茶年 · 中文维基百科

電磁輻射

Wikipedia · 2026-05-24 维基百科 👁 1 阅读

的一小部分。]]
電磁辐射是由源傳遞電磁場能量到空间的现象，其波動形式為電磁波。電磁波在空間中以波的形式傳遞能量和動量。經典電磁學裡，電磁波由同相振盪的電場與磁場組成。在均質且各向同性的介質中，電場與磁場的振盪方向互相垂直，並且垂直於波與能量的傳播方向，形成橫波。

電磁輻射的量子形式是光子。電磁波不需要依靠介質進行傳播，在真空中傳播速度为光速。電磁波可按照頻率分類，從低頻率到高頻率，主要包括無線電波、微波、兆赫輻射、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁波，波長大約在380至780nm之間，稱為可見光。只要是本身溫度大於絕對零度的物體，除了暗物質以外，都可以發射電磁輻射，而世界上並不存在温度等於或低於絕對零度的物體，因此，人們周邊所有的物體時刻都在進行電磁輻射。儘管如此，只有處於可見光频域以内的電磁波，才可以被人們肉眼看到，對於不同的生物，各種電磁波頻段的感知能力也有所不同。

發現歷史
在可見光波長以外的電磁輻射被發現於19世紀初期。紅外線輻射的發現歸因於天文學家威廉·赫歇爾，他於1800年在倫敦皇家學會發表了他的成果。

電磁波首先由詹姆斯·馬克士威於1865年在理论上推测出來，而後由德国物理学家海因里希·赫兹於1887年至1888年間在实验中证实存在。馬克士威推導出電磁波方程式，一種波動方程式，這清楚地顯示出電場和磁場的波動本質。因為電磁波方程式預測的電磁波速度與光速的測量值相等，馬克士威推論光波也是電磁波。無線電波被海因里希·赫兹在1887年第一個刻意產生，使用電路計算出比可見光低得多的頻率上產生振盪，随之產生了由麥克斯韋方程所建議的振盪電荷和電流。赫茲還開發檢測這些電波的方法，並產生和特徵化这些後來被稱為無線電波和微波。

威廉·倫琴發現並命名了X射線。 在1895年11月8日的應用於真空管上的高電壓試驗後，他注意到在附近的鍍膜玻璃板的熒光。在一個月內，他發現了X射線的主要性質。因為電場和磁場都是向量場，所有的電場向量和磁場向量都適合做向量加運算。例如，一個行進電磁波，入射於一個介質，會引起介質內的電子振盪，因而使得它們自己也發射電磁波，因而造成折射或繞射等等現象、克爾效應等等。

當電磁波從一種介質入射於另一種介質時，假若兩種介質的折射率不相等，則會產生折射現象，電磁波的方向和速度會改變。斯涅爾定律專門描述折射的物理行為。電磁波不但會展示出波動性質，它還會展示出粒子性質（參閱波粒二象性）。這些性質已經在很多物理實驗中證實，例如，楊氏雙縫實驗展示出電磁波的波動性質。

波動模型
波是由很多前後相繼的波峰和波谷所組成，兩個相鄰的波峰或波谷之間的距離稱為波長。電磁波的波長有很多不同的尺寸，從非常長的無線電波（有一個足球場那麼長）到非常短的伽馬射線（比原子半徑還短）：
:u=\frac{1}{2\mu_0}B^2+\frac{\epsilon_0}{2}E^2\,\!；

其中，u\,\!是單位體積的能量，E\,\!是電場數值大小，B\,\!是磁場數值大小，\epsilon_0\,\!是電常數，\mu_0\,\!是磁常數。

粒子模型和量子理論
電磁輻射擁有像粒子的性質。電磁輻射是由離散能量的波包形成的，這波包又稱為量子，或光子。光子的能量與電磁輻射的頻率成正比。由於光子可以被帶電粒子吸收或發射，光子承擔了一個重要的角色：能量的傳輸者。根據普朗克-愛因斯坦關係式，光子的能量是

:E=h \nu\,\!；

其中，E\,\!是能量，h\,\!是普朗克常數，\nu\,\!是頻率。

光子的動量p\,\!與頻率、波長之間的關係為 。逆反過來，一個躍遷至較低能級的電子，會發射一個能量等於能級差額的光子。由於原子內的電子能級是離散的，每一種原子只能發射和吸收它的特徵頻率的光子。

