الإشعاع الكهرومغناطيسي

تشير معادلات ماكسويل وحلولها ( معادلات بانوفسكي-فيليبس ) إلى أن أحد مكونات المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي له سعة تتناقص عكسيًا مع المسافة بين المصدر والمراقب (1/r)، مما يسمح برصده على مسافات كبيرة. ^{[ 7 ]} وتكون هذه المكونات متعامدة مع اتجاه انتشار الإشعاع ( n ).

يمتلك المرء${\displaystyle \mathbf {E} \perp \mathbf {B} \perp \mathbf {n} }$، حيث يرتبط كل من E و B بالعلاقة التالية: $${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {\mathbf {n} \times \mathbf {E} }{c}}}$$ لاحظ أيضًا أن هذه المجالات تنتشر عبر الفضاء بسرعة الضوء ، أي بسرعة 299,792,458  م/ث.

ينتج الإشعاع الكهرومغناطيسي عن تسارع الجسيمات المشحونة، ويمكن أن ينبعث طبيعيًا، ^{[ 8 ] [ 9 ]} كما هو الحال من الشمس والأجرام السماوية الأخرى، أو يُولّد صناعيًا لتطبيقات متنوعة. تُسمى الطاقة الموجودة في الموجات الكهرومغناطيسية أحيانًا بالطاقة الإشعاعية . ^{[ 10 ] [ 11 ]} لا تحتاج طاقة الموجات الكهرومغناطيسية إلى وسط ناقل لتنتقل عبر الفضاء؛ فهي تنتقل عبر الفراغ بسرعة الضوء. ^{[ 12 ]}

تخضع المجالات الكهربائية والمغناطيسية لخاصية التراكب . وبالتالي، يُساهم المجال الناتج عن أي جسيم معين أو مجال كهربائي أو مغناطيسي متغير مع الزمن في المجالات الموجودة في نفس المكان نتيجة لأسباب أخرى. علاوة على ذلك، ولأنها مجالات متجهة ، فإن جميع متجهات المجالين المغناطيسي والكهربائي تتجمع وفقًا لقانون جمع المتجهات . ^{[ 13 ]} على سبيل المثال، في علم البصريات، قد تتفاعل موجتان ضوئيتان متماسكتان أو أكثر، ومن خلال التداخل البنّاء أو الهدّام ، ينتج عنهما إشعاع محصل يختلف عن مجموع الإشعاعات المكونة للموجات الضوئية الفردية. ^{[ 14 ]} لا تتأثر المجالات الكهرومغناطيسية للضوء بالمرور عبر مجالات كهربائية أو مغناطيسية ساكنة في وسط خطي كالفراغ. مع ذلك، في الأوساط غير الخطية، مثل بعض البلورات ، يمكن أن تحدث تفاعلات بين الضوء والمجالات الكهربائية والمغناطيسية الساكنة، وتشمل هذه التفاعلات تأثير فاراداي وتأثير كير . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

في الانكسار ، تتغير سرعة واتجاه الموجة عند انتقالها من وسط إلى آخر ذي كثافة مختلفة . وتحدد نسبة معاملات انكسار الوسطين درجة الانكسار، ويلخصها قانون سنيل . يتشتت الضوء ذو الأطوال الموجية المركبة (ضوء الشمس الطبيعي) إلى طيف مرئي عند مروره عبر منشور، وذلك بسبب اعتماد معامل انكسار مادة المنشور على الطول الموجي ( التشتت )؛ أي أن كل موجة مكونة للضوء المركب تنحني بمقدار مختلف. ^{[ 17 ]}

يُظهر الإشعاع الكهرومغناطيسي خصائص موجية وجسيمية في آنٍ واحد (وهي ظاهرة تُعرف بازدواجية الموجة والجسيم ). وقد تأكدت هذه الخصائص الموجية والجسيمية في العديد من التجارب. وتكون الخصائص الموجية أكثر وضوحًا عند قياس الإشعاع الكهرومغناطيسي على مدى فترات زمنية طويلة نسبيًا ومسافات كبيرة، بينما تكون الخصائص الجسيمية أكثر وضوحًا عند قياس فترات زمنية ومسافات قصيرة. على سبيل المثال، عندما تمتص المادة الإشعاع الكهرومغناطيسي، تصبح الخصائص الشبيهة بالجسيمات أكثر وضوحًا عندما يكون متوسط ​​عدد الفوتونات في مكعب الطول الموجي ذي الصلة أصغر بكثير من 1. ليس من الصعب ملاحظة التوزيع غير المنتظم للطاقة عند امتصاص الضوء تجريبيًا، إلا أن هذا وحده لا يُعد دليلًا على سلوك "جسيمي". بل يعكس الطبيعة الكمومية للمادة . [ ^{18 ] وتصف} نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية نظرية كمومية للتفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة، مثل الإلكترونات .

