电磁辐射的性质

在自然界中，光是一直存在的，有光就会有辐射，辐射虽看不见，但是确实存在，并且有的辐射对人体还有伤害，因此有的辐射可以用来灭杀某些细菌，很多顽疾有的还是靠着辐射射线来达到治疗效果，其实这也是一种辐射原理的运用吧。那么电磁辐射的基本性质是什么呢？有哪些特征呢？

可见光是一种复杂的现象，传统上用基于传播光线和波前的简单模型来解释，这是荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯在17世纪末首次提出的概念。电磁辐射，可见光所属的更大的类波现象家族（也称为辐射能），是通过宇宙的广阔范围传输能量的主要载体。可见光被物质发射或吸收的机制，以及它在空间和大气中传播时在不同条件下如何可预测地反应，构成了我们宇宙中颜色存在的基础。

由詹姆斯·克拉克麦克斯韦爵士创造的电磁辐射一词，是从这种波状能量的所有形式所共有的特征性电和磁性质推导出来的，正如波在空间传播时产生的电和磁振荡场所表明的那样。可见光仅代表整个电磁辐射光谱的一小部分（如图1所示），从高频宇宙射线和伽马射线，通过X射线，紫外线，红外辐射和微波，一直延伸到非常低频的长波长无线电波。

光、电和磁之间的联系对于那些正在进行光和物质基本性质实验的早期科学家来说并不明显。 红外线位于可见光较长的红色波长之外，是第一个被发现的“不可见”形式的电磁辐射。英国科学家和天文学家威廉·赫歇尔（WilliamHerschel）正在用温度计和棱镜研究热和光之间的关系，当时他发现温度最高的区域刚好在可见光谱的红色部分之外。 赫歇尔认为，在这个区域中一定存在另一种肉眼不可见的光。

紫外线辐射，在可见光谱的另一端，是由威廉·里特发现的，他是最早研究可见光能量的科学家之一。通过观察各种颜色的光刺激硝酸银溶液饱和的纸张变暗的速度，里特发现另一种不可见的光，在光谱的蓝色末端之外，产生最快的速度。

电磁波传播

利用电磁辐射的正弦表示探索波在空间中的传播。与教程交互以改变电场和磁场矢量的波长和填充因子。

1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（HansChristian Oersted）发现，电流流过导线时会使指南针产生偏转。 同年晚些时候，法国科学家安德烈-玛丽·安培证明了两条传输电流的电线可以以类似于磁极的方式相互吸引或排斥。 在接下来的几十年里，根据这些线索进行的进一步调查产生了越来越多的证据，证明电和磁彼此密切相关。

最后，在1865年，苏格兰科学家詹姆斯·克拉克（James Clerk）麦克斯韦（James Clerk Maxwell）扩展了他的气体动力学理论，从数学上解释了电和磁之间的联系。麦克斯韦推测，这两种现象是如此紧密地联系在一起，以至于它们经常作为电磁力一起起作用，并发现交流电会产生由两种实体组成的波，这些波以光速辐射到太空中。根据这些观察，他得出结论，可见光是一种电磁辐射。

电磁波在与电（E）和磁（B）振荡场矢量的振动成直角的方向上行进或传播，将能量从辐射源传输到未确定的最终目的地。 两个振荡能量场相互垂直（如图2所示），并按照正弦波的数学形式同相振动。电场和磁场矢量不仅相互垂直，而且垂直于波的传播方向。 按照惯例，为了简化说明，表示电磁波的电和磁振荡场的矢量通常被省略，尽管它们被理解为仍然存在。

无论是从广播电台传输到无线电的信号，从壁炉辐射的热量，牙医的X射线产生的牙齿图像，还是从太阳发出的可见光和紫外线，各种电磁辐射都具有相同的基本波性质。每一种电磁辐射，包括可见光，都以周期性的方式振荡，有波峰和波谷（或波谷），并显示出特征振幅、波长和频率，这些特征共同定义了辐射的方向、能量和强度。

