电磁辐射 电磁辐射是变化的电磁场在空间中传播的现象，其核心是脱离场源、以波的形式传播的电磁能量。 第一步：从静态场到变化场的推广 在静电学和静磁学中，电场和磁场是静态的，彼此独立。麦克斯韦的伟大贡献之一，是引入“位移电流”概念，将安培环路定律推广到非稳恒情况，使得变化的电场能激发磁场。结合法拉第电磁感应定律（变化的磁场激发电场），一组变化的电场和磁场就能相互激发，形成一个自维持的“振荡”系统。 第二步：真空中麦克斯韦方程组的波动方程形式 考虑真空中（无电荷、无电流）的麦克斯韦方程组。通过数学上的旋度运算，可以将关于电场 E 和磁场 B 的四个方程，分别化简为关于 E 和关于 B 的独立方程。最终得到的形式是： ∇² E = (1/c²) ∂² E /∂t² ∇² B = (1/c²) ∂² B /∂t² 其中c = 1/√(ε₀μ₀)，ε₀和μ₀分别是真空介电常数和真空磁导率。这正是经典波动方程的形式，表明电场和磁场以波的形式传播，其传播速度c就是光速。 第三步：平面电磁波的基本特性 上述波动方程最简单的解是平面波解。例如，一个沿+z方向传播、电场沿x方向的平面电磁波可表示为： E = E₀ cos(kz - ωt) x̂ B = B₀ cos(kz - ωt) ŷ 其中k是波数，ω是角频率。分析此解，可得出电磁辐射的关键特性： 横波性 ：振动方向（ E 和 B ）与传播方向（z）垂直。 正交性 ： E 、 B 、传播方向三者两两垂直，构成右手螺旋关系，即 E × B 的方向为波速方向。 同步性 ： E 和 B 在空间每一点、每一时刻都同相位，同时达到最大和最小值。 幅值关系 ：在真空中，E₀ = c B₀，电场和磁场的振幅之比为常数c。 第四步：能量与动量——辐射的物理效应 电磁波携带能量和动量，这是它与物质相互作用的基础。 能流密度（坡印廷矢量） ：定义为 S = (1/μ₀) E × B ，方向为能量传播方向，大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量。对于上述平面波，平均能流密度为 (1/2) ε₀ c E₀²。 动量 ：电磁波具有动量密度 g = S / c²。当电磁波被物体吸收或反射时，会对其施加辐射压力（光压），这是其动量转移的表现。 第五步：电磁波谱 电磁波解的有效性不依赖于频率。将所有频率（或波长）的电磁波排列起来，就构成了电磁波谱。按波长从长到短（频率从低到高）主要包括： 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线 它们本质都是电磁辐射，仅频率不同，产生机制（如原子跃迁、加速电荷等）和与物质的相互作用方式不同。 总结 ：电磁辐射是满足真空麦克斯韦方程组波动方程的解，其本质是横波形式传播的、相互垂直且同相位的振荡电场与磁场。它携带能量和动量，并以光速传播。整个电磁波谱，从无线电波到γ射线，都是这一物理现象的不同频段表现。