يمكن أن تكون الموجات الكهرومغناطيسية مستقطبة ، أو منعكسة، أو منكسرة، أو محيدة ، ويمكن أن تتداخل فيما بينها. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} تُظهر بعض التجارب الطبيعة الموجية والجسيمية للموجات الكهرومغناطيسية، مثل التداخل الذاتي لفوتون واحد . [ ^{22 ] عندما} يُرسل ضوء منخفض الشدة عبر مقياس التداخل، فإنه يُكتشف بواسطة مضاعف ضوئي أو كاشف حساس آخر على طول ذراع واحد فقط من الجهاز، وهو ما يتوافق مع خصائص الجسيمات، ومع ذلك فإن التأثير التراكمي للعديد من عمليات الكشف هذه سيكون تداخلًا يتوافق مع خصائص الموجات.

في الأوساط المتجانسة والمتناحية، يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي موجة مستعرضة ، ^{[ 23 ]} مما يعني أن تذبذباته عمودية على اتجاه انتقال الطاقة وحركتها. وينتج ذلك من المعادلات التالية :$${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{محاذاة}}}$$تنص هذه المعادلات على أن أي موجة كهرومغناطيسية يجب أن تكون موجة مستعرضة، حيث يكون كل من المجال الكهربائي E والمجال المغناطيسي B عموديين على اتجاه انتشار الموجة. ويتناسب الجزءان الكهربائي والمغناطيسي من المجال في الموجة الكهرومغناطيسية بنسبة ثابتة لتحقيق معادلتي ماكسويل اللتين تحددان كيفية اشتقاق أحدهما من الآخر. في الأوساط عديمة التبديد (الخالية من الفقد)، يكون هذان المجالان E و B متوافقين في الطور، حيث يصل كلاهما إلى قيم عظمى وصغرى عند نفس النقاط في الفضاء.

في الإشعاع الكهرومغناطيسي البعيد ، الذي يُوصف بمعادلتي ماكسويل الدورانيتين الخاليتين من المصادر ، يتناسب التغير الزمني في أحد نوعي المجال مع دوران المجال الآخر. وتتطلب هذه المشتقات أن يكون المجالين الكهربائي والمغناطيسي في الإشعاع الكهرومغناطيسي متوافقين في الطور.يُعدّ التردد جانبًا مهمًا من طبيعة الضوء . تردد الموجة هو معدل تذبذبها، ويُقاس بالهرتز ، وهي وحدة التردد في النظام الدولي للوحدات ، حيث يساوي الهرتز الواحد تذبذبًا واحدًا في الثانية. عادةً ما يمتلك الضوء ترددات متعددة تتجمع لتكوين الموجة الناتجة. وتخضع الترددات المختلفة لزوايا انكسار مختلفة، وهي ظاهرة تُعرف بالتشتت .

تتكون الموجة أحادية اللون (موجة ذات تردد واحد) من قيعان وقمم متتالية، وتُسمى المسافة بين قمتين أو قاعين متجاورين بالطول الموجي . تتفاوت موجات الطيف الكهرومغناطيسي في الحجم، من موجات الراديو الطويلة جدًا التي يزيد طولها عن طول قارة إلى أشعة غاما القصيرة جدًا التي يقل حجمها عن حجم نواة الذرة. يتناسب التردد عكسيًا مع الطول الموجي، وفقًا للمعادلة: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

حيث v هي سرعة الموجة ( c في الفراغ أو أقل في الأوساط الأخرى)، و f هو التردد، و λ هو الطول الموجي. عندما تعبر الموجات الحدود بين الأوساط المختلفة، تتغير سرعاتها بينما تبقى تردداتها ثابتة.

يجب أن تكون الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر حلولاً لمعادلة ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية . يُعرف نوعان رئيسيان من الحلول، وهما الموجات المستوية والموجات الكروية. يمكن اعتبار الموجات المستوية حالةً حديةً للموجات الكروية عند مسافة كبيرة جدًا (مثاليًا لا نهائية) من المصدر. يمكن أن يكون لكلا النوعين من الموجات شكل موجي دالة زمنية اختيارية (طالما أنها قابلة للتفاضل بدرجة كافية لتتوافق مع معادلة الموجة). وكما هو الحال مع أي دالة زمنية، يمكن تحليل هذه الدالة باستخدام تحليل فورييه إلى طيف ترددها ، أو إلى مكونات جيبية منفردة، يحتوي كل منها على تردد وسعة وطور واحد. يُقال إن هذه الموجة المكونة أحادية اللون .

