Elektromagnetische Strahlung
TheorieBearbeiten
Maxwellsche GleichungenBearbeiten
James Clerk Maxwell leitete eine Wellenform der elektrischen und magnetischen Gleichungen ab und entdeckte damit die Wellenförmigkeit elektrischer und magnetischer Felder und ihre Symmetrie. Da die durch die Wellengleichung vorhergesagte Geschwindigkeit von EM-Wellen mit der gemessenen Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, schloss Maxwell, dass Licht selbst eine EM-Welle ist. Die Maxwellschen Gleichungen wurden von Heinrich Hertz durch Experimente mit Radiowellen bestätigt.
Nach den Maxwellschen Gleichungen ist ein räumlich veränderliches elektrisches Feld immer mit einem sich zeitlich verändernden Magnetfeld verbunden. Ebenso ist ein räumlich veränderliches Magnetfeld mit bestimmten zeitlichen Veränderungen des elektrischen Feldes verbunden. Bei einer elektromagnetischen Welle geht die Änderung des elektrischen Feldes immer mit einer Welle des magnetischen Feldes in einer Richtung einher und umgekehrt. Diese Beziehung zwischen den beiden tritt auf, ohne dass eine der beiden Feldarten die andere hervorruft; vielmehr treten sie gemeinsam auf, so wie Zeit- und Raumänderungen gemeinsam auftreten und in der Speziellen Relativitätstheorie miteinander verknüpft sind. Tatsächlich können magnetische Felder als elektrische Felder in einem anderen Bezugssystem und elektrische Felder als magnetische Felder in einem anderen Bezugssystem betrachtet werden, aber sie haben die gleiche Bedeutung, da die Physik in allen Bezugssystemen gleich ist, so dass die enge Beziehung zwischen Raum- und Zeitänderungen hier mehr als eine Analogie ist. Zusammen bilden diese Felder eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle, die sich in den Raum hinausbewegt und nie wieder mit der Quelle in Wechselwirkung treten muss. Das auf diese Weise durch die Beschleunigung einer Ladung gebildete EM-Fernfeld trägt Energie mit sich, die durch den Raum „abstrahlt“, daher der Begriff.
Nah- und FernfelderBearbeiten
Maxwells Gleichungen ergaben, dass einige Ladungen und Ströme („Quellen“) in ihrer Nähe eine lokale Art von elektromagnetischem Feld erzeugen, das nicht das Verhalten der EMR hat. Ströme erzeugen direkt ein magnetisches Feld, aber es ist ein magnetisches Dipolfeld, das mit der Entfernung vom Strom abnimmt. In ähnlicher Weise erzeugen bewegte Ladungen, die in einem Leiter durch ein sich änderndes elektrisches Potenzial (z. B. in einer Antenne) auseinander gedrückt werden, ein elektrisches Dipolfeld, das jedoch ebenfalls mit der Entfernung abnimmt. Diese Felder bilden das Nahfeld in der Nähe der EMR-Quelle. Keines dieser Verhaltensweisen ist für die EM-Strahlung verantwortlich. Stattdessen bewirken sie ein elektromagnetisches Feldverhalten, das nur in unmittelbarer Nähe der Quelle effizient Energie an einen Empfänger überträgt, wie etwa die magnetische Induktion in einem Transformator oder das Rückkopplungsverhalten in der Nähe der Spule eines Metalldetektors. Typischerweise haben Nahfelder eine starke Wirkung auf ihre eigenen Quellen, indem sie eine erhöhte „Last“ (verringerte elektrische Reaktanz) in der Quelle oder dem Sender verursachen, wenn dem EM-Feld durch einen Empfänger Energie entzogen wird. Andernfalls „breiten“ sich diese Felder nicht frei in den Raum aus und tragen ihre Energie ohne Entfernungsbegrenzung fort, sondern sie schwingen und geben ihre Energie an den Sender zurück, wenn sie nicht von einem Empfänger empfangen wird.
