做网站还是租用服务器,免费的微信小程序模板,深圳关键词,网站采用哪种开发语言可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分。电磁波#xff0c;又称电磁辐射#xff0c;是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量#xff0c;其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁辐射的载体为光子#xff0c;不需要依靠介质传播#xf… 可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分。 电磁波又称电磁辐射是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁辐射的载体为光子不需要依靠介质传播在真空中的传播速度为光速。电磁辐射可按照频率分类从低频率到高频率主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁辐射波长大约在380至780纳米之间称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体都可以发射电磁辐射而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。因此人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。尽管如此只有处于可见光频域以内的电磁波才可以被人们肉眼看到。 目录 [隐藏] 1 历史2 概念 2.1 波动模型2.2 粒子模型2.3 传播速度3 热辐射4 电磁波谱5 导引6 参见7 参考文献8 外部链接 历史[编辑] 主条目电磁学的发展史 詹姆斯·麦克斯韦 电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程一种波动方程这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等麦克斯韦推论光波也是电磁波[1]。 概念[编辑] 三种不同的电磁波波模 (mode)蓝、绿、红x-轴长度尺度是微米。 光通过三棱镜后因色散造成不同颜色折射至不同的角度让白光形成可见光谱。 电动力学专门研究电磁波的物理行为是电磁学的分支。在电动力学里根据麦克斯韦方程组随着时间变化的电场产生了磁场反之亦然。因此一个振荡中的电场会产生振荡的磁场而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场这样子这些连续不断同相振荡的电场和磁场共同地形成了电磁波。 电场磁场都遵守叠加原理。因为电场和磁场都是矢量场所有的电场矢量和磁场矢量都适合做矢量加运算。例如一个行进电磁波入射于一个介质会引起介质内的电子振荡因而使得它们自己也发射电磁波。这会与入射波发生干涉因而造成折射或衍射等等现象。 在非线性介质内例如某些晶体电磁波会与电场或磁场产生相互作用这包括法拉第效应[2][3]和克尔效应[4]。 当电磁波从一种介质入射于另一种介质时假若两种介质的折射率不相等则会产生折射现象电磁波的方向和速度会改变。斯涅尔定律专门描述折射的物理行为。 假设由很多不同频率的电磁波组成的光波从空气入射于棱镜。而因为菱镜内的材料的折射率跟电磁波的频率有关会产生色散现象光波会色散成一组可观察到的电磁波谱。 量子电动力学是描述电磁辐射与物质之间的相互作用的量子理论。电磁波不但会展示出波动性质电磁波也会展示出粒子性质参阅波粒二象性。这些性质已经在很多物理实验中证实。当用比较大的时间尺度和距离尺度来测量电磁辐射时波动性质会比较显著而用比较小的时间尺度和距离尺度则粒子性质比较显著。 有时候波动性质和粒子性质会出现于同一个实验例如在双缝实验里当单独光子被发射于两条细缝时单独光子会穿过这两条细缝自己与自己干涉就好像波动运动一样。可是它只会被光电倍增管侦测到一次。当单独光子被发射于迈克耳孙干涉仪或其它种干涉仪时也会观测到类似的自我干涉现象。 波动模型[编辑] 电磁波是横波电场方向与磁场方向相互垂直又都垂直于传播方向。 描述光波的一个很重要的物理参数是频率。一个波的频率是它的振荡率国际单位制单位是赫兹。每秒钟振荡一次的频率是一赫兹。 