Elektromagnetické záření

V elektromagnetickém záření (například mikrovlny z antény, na obrázku) se pojem „záření“ vztahuje pouze na ty části elektromagnetického pole, které vyzařují do nekonečného prostoru a jejichž intenzita klesá podle inverzně-kvadratického zákona výkonu, takže celková energie záření, která prochází pomyslnou kulovou plochou, je stejná bez ohledu na to, jak daleko od antény je kulová plocha zakreslena. Elektromagnetické záření tedy zahrnuje vzdálenou část elektromagnetického pole v okolí vysílače. Část „blízkého pole“ v blízkosti vysílače tvoří součást měnícího se elektromagnetického pole, ale nepočítá se do elektromagnetického záření.

Maxwellovy rovnice stanovily, že některé náboje a proudy („zdroje“) vytvářejí ve své blízkosti lokální typ elektromagnetického pole, které nemá chování EMR. Proudy přímo vytvářejí magnetické pole, ale to je typu magnetického dipólu, který se vzdáleností od proudu zaniká. Podobně pohybující se náboje, které jsou ve vodiči od sebe odtlačovány měnícím se elektrickým potenciálem (např. v anténě), vytvářejí elektrické pole dipólového typu, které však se vzdáleností rovněž zaniká. Tato pole tvoří blízké pole v blízkosti zdroje EMP. Ani jedno z těchto chování není zodpovědné za EM záření. Místo toho způsobují chování elektromagnetického pole, které pouze účinně přenáší energii do přijímače v těsné blízkosti zdroje, jako je magnetická indukce uvnitř transformátoru nebo chování zpětné vazby, ke kterému dochází v blízkosti cívky detektoru kovů. Blízká pole mají obvykle silný vliv na vlastní zdroje a způsobují zvýšenou „zátěž“ (sníženou elektrickou reaktanci) ve zdroji nebo vysílači, kdykoli je energie z EM pole odebírána přijímačem. Jinak se tato pole „nešíří“ volně do prostoru a neodnášejí svou energii bez omezení vzdálenosti, ale spíše oscilují a vracejí svou energii zpět do vysílače, pokud ji přijímač nepřijme.

Naproti tomu EM vzdálené pole je tvořeno zářením, které je bez vysílače v tom smyslu, že (na rozdíl od případu v elektrickém transformátoru) vysílač potřebuje stejný výkon, aby tyto změny polí vyslal ven, ať už je signál okamžitě zachycen, nebo ne. Tato vzdálená část elektromagnetického pole je „elektromagnetické záření“ (nazývané také vzdálené pole). Vzdálená pole se šíří (vyzařují), aniž by je vysílač mohl ovlivnit. To způsobuje, že jsou nezávislá v tom smyslu, že jejich existence a jejich energie poté, co opustí vysílač, je zcela nezávislá na vysílači i přijímači. V důsledku zachování energie je množství energie procházející jakoukoli kulovou plochou nakreslenou kolem zdroje stejné. Protože taková plocha má plochu úměrnou čtverci její vzdálenosti od zdroje, hustota výkonu EM záření vždy klesá s převráceným čtvercem vzdálenosti od zdroje; tento zákon se nazývá zákon převráceného čtverce. To je rozdíl oproti dipólovým částem EM pole v blízkosti zdroje (blízké pole), jejichž výkon se mění podle inverzního krychlového mocninného zákona, a které tedy nepřenášejí na vzdálenost zachované množství energie, ale naopak se vzdáleností slábnou, přičemž se jejich energie (jak bylo uvedeno) rychle vrací k vysílači nebo je pohlcena blízkým přijímačem (například sekundární cívkou transformátoru).

Daleké pole (EMR) závisí na jiném mechanismu jeho vzniku než blízké pole a na jiných členech Maxwellových rovnic. Zatímco magnetická část blízkého pole je způsobena proudy ve zdroji, magnetické pole v EMR je způsobeno pouze místní změnou elektrického pole. Podobně, zatímco elektrické pole v blízkém poli je způsobeno přímo náboji a rozdělením nábojů ve zdroji, elektrické pole v EMR je způsobeno změnou místního magnetického pole. Oba procesy vzniku elektrického a magnetického pole v EMR mají jinou závislost na vzdálenosti než dipólové elektrické a magnetické pole v blízkém poli. Proto se typ EMR pole stává dominantním ve výkonu „daleko“ od zdrojů. Termín „daleko od zdrojů“ se vztahuje k tomu, jak daleko od zdroje (pohybujícího se rychlostí světla) se nachází jakákoli část vně pohybujícího se EM pole v době, kdy se proudy zdroje mění vlivem měnícího se potenciálu zdroje, a zdroj proto začal vytvářet vně pohybující se EM pole jiné fáze.