Das EM-Fernfeld besteht dagegen aus einer Strahlung, die insofern frei vom Sender ist, als der Sender (anders als bei einem elektrischen Transformator) die gleiche Leistung benötigt, um diese Feldveränderungen auszusenden, unabhängig davon, ob das Signal sofort empfangen wird oder nicht. Dieser entfernte Teil des elektromagnetischen Feldes ist die „elektromagnetische Strahlung“ (auch Fernfeld genannt). Die Fernfelder breiten sich aus (strahlen aus), ohne dass der Sender sie beeinflusst. Dadurch sind sie unabhängig in dem Sinne, dass ihre Existenz und ihre Energie, nachdem sie den Sender verlassen haben, völlig unabhängig von Sender und Empfänger sind. Aufgrund der Energieerhaltung ist die Energiemenge, die durch jede um die Quelle gezogene Kugeloberfläche fließt, gleich groß. Da die Fläche einer solchen Oberfläche proportional zum Quadrat ihres Abstands von der Quelle ist, nimmt die Leistungsdichte der EM-Strahlung immer mit dem Quadrat des Abstands von der Quelle ab; dies wird als Gesetz des umgekehrten Quadrats bezeichnet. Dies steht im Gegensatz zu den Dipolanteilen des EM-Feldes in der Nähe der Quelle (dem Nahfeld), deren Leistung gemäß einem kubischen Potenzgesetz variiert und die daher keine konservierte Energiemenge über Entfernungen transportieren, sondern mit der Entfernung abnehmen, wobei ihre Energie (wie erwähnt) schnell zum Sender zurückkehrt oder von einem nahegelegenen Empfänger (z. B. einer Transformator-Sekundärspule) absorbiert wird.
Das Fernfeld (EMR) hängt von einem anderen Mechanismus für seine Erzeugung ab als das Nahfeld und von anderen Termen in den Maxwellschen Gleichungen. Während der magnetische Anteil des Nahfeldes auf Ströme in der Quelle zurückzuführen ist, ist das Magnetfeld in der EMR nur auf die lokale Änderung des elektrischen Feldes zurückzuführen. In ähnlicher Weise ist das elektrische Feld im Nahfeld direkt auf die Ladungen und die Ladungstrennung in der Quelle zurückzuführen, während das elektrische Feld in der EMR auf eine Änderung des lokalen Magnetfelds zurückzuführen ist. Beide Prozesse zur Erzeugung elektrischer und magnetischer EMR-Felder haben eine andere Abstandsabhängigkeit als elektrische und magnetische Dipolfelder im Nahfeld. Aus diesem Grund dominiert das EMR-Feld bei der Leistung „weit“ von den Quellen entfernt. Der Begriff „fern von Quellen“ bezieht sich darauf, wie weit ein Teil des sich nach außen bewegenden EM-Feldes von der Quelle (die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt) entfernt ist, bis sich die Quellenströme durch das sich verändernde Quellenpotential verändert haben und die Quelle damit begonnen hat, ein sich nach außen bewegendes EM-Feld mit einer anderen Phase zu erzeugen.
Eine kompaktere Sichtweise der EMR besteht darin, dass das Fernfeld, aus dem die EMR besteht, im Allgemeinen der Teil des EM-Feldes ist, der sich so weit von der Quelle entfernt hat, dass er von jeglicher Rückkopplung zu den Ladungen und Strömen, die ursprünglich für ihn verantwortlich waren, vollständig abgekoppelt wurde. Das EM-Feld ist nun unabhängig von den Ladungen der Quelle und hängt, wenn es sich weiter entfernt, nur noch von den Beschleunigungen der Ladungen ab, die es erzeugt haben.
In der Liénard-Wiechert’schen Potentialformulierung der elektrischen und magnetischen Felder aufgrund der Bewegung eines einzelnen Teilchens (nach den Maxwell’schen Gleichungen) sind die Terme, die mit der Beschleunigung des Teilchens verbunden sind, für den Teil des Feldes verantwortlich, der als elektromagnetische Strahlung betrachtet wird. Der Term, der mit dem sich ändernden statischen elektrischen Feld des Teilchens verbunden ist, und der magnetische Term, der sich aus der gleichmäßigen Geschwindigkeit des Teilchens ergibt, sind dagegen beide mit dem elektromagnetischen Nahfeld verbunden und umfassen keine EM-Strahlung.
