電磁輻射

在物理學中，電磁輻射（ EMR ）由電磁（EM）磁場的波組成，這些波浪通過太空傳播並攜帶動量和電磁輻射能。 EMR的類型包括無線電波，微波，紅外，（可見）光，紫外線， X射線和伽馬射線，所有這些都是電磁頻譜的一部分。

從經典上講，電磁輻射由電磁波組成，電磁波是電場和磁場的同步振盪。根據振蕩的頻率，產生了不同波長的電磁光譜。在真空中，電磁波以光的速度傳播，通常表示為c 。在同質的各向同性培養基中，這兩個場的振蕩平均彼此垂直，並垂直於能量和波傳播的方向，形成橫向波。電磁波在電磁光譜中的位置可以以其振盪頻率或波長為特徵。不同頻率的電磁波以不同的名稱調用，因為它們對物質具有不同的來源和影響。按照頻率增加和降低波長，這些是：無線電波，微波，紅外輻射，可見光，紫外線輻射，X射線和伽馬射線。

電磁波通過經過加速度的電動顆粒發出，這些波隨後可以與其他帶電的顆粒相互作用，從而在其上施加力。 EM波攜帶能量，動量和角動量遠離其源粒子，並可以將這些數量賦予與它們相互作用的重要性。電磁輻射與那些可以自由傳播自身的EM波（“輻射”）相關，而沒有產生它們的移動電荷的持續影響，因為它們與這些電荷有足夠的距離。因此，EMR有時被稱為遠場。用這種語言，近場是指直接產生它們的電荷和電流附近的EM場，特別是電磁誘導和靜電誘導現象。

在量子力學中，查看EMR的另一種方式是它由光子，無負荷的基本顆粒組成，其零休息質量是電磁場的量子，負責所有電磁相互作用。量子電動力學是EMR如何在原子水平上與物質相互作用的理論。量子效應提供了其他EMR的來源，例如電子在原子和黑體輻射中向較低的能級過渡。量化單個光子的能量，對於較高頻率的光子更大。這種關係由普朗克方程E = HF給出，其中E是每個光子的能量， F是光子的頻率， H是Planck常數。例如，單個伽瑪光光子可能攜帶約100,000倍的可見光光子能量。

EMR對化合物和生物生物體的影響取決於輻射的功率及其頻率。可見或較低頻率的EMR（即，可見光，紅外，微波和無線電波）稱為非電離輻射，因為其光子沒有單獨具有足夠的能量來電離原子或分子，或破壞化學鍵。這些輻射對化學系統和活組織的影響主要是由許多光子的共同能量轉移引起的。相反，高頻紫外線，X射線和伽馬射線稱為電離輻射，因為這種高頻的單個光子具有足夠的能量來電離分子或破壞化學鍵。這些輻射具有引起化學反應和損害活細胞超出其簡單加熱所導致的活細胞的能力，並且可能是一種健康危害。

物理

理論

顯示了三種不同顏色的光（藍色，綠色和紅色）的電磁波的相對波長，沿X軸的微米距離距離。

麥克斯韋方程

詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）得出了電動方程和磁性方程的波形形式，從而揭示了電場和磁場的波形性質及其對稱性。由於波方程預測的EM波的速度與測得的光速相吻合，因此麥克斯韋得出結論，光本身是EM波。海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）通過無線電波實驗證實了麥克斯韋的方程式。

近距離領域

在電磁輻射（例如來自天線的微波，此處顯示的微波）中，“輻射”術語僅適用於電磁場的各個部分，這些部分輻射到無限的空間中，並通過逆向權力定律降低強度，以便總計穿過假想球面的輻射能是相同的，無論距離天線多遠，球形表面都被繪製。因此，電磁輻射包括發射器周圍電磁場的遠場部分。靠近發射器的“近場”的一部分是變化電磁場的一部分，但不算為電磁輻射。

麥克斯韋的方程式確定，一些電荷和電流（“來源”）在它們附近產生了局部類型的電磁場，但不會輻射。電流直接產生一個磁場，但它是一種磁性偶極類型，它與距電流的距離死亡。以類似的方式，通過不斷變化的電勢（例如在天線中）將電勢推嚮導體中的移動電荷會產生電偶極型電場，但這也隨距離而下降。這些田地構成了EMR源附近的近場。這些行為都不是EM輻射的原因。取而代之的是，它們引起電磁場行為，僅將功率有效地傳輸到非常接近源的接收器，例如變壓器內部的磁感應。通常，近場對自己的源具有強大的影響，每當接收器從EM場中撤出能量時，源或發射器中的“負載”（降低了）。否則，這些字段不會自由地“傳播”到太空中，將能量帶走而沒有距離限制，而是振盪，如果接收器未收到發射器，則將其能量返回到發射器。

