전자기 방사선

이론

X 축을 따라 마이크로 미터 단위의 거리 눈금 으로 세 가지 다른 색상의 빛 (파란색, 녹색 및 빨간색) 의 전자기파의 상대 파장을 표시합니다 .

맥스웰 방정식

맥스웰은 파생 전기 및 자기장 방정식의 파형을 따라서의 파 형상 특성 폭로 전기 및 자기장 과 그 대칭 . 파동 방정식에 의해 예측 된 EM 파의 속도가 측정 된 빛의 속도 와 일치하기 때문에 Maxwell은 빛 자체가 EM 파라고 결론지었습니다. ^{[10] [10]} 맥스웰 방정식에 의해 확인되었다 하인리히 헤르쯔 전파 실험을 통하여.

^[11] 맥스웰은 물리학의 많은 대칭 방식으로 수학적 예술이기 때문에, 또한 전기와 자기 사이의 대칭성이 있어야한다는 것을 깨달았다. 그는 빛이 전기와 자기의 조합이라는 것을 깨달았습니다. 따라서이 둘은 서로 연결되어야합니다. Maxwell의 방정식 에 따르면공간적으로 변하는 전기장 은 항상시간이 지남에 따라 변하는 자기장 과 관련이있습니다. ^[12] 이와 같이, 공간적으로 변화하는 자기장은 전기장의 경시 특정 변경과 관련된다. 전자기파에서 전기장의 변화는 항상 한 방향으로 자기장의 파동을 동반하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 둘 사이의 관계는 어떤 유형의 필드도 다른 필드를 유발하지 않고 발생합니다. 오히려 그들은 시간과 공간의 변화가 함께 발생하고 특수 상대성 이론으로 서로 연결되는 것과 같은 방식으로 함께 발생합니다. 사실 자기장은 다른 기준 프레임에서 전기장으로 볼 수 있고 전기장은 다른 기준 프레임에서 자기장으로 볼 수 있지만 물리학이 모든 기준 프레임에서 동일하기 때문에 동일한 의미를 갖습니다. 여기서 공간과 시간 변화 사이의 밀접한 관계는 비유 이상의 것입니다. 이 필드는 함께 전파 전자기파를 형성하여 우주로 이동하고 다시는 소스와 상호 작용할 필요가 없습니다. 이러한 방식으로 전하의 가속에 의해 형성된 먼 EM 장은 공간을 통해 "방사되는"에너지와 함께 에너지를 전달합니다.

근거리 및 원거리 필드

전자기 복사 (여기에 표시된 안테나의 마이크로파와 같은)에서 "방사선"이라는 용어는 무한 공간으로 방사되고 역 제곱 전력 법칙 에 의해 강도가 감소 하는 전자기장 부분에만 적용됩니다. 가상의 구면을 통과하는 복사 에너지는 안테나에서 얼마나 멀리 떨어져 있더라도 구면이 그려집니다. 따라서 전자기 복사에는 송신기 주변의 전자기장 의 원거리 장 부분이 포함됩니다 . 송신기에 가까운 "근거리 장"의 일부는 변화하는 전자기장의 일부를 형성 하지만 전자기 방사로 계산되지 않습니다.

Maxwell의 방정식은 일부 전하와 전류 ( "소스") 가 EMR의 동작을 갖지 않는 로컬 유형의 전자기장을 근처에서 생성 한다는 것을 확인했습니다 . 전류는 직접 자기장을 생성하지만 전류로부터 멀어짐에 따라 소멸 하는 자기 쌍극자 유형입니다. 유사한 방식으로, 변화하는 전위 (예 : 안테나)에 의해 전도체에서 분리되는 이동 전하는 전기 쌍극자 유형의 전기장을 생성 하지만 거리에 따라 감소합니다. 이 필드 는 EMR 소스 근처의 근거리 필드를 구성합니다 . 이러한 행동 중 어느 것도 EM 방사선에 대한 책임이 없습니다. 대신, 변압기 내부 의 자기 유도 또는 금속 탐지기 의 코일 근처에서 발생하는 피드백 동작 과 같이 소스에 매우 가까운 수신기로만 전력을 효율적으로 전송하는 전자기장 동작을 유발 합니다. 일반적으로 근거리 장은 자체 소스에 강력한 영향을 미치므로 수신기가 EM 필드에서 에너지를 회수 할 때마다 소스 또는 송신기에서 "부하"( 전기 리액턴스 감소 )를 증가시킵니다 . 그렇지 않으면, 이러한 필드는 거리 제한없이 에너지를 운반하여 공간으로 자유롭게 "전파"하지 않고 오히려 진동하여 수신기가 수신하지 않으면 에너지를 송신기로 반환합니다. ^{[ 인용 필요 ]}

대조적으로, EM 원거리 장은 송신기가없는 방사 로 구성됩니다 (전기 변압기의 경우와는 달리) 송신기는 신호가 있는지 여부에 관계없이 필드의 이러한 변화를 전송하는 데 동일한 전력이 필요하다는 의미에서 송신기가 없습니다. 즉시 픽업 여부. 전자기장의이 먼 부분 은 "전자기 방사"( 원거리 장 이라고도 함 )입니다. 원거리 장은 송신기가 영향을주지 않고 전파 (방사)합니다. 이것은 그들이 송신기를 떠난 후 그들의 존재와 에너지가 송신기와 수신기 모두와 완전히 독립적이라는 의미에서 독립적으로 만듭니다. 에너지 보존 으로 인해 소스 주변에 그려진 구형 표면을 통과하는 전력량은 동일합니다. 그러한 표면은 소스로부터의 거리의 제곱에 비례하는 면적을 가지기 때문에 EM 복사 의 전력 밀도 는 소스로부터의 거리의 역 제곱으로 항상 감소합니다. 이것을 역 제곱 법칙 이라고합니다 . 이것은 역 큐브 파워 법칙에 따라 전력이 변하는 소스 (근장)에 가까운 EM 장의 쌍극자 부분과 대조적이며 따라서 거리에 걸쳐 보존 된 양의 에너지를 전달 하지 않고 대신 페이드합니다. 에너지 (설명 된대로)가 송신기로 빠르게 되돌아 가거나 근처 수신기 (예 : 변압기 2 차 코일)에 의해 흡수됩니다.

원거리 장 (EMR)은 근거리 장과는 다른 생산 메커니즘과 Maxwell 방정식의 다른 조건에 따라 달라집니다. 근거리 장의 자기 부분은 소스의 전류로 인한 것이지만 EMR의 자기장은 전기장의 국부적 인 변화로 인한 것입니다. 유사한 방식으로, 근거리 장의 전기장은 소스의 전하와 전하 분리에 직접적으로 기인하는 반면, EMR의 전기장은 국부 자기장의 변화로 인한 것입니다. 전기장 및 자기장 EMR을 생성하는 두 공정 모두 근거리 쌍극자 전기장 및 자기장과는 거리에 대한 의존성이 다릅니다. 이것이 EM 필드의 EMR 유형이 소스로부터 "멀리"전력에서 우세 해지는 이유입니다. "원에서 멀리 떨어진 곳"이라는 용어는 소스 전류가 다양한 소스 전위에 의해 변경 될 때까지 외부로 이동하는 EM 필드의 일부가 소스에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 (빛의 속도로 이동)를 나타냅니다. 따라서 소스는 다른 위상의 외부로 이동하는 EM 필드를 생성하기 시작했습니다. ^{[ 인용 필요 ]}