EigenschaftenBearbeiten
Die Elektrodynamik ist die Physik der elektromagnetischen Strahlung, und der Elektromagnetismus ist das mit der Theorie der Elektrodynamik verbundene physikalische Phänomen. Elektrische und magnetische Felder gehorchen den Eigenschaften der Superposition. So trägt ein Feld, das auf ein bestimmtes Teilchen oder ein zeitlich veränderliches elektrisches oder magnetisches Feld zurückzuführen ist, zu den Feldern bei, die im selben Raum aufgrund anderer Ursachen vorhanden sind. Da es sich um Vektorfelder handelt, addieren sich die Vektoren aller magnetischen und elektrischen Felder gemäß der Vektoraddition. In der Optik können beispielsweise zwei oder mehr kohärente Lichtwellen zusammenwirken und durch konstruktive oder destruktive Interferenz eine resultierende Bestrahlungsstärke ergeben, die von der Summe der Bestrahlungsstärken der einzelnen Lichtwellen abweicht.
Die elektromagnetischen Felder des Lichts werden durch die Bewegung durch statische elektrische oder magnetische Felder in einem linearen Medium wie einem Vakuum nicht beeinflusst. In nichtlinearen Medien, wie z. B. einigen Kristallen, können jedoch Wechselwirkungen zwischen Licht und statischen elektrischen und magnetischen Feldern auftreten – zu diesen Wechselwirkungen gehören der Faraday-Effekt und der Kerr-Effekt.
Bei der Brechung ändert eine Welle, die von einem Medium in ein anderes mit anderer Dichte übergeht, beim Eintritt in das neue Medium ihre Geschwindigkeit und Richtung. Das Verhältnis der Brechungsindizes der Medien bestimmt den Grad der Brechung und wird durch das Snellsche Gesetz zusammengefasst. Licht zusammengesetzter Wellenlängen (natürliches Sonnenlicht) zerfällt beim Durchgang durch ein Prisma aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindex des Prismenmaterials (Dispersion) in ein sichtbares Spektrum, d. h. jede einzelne Welle innerhalb des zusammengesetzten Lichts wird unterschiedlich stark gebeugt.
EM-Strahlung weist gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften auf (siehe Welle-Teilchen-Dualismus). Sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften sind in vielen Experimenten bestätigt worden. Welleneigenschaften sind deutlicher, wenn EM-Strahlung über relativ große Zeiträume und Entfernungen gemessen wird, während Teilcheneigenschaften deutlicher sind, wenn kleine Zeiträume und Entfernungen gemessen werden. Wenn beispielsweise elektromagnetische Strahlung von Materie absorbiert wird, sind teilchenähnliche Eigenschaften offensichtlicher, wenn die durchschnittliche Anzahl der Photonen im Kubus der betreffenden Wellenlänge viel kleiner als 1 ist. Es ist nicht so schwierig, experimentell eine ungleichmäßige Energieabgabe bei der Absorption von Licht zu beobachten, doch ist dies allein kein Beweis für ein „teilchenförmiges“ Verhalten. Vielmehr spiegelt es die Quantennatur der Materie wider. Der Nachweis, dass das Licht selbst gequantelt ist und nicht nur seine Wechselwirkung mit der Materie, ist eine subtilere Angelegenheit.
Es gibt Experimente, die sowohl die Wellen- als auch die Teilcheneigenschaft elektromagnetischer Wellen zeigen, wie die Selbstinterferenz eines einzelnen Photons. Wenn ein einzelnes Photon durch ein Interferometer geschickt wird, durchläuft es beide Pfade und interferiert mit sich selbst, wie es Wellen tun, wird aber von einem Photomultiplier oder einem anderen empfindlichen Detektor nur einmal erfasst.
Eine Quantentheorie der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie wie Elektronen wird durch die Theorie der Quantenelektrodynamik beschrieben.
Elektromagnetische Wellen können polarisiert, reflektiert, gebrochen, gebeugt werden oder miteinander interferieren.
