전자기 복사

전자 기파

복사 에너지의 방출과 전달을 의미하기도 한다.

스코틀랜드의 물리학자 제임스 클럭 맥스웰이 전자기파의 존재를 처음으로 예견했다(맥스웰). 그는 1864년 여러가지 다른 형태의 복사 에너지를 포함하여 빛은 파동의 형태를 가지는 전자기적 교란이라는 가설하에 전자기 이론을 세웠다. 1887년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 인공적으로 전자기파를 만들고 이 전자기파의 성질을 연구함으로써 이 이론을 실험적으로 뒷받침했다(헤르츠). 계속된 연구를 통해 복사 에너지의 성질과 기원을 보다 폭넓게 이해하게 되었다.

시간에 따라서 변하는 전기장은 자기장을 유도하고, 같은 방법으로 자기장은 전기장을 유도한다는 사실이 입증되었다.

전기장과 자기장이 서로를 만들어낼 수 있기 때문에 이 2개의 장은 같이 발생하며 전자기파로 같이 전파된다. 전자기파는 횡파(橫派)이며 전기장과 자기장은 항상 파의 진행 방향뿐만 아니라 서로에게 수직이다. 자유공간(물질이 전혀 존재하지 않으며 다른 장이나 힘에 의해 방해받지 않는 공간)에서 전자기파는 관찰자의 속도와 광원에 관계없이 항상 일정한 속도(빛의 속도：299,792,458m/s)로 전파된다(전하). 전자기복사는 다른 형태의 파동과 마찬가지로 반사·굴절·회절·간섭과 같은 성질을 가지며, 파장이나 그것이 시간에 따라 변하는 진동수로 특성화될 수 있다.

또한 전자기복사는 파동성뿐만 아니라 입자성도 가진다. 전자기복사는 양자화되어 있어, 주어진 진동수 ν에서 전자기복사의 에너지는 hν의 정수배이다. 여기서 h는 플랑크 상수로 알려진 자연의 기본 상수이다. 전자기복사의 양자를 광자라고 한다. 가시광선과 다른 형태의 전자기복사는 광자의 흐름으로 생각할 수 있고 광자 에너지는 진동수에 직접 비례한다.

전자기 스펙트럼에서 볼 수 있는 것처럼 전자기복사는 대단히 넓은 범위의 진동수 또는 파장을 가진다(그림). 일반적으로 전자기복사는 진동수의 증가에 따라 장·파·입자로 나타낸다.

그림에서 각각에 대응되는 전자기복사의 파장과 진동수는 서로 반비례하며 진동수와 파장의 눈금은 로그 값이다. 서로 다른 진동수를 가지는 전자기복사는 물질과의 상호작용이 서로 다르다. 진공은 빛을 완전히 통과시키는 유일한 매질이며, 모든 매질은 전자기 스펙트럼의 어떤 영역을 강하게 흡수한다. 예를 들면 대기 중에 존재하는 산소 분자(O₂), 오존(O₃), 질소 분자(N₂)는 모든 진동수의 적외선을 거의 완전히 통과시키나 자외선·X선·감마선은 강하게 흡수한다.

X선의 진동수는 가시광선의 진동수보다 매우 높으며, 따라서 빛을 통과시키지 않는 많은 물질을 뚫고 지나갈 수 있다. 또한 한 분자가 X선을 흡수하면 화학반응이 일어난다. 예를 들어 기체가 X선을 흡수하면 기체에서 양전자가 방출되고 그 분자는 이온화된다.

만약 이와 같은 과정이 생체 조직에서 일어난다면, 유기분자에서 방출된 광전자는 조직 세포를 파괴하게 된다. 진동수가 X선보다 다소 높은 감마선은 기본적으로 X선과 같은 성질을 가진다. 물질이 감마선을 흡수하면 X선을 흡수한 경우에 나타나는 변화와 구별할 수 없을 정도의 효과가 나타난다.

전자기복사를 만들어내는 광원으로는 자연적인 것과 인공적인 것 등 그 수가 대단히 많다.

예를 들어 전파는 펄서·준항성체와 같은 우주 천체와 전자회로가 만들어낸다. 자외선복사를 만들어내는 광원에는 수은등과 태양 같은 강한 빛이 있다. 태양은 X선도 방출하며 입자가속기와 전자 장치 중에도 X선을 방출하는 것이 있다.