전자기 복사

전자기 복사는 전하의 가속 운동에 의해 발생한다. 맥스웰 방정식에 따르면 전기장의 변화는 자기장을 생성하고, 이 자기장의 변화는 다시 전기장을 유도한다. 이러한 상호 유도 과정이 반복되면서 전하나 전류가 없는 진공 상태에서도 스스로 전파되는 파동이 형성된다. 진공에서의 맥스웰 방정식은 다음과 같다.

이 식에서 전기장($\mathbf{E}$)과 자기장($\mathbf{B}$)은 서로 대칭적으로 맞물려 있으며, 전파 방향은 전기장과 자기장의 방향에 각각 수직이다.

전자기 복사는 파동과 입자의 성질을 모두 나타낸다.

• 파동적 성질: 간섭, 회절, 편광 현상을 통해 확인된다. 빛의 굴절과 반사, 분산 등도 파동 이론으로 설명 가능하다.
• 입자적 성질: 광전효과, 콤프턴 산란, 쌍생성 등을 통해 확인된다. 이때 전자기 복사는 '광자'라고 불리는 에너지의 불연속적인 묶음으로 간주된다.

진동수가 매우 높은 영역으로 갈수록 전자기파의 에너지가 물질과 유사한 특성을 띠게 되어 파동과 입자의 구별이 모호해진다.

자기장에 의해 경로가 휘어지는 비상대론적 가속 전하 입자가 방출하는 전자기파를 사이클로트론 복사라 한다. 입자에 작용하는 로런츠 힘이 자기력선 주위를 나선형으로 돌게 하며 가속을 유발하고, 그 결과 복사가 방출된다.

단위 시간당 방출되는 에너지(방출일률)는 다음과 같이 계산된다.

$- \frac{dE}{dt} = \frac{\sigma_t B^2 v^2}{c \mu_0}$

여기서 $B$는 자기장 세기, $v$는 자기장에 수직인 속도, $\sigma_t$는 톰슨 단면적이다. 이 현상은 성간 매질이나 블랙홀 주변의 플라스마 연구에서 중요한 정보원이 된다.

전자기 복사가 물질과 만날 때 일부는 반사되고 일부는 굴절되어 투과한다. 물질의 종류와 전자기파의 진동수에 따라 굴절률이 달라지며, 이로 인해 백색광이 프리즘을 통과할 때 무지개색으로 나뉘는 분산 현상이 일어난다. 또한 전자기 복사의 에너지는 전파 방향과 평행한 다른 힘이나 장에 의해 감소될 수 있다.