التداخل هو تراكب موجتين أو أكثر ينتج عنه نمط موجي جديد. إذا كانت للمجالات مركبات في نفس الاتجاه، فإنها تتداخل تداخلاً بناءً، بينما تؤدي الاتجاهات المتعاكسة إلى تداخل هدام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج إشارات استقطاب متعددة (أي تداخلها) لتشكيل حالات استقطاب جديدة، وهو ما يُعرف بتوليد حالة الاستقطاب المتوازي. ^{[ 25 ]}

استنتج جيمس كلارك ماكسويل الصيغة الموجية للمعادلات الكهربائية والمغناطيسية ، كاشفًا بذلك عن الطبيعة الموجية للمجالين الكهربائي والمغناطيسي وتناظرهما . ولأن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية المتوقعة من المعادلة الموجية تطابقت مع سرعة الضوء المقاسة ، استنتج ماكسويل أن الضوء نفسه موجة كهرومغناطيسية. ^{[ 26 ] [ 27 ]} وقد أكد هاينريش هيرتز صحة معادلات ماكسويل من خلال تجارب أجراها على الموجات الراديوية. ^{[ 28 ]} من بين المعادلات الأربع، قام ماكسويل بتحسين معادلتين هما قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي وقانون أمبير الدائري ، الذي وسّعه بإضافة حد تيار الإزاحة إلى المعادلات بنفسه. اعتقد ماكسويل أن تيار الإزاحة، الذي اعتبره حركة الشحنات المقيدة، هو ما يُولّد المجال المغناطيسي. ^{[ 29 ]} أما المعادلتان الأخريان فهما قانون جاوس وقانون جاوس للمغناطيسية .

أثبتت معادلات ماكسويل أن بعض الشحنات والتيارات ( المصادر ) تُنتج مجالات كهرومغناطيسية محلية بالقرب منها لا تُشعّ. تُنتج التيارات مباشرةً مجالات مغناطيسية من نوع ثنائي القطب المغناطيسي تتلاشى مع ازدياد المسافة عن التيار. وبالمثل، تُنتج الشحنات المتحركة التي تتباعد في موصل بفعل تغير الجهد الكهربائي (كما في الهوائي) مجالًا كهربائيًا من نوع ثنائي القطب الكهربائي ، ولكنه يتلاشى أيضًا مع ازدياد المسافة. تُشكّل هذه المجالات المجال القريب . لا يُعزى الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى أي من هذين السلوكين. بل ينقلان الطاقة بكفاءة إلى مستقبل قريب جدًا من المصدر، كما هو الحال داخل المحول . يؤثر المجال القريب تأثيرًا قويًا على مصدره، حيث يؤدي أي امتصاص للطاقة من قِبل المستقبل إلى زيادة الحمل (انخفاض المفاعلة الكهربائية ) على المصدر. لا ينتشر المجال القريب بحرية في الفضاء، حاملًا الطاقة بعيدًا دون حد للمسافة، بل يتذبذب، ويعيد طاقته إلى المرسل إذا لم يمتصها المستقبل. ^{[ 30 ]}

على النقيض من ذلك، يتكون المجال البعيد من إشعاع مستقل عن جهاز الإرسال، بمعنى أن جهاز الإرسال يحتاج إلى نفس القدرة لإرسال التغييرات في المجال بغض النظر عما إذا كان هناك أي شيء يمتص الإشارة، على سبيل المثال، لا تحتاج محطة الراديو إلى زيادة قدرتها عندما يستخدم المزيد من أجهزة الاستقبال الإشارة. هذا الجزء البعيد من المجال الكهرومغناطيسي هو الإشعاع الكهرومغناطيسي. تنتشر المجالات البعيدة (تشع) دون أن يؤثر عليها جهاز الإرسال. وهذا يجعلها مستقلة بمعنى أن وجودها وطاقتها، بعد مغادرتها جهاز الإرسال، مستقلان تمامًا عن كل من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. وبسبب قانون حفظ الطاقة ، فإن مقدار القدرة التي تمر عبر أي سطح مغلق مرسوم حول المصدر يكون متساويًا. تتناقص كثافة قدرة الإشعاع الكهرومغناطيسي من مصدر متناحٍ مع مربع المسافة من المصدر؛ وهذا ما يسمى قانون التربيع العكسي . تتغير شدة المجال الناتجة عن أجزاء ثنائية القطب من المجال القريب وفقًا لقانون التكعيب العكسي، ^{[ 31 ]} وبالتالي تتلاشى مع المسافة.

يُوضَّح الفرق بين المجال القريب والمجال المُشعّ من خلال معادلات بانوفسكي-فيليبس ، التي تُعطي التعبير العام للمجالين الكهربائي والمغناطيسي الناتجين عن توزيع عشوائي للشحنات والتيارات. يمكن تقسيم حدود معادلات بانوفسكي-فيليبس إلى فئتين: حدود "المجال القريب" لها${\displaystyle 1/r^{2}}$تعتمد هذه الحدود على مصادرها، وتكون ذات أهمية فقط في محيطها المباشر. أما حدود "المجال البعيد" فلها...${\displaystyle 1/r}$بسبب اعتمادها. ونظرًا لانخفاضها البطيء مع المسافة، فإنها تهيمن كلما ابتعدنا عن مصادرها.

