zračenje elektromagnetnog tipa proteže se od krajnjeg ultraljubičastog zračenja do svih viših frekvencija i kraćih talasnih dužina, što znači da svi rendgenski zraci i gama zraci ispunjavaju ove uslove. Oni su sposobni za najteže vrste molekulskih oštećenja, koja se u biologiji mogu dogoditi bilo kojoj vrsti biomolekule, uključujući mutacije i rak, i često na velikim dubinama ispod kože, budući da je viši kraj rendgenskog spektra, i da cijeli spektar gama zraka prodire u materiju.

 

Većina UV i X-zraka blokiraju se apsorpcijom prvo iz molekulskog dušika, a zatim (za talasne dužine u gornjem dijelu UV) elektronskim pobuđivanjem dioksigena i konačno ozona sredinom UV opsega. Samo 30% Sunčeve ultraljubičaste svjetlosti dopire do tla i gotovo se sve to dobro prenosi.

Vidljiva svjetlost se dobro prenosi u zraku, jer nije dovoljno energična da pobuđuje dušik, kisik ili ozon, ali previše energična da pobuđuje molekulske vibracijske frekvencije vodene pare.

Apsorpcijski pojasevi u infracrvenom zraku nastaju zbog načina vibracijskog pobuđivanja u vodenoj pari. Međutim, pri energijama preniskim za pobuđivanje vodene pare, atmosfera ponovo postaje prozirna, što omogućava slobodan prijenos većine mikro- i radio-talasa.

Konačno, na talasnim dužinama dužim od 10 metara ili otprilike oko 30 MHz, zrak u donjim slojevima atmosfere ostaje proziran za radio, ali plazma u određenim slojevima ionosfere počinje komunicirati sa radio-talasima. Ovo svojstvo omogućava da se reflektiraju neke duže talasne dužine (100 metara ili 3 MHz) i rezultiraju u kratkotalasni radio izvan vidnog polja. Međutim, određeni ionosferski efekti počinju blokirati dolazne radiotalase iz svemira, kada je njihova frekvencija manja od oko 10 MHz (talasna dužina veća od oko 30 metara).^[38]

Osnovna struktura materije uključuje nabijene čestice povezane zajedno. Kada elektromagnetno zračenje naiđe na materiju, uzrokuje osciliranje nabijenih čestica i dobijanje energije. Krajnja sudbina ove energije ovisi o kontekstu. Moglo bi se odmah ponovo zračiti i izgledati kao rasulo, odbijeno ili prenošeno zračenje. Može se raspršiti i u drugim mikroskopskim pokretima unutar materije, doći do toplotne ravnoteže i manifestirati se kao toplotna energija, ili čak kinetička energija, u materijal. Uz nekoliko izuzetaka, koji se odnose na fotone visoke energije (kao što su fluorescencija, stvaranje harmonika, fotohemijska reakcija fotonaponski efekt za ionizujuće zračenje dalekog ultraljubičastog zračenja, X- zračenje i gama zračenje), apsorbirano elektromagnetno zračenje jednostavno taloži svoju energiju toplotom materijala. To se događa kod infracrvenog, mikrotalasnog i radijskog talasa. Intenzivni radio talasi mogu toplotno sagorjeti živo tkivo i mogu kuhati hranu. Pored infracrvenih lasera, dovoljno intenzivni vidljivi i ultraljubičasti laseri mogu lahko zapaliti papir.^{[39][nedostaje referenca]}

Ionizujuće zračenje stvara elektrone velike brzine u materijalu i prekida hemijske veze, ali nakon što se ti elektroni sudare mnogo puta s drugim atomima, na kraju većina energije postaje toplotna, sve u malom djeliću sekunde. Ovaj postupak čini ionizirajuće zračenje daleko opasnijim po jedinici energije od neionizujućeg zračenja. Ovo upozorenje odnosi se i na UV, iako gotovo sve to nije ionizujuće, jer UV može oštetiti molekule uslijed elektronskog pobuđivanja, što je po jedinici energije daleko veće od efekata zagrijavanja.

