Elektromagnetska energija je većini ljudi poznata kao svjetlost i toplina, ali može poprimiti mnoge druge oblike, kao što su radio valovi i X-zrake. Sve su to vrste zračenja koje potječu od elektromagnetske sile koja je odgovorna za sve električne i magnetske pojave. Zračenje putuje brzinom svjetlosti na način nalik valovima.
Za razliku od zvučnih valova, elektromagnetski valovi ne zahtijevaju medij kroz koji se kreću i mogu putovati kroz prazan prostor. Duljina vala može varirati od stotina metara (metara) do subatomskih razmjera. Cijeli raspon valnih duljina poznat je kao elektromagnetski spektar, čiji vidljiva svjetlost čini samo mali dio. Unatoč uočenom valnom karakteru elektromagnetskog zračenja (EMR), ono se također može ponašati kao da je sastavljeno od sićušnih čestica, poznatih kao fotoni.
Svjetlost, elektricitet i magnetizam
Vezu između svjetlosti i elektromagnetizma otkrio je u 19. stoljeću rad fizičara Jamesa Clerka Maxwella o električnim i magnetskim poljima. Koristeći jednadžbe koje je razvio, otkrio je da je brzina kojom se polja kreću kroz prostor upravo brzina svjetlosti i zaključio da je svjetlost poremećaj tih polja, putujući u obliku valova. Njegove su jednadžbe također pokazale da su mogući i drugi oblici EMR s dužim i kraćim valnim duljinama; ovi su kasnije identificirani. Maxwellovi nalazi dali su povod za proučavanje elektrodinamike, prema kojoj se EMR sastoji od oscilirajućih električnih i magnetskih polja pod pravim kutom jedno prema drugom i prema smjeru gibanja. To je objasnilo valnu prirodu svjetlosti, kao što je uočeno u mnogim eksperimentima.
Valna duljina, frekvencija i energija
Elektromagnetsko zračenje može se opisati u smislu njegove valne duljine — udaljenosti između vrhova valova — ili njegove frekvencije — broja vrhova koji prolaze kroz fiksnu točku tijekom fiksnog vremenskog intervala. Kada se kreće kroz vakuum, EMR uvijek putuje brzinom svjetlosti; stoga brzina kojom se vrhovi kreću ne varira i frekvencija ovisi samo o duljini vala. Kraća valna duljina označava višu frekvenciju i veću energiju. To znači da visokoenergetske gama zrake ne putuju brže od radio valova niske energije; umjesto toga, imaju mnogo kraće valne duljine i mnogo veće frekvencije.
Dualnost val-čestica
Elektrodinamika je bila vrlo uspješna u opisivanju elektromagnetske energije u terminima polja i valova, ali je početkom 20. stoljeća istraživanje fotoelektričnog efekta Alberta Einsteina, u kojem svjetlost pomiče elektrone s metalne površine, izazvalo problem. Otkrio je da energija elektrona u potpunosti ovisi o frekvenciji, a ne o intenzitetu svjetlosti. Povećanje frekvencije proizvelo je elektrone veće energije, ali povećanje svjetline nije napravilo razliku. Rezultati bi se mogli objasniti samo ako se svjetlost sastojala od diskretnih čestica – kasnije nazvanih fotonima – koje su prenosile svoju energiju na elektrone. To je stvorilo zagonetku: promatrano u velikim razmjerima, EMR se ponaša kao valovi, ali njegove interakcije s materijom na najmanjim razmjerima mogu se objasniti samo u terminima čestica.
Ovo je poznato kao dualnost val-čestica. Pojavio se tijekom razvoja kvantne teorije i odnosi se na sve na subatomskoj skali; elektroni se, na primjer, mogu ponašati kao valovi kao i kao čestice. Ne postoji opći konsenzus među znanstvenicima o tome što ova dvojnost zapravo znači o prirodi elektromagnetske energije.
