Elektromagnetische Strahlung

In der Physik bezeichnet man elektromagnetische Strahlung ( EMR ) oder elektromagnetische Wellen ( EMW ) als sich selbst ausbreitende Wellen des elektromagnetischen Feldes , die Impuls und Strahlungsenergie durch den Raum transportieren . ^{[ 1 ] : 430 [ 2 ]} Sie umfasst ein breites Spektrum, das nach Frequenz (umgekehrt proportional zur Wellenlänge ) klassifiziert wird und von Radiowellen über Mikrowellen , Infrarot , sichtbares Licht , Ultraviolettstrahlung , Röntgenstrahlung bis hin zu Gammastrahlung reicht . ^{[ 3 ]} Alle Formen elektromagnetischer Strahlung breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus und weisen Welle-Teilchen-Dualismus auf ; sie verhalten sich sowohl wie Wellen als auch wie diskrete Teilchen, sogenannte Photonen.

Elektromagnetische Strahlung entsteht durch die Beschleunigung geladener Teilchen, beispielsweise von der Sonne und anderen Himmelskörpern, oder wird künstlich für verschiedene Anwendungen erzeugt. Ihre Wechselwirkung mit Materie hängt von der Wellenlänge ab und beeinflusst somit ihre Nutzung in Kommunikation, Medizin, Industrie und Forschung. Radiowellen ermöglichen Rundfunk und drahtlose Kommunikation , Infrarotstrahlung wird in der Wärmebildgebung eingesetzt , sichtbares Licht ist für das Sehen unerlässlich, und hochenergetische Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlen findet Anwendung in der medizinischen Bildgebung, der Krebstherapie und der industriellen Inspektion. Hochenergetische elektromagnetische Strahlung, insbesondere im UV-Bereich und darüber, wird mit negativen gesundheitlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht .

In der Quantenmechanik wird elektromagnetische Strahlung (EMR) alternativ als aus Photonen bestehend betrachtet – ungeladenen Elementarteilchen mit verschwindender Ruhemasse, den Quanten des elektromagnetischen Feldes , die für alle elektromagnetischen Wechselwirkungen verantwortlich sind. ^{[ 4 ]} Die Quantenelektrodynamik beschreibt die Wechselwirkung von EMR mit Materie auf atomarer Ebene. ^{[ 5 ]} Quanteneffekte liefern zusätzliche EMR-Quellen, wie beispielsweise der Übergang von Elektronen auf niedrigere Energieniveaus im Atom und die Schwarzkörperstrahlung . ^{[ 6 ]}

Die Maxwell-Gleichungen und ihre Lösungen ( Panofsky-Phillips-Gleichungen ) zeigen, dass die Amplitude einer Komponente des elektrischen und magnetischen Feldes umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Quelle und Beobachter (1/r) abnimmt, wodurch sie auch über große Entfernungen messbar ist. ^{[ 7 ]} Diese Komponenten verlaufen quer zur Ausbreitungsrichtung ( n ) der Strahlung.

Man hat , wobei E und B wie folgt miteinander verbunden sind: Beachten Sie auch, dass sich diese Felder im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten , d. h. mit 299.792.458 m/s. ${\displaystyle \mathbf {E} \perp \mathbf {B} \perp \mathbf {n} }$$${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {\mathbf {n} \times \mathbf {E} }{c}}}$$

Elektromagnetische Strahlung entsteht durch die Beschleunigung geladener Teilchen und kann natürlich emittiert werden ^{[ 8 ] [ 9 ]} , beispielsweise von der Sonne und anderen Himmelskörpern, oder künstlich für verschiedene Anwendungen erzeugt werden. Die Energie elektromagnetischer Wellen wird auch als Strahlungsenergie bezeichnet . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Die Energie elektromagnetischer Wellen benötigt kein Ausbreitungsmedium, um sich im Raum auszubreiten; sie bewegt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit. ^{[ 12 ]}

Elektrische und magnetische Felder unterliegen dem Superpositionsprinzip . Daher trägt ein Feld, das durch ein bestimmtes Teilchen oder ein zeitlich veränderliches elektrisches oder magnetisches Feld erzeugt wird, zu den Feldern bei, die im selben Raum durch andere Ursachen entstehen. Da es sich um Vektorfelder handelt , addieren sich alle magnetischen und elektrischen Feldvektoren gemäß der Vektoraddition . ^{[ 13 ]} In der Optik können beispielsweise zwei oder mehr kohärente Lichtwellen wechselwirken und durch konstruktive oder destruktive Interferenz eine resultierende Bestrahlungsstärke erzeugen, die von der Summe der Bestrahlungsstärken der einzelnen Lichtwellen abweicht. ^{[ 14 ]} Die elektromagnetischen Felder des Lichts werden beim Durchgang durch statische elektrische oder magnetische Felder in einem linearen Medium wie dem Vakuum nicht beeinflusst. In nichtlinearen Medien, wie beispielsweise 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 . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Bei der Brechung ändert eine Welle beim Übergang von einem Medium in ein anderes mit anderer Dichte ihre Geschwindigkeit und Richtung . Das Verhältnis der Brechungsindizes der Medien bestimmt den Grad der Brechung und wird durch das Snellius'sche Brechungsgesetz beschrieben . Licht mit zusammengesetzten Wellenlängen (natürliches Sonnenlicht) wird beim Durchgang durch ein Prisma aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindex des Prismenmaterials ( Dispersion ) in ein sichtbares Spektrum zerlegt ; das heißt, jede Komponente des zusammengesetzten Lichts wird unterschiedlich stark gebrochen. ^{[ 17 ]}

Elektromagnetische Strahlung weist gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften auf (bekannt als Welle-Teilchen-Dualismus ). Beide Charakteristika wurden in zahlreichen Experimenten bestätigt. Welleneigenschaften treten deutlicher hervor, wenn elektromagnetische Strahlung über relativ lange Zeiträume und Distanzen gemessen wird, während Teilcheneigenschaften bei Messungen über kurze Zeiträume und Distanzen stärker sichtbar werden. Wird beispielsweise elektromagnetische Strahlung von Materie absorbiert, werden teilchenartige Eigenschaften umso deutlicher, je kleiner die mittlere Photonenzahl im Kubus der relevanten Wellenlänge ist (deutlich kleiner als 1). Die ungleichmäßige Energieverteilung bei der Lichtabsorption lässt sich experimentell relativ einfach beobachten; dies allein beweist jedoch noch kein „teilchenartiges“ Verhalten. Vielmehr spiegelt es die Quantennatur der Materie wider . ^{[ 18 ]} Die Quantenelektrodynamik beschreibt die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie wie Elektronen .

Elektromagnetische Wellen können polarisiert , reflektiert, gebrochen oder gebeugt werden und miteinander interferieren. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Einige Experimente demonstrieren sowohl den Wellen- als auch den Teilchencharakter elektromagnetischer Wellen, beispielsweise die Selbstinterferenz eines einzelnen Photons . ^{[ 22 ]} Wird Licht geringer Intensität durch ein Interferometer gesendet, wird es von einem Photomultiplier oder einem anderen empfindlichen Detektor nur entlang eines Arms des Geräts erfasst, was mit Teilcheneigenschaften übereinstimmt. Die kumulative Wirkung vieler solcher Messungen ist jedoch eine Interferenz, die mit Welleneigenschaften übereinstimmt.