EMR에 대한보다 간결한 관점은 EMR을 구성하는 원거리 장은 일반적으로 소스에서 충분한 거리를 이동 한 EM 필드의 일부이며 원래 원인이었던 전하 및 전류에 대한 피드백에서 완전히 분리 된 것입니다. 그것을 위해. 이제 소스 전하와 무관하게 EM 장은 멀어 질 때 자신을 생성 한 전하의 가속에만 의존합니다. 그것은 더 이상 전하의 직접적인 장이나 전하의 속도 (전류)와 강한 연결을 갖지 않습니다. ^{[ 인용 필요 ]}

단일 입자의 운동으로 인한 전기장 및 자기장 의 Liénard–Wiechert 전위 공식 (Maxwell 방정식에 따름)에서 입자 가속과 관련된 항은 다음과 같이 간주되는 장의 일부를 담당하는 항입니다. 전자기 방사선. 대조적으로, 입자의 변화하는 정적 전기장과 관련된 용어와 입자의 균일 한 속도로 인해 발생하는 자기 용어는 모두 전자기 근거리 장과 관련이 있으며 EM 복사를 포함하지 않습니다. ^{[ 인용 필요 ]}

속성

전자기파는 전기장과 자기장의 자기 전파 횡 진동 파로 상상할 수 있습니다. 이 3D 애니메이션은 왼쪽에서 오른쪽으로 전파되는 평면 선형 편광 파를 보여줍니다. 이러한 파동의 전기장과 자기장은 서로 동 위상이며 함께 최소값과 최대 값에 도달합니다.

전기 역학은 은 IS 물리 전자기 방사선 및 전자기은 전기 역학 이론과 관련된 물리 현상이다. 전기장과 자기장은 중첩 특성을 따릅니다 . 따라서 특정 입자 또는 시간에 따라 변하는 전기장 또는 자기장으로 인한 장은 다른 원인으로 인해 동일한 공간에 존재하는 장에 기여합니다. 있는 그대로 또한, 벡터 필드는 모두 자기 전계 벡터는 서로에 따라 추가 할 벡터 덧셈 . ^[13] 예를 들어, 광학 두 개 이상의 상호 작용 간섭 광파와 건설적으로 또는 파괴적 간섭 개별 광파의 성분의 합 irradiances 벗어나는 얻어진 조도를 얻었다. ^{[ 인용 필요 ]}

빛의 전자기장은 진공과 같은 선형 매체에서 정적 전기장 또는 자기장을 통해 이동해도 영향을받지 않습니다. 그러나 일부 결정 과 같은 비선형 매체에서는 빛과 정적 전기장 및 자기장간에 상호 작용이 발생할 수 있습니다. 이러한 상호 작용에는 패러데이 효과 와 커 효과가 포함 됩니다. ^{[14] [15]}

에서는 굴절 웨이브 상이한 다른 하나 개의 매체로부터 횡단 밀도 달라져의 속도와 방향 새로운 배지 들어가면. 매체의 굴절률 비율은 굴절 정도를 결정하며 Snell의 법칙에 의해 요약됩니다 . 합성 파장의 빛 (자연 태양 광) 은 프리즘 물질 의 파장 의존적 굴절률 ( 분산 ) 때문에 프리즘을 통과 하는 가시 스펙트럼으로 분산 됩니다. 즉, 합성 광 내의 각 구성 요소 파동은 다른 양으로 구부러집니다. ^[16]

EM 복사는 파동 속성과 입자 속성을 동시에 나타냅니다 ( 파동 입자 이중성 참조 ). 파동 및 입자 특성은 많은 실험에서 확인되었습니다. 파동 특성은 EM 복사가 상대적으로 큰 시간 척도와 먼 거리에서 측정 될 때 더 분명해지며 입자 특성은 작은 시간 척도와 거리를 측정 할 때 더 분명합니다. 예를 들어 전자기 복사가 물질에 흡수되면 해당 파장의 입방체에있는 평균 광자 수가 1보다 훨씬 적을 때 입자와 같은 특성이 더 분명해질 것입니다. 불균일 증착을 실험적으로 관찰하는 것은 그리 어렵지 않습니다. 빛이 흡수 될 때 에너지가 발생하지만 이것만으로는 "미립자"행동의 증거가 아닙니다. 오히려 그것은 물질 의 양자 적 성질을 반영합니다 . ^[17] 광 자체 물질과 상호 작용 단순히 양자화 것을 보여주는 더 미묘한 일이다.

일부 실험에서는 단일 광자 의 자기 간섭과 같은 전자기파의 파동 및 입자 특성을 모두 표시합니다 . ^[18] 는 단일 광자가 통해 전송되면 간섭계 , 그 물결처럼 자체 방해 두 경로를 통과 아직 의해 검출 광전자 번만 또는 다른 민감한 검출기.

양자 이론 전자기 방사선 사이 물질 예컨대 전자와의 상호 작용은 이론에 의해 설명 양자 전자기학 .

전자기파는 편광 , 반사, 굴절, 회절 또는 서로 간섭 할 수 있습니다 . ^{[19] [20] [21]}

웨이브 모델

원형으로 편파 된 전자기파의 전계 벡터를 나타냅니다.

균질 한 등방성 매체에서 전자기 복사는 횡파입니다 . ^[22] 진동이 에너지 전달 및 이동 방향에 수직임을 의미합니다. 필드의 전기 및 자기 부분은 하나가 다른 것으로부터 어떻게 생성되는지를 지정하는 두 개의 Maxwell 방정식 을 만족시키기 위해 고정 된 비율의 강도로 유지됩니다 . 소산이없는 (무손실) 매체에서 이러한 E 및 B 필드도 위상이 같으며 공간의 동일한 지점에서 최대 값과 최소값에 도달합니다 (그림 참조). 일반적인 오해 ^{[ 인용 필요 ]} 는 하나의 변화가 다른 하나를 생성하기 때문에 전자기 복사 의 E 및 B 필드가 위상이 맞지 않는다는 것입니다. 이것은 정현파 함수로 위상차를 생성 할 것입니다 (실제로 전자기 유도 에서 발생하는 것처럼 , 상기에서 근접장 안테나 부근). 그러나 두 개의 소스가없는 Maxwell curl 연산자 방정식 으로 설명되는 원거리 장 EM 복사 에서 한 필드 유형의 시간 변화가 다른 필드의 공간 변화에 비례한다는 더 정확한 설명이 있습니다. 이러한 도함수를 사용하려면 EMR 의 E 및 B 필드가 동 위상이어야합니다 (아래의 수학 섹션 참조). ^{[ 인용 필요 ]}

빛의 본질에서 중요한 측면은 주파수 입니다. 파동의 주파수는 진동 속도 이며 주파수 의 SI 단위 인 헤르츠 단위로 측정됩니다 . 여기서 1 헤르츠는 초당 1 개의 진동과 같습니다. 빛은 일반적으로 결과 파동을 형성하기 위해 합산되는 여러 주파수를 가지고 있습니다. 다른 주파수는 분산 이라고 알려진 현상 ​​인 다른 굴절 각도를 겪습니다 .

단색 파 (단일 주파수의 파동)는 연속적인 골과 능선으로 구성되며 두 개의 인접한 능선 또는 골 사이의 거리를 파장 이라고합니다 . 전자기 스펙트럼의 파동은 대륙보다 긴 매우 긴 전파에서 원자핵보다 작은 매우 짧은 감마선에 이르기까지 크기가 다양합니다. 주파수는 다음 방정식에 따라 파장에 반비례합니다. ^[23]

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

여기서 v 는 파동의 속도 ( 진공 상태에서는 c 또는 다른 매체에서는 그 이하), f 는 주파수이고 λ는 파장입니다. 파도가 서로 다른 매체 사이의 경계를 넘으면 속도는 변하지 만 주파수는 일정하게 유지됩니다.

