Электромагни́тное излуче́ние (ЭМИ) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Может трактоваться как электромагни́тная волна́«Электромагнитные волны» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг. или как пото́к фото́нов, в зависимости от характера рассматриваемой задачи.
Среди электромагнитных полей, порождённых взаимодействием электрических зарядов или их неравномерным движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
Электромагнитный спектр подразделяется на: радиоволны (начиная со сверхдлинных) микроволновое излучение терагерцевое излучение инфракрасное излучение видимое излучение (свет) ультрафиолетовое излучение рентгеновское излучение гамма-излучение (см. ниже, см. также рисунок).
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом своё поведение).
Характеристики электромагнитного излучения Электромагнитное излучение характеризуется прежде всего своим спектральным составом. Ниже в этом разделе обсуждается монохроматическое излучение, то есть ЭМИ с фиксированной частотой (более сложные сигналы формируются из таких монохроматических вкладов)Булыгин В. С. .
К основным характеристикам ЭМИ, интерпретируемого как электромагнитная волна, относятся частота (или ), волновой вектор , длина волны , поляризация, амплитуда электрической компоненты поля (амплитуда магнитной связана с ней как , где и — электрическая и магнитная постоянные, , — диэлектрическая и магнитная проницаемости среды). Зависимость , называемая дисперсионным соотношением, диктуется свойствами среды; для вакуума , где — скорость света.
На основе дисперсионного соотношения записываются групповая и фазовая скорости электромагнитной волны. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света(Принцип максимальности скорости света теории относительности при этом не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации — связанная с групповой, а не фазовой скоростью — в любом случае не превышает световой скорости).
В вакууме или однородной изотропной среде волновой вектор, вектор напряжённости электрического поля и вектор напряжённости магнитного поля перпендикулярны друг другу. При этом волна является поперечной, поскольку и колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. В отличие от упругих (звуковых) волн, ЭМИ может передаваться от источника к приёмнику в том числе через вакуум. Форма волнового фронта (сферический, плоский и др.) зависит от удаления от источника излучения; на больших расстояниях волна чаще всего считается плоской.
Альтернативная в концепции корпускулярно-волнового дуализма возможная интерпретация ЭМИ состоит в том, что ЭМИ рассматривается как поток частиц-фотонов. При этом предполагается, что каждый фотон несёт энергию , движется (если в вакууме) со скоростью в направлении , а плотность потока ([м−2c−1], — площадь, — время) равна средней переносимой мощности [Джм−2с−1] в волновой трактовке (усреднённому по достаточному промежутку времени вектору Пойнтинга), делённой на ; при этом концентрация фотонов [м−3] составляет .
Разделы науки, занимающиеся изучением ЭМИ
Электродинамика Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергийТакже вопросы, связанные с жёсткими и сверхжёсткими излучениями могут возникать в астрофизике; там иногда они имеют особую специфику, например, генерация излучения может происходить в областях огромного размера.; в соответствии с современными представлениями (см. Стандартная модель), при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при ещё более высоких энергиях, — как ожидается, со всеми остальными калибровочными полями.
Связь с более фундаментальными науками Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальнойНаиболее фундаментальной, не считая упомянутых выше теорий Стандартной модели, отличия которой от чистой квантовой электродинамики проявляются, впрочем, лишь при очень высоких энергиях. из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии.
Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определённого диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.
Диапазоны электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме. ЭМИ различных частот взаимодействуют с веществом по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.
Название диапазона Длины волн, λ Частоты, f Источники Радиоволны Сверхдлинные Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь. Длинные Средние Короткие Ультракороткие Инфракрасное излучение Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.Видимое излучение Ультрафиолетовое Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.Рентгеновское Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.Гамма Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и децимиллиметровые волны (гипервысокие частоты, ГВЧ, 300—3000 ГГц) — стандартные диапазоны радиоволн по общепринятой классификации. По другой классификации указанные стандартные диапазоны радиоволн, исключая метровые волны, называют микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).
Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, слабо ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и, ещё слабее, видимый свет. На этом основан принцип действия оптических и УФ-лазеров, однако, для ощутимого уровня воздействия требуется развивать и достаточно существенную мощность потока. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах , а энергия гамма-квантов — больше . В узком смысле, гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).
Радиоволны
Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.
Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Микроволновое излучение Микроволновое излучение (микроволны) — область спектра электромагнитного излучения с длинами волн от 1 м до 1 мм, соответствующими частотам от 300 МГц и до 300 ГГц соответственно. Различные источники используют разные диапазоны частот для микроволн; вышеупомянутое широкое определение включает диапазоны: УВЧ (дециметровые волны), СВЧ (сантиметровые волны) и КВЧ (миллиметровые волны). Более распространённое определение в радиотехнике — диапазон от 1 до 100 ГГц (длины волн от 0,3 м до 3 мм). Частоты микроволнового излучения часто обозначаются терминами IEEE для радиолокационных диапазонов: S, C, X, Ku, K или Ka диапазон или аналогичными обозначениями НАТО или ЕС.
Приставка микро- в словосочетании микроволновое излучение не предназначено для определения длины волны в микрометровом диапазоне. Скорее, это указывает на то, что микроволны «маленькие» (с более короткими длинами волн) по сравнению с радиоволнами, которые использовались до распространения микроволновой технологии. Границы между дальним инфракрасным диапазоном, областью терагерцового излучения, микроволнами и дециметровых радиоволн достаточно произвольна и используется по-разному в различных областях науки и технологии. Инфракрасное излучение (тепловое) Как и радио- и микроволны, инфракрасное излучение (ИК) отражается от металлов (а также от большинства электромагнитных помех, находящихся в ультрафиолетовом диапазоне). Однако, в отличие от низкочастотного радио- и микроволнового излучения, инфракрасное излучение обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые изменяются при колебании атомов на концах одной химической связи.