波是由很多前后相继的波峰和波谷所组成两个相邻的波峰或波谷之间的距离称为波长。电磁波的波长有很多不同的尺寸从非常长的无线电波有一个足球场那么长到非常短的伽马射线比原子半径还短。 频率与波长成反比 其中是波速在真空里是光速在其它介质里小于光速是频率是波长。 当波从一个介质透射至另一个介质时波速会改变但是频率不变。 干涉是两个或两个以上的波叠加形成新的波样式。假若几个电磁波的电场同方向磁场也同方向则这干涉是建设性干涉反之则是摧毁性干涉。 电磁波的能量又称为辐射能。这能量一半储存于电场另一半储存于磁场。用方程表达[5] 其中是单位体积的能量是电场数值大小是磁场数值大小是电常数是磁常数。 粒子模型[编辑] 电磁辐射拥有像粒子的性质。电磁辐射是由离散能量的波包形成的这波包又称为量子或光子。光子的能量与电磁辐射的频率成正比。由于光子可以被带电粒子吸收或发射光子承担了一个重要的角色能量的传输者。根据普朗克关系式光子的能量是 其中是能量是普朗克常数是频率。 这光子能量方程乃是更广义的电磁振子一个特别案例。在低温状况电磁振子的平均能量与能量均分定理的预测相差很大。这显示出由于量子效应能量均分在低温状况是不正确的[6]。 当一个光子被原子吸收的同时也会激发它的束缚电子将电子的能级升高。假若光子给出的能量足够大电子可能会逃离原子核的束缚吸引成为自由电子。这程序称为光离化photoionization。逆反过来一个跃迁至较低能级的电子会发射一个能量等于能级差额的光子。由于原子内的电子能级是离散的每一种原子只能发射和吸收它的特征频率的光子[7]。 综合在一起这些效应解释了光波的吸收光谱。在介质内的原子因为吸收不同频率的光波造成了光谱的暗线。光波所通过的介质的组成成分决定了吸收光谱的表征。举例而言一个遥远的恒星的光谱其暗线与恒星的大气尘的原子组合有关这些暗线对应于原子的容许能级。类似的现象也会发生于光波的发射当电子从高能级量子态跃迁至低能级量子态的同时光波也会被发射出来其能量等于两个能级的差值。这现象显现于星云的发射光谱。今天科学家用这现象来观测恒星的内部结构这现象的红移被用来计算恒星离地球的距离。 传播速度[编辑] 主条目光速 呈加速运动的电荷或随着时间而变化的电磁场会产生电磁辐射。在自由空间里电磁辐射以光速传播。准确的计算其物理行为必须引用推迟时间的概念。这会增加电场和磁场的表达式的复杂程度参阅杰斐缅柯方程。这些多加的项目详细地描述电磁辐射的物理行为。当任意一根导线或别种导电体像天线传导交流电的时候同频率的电磁辐射也会被发射出来[8]。 在量子层次面当带电粒子的波包振荡或加速时会产生电磁辐射带电粒子的量子态可以用几个本征量子态的含时形式的叠加来表达请参阅双态系统。当系统处于稳定状态时由于含时形式会被其复共轭删除带电粒子处于每一个本征量子态的概率是常数。但是当系统被微扰时例如外电场被开启概率变为跟时间有关。带电粒子处于某本征量子态的概率会随时间而变化。这样带电粒子会从某个本征量子态跃迁至另外一个本征量子态因而产生电磁辐射[7]。 依状况的不同电磁辐射的物理行为可能像波动又可能像粒子。从波动角度电磁辐射的主要物理特征是速度、波长、频率。从粒子角度电磁辐射是由一群称为光子的粒子组成。每一个光子的能量与波动的频率的关系则是由普朗克关系式给出 其中是普朗克常数。 不论是粒子还是波动电磁辐射必然遵守一条定则不管观察者的速度有多快或多慢相对于观察者电磁波永远以光速传播于真空。这明智的洞察引导爱因斯坦发展出狭义相对论成为狭义相对论的第二条基本原理。 在其它不同于真空的介质内电磁波传播的速度会小于光速。一个介质的折射率是光速与电磁波传播于介质的速度的比例 。热辐射[编辑] 主条目热辐射 物质的基本结构是由一群带电粒子以各种不同的方式结合组成。当电磁波入射于物质时会造成物质的带电粒子的振荡和能量增加。这些能量最终的命运依状况而定。它们很可能会立刻被重新辐射成为反射辐射或透射辐射。它们也很可能会消散成为物质内的其它微观运动达成热平衡后再转以热能的形式出现。除了少数像荧光、非线性光学效应nonlinear optical effect、光化学反应photochemical reaction 和光生伏打效应photovoltaic effect等等例子以外被吸收的电磁波大多会直接地存入其能量因而将物质加热。对于红外辐射和非红外辐射都会发生这样的物理行为。强烈的无线电波能够热灼伤活生生的细胞组织也能够煮熟食物。