Kompaktnější pohled na EMR je takový, že vzdálené pole, které tvoří EMR, je obecně ta část EM pole, která urazila dostatečnou vzdálenost od zdroje, takže se zcela odpojila od jakékoliv zpětné vazby na náboje a proudy, které ji původně vytvářely. Nyní, nezávisle na zdrojových nábojích, je EM pole, jak se vzdaluje, závislé pouze na zrychlení nábojů, které ho vytvořily. Nemá již silnou vazbu na přímá pole nábojů ani na rychlost nábojů (proudů).

V Liénardově-Wiechertově formulaci potenciálu elektrického a magnetického pole v důsledku pohybu jedné částice (podle Maxwellových rovnic) jsou členy spojené se zrychlením částice těmi, které jsou zodpovědné za tu část pole, která je považována za elektromagnetické záření. Naproti tomu člen spojený s měnícím se statickým elektrickým polem částice a magnetický člen, který vyplývá z rovnoměrné rychlosti částice, jsou oba spojeny s elektromagnetickým blízkým polem a neobsahují EM záření.

VlastnostiEdit

Elektromagnetické vlnění si lze představit jako samovolně se šířící příčné oscilující vlny elektrického a magnetického pole. Tato 3D animace ukazuje rovinnou lineárně polarizovanou vlnu šířící se zleva doprava. Elektrické a magnetické pole v takové vlně jsou ve vzájemné fázi a společně dosahují minim a maxim.

Elektrodynamika je fyzika elektromagnetického záření a elektromagnetismus je fyzikální jev spojený s teorií elektrodynamiky. Elektrické a magnetické pole se řídí vlastnostmi superpozice. Pole způsobené jakoukoli konkrétní částicí nebo časově proměnným elektrickým či magnetickým polem tedy přispívá k polím přítomným ve stejném prostoru v důsledku jiných příčin. Dále, protože se jedná o vektorová pole, všechny vektory magnetického a elektrického pole se sčítají podle vektorového sčítání. Například v optice mohou dvě nebo více koherentních světelných vln interagovat a konstruktivní nebo destruktivní interferencí získat výsledné vyzařování odchylující se od součtu složkových vyzařování jednotlivých světelných vln.

Elektromagnetická pole světla nejsou ovlivněna průchodem statickými elektrickými nebo magnetickými poli v lineárním prostředí, jako je vakuum. V nelineárních prostředích, jako jsou některé krystaly, však může docházet k interakcím mezi světlem a statickými elektrickými a magnetickými poli – mezi tyto interakce patří Faradayův jev a Kerrův jev.

Při lomu vlna přecházející z jednoho prostředí do jiného s jinou hustotou mění při vstupu do nového prostředí svou rychlost a směr. Poměr indexů lomu prostředí určuje stupeň lomu a shrnuje jej Snellův zákon. Světlo složených vlnových délek (přirozené sluneční světlo) se při průchodu hranolem rozptyluje do viditelného spektra, protože index lomu materiálu hranolu závisí na vlnové délce (disperze); to znamená, že každá složená vlna ve složeném světle je ohnuta o jinou hodnotu.

EM záření vykazuje současně vlnové i částicové vlastnosti (viz vlnově-částicový dualismus). Vlnové i částicové vlastnosti byly potvrzeny v mnoha experimentech. Vlnové vlastnosti jsou zřetelnější při měření EM záření na relativně velkých časových škálách a na velkých vzdálenostech, zatímco částicové vlastnosti jsou zřetelnější při měření na malých časových škálách a vzdálenostech. Například při absorpci elektromagnetického záření hmotou budou vlastnosti podobné částicím zřejmější, pokud je průměrný počet fotonů v krychli příslušné vlnové délky mnohem menší než 1. Není tak obtížné experimentálně pozorovat nerovnoměrné ukládání energie při absorpci světla, to však samo o sobě není důkazem „částicového“ chování. Spíše odráží kvantovou povahu hmoty. Prokázat, že kvantované je samotné světlo, nikoliv pouze jeho interakce s hmotou, je subtilnější záležitost.

Některé experimenty ukazují jak vlnovou, tak částicovou povahu elektromagnetického vlnění, například autointerference jediného fotonu. Když je jeden foton vyslán interferometrem, projde oběma cestami a interferuje sám se sebou, jak to dělají vlny, přesto je detekován fotonásobičem nebo jiným citlivým detektorem pouze jednou.