Kvantna elektrodinamika
Nova teorija, poznata kao kvantna elektrodinamika (QED), na kraju se pojavila kako bi objasnila ponašanje EMR-a nalik česticama. Prema QED-u, fotoni su čestice koje nose elektromagnetsku silu, a interakcije električno nabijenih objekata objašnjavaju se u smislu proizvodnje i apsorpcije tih čestica, koje same po sebi nemaju naboj. QED se smatra jednom od najuspješnijih teorija ikada razvijenih.
Kako se proizvodi elektromagnetska energija
Klasična elektrodinamika opisala je proizvodnju EMR-a u smislu kretanja električnih naboja, ali modernije objašnjenje — u skladu s kvantnom teorijom — temelji se na ideji da subatomske čestice od kojih se sastoji materija mogu zauzimati samo određene fiksne energetske razine. Elektromagnetsko zračenje oslobađa se promjenom iz višeg u niže energetsko stanje. Prepuštena sama sebi, materija će uvijek nastojati doseći svoju najnižu razinu energije.
EMR se može proizvesti kada tvar privremeno apsorbira energiju – na primjer, kada se zagrije – a zatim je otpusti kako bi se spustila na nižu razinu. Niže energetsko stanje se također može postići kada se atomi ili molekule međusobno spoje u kemijskoj reakciji. Izgaranje je poznat primjer: obično se molekula kombinira s kisikom iz zraka, tvoreći proizvode koji zajedno imaju manje energije od izvorne molekule. To uzrokuje oslobađanje elektromagnetske energije u obliku plamena.
U jezgri Sunca, četiri jezgre vodika spajaju se, u nizu koraka, da tvore jezgru helija koja ima nešto manju masu, a time i manju energiju. Ovaj proces je poznat kao nuklearna fuzija. Višak energije oslobađa se kao visokofrekventne gama-zrake koje apsorbira tvar dalje van, koja zatim emitira tu energiju, uglavnom u obliku vidljive svjetlosti i topline.
Elektromagnetska energija, život i tehnologija
Energija Sunca ključna je za život na Zemlji. Sunčeva svjetlost zagrijava površinu Zemlje, koja zauzvrat zagrijava atmosferu, održavajući temperature prikladne za život i pokrećući vremenske sustave planeta. Biljke koriste Sunčevu elektromagnetsku energiju za fotosintezu, metodu kojom proizvode hranu. Sunčeva energija se pretvara u kemijsku energiju koja pokreće procese koji omogućuju biljkama da iz ugljičnog dioksida i vode proizvode glukozu koja im je potrebna za preživljavanje. Nusprodukt ove reakcije je kisik, pa je fotosinteza odgovorna za održavanje razine kisika na planetu.
Većina oblika tehnologije uvelike se oslanja na elektromagnetsku energiju. Industrijska revolucija pokretana je toplinom generiranom izgaranjem fosilnih goriva, a u novije vrijeme, sunčevo zračenje se izravno koristilo za osiguravanje “čiste” i obnovljive energije. Moderna komunikacija, emitiranje i internet uvelike ovise o radio valovima i svjetlu kanaliziranom optičkim kabelima. Laserska tehnologija koristi svjetlo za čitanje i pisanje na CD-ove i DVD-ove. Većina onoga što znanstvenici znaju o svemiru dolazi iz analize EMR-a različitih valnih duljina udaljenih zvijezda i galaksija.
Učinci na zdravlje
EMR visoke frekvencije, kao što su gama zrake, X-zrake i ultraljubičasto svjetlo, nose dovoljno energije da izazovu kemijske promjene u biološkim molekulama. Može razbiti kemijske veze ili ukloniti elektrone iz atoma, tvoreći ione. To može oštetiti stanice i promijeniti DNK, povećavajući rizik od raka. Također je izražena zabrinutost zbog zdravstvenih učinaka EMR niže frekvencije, kao što su radio valovi i mikrovalovi koje koriste mobiteli i drugi komunikacijski uređaji. Iako se čini da ovi oblici zračenja nemaju izravan učinak na kemiju života, oni mogu uzrokovati zagrijavanje tkiva u lokaliziranim područjima uz produljeno izlaganje. Čini se da za sada nema uvjerljivih dokaza da to može razboljeti ljude.