In homogenen, isotropen Medien ist elektromagnetische Strahlung eine Transversalwelle ^{[ 23 ]} , d. h. ihre Schwingungen verlaufen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Dies ergibt sich aus den folgenden Gleichungen : Diese Gleichungen besagen, dass jede elektromagnetische Welle eine Transversalwelle sein muss, bei der sowohl das elektrische Feld E als auch das magnetische Feld B senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle stehen. Die elektrischen und magnetischen Feldanteile einer elektromagnetischen Welle stehen in einem festen Stärkeverhältnis, um die beiden Maxwell-Gleichungen zu erfüllen , die die Entstehung des einen Feldes aus dem anderen beschreiben. In verlustfreien Medien sind diese E- und B- Felder zudem in Phase, wobei beide ihre Maxima und Minima an denselben Punkten im Raum erreichen. $${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$

In der Fernfeld -EM-Strahlung, die durch die beiden quellenfreien Maxwell- Rotationsoperatorgleichungen beschrieben wird , ist eine zeitliche Änderung des einen Feldtyps proportional zur Rotation des anderen. Diese Ableitungen setzen voraus, dass die E- und B- Felder in der elektromagnetischen Strahlung in Phase sind.Ein wichtiger Aspekt des Lichts ist seine Frequenz . Die Frequenz einer Welle entspricht ihrer Schwingungsrate und wird in Hertz , der SI- Einheit der Frequenz, gemessen. Ein Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Licht besitzt üblicherweise mehrere Frequenzen, die sich zur 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 aufeinanderfolgenden Wellentälern und Wellenbergen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern 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: ^{[ 24 ]}

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

Dabei ist v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ( c im Vakuum oder geringer in anderen Medien), f die Frequenz und λ die Wellenlänge. Beim Übergang von Wellen in unterschiedliche Medien ändert sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit, ihre Frequenz bleibt jedoch konstant.

Elektromagnetische Wellen im freien Raum sind Lösungen der Maxwellschen Wellengleichung . Man kennt zwei Hauptklassen von Lösungen: ebene Wellen und Kugelwellen. Ebene Wellen können als Grenzfall von Kugelwellen in sehr großer (idealerweise unendlicher) Entfernung von der Quelle betrachtet werden. Beide Wellentypen können eine beliebige Zeitfunktion als Wellenform aufweisen (sofern sie ausreichend differenzierbar ist, um die Wellengleichung zu erfüllen). Wie jede Zeitfunktion lässt sich auch diese mittels Fourier-Analyse in ihr Frequenzspektrum oder einzelne sinusförmige Komponenten zerlegen, von denen jede eine bestimmte Frequenz, Amplitude und Phase besitzt. Eine solche Komponentenwelle wird als monochromatisch bezeichnet .

Interferenz ist die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen, die zu einem neuen Wellenmuster führt. Besitzen die Felder Komponenten in die gleiche Richtung, interferieren sie konstruktiv, während entgegengesetzte Richtungen destruktive Interferenz verursachen. Darüber hinaus können Signale mit mehreren Polarisationen kombiniert (d. h. interferiert) werden, um neue Polarisationszustände zu erzeugen. Dies wird als Erzeugung paralleler Polarisationszustände bezeichnet. ^{[ 25 ]}

James Clerk Maxwell leitete eine Wellenform der elektrischen und magnetischen Gleichungen ab und enthüllte damit den Wellencharakter elektrischer und magnetischer Felder sowie deren Symmetrie . Da die von der Wellengleichung vorhergesagte Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen mit der gemessenen Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte , schloss Maxwell, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Heinrich Hertz bestätigte Maxwells Gleichungen durch Experimente mit Radiowellen. ^{[ 28 ]} Von den vier Gleichungen verfeinerte Maxwell zwei: das Faradaysche Induktionsgesetz und das Ampèresche Gesetz , das er um den Verschiebungsstrom erweiterte . Maxwell nahm an, dass der Verschiebungsstrom, den er als Bewegung gebundener Ladungen betrachtete, das Magnetfeld erzeugt. ^{[ 29 ]} Die beiden anderen Gleichungen sind das Gaußsche Gesetz und das Gaußsche Gesetz für Magnetismus .

Die Maxwell-Gleichungen zeigten, dass manche Ladungen und Ströme ( Quellen ) lokale elektromagnetische Felder in ihrer Nähe erzeugen, die nicht abstrahlen. Ströme erzeugen direkt magnetische Dipolfelder, deren Stärke mit zunehmender Entfernung vom Strom abnimmt. Ähnlich erzeugen bewegte Ladungen, die in einem Leiter durch ein sich änderndes elektrisches Potenzial (z. B. in einer Antenne) auseinandergedrängt werden, ein elektrisches Dipolfeld , dessen Stärke ebenfalls mit der Entfernung abnimmt. Diese Felder bilden das Nahfeld . Keines dieser Phänomene ist für elektromagnetische Strahlung verantwortlich. Vielmehr übertragen sie Energie effizient nur an einen Empfänger in unmittelbarer Nähe der Quelle, beispielsweise in einem Transformator . Das Nahfeld beeinflusst seine Quelle stark: Jede vom Empfänger aufgenommene Energie führt zu einer erhöhten Belastung (verringerter elektrischer Reaktanz ) der Quelle. Das Nahfeld breitet sich nicht frei im Raum aus und transportiert Energie nicht unbegrenzt ab, sondern oszilliert und gibt seine Energie an den Sender zurück, sofern sie nicht von einem Empfänger absorbiert wird. ^{[ 30 ]}

By contrast, the far field is composed of radiation that is free of the transmitter, in the sense that the transmitter requires the same power to send changes in the field out regardless of whether anything absorbs the signal, e.g. a radio station does not need to increase its power when more receivers use the signal. This far part of the electromagnetic field is electromagnetic radiation. The far fields propagate (radiate) without allowing the transmitter to affect them. This causes them to be independent in the sense that their existence and their energy, after they have left the transmitter, is completely independent of both transmitter and receiver. Due to conservation of energy, the amount of power passing through any closed surface drawn around the source is the same. The power density of EM radiation from an isotropic source decreases with the inverse square of the distance from the source; this is called the inverse-square law. Field intensity due to dipole parts of the near field varies according to an inverse-cube law,^[31] and thus fades with distance.

The distinction between near field and radiated field is illustrated by the Panofsky–Phillips equations, which give the general expression of the electric and magnetic fields produced by an arbitrary distribution of charges and currents. The terms of the Panofsky–Phillips equations can be separated into two categories: The "near field" terms have a ${\displaystyle 1/r^{2}}$ dependence, and are significant only in the immediate vicinity of the sources. The "far field" terms have a ${\displaystyle 1/r}$ dependence. Due to their slower decrease with distance, they dominate as one moves away from the sources.

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\,\displaystyle \iiint \left({\color {green}{\frac {[\rho ]\mathbf {n} }{r^{2}}}+{\frac {\left(\left[\mathbf {J} \right]\cdot \mathbf {n} \right)\mathbf {n} +\left(\left[\mathbf {J} \right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} }{c\,r^{2}}}}\mathbin {\color {red}{+}} {\color {red}{\frac {\left(\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} }{c^{2}r}}}\right)\,dV'}$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\,\displaystyle \iiint \left({\color {green}{\frac {\left[\mathbf {J} \right]\times \mathbf {n} }{c^{2}r^{2}}}}\mathbin {\color {red}{+}} {\color {red}{\frac {\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} }{c^{3}r}}}\right)\,dV'}$

• In green are the near fields (decaying as 1/r²).
• In red are the radiated fields (decaying as 1/r).