WellenmodellBearbeiten
In homogenen, isotropen Medien ist elektromagnetische Strahlung eine Transversalwelle, d.h. ihre Schwingungen verlaufen senkrecht zur Richtung der Energieübertragung und -ausbreitung. Der elektrische und der magnetische Teil des Feldes stehen in einem festen Stärkeverhältnis, um die beiden Maxwell-Gleichungen zu erfüllen, die angeben, wie das eine aus dem anderen entsteht. In verlustfreien Medien sind diese E- und B-Felder auch phasengleich, wobei beide an denselben Punkten im Raum Maxima und Minima erreichen (siehe Abbildungen). Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass die E- und B-Felder in der elektromagnetischen Strahlung phasenverschoben sind, weil eine Änderung des einen die Änderung des anderen hervorruft, was zu einer Phasendifferenz zwischen ihnen als Sinusfunktionen führen würde (wie dies in der Tat bei der elektromagnetischen Induktion und im Nahfeld in der Nähe von Antennen geschieht). Bei der EM-Strahlung im Fernfeld, die durch die beiden quellenfreien Maxwell-Kurvenoperator-Gleichungen beschrieben wird, lautet die korrektere Beschreibung jedoch, dass eine zeitliche Änderung in einer Feldart proportional zu einer räumlichen Änderung in der anderen ist. Diese Ableitungen setzen voraus, dass die E- und B-Felder in der EMR gleichphasig sind (siehe Abschnitt Mathematik unten).
Ein wichtiger Aspekt der Natur des Lichts ist seine Frequenz. Die Frequenz einer Welle ist ihre Schwingungsrate und wird in Hertz, der SI-Einheit der Frequenz, gemessen, wobei ein Hertz einer Schwingung pro Sekunde entspricht. Licht hat in der Regel mehrere Frequenzen, die sich zu der resultierenden Welle addieren. Unterschiedliche Frequenzen erfahren unterschiedliche Brechungswinkel, ein Phänomen, das als Dispersion bekannt ist.
Eine monochromatische Welle (eine Welle mit einer einzigen Frequenz) besteht aus aufeinander folgenden Wellenbergen und -tälern, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder -tälern wird als Wellenlänge bezeichnet. Die Wellen des elektromagnetischen Spektrums variieren in ihrer Größe, von sehr langen Radiowellen, die länger als ein Kontinent sind, bis hin zu sehr kurzen Gammastrahlen, die kleiner als Atomkerne sind. Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge, gemäß der Gleichung:
v = f λ {\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }
wobei v die Geschwindigkeit der Welle ist (c im Vakuum oder weniger in anderen Medien), f ist die Frequenz und λ ist die Wellenlänge. Wenn Wellen Grenzen zwischen verschiedenen Medien überqueren, ändern sich ihre Geschwindigkeiten, aber ihre Frequenzen bleiben konstant.
Elektromagnetische Wellen im freien Raum müssen Lösungen der elektromagnetischen Wellengleichung von Maxwell sein. Es sind zwei Hauptklassen von Lösungen bekannt, nämlich ebene Wellen und kugelförmige Wellen. Die ebenen Wellen können als Grenzfall der kugelförmigen Wellen in einem sehr großen (idealerweise unendlichen) Abstand von der Quelle betrachtet werden. Beide Arten von Wellen können eine Wellenform haben, die eine beliebige Zeitfunktion ist (solange sie ausreichend differenzierbar ist, um der Wellengleichung zu entsprechen). Wie jede Zeitfunktion kann sie mit Hilfe der Fourier-Analyse in ihr Frequenzspektrum oder einzelne sinusförmige Komponenten zerlegt werden, von denen jede eine einzelne Frequenz, Amplitude und Phase enthält. Eine solche Komponentenwelle wird als monochromatisch bezeichnet. Eine monochromatische elektromagnetische Welle kann durch ihre Frequenz oder Wellenlänge, ihre Spitzenamplitude, ihre Phase in Bezug auf eine Referenzphase, ihre Ausbreitungsrichtung und ihre Polarisation charakterisiert werden.