相比之下，EM遠場是由輻射組成的，因為（與電氣變壓器中的情況不同），發射器需要具有相同的功率來將這些變化發送到磁場中，是否信號是否為信號立即撿起。電磁場的遙遠部分是“電磁輻射”（也稱為遠場）。遠場繁殖（輻射）不允許發射器影響它們。這使它們變得獨立，因為它們的存在和能量在離開發射器後完全獨立於發射器和接收器。由於能量的保護，通過圍繞源繪製的任何球形表面的功率量都是相同的。因為這樣的表面的面積與其距離源距離的平方成正比，所以來自各向同性源的EM輻射的功率密度隨著距離源距離的反平方的逆平方而降低。這稱為反方法律。這與靠近源（近場）的EM場的偶極部分相反，該部分根據逆立方體功率定律的強度變化，因此不會在距離上傳遞保守量的能量，而是逐漸消失距離距離，其能量（如前所述）迅速返回發射器或被附近接收器吸收（例如變壓器次級線圈）。

在由於單個粒子的運動（根據麥克斯韋方程）而導致的電場和磁場的Liénard -Wiechert潛在公式中，與粒子加速相關的術語是負責該場的部分的術語。電磁輻射。相比之下，與粒子的靜態電場變化相關的術語以及由粒子均勻速度產生的磁性項，都與電磁近場相關，並且不包含EM輻射。

特性

電磁波可以被認為是電場和磁場的自發橫向振蕩波。這個3D動畫顯示了從左到右傳播的平麵線性極化波。這樣的波浪中的電場和磁場彼此相同，共同達到最小值和最大值。

電場和磁場遵守疊加的特性。因此，由於任何特定粒子或隨時間變化的電場或磁場而引起的磁場會導致由於其他原因引起的同一空間中存在的磁場。此外，由於它們是矢量場，所有磁場和電場向量都根據向量添加加在一起。例如，在光學中，兩個或多個連貫的光波可能相互作用，並且通過建設性或破壞性干擾產生與單個光波的組件輻照率總和的結果輻照度。

光的電磁場不會受到線性介質（如真空）的靜態電場或磁場的影響。但是，在非線性培養基（例如某些晶體）中，可能在光和靜態電場和磁場之間發生相互作用 - 這些相互作用包括法拉第效應和KERR效應。

在折射中，從一個介質到另一種介質的波浪在進入新介質時會改變其速度和方向。媒體折射率的比例決定了折射程度，並由Snell定律總結。複合波長（自然陽光）的光分散到通過棱鏡的可見光譜中，因為棱鏡材料的依賴性依賴性折射率（分散）；也就是說，複合燈內的每個組件波都是彎曲的。

EM輻射同時表現出波性能和粒子特性（請參見波粒對偶性）。在許多實驗中已經證實了波和粒子特性。當在相對較大的時間尺度和大距離上測量EM輻射時，波浪特性更為明顯，而在測量小時尺度和距離時，粒子特性更為明顯。例如，當電磁輻射被物質吸收時，當相關波長的立方體中的平均光子數量小於1時，粒子樣性能將更加明顯。當光吸收時的能量，但是僅此而不是“顆粒”行為的證據。相反，它反映了物質的量子性質。證明光本身被量化，不僅是其與物質的相互作用，而且是一個更微妙的事情。

一些實驗同時顯示電磁波的波和粒子出現，例如單個光子的自我干擾。當單個光子通過干涉儀發送時，它通過兩條路徑，像波浪一樣干擾自身，但僅由光電培養基或其他敏感檢測器檢測到一次。