자유 공간의 전자기파 는 Maxwell의 전자기파 방정식 의 솔루션이어야합니다 . 두 가지 주요 솔루션 클래스, 즉 평면파와 구형파가 알려져 있습니다. 평면파는 소스로부터 매우 큰 (이상적으로는 무한한) 거리에있는 구형파의 제한 사례로 볼 수 있습니다. 두 유형의 파동 모두 임의 시간 함수 인 파형을 가질 수 있습니다 (파동 방정식을 따르기에 충분히 미분 할 수있는 한). 모든 시간 함수와 마찬가지로 이것은 푸리에 분석 을 통해 주파수 스펙트럼 또는 개별 정현파 성분 으로 분해 될 수 있으며 , 각각은 단일 주파수, 진폭 및 위상을 포함합니다. 이러한 성분 파동은 단색 이라고합니다 . 단색 전자기파는 주파수 또는 파장, 피크 진폭, 일부 기준 위상에 대한 위상, 전파 방향 및 편광으로 특성화 될 수 있습니다.

간섭은 두 개 이상의 웨이브가 중첩되어 새로운 웨이브 패턴을 생성하는 것입니다. 필드에 동일한 방향의 구성 요소가 있으면 건설적으로 간섭하는 반면 반대 방향은 파괴적인 간섭을 유발합니다. EMR로 인한 간섭의 예는 전자기 간섭 (EMI) 또는 더 일반적으로 알려진 무선 주파수 간섭 (RFI)입니다. ^{[ 인용 필요 ]} 또한, 여러 편광 신호를 결합 (즉, 간섭)하여 새로운 편광 상태를 형성 할 수 있으며,이를 병렬 편광 상태 생성이라고 합니다. ^[24]

전자기파의 에너지를 때때로 복사 에너지 라고 합니다. ^{[25] [26] [27]}

입자 모델 및 양자 이론

빛의 파동 이론과 흑체로 알려진 열 방사기에 의해 방출되는 전자기 스펙트럼의 측정 사이의 모순과 관련된 이상이 19 세기 후반에 발생했습니다 . 물리학 자들은이 문제를 수년 동안 성공적으로 해결하지 못했습니다. 그것은 나중에 자외선 재앙으로 알려지게되었습니다 . 1900 년에 막스 플랑크 는 관찰 된 스펙트럼을 설명 하는 새로운 흑체 복사 이론을 개발했습니다 . 플랑크의 이론은 흑체가 이산 적 번들 또는 에너지 패킷으로 만 빛 (및 기타 전자기 복사)을 방출한다는 생각에 기반을두고 있습니다. 이러한 패킷을 quanta 라고 합니다. 1905 년 Albert Einstein 은 빛 양자를 실제 입자로 간주 할 것을 제안했습니다. 나중에 빛의 입자 는 전자 와 양성자 와 같은이시기에 묘사되는 다른 입자들과 일치하기 위해 광자 라는 이름이 주어졌습니다 . 광자는 주파수 f에 비례 하는 에너지 E 를가 집니다.

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

여기서 h 는 플랑크 상수 이고,${\ displaystyle \ lambda}$파장은 파장이고 c 는 빛 의 속도입니다 . 이것은 때때로 플랑크-아인슈타인 방정식 으로 알려져 있습니다. ^[28] 에서 양자 이론 (참조 : 제 양자화 ) 광자의 에너지 따라서 EMR 파의 주파수에 직접 비례한다. ^[29]

마찬가지로 광자 의 운동량 p 도 주파수에 비례하고 파장에 반비례합니다.

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

: 빛의 입자로 구성 하였다 (또는 어떤 상황에서는 입자로서 동작 할 수있다) 아인슈타인의 제안의 소스는 이상 파형 이론에 의해 설명되지 실험이었다 광전 효과 , 금속 표면의 표면으로부터 전자를 방출 있던 멋진 광을하는 원인 전류 인가를 통해 흐르게 전압 . 실험적 측정은 방출 된 개별 전자의 에너지가 빛 의 강도 보다는 주파수 에 비례 함을 보여 주었다 . 또한 특정 금속에 의존하는 특정 최소 주파수 이하에서는 강도에 관계없이 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 관찰은 파동 이론과 모순되는 것처럼 보였고, 수년간 물리학 자들은 설명을 찾기 위해 헛된 노력을 기울였습니다. 1905 년 아인슈타인은 관찰 된 효과를 설명하기 위해 빛의 입자 이론을 부활시킴으로써이 퍼즐을 설명했습니다. 그러나 파동 이론에 찬성하는 증거가 우세했기 때문에 아인슈타인의 아이디어는 초기에 확립 된 물리학 자들 사이에서 큰 회의론으로 만났습니다. 결국 아인슈타인의 설명은 Compton 효과 와 같은 새로운 입자와 같은 빛의 거동이 관찰되면서 받아 들여졌습니다 . ^{[ 인용 필요 ] [30]}

광자가 원자에 흡수되면 원자 를 자극 하여 전자 를 더 높은 에너지 수준 (평균적으로 핵에서 더 먼 수준)으로 상승 시킵니다. 여기 된 분자 또는 원자의 전자가 더 낮은 에너지 수준으로 내려 가면 에너지 차이에 해당하는 주파수에서 빛의 광자를 방출합니다. 원자에서 전자의 에너지 준위는 이산 적이기 때문에 각 원소와 각 분자는 고유 한 고유 주파수를 방출하고 흡수합니다. 즉각적인 광자 방출 을 광 발광 의 일종 인 형광 이라고 합니다. 예를 들어 자외선 ( 흑광 ) 에 반응하여 형광 페인트에서 방출되는 가시 광선이 있습니다 . 다른 많은 형광 방출은 가시 광선 이외의 스펙트럼 대역에서 알려져 있습니다. 지연 방출을 인광 이라고 합니다. ^{[31] [32]}

파동-입자 이중성

빛의 본질을 설명하는 현대 이론에는 파동-입자 이중성 개념이 포함됩니다. 보다 일반적으로 이론은 모든 것이 입자 성질과 파동 성질을 모두 가지고 있으며, 하나 또는 다른 것을 꺼내기 위해 다양한 실험을 할 수 있다고 말합니다. 입자 성질은 질량이 큰 물체를 사용하여 더 쉽게 식별 할 수 있습니다. 1924 년 Louis de Broglie 의 대담한 제안으로 과학계는 물질 (예 : 전자 )도 파동-입자 이중성을 나타낸다는 사실을 깨닫게되었습니다 . ^[33]

전자기 복사의 파동 및 입자 효과

파동 및 입자 효과는 함께 EM 방사선의 방출 및 흡수 스펙트럼을 완전히 설명합니다. 빛이 통과하는 매체의 물질 구성은 흡수 및 방출 스펙트럼의 특성을 결정합니다. 이 밴드는 원자의 허용 된 에너지 수준에 해당합니다. 흡수 스펙트럼의 어두운 밴드는 소스와 관찰자 사이의 매개체에있는 원자 때문입니다. 원자는 방사체와 검출기 / 눈 사이에서 빛의 특정 주파수를 흡수 한 다음 모든 방향으로 방출합니다. 빔에서 산란 된 방사선으로 인해 검출기에 어두운 띠가 나타납니다. 예를 들어, 먼 별에서 방출되는 빛의 어두운 띠 는 별 대기의 원자 때문입니다. 방출에 대해서도 유사한 현상이 발생하는데 , 이는 열을 포함한 모든 메커니즘에서 원자가 여기되어 방출 가스가 빛을 발할 때 나타납니다. 전자가 더 낮은 에너지 준위로 내려 가면 전자의 에너지 준위 사이의 점프를 나타내는 스펙트럼이 방출되지만, 여기 이후 특정 에너지에서만 방출이 다시 발생하기 때문에 선이 보입니다. ^[34] 예에서는 인 발광 스펙트럼 성운 . ^{[ 인용 필요한 ]} 신속들은 힘의 영역이 발생할 때 그들이 자연에서 관찰 된 최고 주파수 전자기 방사선의 다량 생산을 담당하므로 전자가 가장 급격히 가속 이동.

