什么是電磁波？電磁波的解剖

什么是電磁波？

電磁能以波的形式傳播，并涵蓋從很長(zhǎng)的無線電波到很短的伽馬射線的廣譜范圍。人眼只能檢測(cè)到該光譜的一小部分，即可見光。無線電檢測(cè)頻譜的不同部分，而X射線機(jī)則使用另一部分。NASA的科學(xué)儀器使用整個(gè)電磁頻譜來研究地球，太陽系和更廣闊的宇宙。

調(diào)諧收音機(jī)，看電視，發(fā)送短信或在微波爐中爆米花時(shí)，您正在使用電磁能。您每天每一小時(shí)都依靠這種能量。沒有它，您所知道的世界將不存在。

是什么在保護(hù)我們

我們的太陽是整個(gè)光譜范圍的能源，它的電磁輻射不斷轟炸我們的大氣層。但是，地球的大氣層保護(hù)我們免受暴露于一系列可能對(duì)生命有害的高能波中。伽馬射線，X射線和一些紫外線正在“電離”，這意味著這些波具有很高的能量，可以將電子從原子中剔除。

暴露于這些高能波會(huì)改變?cè)雍头肿?，并破壞有機(jī)物中的細(xì)胞。這些對(duì)細(xì)胞的變化有時(shí)會(huì)有所幫助，例如當(dāng)使用輻射殺死癌細(xì)胞時(shí)，而有時(shí)則不是，例如當(dāng)我們被曬傷時(shí)。

大氣窗戶

超越大氣層的視線-RHESSI等NASA航天器為科學(xué)家提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，幫助他們“看見”處于被地球保護(hù)性大氣層阻擋的較高能量的波長(zhǎng)。

電磁輻射主要被地球大氣中的幾種氣體反射或吸收，其中最重要的是水蒸氣，二氧化碳和臭氧。一些輻射（例如可見光）在很大程度上穿過（傳輸）了大氣。

具有可以穿過大氣的波長(zhǎng)的光譜的這些區(qū)域被稱為“大氣窗口”。有些微波甚至可以穿過云層，這使它們成為傳輸衛(wèi)星通信信號(hào)的最佳波長(zhǎng)。

電磁波的解剖

衡量工作能力的能量有多種形式，可以從一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。

蓄能或勢(shì)能的例子包括電池和大壩后面的水，運(yùn)動(dòng)對(duì)象是動(dòng)能的示例。帶電粒子（例如電子和質(zhì)子）在移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，這些場(chǎng)傳輸?shù)哪芰糠Q為電磁輻射或光。

什么是電磁波和機(jī)械波？

機(jī)械波和電磁波是在我們周圍的世界中傳輸能量的兩種重要方式。水波和空氣聲波是機(jī)械波的兩個(gè)示例。

機(jī)械波是由物質(zhì)（無論是固體，氣體，液體還是等離子）的擾動(dòng)或振動(dòng)引起的。波傳播通過的物質(zhì)稱為媒介。

水波是由液體的振動(dòng)形成的，聲波是由氣體（空氣）的振動(dòng)形成的。這些機(jī)械波通過使分子相互碰撞而在介質(zhì)中傳播，就像下降的多米諾骨牌將能量從一個(gè)傳遞到另一個(gè)一樣。聲波不能在真空中傳播，因?yàn)闆]有介質(zhì)可以傳播這些機(jī)械波。

經(jīng)典波在不將物質(zhì)傳輸通過介質(zhì)的情況下傳輸能量。池塘中的波浪不會(huì)將水分子從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方。而是波的能量在水中傳播，將水分子留在原處，就像臭蟲在水中的漣漪上跳動(dòng)一樣。

電磁波

當(dāng)氣球在頭發(fā)的頭上摩擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生靜電電荷，使它們的各個(gè)頭發(fā)互相排斥。

電可以是靜態(tài)的，例如可以使頭發(fā)直立的能量。磁性也可以是靜態(tài)的，就像在冰箱的磁鐵中一樣。變化的磁場(chǎng)將感應(yīng)變化的電場(chǎng)，反之亦然-兩者相互關(guān)聯(lián)。

這些變化的場(chǎng)形成電磁波，電磁波與機(jī)械波的不同之處在于，它們不需要介質(zhì)即可傳播。這意味著電磁波不僅可以傳播通過空氣和固體材料，而且還可以傳播通過空間的真空。