Infracrveno zračenje u spektarskoj raspodjeli crnog tijela obično se smatra oblikom toplote, jer ima ekvivalentnu temperaturu i povezano je sa promjenom entropije po jedinici toplotne energije. Međutim, "toplota" je u fizici i termodinamici tehnički pojam i često se brka s toplotnom energijom. Bilo koja vrsta elektromagnetne energije može se transformirati u toplotnu u interakciji s materijom. Dakle, 'bilo koje' elektromagnetno zračenje može "zagrijati" (u smislu povećanja toplotne energije temperature) materijala kada se apsorbira.^[40]

Inverzni ili vremenski obrnuti proces apsorpcije je toplotno zračenje. Veliki dio toplotne energije u materiji sastoji se od slučajnog gibanja nabijenih čestica i ta se energija može zračiti dalje iz materije. Rezultirajuće zračenje može naknadno apsorbirati drugi komad materije, a taložena energija zagrijava materijal.^[41]

Elektromagnetno zračenje u neprozirnoj šupljini u toplotnoj ravnoteži je ustvari oblik toplotne energije koja ima maksimum entropije zračenja.^[42]

Bioelektromagnetika je proučavanje interakcija i efekata EM-zračenja na žive organizme. Efekti elektromagnetnog zračenja na žive ćelije, uključujući one na ljude, ovise o snazi i frekvenciji zračenja. Za niskofrekventno zračenje (radiotalasi prema vidljivoj svjetlosti) najbolje se razumiju efekti samo zbog snage zračenja, koji djeluju zagrijavanjem, kada se zračenje apsorbuje. Za ove toplotne efekte važna je frekvencija jer utiče na intenzitet zračenja i prodiranje u organizam (naprimjer, mikrotalasi prodiru bolje od infracrvenih). Opće je prihvaćeno da polja niske frekvencije koja su preslaba da bi izazvala značajno zagrijavanje ne bi mogla imati bilo kakav biološki učinak.

Uprkos općeprihvaćenim rezultatima, provedeno je istraživanje koje je pokazalo da su slabija netoplotna elektromagnetna polja (uključujući i slaba ELF magnetna polja, iako se potonje ne kvalificira strogo kao EM zračenje.^[43][44][45]), and modulated RF and microwave fields have biological effects.^[46][47][48] Osnovni mehanizmi interakcije između biološkog materijala i elektromagnetnih polja na netermičkim nivoima nisu u potpunosti razumljivi.^[43]

Svjetska zdravstvena organizacija klasificirala je radiofrekvencijsko elektromagnetno zračenjeu IARC grupu 2B mogućih kancerogene.^[49][50] Ova skupina sadrži moguće kancerogene tvari kao što su olovo, DDT i stiren. Naprimjer, epidemiološke studije koje traže vezu između upotrebe mobilnih telefona i razvoja raka mozga, u velikoj mjeri nisu bile konačne, osim da bi se pokazalo da učinak, ako postoji, ne može biti velik.

Na višim frekvencijama (vidljivim i šire), efekti pojedinačnih fotona počinju da postaju važni, jer oni sada imaju dovoljno pojedinačne energije da direktno ili indirektno oštete biološke molekule^[51] za dokaze o kvantnom oštećenju vidljive svjetlosti putem reaktivne vrste kisika generirane u koži. To se dešava i sa UVA. Uz UVB, oštećenje DNK postaje direktno, sa fotohemijskim stvaranjem pirimidinskih dimera.^[52][53]

Dakle, na UV frekvencijama i višim (i vjerojatno donekle i u vidljivom opsegu), elektromagnetno zračenje nanosi veću štetu biološkim sistemima, nego što predviđa jednostavno zagrijavanje. To je najočitije u "dalekom" (ili "ekstremnom") ultraljubičastom zračenju. UV-zračenje sa rentgenskim i gama-zračenjem naziva se ioniziraujuće zračenje, zbog sposobnosti fotona ovog zračenja da proizvode ione i slobodne radikale u materijalima (uključujući žive tkivo). Budući da takvo zračenje može ozbiljno oštetiti život na nivoima energije koji proizvode malo zagrijavanja, smatra se daleko opasnijim (u smislu štete nastale po jedinici energije ili snage) od ostatka elektromagnetnog spektra.

• Terahercno zračenje
• Neionizirajuće zračenje

• http://www.lightandmatter.com/html_books/0sn/ch11/ch11.html Arhivirano 3. 6. 2011. na Wayback Machine
• https://web.archive.org/web/20120617205739/http://www.learnemc.com/tutorials/Radiation/EM_Radiation.html
• http://www.physnet.org/modules/pdf_modules/m210.pdf
• http://www.hydrogenlab.de/elektronium/HTML/einleitung_hauptseite_uk.html Arhivirano 17. 4. 2010. na Wayback Machine

 

Portal "Fizika"
Odjeljak posvećen isključivo fizici

  Nedovršeni članak Elektromagnetno zračenje koji govori o fizici treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima Wikipedije.

 

Commons ima datoteke na temu: Elektromagnetno zračenje