Xem mã nguồn của Bức xạ điện từ

{{chú thích trong bài}}
 
{{1000 bài cơ bản}}
[[Tập tin:Onde electromagnetique.svg|nhỏ|520x520px|Mô tả sự lan truyền sóng điện từ [[Sin|hình sin]], phân cực phẳng (tuyến tính) theo chiều dương trên trục '''z''' trong không gian 3 chiều, qua môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không phân tán, như [[chân không]]. Thành phần [[điện trường]] (biểu diễn bằng các mũi tên màu xanh) dao động trên trục '''x''' còn thành phần [[từ trường]] (các mũi tên màu đỏ) dao động vuông góc, cùng pha với nó trên trục '''y'''. Có thể thấy sóng điện từ là một sóng ngang.]]
{{Điện từ học|cTopic=Điện động}}
'''Bức xạ điện từ''' (hay '''sóng điện từ''') là sự kết hợp ([[Tích vectơ|nhân vector]]) của [[dao động]] [[điện trường]] và [[từ trường]] [[vuông góc]] với nhau, lan truyền trong không gian như [[chuyển động sóng|sóng]]. Sóng điện từ cũng bị [[Lượng tử hóa (vật lý)|lượng tử hoá]] thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là [[photon]].

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo [[năng lượng]], [[động lượng]] và [[thông tin]]. Sóng điện từ với [[bước sóng]] nằm trong khoảng 380 [[nanômét|nm]] và 760 nm có thể được quan sát bằng [[mắt]] [[loài người|người]] và gọi là [[ánh sáng]]. Môn [[vật lý học|vật lý]] nghiên cứu sóng điện từ là [[điện từ học cổ điển|điện động lực học]], một chuyên ngành của [[điện từ học]].

Nhà toán học người Scotland là [[James Clerk Maxwell]] (1831-1879) đã mở rộng các công trình của [[Michael Faraday]] và nhận thấy rằng chính mối liên hệ khăng khít giữa điện và từ làm loại sóng này có thể tồn tại. Những tính toán của ông chứng tỏ rằng sóng điện từ có thể truyền với vận tốc ánh sáng và điều này khiến cho ông ngờ rằng chính ánh sáng cũng là một loại sóng điện từ. Năm 1888, [[Heinrich Hertz]] đã dùng điện phát ra các sóng có tính chất giống như ánh sáng và do đó đã xác nhận những ý tưởng của Faraday và Maxwell.

Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ, do dao động nhiệt của các phân tử hay nguyên tử hoặc các hạt cấu tạo nên chúng, với năng lượng bức xạ và phân bố cường độ bức xạ theo tần số phụ thuộc vào ở [[nhiệt độ]] của vật thể, gần giống [[bức xạ vật đen]]. Sự bức xạ này lấy đi [[nhiệt năng]] của vật thể. Các vật thể cũng có thể hấp thụ bức xạ phát ra từ vật thể khác; và quá trình phát ra và hấp thụ bức xạ là một trong các quá trình [[trao đổi nhiệt]].

== Phân loại ==
{{chính|Phổ điện từ}}
Sóng điện từ được phân loại theo [[bước sóng]], từ dài đến ngắn:

{| class=wikitable 
|+ Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng<ref>{{chú thích sách|ref=Haynes|editor=Haynes, William M.|year=2011|title= CRC Handbook of Chemistry and Physics |url=https://archive.org/details/crchandbookofche0000unse_e9l0|edition=92nd|publisher= CRC Press|isbn=1-4398-5511-0|page=10.233}}</ref>
! Tên || [[Bước sóng]] ||[[Tần số]] (Hz) || Năng lượng [[photon]] ([[electronvolt|eV]])
|-
| Radio hay [[sóng vô tuyến]]||1&nbsp;mét - 100000&nbsp;km|| 300&nbsp;MHz - 3&nbsp;Hz ||12.4 [[Phemtô|f]]eV - 1.24 meV
|- 
| [[Vi ba]] || 1&nbsp;mm - 1 mét || 300&nbsp;GHz - 300&nbsp;MHz ||1.7 eV - 1.24 meV
|- 
| [[Tia hồng ngoại]] || 760&nbsp;nm - 1&nbsp;mm || 430 THz - 300&nbsp;GHz || 1.24 meV - 1.7 eV 
|-
| [[Ánh sáng|Ánh sáng nhìn thấy]] || 380&nbsp;nm - 760&nbsp;nm || 790 THz - 430 THz || 1.7 eV - 3.3 eV 
|-
| [[Tử ngoại|Tia tử ngoại]] || 10&nbsp;nm - 380&nbsp;nm || 30 PHz - 790 THz || 3.3 eV - 124 eV 
|- 
| [[Tia X]] || 0,01&nbsp;nm - 10&nbsp;nm || 30 EHz - 30 PHz || 124 eV - 124 keV 
|-
| [[Tia gamma]] || ≤ 0,01&nbsp;nm || ≥ 30 EHz || 124 keV - 300+ GeV 
|}

== Tính chất ==

* Trong sóng điện từ thì dao động của điện trường và của từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với nhau.
* Sóng điện từ tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ.
* Sóng điện từ tuân theo các quy luật giao thoa, nhiễu xạ.
* Trong quá trình lan truyền sóng điện từ mang theo năng lượng.<ref name=":0">Bộ Giáo Dục Đào tạo Việt Nam, ''Vật lý 12'', Bài 22: Sóng điện từ</ref>

=== Vận tốc trong chân không ===
Trong [[chân không]], các [[thí nghiệm]] đã chứng tỏ các bức xạ điện từ đi với [[vận tốc]] không thay đổi, thường được ký hiệu là ''c''=299.792.458 [[mét|m]]/[[giây|s]], thậm chí không phụ thuộc vào [[hệ quy chiếu]]. Hiện tượng này đã thay đổi nhiều quan điểm về [[cơ học cổ điển]] của [[Isaac Newton]] và thúc đẩy [[Albert Einstein]] tìm ra [[thuyết tương đối|lý thuyết tương đối]].
=== Sóng ngang ===
Sóng điện từ là [[sóng ngang]], [[nghĩa]] là nó là sự [[lan truyền]] của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cụ thể là [[cường độ điện trường]] và [[từ trường|cường độ từ trường]]) của các phần tử mà hướng dao động [[vuông góc]] với hướng lan truyền sóng.<ref name=":0" />

Như nhiều sóng ngang, sóng điện từ có hiện tượng [[phân cực]].

=== Năng lượng ===
[[Năng lượng]] của một hạt [[photon]] có [[bước sóng]] λ là ''hc''/λ, với ''h'' là [[hằng số Planck]] và ''c'' là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.

=== Tương tác với vật chất ===
Trong tương tác với các [[nguyên tử]], [[phân tử]] và các [[hạt cơ bản]], các tính chất sóng điện từ phụ thuộc ít nhiều vào bước sóng (hay năng lượng của các photon). Dưới đây là một vài ví dụ. Xin xem chi tiết thêm ở các trang dành cho các loại sóng điện từ riêng.

==== Radio ====
Radio có ít tương tác với vật chất vì năng lượng của photon nhỏ. Nó có thể đi vượt qua khoảng cách dài mà không mất năng lượng cho tương tác, do vậy được sử dụng để truyền thông tin, như trong kỹ thuật [[radio|truyền thanh]].

Khi thu nạp radio bằng [[ăng-ten]], người ta tận dụng tương tác giữa [[điện trường]] của sóng với các vật [[dẫn điện]]. Các [[dòng điện]] sẽ dao động qua lại trong vật dẫn điện dưới ảnh hưởng của dao động điện trong sóng radio.

==== Vi sóng ====
[[Tần số]] dao động của vi sóng trùng với [[tần số cộng hưởng]] của nhiều [[phân tử]] [[hữu cơ (định hướng)|hữu cơ]] có trong [[sinh vật]] và trong [[thực phẩm|thức ăn]]. Do vậy vi sóng bị hấp thụ mạnh bởi các phân tử hữu cơ và làm chúng nóng lên khi năng lượng sóng được chuyển sang năng lượng nhiệt của các phân tử. Tính chất này được sử dụng để làm [[lò vi ba|lò vi sóng]].