$// {n} \right)\mathbf {n} +\left(\left[\mathbf {J} \right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} }{c\,r^{2}}}}\mathbin {\color {red}{+}} {\color {red}{\frac {\left(\left[{\dot {\mathbf {J}) }}\right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} }{c^{2}r}}}\right)\,dV'}$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\,\displaystyle \iiint \left({\color {green}{\frac {\left[\mathbf {J} \right]\times \mathbf {n} }{c^{2}r^{2}}}}\mathbin {\color {red}{+}} {\color {أحمر} {\ frac {\left [{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} }{c^{3}r}}}\right)\,dV'}$

• باللون الأخضر توجد المجالات القريبة (التي تتلاشى بمعدل 1/r²) .
• باللون الأحمر تظهر الحقول المشعة (التي تتلاشى بنسبة 1/r) .

في منطقة المجال البعيد، يمكن إهمال المجالات القريبة وتختزل تعبيرات المجالات المنبعثة إلى: ^{[ 32 ] [ 33 ]}

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}c^{2}}}\,\displaystyle \iiint \left({\frac {\left(\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} \right)\times \mathbf {n} {r}}\يمين)\,dV'}$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}\,\displaystyle \iiint \left({\frac {\left[{\dot {\mathbf {J} }}\right]\times \mathbf {n} }{r}}\right)\,dV'}$

في صياغة جهد ليينارد-ويشرت للحقول الكهربائية والمغناطيسية الناتجة عن حركة جسيم منفرد (وفقًا لمعادلات ماكسويل)، فإن الحدود المرتبطة بتسارع الجسيم هي المسؤولة عن جزء الحقل الذي يُعتبر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا. في المقابل، يرتبط كل من الحد المرتبط بتغير المجال الكهربائي الساكن للجسيم والحد المغناطيسي الناتج عن سرعة الجسيم المنتظمة بالمجال القريب، ولا يشملان الإشعاع الكهرومغناطيسي. ^{[ 34 ]}

ظهرت ظاهرة شاذة في أواخر القرن التاسع عشر تمثلت في تناقض بين النظرية الموجية للضوء وقياسات الأطياف الكهرومغناطيسية المنبعثة من مشعات حرارية تُعرف بالأجسام السوداء . عانى الفيزيائيون لسنوات عديدة دون جدوى من حل هذه المشكلة، والتي عُرفت لاحقًا باسم كارثة الأشعة فوق البنفسجية . في عام 1900، وضع ماكس بلانك نظرية جديدة لإشعاع الجسم الأسود تُفسر الطيف المرصود. استندت نظرية بلانك إلى فكرة أن الأجسام السوداء تُصدر الضوء (وغيره من الإشعاعات الكهرومغناطيسية) فقط على شكل حزم أو رُزم منفصلة من الطاقة. سُميت هذه الرُزم بالكمات . في عام 1905، اقترح ألبرت أينشتاين اعتبار كمات الضوء جسيمات حقيقية. لاحقًا، أُطلق على جسيم الضوء اسم الفوتون ، ليتوافق مع الجسيمات الأخرى التي وُصفت في ذلك الوقت، مثل الإلكترون والبروتون . يمتلك الفوتون طاقة، E ، تتناسب مع تردده، f ، وفقًا للمعادلة التالية :

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

حيث h هو ثابت بلانك ،${\displaystyle \lambda }$يمثل λ الطول الموجي و c سرعة الضوء . يُعرف هذا أحيانًا بمعادلة بلانك-أينشتاين . ^{[ 35 ]} في نظرية الكم (انظر التكميم الأول )، تتناسب طاقة الفوتونات طرديًا مع تردد الموجة الكهرومغناطيسية. ^{[ 36 ]} وبالمثل، فإن زخم الفوتون p يتناسب طرديًا مع تردده وعكسيًا مع طوله الموجي.

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

كان مصدر اقتراح أينشتاين بأن الضوء يتكون من جسيمات (أو يمكن أن يتصرف كجسيمات في بعض الظروف) شذوذًا تجريبيًا لم تفسره نظرية الموجة: التأثير الكهروضوئي ، حيث يؤدي سقوط الضوء على سطح معدني إلى انبعاث إلكترونات من السطح، مما يتسبب في تدفق تيار كهربائي عبر جهد كهربائي مطبق . أظهرت القياسات التجريبية أن طاقة الإلكترونات المنبعثة تتناسب طرديًا مع تردد الضوء ، وليس شدته . علاوة على ذلك، عند تردد أدنى معين، يعتمد على نوع المعدن، لا يتدفق أي تيار بغض النظر عن شدة الضوء. بدت هذه الملاحظات متناقضة مع نظرية الموجة، ولسنوات حاول الفيزيائيون إيجاد تفسير لها. في عام 1905، فسر أينشتاين هذه الظاهرة بإحياء نظرية الجسيمات للضوء. مع ذلك، ونظرًا لغلبة الأدلة المؤيدة لنظرية الموجة، قوبلت أفكار أينشتاين في البداية بتشكيك كبير بين الفيزيائيين الراسخين. في النهاية تم قبول تفسير أينشتاين حيث لوحظ سلوك جديد يشبه الجسيمات للضوء، مثل تأثير كومبتون . ^{[ 37 ] [ 38 ]}