图2所示的电磁波的经典示意图说明了振荡的电和磁分量矢量在空间传播时的正弦性质。为了方便起见，描绘电磁辐射的大多数图示故意省略了磁分量，而是仅将电场矢量表示为具有定义的x和y坐标的二维图形标绘中的正弦波。按照惯例，正弦波的y分量表示电场（或磁场）的振幅，而x分量表示时间、行进的距离或与另一个正弦波的相位关系。

所有电磁辐射的标准度量是波长的大小（在真空中），对于光谱的可见光部分，通常以纳米（千分之一微米）为单位。波长定义为波形的两个连续峰（或谷）之间的距离（见图2）。辐射波的相应频率，即每秒通过给定点的正弦周期（振荡或完整波长）的数量，与波长的倒数成比例。因此，较长的波长对应于较低频率的辐射，而较短的波长对应于较高频率的辐射。频率通常用赫兹（Hz）或每秒循环数（cps）来表示。

赫兹被指定为电磁辐射频率的标准单位，以表彰德国物理学家海因里希·赫兹的工作，他在麦克斯韦去世八年后的1887年成功地产生并进行了电磁波实验。 赫兹产生，检测，甚至测量波长（约一米）的辐射，现在被归类为射频范围。 大卫休斯，一位出生于伦敦的科学家，在他早期的职业生涯中是一位音乐教授，实际上可能是第一位成功地传输无线电波的研究者（1879年），但在未能说服皇家学会之后，他决定不发表他的工作，直到许多年后才得到承认。

电磁波基本性质

研究电磁波的频率、能量和波长是如何相互关联的，以及改变其中一个如何自动产生其他两个（以及可见光的颜色）的相应变化。

不同的波长和频率组成了各种形式的电磁辐射，但它们基本上是相似的，因为它们都以相同的速度传播--大约每秒186，000英里（或大约每秒300，000公里），这一速度通常被称为光速（用符号c表示）。电磁辐射（包括可见光）在大约8分钟内从太阳传播到地球1.49亿公里（9300万英里）。相比之下，一辆以每小时100公里（60英里）的速度行驶的汽车需要177年才能完成同样的单程旅行。在一秒钟内，光可以环绕地球七次。

光的波长，以及所有其他形式的电磁辐射，与频率的关系是一个相对简单的方程：

ν = c/λ

其中c是光速（以米每秒为单位），v是以赫兹（Hz）为单位的光的频率，λ是以米为单位测量的光的波长。从这个关系可以得出结论，光的波长与频率成反比。频率的增加导致光的波长成比例地减小，而构成光的光子的能量相应地增加。当进入一个新的介质（如玻璃或空气中的水）时，光的速度和波长会降低，尽管频率保持不变。

在正常情况下，当通过均匀介质（如空气或真空）传播时，光以直线传播，直到与另一种介质或材料相互作用，通过折射（弯曲）或反射引起路径变化。强度也可能由于介质的吸收而降低。如果光波通过一个狭窄的狭缝或光圈（孔），那么它们可以被衍射或分散（散射），形成一个特征衍射图案。根据众所周知的平方反比定律，电磁辐射的强度（或辐照度）与行进距离的平方成反比。因此，在光传播了两次给定的距离后，强度下降了四倍。

可见光显示出经典的波状性质，但它也表现出让人联想到粒子的性质，这些粒子通过拥有能量和动量（但没有质量）的实体表现出来，并被称为光子。 原子是所有形式的电磁辐射的来源，无论是可见的还是不可见的。更高能量的辐射形式，如伽马波和X射线，是由破坏原子核稳定性的事件产生的。 具有较低能量的辐射，例如紫外线、可见光和红外光，以及无线电和微波，源自围绕原子核的电子云或原子与原子之间的相互作用。 这些形式的辐射的发生是由于在原子核周围的轨道上运动的电子在其概率分布函数内被安排在不同的能级上。 许多电子可以从外部电磁辐射源吸收额外的能量（见图3），这导致它们被提升到固有的不稳定的更高能级。

