La radiació electromagnètica és un conjunt d'ones electromagnètiques que es propaguen a l'espai amb un component elèctric i un component magnètic. Aquests dos components oscil·len en angles rectes respecte ells i respecte a la direcció de propagació, i són en fase entre ells. La radiació electromagnètica en diferents tipus segons la freqüència de l'ona (en ordre creixent de freqüència): ones de ràdio, microones, raigs T, radiació infraroja, llum visible, radiació ultraviolada, raigs X i radiació gamma.
La radiació electromagnètica porta energia i moment lineal que poden ser transmesos quan interacciona amb la matèria.
Història del descobriment
La radiació electromagnètica de longituds d'ona diferents a les de la llum visible es va descobrir a principis del . El descobriment de la radiació infraroja s'atribueix a l'astrònom William Herschel, qui va publicar els seus resultats en 1800 davant la Royal Society of London.Herschel, William (1 de gener del 1800). «Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. By William Herschel, LL. D. F. R. S». Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284-292. Herschel va utilitzar un prisma de vidre per a refractar la llum del Sol i va detectar llamps invisibles que provocaven un escalfament més enllà de la part vermella de l'espectre, mitjançant un augment de la temperatura registrada amb un termòmetre. Aquests «raigs calorífics» es van denominar posteriorment infrarojos.Holzer, Aton M.; Elmets, Craig A. (2010). «The Other End of the Rainbow: Infrared and Skin». The Journal of Investigative Dermatology 130 (6): 1496-1499.
L'any 1801, el físic alemany Johann Wilhelm Ritter va descobrir la llum ultraviolada en un experiment similar al de Herschel, utilitzant llum solar i un prisma de vidre. Ritter va notar que els raigs invisibles prop de la vora violeta d'un espectre solar dispersat per un prisma triangular enfosquien les preparacions de clorur de plata més ràpidament que la llum violeta. Els experiments de Ritter van ser els primers precursors del que es convertiria en la fotografia. Ritter va assenyalar que els raigs ultraviolats (que al principi es van dir «llamps químics») eren capaços de provocar reaccions químiques.«Discovering the Electromagnetic Spectrum». imagine.gsfc.nasa.gov. Consultat el 31 de març de 2021.
Des de l'any 1862 fins a l'any 1864 James Clerk Maxwell va desenvolupar equacions per al camp electromagnètic que suggerien que les ones en el camp viatjarien amb una velocitat molt pròxima a la velocitat de la llum. Per tant, Maxwell va suggerir que la llum visible (així com els raigs infrarojos i ultraviolats invisibles per inferència) consistien a propagar pertorbacions (o radiació) en el camp electromagnètic. Les ones de ràdio van ser produïdes deliberadament per primera vegada per Heinrich Hertz l'any 1887, utilitzant circuits elèctrics calculats per a produir oscil·lacions a una freqüència molt més baixa que la de la llum visible. Hertz també va desenvolupar maneres de detectar aquestes ones i va produir i va caracteritzar el que després es van denominar ones de ràdio i microones.Jeans, James (1947) The Growth of Physical Science. Cambridge University Press
Wilhelm Röntgen va descobrir i va nomenar radiografies. Després d'experimentar amb alts voltatges aplicats a un tub de buit el 8 de novembre de 1895, va notar una fluorescència en una placa pròxima de vidre revestit. En un mes, va descobrir les principals propietats dels raigs X.
L'última part de l'espectre electromagnètic que es va descobrir es va associar amb la radioactivitat. Henri Becquerel va descobrir que les sals d'urani causaven el entelament d'una placa fotogràfica no exposada a través d'un paper de cobertura d'una manera similar als raigs X, i Marie Curie va descobrir que només uns certs elements emetien aquests raigs d'energia, i aviat va descobrir la intensa radiació del radi. La radiació de la pechblenda va ser diferenciada en raigs alfa (partícules alfa) i raigs beta (partícules beta) per Ernest Rutherford a través d'una simple experimentació l'any 1899, però es va demostrar que eren tipus de radiació de partícules carregades. No obstant això, l'any 1900, el científic francès Paul Villard va descobrir un tercer tipus de radiació de radi amb càrrega neutra i especialment penetrant, i després de descriure-ho, Rutherford es va adonar que havia de ser un tercer tipus de radiació, que en 1903 va denominar raigs gamma. L'any 1910, el físic britànic William Henry Bragg va demostrar que els raigs gamma són radiació electromagnètica, no partícules, i l'any 1914 Rutherford i Edward Andrade van mesurar les seves longituds d'ona, trobant que eren similars als raigs X però amb longituds d'ona més curtes i major freqüència.
Física Teoria A causa de la dualitat ona-partícula, la radiació electromagnètica es pot modelitzar de dues maneres:
Com una ona: la radiació és una variació dels camps elèctric i magnètic. L'anàlisi espectral permet de descompondre l'ona electromagnètica en ones monocromàtiques de longitud d'ona i freqüència diferents.
James Clerk Maxwell va ser el primer a predir l'existència de les ones electromagnètiques i la confirmació va arribar amb Heinrich Hertz. Maxwell va derivar la forma de l'ona electromagnètica a partir de les equacions del camps elèctric i magnètic, revelant la natura dels camps i la seva simetria. Com que la velocitat predita per les equacions d'ona coincident amb la velocitat de la llum, Maxwell va concloure que la llum també era una ona electromagnètica.
D'acord amb les equacions de Maxwell, un camp elèctric que canvia al llarg del temps genera un camp magnètic i a l'inrevés. Per això, així com un camp elèctric oscil·lant genera un camp magnètic oscil·lant, un camp magnètic oscil·lant genera al seu torn un camp elèctric oscil·lant. Aquests camps oscil·lants junts formen una ona electromagnètica.