Interferenz ist die Überlagerung von zwei oder mehr Wellen, die zu einem neuen Wellenmuster führt. Wenn die Felder Komponenten in der gleichen Richtung haben, interferieren sie konstruktiv, während entgegengesetzte Richtungen destruktive Interferenz verursachen. Ein Beispiel für eine durch EMR verursachte Interferenz ist die elektromagnetische Interferenz (EMI) oder, wie sie allgemeiner bekannt ist, die Hochfrequenzinterferenz (RFI). Außerdem können mehrere Polarisationssignale kombiniert (d. h. gestört) werden, um neue Polarisationszustände zu bilden, was als Erzeugung paralleler Polarisationszustände bekannt ist.
Die Energie in elektromagnetischen Wellen wird manchmal als Strahlungsenergie bezeichnet.
Teilchenmodell und QuantentheorieBearbeiten
Eine Anomalie entstand im späten 19. Jahrhundert durch einen Widerspruch zwischen der Wellentheorie des Lichts und den Messungen der elektromagnetischen Spektren, die von Wärmestrahlern, den so genannten schwarzen Körpern, ausgesendet wurden. Die Physiker kämpften viele Jahre lang erfolglos mit diesem Problem. Später wurde es als die Ultraviolett-Katastrophe bekannt. Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine neue Theorie der Strahlung schwarzer Körper, die das beobachtete Spektrum erklärte. Plancks Theorie basierte auf der Vorstellung, dass schwarze Körper Licht (und andere elektromagnetische Strahlung) nur in Form von diskreten Energiebündeln oder -paketen aussenden. Diese Pakete wurden Quanten genannt. Im Jahr 1905 schlug Albert Einstein vor, Lichtquanten als echte Teilchen zu betrachten. Später erhielt das Lichtteilchen den Namen Photon, in Anlehnung an andere Teilchen, die zu dieser Zeit beschrieben wurden, wie das Elektron und das Proton. Ein Photon hat eine Energie, E, proportional zu seiner Frequenz, f, durch
E = h f = h c λ {\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }},\!}
wobei h die Plancksche Konstante ist, λ {\displaystyle \lambda }
ist die Wellenlänge und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Dies wird auch als Planck-Einstein-Gleichung bezeichnet. In der Quantentheorie (siehe erste Quantisierung) ist die Energie der Photonen also direkt proportional zur Frequenz der EMR-Welle.
Gleichermaßen ist auch der Impuls p eines Photons proportional zu seiner Frequenz und umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge:
p = E c = h f c = h λ . {\displaystyle p={E c}={hf c}={h λ}
Der Ursprung von Einsteins Vorschlag, dass Licht aus Teilchen besteht (oder sich unter bestimmten Umständen wie Teilchen verhalten könnte), war eine experimentelle Anomalie, die durch die Wellentheorie nicht erklärt werden konnte: der photoelektrische Effekt, bei dem Licht, das auf eine Metalloberfläche trifft, Elektronen aus der Oberfläche ausstößt, wodurch ein elektrischer Strom über eine angelegte Spannung fließt. Experimentelle Messungen zeigten, dass die Energie der einzelnen ausgestoßenen Elektronen proportional zur Frequenz und nicht zur Intensität des Lichts war. Unterhalb einer bestimmten Mindestfrequenz, die von dem jeweiligen Metall abhängt, fließt unabhängig von der Intensität kein Strom. Diese Beobachtungen schienen der Wellentheorie zu widersprechen, und jahrelang versuchten die Physiker vergeblich, eine Erklärung zu finden. Im Jahr 1905 erklärte Einstein dieses Rätsel, indem er die Teilchentheorie des Lichts wieder aufleben ließ, um den beobachteten Effekt zu erklären. Da jedoch die Beweise für die Wellentheorie überwogen, stießen Einsteins Ideen bei den etablierten Physikern zunächst auf große Skepsis. Schließlich wurde Einsteins Erklärung akzeptiert, als neue teilchenähnliche Verhaltensweisen des Lichts beobachtet wurden, wie z. B. der Compton-Effekt.