量子電動力學理論描述了電磁輻射與物質之間相互作用的量子理論。

電磁波可以兩極分化，反射，折射，衍射或彼此干擾。

波模型

在同質的各向同性介質中，電磁輻射是橫向波，這意味著其振盪垂直於能量傳遞和行進方向。它來自以下方程：

{\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}

這些方程式鑑定，任何電磁波都必須是橫向波，其中電場

E

和磁場

B

均垂直於波傳播的方向。

電磁波中的電場的電和磁部分以固定的強度比，以滿足兩個指定一個麥克斯韋方程式，以表明一個方程是如何從另一個方程式產生的。在無耗散（無損）培養基中，這些E和B場也處於相位，並且在空間中相同的位置達到了最大值和最小值（請參閱插圖）。在由兩個無源的Maxwell curl操作員方程描述的遠場EM輻射中，一種類型的場中的時間變化與另一種場的捲曲成正比。這些衍生物要求EMR中的E和B字段是相的（請參見下面的數學部分）。光性的一個重要方面是它的頻率。波的頻率是其振盪速率，並在赫茲（Hertz ）（頻率的Si單位）中進行測量，其中一個赫茲（Hertz）等於每秒一次振盪。光通常具有多個頻率，這些頻率總和形成所得波。不同的頻率經歷不同的折射角度，這種現象稱為分散。

單色波（單個頻率的波）由連續的槽和波峰組成，兩個相鄰的波峰或槽之間的距離稱為波長。電磁頻譜的波的大小不等，從比大陸更長的長無線電波到小於原子核小的伽瑪射線。根據等式，頻率與波長成反比：

\displaystyle v=f\lambda

其中v是波的速度（在其他介質中或更小的真空中C ）， f是頻率， λ是波長。隨著波浪在不同媒體之間的交叉邊界，它們的速度會發生變化，但它們的頻率保持恆定。

自由空間中的電磁波必須是麥克斯韋電磁波方程的解決方案。已知兩種主要解決方案，即平面波和球形波。平面波可以被視為距離源很大（理想的無限）距離的球形波的限制情況。兩種類型的波都可以具有一個任意時間函數的波形（只要它足夠差異以符合波動方程）即可。與任何時間函數一樣，這可以通過傅立葉分析分解為其頻率譜或單個正弦曲線成分，每個頻率都包含單個頻率，振幅和相位。這種組分波被認為是單色的。單色電磁波的特徵是其頻率或波長，其峰值幅度，相對於某些參考階段，傳播方向和極化。

干擾是兩個或多個波的疊加，導致新的波模式。如果磁場的組件朝著相同的方向上，它們具有建設性的干擾，而相反的方向會導致破壞性干擾。 EMR引起的干擾的一個例子是電磁干擾（EMI），或者通常稱為射頻干擾（RFI）。此外，可以將多個極化信號組合（即乾涉）形成新的極化狀態，這被稱為平行極化狀態的產生。

電磁波中的能量有時稱為輻射能。

粒子模型和量子理論

19世紀後期出現了一種異常，涉及光理論與電磁光譜的測量之間的矛盾，這些光譜被稱為黑體的熱輻射器發出。多年來，物理學家一直在為這個問題而苦苦掙扎，後來被稱為紫外線災難。 1900年，麥克斯·普朗克（Max Planck）開發了一種新的黑體輻射理論，該理論解釋了觀察到的頻譜。普朗克的理論基於這樣的想法，即黑體僅將光（和其他電磁輻射）作為離散的束或能量包發出。這些數據包稱為Quanta 。 1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出將光量子視為真實顆粒。後來，將光粒子給出了名稱的光子，以與這次左右所描述的其他顆粒相對應，例如電子和質子。光子具有與其頻率f成正比的能量E

E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!

其中H是Planck常數，是波長，C是光的速度。這有時被稱為普朗克 - 因斯坦方程。因此，在量子理論（請參閱第一次量化）中，光子的能量與EMR波的頻率成正比。

同樣，光子的動量P也與其頻率成正比，並且與其波長成反比：

p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.

愛因斯坦（Einstein電流流經施加的電壓。實驗測量表明，單個噴射電子的能量與光的頻率而不是強度成正比。此外，低於一定的最小頻率，取決於特定金屬，無論強度如何，任何電流都不會流動。這些觀察結果似乎與波浪理論相矛盾，多年來，物理學家徒勞地試圖找到解釋。 1905年，愛因斯坦通過復活光理論來解釋這一難題，以解釋觀察到的效果。但是，由於有利於波浪理論的證據，愛因斯坦的思想最初在已建立的物理學家中引起了極大的懷疑。最終，愛因斯坦的解釋被接受，因為觀察到了光的新粒子樣行為，例如康普頓效應。