綜合在一起，這些效應解釋了光波的吸收光譜。在介質內的原子，因為吸收不同頻率的光波，造成了光譜的"暗線"。光波所通過的介質的組成成分，決定了吸收光譜的表徵。舉例而言，一個遙遠的恆星的光譜，其暗線與恆星的大氣塵的原子組合有關．這些暗線對應於原子的容許能級。類似的現象也會發生於光波的發射．當電子從高能級量子態躍遷至低能級量子態的同時，光波也會被發射出來，其能量等於兩個能級的差值。這現象顯現於星雲的發射光譜。今天，科學家用這現象來觀測恆星的內部結構．這現象的紅移被用來計算恆星離地球的距離。

傳播速度
呈加速運動的電荷或隨著時間而變化的電磁場，會產生電磁輻射。在自由空間裏，電磁輻射以光速傳播。準確的計算其物理行為必須引用推遲時間的概念。這會增加電場和磁場的表達式的複雜程度（參閱傑斐緬柯方程式）。這些多加的項目詳細地描述電磁輻射的物理行為。當任意一根導線（或別種導電體，像天線）傳導交流電的時候，同頻率的電磁輻射也會被發射出來。

在量子層次面，當帶電粒子的波包振盪或加速時，會產生電磁輻射帶電粒子的量子態可以用幾個本徵量子態的含時形式的疊加來表達（請參閱雙態系統）。當系統處於穩定狀態時，由於含時形式會被其複共軛刪除，帶電粒子處於每一個本徵量子態的機率是常數。但是，當系統被微擾時（例如，外電場被開啟），機率變為跟時間有關。帶電粒子處於某本徵量子態的機率會隨時間而變化。這樣，帶電粒子會從某個本徵量子態躍遷至另外一個本徵量子態，因而產生電磁輻射。

人類眼睛可以觀測到波長大約在380nm和780nm之間的電磁輻射，稱為『可見光』。

每一種電極性分子，會對應著某些特定頻率的微波，使得電極性分子隨著振蕩電場一起旋轉，這機制稱為電介質加熱（）。由於這種機制（不是熱傳導機制），電極性分子會吸收微波的能量。微波爐就是應用這運作原理，通過水分子的旋轉，更均勻地將食物加熱，減少等候時間。

从电磁理论推导
馬克士威方程組可以描述電磁波的普遍物理现象。在自由空間裏，源項目等於零（源電荷等於零，源電流等於零）。除了沒有任何事發生的解以外（電場和磁場都等於零），方程式仍舊允許不簡單的解，電場和磁場隨著時間和位置變化。

根據國際癌症研究機構（IARC）2001年進行的致癌性評估，傳輸線等產生的低頻磁場“可能對人類致癌”（2B組致癌物）。與“咖啡”和“汽油發動機廢氣”屬於相同類別的致癌物。靜電磁場和極低頻電場被歸類為“非致癌性”。這與咖啡因、汞、茶、膽固醇等相同。

此外，國立環境研究所（NIES）在1997-11財政年度開展了“極低頻電磁場對健康風險的評估研究” 。

微波
高強度的微波會對生物產生熱效應，因此，諸如無線設備，如手機，對人體動力的吸收比率（SAR：比吸收率單位[ 瓦特 / 千克 ]）使用指定的值歐洲的國際委員會，非電離輻射防護（英文： International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection）和聯合國合眾國的聯邦通信委員會是如已被確定。此外，依據國際委員會關於非電離輻射保護在日本（ICNIRP）的射頻輻射規範的頻率300 千兆赫（波長評估高達1毫米的無線電波對人體的影響。在學術團體等中也進行特定吸收率的計算（FDTD方法）和模擬人體的人體模型的組成的確定。

參見

  • 天线
  • 辐射热测量计
  • 电磁发射管制
  • 电磁场
  • 电磁脉冲(EMP)
  • 电磁辐射与健康
  • 電磁波譜
  • 電磁波方程式
  • 时域有限差分
  • 自由空間阻抗
  • 馬克士威方程組
  • 阿布拉罕-勞侖茲力
  • 辐射能
  • 輻射壓
  • 偏振光
  • 反射、折射、全反射
  • 推遲勢

参考文献
外部链接

#電磁學 #光电子学 #电磁辐射 #振動和波

评论 (0)

  • 还没有评论，来抢沙发吧。