红外线激光足够强烈的可见光激光和紫外线激光都可以很容易地点燃纸张。离子化电磁波可以使得物质内的电子拥有高动能因而破坏其化学键。但是在电子与其它原子碰撞多次后最终大部分的能量会转换为热能。这整个程序只需短短的几分之一秒。很多人士都认为红外线波是热的一种形式而其它电磁波不是这是一个错误的物理概念。任何被吸收的电磁波都可以使物质加热。 吸收辐射的逆反程序是热辐射。在物质内部大部分的热能都归功于带电粒子的随机运动。这能量可以从物质内被辐射出。形成的辐射可能后来又被另外一个物质吸收。存入的能量会使物质加热。热辐射是热传输的一个很重要的机制。 在一个不透明的空腔内在热平衡状况电磁波可以等效地视为热能的一种形式拥有最大的辐射熵。就像物质一样电磁波的热力势也是良好定义的。空腔内的热辐射的能量密度参阅普朗克定律是 其中是空腔中电磁场的总能量是空腔的体积是玻尔兹曼常量是空腔内部温度是光速。 取对于温度的导数电磁场的有效比热容量是 。电磁波谱[编辑] 主条目电磁波谱 电磁辐射分类γ 伽马射线X射线HX 硬X射线SX 软X射线紫外线EUV 极端紫外线NUV 近紫外线红外线NIR 近红外线MIR 中红外线FIR 远红外线微波EHF 极高频SHF 超高频UHF 特高频无线电波VHF 甚高频HF 高频MF 中频LF 低频VLF 甚低频ULF 特低频ELF 极低频 按照波长长短从长波开始电磁波可以分类为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X-射线和伽马射线等等。普通实验使用的光谱仪就足以分析从2 纳米到2500 纳米波长的电磁波。使用这种仪器可以得知物体、气体或甚至恒星的详细物理性质。这是天文物理学的必备仪器。例如因为超精细分裂氢原子会发射波长为21.12厘米的无线电波[9]。 人类眼睛可以观测到波长大约在400 纳米和700 纳米之间的电磁辐射称为可见光。 每一种电极性分子会对应着某些特定频率的微波使得电极性分子随着振荡电场一起旋转这机制称为电介质加热dielectric heating。由于这种机制不是热传导机制电极性分子会吸收微波的能量。微波炉就是应用这运作原理通过水分子或脂肪的旋转更均匀地将食物加热减少等候时间。 导引[编辑] 主条目电磁波方程 麦克斯韦方程组可以描述电磁波的普遍物理现象。在自由空间里源项目等于零源电荷等于零源电流等于零。除了没有任何事发生的解答以外电场和磁场都等于零方程仍旧允许不简单的解答电场和磁场随着时间和位置变化[8]。采用国际单位制处于自由空间状况的麦克斯韦方程组表达为 、1、2、34其中是电场是磁场是真空电容率是真空磁导率。 满足上述条件的一个解答是然而这是一个平庸解并没有什么有意思的物理意义。若想得到有意思的解答必须稍做一些运算。取公式 2的旋度 。5应用一个矢量恒等式再将公式 1代入则可得到 。6应用公式 4公式 5右边变为 。7将公式 6和 7代回公式 5可以得到电场的波动方程 。使用类似的方法可以得到磁场的波动方程 。这两个方程就是真空的电磁波方程描述传播于真空的电磁波。更简易地表达 、其中是达朗白算符是波动传播的速度。 在自由空间里是光速。麦克斯韦方程组连结了三个基本物理量真空电容率、真空磁导率和光速。在这导引以前物理界并不知道在光波电场和磁场之间有那么紧密的关系。 前面已经找到了两个方程。但是麦克斯韦方程组有四个方程所以隐藏在这方程里还有很多重要的讯息。思考一个一般的电场矢量波动解答 其中是常数振幅是任意二次可微函数是波矢量是位置矢量是角频率。 波动方程的一般性解答是。也就是说 。将电场的公式代入公式 1 。只要电场垂直于波矢量波动传播的方向这函数形式的电场必定满足麦克斯韦方程组 。再将电场的公式代入公式 2 。所以电场与其对应磁场的关系为 。在自由空间内电磁波不只是有以光速传播的性质电磁波的电场部分和磁场部分有特定的相对定向、相对大小。它们之间的相位一样。电场磁场波动传播的方向都互相垂直于对方。波动传播的方向是。 从电磁波传播的方向看去电场或许是以上下的方式震荡而磁场以左右的方式震荡。但若将这图样旋转90度则电场以左右的方式震荡而磁场以上下的方式震荡而波动传播的方向仍旧相同。这是波动方程的另一种解答。对于波动同样传播的方向这定向的任意性现象称为偏振[8]。 转载于:https://www.cnblogs.com/lifan3a/articles/4167346.html