由於光子被原子吸收，因此它激發了原子，將電子升高到較高的能級（一個平均離核的平均值）。當激發分子或原子中的電子下降到較低的能級時，它以與能量差的頻率發出光子。由於原子中電子的能級是離散的，因此每個元素和每個分子都會發出並吸收其自身的特徵頻率。立即光子發射稱為熒光，一種光致發光。一個示例是從熒光塗料中發出的可見光，以響應紫外線（黑光）。除可見光以外的其他光譜帶中，許多其他熒光排放是已知的。延遲發射稱為磷光。

波 - 粒子二元性

解釋光的性質的現代理論包括波粒對偶性的概念。

電磁輻射的波和粒子效應

波浪和粒子效應共同解釋了EM輻射的發射和吸收光譜。光傳播的介質的物質組成決定了吸收和發射光譜的性質。這些頻段對應於原子中允許的能級。吸收光譜中的暗帶是由於源和觀察者之間的中間介質中的原子引起的。原子吸收發射器和檢測器/眼睛之間的光的某些頻率，然後在各個方向發射它們。由於輻射散佈在光束上，探測器出現了一個黑暗帶。例如，遙遠的恆星發出的光帶是由於恆星大氣中的原子。發射發生了類似的現象，當由於任何機制（包括熱）引起原子引起的發射氣體時，可以看到這種現象。當電子下降到較低的能級時，發出的頻譜代表了電子能量水平之間的跳躍，但是可以看到界線，因為刺激後僅在特定的能量下再次發射。一個例子是星雲的發射光譜。當電子遇到力區域時，快速移動的電子被最大程度地加速，因此它們負責產生自然界觀察到的最高頻率電磁輻射。

這些現象可以幫助各種化學測定，以使從後面（吸收光譜）和發光氣體（發射光譜）的氣體組成。光譜法（例如）確定哪些化學元素構成了特定恆星。光譜也用於使用紅移來測定恆星的距離。

傳播速度

當任何電線（或其他導電物體（例如天線））進行交替電流時，電磁輻射以與電流相同的頻率傳播。

作為波浪，光的特徵是速度（光速），波長和頻率。作為顆粒，光是光子流。每個都具有與普朗克關係E = HF給出的波頻率相關的能量，其中E是光子的能量， H是Planck常數，6.626×10 ^-34 J·S，F是該光的頻率，而F是海浪。

在培養基（真空除外）中，根據頻率和應用，考慮了速度因子或折射率。這兩個都是介質中速度與真空中速度的比率。

發現歷史

19世紀初期發現了除可見光的波長以外的波長的電磁輻射。紅外輻射的發現歸因於天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel），後者於1800年在倫敦皇家學會之前發表了結果。赫歇爾（Herschel）使用玻璃棱鏡從太陽中折射光，並檢測到無形的射線，通過使用溫度計記錄的溫度升高，導致了頻譜紅色部分以外的加熱。這些“熱射線”後來被稱為紅外線。

1801年，德國物理學家約翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）在類似於赫歇爾（Herschel）的實驗中發現了紫外線，使用陽光和玻璃棱鏡。里特（Ritter）指出，與附近的紫羅蘭色的光相比，三角形棱鏡散佈的太陽光譜的紫色邊緣附近的無形光線更快。 Ritter的實驗是將成為攝影的早期先驅。 Ritter指出，紫外線（起初稱為“化學射線”）能夠引起化學反應。

在1862 - 64年，詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）開發了電磁場的方程式，該方程表明，該場中的波浪將以非常接近已知的光速的速度傳播。因此，麥克斯韋提出可見光（以及通過推理的無形紅外和紫外線）都包括電磁場中的擾動（或輻射）。海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）於1887年故意產生無線電波，使用計算出的電路，該電路以比可見光低得多的頻率產生振盪，此後遵循麥克斯韋方程提出的振盪電荷和電流的食譜。赫茲還開發了檢測這些波浪的方法，並產生和表徵了後來稱為無線電波和微波的方法。

WilhelmRöntgen發現並命名為X射線。在1895年11月8日使用高電壓應用於撤離管上的高壓後，他注意到附近塗層玻璃板上有熒光。在一個月內，他發現了X射線的主要特性。