最终，“受激”电子通过发射较低能量的电磁辐射而失去额外的能量，并且在这样做的过程中，福尔斯回到其原始和稳定的能级。发射出的辐射的能量等于电子最初吸收的能量减去通过许多次级过程损失的其他少量能量。

电磁辐射能量水平可以在很大程度上取决于源电子或原子核的能量而变化。 例如，无线电波所具有的能量比微波、红外线或可见光少得多，所有这些波所包含的能量都比紫外线、X射线和伽马波少得多。 通常，与具有较低能量的类似形式的辐射相比，较高的电磁辐射能量与较短的波长相关联。电磁波的能量与其频率之间的关系由以下等式表示：

E = hν = hc/λ

其中E是能量，单位为千焦每摩尔，h是普朗克常数，其他变量的定义如前所述。根据这个方程，电磁波的能量与其频率成正比，与波长成反比。因此，随着频率增加（波长相应减小），电磁波能量增加，反之亦然。不同类型的电磁辐射的选定特征，如其波长，频率和能量水平所定义的，将在以下段落中单独审查。

尽管电磁辐射通常由波形的波长和频率来描述，但当考虑波如何通过空间传播时，其他特征属性也很重要。 图4中呈现的是表示用于描述电磁辐射的均匀度的常见状态的各种波形。 由于可见光是最常讨论的辐射形式，因此图4中所示的示例代表了该光谱区域中的波长。 例如，单色光由波长和频率相同的波组成，或者宏观上，在可见光中具有相同的颜色。相比之下，多色可见光通常表现为白色，这是由于光谱中400至700纳米范围内的所有或大多数波长的混合物的贡献。

当光是非偏振的（图4），电场矢量在垂直于传播方向的所有平面内振动。从光滑表面以临界角反射的光，或通过偏振滤光片的光，呈现平面偏振取向，所有电矢量在垂直于传播方向的单个平面内振动。来自太阳的光以及大多数常见的白炽和荧光可见光源是非偏振的，而通过定制太阳镜的偏振透镜看到的光在垂直方向上偏振。在某些情况下，当光穿过具有多于一个折射率的材料（双折射或双折射物质）时，光可以是椭圆偏振或圆偏振的。

大多数人造光源和自然光源发出的非相干光显示了光谱中存在的波长之间的各种相位关系（图4）。在这种情况下，各个波中振动态的峰和谷在空间或时间上都不重合。相干光由彼此同相的波长组成，并且在光学性质和与物质的相互作用方面以与非相干光非常不同的方式表现。由相干光产生的波前具有同相振荡的电和磁矢量振动，具有低发散角，并且通常由单色光或具有窄分布的波长组成。激光是一种常见的相干光源。

当光波在空间中传播时，具有同轴的、相对不发散的路径的光波被称为准直的。这种有组织的光形式在相对长的距离上不会传播或会聚到显著的程度。准直光形成非常紧密的光束，但不一定具有窄的波长带（也不一定是单色的），共同的相位关系或定义的偏振状态。准直光的波前是平面的并且垂直于传播轴。相比之下，发散或非准直光在穿过空间时传播到不同程度，并且必须穿过透镜或孔径以便被准直或聚焦。

伽马射线-具有最高频率（和最短波长）的高能辐射，伽马射线是原子核（包括某些放射性材料（天然和人造）的核）内跃迁的结果。 伽马波也起源于核爆炸和外层空间的各种其他来源。这些强大的射线具有巨大的穿透能力，据报道可以穿透三米的混凝土！ 单个伽马射线光子包含如此多的能量，以至于它们很容易被检测到，但是极小的波长限制了任何波动性质的实验观察。 伽马射线来自宇宙中最热的区域，包括超新星爆炸，中子星，中子星和黑洞，通过太空中的巨大距离到达地球。 这种高能辐射的波长小于百分之一纳米（10皮米），光子能量大于500千电子伏（keV），频率超过30艾赫兹（EHz）。