عندما يمتصّ الذرة فوتونًا ، فإنه يُثيرها ، رافعًا إلكترونًا إلى مستوى طاقة أعلى (أبعد في المتوسط ​​عن النواة). وعندما يهبط إلكترون في جزيء أو ذرة مُثارة إلى مستوى طاقة أدنى، فإنه يُصدر فوتونًا ضوئيًا بتردد يُناسب فرق الطاقة. ولأن مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات منفصلة، ​​فإن كل عنصر وكل جزيء يُصدر ويمتص تردداته المميزة. يُسمى انبعاث الفوتونات الفوري بالتألق ، وهو نوع من أنواع التلألؤ الضوئي . ومن الأمثلة على ذلك الضوء المرئي المنبعث من الدهانات الفلورية، استجابةً للأشعة فوق البنفسجية ( الضوء الأسود ). وهناك العديد من انبعاثات التألق الأخرى المعروفة في نطاقات طيفية أخرى غير الضوء المرئي. أما الانبعاث المتأخر فيُسمى بالفسفرة . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

تُحكم ميكانيكا الكم أيضًا ظاهرة الانبعاث ، التي تُلاحظ عندما يتوهج غاز مُشع نتيجة إثارة ذراته بأي آلية، بما في ذلك الحرارة. عندما تهبط الإلكترونات إلى مستويات طاقة أدنى، ينبعث طيف يُمثل القفزات بين مستويات طاقة الإلكترونات، ولكن تُرى خطوط طيفية لأن الانبعاث يحدث فقط عند طاقات مُحددة بعد الإثارة. ^{[ 41 ]} ومن الأمثلة على ذلك طيف انبعاث السدم . ^{[ 42 ]} تتسارع الإلكترونات سريعة الحركة بشكلٍ حاد عند اصطدامها بمنطقة قوة، لذا فهي مسؤولة عن إنتاج جزء كبير من الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي التردد المُلاحظ في الطبيعة. يُمكن استخدام هذه الظواهر للكشف عن تركيب الغازات المُضاءة من الخلف ( أطياف الامتصاص ) والغازات المُتوهجة ( أطياف الانبعاث ). يُحدد التحليل الطيفي (على سبيل المثال) العناصر الكيميائية التي يتكون منها نجم مُعين. يُمكن استخدام الانزياحات في تردد الخطوط الطيفية لعنصر ما، والتي تُسمى الانزياح الأحمر ، لتحديد المسافة الكونية للنجم . ^{[ 43 ] : 181}

تتضمن النظرية الحديثة التي تفسر طبيعة الضوء مفهوم ازدواجية الموجة والجسيم. تقوم هذه النظرية على فكرة أن كل جسيم كمومي يمكن أن يُظهر سلوكًا موجيًا أو جسيميًا، وذلك تبعًا للملاحظة. وقد أدت الملاحظة إلى انهيار دالة الموجة لهذا الجسيم . فإذا استندت النظرية إلى تفسير كوبنهاغن ، فإن الملاحظة تُؤدي بالفعل إلى انهيار دالة الموجة؛ أما في تفسير الأكوان المتعددة ، فإن جميع النتائج المحتملة للانهيار تحدث في أكوان متوازية ؛ وفي نظرية الموجة الدليلية ، يُحدد سلوك الجسيم ببساطة بواسطة الموجات. وقد لوحظت طبيعة الازدواجية للفوتون الحقيقي في تجربة الشق المزدوج .

تُفسر تأثيرات الموجات والجسيمات معًا أطياف الانبعاث والامتصاص للإشعاع الكهرومغناطيسي تفسيرًا كاملًا. ويُحدد تركيب المادة في الوسط الذي ينتقل عبره الضوء طبيعة طيف الامتصاص والانبعاث. وتتوافق هذه النطاقات مع مستويات الطاقة المسموح بها في الذرات. أما النطاقات الداكنة في طيف الامتصاص فتُعزى إلى الذرات الموجودة في الوسط الفاصل بين المصدر والمراقب. تمتص الذرات ترددات معينة من الضوء بين الباعث والكاشف/العين، ثم تُعيد إشعاعها في جميع الاتجاهات. ويظهر نطاق داكن للكاشف نتيجةً للإشعاع المُشتت خارج حزمة الضوء . فعلى سبيل المثال، تُعزى النطاقات الداكنة في الضوء المنبعث من نجم بعيد إلى الذرات الموجودة في غلافه الجوي.