In the far-field region, near fields can be neglected and the expressions of the emitted fields reduce to:^[32][33]

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}c^{2}}}\,\displaystyle \iiint \left({\frac {\left(\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} }{r}}\right)\,dV'}$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}\,\displaystyle \iiint \left({\frac {\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} }{r}}\right)\,dV'}$

In the Liénard–Wiechert potential formulation of the electric and magnetic fields due to motion of a single particle (according to Maxwell's equations), the terms associated with acceleration of the particle are those that are responsible for the part of the field that is regarded as electromagnetic radiation. By contrast, the term associated with the changing static electric field of the particle and the magnetic term that results from the particle's uniform velocity are both associated with the near field, and do not comprise electromagnetic radiation.^[34]

Ende des 19. Jahrhunderts entstand eine Anomalie, die einen Widerspruch zwischen der Wellentheorie des Lichts und Messungen der elektromagnetischen Spektren von thermischen Strahlern, sogenannten Schwarzen Körpern , darstellte . Physiker kämpften viele Jahre erfolglos mit diesem Problem, das später als Ultraviolettkatastrophe bekannt wurde . Im Jahr 1900 entwickelte Max Planck eine neue Theorie der Schwarzkörperstrahlung , die das beobachtete Spektrum erklärte. Plancks Theorie basierte auf der Annahme, dass Schwarze Körper Licht (und andere elektromagnetische Strahlung) nur als diskrete Energiepakete emittieren. Diese Pakete wurden Quanten genannt . 1905 schlug Albert Einstein vor, Lichtquanten als reale Teilchen zu betrachten. Später erhielt das Lichtteilchen den Namen Photon , in Anlehnung an andere Teilchen, die zu dieser Zeit beschrieben wurden, wie beispielsweise Elektron und Proton . Ein Photon besitzt eine Energie E , die proportional zu seiner Frequenz f ist.

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

wobei h die Planck-Konstante , λ die Wellenlänge und c die Lichtgeschwindigkeit ist . Dies ist auch als Planck-Einstein-Gleichung bekannt . ^{[ 35 ]} In der Quantentheorie (siehe erste Quantisierung ) ist die Energie der Photonen somit direkt proportional zur Frequenz der elektromagnetischen Welle. ^{[ 36 ]} Ebenso ist der Impuls p eines Photons proportional zu seiner Frequenz und umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge. ${\displaystyle \lambda }$

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

Einsteins Vorschlag, Licht bestehe aus Teilchen (oder könne sich unter bestimmten Umständen wie Teilchen verhalten), basierte auf einer experimentellen Anomalie, die sich mit der Wellentheorie nicht erklären ließ: dem photoelektrischen Effekt . Dabei löste Licht, das auf eine Metalloberfläche traf, Elektronen aus der Oberfläche und verursachte so einen Stromfluss an einer angelegten Spannung . Experimentelle Messungen zeigten, dass die Energie der einzelnen gelösten Elektronen proportional zur Frequenz und nicht zur Intensität des Lichts war. Unterhalb einer bestimmten Mindestfrequenz, die vom jeweiligen Metall abhing, floss unabhängig von der Intensität kein Strom. Diese Beobachtungen schienen der Wellentheorie zu widersprechen, und Physiker suchten jahrelang nach einer Erklärung. 1905 erklärte Einstein dieses Phänomen, indem er die Teilchentheorie des Lichts wieder aufgriff. Aufgrund der überwältigenden Beweislage für die Wellentheorie stießen Einsteins Ideen jedoch zunächst auf große Skepsis unter etablierten Physikern. Schließlich wurde Einsteins Erklärung akzeptiert, als neue teilchenartige Eigenschaften des Lichts beobachtet wurden, wie beispielsweise der Compton-Effekt . ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Wenn ein Atom ein Photon absorbiert , regt es dieses an und hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau (eines, das im Durchschnitt weiter vom Atomkern entfernt ist). Fällt ein Elektron in einem angeregten Molekül oder Atom auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, emittiert es ein Photon mit einer Frequenz, die der Energiedifferenz 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 Form der Photolumineszenz . Ein Beispiel ist das sichtbare Licht, das von fluoreszierenden Farben unter UV-Licht ( Schwarzlicht ) emittiert wird. Viele weitere Fluoreszenzemissionen sind in anderen Spektralbereichen als dem sichtbaren Licht bekannt. Verzögerte Emission wird als Phosphoreszenz bezeichnet . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Die Quantenmechanik beschreibt auch die Emission , die beobachtet wird, wenn ein emittierendes Gas aufgrund der Anregung von Atomen durch verschiedene Mechanismen, einschließlich Wärme, leuchtet. Beim Übergang von Elektronen auf niedrigere Energieniveaus wird ein Spektrum emittiert, das die Sprünge zwischen den Energieniveaus der Elektronen darstellt. Linien sind jedoch sichtbar, da die Emission – wie bereits erwähnt – nur bei bestimmten Energien nach der Anregung erfolgt. ^{[ 41 ]} Ein Beispiel hierfür ist das Emissionsspektrum von Nebeln . ^{[ 42 ]} Schnell bewegte Elektronen werden am stärksten beschleunigt, wenn sie auf ein Feld treffen. Daher sind sie für einen Großteil der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung verantwortlich, die in der Natur beobachtet wird. Diese Phänomene können genutzt werden, um die Zusammensetzung von hinterleuchteten Gasen ( Absorptionsspektren ) und leuchtenden Gasen ( Emissionsspektren ) zu bestimmen. Die Spektroskopie (zum Beispiel) ermittelt die chemischen Elemente, aus denen ein bestimmter Stern besteht. Verschiebungen in der Frequenz der Spektrallinien eines Elements, die sogenannte Rotverschiebung , können verwendet werden, um die kosmologische Entfernung des Sterns zu bestimmen . ^{[ 43 ] : 181}

Die moderne Theorie zur Erklärung des Lichts beinhaltet den Begriff des Welle-Teilchen-Dualismus. Sie basiert auf dem Konzept, dass jedes Quantenobjekt je nach Beobachtung wellen- oder teilchenartiges Verhalten zeigen kann. Die Beobachtung führt zum Kollaps der Wellenfunktion des Objekts . Nach der Kopenhagener Deutung kollabiert die Wellenfunktion tatsächlich; nach der Viele-Welten-Deutung finden alle möglichen Kollaps-Ergebnisse in Paralleluniversen statt ; nach der Pilotwellentheorie wird das Teilchenverhalten allein durch Wellen bestimmt. Der Dualitätscharakter eines realen Photons wurde im Doppelspaltexperiment nachgewiesen .

Die Kombination aus Wellen- und Teilcheneffekten erklärt vollständig die Emissions- und Absorptionsspektren elektromagnetischer Strahlung. Die Zusammensetzung des Mediums, durch das sich das Licht ausbreitet, bestimmt die Art des Absorptions- und Emissionsspektrums. Diese Banden entsprechen den erlaubten Energieniveaus der Atome. Dunkle Banden im Absorptionsspektrum entstehen durch Atome in einem Medium zwischen Quelle und Beobachter. Die Atome absorbieren bestimmte Frequenzen des Lichts zwischen Sender und Empfänger/Auge und emittieren diese anschließend in alle Richtungen. Für den Detektor erscheint eine dunkle Bande aufgrund der aus dem Lichtstrahl gestreuten Strahlung . Beispielsweise sind dunkle Banden im Licht eines fernen Sterns auf die Atome in seiner Atmosphäre zurückzuführen.

