Electromagnetic Wave

可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分。

电磁波（Electromagnetic Wave）是指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的振荡方向。

电磁波不需要依靠介质进行传播，在真空中其传播速度为光速。电磁波可按照频率分类，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波，波长大约在380至780nm之间，称为可见光。

发现历史

詹姆斯·麦克斯韦

在可见光波长以外的电磁辐射被发现于19世纪初期。红外线辐射的发现归因于天文学家威廉·赫歇尔，他于1800年在伦敦皇家学会发表了他的成果。

电磁波首先由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1865年预测出来，而后由德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）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。

无线电波被海因里希·赫兹在1887年第一个刻意产生，使用电路计算出比可见光低得多的频率上产生振荡，随之产生了由麦克斯韦方程所建议的振荡电荷和电流。赫兹还开发检测这些电波的方法，并产生和特征化这些后来被称为无线电波和微波。

威廉·伦琴发现并命名了X射线。在1895年11月8日的应用于真空管上的高电压试验后，他注意到在附近的镀膜玻璃板的荧光。在一个月内，他发现了X射线的主要性质。

场论的诞生与以太的终结

在麦克斯韦之前，法拉第提出了革命性的“力线”概念，暗示空间不是空洞的容器，而是充满了物理状态——场的状态。麦克斯韦用数学语言表述了法拉第的物理图像，提出了著名的麦克斯韦方程组：

• 高斯定律：电荷是电场的源。
• 高斯磁定律：不存在磁单极子，磁场线总是闭合的。
• 法拉第感应定律：变化的磁场产生电场。
• 安培-麦克斯韦定律：电流和变化的电场产生磁场。

麦克斯韦方程组引入了一个令人不安的结论：光速是恒定的，与光源的运动状态无关。这直接违反了牛顿力学中的速度叠加原理。当时物理学家假设存在一种充满整个空间的“以太”（luminiferous aether）作为光传播的介质。但著名的迈克耳孙-莫雷实验（Michelson-Morley experiment）未能探测到地球相对于以太的运动，暗示以太可能不存在。最终，爱因斯坦的狭义相对论彻底确立了电磁波作为独立物理实体的地位，不再需要以太作为传播媒介。

概念与性质

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。

传播特性

• 横波性质：电场和磁场垂直于波传播方向。
• 自传播：变化的电场产生磁场，变化的磁场又感应出电场，这样电磁波就能在没有介质的情况下传播。
• 真空中的速度：在真空中，电磁波的传播速度为光速 c ≈ 3 × 10⁸ m/s。

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，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、克尔效应等等。

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。

波动理论

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）。

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。频率与波长成反比：

$\nu =\lambda f$

其中，$\nu$是波速（在真空里是光速；在其它介质里，小于光速），$\lambda$是波长，$f$是频率。

当波从一个介质传播至另一个介质时，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。假若这几个电磁波的电场同方向，磁场也同方向，则这干涉是相长干涉；反之，则是相消干涉。

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。

电磁波谱

电磁波谱包含了所有电磁波，按频率或波长进行分类。

类型	波长范围	频率范围	应用
无线电波	> 1 m	< 10⁹ Hz	通信、广播
微波	1 mm - 1 m	10⁹ - 10¹² Hz	雷达、烹饪、卫星通信
红外线 (IR)	700 nm - 1 mm	10¹² - 10¹⁴ Hz	加热、遥控器
可见光	400 - 700 nm	4×10¹⁴ - 7.5×10¹⁴ Hz	照明、成像
紫外线 (UV)	10 - 400 nm	7.5×10¹⁴ - 3×10¹⁶ Hz	杀菌、荧光效应
X射线	0.01 - 10 nm	3×10¹⁶ - 3×10¹⁹ Hz	医学成像、安检
伽马射线	< 0.01 nm	> 3×10¹⁹ Hz	癌症治疗、天文观测

参见

• 麦克斯韦方程组
• 光速
• 电磁学
• 狭义相对论