Com un fotó: la mecànica quàntica associa una radiació electromagnètica monocromàtica a un corpuscle o partícula de massa nul·la i una energia proporcional a la freqüència. La interacció entre la radiació electromagnètica i la matèria, com ara els electrons, es descriu amb l'electrodinàmica quàntica.
Model ondulatori Un aspecte important de la natura de la llum és la freqüència. La freqüència d'una ona és la seva taxa d'oscil·lació i es mesura en Hertz, que és la unitat de freqüència al SI d'unitats, i que equival a una oscil·lació per segon. La llum presenta habitualment un espectre de freqüències que sumades donen l'ona resultant. Freqüències diferents experimentaran diferents angles de refracció.
Una ona consisteix en una successió de crestes i valls, la distància entre dues crestes o valls adjacents és el que denominem longitud d'ona. Les ones de l'espectre electromagnètic varien en mida des de les llargues ones de ràdio, de la mida d'un edifici, fins a les més curtes de la radiació gamma, més petites que el nucli atòmic. La freqüència és inversament proporcional a la longitud d'ona, d'acord amb l'equació:
on v és la velocitat de l'ona (c al buit, o menor en altres medis), f és la freqüència i λ és la longitud d'ona. Quan les ones travessen les fronteres entre diferents medis la seva velocitat canvia però les seves freqüències romanen constants.
500px|Representació d'una ona electromagnètica, s'observa la perpendicularitat entre els camps magnètic i elèctric i d'aquests respecte a la direcció de propagacióRepresentació d'una ona electromagnètica, s'observa la perpendicularitat entre els camps magnètic i elèctric i d'aquests respecte a la direcció de propagació
Una interferència és la superposició de dues o més ones que origina un nou patró d'ona. Si els camps tenen components en la mateixa direcció, les ones s'interfereixen de manera constructiva, per contra, en cas de direccions oposades es produirà una interferència destructiva.
L'energia de les ones electromagnètiques rep el nom d'energia radiant.
Model de partícules En el model de partícules de la radiació electromagnètica l'energia d'una ona està quantitzada, una ona consistiria en un conjunt de paquets d'energia, quants, anomenats fotons. La freqüència de l'ona és proporcional a la magnitud de l'energia de les partícules. Atès que els fotons són emesos i absorbits per partícules carregades actuen com a transportadors d'energia. L'energia dels fotons es calcula a partir de l'equació de Max Planck:
on E és l'energia, h és la constant de Planck i f és la freqüència.
Quan un àtom absorbeix un fotó, el fotó excita un electró elevant el seu nivell d'energia. Si l'energia és prou gran per a fer que l'electró salti a un nivell d'energia prou elevat, l'electró podria escapar de força d'atracció del nucli i ser alliberat en un procés que rep el nom de fotoionització. De manera inversa, un electró d'un àtom que passa a un nivell inferior d'energia emet un fotó de llum igual a la diferència d'energia entre els dos nivells. Com a conseqüència de què els nivells d'energia dels àtoms són discrets, cada element emet i absorbeix a unes freqüències característiques.
Aquests efectes junts expliquen l'espectre d'absorció de la llum. Les bandes fosques de l'espectre són degudes a la presència d'àtoms que absorbeixen diferents freqüències de llum. La composició del medi que travessa la llum determinarà l'espectre d'absorció que se n'obtindrà. En el cas de les bandes fosques que apareixen a l'espectre de la llum d'una estrella són degudes als àtoms que hi ha a l'atmosfera de l'estrella. Les bandes fosques corresponen als nivells d'energia permesos dels àtoms. Un fenomen similar passa amb l'emissió espontània. Quan els electrons passen a un nivell d'energia inferior s'emet un espectre que representa els salts entre els nivells d'energia de l'electró. Això es manifesta, per exemple, a l'espectre d'emissió d'una nebulosa. Avui dia s'utilitza aquest fenomen per tal d'observar els elements que componen les estrelles, i també en la determinació de la seva distància utilitzant el que es denomina desplaçament cap al roig.
Velocitat de propagació Qualsevol càrrega elèctrica accelerada o qualsevol camp magnètic canviant produeix radiació electromagnètica. La informació electromagnètica sobre la càrrega viatja a la velocitat de la llum. Un tractament acurat incorpora un concepte denominat temps retard que s'afegeix a les expressions electrodinàmiques dels camps elèctrics i magnètics. Quan qualsevol fil, o d'altres objectes conductors com una antena condueixen corrent altern, la radiació electromagnètica es propaga a la mateixa freqüència que el corrent elèctric. En funció de les circumstàncies es comportarà com una ona o com una partícula (fotó). En forma d'una ona la radiació electromagnètica es caracteritza per una velocitat (la de la llum), una longitud d'ona i una freqüència. En forma de partícules la radiació electromagnètica (els fotons) es caracteritza per l'energia de cada partícula relacionada amb la freqüència de l'ona donada per l'equació de Planck.
E = hν
on E és l'energia d'un fotó, h = 6.626 × 10−34 J·s és la constant de Planck, i ν és la freqüència d'ona.
Hi ha una regla que sempre se segueix, siguin quines siguin les circumstàncies: Amb relació a qualsevol observador, al buit la radiació electromagnètica viatja a la velocitat de la llum, sigui quina sigui la velocitat de l'observador. Aquesta observació va portar Albert Einstein a desenvolupar la teoria de la relativitat especial.
En medis diferents del buit la velocitat de propagació o l'índex de refracció varia en funció de la freqüència i l'aplicació. Ambdues grandàries prenen valors que relacionen la velocitat al medi considerat amb la velocitat al buit.
Mesura de la velocitat de la llum al buit