电磁波

引入

太阳光、无线电波、X 射线、微波，它们有什么共同点？

为什么电磁波不需要介质，而声音需要？

为什么化学分析几乎都离不开电磁波？

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。如果两者交替产生、相互维持，就能在空间中自我传播——这就是电磁波。1888 年赫兹用实验证实了它的存在。

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。它不需要介质，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：

$$v=\frac{c}{n}$$

其中 $n$ 是折射率。

电磁波谱

区域	波长范围	化学应用
无线电波	$>1\mathrm{m}$	核磁共振原理（射频区）
微波	$1\mathrm{mm}$–$1\mathrm{m}$	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。

能量与强度

能量密度：

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

坡印廷矢量描述能量的传播方向和速率：

$$\vec{S}=\frac{1}{{\mu }_0}\vec{E}\times \vec{B}$$

光强（单位面积的平均功率）与电场振幅的平方成正比：

$$I=\frac{1}{2}{ϵ}_{0}c{E}_0^2$$

这就是“光强正比于振幅平方”的来源。

不同频段的相互作用

频段	与物质相互作用	结果
无线电波	翻转核自旋	NMR
微波	驱动分子转动	微波谱、微波炉加热
红外	激发分子振动	红外光谱
可见光/紫外	激发电子跃迁	电子光谱
X 射线	与内层电子作用	X 射线衍射
$\gamma$ 射线	与原子核作用	核反应、辐射防护

频率越高，光子能量越大，越容易引发高能过程。

常见的电磁波现象

现象	解释
无线电通信	低频电磁波可穿透建筑、绕过障碍
微波炉加热	微波频率接近水分子转动频率
红外热成像	物体温度越高，红外辐射越强
紫外线晒伤	高能紫外破坏分子键
X 射线透视	高能 X 射线穿透软组织

引出

电磁波的统一描述来自麦克斯韦方程组。

不同频段与物质相互作用的方式不同，这些构成了分子光谱的物理基础。

为什么电磁波在介质中速度变慢，但频率不变？