什么是電磁波？

電磁能以波的形式傳播，并涵蓋從很長的無線電波到很短的伽馬射線的廣譜范圍。人眼只能檢測到該光譜的一小部分，即可見光。無線電檢測頻譜的不同部分，而X射線機則使用另一部分。NASA的科學(xué)儀器使用整個電磁頻譜來研究地球，太陽系和更廣闊的宇宙。

調(diào)諧收音機，看電視，發(fā)送短信或在微波爐中爆米花時，您正在使用電磁能。您每天每一小時都依靠這種能量。沒有它，您所知道的世界將不存在。

是什么在保護我們

我們的太陽是整個光譜范圍的能源，它的電磁輻射不斷轟炸我們的大氣層。但是，地球的大氣層保護我們免受暴露于一系列可能對生命有害的高能波中。伽馬射線，X射線和一些紫外線正在“電離”，這意味著這些波具有很高的能量，可以將電子從原子中剔除。

暴露于這些高能波會改變原子和分子，并破壞有機物中的細胞。這些對細胞的變化有時會有所幫助，例如當(dāng)使用輻射殺死癌細胞時，而有時則不是，例如當(dāng)我們被曬傷時。

大氣窗戶

超越大氣層的視線-RHESSI等NASA航天器為科學(xué)家提供了獨特的優(yōu)勢，幫助他們“看見”處于被地球保護性大氣層阻擋的較高能量的波長。

電磁輻射主要被地球大氣中的幾種氣體反射或吸收，其中最重要的是水蒸氣，二氧化碳和臭氧。一些輻射（例如可見光）在很大程度上穿過（傳輸）了大氣。

具有可以穿過大氣的波長的光譜的這些區(qū)域被稱為“大氣窗口”。有些微波甚至可以穿過云層，這使它們成為傳輸衛(wèi)星通信信號的最佳波長。

電磁波的解剖

衡量工作能力的能量有多種形式，可以從一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。

蓄能或勢能的例子包括電池和大壩后面的水，運動對象是動能的示例。帶電粒子（例如電子和質(zhì)子）在移動時會產(chǎn)生電磁場，這些場傳輸?shù)哪芰糠Q為電磁輻射或光。

什么是電磁波和機械波？

機械波和電磁波是在我們周圍的世界中傳輸能量的兩種重要方式。水波和空氣聲波是機械波的兩個示例。

機械波是由物質(zhì)（無論是固體，氣體，液體還是等離子）的擾動或振動引起的。波傳播通過的物質(zhì)稱為媒介。

水波是由液體的振動形成的，聲波是由氣體（空氣）的振動形成的。這些機械波通過使分子相互碰撞而在介質(zhì)中傳播，就像下降的多米諾骨牌將能量從一個傳遞到另一個一樣。聲波不能在真空中傳播，因為沒有介質(zhì)可以傳播這些機械波。

經(jīng)典波在不將物質(zhì)傳輸通過介質(zhì)的情況下傳輸能量。池塘中的波浪不會將水分子從一個地方帶到另一個地方。而是波的能量在水中傳播，將水分子留在原處，就像臭蟲在水中的漣漪上跳動一樣。

電磁波

當(dāng)氣球在頭發(fā)的頭上摩擦?xí)r，會產(chǎn)生靜電電荷，使它們的各個頭發(fā)互相排斥。

電可以是靜態(tài)的，例如可以使頭發(fā)直立的能量。磁性也可以是靜態(tài)的，就像在冰箱的磁鐵中一樣。變化的磁場將感應(yīng)變化的電場，反之亦然-兩者相互關(guān)聯(lián)。

這些變化的場形成電磁波，電磁波與機械波的不同之處在于，它們不需要介質(zhì)即可傳播。這意味著電磁波不僅可以傳播通過空氣和固體材料，而且還可以傳播通過空間的真空。

在1860年代和1870年代，一位名叫James Clerk Maxwell的蘇格蘭科學(xué)家開發(fā)了一種解釋電磁波的科學(xué)理論。他注意到電場和磁場可以耦合在一起形成電磁波，他將電和磁之間的這種關(guān)系總結(jié)為現(xiàn)在稱為“麥克斯韋方程組”的內(nèi)容。

德國物理學(xué)家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）將麥克斯韋的理論應(yīng)用到無線電波的產(chǎn)生和接收中。為了紀(jì)念海因里希·赫茲（Heinrich Hertz），將無線電波的頻率單位（每秒一個周期）命名為赫茲。

他的無線電波實驗解決了兩個問題。首先，他以具體的方式證明了麥克斯韋只是理論上的結(jié)論-無線電波的速度等于光的速度，這證明無線電波是光的一種形式。其次，赫茲發(fā)現(xiàn)了如何使電場和磁場與電線分離，并隨著麥克斯韋波（電磁波）自由移動。

是波浪還是顆粒？

光由稱為光子的離散能量包構(gòu)成。光子帶有動量，沒有質(zhì)量，并且以光速傳播。所有光都具有類粒子和類波特性，儀器如何設(shè)計以感測光影響觀察到這些屬性中的哪一個，將光衍射到光譜中進行分析的儀器就是觀察光的波狀特性的一個例子。數(shù)碼相機中使用的檢測器觀察到了光的粒子狀性質(zhì)，單個光子釋放出用于檢測和存儲圖像數(shù)據(jù)的電子。

極化

光的物理特性之一是它可以被偏振，極化是電磁場取向的量度。在上圖中，電場（紅色）是垂直極化的。

想一想在柵欄上扔飛盤，在一個方向，它將通過，在另一個方向，它將被拒絕。這類似于太陽鏡如何通過吸收光的偏振部分來消除眩光。

描述電磁能

術(shù)語光，電磁波和輻射均指相同的物理現(xiàn)象：電磁能。

該能量可以用頻率，波長或能量來描述。所有這三個在數(shù)學(xué)上都是相關(guān)的，因此，如果您知道一個，就可以計算另外兩個。無線電和微波通常用頻率（赫茲），紅外和可見光的波長（米）來描述，X射線和伽馬射線的能量（電子伏特）來描述。這是一種科學(xué)慣例，可以方便地使用數(shù)量既不太大也不不太小的單位。

頻率

一秒鐘內(nèi)通過給定點的波峰數(shù)量被描述為波的頻率。在海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）確定無線電波的存在之后，每秒一波或一個周期的頻率稱為赫茲（Hz）。具有兩個周期且在一秒內(nèi)通過一個點的波的頻率為2 Hz。

波長

電磁波具有類似于海浪的波峰和波谷。波峰之間的距離是波長。最短的波長只是原子大小的幾分之一，而科學(xué)家目前研究的最長的波長可能大于我們星球的直徑！

能源

電磁波也可以根據(jù)其能量來描述-以稱為電子伏特（eV）的測量單位為單位。電子伏特是使電子通過一個伏特電位所需的動能量。沿光譜從長波長到短波長移動，能量隨著波長的縮短而增加。考慮一個跳繩，其末端被向上和向下拉動。需要更多的能量來使繩索具有更多的波浪。

雖然我們的大氣層對于保護地球上的生命和使地球可居住是必不可少的，但是對于研究太空中的高能輻射源卻不是很有幫助。儀器必須放置在地球吸收能量的大氣上方，才能“看到”較高的能量，甚至是一些較低能量的光源，例如類星體。

文章整理自NAS科學(xué)介紹