이러한 현상은 뒤에서 점화 된 가스의 조성 (흡수 스펙트럼)과 빛나는 가스 (방출 스펙트럼)에 대한 다양한 화학적 결정을 지원할 수 있습니다. 예를 들어 분광법 은 특정 별을 구성하는 화학 원소를 결정합니다 . 분광법은 적색 편이를 사용하여 별의 거리를 결정하는 데에도 사용됩니다 . ^[35]

전파 속도

와이어 (또는 안테나 와 같은 다른 전도체 )가 교류를 전도 하면 전자기 복사가 전류와 동일한 주파수로 전파됩니다. 이러한 많은 상황에서 여기 전위로 인한 전하 분리에서 발생하는 전기 쌍극자 모멘트를 식별 할 수 있으며,이 쌍극자 모멘트는 전하가 앞뒤로 이동함에 따라 시간에 따라 진동합니다. 주어진 주파수에서이 진동은 전기장과 자기장을 변화시켜 전자기 복사를 움직이게합니다. ^{[ 인용 필요 ]}

양자 수준에서 하전 입자의 파동 패킷이 진동하거나 가속 될 때 전자기 복사가 생성됩니다. 정지 상태의 하전 입자는 움직이지 않지만 이러한 상태의 중첩은 시간에 따라 진동 하는 전기 쌍극자 모멘트 를 갖는 전이 상태를 초래할 수 있습니다 . 이 진동하는 쌍극자 모멘트는 하전 입자의 양자 상태 사이의 복사 전이 현상을 담당합니다. 이러한 상태는 원자가 하나의 고정 상태에서 다른 상태로 이동함에 따라 광자가 방사 될 때 원자에서 발생합니다. ^{[ 인용 필요 ]}

파동으로서 빛은 속도 ( 빛 의 속도 ), 파장 및 주파수를 특징으로 합니다. 입자로서 빛은 광자 의 흐름입니다 . 각각은 플랑크의 관계 E = hf에 의해 주어진 파동의 주파수와 관련된 에너지를 가지고 있습니다. 여기서 E 는 광자의 에너지, h 는 플랑크 상수 , 6.626 × 10 ⁻³⁴ J · s, f 는 파동의 주파수입니다. . ^[36]

하나의 규칙은 상황에 관계없이 순종한다 : 진공에서 전자파가에서 여행 빛의 속도 , 관찰자를 기준으로 관찰자의 속도에 관계없이. (이 관찰은 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 발전으로 이어졌습니다 .) ^{[ 인용 필요 ]} 매체 (진공이 아닌)에서는 빈도와 적용에 따라 속도 계수 또는 굴절률 이 고려됩니다. 이 두 가지 모두 매체 속도와 진공 속도의 비율입니다. ^{[ 인용 필요 ]}

특수 상대성 이론

19 세기 후반에는 단순한 파동 이론으로 다양한 실험적 이상을 설명 할 수 없었습니다. 이 이상 현상 중 하나는 빛의 속도에 대한 논쟁과 관련이 있습니다. Maxwell의 방정식에 의해 예측 된 빛의 속도 및 기타 EMR은 FitzGerald 와 Lorentz가 처음 제안한 방식으로 방정식을 수정 하거나 ( 특수 상대성 이론 참조 ) 그렇지 않으면 속도가 관찰자의 속도에 따라 달라 지지 않는 한 나타나지 않았습니다. 전자기파를 "전달"한 것으로 추정되는 "중간"( 발광성 에테르 라고 함 ) (공기가 음파를 전달하는 방식과 유사한 방식으로). 실험은 관찰자 효과를 찾지 못했습니다. 1905 년에 아인슈타인은 공간과 시간이 빛의 전파와 다른 모든 과정과 법칙에 대해 속도를 바꿀 수있는 개체로 보인다고 제안했습니다. 이러한 변화는 모든 관찰자의 관점에서 볼 때, 심지어 상대 운동을하는 사람들까지도 빛의 속도와 모든 전자기 복사의 일관성을 설명했습니다.

가시 광선 이외의 파장의 전자기 복사는 19 세기 초에 발견되었습니다. 적외선 방사 의 발견은 1800 년 런던 왕립 학회 이전에 그의 결과를 발표 한 천문학 자 William Herschel에 기인합니다 . ^[37] 허셜 유리 사용 프리즘 에 굴절 로부터 광 태양 과 함께 기록되는 온도의 증가를 통해 스펙트럼의 적색 부분을 넘어 가열 일으켰 보이지 선 검출 온도계 . 이러한 "열량 광선"은 나중에 적외선이라고 불 렸습니다. ^[38]

1801 년 독일의 물리학 자 요한 빌헬름 리터 는 햇빛과 유리 프리즘을 사용하는 Herschel과 유사한 실험에서 자외선 을 발견 했습니다. Ritter는 삼각형 프리즘에 의해 분산 된 태양 스펙트럼의 보라색 가장자리 근처의 보이지 않는 광선이 근처의 보라색 빛보다 더 빨리 염화은 준비물을 어둡게 만들었다 고 지적했습니다 . Ritter의 실험은 사진이 될 것의 초기 선구자였습니다. Ritter는 자외선 (처음에는 "화학 선"이라고 불림)이 화학 반응을 일으킬 수 있다고 지적했습니다. ^[39]

제임스 클러 크 맥스웰

1862 ~ 64 년에 James Clerk Maxwell 은 전자기장에 대한 방정식을 개발하여 필드의 파동이 알려진 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 이동할 것을 제안했습니다. 따라서 Maxwell은 가시 광선 (추론에 의한 보이지 않는 적외선 및 자외선)이 모두 전자기장에서 전파 방해 (또는 복사)로 구성되어 있다고 제안했습니다. 전파 는 1887 년 에 Heinrich Hertz 에 의해 의도적으로 생성되었으며, Maxwell의 방정식에서 제안한 진동 전하와 전류를 생성하는 방법에 따라 가시광 선보다 훨씬 낮은 주파수에서 진동을 생성하도록 계산 된 전기 회로를 사용했습니다. Hertz는 또한 이러한 파동을 감지하는 방법을 개발하고 나중에 전파 및 마이크로파 라고하는 것을 생성하고 특성화했습니다 . ^{[40] : 286,7}

빌헬름 뢴트겐이 발견 및 명명 된 X 선을 . 1895 년 11 월 8 일 진공관에 고전압을 가해 실험 한 후, 그는 코팅 된 유리판 근처에서 형광을 발견했습니다. 한 달 만에 그는 엑스레이의 주요 특성을 발견했습니다. ^{[40] : 307}

