电磁波：从历史到理论的全面解析

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电磁波：从历史到理论的全面解析

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电磁波是现代物理学中的一个核心概念，它不仅解释了光的本质，还揭示了无线电波、X射线等不同频率电磁辐射的统一性。本文将从电磁波的基本定义出发，通过其发展历史、基本理论（包括麦克斯韦方程组、电磁波方程的推导、能量与动量流、反射与折射等）等多个维度，全面解析这一重要物理现象。

电磁波是电磁场随时间变化产生的波，它可以由带电粒子在加速运动的过程中发射变化的电磁场通过电磁波辐射能量和动量，电磁辐射会对发出电磁波的粒子产生辐射反作用。

在真空中，电磁波以光速（通常用C表示）传播（光是电磁波），在介质中电磁波的波速与介质的介电常数和磁导率有关，但不会超过真空中的光速，电磁波频谱由频率或波长来表征。按照频率从小到大排序，电磁波主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线。可见光波长范围大概在400-700nm之间。

在量子力学中，电磁波可以看作传递相互作用的光子。

发展历史

19世纪初，人们发现了可见光以外的电磁辐射。1800年，德裔英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）发现了红外辐射。赫歇尔用棱镜折射太阳光时发现，对应光谱红色以外的位置温度会升高，他推断太阳光中存在一些不可见的“热射线”，这些热射线后来被称为红外线4。

1801年，德国物理学家约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）发现了紫外线。他注意到，太阳光谱中紫色一侧光谱之外的位置的不可见射线比紫光更快地使氯化银试剂变暗，他将其称为“化学射线”。后来这种射线被称为紫外线56。里特的实验是摄影术的先驱。

1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁场方程组9。通过麦克斯韦方程组可以解出真空中电磁波的方程，并得到电磁波波速是常数“光速”的结论。因此，麦克斯韦推断可见光以及光谱中不可见部分都是电磁波。在1887年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）首次制造了比可见光频率低得多的电磁波，并开发了检测这些波的方法。这些电磁波被分为无线电波和微波7。

1895年11月8日，威廉·伦琴（Wilhelm Rontgen）在对真空管施加高压时，他注意到附近的一块镀膜玻璃板上出现了荧光。在之后的实验中，他发现这种实验现象是由X射线导致的7。

伽玛射线是在对辐射的研究中发现的。亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）发现，在覆盖纸上的铀盐可以引起未曝光的照相版起雾。玛丽·居里（Marie Curie）发现只有某些特定的元素可以释放能量引起照相版起雾，并且镭可以释放强烈的辐射。1900年，保罗·维拉德（Paul Villard）发现了一种带中性电荷且穿透力极强的辐射，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）意识到这种辐射一定不是粒子（在那时科学界还没有认识到波粒二象性），并将其命名为伽玛射线。1910年，威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）证明了伽玛射线不是粒子。1914年，卢瑟福和爱德华·安德拉德（Edward Andrade）测量了伽玛射线的波长，发现其波长比X射线更短7。