要發現的EM光譜的最後部分與放射性有關。亨利·貝克雷爾（Henri Becquerel）發現，鈾鹽通過覆蓋紙以類似於X射線的方式引起了未曝光的照相板的霧氣，瑪麗·居里（Marie Curie）發現，只有某些元素散發出了這些能量，很快就發現了鐳的強烈輻射。歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）通過1899年的簡單實驗將來自PitchBlende的輻射分化為Alpha Rays（ Alpha顆粒）和Beta射線（Beta顆粒）（ β顆粒），但事實證明這些實驗是帶電的顆粒類型的輻射類型。然而，1900年，法國科學家保羅·維拉德（Paul Villard）發現了第三次中性帶電，尤其是輻射的輻射類型，在他對其進行了描述之後，盧瑟福（Rutherford）意識到它必須是第三種輻射，1903年，盧瑟福（Rutherford）名為Gamma Rays 。 1910年，英國物理學家威廉·亨利·布拉格（ William Henry Bragg - 在X和Gamma射線之間，與伽瑪射線相比，具有更高能量（因此較短的波長）的X射線，反之亦然。射線的起源使它們區分了，伽馬射線往往是自然現象，源自原子的不穩定核和X射線的核，除非它們是由Bremsstrahlung X輻射引起的，否快速移動顆粒（例如β顆粒）的相互作用與某些材料相撞，通常具有較高的原子量。

電磁頻譜

EM輻射（名稱為“輻射”不包括靜態電和磁場以及近場）通過波長分類為無線電，微波，紅外，可見，紫外線， X射線和伽馬射線。任意電磁波可以通過正弦波（單色輻射）來表達，而傅立葉分析可以將其分類為EMR光譜的這些區域。

對於某些類別的EM波，最有用的波形被視為隨機的，然後必須通過適合隨機或隨機過程的數學技術稍有不同的數學技術來完成光譜分析。在這種情況下，單個頻率組件以其功率含量表示，並且沒有保留相位信息。這種表示稱為隨機過程的功率譜密度。例如，需要這種分析的隨機電磁輻射在恆星的內部以及某些其他非常寬帶的輻射形式（例如電磁真空的零點波場）中遇到。

EM輻射的行為及其與物質的相互作用取決於其頻率，並且隨著頻率的變化而定性地變化。較低的頻率具有較長的波長，並且較高的頻率具有較短的波長，並且與較高能量的光子有關。這些波長或能量在光譜的任一端都沒有基本的極限，儘管在普朗克能量附近具有能量的光子或超過它的光子（太高而無法觀察到）需要新的物理理論來描述。

無線電和微波爐

當無線電波撞向導體時，它們將其搭配到導體，沿著導體行駛，並通過將導電材料的電子移動以相關的電荷來誘導導體表面上的電流。由於無線電波的波長很長，因此這種效果可以涵蓋導體（例如無線電天線）的宏觀距離。

波長的電磁輻射現像從長達一米到短至一毫米不等。頻率在300 MHz（0.3 GHz）和300 GHz之間。

在無線電和微波頻率下，EMR與物質相互作用主要是大量電荷集合，這些電荷分佈在大量受影響的原子上。在電導體中，這種誘導的電荷（電流）的大量運動會導致EMR的吸收，或者是導致新EMR產生的電荷的分離（有效反射EMR）。一個例子是通過天線吸收或發射無線電波，或用電偶極矩吸收微波或其他分子，例如在微波爐內部。這些相互作用會產生電流或熱量，或兩者兼而有之。

紅外線的

像無線電和微波爐一樣，紅外線（IR）也被金屬（也是大多數EMR）反映在紫外線範圍內。但是，與低頻無線電和微波輻射不同，紅外EMR通常與單個分子中存在的偶極子相互作用，它們隨著原子在單個化學鍵的末端振動而變化。因此，它被廣泛的物質吸收，導致它們的溫度升高，因為振動會隨熱量而消散。相反的相同過程會導致大量物質自發地輻射在紅外線（請參見下面的熱輻射部分）。

紅外輻射分為光譜子區域。雖然存在不同的細分方案，但通常將頻譜分為近紅外（0.75-1.4μm），短波長紅外（1.4-3μm），中波長紅外（3-8μm），長波長度（8） –15μm）和遠紅外（15–1000μm）。

可見光

天然來源在整個光譜中產生EM輻射。人眼直接檢測到大約400 nm至700 nm的波長的EM輻射，並被視為可見光。其他波長，尤其是附近的紅外線（超過700 nm）和紫外線（較短400 nm），有時也稱為光。

隨著頻率增加到可見範圍，光子具有足夠的能量來改變某些單個分子的鍵結構。這並不是巧合在可見的範圍內發生，因為視覺機理涉及單個分子視網膜的鍵變化，該視網膜吸收了單個光子。視網膜的變化會導致其所含的視紫紅質蛋白的形狀發生變化，該蛋白質的形狀啟動了生化過程，該過程會導致人眼視網膜感知光。