Wenn ein Photon von einem Atom absorbiert wird, regt es das Atom an und hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau (das im Durchschnitt weiter vom Kern entfernt ist). Wenn ein Elektron in einem angeregten Molekül oder Atom auf ein niedrigeres Energieniveau abfällt, sendet es ein Lichtphoton mit einer Frequenz aus, die dem Energieunterschied entspricht. Da die Energieniveaus der Elektronen in Atomen diskret sind, emittiert und absorbiert jedes Element und jedes Molekül seine eigenen charakteristischen Frequenzen. Die unmittelbare Photonenemission wird als Fluoreszenz bezeichnet, eine Art der Photolumineszenz. Ein Beispiel ist das sichtbare Licht, das von fluoreszierenden Farben als Reaktion auf ultraviolettes Licht (Schwarzlicht) ausgesendet wird. Es sind viele andere Fluoreszenzemissionen in anderen Spektralbereichen als dem sichtbaren Licht bekannt. Die verzögerte Emission wird als Phosphoreszenz bezeichnet.
Wellen-Teilchen-DualismusBearbeiten
Die moderne Theorie, die die Natur des Lichts erklärt, beinhaltet den Begriff des Welle-Teilchen-Dualismus. Ganz allgemein besagt die Theorie, dass alles sowohl eine Teilchen- als auch eine Wellennatur hat, und dass verschiedene Experimente durchgeführt werden können, um die eine oder die andere herauszufinden. Die Teilchennatur lässt sich am einfachsten anhand eines Objekts mit großer Masse feststellen. Eine kühne Behauptung von Louis de Broglie im Jahr 1924 führte die wissenschaftliche Gemeinschaft zu der Erkenntnis, dass auch Materie (z. B. Elektronen) einen Welle-Teilchen-Dualismus aufweist.
Wellen- und Teilcheneffekte der elektromagnetischen Strahlung
Zusammen erklären Wellen- und Teilcheneffekte vollständig die Emissions- und Absorptionsspektren der EM-Strahlung. Die Materiezusammensetzung des Mediums, durch das sich das Licht bewegt, bestimmt die Art des Absorptions- und Emissionsspektrums. Diese Banden entsprechen den zulässigen Energieniveaus in den Atomen. Dunkle Banden im Absorptionsspektrum sind auf die Atome in einem dazwischenliegenden Medium zwischen Quelle und Beobachter zurückzuführen. Die Atome absorbieren bestimmte Frequenzen des Lichts zwischen Sender und Detektor/Auge und strahlen sie dann in alle Richtungen ab. Auf dem Detektor erscheint ein dunkles Band, das auf die aus dem Strahl gestreute Strahlung zurückzuführen ist. Dunkle Streifen im Licht eines weit entfernten Sterns sind beispielsweise auf die Atome in der Atmosphäre des Sterns zurückzuführen. Ein ähnliches Phänomen tritt bei der Emission auf, wenn ein emittierendes Gas aufgrund der Anregung der Atome durch einen beliebigen Mechanismus, einschließlich Wärme, leuchtet. Beim Abstieg der Elektronen auf niedrigere Energieniveaus wird ein Spektrum emittiert, das die Sprünge zwischen den Energieniveaus der Elektronen darstellt, aber es sind Linien zu sehen, weil die Emission wiederum nur bei bestimmten Energien nach der Anregung stattfindet. Ein Beispiel ist das Emissionsspektrum von Nebeln. Die sich schnell bewegenden Elektronen werden am stärksten beschleunigt, wenn sie auf einen Kraftbereich treffen, so dass sie für einen Großteil der in der Natur beobachteten elektromagnetischen Strahlung mit den höchsten Frequenzen verantwortlich sind.
Diese Phänomene können bei verschiedenen chemischen Bestimmungen der Zusammensetzung von Gasen, die von hinten beleuchtet werden (Absorptionsspektren), und von glühenden Gasen (Emissionsspektren) helfen. Mit der Spektroskopie lässt sich zum Beispiel feststellen, aus welchen chemischen Elementen ein bestimmter Stern besteht. Die Spektroskopie wird auch bei der Bestimmung der Entfernung eines Sterns mit Hilfe der Rotverschiebung eingesetzt.