발견 된 EM 스펙트럼의 마지막 부분은 방사능 과 관련이있었습니다 . Henri Becquerel 은 우라늄 염이 X- 선과 유사한 방식으로 커버링 페이퍼를 통해 노출되지 않은 사진 판에 안개를 일으킨다는 사실을 발견 했으며 Marie Curie 는 특정 요소 만 이러한 에너지 광선을 방출하여 곧 라듐 의 강렬한 복사를 발견했습니다 . 피치블렌드의 방사선은 1899 년 간단한 실험을 통해 어니스트 러더 포드에 의해 알파선 ( 알파 입자 )과 베타선 ( 베타 입자 ) 으로 분화 되었지만, 이들은 하전 된 입자 형태의 방사선으로 입증되었습니다. 그러나 1900 년에 프랑스 과학자 Paul Villard 는 라듐에서 중성 전하를 띠고 특히 침투하는 세 번째 유형의 방사선을 발견했으며이를 설명한 후 Rutherford는 1903 년에 Rutherford가 감마선 이라고 명명 한 방사선이 아직 세 번째 유형임을 깨달았습니다 . 1910 년 영국의 물리학 자 윌리엄 헨리 브래그 (William Henry Bragg) 는 감마선이 입자가 아니라 전자기 복사임을 입증했으며 1914 년 러더 포드와 에드워드 안드레 데가 파장을 측정하여 X 선과 비슷하지만 파장이 더 짧고 주파수가 더 높음을 발견했습니다. X 선과 감마선 사이의 오버 '는 감마선보다 더 높은 에너지 (따라서 더 짧은 파장)를 가진 X 선을 가질 수있게하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 광선의 기원은 그것들을 구별하고, 감마선은 원자의 불안정한 핵에서 시작되는 자연 현상 인 경향이 있으며 X- 선은 다음으로 인한 bremsstrahlung X- 방사선 의 결과가 아닌 한 전기적으로 생성 (따라서 인공) 됩니다. 빠르게 움직이는 입자 (예 : 베타 입자)가 일반적으로 원자 번호가 더 높은 특정 물질과 충돌하는 상호 작용. ^{[40] : 308,9}

가시 광선이 강조 표시된 전자기 스펙트럼

범례 :
γ = 감마선

HX = 하드 X 선
SX = 소프트 X 선

EUV = 극 자외선
NUV = 근 자외선

가시 광선 (컬러 밴드)

NIR = 근적외선
MIR = 중 적외선
FIR = 원적외선

EHF = 매우 높은 주파수 (전자 레인지)
SHF = 슈퍼 고주파 (전자 레인지)

UHF = 초고 주파수 (전파)
VHF = 매우 높은 주파수 (라디오)
HF = 고주파 (라디오)
MF = 중간 주파수 (라디오)
LF = 저주파 (라디오)
VLF = 초 저주파 (라디오)
VF = 음성 주파수
ULF = 초 저주파 (라디오)
SLF = 초 저주파 (라디오)
ELF = 초 저주파 (라디오)

EM 방사선 ( '방사선'은 정전기 및 자기장 및 근거리 장을 제외 함 )은 파장별로 라디오 , 마이크로파 , 적외선 , 가시 광선 , 자외선 , X 선 및 감마선으로 분류됩니다 . 임의의 전자기파 는 정현파 단색 파의 관점에서 푸리에 분석 에 의해 표현 될 수 있으며 , 차례로 EMR 스펙트럼의 이러한 영역으로 분류 될 수 있습니다.

특정 종류의 EM 파의 경우 파형은 가장 유용하게 무작위로 취급되며 스펙트럼 분석은 무작위 또는 확률 적 프로세스에 적합한 약간 다른 수학적 기술로 수행되어야합니다 . 이러한 경우 개별 주파수 구성 요소는 전력 콘텐츠 측면에서 표시되며 위상 정보는 보존되지 않습니다. 이러한 표현을 랜덤 프로세스 의 전력 스펙트럼 밀도 라고합니다 . 이러한 종류의 분석을 필요로하는 임의의 전자기 복사는 예를 들어 별의 내부와 전자기 진공 의 영점 파장 과 같은 다른 매우 광대역 형태의 복사에서 발생합니다 .

EM 복사의 거동과 물질과의 상호 작용은 주파수에 따라 다르며 주파수가 변함에 따라 질적으로 변합니다. 낮은 주파수는 더 긴 파장을 가지며 높은 주파수는 더 짧은 파장을 가지며 더 높은 에너지의 광자와 관련이 있습니다. 스펙트럼의 양쪽 끝에서 이러한 파장이나 에너지에 대해 알려진 근본적인 한계는 없지만, 플랑크 에너지에 가까운 에너지를 가진 광자 또는이를 초과하는 광자는 설명 할 새로운 물리적 이론이 필요합니다.

라디오 및 전자 레인지

전파는 에너지가 가장 적고 주파수가 가장 낮습니다. 전파가 전도체에 충돌하면 전도체 에 결합되어 전도체를 따라 이동하며 전도 물질의 전자를 상관 된 전하 묶음으로 이동하여 전도체 표면에 전류를 유도 합니다. 이러한 효과는 전파의 파장이 길기 때문에 전도체 (예 : 라디오 안테나)의 거시적 거리를 커버 할 수 있습니다.

파장이 1 미터에서 1 밀리미터에 이르는 전자기 복사 현상을 마이크로파라고합니다. 300MHz (0.3GHz)와 300GHz 사이의 주파수로.

무선 및 마이크로파 주파수에서 EMR은 영향을받는 다수의 원자에 퍼져있는 대량의 전하 집합으로서 주로 물질과 상호 작용합니다. 에서는 전기 도체 등 유도 벌크 전하 이동 ( 전류 EMR의 흡수)의 결과, 또는 다른 전하 분리하는 새로운 EMR합니다 (EMR의 유효 반사)의 원인 생성. 예를 들어 안테나에 의한 전파의 흡수 또는 방출 또는 전자 레인지 내부와 같이 전기 쌍극자 모멘트가있는 물 또는 기타 분자에 의한 마이크로파의 흡수가 있습니다. 이러한 상호 작용은 전류 나 열 또는 둘 다를 생성합니다.

적외선

라디오 및 마이크로파와 마찬가지로 적외선 (IR)도 금속 (및 대부분의 EMR, 자외선 범위)에 의해 반사됩니다. 그러나 저주파 라디오 및 마이크로파 방사선과 달리 적외선 EMR은 일반적으로 단일 분자에 존재하는 쌍극자와 상호 작용하며, 이는 단일 화학 결합의 끝에서 원자가 진동함에 따라 변합니다. 결과적으로 광범위한 물질에 흡수되어 진동이 열로 소산됨에 따라 온도가 상승합니다. 동일한 프로세스를 반대로 실행하면 벌크 물질이 자발적으로 적외선으로 방출됩니다 (아래 열 복사 섹션 참조).

적외선은 스펙트럼 하위 영역으로 나뉩니다. 서로 다른 세분화 방식이 존재하지만 ^{[41] [42]} 스펙트럼은 일반적으로 근적외선 (0.75–1.4 μm), 단파장 적외선 (1.4–3 μm), 중간 파장 적외선 (3–8 μm), 장파장 적외선 (8–15 μm) 및 원적외선 (15–1000 μm). ^[43]

가시 광선

천연 소스는 스펙트럼 전체에 EM 복사를 생성합니다. 약 400nm에서 700nm 사이 의 파장을 가진 EM 방사선 은 사람의 눈으로 직접 감지 되어 가시 광선으로 인식됩니다. 다른 파장, 특히 근처 적외선 (700nm 이상) 및 자외선 (400nm 미만)도 때때로 빛이라고합니다.

주파수가 가시 범위로 증가함에 따라 광자는 일부 개별 분자의 결합 구조를 변경하기에 충분한 에너지를 갖습니다. 시각 의 메커니즘이 단일 광자를 흡수하는 단일 분자 인 망막 결합의 변화를 포함하기 때문에 이것이 가시 범위에서 발생하는 것은 우연이 아닙니다 . 망막의 변화는 그것이 포함 된 로돕신 단백질 의 모양을 변화 시켜 인간 눈 의 망막 이 빛을 감지 하게하는 생화학 적 과정을 시작합니다 .

같은 이유로이 범위에서도 광합성 이 가능해집니다. 단일 분자의 엽록소 는 단일 광자에 의해 여기됩니다. 광합성을 수행하는 식물 조직에서 카로티노이드 는 비광 화학적 담금질 이라고하는 과정에서 가시 광선에 의해 생성 된 전자적으로 여기 된 엽록소를 담금질하는 역할을 하여 높은 빛 수준에서 광합성을 방해하는 반응을 방지합니다.