Kvantová teorie interakce mezi elektromagnetickým zářením a hmotou, například elektrony, je popsána teorií kvantové elektrodynamiky.

Elektromagnetické vlny se mohou polarizovat, odrážet, lámat, difraktovat nebo interferovat navzájem.

Vlnový modelEdit

Zobrazení vektoru elektrického pole vlny kruhově polarizovaného elektromagnetického záření.

V homogenním izotropním prostředí je elektromagnetické záření příčnou vlnou, což znamená, že jeho kmity jsou kolmé na směr přenosu a šíření energie. Elektrická a magnetická část pole stojí v pevném poměru sil, aby byly splněny dvě Maxwellovy rovnice, které určují, jak jedna z nich vzniká z druhé. V bezrozptylových (bezeztrátových) prostředích jsou tato pole E a B rovněž ve fázi, přičemž obě dosahují maxim a minim ve stejných bodech v prostoru (viz ilustrace). Častým omylem je, že pole E a B v elektromagnetickém záření nejsou ve fázi, protože změna jednoho z nich vyvolává druhé, a to by mezi nimi jako sinusovými funkcemi vytvářelo fázový rozdíl (jak se skutečně děje v elektromagnetické indukci a v blízkém poli v blízkosti antén). Ve vzdáleném poli EM záření, které je popsáno dvěma rovnicemi Maxwellova curl operátoru bez zdroje, je však správnější popis takový, že časová změna jednoho typu pole je úměrná prostorové změně druhého. Tyto derivace vyžadují, aby pole E a B v EMR byla ve fázi (viz matematická část níže).

Důležitým aspektem povahy světla je jeho frekvence. Frekvence vlnění je rychlost jeho kmitání a měří se v hertzích, jednotce frekvence SI, kde jeden hertz odpovídá jednomu kmitnutí za sekundu. Světlo má obvykle více frekvencí, které v součtu tvoří výslednou vlnu. Různé frekvence podléhají různým úhlům lomu, což je jev známý jako disperze.

Monochromatická vlna (vlna o jedné frekvenci) se skládá z po sobě jdoucích hřebenů a hřebenů a vzdálenost mezi dvěma sousedními hřebeny nebo hřebeny se nazývá vlnová délka. Vlny elektromagnetického spektra mají různou velikost, od velmi dlouhých rádiových vln delších než kontinent až po velmi krátké gama záření menší než jádro atomu. Frekvence je nepřímo úměrná vlnové délce podle rovnice:

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

kde v je rychlost vlnění (c ve vakuu nebo méně v jiných prostředích), f je frekvence a λ je vlnová délka. Když vlny překračují hranice mezi různými prostředími, jejich rychlosti se mění, ale jejich frekvence zůstávají konstantní.

Elektromagnetické vlny ve volném prostoru musí být řešením Maxwellovy elektromagnetické vlnové rovnice. Jsou známy dvě hlavní třídy řešení, a to rovinné vlny a sférické vlny. Rovinné vlny lze považovat za limitní případ sférických vln ve velmi velké (ideálně nekonečné) vzdálenosti od zdroje. Oba typy vln mohou mít průběh, který je libovolnou funkcí času (pokud je dostatečně diferencovatelný, aby odpovídal vlnové rovnici). Jako každou časovou funkci ji lze pomocí Fourierovy analýzy rozložit na její frekvenční spektrum nebo jednotlivé sinusové složky, z nichž každá obsahuje jednu frekvenci, amplitudu a fázi. O takové složkové vlně se říká, že je monochromatická. Monochromatickou elektromagnetickou vlnu lze charakterizovat její frekvencí nebo vlnovou délkou, špičkovou amplitudou, fází vzhledem k nějaké referenční fázi, směrem šíření a polarizací.

Interference je superpozice dvou nebo více vln, jejímž výsledkem je nový vlnový vzor. Pokud mají pole složky ve stejném směru, interferují konstruktivně, zatímco opačné směry způsobují destruktivní interferenci. Příkladem interference způsobené elektromagnetickým zářením je elektromagnetická interference (EMI) nebo, jak se častěji říká, radiofrekvenční interference (RFI). Kromě toho lze kombinací (tj. interferencí) více polarizačních signálů vytvořit nové stavy polarizace, což se označuje jako paralelní generování polarizačních stavů.

Energie v elektromagnetických vlnách se někdy nazývá zářivá energie.