出於相同的原因，在此範圍內也可能進行光合作用。單個光子激發葉綠素的單個分子。在進行光合作用的植物組織中，類胡蘿蔔素作用於可見光在稱為非光化學淬滅的過程中產生的電子激發葉綠素，以防止反應在高光水平上乾擾光合作用。

在涉及許多光子的基本熱過程中，檢測紅外的動物利用了改變溫度的小包裝。

已知紅外，微波和無線電波僅通過大量加熱損害分子和生物組織，而不是輻射的單個光子的激發。

可見光只能影響所有分子的一小部分。通常不會以永久性或破壞性的方式，而是光子會激發電子，然後在返回其原始位置時發出另一個光子。這是大多數染料產生的顏色來源。視網膜是一個例外。當吸收光子時，視網膜將永久性地改變從順式變為trans ，並需要蛋白質將其轉換回，即將其重置以再次充當光檢測器。

有限的證據表明，某些活性氧是由皮膚中的可見光產生的，並且它們在光照中可能具有與紫外線相同的方式中的作用。

紫外線

隨著頻率增加到紫外線，光子現在攜帶足夠的能量（大約三個或更多的電子伏），以將某些雙鍵合的分子激發到永久的化學重排中。在DNA中，這會造成持久的損害。 DNA還被紫外線A（UVA）產生的活性氧間接損害，該物種的能量太低而無法直接損害DNA。這就是為什麼所有波長在所有波長中都會損害DNA並能夠引起癌症的原因，並且（對於UVB ）皮膚燃燒（曬傷）比簡單加熱（溫度升高）效應所產生的要差得多。引起分子損傷與加熱效應成比例的這種特性，是所有EMR的特徵，其頻率在可見光範圍及以上。高頻EMR的這些特性是由於量子效應永久損害了分子水平的材料和組織。

在紫外線範圍的高端，光子的能量變得足夠大，可以在一個稱為光電子化的過程中散發出足夠的能量以使它們從原子中解放出來。它所需的能量總是大於大約10個電子伏特（EV），其波長對應於小於124 nm的波長（某些來源表明更現實的截止值為33 eV，這是電離水所需的能量）。在近似電離範圍內具有能量的紫外光譜的高端有時稱為“極端紫外線”。電離紫外線被地球的大氣強烈過濾。

X射線和伽瑪射線

因此，電磁輻射由攜帶最小離子能量或更多（包括較短波長的整個光譜）組成的光子組成，稱為電離輻射。（許多其他類型的電離輻射是由非EM顆粒製成的）。電磁型電離輻射從極端紫外線延伸到所有較高的頻率和較短的波長，這意味著所有X射線和伽馬射線都有資格。這些能夠造成最嚴重的分子損傷，這在生物學中可能發生在任何類型的生物分子（包括突變和癌症）中，並且通常在皮膚以下的深度處發生，因為X射線光譜的較高端，並且所有這些都可以發生。在伽馬射線頻譜中，穿透物質。

大氣和磁層

大多數紫外線和X射線首先通過分子氮的吸收而阻塞，然後從二氧化物的電子激發和紫外線中部的臭氧中的電子激發中（對於上UV中的波長）阻止。只有30％的太陽紫外線到達地面，幾乎所有這些都經過了很好的傳播。

可見光在空氣中透射良好，因為它的能量不足以激發氮，氧氣或臭氧，但太能量了，無法激發水蒸氣的分子振動頻率。

紅外線中的吸收帶是由於水蒸氣中的振動激發模式引起的。但是，在太低而無法激發水蒸氣的能量下，大氣再次變得透明，從而可以自由傳播大多數微波爐和無線電波。

最後，在超過10 m左右（約30 MHz）的無線電波長下，較低大氣中的空氣仍然與無線電保持透明，但是電離層的某些層中的血漿開始與無線電波相互作用（請參閱Skywave ）。該屬性允許反映一些更長的波長（100 m或3 MHz），並導致超出視線的短波無線電。然而，當它們的頻率小於10 MHz（波長大於約30 m）時，某些電離層效應開始阻塞傳入的放射線。

