Termins elektromagnētiskais vilnis apraksta veidu, kā elektromagnētiskais starojums (EMR) pārvietojas telpā. Dažādas EMR formas atšķiras ar to viļņu garumiem, kas svārstās no daudziem jardiem (metriem) līdz attālumam, kas ir mazāks par atoma kodola diametru. Pilns diapazons, dilstošā viļņa garuma secībā, iet no radioviļņiem caur mikroviļņiem, redzamo gaismu, ultravioletajiem un rentgena stariem līdz gamma stariem, un to sauc par elektromagnētisko spektru. Elektromagnētiskajiem viļņiem ir daudz pielietojumu gan zinātnē, gan ikdienas dzīvē.
Gaismas viļņi
Daudzos aspektos elektromagnētiskais vilnis darbojas līdzīgi kā viļņi uz ūdens vai skaņa, kas pārvietojas pa vidi, piemēram, gaisu. Piemēram, ja gaisma tiek apspīdēta uz ekrāna caur barjeru ar divām šaurām spraugām, tiek parādīts gaišu un tumšu svītru raksts. To sauc par interferences modeli: kur viļņu virsotnes no vienas spraugas satiekas ar otras spraugas viļņiem, tie pastiprina viens otru, veidojot spilgtu svītru, bet tur, kur cekuls saskaras ar sile, tie izzūd, atstājot tumšu svītru. Gaisma var arī izliekties ap šķērsli, piemēram, okeāna lauzēji ap ostas sienu: to sauc par difrakciju. Šīs parādības liecina par gaismas viļņveidīgo raksturu.
Ilgu laiku tika pieņemts, ka, tāpat kā skaņai, gaismai ir jāpārvietojas caur kaut kādu nesēju. Tam tika dots nosaukums “ēteris”, kas dažreiz tika rakstīts kā “ēteris”, un tika uzskatīts, ka tas ir neredzams materiāls, kas aizpilda telpu, bet caur kuru cietie priekšmeti varēja netraucēti iziet cauri. Eksperimentos, kuru mērķis bija noteikt ēteri pēc tā ietekmes uz gaismas ātrumu dažādos virzienos, neizdevās atrast pierādījumus par to, un ideja beidzot tika noraidīta. Bija acīmredzams, ka gaismai un citiem EMR veidiem nav nepieciešama nekāda vide un tie varēja pārvietoties pa tukšo telpu.
Viļņa garums un frekvence
Tāpat kā okeāna vilnim, arī elektromagnētiskajam vilnim ir virsotnes un ieplakas. Viļņa garums ir attālums starp diviem identiskiem viļņa punktiem no cikla uz ciklu, piemēram, attālums starp vienu virsotni vai virsotni un nākamo. EMR var arī definēt, ņemot vērā tā biežumu, kas ir ceku skaits, kas iet garām noteiktā laika intervālā. Visi EMR veidi pārvietojas ar tādu pašu ātrumu: gaismas ātrumu. Tāpēc frekvence pilnībā ir atkarīga no viļņa garuma: jo īsāks viļņa garums, jo augstāka ir frekvence.
enerģija
Īsāks viļņa garums vai augstāka frekvence EMR pārnēsā vairāk enerģijas nekā garāki viļņi vai zemākas frekvences. Elektromagnētiskā viļņa pārnestā enerģija nosaka, kā tas ietekmē vielu. Zemfrekvences radioviļņi nedaudz traucē atomus un molekulas, savukārt mikroviļņi liek tiem kustēties enerģiskāk: materiāls uzsilst. Rentgenstariem un gamma stariem ir daudz lielāka ietekme: tie var saraut ķīmiskās saites un izsist elektronus no atomiem, veidojot jonus. Šī iemesla dēļ tos raksturo kā jonizējošo starojumu.
Elektromagnētisko viļņu izcelsme
Attiecības starp gaismu un elektromagnētismu noteica fiziķa Džeimsa Klerka Maksvela darbs 19. gadsimtā. Tas noveda pie elektrodinamikas izpētes, kurā elektromagnētiskie viļņi, piemēram, gaisma, tiek uzskatīti par traucējumiem vai “viļņiem” elektromagnētiskajā laukā, ko rada elektriski lādētu daļiņu kustība. Atšķirībā no neesošā ētera, elektromagnētiskais lauks ir vienkārši lādētas daļiņas ietekmes sfēra, nevis taustāma, materiāla lieta.
Vēlāk darbs, 20. gadsimta sākumā, parādīja, ka EMR piemīt arī daļiņām līdzīgas īpašības. Daļiņas, kas veido elektromagnētisko starojumu, sauc par fotoniem. Lai gan šķiet pretrunīgi, EMR var darboties kā viļņi vai kā daļiņas atkarībā no veiktā eksperimenta veida. To sauc par viļņu daļiņu dualitāti. Tas attiecas arī uz subatomiskām daļiņām, veseliem atomiem un pat diezgan lielām molekulām, kuras visas dažkārt var uzvesties kā viļņi.
Viļņu-daļiņu dualitāte parādījās kvantu teorijas izstrādes laikā. Saskaņā ar šo teoriju “vilnis” atspoguļo varbūtību atrast daļiņu, piemēram, fotonu, noteiktā vietā. Daļiņu viļņveidīgais raksturs un viļņu daļiņu raksturs ir izraisījis daudz zinātnisku diskusiju un dažas prātam neaptveramas idejas, taču nav panākta vispārēja vienprātība par to, ko tas patiesībā nozīmē.
Kvantu teorijā elektromagnētiskais starojums rodas, kad subatomiskās daļiņas atbrīvo enerģiju. Piemēram, elektrons atomā var absorbēt enerģiju, bet tam galu galā jāsamazinās līdz zemākam enerģijas līmenim un jāatbrīvo enerģija kā EMR. Atkarībā no tā, kā tas tiek novērots, šis starojums var parādīties kā daļiņa vai elektromagnētiskais vilnis.
Izmanto
Liela daļa mūsdienu tehnoloģiju ir atkarīga no elektromagnētiskajiem viļņiem. Radio, televīzija, mobilie tālruņi un internets balstās uz radiofrekvenču EMR pārraidi pa gaisu, kosmosa vai optiskās šķiedras kabeļiem. Lāzeri, ko izmanto DVD un audio kompaktdisku ierakstīšanai un atskaņošanai, izmanto gaismas viļņus, lai ierakstītu un lasītu no diskiem. Rentgena aparāti ir būtisks instruments medicīnā un lidostu drošībā. Zinātnē mūsu zināšanas par Visumu lielā mērā izriet no gaismas, radioviļņu un tālu zvaigžņu un galaktiku rentgena staru analīzes.
Bīstamība
Netiek uzskatīts, ka zemas enerģijas elektromagnētiskie viļņi, piemēram, radioviļņi, ir kaitīgi. Tomēr pie lielākas enerģijas EMR rada riskus. Jonizējošais starojums, piemēram, rentgena un gamma starojums, var nogalināt vai sabojāt dzīvās šūnas. Tie var arī mainīt DNS, kas var izraisīt vēzi. Tiek uzskatīts, ka medicīnisko rentgenstaru radītais risks pacientiem ir niecīgs, taču radiogrāfi, kuri regulāri tiek pakļauti tiem, valkā svina priekšautus, kuriem rentgena stari nevar iekļūt, lai pasargātu sevi. Ultravioletā gaisma, kas atrodas saules gaismā, var izraisīt saules apdegumus un var izraisīt arī ādas vēzi, ja iedarbība ir pārmērīga.