Im Vakuum breitet sich elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus , also 299.792.458 Metern pro Sekunde (etwa 186.000 Meilen pro Sekunde). In einem anderen Medium als dem Vakuum breitet sie sich mit einer geringeren Geschwindigkeit aus , die durch einen dimensionslosen Parameter zwischen 0 und 1, den sogenannten Geschwindigkeitsfaktor , oder dessen Kehrwert, den Brechungsindex , angegeben wird . ${\displaystyle c}$${\displaystyle v}$${\displaystyle {\mathit {VF}}}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle v={\mathit {VF}}\cdot c={c \over n}}$Die

Der Grund dafür liegt darin, dass sich die elektrischen und magnetischen Felder einer Welle in Materie verlangsamen, weil sie die geladenen Teilchen im durchquerten Medium polarisieren. ^{[ 44 ] : 401} Das oszillierende elektrische Feld bewirkt, dass sich benachbarte positive und negative Ladungen in Atomen leicht voneinander entfernen und annähern, wodurch eine oszillierende Polarisation induziert und ein elektrisches Polarisationsfeld erzeugt wird. Das oszillierende Magnetfeld bewegt benachbarte magnetische Dipole , wodurch eine oszillierende Magnetisierung induziert und ein induziertes oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird. Diese induzierten Felder, die sich den ursprünglichen Wellenfeldern überlagern , verlangsamen die Welle ( Ewald-Oseen-Theorem ). Das Ausmaß der Verlangsamung hängt von den elektromagnetischen Eigenschaften des Mediums, der elektrischen Permittivität und der magnetischen Permeabilität , ab . Im SI- Einheitensystem hat der leere Raum eine elektrische Feldkonstante von 8,854 × 10⁻¹² ^F /m ( Farad pro Meter) und eine elektrische Feldkonstante von 1,257 × 10⁻⁶ ^H /m ( Henry pro Meter). Diese universellen Konstanten bestimmen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. ${\displaystyle \epsilon _{\text{0}}=}$${\displaystyle \mu _{\text{0}}=}$

${\displaystyle c={1 \over {\sqrt {\epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}}}$

In einem isotropen und linearen Medium, d. h. die elektrische Polarisation ist proportional zum elektrischen Feld und die Magnetisierung proportional zum magnetischen Feld , werden die Wellengeschwindigkeit und der Brechungsindex nur durch zwei Parameter bestimmt: die elektrische Permittivität des Mediums in Farad pro Meter und die magnetische Permeabilität des Mediums in Henry pro Meter ^{[ 44 ] : 401} ${\displaystyle \mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} }$${\displaystyle \mathbf {H} ={1 \over \mu }\mathbf {B} }$${\displaystyle {\mathit {VF}}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \mu }$

${\displaystyle v={1 \over {\sqrt {\epsilon \mu }}}}$

${\displaystyle n={1 \over {\mathit {VF}}}=c{\sqrt {\epsilon \mu }}={\sqrt {\epsilon \mu \over \epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}}$

Wenn die Permittivität und Permeabilität eines Mediums für elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenz konstant sind, spricht man von einem nichtdispersiven Medium. ^{[ 44 ] : 417–418} In diesem Fall würden sich alle Frequenzen elektromagnetischer Wellen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten, und die Wellenform bliebe konstant. In realen Medien hingegen, wo die Permittivität und Permeabilität typischerweise frequenzabhängig sind, spricht man von einem dispersiven Medium. In dispersiven Medien weisen verschiedene Spektralbänder unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften auf, und eine beliebige Welle ändert ihre Form, während sie sich durch das Medium ausbreitet. ${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \mu }$

Elektromagnetische Strahlung mit anderen Wellenlängen als denen des sichtbaren Lichts wurde Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt. Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird dem Astronomen William Herschel zugeschrieben , der seine Ergebnisse 1800 vor der Royal Society in London veröffentlichte . ^{[ 45 ]} Herschel nutzte ein Glasprisma, um Sonnenlicht zu brechen , und entdeckte unsichtbare Strahlen, die jenseits des roten Spektralbereichs eine Erwärmung verursachten, die sich in einem mit einem Thermometer gemessenen Temperaturanstieg äußerte . Diese „kalorischen Strahlen“ wurden später als Infrarotstrahlung bezeichnet. ^{[ 46 ]}

Im Jahr 1801 entdeckte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter in einem ähnlichen Experiment wie Herschel das Ultraviolettlicht . Er nutzte dafür Sonnenlicht und ein Glasprisma. Ritter beobachtete, dass unsichtbare Strahlen nahe dem violetten Rand des Sonnenspektrums, die durch ein dreieckiges Prisma gebrochen wurden , Silberchloridpräparate schneller verdunkelten als das nahegelegene violette Licht. Ritters Experimente gelten als frühe Vorläufer der späteren Fotografie. Er stellte fest, dass die ultravioletten Strahlen (die zunächst als „chemische Strahlen“ bezeichnet wurden) chemische Reaktionen auslösen konnten. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

In den Jahren 1862–64 entwickelte James Clerk Maxwell Gleichungen für das elektromagnetische Feld, die nahelegten, dass sich Wellen in diesem Feld mit einer Geschwindigkeit ausbreiten würden, die der bekannten Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt. Maxwell folgerte daher, dass sichtbares Licht (sowie, implizit, unsichtbare Infrarot- und Ultraviolettstrahlung) aus sich ausbreitenden Störungen (oder Strahlung) im elektromagnetischen Feld besteht. Radiowellen wurden 1887 erstmals gezielt von Heinrich Hertz erzeugt . Er nutzte dafür elektrische Schaltkreise, die so berechnet waren, dass sie Schwingungen mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als die des sichtbaren Lichts erzeugten. Dabei folgte er den in Maxwells Gleichungen beschriebenen Verfahren zur Erzeugung oszillierender Ladungen und Ströme. Hertz entwickelte auch Methoden zum Nachweis dieser Wellen und erzeugte und charakterisierte das, was später als Radiowellen und Mikrowellen bezeichnet wurde . ^{[ 49 ] : 286, 7}

Wilhelm Röntgen entdeckte und benannte die Röntgenstrahlen . Nachdem er am 8. November 1895 mit hohen Spannungen an einer evakuierten Röhre experimentiert hatte, bemerkte er eine Fluoreszenz auf einer nahegelegenen beschichteten Glasplatte. Innerhalb eines Monats entdeckte er die Haupteigenschaften der Röntgenstrahlen. ^{[ 49 ] : 307}

Der letzte entdeckte Teil des elektromagnetischen Spektrums stand im Zusammenhang mit Radioaktivität . Henri Becquerel fand heraus, dass Uransalze eine unbelichtete Fotoplatte durch ein Deckpapier hindurch verschleierten, ähnlich wie Röntgenstrahlen. Marie Curie entdeckte, dass nur bestimmte Elemente diese Energiestrahlen aussendeten und entdeckte bald darauf die intensive Strahlung des Radiums . Ernest Rutherford differenzierte die Strahlung der Pechblende 1899 durch einfache Experimente in Alpha- ( Alphateilchen ) und Betastrahlung ( Betateilchen ). Diese erwiesen sich jedoch als geladene Teilchenstrahlung. Im Jahr 1900 entdeckte der französische Wissenschaftler Paul Villard eine dritte, neutral geladene und besonders durchdringende Strahlungsart des Radiums. Nachdem Villard diese beschrieben hatte, erkannte Rutherford, dass es sich um eine weitere Strahlungsart handeln musste, die er 1903 Gammastrahlen nannte .