暴露于伽马射线可以诱导突变，染色体畸变，甚至细胞死亡，这在某些形式的辐射中毒中经常观察到。 然而，通过控制伽马射线的发射，放射科医生可以重新引导高能量水平来对抗疾病，并帮助治愈某些形式的癌症。 伽马射线天文学是一门相对较新的科学，它收集这些高能波，以产生宇宙的图像，如图5所示。 这项技术使科学家有机会观察遥远的天体现象，以寻找新的物理概念，并测试无法在地球上进行实验的理论。

X射线-频率略高于紫外线（但低于伽马）范围的电磁辐射被归类为X射线，能量足以轻松穿过许多材料，包括动物的软组织。 这些强大的波的高穿透深度，加上它们暴露照相乳剂的能力，导致X射线在医学中广泛使用，以研究人体的纹理，在某些情况下，作为治疗或手术工具。 与高能伽马射线相同，不受控制地暴露于X射线会导致突变，染色体畸变和其他形式的细胞损伤。 传统的射线照相成像方法基本上只产生致密材料的阴影铸件，而不是详细的图像。 然而，最近在使用镜面光学的X射线聚焦技术方面的进展，已经导致了利用X射线望远镜、X射线显微镜和干涉仪从各种物体获得的更详细的图像。

外层空间的高温气体发出强大的X射线光谱，天文学家利用这些X射线来获得有关宇宙星际区域起源和特征的信息。 许多极热的天体，包括太阳、黑洞和双星，主要发射X射线光谱，是天文学X射线研究的对象。X射线的频谱跨度很大，最短的波长接近原子的直径。 然而，整个X射线光谱区域在大约10纳米和10皮米之间的长度范围内。 这个波长范围使X射线辐射成为地质学家和化学家表征晶体材料结构和性质的重要工具，晶体材料在长度尺度上具有与X射线波长相当的周期性结构特征。

紫外线—通常缩写为（uv），紫外线辐射传播的频率略高于可见光谱中的紫色。 虽然该光谱区域的低能量端与可见光相邻，但其频率范围上端的紫外线具有足够的能量杀死活细胞并产生显著的组织损伤。 太阳是紫外线辐射的持续来源，但地球的大气层（主要是臭氧分子）有效地阻挡了这种潜在致命辐射流的大部分较短波长，从而为植物和动物提供了合适的生存环境。 紫外线中的光子能量足以将原子从大气中的许多气体分子中分离出来，这就是电离层产生和维持的过程。 虽然小剂量的这种相对高能量的光可以促进体内维生素D的产生，并导致皮肤晒黑，但过多的紫外线辐射会导致严重的晒伤，永久性视网膜损伤，并促进皮肤癌。

紫外线被广泛用于科学仪器，以探测各种化学和生物系统的特性，它在太阳系，星系和宇宙其他部分的天文观测中也很重要。恒星和其他热的天体是紫外线辐射的强发射体。紫外线波长光谱范围从约10纳米到约400纳米，光子能量范围在3.2和100电子伏特（eV）之间。这类辐射在水和食品处理中作为抗微生物剂，作为笼状化合物的光催化剂，并用于硬化医疗中的铸件。紫外线的杀菌活性发生在波长小于约290纳米。一个用于皮肤乳液、太阳镜和窗户着色剂的阻挡和过滤化合物的市场旨在控制来自太阳的紫外线的暴露。

一些昆虫（特别是蜜蜂）和鸟类在紫外线区域有足够的视觉敏感度，可以对更长的波长做出反应，并可能依赖于这种导航能力。由于角膜对较短波长的吸收以及眼睛透镜对长于300纳米的波长的强吸收，人类对紫外线辐射的敏感性有限。

可见光-与可见光光谱相关的彩虹仅占整个电磁光谱的2.5%左右，包括能量约为1.6至3.2电子伏的光子。颜色不是光本身的属性，但对颜色的感知是通过人眼-神经-大脑感知系统的综合反应而发生的。电磁波谱的可见光区域位于窄频带内，从大约384到769太赫兹（THz），并且被感知为从深红色（780纳米的波长）到深紫色（400纳米）的颜色。