LichtausbreitungsgeschwindigkeitBearbeiten
Wenn ein Draht (oder ein anderes leitendes Objekt wie eine Antenne) einen Wechselstrom leitet, breitet sich elektromagnetische Strahlung mit der gleichen Frequenz wie der Strom aus. In vielen solchen Situationen ist es möglich, ein elektrisches Dipolmoment zu erkennen, das durch die Trennung der Ladungen aufgrund des erregenden elektrischen Potenzials entsteht, und dieses Dipolmoment schwingt mit der Zeit, wenn sich die Ladungen hin und her bewegen. Dieses Dipolmoment oszilliert mit der Zeit, wenn sich die Ladungen hin und her bewegen. Diese Oszillation mit einer bestimmten Frequenz führt zu wechselnden elektrischen und magnetischen Feldern, die dann die elektromagnetische Strahlung in Bewegung setzen.
Auf der Quantenebene wird elektromagnetische Strahlung erzeugt, wenn das Wellenpaket eines geladenen Teilchens oszilliert oder anderweitig beschleunigt wird. Geladene Teilchen in einem stationären Zustand bewegen sich nicht, aber eine Überlagerung solcher Zustände kann zu einem Übergangszustand führen, der ein elektrisches Dipolmoment hat, das in der Zeit schwingt. Dieses oszillierende Dipolmoment ist für das Phänomen des strahlenden Übergangs zwischen Quantenzuständen eines geladenen Teilchens verantwortlich. Solche Zustände treten (zum Beispiel) in Atomen auf, wenn Photonen abgestrahlt werden, während das Atom von einem stationären Zustand in einen anderen wechselt.
Als Welle ist Licht durch eine Geschwindigkeit (die Lichtgeschwindigkeit), Wellenlänge und Frequenz gekennzeichnet. Als Teilchen ist das Licht ein Strom von Photonen. Jedes hat eine Energie, die mit der Frequenz der Welle zusammenhängt, die durch die Plancksche Beziehung E = hf gegeben ist, wobei E die Energie des Photons, h die Plancksche Konstante, 6,626 × 10-34 J-s, und f die Frequenz der Welle ist.
Eine Regel wird unabhängig von den Umständen befolgt: EM-Strahlung breitet sich im Vakuum relativ zum Beobachter mit Lichtgeschwindigkeit aus, unabhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters. (Diese Beobachtung führte zu Einsteins Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie.)In einem Medium (das kein Vakuum ist) werden je nach Frequenz und Anwendung der Geschwindigkeitsfaktor oder der Brechungsindex berücksichtigt. Beides sind Verhältnisse der Geschwindigkeit in einem Medium zur Geschwindigkeit im Vakuum.
Spezielle RelativitätstheorieBearbeiten
Bis zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts konnten verschiedene experimentelle Anomalien nicht durch die einfache Wellentheorie erklärt werden. Eine dieser Anomalien betraf eine Kontroverse über die Lichtgeschwindigkeit. Die von den Maxwell-Gleichungen vorhergesagte Lichtgeschwindigkeit und andere EMR traten nicht auf, es sei denn, die Gleichungen wurden in einer Weise modifiziert, die zuerst von FitzGerald und Lorentz vorgeschlagen wurde (siehe Geschichte der Speziellen Relativitätstheorie); andernfalls würde die Geschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Beobachters im Verhältnis zum „Medium“ (dem so genannten leuchtenden Äther) abhängen, das angeblich die elektromagnetische Welle „trug“ (in ähnlicher Weise wie die Luft Schallwellen trägt). In Experimenten konnte kein Beobachtereffekt festgestellt werden. 1905 schlug Einstein vor, dass Raum und Zeit für die Ausbreitung des Lichts und alle anderen Prozesse und Gesetze geschwindigkeitsveränderliche Einheiten zu sein schienen. Diese Veränderungen erklärten die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und der gesamten elektromagnetischen Strahlung aus der Sicht aller Beobachter – auch derjenigen, die sich relativ bewegen.