적외선을 감지하는 동물 은 많은 광자를 포함하는 본질적으로 열 과정에서 온도를 변화시키는 작은 물 패킷을 사용합니다.

적외선, 마이크로파 및 전파는 단일 광자로부터의 여기가 아닌 대량 가열에 의해서만 분자와 생물학적 조직을 손상시키는 것으로 알려져 있습니다.

가시 광선은 모든 분자의 극히 일부에만 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로 영구적이거나 손상되는 방식이 아니라 광자가 전자를 여기 한 다음 원래 위치로 돌아갈 때 다른 광자를 방출합니다. 이것은 대부분의 염료에서 생성되는 색상의 원천입니다. 망막 은 예외입니다. 광자가 흡수되면 망막은 구조를 시스에서 트랜스로 영구적으로 변경하고 다시 변환하기 위해 단백질을 필요로합니다. 즉, 다시 광 검출기로 기능 할 수 있도록 재설정합니다.

제한된 증거에 따르면 일부 활성 산소 종 은 피부의 가시 광선에 의해 생성되며 자외선 A 와 같은 방식으로 광노화에 어떤 역할을 할 수 있습니다 . ^[44]

자외선

주파수가 자외선으로 증가함에 따라 광자는 이제 특정 이중 결합 분자를 영구적 인 화학적 재 배열로 자극 하기에 충분한 에너지 (약 3 전자 볼트 이상)를 운반 합니다. 에서 DNA ,이 손상을 지속됩니다. DNA는 또한 DNA를 직접 손상 시키기에는 너무 낮은 에너지를 가진 자외선 A (UVA)에 의해 생성 된 활성 산소 종에 의해 간접적으로 손상됩니다. 이것이 모든 파장의 자외선이 DNA를 손상시킬 수 있고 암을 유발할 수 있으며 ( UVB의 경우 ) 단순한 가열 (온도 상승) 효과로 생성되는 것보다 훨씬 더 심한 피부 화상 (햇볕에 탐)을 일으킬 수있는 이유입니다. 가열 효과에 비례하지 않는 분자 손상을 일으키는 이러한 특성은 가시 광선 범위 이상의 주파수를 갖는 모든 EMR의 특징입니다. 고주파 EMR의 이러한 특성은 분자 수준에서 물질과 조직을 영구적으로 손상시키는 양자 효과 때문입니다. ^{[ 인용 필요 ]}

자외선 범위의 더 높은 끝에서, 광자의 에너지는 광 이온화 라고 불리는 과정에서 전자가 원자로부터 해방 될 수 있도록 충분한 에너지를 전자에 전달하기에 충분히 커집니다 . 이를 위해 필요한 에너지는 항상 124nm보다 작은 파장에 해당하는 약 10eV ( 전자 볼트 )보다 큽니다 (일부 소스에서는 물을 이온화하는 데 필요한 에너지 인 33eV의보다 현실적인 컷오프를 제안합니다). 대략적인 이온화 범위에있는 에너지를 가진이 자외선 스펙트럼의 하이 엔드는 때때로 "극단 UV"라고 불립니다. 이온화 UV는 지구 대기에 의해 강하게 필터링됩니다. ^{[ 인용 필요 ]}

X 선 및 감마선

따라서 최소 이온화 에너지 또는 그 이상 (짧은 파장을 가진 전체 스펙트럼 포함)을 전달하는 광자로 구성된 전자기 복사를 이온화 복사 라고 합니다. (많은 다른 종류의 전리 방사선은 non-EM 입자로 만들어집니다). 전리 방사선 유형 전자파 모든 것을 의미 모두 높은 주파수와 짧은 파장의 극단 자외선으로부터 연장되는 X 선 및 감마선이 자격. 이들은 생물학에서 돌연변이와 암을 포함한 모든 유형의 생체 분자에 발생할 수있는 가장 심각한 유형의 분자 손상을 일으킬 수 있으며, X- 선 스펙트럼의 더 높은 끝과 모든 것이기 때문에 종종 피부 아래 깊은 곳에서 발생할 수 있습니다. 감마선 스펙트럼의 물질을 투과합니다.

다양한 파장 의 전자기 복사에 대한 지구의 대기 흡수 및 산란 (또는 불투명도 )의 대략적인 플롯

대부분의 UV 및 X- 선은 먼저 분자 질소 에서 흡수 된 다음 (상부 UV의 파장에 대해) 이산 소의 전자 여기로부터 차단 되고 마지막 으로 UV의 중간 범위에서 오존 이 차단됩니다. 태양 자외선의 30 %만이 땅에 닿으며 거의 ​​모든 것이 잘 전달됩니다.

가시 광선은 질소, 산소 또는 오존을 자극 할만큼 에너지가 충분하지 않지만 수증기의 분자 진동 주파수를 자극하기에는 너무 에너지가 많기 때문에 공기 중에서 잘 전달됩니다. ^{[ 인용 필요 ]}

적외선의 흡수 대역은 수증기의 진동 여기 모드 때문입니다. 그러나 에너지가 너무 낮아 수증기를 자극하지 않으면 대기가 다시 투명 해져 대부분의 마이크로파와 전파를 자유롭게 전송할 수 있습니다. ^{[ 인용 필요 ]}

마지막으로 10 미터 정도 (약 30MHz)보다 긴 전파 파장에서 낮은 대기의 공기는 전파에 투명하게 유지되지만 전리층 의 특정 층에있는 플라즈마는 전파와 상호 작용하기 시작합니다 ( 하늘 파 참조 ). 이 속성을 사용하면 일부 긴 파장 (100 미터 또는 3MHz)이 반사되어 가시선을 넘어서는 단파 라디오가 생성됩니다 . 그러나 특정 전리층 효과 는 주파수가 약 10MHz (약 30 미터보다 긴 파장) 미만일 때 우주에서 들어오는 전파를 차단하기 시작합니다. ^[45]

물질 의 기본 구조는 서로 결합 된 하전 입자를 포함합니다. 전자기 복사가 물질에 충돌하면 하전 입자가 진동하여 에너지를 얻습니다. 이 에너지의 궁극적 인 운명은 상황에 따라 다릅니다. 즉시 재 방사되어 산란, 반사 또는 투과 된 방사선으로 나타날 수 있습니다. 그것은 물질 내에서 다른 미세한 움직임으로 소멸되어 열 평형 상태에 도달 하고 물질에서 열 에너지 또는 운동 에너지 로 나타날 수 있습니다 . 고 에너지 광자와 관련된 몇 가지 예외 (예 : 형광 , 고조파 생성 , 광화학 반응 , 원 자외선, X 선 및 감마선에서 방사선을 이온화 하는 광전지 효과 )를 제외하고 흡수 된 전자기 방사선은 단순히 물질을 가열하여 에너지를 증착합니다. . 이것은 적외선, 마이크로파 및 전파 방사에서 발생합니다. 강렬한 전파는 살아있는 조직을 열로 태워 음식을 조리 할 수 ​​있습니다. 적외선 레이저 외에도 충분히 강렬한 가시 광선 및 자외선 레이저는 쉽게 종이에 불을 붙일 수 있습니다. ^{[46] [ 인용 필요 ]}

이온화 방사선은 물질에 고속 전자를 생성하고 화학 결합을 끊지 만, 이러한 전자가 다른 원자와 여러 번 충돌 한 후 결국 대부분의 에너지는 매우 짧은 시간에 열 에너지가됩니다. 이 과정은 비 이온화 방사선보다 단위 에너지 당 이온화 방사선을 훨씬 더 위험하게 만듭니다. 이 경고는 거의 모든 것이 이온화되지 않더라도 UV에도 적용됩니다. UV는 가열 효과보다 단위 에너지 당 훨씬 더 큰 전자 여기로 인해 분자를 손상시킬 수 있기 때문입니다. ^{[46] [ 인용 필요 ]}