1910 wies der britische Physiker William Henry Bragg nach, dass Gammastrahlen elektromagnetische Strahlung und keine Teilchen sind. 1914 maßen Rutherford und Edward Andrade ihre Wellenlängen und stellten fest, dass sie Röntgenstrahlen ähnelten, jedoch kürzere Wellenlängen und höhere Frequenzen aufwiesen. Ein Übergang zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ermöglicht es, dass Röntgenstrahlen eine höhere Energie (und damit eine kürzere Wellenlänge) als Gammastrahlen besitzen und umgekehrt. Der Ursprung der Strahlung unterscheidet sie: Gammastrahlen sind in der Regel natürliche Phänomene, die vom instabilen Atomkern ausgehen, während Röntgenstrahlen elektrisch erzeugt (und somit künstlich) sind, es sei denn, sie entstehen durch Bremsstrahlung , die durch die Wechselwirkung schnell bewegter Teilchen (wie Betateilchen) mit bestimmten Materialien, üblicherweise mit höheren Ordnungszahlen, verursacht wird. ^{[ 49 ] : 308, 9}

Elektromagnetische Strahlung (die Bezeichnung „Strahlung“ schließt statische elektrische und magnetische Felder sowie Nahfelder aus ) wird nach Wellenlänge in Radio- , Mikrowellen- , Infrarot- , sichtbares , ultraviolettes , Röntgen- und Gammastrahlung unterteilt. Beliebige elektromagnetische Wellen lassen sich mittels Fourier-Analyse als Sinuswellen ( monochromatische Strahlung ) darstellen , die wiederum jeweils einem dieser Bereiche des elektromagnetischen Spektrums zugeordnet werden können.

Bei bestimmten Klassen elektromagnetischer Wellen ist es sinnvoll, die Wellenform als Zufallssignal zu betrachten . Die Spektralanalyse erfordert dann leicht abgewandelte mathematische Verfahren, die für Zufalls- oder stochastische Prozesse geeignet sind . In solchen Fällen werden die einzelnen Frequenzkomponenten durch ihren Leistungsgehalt dargestellt , wobei die Phaseninformation verloren geht. Diese Darstellung wird als spektrale Leistungsdichte des Zufallsprozesses bezeichnet. Zufällige elektromagnetische Strahlung, die eine solche Analyse erfordert, tritt beispielsweise im Inneren von Sternen und in bestimmten anderen breitbandigen Strahlungsformen wie dem Nullpunktwellenfeld des elektromagnetischen Vakuums auf.

Das Verhalten elektromagnetischer Strahlung und ihre Wechselwirkung mit Materie hängen von ihrer Frequenz ab und verändern sich qualitativ mit der Frequenz. Niedrigere Frequenzen weisen längere Wellenlängen auf, höhere Frequenzen kürzere und sind mit Photonen höherer Energie verbunden. Es gibt keine bekannten fundamentalen Grenzen für diese Wellenlängen oder Energien, weder an den Enden des Spektrums noch an den Enden. Photonen mit Energien nahe der Planck-Energie oder darüber hinaus (weit zu hoch, um jemals beobachtet worden zu sein) erfordern jedoch neue physikalische Theorien zu ihrer Beschreibung.

Elektromagnetische Strahlungsphänomene mit Wellenlängen von einem Meter bis zu einem Millimeter werden als Mikrowellen bezeichnet; ihre Frequenzen liegen zwischen 300 MHz (0,3 GHz) und 300 GHz. Wenn Radiowellen auf einen Leiter treffen , koppeln sie an diesen an, breiten sich entlang des Leiters aus und induzieren einen elektrischen Strom an der Leiteroberfläche, indem sie die Elektronen des leitenden Materials in korrelierten Ladungspaketen bewegen. Bei Radio- und Mikrowellenfrequenzen interagiert die elektromagnetische Strahlung (EMR) mit Materie hauptsächlich als Ansammlung von Ladungen, die sich über eine große Anzahl betroffener Atome verteilen. In elektrischen Leitern führt diese induzierte Ladungsbewegung ( elektrische Ströme ) entweder zur Absorption der EMR oder zur Trennung von Ladungen, wodurch neue EMR erzeugt wird (effektive Reflexion der EMR). Beispiele hierfür sind die Absorption oder Emission von Radiowellen durch Antennen oder die Absorption von Mikrowellen durch Wasser oder andere Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment , beispielsweise in einem Mikrowellenherd . Diese Wechselwirkungen erzeugen entweder elektrische Ströme oder Wärme oder beides.

Wie Radio- und Mikrowellenstrahlung wird auch Infrarotstrahlung (IR) von Metallen reflektiert (ebenso wie der Großteil elektromagnetischer Strahlung, bis weit in den ultravioletten Bereich hinein). Im Gegensatz zu niederfrequenter Radio- und Mikrowellenstrahlung interagiert Infrarotstrahlung jedoch häufig mit den Dipolen einzelner Moleküle, die sich durch die Schwingungen der Atome an den Enden einer chemischen Bindung verändern. Folglich wird sie von einer Vielzahl von Substanzen absorbiert, wodurch diese sich erwärmen, da die Schwingungen als Wärme abgegeben werden. Derselbe Prozess, nur umgekehrt, bewirkt, dass feste Stoffe spontan Infrarotstrahlung abgeben (siehe Abschnitt „Wärmestrahlung“ weiter unten).

Infrarotstrahlung wird in spektrale Teilbereiche unterteilt. Obwohl verschiedene Unterteilungsschemata existieren ^{[ 50 ] [ 51 ],} wird das Spektrum üblicherweise in Nahinfrarot (0,75–1,4 μm), kurzwelliges Infrarot (1,4–3 μm), mittelwelliges Infrarot (3–8 μm), langwelliges Infrarot (8–15 μm) und Ferninfrarot (15–1000 μm) unterteilt. ^{[ 52 ]}

Einige Tiere, wie beispielsweise Schlangen , besitzen wärmeempfindliche Membranen (Grubenorgane), die Temperaturunterschiede erkennen können und ihnen somit die Wahrnehmung von Infrarotstrahlung ermöglichen. ^{[ 53 ]}

Natürliche Quellen erzeugen elektromagnetische Strahlung über das gesamte Spektrum. Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 700 nm wird vom menschlichen Auge direkt wahrgenommen und als sichtbares Licht erkannt. Andere Wellenlängen, insbesondere das nahe Infrarot (länger als 700 nm) und Ultraviolett (kürzer als 400 nm), werden ebenfalls mitunter als Licht bezeichnet.