在1860年代和1870年代，一位名叫James Clerk Maxwell的蘇格蘭科學(xué)家開發(fā)了一種解釋電磁波的科學(xué)理論。他注意到電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以耦合在一起形成電磁波，他將電和磁之間的這種關(guān)系總結(jié)為現(xiàn)在稱為“麥克斯韋方程組”的內(nèi)容。

德國物理學(xué)家海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）將麥克斯韋的理論應(yīng)用到無線電波的產(chǎn)生和接收中。為了紀(jì)念海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz），將無線電波的頻率單位（每秒一個(gè)周期）命名為赫茲。

他的無線電波實(shí)驗(yàn)解決了兩個(gè)問題。首先，他以具體的方式證明了麥克斯韋只是理論上的結(jié)論-無線電波的速度等于光的速度，這證明無線電波是光的一種形式。其次，赫茲發(fā)現(xiàn)了如何使電場(chǎng)和磁場(chǎng)與電線分離，并隨著麥克斯韋波（電磁波）自由移動(dòng)。

是波浪還是顆粒？

光由稱為光子的離散能量包構(gòu)成。光子帶有動(dòng)量，沒有質(zhì)量，并且以光速傳播。所有光都具有類粒子和類波特性，儀器如何設(shè)計(jì)以感測(cè)光影響觀察到這些屬性中的哪一個(gè)，將光衍射到光譜中進(jìn)行分析的儀器就是觀察光的波狀特性的一個(gè)例子。數(shù)碼相機(jī)中使用的檢測(cè)器觀察到了光的粒子狀性質(zhì)，單個(gè)光子釋放出用于檢測(cè)和存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的電子。

極化

光的物理特性之一是它可以被偏振，極化是電磁場(chǎng)取向的量度。在上圖中，電場(chǎng)（紅色）是垂直極化的。

想一想在柵欄上扔飛盤，在一個(gè)方向，它將通過，在另一個(gè)方向，它將被拒絕。這類似于太陽鏡如何通過吸收光的偏振部分來消除眩光。

描述電磁能

術(shù)語光，電磁波和輻射均指相同的物理現(xiàn)象：電磁能。

該能量可以用頻率，波長(zhǎng)或能量來描述。所有這三個(gè)在數(shù)學(xué)上都是相關(guān)的，因此，如果您知道一個(gè)，就可以計(jì)算另外兩個(gè)。無線電和微波通常用頻率（赫茲），紅外和可見光的波長(zhǎng)（米）來描述，X射線和伽馬射線的能量（電子伏特）來描述。這是一種科學(xué)慣例，可以方便地使用數(shù)量既不太大也不不太小的單位。

頻率

一秒鐘內(nèi)通過給定點(diǎn)的波峰數(shù)量被描述為波的頻率。在海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）確定無線電波的存在之后，每秒一波或一個(gè)周期的頻率稱為赫茲（Hz）。具有兩個(gè)周期且在一秒內(nèi)通過一個(gè)點(diǎn)的波的頻率為2 Hz。

波長(zhǎng)

電磁波具有類似于海浪的波峰和波谷。波峰之間的距離是波長(zhǎng)。最短的波長(zhǎng)只是原子大小的幾分之一，而科學(xué)家目前研究的最長(zhǎng)的波長(zhǎng)可能大于我們星球的直徑！

能源

電磁波也可以根據(jù)其能量來描述-以稱為電子伏特（eV）的測(cè)量單位為單位。電子伏特是使電子通過一個(gè)伏特電位所需的動(dòng)能量。沿光譜從長(zhǎng)波長(zhǎng)到短波長(zhǎng)移動(dòng)，能量隨著波長(zhǎng)的縮短而增加?？紤]一個(gè)跳繩，其末端被向上和向下拉動(dòng)。需要更多的能量來使繩索具有更多的波浪。

雖然我們的大氣層對(duì)于保護(hù)地球上的生命和使地球可居住是必不可少的，但是對(duì)于研究太空中的高能輻射源卻不是很有幫助。儀器必須放置在地球吸收能量的大氣上方，才能“看到”較高的能量，甚至是一些較低能量的光源，例如類星體。