从γ射线到无线电波：电磁波谱的构成与应用

从γ射线到无线电波：电磁波谱的构成与应用

电磁波是能量在电场和磁场之间振荡的物理现象，它包括了从γ射线到无线电波的广泛频谱。这些电磁波在日常生活中有着广泛的应用，从广播、电视到微波炉，从医学成像到机器视觉。本文将深入探讨电磁波的基本性质，包括其构成、波粒二象性、能量与波长的关系，以及与环境和人类的关系。

电磁波的构成

电磁波是一种能量在电场和磁场之间振荡的物理现象。它包括了比光波长更短的γ（伽马）射线和X射线，也包括了更长波长的微波和无线电波。

这些电磁波在日常生活中有着广泛的应用：

• 无线电波：短波、中波和长波用于广播和电视传播
• 微波：用于微波炉
• 光：包括紫外线、可见光和红外线
• X射线：用于医学成像

电磁波的波粒二象性

所有的电磁波都是由光子组成的。光子是电磁辐射的最小离散单位或“量子”，它是所有光的基本单元。

电磁波既具有波的性质，也具有粒子的性质，以下例子展示了这一特点。这一特性是现代量子力学的核心原则之一。

当一块石子被投掷到池塘中时，会产生波纹。水面上漂浮的物体会随着波纹上下振动，但不会移动（除非受到风等外力影响）。波能量沿着波纹传播到周围。

水面波纹在遇到岸边后会反向反射。进来的波和返回的波相互重叠，可能会相互加强或减弱，这就是波干涉现象。水面上漂浮的物体会因波的重叠而不规则地上下振动。

当波遇到障碍物并绕过它时，会发生称为波衍射的现象。波长越长，绕过障碍物的弯曲越大。

由于电磁波的波动性，其行为与水波类似。例如，电磁波会表现出波衍射和干涉现象，波长越长，这些现象越明显。从广播电台发出的无线电波和电视波即使在建筑物的阴影或室内也能被接收到，因为其长波长导致了更大的衍射。

随着波长的缩短，波动性变得不那么明显，电磁波会以较小的衍射直线传播，更像粒子。这可以通过可见光来说明。尽管它具有波动性和粒子性，但由于其较短的波长，使得它看起来是直线传播的，因此会形成阴影。然而，使用某些实验装置时，其衍射效应仍然可见。

波长越短，能量越大

光子的能量与波长成反比。波长越短，光子的能量越高。

每个光子都携带着能量，并与各种物体碰撞，包括人类的眼睛和皮肤。高能量光子能够改变或破坏物体的分子结构。这就是为什么像γ（伽马）射线和X射线这样的短波长光子是有害的，并会对人类和动物的活体组织造成严重损害。对于诸如纸张或布料之类的非生物物质，它可能会导致其劣化或变色。

单个光子的能量对人类来说非常小，难以察觉，但当无数光子聚集在一起（在可见波长范围内）时，人类就能够感知到“亮度”。

电磁波与环境

太阳会发出各种类型的电磁波。其中波长短于280 nm的有害电磁波（如γ射线、X射线和UV-C）由于被地球大气层吸收，大部分无法到达地球表面。这也是宇航员在太空行走时必须穿戴宇航服的原因之一，以防止他们的身体受到这些大气层以上的有害电磁波的伤害，如伽马射线、X射线和紫外线。

据说，根据季节和天气的不同，大约0.5%的UV-B（280-315 nm）和5%的UV-A（315-380 nm）会到达地球表面。南极地区的臭氧层空洞是一个例外，它被视为一个严重的环境问题，因为本应被臭氧层吸收的紫外线（UV）通过臭氧层空洞到达了地球。

另一方面，大部分可见光和红外线在经过大气中的水分部分吸收后，仍然能够到达地球。地球上的生命正是依赖于来自可见光和红外线范围的太阳能，而大气层则阻挡了对人体有害的短波长电磁波。

人类与电磁波谱

波长在UV-C范围内的电磁波对生物体极具破坏性。此外，部分到达地球的UV-B和UV-A也并非完全安全。

UV-B是造成日晒伤害的主要原因，包括晒伤、皮肤癌，甚至对DNA的损害。它还会引起一种称为雪盲症的眼部炎症，当紫外线从雪面反射时，紫外线会灼伤眼睛。虽然UV-A的危害性低于UV-B，但它能够深入皮肤内部，使构成皮肤组织的胶原蛋白变性，导致皮肤老化，如出现斑点和雀斑。