低能量、长波长的红色（622-780纳米）之后依次是橙子（597-622纳米）、黄色（577-597纳米）、绿色（492-577纳米）、蓝色（455-492纳米），最后是相对高能量、短波长的紫色（455纳米及以下）。 一个简单的方法来记住可见光谱中颜色的顺序（频率越来越高）是用助记词ROY G BIV（R艾德，Orange，Yrue，Green，Blue，Indigo，Violet，），近世纪来，数百万学生都在教这个词（尽管靛蓝不再被一些科学家认为是一种相关的颜色）。

基于物理特性将可见光谱划分为颜色区域是简单的，但是感知颜色的方式并不明显。 对颜色的感知来自人类感知系统对可见光谱的各种频率区域的主观响应，并且光频率的各种不同组合可以产生“看到”特定颜色的相同视觉响应。 例如，响应于若干颜色的光的组合，人类可以感知到颜色绿色，其中没有一种颜色必须由“绿色”波长组成。

可见光是地球上所有生命的基础，并被初级生产者或自养生物（如绿色植物）捕获。这些生物食物链的基本成员利用阳光作为能量来源来制造自己的食物和生化构件。作为回报，自养生物释放氧气作为副产品，所有动物都依赖氧气。

1672年，艾萨克·牛顿爵士研究了可见光与玻璃棱镜的相互作用，并首次认识到白色光实际上是代表整个可见光谱的不同颜色的混合物。 白色光来源于各种天然和人工白炽光源，包括太阳、化学反应（如火）和白炽钨丝。这种类型的源的宽发射光谱被称为热辐射。 其他可见光源，如气体放电管，能够发射窄的，明确定义的频率范围内的光（表示单一颜色），这取决于源材料原子中的特定能级跃迁。 对单个颜色的强烈感知还来自于用白色光照射的材料和物体的特定吸收、反射或透射特性。常见合成染料虹膜蓝B的可见-紫外光吸收光谱如图6所示。 这种色彩鲜艳的有机分子的溶液吸收光谱中可见光和紫外线区域的光，对大多数人来说，它是一种丰富的中蓝色。

红外辐射-通常缩写为IR，红外波长的大波段从可见光谱的远红部分（约700-780纳米）延伸到波长约1毫米。在光子能量范围从大约1.2百万电子伏到略小于1.7电子伏的情况下，红外波具有在300千兆赫（GHz）与大约400太赫兹（THz）之间的对应频率。 这种类型的辐射与可见光不一定可检测或甚至不存在的热区域相关联。 例如，人体不发射可见光，但它确实会发出微弱的红外辐射，这种辐射是可以感觉到的，可以记录为热量。 发射光谱开始于约3000纳米，范围超过远红外线，峰值约为10000纳米。

所有存在于绝对零度（-273摄氏度）以上的物体的分子都会发射红外线，并且发射量通常会随着温度的增加而增加。 大约一半的太阳电磁能是在红外区域发射的，家用物品如加热器和灯也会产生大量的电磁能。 白炽钨丝灯是相当低效的光生产者，实际上比可见光发射更多的红外波。

依靠红外辐射探测的常用工具有夜视镜、电子探测器、卫星和飞机上的传感器以及天文仪器。军方使用的所谓热寻的导弹是由红外探测器引导的。在外层空间，红外线波长的辐射映射了恒星之间的天体尘埃，从地球上观察银河系时可以看到大片的黑色斑块。在家庭中，红外辐射在加热和干燥衣服方面发挥着熟悉的作用，以及允许遥控车库门和家庭娱乐组件的操作。

红外摄影利用近红外光谱将图像记录在专用胶片上，可用于法医学，遥感（如航空作物和森林调查），绘画，卫星成像和军事监视应用。 奇怪的是，太阳镜和其他光学表面涂有紫外线和可见光阻挡剂的红外照片看起来是透明的，并揭示了看似不透明镜片后面的眼睛。 红外线摄影胶片不会记录热辐射（热量）分布，因为它对长波长辐射（远红外线）不够敏感。 图7所示为几幅由红外传感器拍摄的美国两个城市和意大利维苏威火山的卫星图像。