(A)의 스펙트럼 분포의 적외선 흑체는 그 등가 온도가 열 에너지 단위당 엔트로피 변화와 연관되기 때문에 일반적으로, 열의 형태로 간주된다. 그러나 "열"은 물리학 및 열역학의 기술 용어이며 종종 열 에너지와 혼동됩니다. 모든 유형의 전자기 에너지는 물질과 상호 작용하여 열 에너지로 변환 될 수 있습니다. 따라서 모든 전자기 복사는 물질이 흡수 될 때 물질을 "가열"할 수 있습니다 ( 열 에너지 온도를 증가 시킨다는 의미 에서). ^[47]

역 또는 시간 반전 흡수 과정은 열 복사입니다. 물질의 대부분의 열 에너지는 하전 입자의 무작위 운동으로 구성되며,이 에너지는 물질에서 방출 될 수 있습니다. 그 결과 생성되는 복사선은 다른 물질에 의해 흡수 될 수 있으며, 증착 된 에너지는 물질을 가열합니다. ^[48]

열 평형 상태에서 불투명 한 공동의 전자기 복사는 최대 복사 엔트로피를 갖는 사실상 열 에너지의 한 형태입니다 . ^[49]

생체 전자기학 은 전자파가 살아있는 유기체에 미치는 영향과 상호 작용에 대한 연구입니다. 인간의 세포를 포함하여 살아있는 세포에 대한 전자기 방사선의 영향은 방사선의 전력과 주파수에 따라 다릅니다. 저주파 방사선 (전파에서 가시광으로)의 경우 가장 잘 이해되는 효과는 방사선이 흡수 될 때 열을 통해 작용하는 방사선 전력만으로 인한 영향입니다. 이러한 열 효과의 경우 주파수는 방사선의 강도와 유기체로의 침투에 영향을 미치기 때문에 중요합니다 (예 : 마이크로파가 적외선보다 더 잘 침투합니다). 너무 약해서 상당한 열을 유발할 수없는 저주파 장은 생물학적 영향을 미칠 수 없다는 것이 널리 알려져 있습니다. ^[50]

일반적으로 받아 들여지는 결과에도 불구하고, 약한 비열 전자기장 (약한 ELF 자기장 포함, 후자가 EM 복사로 엄격하게 규정되지는 않음) 을 보여주는 일부 연구가 수행되었습니다 ^{[50] [51] [52]} ). 변조 된 RF 및 마이크로파 장에는 생물학적 효과가 있습니다. ^{[53] [54] [55]} 비 발열 수준에서 생체 물질과 전자기장의 상호 작용의 기본 메커니즘은 완전히 이해되지 않는다. ^[50]

세계 보건기구 (WHO) 으로 분류 무선 주파수 전자기 방사선이 그룹 2B 발암 가능성을 -. ^{[56] [57]} 이 그룹은 납, DDT, 및 스티렌 등의 발암 가능성을 포함한다. 예를 들어, 휴대 전화 사용과 뇌암 발생 사이의 관계를 찾는 역학 연구는 그 효과가 존재한다면 그 효과가 클 수 없다는 것을 증명하기 위해 대체로 결정적이지 않았습니다.

더 높은 주파수 (가시 및 그 이상)에서 개별 광자의 효과가 중요해지기 시작합니다. 이제 이들은 생물학적 분자를 직접 또는 간접적으로 손상시킬 수있는 충분한 에너지를 개별적으로 가지고 있기 때문입니다. ^[58] 모든 UV의 frequences은 세계 보건기구 (WHO)에 의해 1 군 발암 물질로 분류되고있다. 태양 노출로 인한 자외선은 피부암의 주요 원인입니다. ^{[59] [60]}

따라서, UV 주파수 이상 (아마도 약간 또한 가시 범위)에서, ^[44] 전자파 간단한 가열 예측보다 더 생물학적 시스템에 손상을한다. 이것은 "먼"(또는 "극단적 인") 자외선에서 가장 분명합니다. X 선 및 감마선을 사용하는 UV 는이 방사선의 광자가 물질 (생체 조직 포함)에서 이온 및 자유 라디칼 을 생성하는 능력 때문에 이온화 방사선 이라고합니다 . 이러한 방사선은 열을 거의 생성하지 않는 에너지 수준에서 생명을 심각하게 손상시킬 수 있기 때문에 나머지 전자기 스펙트럼보다 훨씬 더 위험한 것으로 간주됩니다 (에너지 단위당 생성되는 손상 또는 전력 측면에서).

무기로 사용

열선은 전자파 주파수를 사용하여 피부의 상층에 불쾌한 열 효과를 생성하는 EMR 응용 프로그램입니다. Active Denial System 이라고하는 공개적으로 알려진 열선 무기 는 적의 접근을 막기위한 실험 무기로 미군에 의해 개발되었습니다. ^{[61] [62]} 의 죽음의 광선은 인체 조직 부상 할 수있는 수준에서 전자기 에너지에 기초하여 열선을 제공 이론적 무기. 죽음의 광선의 발명가 인 Harry Grindell Matthews 는 1920 년대 의 전자 레인지 마그네트론 을 기반으로 한 죽음의 광선 무기를 작업하던 중 왼쪽 눈의 시력을 잃었다 고 주장했습니다 (일반 전자 레인지 는 오븐 내부에서 조직을 손상시키는 요리 효과를 생성합니다. 약 2kV / m). ^[63]

전자기파는 Maxwell 방정식으로 알려진 고전적인 전기 및 자기 법칙에 의해 예측됩니다 . 변화하는 전기장 및 자기장의 파동 을 설명하는 균일 한 Maxwell 방정식 (전하 또는 전류 없음)에 대한 사소한 해법이 있습니다. 여유 공간 에서 Maxwell의 방정식으로 시작 :

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {E} = 0}$

( 1 )

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} =-{\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}$

( 2 )

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0}$

( 3 )

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t}}}$

( 4 )

어디

${\ displaystyle \ mathbf {E}}$ 과 ${\ displaystyle \ mathbf {B}}$되는 전계 (측정 V / m 또는 N / C 및) 자기장 (측정 T 또는 십억원 / m ² ), 각각;

${\ displaystyle \ nabla \ cdot X}$수율 발산 및 ${\ displaystyle \ nabla \ times X}$컬 벡터 필드의 ${\ displaystyle X;}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}$ 과 ${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t}}}$아르 편미분 자기와 전계 (위치 고정과의 시간 변화의 속도);

${\ displaystyle \ mu _ {0}}$진공 의 투과성 (4 ${\ displaystyle \ pi}$x 10 ^-7 ( H / m)), ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$진공 의 유전율 (8.85 × ^10-12 ( F / m))

사소한 해결책 외에

${\ displaystyle \ mathbf {E} = \ mathbf {B} = \ mathbf {0},}$

모든 벡터에 유효한 다음 벡터 ID로 유용한 솔루션을 도출 할 수 있습니다.${\ displaystyle \ mathbf {A}}$ 일부 벡터 필드에서 :

${\ displaystyle \ nabla \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {A} \ right) = \ nabla \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {A} \ right)-\ nabla ^ {2} \ mathbf { ㅏ} .}$

두 번째 Maxwell 방정식 ( 2 )을 사용하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

${\ displaystyle \ nabla \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right) = \ nabla \ times \ left (-{\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}} \ 권리)}$

( 5 )

위의 동일성을 사용하여 ( 5 ) 의 왼쪽을 평가하고 ( 1 )을 사용하여 단순화 하면 다음과 같은 결과가 나타납니다.