Částicový model a kvantová teorieUpravit

Na konci 19. století vznikla anomálie spočívající v rozporu mezi vlnovou teorií světla a měřením elektromagnetických spekter, která byla vyzařována tepelnými zářiči známými jako černá tělesa. Fyzikové se s tímto problémem neúspěšně potýkali mnoho let. Později se stal známým jako ultrafialová katastrofa. V roce 1900 vypracoval Max Planck novou teorii záření černých těles, která vysvětlovala pozorované spektrum. Planckova teorie byla založena na myšlence, že černá tělesa vyzařují světlo (a jiné elektromagnetické záření) pouze jako diskrétní svazky nebo balíčky energie. Tyto balíčky se nazývaly kvanta. V roce 1905 navrhl Albert Einstein, aby byla světelná kvanta považována za skutečné částice. Později dostala částice světla název foton, aby korespondovala s dalšími částicemi popisovanými v této době, jako je elektron a proton. Foton má energii E úměrnou své frekvenci f podle vztahu

E = h f = h c λ {\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}

kde h je Planckova konstanta, λ {\displaystyle \lambda }

je vlnová délka a c je rychlost světla. Tato rovnice se někdy označuje jako Planckova-Einsteinova rovnice. V kvantové teorii (viz první kvantování) je tedy energie fotonů přímo úměrná frekvenci EMR vlny.

Podobně je také hybnost p fotonu úměrná jeho frekvenci a nepřímo úměrná jeho vlnové délce:

p = E c = h f c = h λ . {\displaystyle p={E \nad c}={hf \nad c}={h \nad \lambda }.}.

Zdrojem Einsteinova návrhu, že světlo se skládá z částic (nebo se za určitých okolností může chovat jako částice), byla experimentální anomálie, kterou vlnová teorie nevysvětluje: fotoelektrický jev, při kterém světlo dopadající na kovový povrch vyvrhuje z povrchu elektrony, což způsobuje tok elektrického proudu přes přiložené napětí. Experimentální měření ukázala, že energie jednotlivých vyvržených elektronů je úměrná spíše frekvenci než intenzitě světla. Navíc pod určitou minimální frekvencí, která závisela na konkrétním kovu, neprotékal žádný proud bez ohledu na intenzitu. Tato pozorování se zdála být v rozporu s vlnovou teorií a fyzikové se dlouhá léta marně snažili najít vysvětlení. V roce 1905 Einstein vysvětlil tuto záhadu tím, že vzkřísil částicovou teorii světla, aby vysvětlil pozorovaný jev. Vzhledem k převaze důkazů ve prospěch vlnové teorie se však Einsteinovy myšlenky setkaly zpočátku s velkou skepsí mezi uznávanými fyziky. Nakonec bylo Einsteinovo vysvětlení přijato, protože bylo pozorováno nové částicové chování světla, například Comptonův jev.

Při pohlcení fotonu atomem dojde k jeho excitaci a elektron se dostane na vyšší energetickou hladinu (která je v průměru dále od jádra). Když elektron v excitované molekule nebo atomu klesne na nižší energetickou hladinu, vyzáří foton světla o frekvenci odpovídající rozdílu energií. Protože energetické hladiny elektronů v atomech jsou diskrétní, každý prvek a každá molekula vyzařuje a pohlcuje své vlastní charakteristické frekvence. Okamžitá emise fotonů se nazývá fluorescence, typ fotoluminiscence. Příkladem je viditelné světlo emitované fluorescenčními barvami v reakci na ultrafialové záření (černé světlo). Je známo mnoho dalších fluorescenčních emisí v jiných spektrálních pásmech, než je viditelné světlo. Zpožděná emise se nazývá fosforescence.

Vlnově-částicová dualitaUpravit

Moderní teorie, která vysvětluje podstatu světla, zahrnuje pojem vlnově-částicový dualismus. Obecněji tato teorie tvrdí, že vše má jak částicovou, tak vlnovou povahu, a různými experimenty lze odhalit jednu nebo druhou. Částicovou povahu lze snáze rozeznat pomocí objektu s velkou hmotností. Odvážný návrh Louise de Broglieho z roku 1924 vedl vědeckou komunitu k poznání, že i hmota (např. elektrony) vykazuje vlnově-částicovou dualitu.