微波-目前在数百万家庭中用于加热食物的广泛技术的基础，微波光谱波长范围从大约一毫米到三十厘米（或大约一英尺）。 在食物制备中利用微波的吸引力是由于存在于大多数食物中的水分子具有在微波范围内的旋转共振频率的偶然情况。 在2.45千兆赫（12.2厘米波长）的频率下，水分子有效地吸收微波能量，随后以热（红外线）的形式耗散辐射。 如果由不含水的材料组成的容器用于在微波炉中容纳食物，则它们将倾向于保持冷却，从而为微波烹饪增加了显著的额外便利性。

调谐无线电波接收器

了解如何将可变电容器耦合到简单的天线Transformer电路，以调谐宽带射频频谱中的特定波长。

微波是最高频率的无线电波，由地球、建筑物、汽车、飞机和其他大型物体发出。此外，低水平的微波辐射弥漫在太空中，据推测是在宇宙形成期间由大爆炸释放的。更高频率的微波是雷达的基础，这是一个缩写，代表RAdio detecting andranging，一种用于跟踪大型物体并计算其速度和距离的发射和接收技术。天文学家利用地外微波辐射来研究银河系和其他附近的星系。大量的天文信息来自于研究不带电氢原子的特定发射波长（21厘米或1420兆赫），这些氢原子广泛分布在整个空间。

微波还用于在庞大的通信网络中将信息从地球传送到轨道卫星，用于远距离中继地面站的信息，以及用于地形测绘。令人惊讶的是，海因里希·赫兹、贾加迪斯·钱德拉·玻色和古列尔莫·马可尼（现代无线电之父）进行的第一批电磁实验中，有一些是使用微波区或附近的辐射进行的。 早期的军事应用利用了可聚焦的微波所允许的窄波束宽度和增加的调制带宽，这些微波很难拦截并且包含相对大量的信息。 在科学界存在一些关于癌症和热组织损伤的潜在健康风险的争议，这些风险与来自蜂窝电话塔、泄漏的微波炉以及在使用期间将移动的电话靠近大脑的行为的持续和累积微波辐射暴露有关。

无线电波—电磁频谱的广阔射频部分包括从大约30厘米到数千公里的波长。 在这个范围内的辐射包含很少的能量，频率上限（约1千兆赫）发生在无线电和电视广播被限制的频带的末端。在如此低的频率下，辐射的光子（颗粒）特征并不明显，并且波似乎以平滑、连续的方式传递能量。射频辐射的波长没有理论上限。 例如，由电力线传输的低频（60赫兹）交流电的波长约为500万米（或约3000英里）。 用于通信的无线电波以两种传输规范之一进行调制：波长幅度变化的调幅（AM）波和波长频率变化的调频（FM；见图8）波。 无线电波在工业、通信、医学和磁共振成像（MRI）中发挥着重要作用。

电视的声音和视频部分是通过波长小于一米的较短无线电波在大气中传输的，这些无线电波被调制为广播，就像调频广播一样。 无线电波也由遥远星系中的恒星产生，天文学家可以使用专门的射电望远镜探测到。已探测到从太空深处向地球辐射的长达数百万英里的长波。 由于信号非常微弱，射电望远镜通常被捆绑在一起，组成平行阵列，其中包含大量巨大的基于天线的接收器。

当研究电磁辐射光谱的宽范围时，光的频率（每单位时间的振荡次数）和波长（每次振荡的长度）之间的关系的性质变得明显。 甚高频电磁辐射，例如伽马射线、X射线和紫外光，包括非常短的波长和大量的能量。 另一方面，低频辐射，包括可见光、红外线、微波和无线电波，具有相应的较长波长和较低能量。 虽然电磁波谱通常被描述为在频率和波长上穿越大约24个数量级，但是对于辐射的这种连续分布的波长和频率没有固有的上边界或下边界。

以上就是电磁辐射的基本特质和原理，科学家用这个原理发明了加玛射线，可以用来消灭一些顽症细菌，放化疗等。是不是又发现了他的长处和优点呢？