电磁波与电磁辐射

电磁波与电磁辐射

我们生活的信息时代几乎是建立在电磁波物理学的基础上，不管喜欢它与否,我们现在是全球性地被电视、电话和网络连接起来，而且我们会不停的地浸没在由电视、收音机和电话发射器所产生的讯号中。

许多人经常纠结于怎样生活才能减少这些电磁波对我们的影响，今天我们从电磁波的源头说起，看一看使用电器时的注意事项。

一、认识电磁波

（一）什么是电磁波

电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电，电磁波是能量的一种。

（二）电磁波的产生

电磁波的产生可分为两大类：

A. 电粒子加速度运动

带电粒子在进行加速度运动，如电流在天线上来回流动而形成的电极振荡，因而产生电磁波。电子和质子在加速器中受磁场的作用进行圆周运动时，因有向心加速度而产生电磁辐射。高速电子撞击金属靶时，因骤然减速或改变方向会产生x光射线。

B. 能量状态跃迁

原子、分子或核子，自一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，会放出各种不同波长的电磁波，其中包括可见光。

（三）电磁波的单位

电磁波一般的单位有mG（毫高斯）跟uT（微特斯拉），而1uT=10mG。MG 是美国习惯使用的单位，而Tesla 则是科学单位。这两个单位在电磁波测量器上都可以切换，这样才对测量出来的数据能有估计大小的概念。

（四）电磁波的分类

电磁波频谱分布范围由零赫兹（Hz）的直流电至十的三十二次方赫兹的宇宙射线。当高能量电磁波把能量传给其他物质时，有可能撞出物质内原子、分子的电子，使物质内充满带电离子，这种效应称为「游离化」，而造成这种游离化现象的电磁波就称为游离辐射（Ionizing Radiation, 简称IR），其能量较强可破坏生物组织细胞，例如阿法、贝塔、伽玛及X 射线等；反之，进入可见光频率以内的电磁波及红外线无法造成游离化效应，称为非游离辐射（Nonionizing

Radiation，简称NIR），其能量较弱并不会破坏生物组织细胞。

电磁波在我们的生活中较常提到的，大略可分成下列几项：

A. 无线电波

波长范围从0.3m 以上的电磁波都称为无线电波Radiowave。AM 调幅的波段约535kHz～1605kHz，这些讯号容易受到闪电、汽车点火系统甚至计算机或计算器等的影响；FM 调幅的波段约88MHz~106MHz，而FM 是将讯号以不同频率载波，因此较不会受到噪声影响讯号振幅的干扰。电视的影像以AM 传送，声音则以FM传送。此外人的高度和FM 的波长相近，人体本身也是很好的导体，因此是不错的天线。

频率范围在1GHz 到100GHz 的范围属于微波（Microwave）。对应于真空中1.0mm到30cm 的波长（在不同物质内电磁波的波长会改变）。微波可被用于地面和太空飞行物的通讯，但上述的无线电波无法穿越大气的电离层。水分子本身是极性分子，于是在电场作用下将试图与电场方向一致，而微波炉所产生的电磁波（2.45GHz，12.2cm 的微波）使得水分子受影响而产生共振振荡，于是大量吸收微波的能量转换成水分子间的运动动能，也就是热能。微波除了烹饪也用于电话通讯、警察的雷达测速等。

C. 红外线

1800 年时William Herschel 测量太阳光线经棱镜折射后各处所产生的热，却发现在红光外的边缘区域的温度，竟然发生最多的改变，于是他认为有人眼所看不见的『光』称为红外线。红外线的频率从300GHz 到385THz（780nm）。物质当加温时皆会辐射出红外线，包含人体（约起于300nm 到最多于10000nm）或动物体温的温度。红外线可穿透镜片或云层。底片也会对红外线感应，因此是很好的探测工具（间谍卫星）。红外线被用于追踪热源、夜间警卫与军事行动探测或各种遥控器等。

D. 可见光

通常指波长从780nm～390nm 的电磁波。人眼睛可看见的范围，可广至312nm～1050nm，只是「能见度」越来越差而已，且过度的照射容易对眼睛造成伤害。人眼对于「白光」的感觉，应该是源自于对于太阳光的感受。颜色并非光本身的特性，而是该频率的光与视神经与脑海共同形成的感觉。因此对于「黄光」更精确的说法是「看起来黄色的光」。

在日光下人眼睛对于黄绿光范围的光线最敏感，太阳光谱最强的光线波长便是560nm （2.2eV），因此戴上黄绿光绿色的眼镜片时物体的清晰度（对比）最明显。

E. 紫外线

对应频率范围约8×1014Hz 到2.4×1016Hz。对应约300nm 的太阳紫外光区会使皮肤晒黑或晒伤，约4eV 的能量便足以破坏C-C 碳分子的键结。当阳光通过大气层时，大部份的紫外光都因此被吸收了，藉由臭氧层的作用，使得地球不至于成为紫外线的「杀菌室」，波长更短于300nm 的紫外光更将会破坏蛋白质。物质反射可见光的能力和反射紫外光一样，在沙滩或雪地的环境里，即使没有直接晒到阳光，可是附近环境所反射却看不见的紫外线，依旧会伤害到人体，反过來玻璃窗户，却会吸收大部份的紫外光，因此在屋内晒太阳只是会多流汗，却是不会将皮肤晒黑的。

由于白内障而移除眼角膜的人，对于紫外光是有反应的，所以人的眼睛看不见紫外光，主要是眼角膜吸收了绝大多數的紫外光。大气中的N2、O2、CO2和H2O 的价电子，在紫外光区的共振也造成了蓝色的天空。

F. X 射线

主要对应频率在2.4×1016Hz 到5×1019Hz。由于能量约100eV-200KeV，因此单独的X 光子，便足以对物质起破坏作用。医学用的X 射线主要20keV-100keV 之间，藉由穿过人体时不同区域被吸收的量会不同，经过全身各方向的X 射线扫瞄后的讯号，透过现代计算机程序计算，可以将身体内部3D 的结构清楚的显现，对于医学诊治很有帮助。X 射线的來源，主要是原子的内层电子发生能阶跃迁时所产生。

主要对应于200keV（0.2MeV）以上的电磁波。原子核内的核子（质子与中子）也会有不同的分布，也对应有不同的能阶，由于原子核内的能阶更高，当发生跃迁时便产生γ射线。早期对于X 射线与γ射线的区分，在于能阶的跃迁起源与原子的内层电子或是由原子核的跃迁而來。可是近代的加速器使得电子在加速（转弯也是加速）过程时，也会辐射出高能量的X 射线或γ射线。主要用于科学研究或高科技用途。

依据各个波段具有的能量特征，可得知在非常低温下（接近绝对零度时），物质内的原子仅能辐射出无线电波和微波；当在摄氏零度左右（水的冰点）则原子可辐射红外光；在表面温度约摄氏5～6 千度的物质（如太阳表面），才会有可见光的辐射；在温度百万度的物体表面，就会有X 射线；到了表面温度达百亿度的物体表面，也会有伽玛射线呈现。

地球的大气层，仅留有可见光和无线电波段的透明窗口，让可见光和无线电波可到达地面。