即使是比紫外线波长更长的电磁波也可能造成损害。直接注视强烈的蓝光或过度暴露于蓝光中可能会损伤视网膜。

X射线成像通常对人体没有问题，因为X射线的照射时间很短，但对于经常接触X射线的技师来说，风险很高，这也是他们在拍摄X射线时要在隔离房间操作的原因。

阳光会使白纸随着时间的推移变黄，因为短波长的光子能量会破坏纸张的分子结构。这种损伤使纸张难以反射可见光范围内的短波长，从而改变了其颜色。

波长较长的电磁波（如红外线或无线电波）的光子能量较低，因此对人体的危害较小，但这并不意味着完全没有危险。例如，玻璃工人在长时间暴露于来自高温加热玻璃的红外辐射下，可能会发展出白内障。上述所有对生物体和物体的负面影响都与电磁能量的波长依赖性和强度有关。

光也是一种电磁波。在机器视觉中使用光时，波长和相应的光子能量是重要的考虑因素。不同波长会产生不同的光学现象，这使得可以突出并捕捉目标信息。在使用光源时，尤其是使用紫外线（UV）和短波长可见光（如紫光、蓝光等）时，尽量避免直接注视光源。

注释

≪1≫ 电磁波

电磁波是一种能量在电场与磁场之间振荡的物理现象。

电场是围绕电荷的一种空间特性，会对场内的其他电荷施加力。电荷有两种类型：正电荷（+）和负电荷（-）。同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。

磁场是对磁极（如磁铁的北极和南极）施加力的一种空间特性。

电场和磁场之间有着密切的联系。

当磁场发生变化时，它会对电荷施加力，使其移动（产生电流）；当电流流动时，又会改变磁场（电磁感应）。电场与磁场的同步振荡由二者的相互作用产生，电磁能量以横波的形式在空间中传播。

电场H和磁场E的振荡方向彼此垂直，且垂直于能量和波传播的方向Z。

≪2≫ 光的产生机制

自然界中的一切都由原子构成，而原子则由原子核和电子构成，如右图所示。电子以多种能量状态围绕原子核运行。尽管如此，这只是一个近似模型，因为电子的轨道具有概率性。

当电子的能量状态从高能级(EH)转变为低能级(EL)时，能量差(ΔE = EH-EL)将以波能量的形式从原子中释放出来，这就是光（即电磁波）。光子是构成电磁波的波能量的最小单位（量子）。

≪3≫ 光子能量与波长

光子能量与频率ν（读作“new”）成正比，因此释放出的波能量ΔE[J（焦耳）]为：

ΔE = EH - EL = h・ν

（这个比例常数h称为普朗克常数，h ≈ 6.6 × 10^-34 [J x s（焦耳秒）]）

此外，如果光的波长为λ[m]（读作“lambda”），频率为ν[1/s]，其传播速度c[m/s]为：

c = ν・λ

（c是一个常数，c = 3 × 10^8 [m / s] = 真空中300,000 km / s）

因此，

ΔE = EH - EL = h・ν = h・c / λ

光子的能量和动量取决于其频率(ν)或者说其波长(λ)。

上述公式仅针对一个电子。当这种现象发生在大量原子中时，每个电子的跃迁会依次释放出大量电磁能量的量子（光子），并在空间中以对应于每种能量的波长进行振荡。

从下图可以大致理解光既具有波动性也具有粒子性。

例如，白炽灯的工作原理就是基于这一点：通过注入电能，电子能量水平从高能级EH被激发到较低能级EL时，会发出光。

相反，当特定波长（频率）的光与原子相互作用时，在特定条件下，光会将其能量传递给电子。

光传递的能量使电子跃迁到更高的能级，这被称为光激发电子的能量状态。光能量转移到电子的现象称为光吸收。例如，将一张白纸和一张黑纸放在阳光直射下，黑纸的温度会更高，因为它吸收了更多的光能。

本文原文来自"工程师和他的朋友们"