${\ displaystyle \ nabla \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right) = \ nabla \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {E} \ right)-\ nabla ^ {2} \ mathbf { E} =-\ nabla ^ {2} \ mathbf {E}.}$

( 6 )

파생 시퀀스를 교환하고 네 번째 Maxwell 방정식 ( 4 )을 삽입하여 ( 5 ) 의 오른쪽을 평가 하면 다음 과 같은 결과 가 나타납니다.

${\ displaystyle \ nabla \ times \ left (-{\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}} \ right) =-{\ frac {\ partial} {\ partial t}} \ left ( \ nabla \ times \ mathbf {B} \ right) =-\ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ partial ^ {2} \ mathbf {E}} {\ partial t ^ {2} }}}$

( 7 )

( 6 )과 ( 7 )을 다시 결합 하면 전기장에 대한 벡터 값 미분 방정식 을 제공하여 동종 Maxwell 방정식을 해결합니다.

네 번째 Maxwell 방정식 ( 4 ) 의 curl을 사용 하면 동종 Maxwell 방정식을 해결하는 자기장에 대해 유사한 미분 방정식이 생성됩니다.

두 미분 방정식 모두 속도로 전파되는 파동 에 대한 일반 파동 방정식 의 형태를 갖습니다.${\ displaystyle c_ {0},}$ 어디 ${\ displaystyle f}$ 시간과 위치의 함수로 특정 위치에서 특정 시간에 파동의 진폭을 제공합니다.

${\ displaystyle \ nabla ^ {2} f = {\ frac {1} {{c_ {0}} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2} f} {\ partial t ^ {2} }}}$

이것은 또한 다음과 같이 작성됩니다.

${\ displaystyle \ Box f = 0}$

어디 ${\ displaystyle \ Box}$소위 d' Alembert 연산자 를 나타내며 데카르트 좌표에서 다음과 같이 지정됩니다.

${\ displaystyle \ Box = \ nabla ^ {2}-{\ frac {1} {{c_ {0}} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial t ^ {2 }}} = {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial x ^ {2}}} + {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial y ^ {2}}} + {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial z ^ {2}}}-{\ frac {1} {{c_ {0}} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ 일부 t ^ {2}}} \}$

전파 속도에 대한 용어를 비교하면 전기장과 자기장의 경우 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

${\ displaystyle c_ {0} = {\ frac {1} {\ sqrt {\ mu _ {0} \ varepsilon _ {0}}}}.}$

이것은 진공 상태에서 빛 의 속도입니다 . 따라서 Maxwell의 방정식은 진공 유전율을 연결합니다. ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$, 진공 투과성 ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$, 그리고 빛의 속도, c ₀ , 위의 방정식을 통해. 이 관계는 Maxwell의 전기 역학이 개발되기 전에 Wilhelm Eduard Weber 와 Rudolf Kohlrausch에 의해 발견 되었지만 Maxwell은 빛의 속도로 이동하는 파동과 일치하는 장 이론을 생성 한 최초의 사람이었습니다.

이것들은 원래 4 개에 비해 2 개의 방정식에 불과하므로 더 많은 정보가 Maxwell의 방정식에 숨겨진 이러한 파동과 관련됩니다. 전기장에 대한 일반적인 벡터 파는 다음과 같은 형식을 갖습니다.

${\ displaystyle \ mathbf {E} = \ mathbf {E} _ {0} f \ left ({\ hat {\ mathbf {k}}} \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ right)}$

여기, ${\ displaystyle \ mathbf {E} _ {0}}$ 일정한 진폭입니다. ${\ displaystyle f}$ 두 번째 미분 기능입니다. ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {k}}}}$ 전파 방향의 단위 벡터이고 ${\ displaystyle {\ mathbf {x}}}$ 위치 벡터입니다. ${\ displaystyle f \ left ({\ hat {\ mathbf {k}}} \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ right)}$파동 방정식에 대한 일반적인 솔루션입니다. 다시 말해,

${\ displaystyle \ nabla ^ {2} f \ left ({\ hat {\ mathbf {k}}} \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ right) = {\ frac {1} {{c_ {0}} ^ {2}}} {\ frac {\ partial ^ {2}} {\ partial t ^ {2}}} f \ left ({\ hat {\ mathbf {k}}} \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ 오른쪽),}$

일반 파도가 ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {k}}}}$ 방향.

Maxwell의 첫 번째 방정식에서 우리는

${\ displaystyle \ nabla \ cdot \ mathbf {E} = {\ hat {\ mathbf {k}}} \ cdot \ mathbf {E} _ {0} f '\ left ({\ hat {\ mathbf {k}} } \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ right) = 0}$

그러므로,

${\ displaystyle \ mathbf {E} \ cdot {\ hat {\ mathbf {k}}} = 0}$

이는 전기장이 파동이 전파되는 방향과 직각임을 의미합니다. Maxwell 방정식의 두 번째는 자기장을 산출합니다.

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} = {\ hat {\ mathbf {k}}} \ times \ mathbf {E} _ {0} f '\ left ({\ hat {\ mathbf {k}} } \ cdot \ mathbf {x} -c_ {0} t \ right) =-{\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}$

그러므로,

${\ displaystyle \ mathbf {B} = {\ frac {1} {c_ {0}}} {\ hat {\ mathbf {k}}} \ times \ mathbf {E}}$

나머지 방정식은이 선택에 의해 충족됩니다. ${\ displaystyle \ mathbf {E}, \ mathbf {B}}$.

원거리 장의 전기장 및 자기장 파는 빛의 속도로 이동합니다. 그들은 특별한 제한된 방향과 비례적인 크기를 가지고 있습니다.${\ displaystyle E_ {0} = c_ {0} B_ {0}}$Poynting 벡터 에서 바로 볼 수 있습니다 . 전기장, 자기장 및 파동 전파 방향은 모두 직교하며 파동은 다음과 같은 방향으로 전파됩니다.${\ displaystyle \ mathbf {E} \ times \ mathbf {B}}$. 또한 파동 솔루션으로서 주로이 두 Maxwell 방정식에 의존하는 자유 공간의 E 및 B 원거리 장은 서로 동 위상입니다. 이것은 일반 파동 솔루션이 공간과 시간 모두 에서 1 차이고, 이러한 방정식의 한쪽에 있는 curl 연산자 는 파동 솔루션의 1 차 공간 도함수를 생성하는 반면, 다른 쪽의 시간 미분은 다른 필드를 제공하는 방정식은 시간상 1 차이므로 각 수학 연산에서 두 필드에 대해 동일한 위상 이동이 발생 합니다.

전자파가 앞으로 나아가는 관점에서 전기장은 위아래로 진동하고 자기장은 좌우로 진동합니다. 이 그림은 좌우로 진동하는 전기장과 위아래로 진동하는 자기장으로 회전 할 수 있습니다. 이것은 같은 방향으로 이동하는 다른 솔루션입니다. 전파 방향에 대한 방향의 이러한 임의성을 편광이라고 합니다. 양자 수준에서는 광자 분극으로 설명됩니다 . 분극의 방향은 전기장의 방향으로 정의됩니다.

위에 제공된 2 차 파동 방정식의보다 일반적인 형태를 사용할 수 있으므로 비 진공 전파 매체와 소스 모두를 허용합니다. 다양한 수준의 근사치 및 의도 된 응용 프로그램을 가진 많은 경쟁 파생물이 존재합니다. 하나의 매우 일반적인 예는 전계 방정식의 형태이며, ^[64] 명시 방향 파동 방정식의 쌍으로 인수 분해하고 효율적 간단한 느린 진화 근사에 의해 단일 단방향 파동 방정식으로 감소 하였다.

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