Электромагнитное взаимодействие

Электромагни́тное взаимоде́йствие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, в котором принимают участие все частицы, обладающие электрическим зарядом. Элементарным актом электромагнитного взаимодействия является обмен квантом электромагнитного поля – фотоном. Сила взаимодействия частиц пропорциональна произведению их электрических зарядов и для неподвижных частиц описывается законом Кулона. Т. к. масса фотона равна нулю, радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен: электромагнитное взаимодействие проявляется как на межатомных, так и на галактических расстояниях. Определяющий параметр, характеризующий силу электромагнитного взаимодействия, – постоянная тонкой структуры ${\displaystyle \alpha =e^{2}/(4\pi \hbar c),}$ где ${\displaystyle e}$ – заряд электрона, ${\displaystyle \hbar }$ – постоянная Планка, ${\displaystyle c}$ – скорость света. Численно ${\displaystyle \alpha \approx }$¹ /₁₃₇ , что приводит к подавлению многофотонных обменов пропорционально степеням ${\displaystyle \alpha }$.

Фотоны, являясь переносчиками электромагнитного взаимодействия, не имеют электрического заряда и не взаимодействуют друг с другом. В стандартной модели фундаментальных взаимодействий электромагнитное взаимодействие считается частью электрослабых взаимодействий и при высоких энергиях перемешивается со слабыми взаимодействиями. При энергиях ниже порога нарушения электрослабой симметрии (порядка 100 масс протона) электромагнитное взаимодействие рассматривается как самостоятельное взаимодействие. Заряженные частицы, участвующие в электромагнитном взаимодействии, удовлетворяют уравнениям Дирака (для спина ¹ /₂ ) или Клейна – Фока – Гордона (для спина 0).

Античастицы участвуют в электромагнитном взаимодействии наряду с частицами и отличаются только знаком электрического заряда. Электрический заряд является сохраняющейся величиной и не меняется в процессах взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой, экспериментально проверенной с точностью до 10⁻¹⁰ и справедливой до расстояний порядка 10⁻¹⁶ см. Примером, подтверждающим квантовую природу электромагнитного взаимодействия, служит фотоэффект, состоящий в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения. При этом, согласно квантовой теории, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. На макроскопических масштабах и при скоростях, много меньших скорости света, квантовые эффекты малы и справедливо классическое описание с помощью уравнений Максвелла.

Электромагнитное взаимодействие лежит в основе всех наблюдаемых макроскопических электрических, магнитных и оптических явлений, а также химических процессов, происходящих в веществе. Подавляющее большинство сил в классической механике – силы упругости, силы трения, силы поверхностного натяжения и другие – имеют электромагнитную природу. Благодаря электромагнитному взаимодействию энергия Солнца достигает земной поверхности и создаёт основу жизни на Земле.