Mit zunehmender Frequenz im sichtbaren Bereich besitzen Photonen genügend Energie, um die Bindungsstruktur einzelner Moleküle zu verändern. Dass dies im sichtbaren Bereich geschieht, ist kein Zufall, denn der Sehvorgang beruht auf der Veränderung der Bindung eines einzelnen Moleküls, des Retinals , das ein einzelnes Photon absorbiert. Diese Veränderung des Retinals bewirkt eine Formänderung des darin enthaltenen Rhodopsin- Proteins, wodurch der biochemische Prozess in Gang gesetzt wird, der die Netzhaut des menschlichen Auges befähigt, Licht wahrzunehmen.

Sichtbares Licht kann nur einen winzigen Bruchteil aller Moleküle beeinflussen. In der Regel geschieht dies nicht dauerhaft oder schädlich; vielmehr regt das Photon ein Elektron an, das beim Zurückkehren in seine Ausgangsposition ein weiteres Photon aussendet. Dies ist die Ursache für die Farbe der meisten Farbstoffe. Retinal bildet eine Ausnahme. Wird ein Photon absorbiert, ändert das Retinal seine Struktur dauerhaft von cis zu trans und benötigt ein Protein, um diese wieder in die ursprüngliche Konformation zurückzuverwandeln, d. h. es zurückzusetzen, damit es wieder als Lichtdetektor fungieren kann.

In diesem Bereich ist Photosynthese aus demselben Grund ebenfalls möglich. Ein einzelnes Chlorophyllmolekül wird durch ein einzelnes Photon angeregt. In Pflanzengeweben, die Photosynthese betreiben, wirken Carotinoide der nicht-photochemischen Löschung entgegen , indem sie das durch sichtbares Licht erzeugte elektronisch angeregte Chlorophyll löschen. Dadurch werden Reaktionen verhindert, die die Photosynthese bei hohen Lichtintensitäten sonst beeinträchtigen würden.

Begrenzte Erkenntnisse deuten darauf hin, dass durch sichtbares Licht in der Haut reaktive Sauerstoffspezies entstehen, die möglicherweise eine Rolle bei der Lichtalterung spielen , ähnlich wie ultraviolettes A. ^{[ 54 ]}

Es ist bekannt, dass Infrarot-, Mikrowellen- und Radiowellen Moleküle und biologisches Gewebe nur durch Erwärmung des gesamten Materials schädigen, nicht aber durch Anregung durch einzelne Photonen der Strahlung.

Mit zunehmender Frequenz im ultravioletten Bereich besitzen Photonen nun genügend Energie (etwa drei Elektronenvolt oder mehr), um bestimmte doppelt gebundene Moleküle zu dauerhaften chemischen Veränderungen anzuregen. In der DNA führt dies zu dauerhaften Schäden. Die DNA wird zudem indirekt durch reaktive Sauerstoffspezies geschädigt, die durch ultraviolettes Licht der Wellenlänge A (UVA) entstehen. UVA besitzt jedoch zu wenig Energie, um die DNA direkt zu schädigen. Daher kann ultraviolettes Licht in allen Wellenlängenbereichen die DNA schädigen und Krebs sowie (bei UVB ) Sonnenbrand verursachen, der weitaus schwerwiegender ist als die Folgen einfacher Erwärmung.

Im oberen Bereich des ultravioletten Spektrums ist die Energie der Photonen so groß, dass sie Elektronen so viel Energie verleiht, dass diese aus dem Atom freigesetzt werden – ein Prozess, der als Photoionisation bezeichnet wird . Die dafür benötigte Energie liegt stets über etwa 10 Elektronenvolt (eV), was Wellenlängen unter 124 nm entspricht (einige Quellen schlagen einen realistischeren Grenzwert von 33 eV vor, der der Energie zur Ionisierung von Wasser entspricht). Dieser obere Bereich des ultravioletten Spektrums mit Energien im Bereich der Ionisierung wird auch als „extremes UV“ bezeichnet. Ionisierendes UV-Licht wird von der Erdatmosphäre stark gefiltert. ^{[ 55 ]}

Elektromagnetische Strahlung, die aus Photonen mit minimaler oder höherer Ionisierungsenergie besteht (und das gesamte Spektrum mit kürzeren Wellenlängen umfasst), wird daher als ionisierende Strahlung bezeichnet . (Viele andere Arten ionisierender Strahlung bestehen aus nicht-elektromagnetischen Teilchen.) Elektromagnetische ionisierende Strahlung erstreckt sich vom extremen Ultraviolett bis zu allen höheren Frequenzen und kürzeren Wellenlängen, was bedeutet, dass alle Röntgen- und Gammastrahlen dazu gehören. Diese können schwerste molekulare Schäden verursachen, die in der Biologie an allen Arten von Biomolekülen auftreten können, einschließlich Mutationen und Krebs ^{[ 56 ]} , und oft in großen Tiefen unter der Haut, da der obere Bereich des Röntgenspektrums und das gesamte Gammaspektrum Materie durchdringen.

Der größte Teil der UV- und Röntgenstrahlung wird zunächst durch Absorption an molekularem Stickstoff und anschließend (bei Wellenlängen im oberen UV-Bereich) durch die elektronische Anregung von Sauerstoff und schließlich im mittleren UV-Bereich durch Ozon absorbiert . Nur 30 % des ultravioletten Lichts der Sonne erreichen die Erdoberfläche, und fast die gesamte davon wird gut durchgelassen.

Sichtbares Licht wird von Luft gut durchgelassen – eine Eigenschaft, die als atmosphärisches Fenster bekannt ist . Es ist nämlich nicht energiereich genug, um Stickstoff, Sauerstoff oder Ozon anzuregen, aber zu energiereich, um die Molekülschwingungen von Wasserdampf und Kohlendioxid anzuregen. ^{[ 57 ]} Absorptionsbanden im Infrarotbereich beruhen auf Schwingungsanregungen im Wasserdampf. Bei Energien, die zu niedrig sind, um Wasserdampf anzuregen, wird die Atmosphäre jedoch wieder transparent und ermöglicht die freie Durchlässigkeit der meisten Mikrowellen- und Radiowellen. ^{[ 58 ]}

Schließlich bleibt die Luft in der unteren Atmosphäre bei Radiowellenlängen über etwa 10 m (ca. 30 MHz) für Radiowellen durchlässig, während Plasma in bestimmten Schichten der Ionosphäre mit diesen interagiert (siehe Himmelswelle ). Diese Eigenschaft ermöglicht die Reflexion längerer Wellenlängen (100 m oder 3 MHz) und führt zu Kurzwellenradio jenseits der Sichtlinie. Bestimmte ionosphärische Effekte blockieren jedoch einfallende Radiowellen aus dem Weltraum, wenn deren Frequenz unter etwa 10 MHz (Wellenlänge über etwa 30 m) liegt. ^{[ 59 ]}

Die grundlegende Struktur der Materie besteht aus gebundenen geladenen Teilchen. Trifft elektromagnetische Strahlung auf Materie, versetzt sie diese geladenen Teilchen in Schwingung und erhöht ihre Energieaufnahme. Was mit dieser Energie geschieht, hängt vom Kontext ab. Sie kann sofort wieder abgestrahlt werden und als gestreute, reflektierte oder transmittierte Strahlung auftreten. Sie kann sich in andere mikroskopische Bewegungen innerhalb der Materie umwandeln, ein thermisches Gleichgewicht erreichen und sich als thermische oder sogar kinetische Energie im Material manifestieren. Mit wenigen Ausnahmen im Zusammenhang mit hochenergetischen Photonen (wie Fluoreszenz , Harmonischenerzeugung , photochemischen Reaktionen , dem photovoltaischen Effekt bei ionisierender Strahlung im fernen Ultraviolettbereich, Röntgen- und Gammastrahlung) gibt absorbierte elektromagnetische Strahlung ihre Energie einfach durch Erwärmung des Materials ab. Dies gilt für Infrarot-, Mikrowellen- und Radiowellenstrahlung.

