电磁波

引入

法拉第电磁感应定律说明变化的磁场产生电场。麦克斯韦提出对称的假设：变化的电场也能产生磁场。如果电场和磁场交替产生、相互维持，就可以在空间中自我传播——这就是电磁波。

1888 年赫兹用实验证实了电磁波的存在。光就是一种特定频率的电磁波。

正文

定义

电磁波是交变电场和交变磁场相互激发、在空间中传播的电磁扰动，不需要介质，可以在真空中以光速传播。

基本性质

电磁波是横波，电场 $\vec{E}$ 和磁场 $\vec{B}$ 互相垂直，且都垂直于传播方向。

在真空中：

$$c=\frac{1}{\sqrt{{\mu }_0{ϵ}_0}}\approx 3\times 10^{8}m/s$$

在介质中传播速度 $v=c/n$，其中 $n$ 为折射率。

电磁波谱

区域	波长范围	频率范围	化学应用
无线电波	$>1\mathrm{m}$	$<300\mathrm{MHz}$	核磁共振原理（射频区）
微波	$1\mathrm{mm}$–$1\mathrm{m}$	$300\mathrm{MHz}$–$300\mathrm{GHz}$	分子转动光谱
红外	$700\mathrm{nm}$–$1\mathrm{mm}$	—	分子光谱（振动光谱）
可见光	$400$–$700\mathrm{nm}$	—	UV-Vis 光谱
紫外	$10$–$400\mathrm{nm}$	—	电子跃迁光谱
X 射线	$0.01$–$10\mathrm{nm}$	—	X射线衍射原理
$\gamma$ 射线	$<0.01\mathrm{nm}$	—	核化学（天然辐射）

所有这些都是电磁波，只是频率不同。化学中用到的几乎所有表征手段，本质上都是在与不同频段的电磁波相互作用。

电磁波的能量

电磁波的能量密度：

$$u=\frac{1}{2}\left({ϵ}_0{E}^2+\frac{B^2}{{\mu }_0}\right)$$

坡印廷矢量 $\vec{S}=\frac{1}{{\mu }_0}\vec{E}\times \vec{B}$ 描述能量的传播方向和速率。

引出

电磁波的统一描述来自麦克斯韦方程组。

不同频段的电磁波与物质相互作用的方式不同：无线电波翻转核自旋，微波驱动分子转动，红外激发分子振动，可见光/紫外激发电子跃迁，X 射线与内层电子作用，$\gamma$ 射线涉及原子核。这些构成了分子光谱的物理基础。