熱和電磁輻射作為熱的形式

物質的基本結構涉及結合在一起的帶電顆粒。當電磁輻射撞擊物質時，它會導致帶電的顆粒振盪並獲得能量。這種能量的最終命運取決於上下文。它可以立即重新輻射，並顯示為散射，反射或透射輻射。它可能會在物質內散佈成其他微觀運動，從而達到熱平衡，並在材料中表現為熱能，甚至動力學。還有一些與高能量光子有關（例如熒光，諧波產生，光化學反應，遠紫外線，X射線和伽馬射線的電離輻射的光伏效應），吸收的電磁輻射可以通過加熱材料來使其能量沉積其能量。這對於紅外，微波和無線電波輻射發生了。強烈的無線電波可以熱燃燒活的組織並可以煮食物。除紅外激光器外，足夠強烈的可見和紫外線激光器可以輕鬆地設置紙張。

電離輻射在材料中產生高速電子並破壞化學鍵，但是在這些電子與其他原子多次相撞後，最終大多數能量變成熱能，全部在一秒鐘的一小部分中都變成了熱能。該過程使電離輻射的每單位能量輻射比非電離輻射更危險。即使幾乎全部都沒有電離，因為紫外線會因電子激發而損害分子，但該警告也適用於紫外線，這比每單位能量遠大於加熱效應要大得多。

黑體的光譜分佈中的紅外輻射通常被認為是熱量的一種形式，因為它具有等效溫度，並且與每單位熱能的熵變化相關。但是，“熱”是物理和熱力學方面的技術術語，通常與熱能混淆。與物質相互作用時，任何類型的電磁能都可以轉化為熱能。因此，當吸收材料時，任何電磁輻射都可以“加熱”（從升高熱能溫度的意義上）。

吸收的逆或時間轉換過程是熱輻射。物質上的大部分熱能由帶電顆粒的隨機運動組成，並且該能量可以從物質上輻射出來。隨後，產生的輻射可以被另一物質吸收，沉積的能量加熱材料。

在熱平衡處的不透明腔中的電磁輻射實際上是一種具有最大輻射熵的熱能形式。

生物學效應

生物電磁學是對EM輻射對生物體的相互作用和影響的研究。電磁輻射對活細胞（包括人類）的影響取決於輻射的功率和頻率。對於低頻輻射（可見光的無線電波），最佳理解的效果是僅輻射功率引起的，當輻射吸收時通過加熱作用。對於這些熱效應，頻率很重要，因為它會影響輻射的強度並滲透到生物體中（例如，微波滲透比紅外線更好）。人們普遍認為，太弱而無法引起大量加熱的低頻場不可能具有任何生物學作用。

一些研究表明，較弱的非熱電磁場（包括弱ELF磁場，儘管後者並不嚴格為EM輻射），並且調製的RF和微波場可以具有生物學效應，儘管這尚不清楚。

世界衛生組織已將射頻電磁輻射分類為2B組- 可能是致癌的。該組包含可能的致癌物，例如鉛，滴滴涕和苯乙烯。例如，尋找手機使用與腦癌發展之間關係的流行病學研究在很大程度上尚無定論，除非證明其效果（如果存在）不能成為大型效果。

在較高的頻率（可見及以後）下，單個光子的影響開始變得重要，因為這些光子現在具有足夠的能量單獨或間接損害生物分子。世界衛生組織將所有紫外線頻率都歸類為1組致癌物。暴露於日光的紫外線是皮膚癌的主要原因。

因此，在紫外線頻率和更高（可能在可見範圍內），電磁輻射對生物系統造成的損害比簡單的加熱預測更大。這在“遠”（或“極端”）紫外線中最明顯。帶有X射線和伽馬射線的紫外線被稱為電離輻射，這是由於該輻射的光子在材料中產生離子和自由基的能力（包括活組織）。由於這種輻射會嚴重損害幾乎沒有加熱的能量水平的壽命，因此與其他電磁頻譜相比，它被認為更危險（就每單位能量或功率造成的損害產生的能量而言）。

用作武器

熱射線是EMR的應用，它利用微波頻率在皮膚上層產生不愉快的加熱效果。美國軍方開發了一種稱為主動拒絕系統的公開熱射線武器，作為一種實驗武器，拒絕敵人進入該地區。死亡射線是一種理論武器，可在能夠傷害人體組織的水平下基於電磁能提供熱射線。 Harry Grindell Matthews是死亡射線的發明者，聲稱自己是根據1920年代的微波磁控管來處理死亡射線武器時失去了視線的（正常的微波爐在烤箱內部在烤箱內部造成了組織破壞性的烹飪效果約2 kV/m）。