Intensive Radiowellen können lebendes Gewebe thermisch verbrennen und Lebensmittel garen. Neben Infrarotlasern können auch ausreichend intensive Laser im sichtbaren und ultravioletten Bereich Papier leicht entzünden. ^{[ 60 ]} Ionisierende Strahlung erzeugt in einem Material hochenergetische Elektronen und bricht chemische Bindungen auf. Nachdem diese Elektronen jedoch vielfach mit anderen Atomen kollidiert sind, wird der größte Teil der Energie innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Einschränkung gilt auch für UV-Strahlung, obwohl diese fast vollständig nicht ionisierend ist, da UV-Strahlung Moleküle durch elektronische Anregung schädigen kann. Dieser Effekt ist pro Energieeinheit weitaus größer als die Erwärmungswirkung. ^{[ 60 ] [ 56 ]}

Infrarotstrahlung im Spektrum eines schwarzen Körpers wird üblicherweise als Wärme betrachtet, da sie eine äquivalente Temperatur aufweist und mit einer Entropieänderung pro thermischer Energieeinheit verbunden ist. „Wärme“ ist jedoch ein Fachbegriff aus Physik und Thermodynamik und wird oft mit thermischer Energie verwechselt. Jede Art elektromagnetischer Energie kann bei Wechselwirkung mit Materie in thermische Energie umgewandelt werden. Daher kann jede elektromagnetische Strahlung ein Material „erwärmen“ (im Sinne einer Erhöhung der Temperatur ), wenn sie absorbiert wird. ^{[ 61 ]} Der umgekehrte oder zeitlich umgekehrte Prozess der Absorption ist die Wärmestrahlung. Ein Großteil der thermischen Energie in Materie besteht aus der zufälligen Bewegung geladener Teilchen, und diese Energie kann von der Materie abgestrahlt werden. Die entstehende Strahlung kann anschließend von einem anderen Materieteil absorbiert werden, wobei die deponierte Energie das Material erwärmt. ^{[ 62 ]}

Die elektromagnetische Strahlung in einem undurchsichtigen Hohlraum im thermischen Gleichgewicht ist effektiv eine Form von Wärmeenergie mit maximaler Strahlungsentropie . ^{[ 63 ]}

Die Bioelektromagnetik untersucht die Wechselwirkungen und Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf lebende Organismen. Die Wirkung elektromagnetischer Strahlung auf lebende Zellen, einschließlich menschlicher Zellen, hängt von der Leistung und Frequenz der Strahlung ab. Bei niederfrequenter Strahlung (Radiowellen bis nahes Ultraviolett) sind die am besten verstandenen Effekte diejenigen, die allein auf der Strahlungsleistung beruhen und durch Erwärmung bei Absorption der Strahlung entstehen. Für diese thermischen Effekte ist die Frequenz wichtig, da sie die Intensität der Strahlung und deren Eindringtiefe in den Organismus beeinflusst (beispielsweise dringen Mikrowellen besser ein als Infrarotstrahlung). Es gilt als allgemein anerkannt, dass niederfrequente Felder, die zu schwach sind, um eine signifikante Erwärmung zu verursachen, keine biologische Wirkung haben können. ^{[ 64 ]} Einige Forschungsarbeiten deuten darauf hin, dass schwächere, nicht-thermische elektromagnetische Felder (einschließlich schwacher ELF-Magnetfelder, obwohl letztere streng genommen nicht als elektromagnetische Strahlung gelten ^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]} ) sowie modulierte HF- und Mikrowellenfelder biologische Wirkungen haben können, deren Bedeutung jedoch unklar ist. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

Alle UV-Frequenzen wurden von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als krebserregend der Gruppe 1 eingestuft. Ultraviolette Strahlung aus Sonnenexposition ist die Hauptursache für Hautkrebs, die häufigste Krebsart bei hellhäutigen Menschen. UV-Strahlung schädigt die DNA und Zellen und verursacht Mutationen, die die DNA-Reparatur blockieren. ^{[ 69 ] [ 70 ]} Sichtbares und infrarotes Licht kann die Lichtalterung beschleunigen, Sonnenschutzmittel bieten jedoch im Allgemeinen keinen Schutz vor diesen Effekten. ^{[ 71 ]}

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat elektromagnetische Strahlung im Hochfrequenzbereich als Gruppe 2B – möglicherweise krebserregend – eingestuft. ^{[ 72 ]} Zu dieser Gruppe gehören möglicherweise krebserregende Stoffe wie Blei, Kaffee und Autoabgase. ^{[ 73 ]}

Der Hitzestrahl ist eine Anwendung elektromagnetischer Strahlung, die Mikrowellenfrequenzen nutzt, um in der obersten Hautschicht einen unangenehmen Erwärmungseffekt zu erzeugen. Eine öffentlich bekannte Hitzestrahlwaffe namens Active Denial System wurde vom US-Militär als experimentelle Waffe entwickelt, um dem Feind den Zugang zu einem Gebiet zu verwehren. ^{[ 74 ]} Ein Todesstrahl ist eine theoretische Waffe, die auf elektromagnetischer Energie basiert und Hitzestrahlen in einer Intensität abgibt, die menschliches Gewebe schädigen kann. Der Erfinder eines Todesstrahls, Harry Grindell Matthews , behauptete, beim Arbeiten an seiner Todesstrahlwaffe, die auf einem Mikrowellenmagnetron aus den 1920er Jahren basierte (ein normaler Mikrowellenofen erzeugt im Inneren des Ofens einen gewebeschädigenden Kocheffekt bei etwa 2 kV/m), das Sehvermögen auf seinem linken Auge verloren zu haben . ^{[ 75 ]}

Elektromagnetische Wellen werden durch die klassischen Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus, die sogenannten Maxwell-Gleichungen , vorhergesagt . Es gibt nichttriviale Lösungen der homogenen Maxwell-Gleichungen (ohne Ladungen oder Ströme), die Wellen veränderlicher elektrischer und magnetischer Felder beschreiben. Ausgehend von den Maxwell-Gleichungen im freien Raum :

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

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

Wo

• ${\displaystyle \mathbf {E} }$und sind das elektrische Feld (gemessen in V /m oder N / C ) bzw. das magnetische Feld (gemessen in T oder Wb /m² ⁾ .${\displaystyle \mathbf {B} }$
• ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {X} }$liefert die Divergenz und die Rotation eines Vektorfeldes ;${\displaystyle \nabla \times \mathbf {X} }$${\displaystyle \mathbf {X} }$
• ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$und sind partielle Ableitungen (Änderungsrate in der Zeit bei festem Ort) des Magnet- und des elektrischen Feldes;${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$
• ${\displaystyle \mu _{0}}$ist die Permeabilität des Vakuums (4 π  × 10 ⁻⁷  H /m) und ist die Permittivität des Vakuums (8,85 × 10 ⁻¹² F /m);${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 