Điều này cũng nói lên rằng sử dụng thiết bị hay [[lò vi ba|lò vi sóng]] thì cần đứng xa vùng có tác động của sóng lúc phát sóng, cỡ 1 m trở lên, vì các màn chắn không chắn hết được sóng.<ref>Kitchen, R. (2001). RF and Microwave Radiation Safety Handbook. Newnes. p. 60. ISBN 9780750643559.</ref> Vi sóng dư tác động lên mô của ta theo hai mức độ:<ref>Shckorbatov YG, Pasiuga VN, Kolchigin NN, Grabina VA, Batrakov DO, Kalashnikov VV, Ivanchenko DD, Bykov VN (2009): The influence of differently polarised microwave radiation on chromatin in human cells. International Journal of Radiation Biology 85 (4), p. 322–329</ref>
* Mức nhẹ là làm biến tính một số phân tử [[protein]] trong [[tế bào]], tức là gây sai lệch một chút cấu trúc phân tử, nó không "chết" và vẫn tham gia được vào hoạt động sống của tế bào. Nếu sai lệch này xảy ra trong phân tử [[DNA]] là nơi chứa [[mã di truyền]], thì gọi là [[biến dị]], và quá trình [[phân bào]] sau đó sẽ cho ra loạt các [[tế bào]] lỗi di truyền. Khi đó nếu hệ [[bạch huyết]] không đủ mạnh để loại bỏ được những [[tế bào]] lỗi này thì chúng phát triển thành [[ung thư]].
* Mức nặng là biến tính mạnh, phân tử không còn tham dự được vào hoạt động sống. Nếu lượng phân tử bị biến tính lớn thì tế bào chết.

Khi có nhiều tế bào chết thì được gọi là "''[[bỏng vi sóng]]''"<ref>Fleck H (1983). Microwave oven burn. Bull N Y Acad Med 59 (3), p. 313–7. PMC 1911632. PMID 6573221.</ref>. Số tế bào chết nằm xen với tế bào sống, và giảm dần từ mặt da vào đến ''[[Hiệu ứng bề mặt|bề dày da]]'', của sóng 2450&nbsp;MHz là đến 17&nbsp;mm. Hiện tượng này có thể xảy ra khi đặt laptop làm việc lên đùi, do quá gần vi sóng dư do laptop phát ra<ref>[http://www.thanhnien.com.vn/suc-khoe/can-trong-khi-dat-laptop-len-dui-152435.html Cẩn trọng khi đặt laptop lên đùi]. Thanh Niên Online, 08/10/2010. Truy cập 11/11/2015.</ref>. Tổn thương vi sóng không hiện ra thành vùng rõ như bỏng nhiệt truyền thống, và nhiều người không nhận ra. Thông thường thì [[bạch cầu]] dọn được các tế bào chết, nhưng việc dọn các [[tế bào]] lỗi [[di truyền]] thì tùy thuộc vào khả năng của hệ thống [[bạch huyết]] của từng cá thể, để lại nguy cơ phát sinh [[ung thư]].

==== Ánh sáng ====
Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các [[tế bào]] cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có ba loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người, cảm nhận 3 vùng [[phổ học|quang phổ]] khác nhau (tức ba [[màu sắc]] khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ ba loại tế bào này tạo nên những phổ màu sắc phong phú. Để tạo ra hình ảnh màu trên [[thiết bị hiển thị|màn hình]], người ta cũng sử dụng ba loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người.

== Sóng vô tuyến ==
Những sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài km được dùng trong thông tin vô tuyến nên gọi là các sóng vô tuyến. Người ta chia sóng vô tuyến thành: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài.<ref name=":0" />

== Lý thuyết ==

[[Phương trình Maxwell|Lý thuyết điện từ]] của [[James Clerk Maxwell]] đã giải thích sự xuất hiện của sóng điện từ như sau. Mọi [[điện tích]] khi thay đổi [[vận tốc]] (tăng tốc hay giảm tốc), hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ. Khi từ trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ [[phương trình Maxwell]], các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng.