في الفضاء الفارغ (الفراغ)، ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسي بسرعة الضوء .${\displaystyle c}$تبلغ سرعته 299,792,458 متراً في الثانية (حوالي 186,000 ميل في الثانية). وفي وسط غير الفراغ، يتحرك بسرعة أقل.${\displaystyle v}$، ويُعطى بواسطة معامل لا بُعدي يتراوح بين 0 و1، وهو خاصية مميزة للوسط تُسمى عامل السرعة${\displaystyle {\mathit {VF}}}$أو مقلوبه، معامل الانكسار${\displaystyle n}$:

${\displaystyle v={\mathit {VF}}\cdot c={c \over n}}$.

يعود السبب في ذلك إلى أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي للموجة في المادة يتباطآن نتيجة استقطابهما للجسيمات المشحونة في الوسط الذي يمران به. ^{[ 44 ] : 401} يتسبب المجال الكهربائي المتذبذب في تحرك الشحنات الموجبة والسالبة المجاورة في الذرات بشكل طفيف، مما يؤدي إلى تباعدها وتقاربها، مُحدثًا استقطابًا متذبذبًا ، وبالتالي إنشاء مجال استقطاب كهربائي. كما يُحرك المجال المغناطيسي المتذبذب ثنائيات الأقطاب المغناطيسية المجاورة، مُحدثًا مغنطة متذبذبة ، وبالتالي إنشاء مجال مغناطيسي متذبذب مُستحث. هذه المجالات المُستحثة، المُتراكبة على مجالات الموجة الأصلية، تُبطئ الموجة ( نظرية إيوالد-أوسين للانطفاء ). يعتمد مقدار التباطؤ على الخصائص الكهرومغناطيسية للوسط، أي السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية . في النظام الدولي للوحدات (SI) ، تبلغ سماحية الفراغ 100 ميكرومتر.${\displaystyle \epsilon _{\text{0}}=}$8.854×10 ⁻¹² فاراد /متر ونفاذية فراغية قدرها${\displaystyle \mu _{\text{0}}=}$1.257× ^10⁻⁶ هنري/ متر. تحدد هذه الثوابت الكونية سرعة الضوء في الفراغ:

${\displaystyle c={1 \over {\sqrt {\epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}}}$

في وسط متجانس الخواص وخطي، مما يعني أن الاستقطاب الكهربائي يتناسب مع المجال الكهربائي${\displaystyle \mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} }$والمغنطة تتناسب طردياً مع المجال المغناطيسي${\displaystyle \mathbf {H} ={1 \over \mu }\mathbf {B} }$سرعة الأمواج،${\displaystyle {\mathit {VF}}}$ويتم تحديد معامل الانكسار بواسطة معيارين فقط: السماحية الكهربائية${\displaystyle \epsilon }$من الوسط بوحدة فاراد لكل متر، والنفاذية المغناطيسية للوسط${\displaystyle \mu }$بالهنري للمتر ^{[ 44 ] : 401}

${\displaystyle v={1 \over {\sqrt {\epsilon \mu }}}}$

${\displaystyle n={1 \over {\mathit {VF}}}=c{\sqrt {\epsilon \mu }}={\sqrt {\epsilon \mu \over \epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}}$

إذا كانت سماحية ونفاذية الوسط ثابتة لموجات كهرومغناطيسية ذات ترددات مختلفة، يُطلق على هذا الوسط اسم الوسط غير المشتت . ^{[ 44 ] : 417-418.} في هذه الحالة، تنتقل جميع ترددات الموجات الكهرومغناطيسية بنفس السرعة، ويبقى شكل الموجة ثابتًا أثناء انتقالها. مع ذلك، في المادة الحقيقية${\displaystyle \epsilon }$و${\displaystyle \mu }$تتغير خصائصها عادةً بتغير التردد، وهذا ما يُسمى بالوسط المشتت . في الأوساط المشتتة، تتميز النطاقات الطيفية المختلفة بخصائص انتشار مختلفة، ويتغير شكل الموجة أثناء انتقالها عبر هذا الوسط.

تُعرف ظواهر الإشعاع الكهرومغناطيسي ذات الأطوال الموجية التي تتراوح بين متر واحد ومليمتر واحد باسم الموجات الميكروية، بترددات تتراوح بين 300  ميجاهرتز (0.3  جيجاهرتز) و300  جيجاهرتز. عندما تصطدم موجات الراديو بموصل ، فإنها تتفاعل معه، وتنتقل عبره، وتُحدث تيارًا كهربائيًا على سطحه عن طريق تحريك إلكترونات المادة الموصلة في حزم مترابطة من الشحنات. عند ترددات الراديو والموجات الميكروية، يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة بشكل أساسي كمجموعة كبيرة من الشحنات المنتشرة على عدد كبير من الذرات المتأثرة. في الموصلات الكهربائية ، تؤدي هذه الحركة الجماعية للشحنات ( التيارات الكهربائية ) إلى امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو إلى انفصال الشحنات مما يُسبب توليد إشعاع كهرومغناطيسي جديد (انعكاس فعال للإشعاع الكهرومغناطيسي). ومن الأمثلة على ذلك امتصاص أو انبعاث موجات الراديو بواسطة الهوائيات، أو امتصاص الموجات الميكروية بواسطة الماء أو جزيئات أخرى ذات عزم ثنائي قطب كهربائي ، كما هو الحال داخل فرن الميكروويف . تُنتج هذه التفاعلات إما تيارات كهربائية أو حرارة، أو كليهما.