Neben der trivialen Lösung lassen sich mithilfe der folgenden Vektoridentität , die für alle Vektoren in einem Vektorfeld gültig ist, nützliche Lösungen ableiten: Die Rotation der zweiten Maxwell-Gleichung ( 2 ) ergibt:${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} }$${\displaystyle \mathbf {A} }$$${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .}$$

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

5

Durch Einsetzen der obigen Identität in die linke Seite von ( 5 ) und anschließende Vereinfachung mithilfe von ( 1 ) erhält man:

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

6

Durch Auswertung der rechten Seite von ( 5 ) durch Vertauschen der Ableitungsfolge und Einsetzen der vierten Maxwell-Gleichung ( 4 ) erhält man:

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

7

Durch erneute Kombination von ( 6 ) und ( 7 ) erhält man eine vektorwertige Differentialgleichung für das elektrische Feld, die die homogenen Maxwell-Gleichungen löst:

Durch Anwendung der Rotation auf die vierte Maxwell-Gleichung ( 4 ) erhält man eine ähnliche Differentialgleichung für ein Magnetfeld, die die homogenen Maxwell-Gleichungen löst:

Beide Differentialgleichungen haben die Form der allgemeinen Wellengleichung für Wellen, die sich mit der Geschwindigkeit ausbreiten, wobei eine Funktion von Zeit und Ort ist, die die Amplitude der Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort angibt: Dies lässt sich auch schreiben als: wobei den sogenannten d’Alembert-Operator bezeichnet , der in kartesischen Koordinaten wie folgt lautet:${\displaystyle c_{0},}$${\displaystyle f}$$${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}}$$$${\displaystyle \Box f=0}$$${\displaystyle \Box }$$${\displaystyle \Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\ }$$

Ein Vergleich der Terme für die Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt im Fall der elektrischen und magnetischen Felder: $${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$$

Dies ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Maxwell-Gleichungen verknüpfen somit die Vakuumpermittivität ε , die Vakuumpermeabilität _μ und die Lichtgeschwindigkeit c₀ über die obige Gleichung. Diese Beziehung war bereits vor der Entwicklung der Maxwellschen Elektrodynamik von Wilhelm Eduard Weber und Rudolf Kohlrausch entdeckt worden; Maxwell war jedoch der Erste, der eine Feldtheorie entwickelte, die mit der Ausbreitung von Wellen mit Lichtgeschwindigkeit vereinbar ist. ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$${\displaystyle \mu _{0}}$

Dies sind nur zwei Gleichungen im Vergleich zu den ursprünglichen vier, daher beziehen sich mehr Informationen auf diese in den Maxwell-Gleichungen verborgenen Wellen. Eine allgemeine Vektorwelle für das elektrische Feld hat die Form: Hierbei ist ein konstanter Vektor, eine beliebige zweite differenzierbare Funktion, ein Einheitsvektor in Ausbreitungsrichtung und ein Ortsvektor. ist eine allgemeine Lösung der Wellengleichung. Anders ausgedrückt: für eine allgemeine Welle, die sich in Richtung ausbreitet. $${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$$${\displaystyle \mathbf {E} _{0}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$${\displaystyle {\mathbf {x} }}$${\displaystyle f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$$${\displaystyle \nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},}$$${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

Aus der ersten Maxwell-Gleichung erhalten wir , dass das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Die zweite Maxwell-Gleichung liefert das Magnetfeld, nämlich . Somit sind die übrigen Gleichungen durch diese Wahl von erfüllt . $${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0}$$$${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0}$$$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$$$${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} }$$${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$

Die elektrischen und magnetischen Feldwellen im Fernfeld breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie besitzen eine spezielle, eingeschränkte Orientierung und proportionale Amplituden, die sich unmittelbar aus dem Poynting-Vektor ablesen lassen . Das elektrische Feld, das magnetische Feld und die Ausbreitungsrichtung der Welle sind orthogonal, und die Welle breitet sich in dieselbe Richtung wie aus . Auch die E- und B -Fernfelder im freien Raum, die als Wellenlösungen primär von diesen beiden Maxwell-Gleichungen abhängen, bleiben in Phase. Dies ist gewährleistet, da die allgemeine Wellenlösung erster Ordnung in Raum und Zeit ist. Der Rotationsoperator auf der einen Seite dieser Gleichungen führt zu räumlichen Ableitungen erster Ordnung der Wellenlösung, während die zeitliche Ableitung auf der anderen Seite der Gleichungen, die das andere Feld liefert, erster Ordnung in der Zeit ist. Dies führt dazu, dass beide Felder in jeder mathematischen Operation die gleiche Phasenverschiebung aufweisen.${\displaystyle E_{0}=c_{0}B_{0}}$${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$

Aus der Sicht einer sich vorwärts ausbreitenden elektromagnetischen Welle kann das elektrische Feld auf und ab oszillieren, während das Magnetfeld nach rechts und links oszilliert. Dieses Bild lässt sich umkehren, sodass das elektrische Feld nach rechts und links und das Magnetfeld nach unten und oben oszilliert. Dies ist eine andere Lösung, die sich in dieselbe Richtung ausbreitet. Diese beliebige Ausrichtung relativ zur Ausbreitungsrichtung wird als Polarisation bezeichnet . Auf Quantenebene spricht man von Photonenpolarisation . Die Richtung der Polarisation ist definiert als die Richtung des elektrischen Feldes.

Es existieren allgemeinere Formen der oben genannten Wellengleichungen zweiter Ordnung, die sowohl Ausbreitungsmedien als auch Quellen außerhalb des Vakuums berücksichtigen. Zahlreiche konkurrierende Herleitungen mit unterschiedlichem Näherungsgrad und Anwendungsgebieten stehen zur Verfügung. Ein sehr allgemeines Beispiel ist eine Form der elektrischen Feldgleichung ^{[ 76 ]} , die in zwei explizit richtungsabhängige Wellengleichungen faktorisiert und anschließend mithilfe einer einfachen Näherung langsamer Evolution effizient auf eine einzige unidirektionale Wellengleichung reduziert wurde.

• „Licht: Elektromagnetische Wellen, das elektromagnetische Spektrum und Photonen (Artikel)“ . Khan Academy . Abgerufen am 2. Mai 2021 .

• Hecht, Eugene (2001). Optik (4. Aufl.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3Die
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physik für Naturwissenschaftler und Ingenieure (6. Aufl.). Brooks Cole. ISBN 978-0-534-40842-8Die
• Tipler, Paul (2004). Physik für Naturwissenschaftler und Ingenieure: Elektrizität, Magnetismus, Licht und elementare moderne Physik (5. Aufl.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0Die
• Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Grundlagen der elektromagnetischen Theorie (4. Aufl.). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-52624-0Die
• Jackson, John David (1999). Klassische Elektrodynamik (3. Aufl.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1Die
• Taflove, Allen ; Hagness, Susan C. (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3. Aufl . Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9Die
• Maxwell, J. Clerk (1865). „Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“ . Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 155 : 459–512 . ISSN  0261-0523 .Maxwells Originalarbeit.

• Die Feynman-Vorlesungen über Physik, Band I, Kapitel 28: Elektromagnetische Strahlung
• Medien zum Thema elektromagnetische Strahlung auf Wikimedia Commons
• Elektromagnetische Wellen aus den Maxwell-Gleichungen auf Project PHYSNET .