Biểu diễn toán học về [[từ trường]] và [[điện trường]] sinh ra từ một nguồn biến đổi chứa thêm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một [[thời gian]] chậm hơn so với tại nguồn. Đó chính là mô tả toán học của bức xạ điện từ. Tuy trong các phương trình Maxwell, bức xạ điện từ hoàn toàn có tính chất sóng, đặc trưng bởi [[vận tốc]], [[bước sóng]] (hoặc [[tần số]]), nhưng nó cũng có tính chất hạt, theo [[cơ học lượng tử|thuyết lượng tử]], với năng lượng liên hệ với bước sóng như đã trình bày ở mục các tính chất.
=== Phương trình Maxwell ===
Có thể chứng minh dao động điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng bằng các [[phương trình Maxwell]].

Xét trường hợp [[điện trường]] và/hoặc [[từ trường]] biến đổi trong [[chân không]] và không có [[dòng điện]] hay [[điện tích]] tự do trong không gian đang xét; 4 phương trình Maxwell rút gọn thành:

:<math>\nabla \cdot \mathbf{E} = 0  \qquad \qquad \qquad \ \ (1)</math>
:<math>\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial}{\partial t} \mathbf{B}  \qquad \qquad (2)</math>
:<math>\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \qquad \qquad \qquad \ \ (3)</math>
:<math>\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} \mathbf{E}  \qquad \ \ \ (4)</math>

Nghiệm tầm thường của hệ phương trình trên là:
:<math>\mathbf{E}=\mathbf{B}=\mathbf{0}</math>,

Để tìm nghiệm không tầm thường, có thể sử dụng [[đẳng thức giải tích véc tơ]]:

:<math>\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{A} \right) = \nabla \left(\nabla \cdot \mathbf{A} \right) - \nabla^2 \mathbf{A}</math>

Bằng cách lấy [[rôta]] hai vế của phương trình (2):

:<math>\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) \qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (5) \,</math>

Rồi đơn giản hóa vế trái (tận dụng phương trình (1) trong quá trình đơn giản hóa):

:<math> \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla\left(\nabla \cdot \mathbf{E} \right) - \nabla^2 \mathbf{E} =  - \nabla^2 \mathbf{E} \qquad \quad \ (6) \,</math>

Và đơn giản hóa vế phải (tận dụng phương trình (4) trong quá trình đơn giản hóa):

:<math>\nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) = -\frac{\partial}{\partial t} \left(\nabla \times \mathbf{B} \right) = -\mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial^2 t} \mathbf{E} \qquad (7)</math>

Cân bằng 2 vế (6) và (7) để thu được [[phương trình vi phân]] cho [[điện trường]]:

:{|cellpadding="2" style="border:2px solid #ccccff"
|<math>\nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial t^2} \mathbf{E}</math>
|}

Có thể thực hiện các biến đổi tương tự như trên để thu được phương trình vi phân với [[từ trường]]:

:{|cellpadding="2" style="border:2px solid #ccccff"
|<math>\nabla^2 \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial t^2} \mathbf{B}</math>.
|}

Hai phương trình vi phân trên chính là các [[phương trình sóng]], dạng tổng quát:

:<math>\nabla^2 f = \frac{1}{{c_0}^2} \frac{\partial^2 f}{\partial t^2} \,</math>
với ''c''<sub>0</sub> là tốc độ lan truyền của sóng và ''f'' miêu tả cường độ dao động của sóng theo thời gian và vị trí trong không gian. Trong trường hợp của các phương trình sóng liên quan đến điện trường và từ trường nêu trên, ta thấy nghiệm của phương trình thể hiện điện trường và từ trường sẽ biến đổi trong [[không gian]] và [[thời gian]] như những [[chuyển động sóng|sóng]], với tốc độ:

:<math>c_0 = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}</math>

Đây chính là [[tốc độ ánh sáng|tốc độ ánh sáng trong chân không]]. Nghiệm của phương trình sóng cho điện trường là:

:<math>\mathbf{E} = \mathbf{E}_0 f\left(\hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right)</math>

Với '''E'''<sub>0</sub> là một hằng số véc tơ đóng vai trò như biên độ của dao động điện trường, ''f'' là hàm [[khả vi]] bậc hai bất kỳ, <math> \hat{\mathbf{k}}</math> là véc tơ đơn vị theo phương lan truyền của sóng, và '''x''' là tọa độ của điểm đang xét. Tuy nghiệm này thỏa mãn phương trình sóng, để thỏa mãn tất cả các phương trình Maxwell, cần có thêm ràng buộc:

:<math>\nabla \cdot \mathbf{E} = \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{E}_0 f'\left(\hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right) = 0</math>
:<math>\mathbf{E} \cdot \hat{\mathbf{k}} = 0 \qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (8) \,</math>

:<math>\nabla \times \mathbf{E} = \hat{\mathbf{k}} \times \mathbf{E}_0 f'\left(\hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right) = -\frac{\partial}{\partial t} \mathbf{B}</math>
:<math>\mathbf{B} = \frac{1}{c_0} \hat{\mathbf{k}} \times \mathbf{E} \qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (9) \,</math>
[[Tập tin:Onde electromagnetique.svg|nhỏ|350px|phải|Một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ lan truyền theo phương ''z'', gọi là sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ dao động theo phương ''y'', '''E''' = (0, ''A''<sub>''y''</sub>sin[k(z-c<sub>0</sub>t)], 0), còn từ trường chỉ dao động điều hòa theo phương ''x'', '''B''' = (0, ''A''<sub>''x''</sub>sin[k(z-c<sub>0</sub>t)], 0) = (0, [''A''<sub>''y''</sub>/''c'']sin[k(z-c<sub>0</sub>t)], 0).]]
(8) suy ra điện trường phải luôn [[vuông góc]] với hướng lan truyền của sóng và (9) cho thấy từ trường thì vuông góc với cả điện trường và hướng lan truyền; đồng thời '''E'''<sub>0</sub> = ''c''<sub>0</sub> '''B'''<sub>0</sub>. Nghiệm này của phương trình Maxwell chính là '''sóng điện từ phẳng'''.
=== Năng lượng và xung lượng ===
Mật độ năng lượng của [[trường điện từ]] nói chung:
:''u'' = ('''E'''.'''D''' + '''B'''.'''H''')/2
Trong chân không:
:''u'' = (ε<sub>0</sub>|'''E'''|<sup>2</sup> + μ<sub>0</sub>|'''H'''|<sup>2</sup>)/2
Với sóng điện từ phẳng tuân thủ phương trình (9) nêu trên, ta thấy năng lượng điện đúng bằng năng lượng từ, và:
:''u'' = ε<sub>0</sub>|'''E'''|<sup>2</sup> = μ<sub>0</sub>|'''H'''|<sup>2</sup>

== Xem thêm ==
* [[Phương trình truyền xạ]]
* [[Phổ điện từ]]
* [[Nguy hiểm của sóng điện từ]]
* [[Ánh sáng]]

==Tham khảo==
{{tham khảo}}
== Liên kết ngoài ==
{{thể loại Commons|Electromagnetic spectrum}}
* {{Britannica|183228|Electromagnetic radiation (physics)}}
* {{TĐBKVN|29834|Bức xạ}}
{{Bức xạ}}
{{Lực cơ bản}}
{{Thanh chủ đề|Vật lý|Thiên văn học|Y học|Hóa học|Thực vật|Sao}}
{{Kiểm soát tính nhất quán}}

[[Thể loại:Sóng điện từ| ]]
[[Thể loại:Điện từ học]]
[[Thể loại:Sóng ngang]]
[[Thể loại:Thuật ngữ thiên văn học]]
[[Thể loại:Trao đổi nhiệt]]
[[Thể loại:Bài cơ bản dài trung bình]]
[[Thể loại:Bức xạ]]