كما هو الحال مع موجات الراديو والميكروويف، تنعكس الأشعة تحت الحمراء (IR) بواسطة المعادن (وكذلك معظم الإشعاعات الكهرومغناطيسية، حتى في نطاق الأشعة فوق البنفسجية). مع ذلك، وعلى عكس إشعاعات الراديو والميكروويف منخفضة التردد، تتفاعل الأشعة تحت الحمراء الكهرومغناطيسية عادةً مع ثنائيات الأقطاب الموجودة في الجزيئات المفردة، والتي تتغير مع اهتزاز الذرات عند نهايات الرابطة الكيميائية. ونتيجةً لذلك، تمتصها مجموعة واسعة من المواد، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها مع تبدد الاهتزازات على شكل حرارة. وتؤدي العملية نفسها، عند عكسها، إلى إشعاع المواد الصلبة للأشعة تحت الحمراء تلقائيًا (انظر قسم الإشعاع الحراري أدناه).

ينقسم الإشعاع تحت الأحمر إلى نطاقات طيفية فرعية. ورغم وجود مخططات تقسيم فرعية مختلفة، ^{[ 50 ] [ 51 ]} يُقسم الطيف عادةً إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (0.75-1.4  ميكرومتر)، والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (1.4-3  ميكرومتر)، والأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (3-8  ميكرومتر)، والأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (8-15  ميكرومتر)، والأشعة تحت الحمراء البعيدة (15-1000  ميكرومتر). ^{[ 52 ]}

تمتلك بعض الحيوانات، مثل الثعابين ، أغشية حساسة للحرارة (أعضاء الحفر) يمكنها اكتشاف اختلافات درجات الحرارة، مما يسمح لها باستشعار الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 53 ]}

تُنتج المصادر الطبيعية إشعاعًا كهرومغناطيسيًا عبر الطيف. ويُمكن للعين البشرية رصد الإشعاع الكهرومغناطيسي ذي الطول الموجي بين 400 نانومتر و700 نانومتر تقريبًا ، ويُدرك كضوء مرئي. كما يُشار أحيانًا إلى أطوال موجية أخرى، وخاصة الأشعة تحت الحمراء القريبة (أطول من 700 نانومتر) والأشعة فوق البنفسجية (أقصر من 400 نانومتر)، على أنها ضوء.   

مع ازدياد الترددات في نطاق الضوء المرئي، تمتلك الفوتونات طاقة كافية لتغيير بنية الروابط في بعض الجزيئات. وليس من قبيل المصادفة أن يحدث هذا في نطاق الضوء المرئي، إذ تتضمن آلية الرؤية تغييرًا في روابط جزيء واحد، هو الريتينال ، الذي يمتص فوتونًا واحدًا. ويؤدي هذا التغيير في الريتينال إلى تغيير في شكل بروتين الرودوبسين الذي يحتويه، مما يبدأ العملية الكيميائية الحيوية التي تجعل شبكية العين البشرية تستشعر الضوء.

لا يؤثر الضوء المرئي إلا على نسبة ضئيلة من الجزيئات. وعادةً لا يكون هذا التأثير دائمًا أو ضارًا، بل يُثير الفوتون إلكترونًا يُطلق فوتونًا آخر عند عودته إلى موضعه الأصلي. وهذا هو مصدر اللون الذي تُنتجه معظم الأصباغ. أما الريتينال فهو استثناء. فعند امتصاص الفوتون، يتغير تركيب الريتينال بشكل دائم من الشكل الهندسي cis إلى الشكل الهندسي trans ، ويحتاج إلى بروتين لإعادته إلى حالته الأصلية، أي لإعادة ضبطه ليعمل ككاشف ضوئي مرة أخرى.

تصبح عملية التمثيل الضوئي ممكنة في هذا النطاق أيضًا، وللسبب نفسه. إذ تُثار جزيئة واحدة من الكلوروفيل بواسطة فوتون واحد. وفي الأنسجة النباتية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، تعمل الكاروتينات على إخماد الكلوروفيل المُثار إلكترونيًا الناتج عن الضوء المرئي في عملية تُسمى الإخماد غير الضوئي ، وذلك لمنع التفاعلات التي قد تتداخل مع عملية التمثيل الضوئي عند مستويات الإضاءة العالية.