源自電磁理論

電磁波由電力和磁性定律預測，稱為麥克斯韋方程。均勻的麥克斯韋方程（沒有電荷或電流）有非平凡的解，描述了變化的電場和磁場的波浪。從自由空間中的麥克斯韋方程開始：

\nabla \cdot \mathbf {E} =0

()

\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}

()

\nabla \cdot \mathbf {B} =0

()

\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}

()

在哪裡

並且分別是電場（以V/M或N/C測量）和磁場（以T或WB/M2的測量）；
產生差異和捲曲的捲曲
並且是磁場和電場的部分衍生物（時間變化速率，固定位置固定的位置）；
是真空（4π×10-7 h/m）的滲透性，是真空的介電性（8.85×10-12 f/m）；

除了瑣碎的解決方案

\mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} ,

可以通過以下向量標識得出有用的解決方案，對某些向量字段中的所有向量有效：

\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .

採用第二個麥克斯韋方程（ 2 ）的捲發。

\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)

()

用上述身份評估（ 5 ）的左側，並使用（ 1 ）簡化，產量：

\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} .

()

通過交換衍生物的序列並插入第四個麥克斯韋方程（ 4 ），產量來評估（ 5 ）的右側：

\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}

()

再次組合（ 6 ）和（ 7 ）給出了電場的矢量值差分方程，以求解均勻的麥克斯韋方程：

$\nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$

採用第四個麥克斯韋方程（ 4 ）的捲曲會導致磁場求解均勻的麥克斯韋方程的類似微分方程：

$\nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}.$

兩個微分方程的形式都具有以速度傳播的一般波方程的形式，在某個位置，在某個時間的某個時間賦予了波幅度的函數：

\nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}

這也寫為：

\Box f=0

在其中表示所謂的D'Alembert操作員，在笛卡爾坐標中，它以：

\Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\

比較傳播速度的術語，在電場和磁場的情況下，產量是：

c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.

這是真空中的光速。因此，麥克斯韋的方程式通過上述方程式連接真空介電常數，真空滲透性和光速C0的速度。在麥克斯韋（Maxwell）的電動力學發展之前，威廉·愛德華·韋伯（Wilhelm Eduard Weber）和魯道夫·科爾勞斯（Rudolf Kohlrausch）已經發現了這種關係，但是麥克斯韋（Maxwell）是第一個產生與以光速傳播的波浪一致的田間理論的人。

這些僅是兩個方程，而原始四個方程式，因此更多的信息與隱藏在麥克斯韋方程中的這些波浪有關。電場的通用向量波有形式

\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}

這裡是恆定向量，是任何第二個可區分函數，是沿傳播方向的單位向量，並且是位置向量。是波動方程的通用解決方案。換句話說，

\nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},

對於朝向方向傳播的通用波。

從麥克斯韋的第一個方程式中，我們得到

\nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0

因此，

\mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0

這意味著電場與波傳播的方向是正交的。麥克斯韋方程的第二個產生磁場，即

\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 \mathbf {B} }{\partial t}}

因此，

\mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E}

通過此選擇，將滿足其餘方程。

遠場中的電場波以光速行駛。它們具有特殊的限制定向和比例大小，可以從poynting載體中立即看到。波傳播的電場，磁場和方向都是正交的，波浪沿與相同的方向傳播。同樣，在自由空間中的E和B遠場，因為波浪溶液主要取決於這兩個麥克斯韋方程，彼此之間是相同的。這是可以保證的，因為通用波解在空間和時間上都是一階，並且這些方程的一側的捲曲操作員會導致波溶液的一階空間衍生物，而在另一側的時間衍生給出另一個字段的方程式在時間上是一階，導致每個數學操作中兩個字段的相同相移。

從向前傳播的電磁波的角度來看，電場可能會上下振盪，而磁場則左右振盪。該圖像可以隨著電場的左右振盪而旋轉，磁場向下振盪。這是一個朝著相同方向行駛的不同解決方案。在傳播方向方向上的這種任意性稱為極化。在量子水平上，它被描述為光子極化。極化的方向定義為電場的方向。

上面給出的二階波動方程的更一般形式可用，可以允許非vacuum繁殖介質和來源。存在許多競爭派生，所有近似值和預期應用的水平都不同。一個非常一般的示例是電場方程的形式，將其分解為一對明確的定向波方程，然後通過簡單的慢速進化近似，將其有效地減小為單個單向波方程。