Vlnový a částicový efekt elektromagnetického zářeníEdit

Vlnový a částicový efekt společně plně vysvětlují emisní a absorpční spektra EM záření. Hmotnostní složení prostředí, kterým světlo prochází, určuje charakter absorpčního a emisního spektra. Tato pásma odpovídají povoleným energetickým hladinám v atomech. Tmavé pásy v absorpčním spektru jsou způsobeny atomy v meziprostředí mezi zdrojem a pozorovatelem. Atomy absorbují určité frekvence světla mezi emitorem a detektorem/okem a poté je vyzařují do všech směrů. Na detektoru se objeví tmavý pás, který je způsoben zářením rozptýleným ze svazku. Například tmavé pásy ve světle vyzařovaném vzdálenou hvězdou jsou způsobeny atomy v atmosféře hvězdy. Podobný jev nastává u emise, která se projevuje, když emitující plyn září v důsledku excitace atomů jakýmkoli mechanismem, včetně tepla. Při sestupu elektronů na nižší energetické hladiny je emitováno spektrum, které představuje skoky mezi energetickými hladinami elektronů, ale jsou vidět čáry, protože opět dochází k emisi pouze při určitých energiích po excitaci. Příkladem je emisní spektrum mlhovin. Rychle se pohybující elektrony jsou nejsilněji urychleny, když narazí na silovou oblast, takže jsou zodpovědné za produkci většiny elektromagnetického záření o nejvyšších frekvencích pozorovaného v přírodě.

Tyto jevy mohou pomoci při různých chemických stanoveních složení plynů osvětlených zezadu (absorpční spektra) a u zářících plynů (emisní spektra). Spektroskopie (například) určuje, z jakých chemických prvků se skládá určitá hvězda. Spektroskopie se také používá při určování vzdálenosti hvězdy pomocí červeného posuvu.

Rychlost šířeníEdit

Pokud jakýkoli vodič (nebo jiný vodivý předmět, například anténa) vede střídavý proud, elektromagnetické záření se šíří se stejnou frekvencí jako proud. V mnoha takových situacích je možné identifikovat elektrický dipólový moment, který vzniká oddělením nábojů v důsledku budícího elektrického potenciálu, a tento dipólový moment osciluje v čase, jak se náboje pohybují tam a zpět. Tato oscilace při dané frekvenci dává vzniknout měnícím se elektrickým a magnetickým polím, která pak uvádějí do pohybu elektromagnetické záření.

Na kvantové úrovni vzniká elektromagnetické záření, když vlnový paket nabité částice osciluje nebo se jinak zrychluje. Nabité částice ve stacionárním stavu se nepohybují, ale superpozicí takových stavů může vzniknout přechodný stav, který má elektrický dipólový moment, jenž osciluje v čase. Tento oscilující dipólový moment je zodpovědný za jev zářivého přechodu mezi kvantovými stavy nabité částice. K takovým stavům dochází (například) v atomech při vyzařování fotonů při přechodu atomu z jednoho stacionárního stavu do druhého.

Jako vlnění je světlo charakterizováno rychlostí (rychlostí světla), vlnovou délkou a frekvencí. Jako částice je světlo proudem fotonů. Každý z nich má energii související s frekvencí vlnění danou Planckovým vztahem E = hf, kde E je energie fotonu, h je Planckova konstanta, 6,626 × 10-34 J-s, a f je frekvence vlnění.

Jedno pravidlo je dodržováno bez ohledu na okolnosti: EM záření ve vakuu se vůči pozorovateli šíří rychlostí světla bez ohledu na rychlost pozorovatele. (Toto pozorování vedlo Einsteina k vytvoření speciální teorie relativity.) V prostředí (jiném než vakuu) se v závislosti na frekvenci a použití uvažuje rychlostní faktor nebo index lomu. V obou případech se jedná o poměr rychlosti v médiu k rychlosti ve vakuu.

Speciální teorie relativityUpravit

Koncem devatenáctého století nebylo možné vysvětlit různé experimentální anomálie pomocí jednoduché vlnové teorie. Jedna z těchto anomálií se týkala sporu o rychlost světla. Rychlost světla a dalších elektromagnetických vln předpovězená Maxwellovými rovnicemi se neobjevila, pokud nebyly rovnice upraveny způsobem, který jako první navrhli FitzGerald a Lorentz (viz historie speciální teorie relativity), jinak by tato rychlost závisela na rychlosti pozorovatele vzhledem k „médiu“ (tzv. světelnému éteru), které údajně „nese“ elektromagnetické vlny (obdobně jako vzduch nese zvukové vlny). Experimenty žádný efekt pozorovatele nezjistily. V roce 1905 Einstein navrhl, že prostor a čas se pro šíření světla a všechny ostatní procesy a zákony jeví jako rychlostně proměnné entity. Tyto změny vysvětlovaly stálost rychlosti světla a veškerého elektromagnetického záření z pohledu všech pozorovatelů – i těch, kteří se relativně pohybují.