تشير أدلة محدودة إلى أن بعض أنواع الأكسجين التفاعلية تتكون بفعل الضوء المرئي في الجلد، وأن هذه الأنواع قد يكون لها دور في الشيخوخة الضوئية ، بنفس طريقة الأشعة فوق البنفسجية أ . ^{[ 54 ]}

من المعروف أن الأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة وموجات الراديو لا تتلف الجزيئات والأنسجة البيولوجية إلا عن طريق التسخين الجماعي، وليس عن طريق الإثارة من فوتونات مفردة من الإشعاع.

مع ازدياد التردد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، تحمل الفوتونات طاقة كافية (حوالي ثلاثة إلكترون فولت أو أكثر) لإثارة جزيئات معينة ذات روابط ثنائية، مما يؤدي إلى إعادة ترتيب كيميائي دائم. في الحمض النووي (DNA )، يُسبب هذا ضررًا دائمًا. كما يتضرر الحمض النووي بشكل غير مباشر بفعل أنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية من النوع أ (UVA)، والتي تتميز بطاقة منخفضة جدًا بحيث لا تُلحق ضررًا مباشرًا بالحمض النووي. لهذا السبب، يمكن للأشعة فوق البنفسجية بجميع أطوال موجاتها أن تُلحق الضرر بالحمض النووي، وهي قادرة على التسبب بالسرطان ، وبالنسبة للأشعة فوق البنفسجية من النوع ب (UVB )، تُسبب حروقًا جلدية (حروق الشمس) أشد بكثير من تلك الناتجة عن التسخين البسيط (ارتفاع درجة الحرارة).

في الطرف الأعلى من نطاق الأشعة فوق البنفسجية، تصبح طاقة الفوتونات كافية لنقل طاقة كافية إلى الإلكترونات لتحريرها من الذرة، في عملية تُسمى التأين الضوئي . الطاقة اللازمة لهذه العملية أكبر دائمًا من 10 إلكترون فولت (eV)، وهو ما يتوافق مع أطوال موجية أقل من 124  نانومتر (تشير بعض المصادر إلى حدٍّ أكثر واقعية يبلغ 33  إلكترون فولت، وهي الطاقة اللازمة لتأيين الماء). يُطلق على هذا الطرف الأعلى من طيف الأشعة فوق البنفسجية، ذي الطاقات التي تقع ضمن نطاق التأين تقريبًا، اسم "الأشعة فوق البنفسجية القصوى". يتم ترشيح الأشعة فوق البنفسجية المؤينة بقوة بواسطة الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 55 ]}

يُطلق على الإشعاع الكهرومغناطيسي المُكوَّن من فوتونات تحمل طاقة تأين دنيا، أو طاقة أعلى (والتي تشمل الطيف الكامل ذي الأطوال الموجية الأقصر)، اسم الإشعاع المؤين . (تتكون أنواع أخرى كثيرة من الإشعاع المؤين من جسيمات غير كهرومغناطيسية). يمتد الإشعاع المؤين الكهرومغناطيسي من الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى جميع الترددات الأعلى والأطوال الموجية الأقصر، مما يعني أن جميع أشعة إكس وأشعة جاما تُصنَّف ضمنه. يُمكن لهذا الإشعاع إحداث أشد أنواع التلف الجزيئي، والذي قد يحدث في علم الأحياء لأي نوع من الجزيئات الحيوية، بما في ذلك الطفرات والسرطان، ^{[ 56 ]} وغالبًا ما يحدث على أعماق كبيرة تحت الجلد، نظرًا لأن الطرف الأعلى من طيف أشعة إكس، وطيف أشعة جاما بأكمله، يخترقان المادة.

شعاع الحرارة هو أحد تطبيقات الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يستخدم ترددات الميكروويف لإحداث تأثير حراري مزعج في الطبقة العليا من الجلد. وقد طوّر الجيش الأمريكي سلاحًا معروفًا لشعاع الحرارة يُسمى نظام الحرمان النشط ، كسلاح تجريبي لمنع العدو من الوصول إلى منطقة معينة. ^{[ 74 ]} أما شعاع الموت فهو سلاح نظري يُطلق شعاع حرارة يعتمد على الطاقة الكهرومغناطيسية بمستويات قادرة على إلحاق الضرر بالأنسجة البشرية. وقد ادّعى هاري غريندل ماثيوز ، مخترع شعاع الموت ، أنه فقد بصره في عينه اليسرى أثناء عمله على سلاحه الذي يعتمد على مغنطرون الميكروويف من عشرينيات القرن الماضي ( يُحدث فرن الميكروويف العادي تأثير طهي مُتلف للأنسجة داخل الفرن عند حوالي 2  كيلو فولت/متر). ^{[ 75 ]}