电磁波

电磁波，从物理学角度说是一种形式的能量，是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。^[8][2][5][9]

电磁波由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波不依靠介质传播，在真空中速率固定，速度为光速。^[8][2][10]电磁波在电磁频谱中的位置可以通过其振荡频率或其波长来表征。不同频率的电磁波有不同的名称，因为它们具有不同的来源和对物质的影响。电磁波可按照频率分类，从低频率到高频率，主要包括无线电波、兆赫辐射、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，波长大约在380至780nm之间，称为可见光。^[8][2][5]

1819年，奥斯特（Hans Christian Ørsted）发现的电流磁效应现象。电磁波的概念首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来，而后由德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年在实验中证实存在。^[4]

电磁波有广泛的应用，无线电波用于通信，微波多用在雷达或其他通信系统，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等，可见光是大部分生物用来观察事物的基础，紫外线有显著的化学效应和杀菌消毒作用，X射线用于对人体的透视和工程上的探伤，y射线具有很强的穿透能力，用于探伤、厚度测量和医学治疗。^[7][5][6]

电磁波是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的粒子波，是以波动形式传播的电磁场，所以被称为电磁波。电磁波根据波长（从波的一个至高点“波峰”到下一个波峰的长度）被细分为射电波（无线电）、微波、红外线、光（可见光）、紫外线、X射线、射线（伽马射线）等几种。人眼可接收到的电磁波，波长大约在380至780nm之间，称为可见光。^[8][2][5]

1819年，奥斯特发现的电流磁效应现象——在通电流导线周围产生了能使磁针偏转的磁场。^[4]电磁波的概念首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来，而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年在实验中证实存在。^[4]

在19世纪50年代至19世纪70年代期间，麦克斯韦（Maxwell）发表了一系列论文来阐述电磁学统一理论。^[11]起初19世纪50年代，麦克斯韦在剑桥大学工作，法拉第（Faraday）的力线概念给他留下深刻印象。^[12]1856年，他发表了他的第一篇关于电磁学的论文： 他试图用不可压缩的流体流动的类比来模拟磁力线。后来，麦克斯韦搬到了伦敦国王学院，在那里他与法拉第经常交流，并成为好友；1861-1862年，麦克斯韦以《论物理力线》为题发表了一系列的4篇论文。^{[13][14][15][16][17]}在这些论文中，他使用机械模型，如旋转的涡流管，来模拟电磁场。他还将真空建模为一种绝缘弹性介质，以说明法拉第给出的磁力线的应力，这些工作为麦克斯韦方程的制定奠定了基础。^[18]1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。麦克斯韦推导出电磁波方程，一种波动方程，这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等，麦克斯韦推论光波也是电磁波。^[5][19]后来，麦克斯韦方程的最终形式发表于1865年的《电磁场的动力学理论》，其中以严格的数学形式表述了该理论，该系列理论也预测了电磁波的存在。^[18]

1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，1898年，马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别，也因为其差别构成了电磁波谱。^[5][19][9]

电磁波的行为在电磁学的分支电动力学中专门研究。^[20][21]在电动力学中，根据麦克斯韦方程组，随着时间变化的电场产生了磁场，反之亦然。因此，一个振荡中的电场会产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场，这样，这些连续不断同相振荡的电场和磁场共同地形成了电磁波电场，磁场都遵守叠加原理。因为电场和磁场都是向量场，所有的电场向量和磁场向量都适合做向量加运算。电磁波具有折射、反射、衍射和干涉的波动特性。^[7][22][3]

麦克斯韦方程组是磁、电、光和相关辐射相关理论的统一，^[10][23]用于描述磁场与电荷密度、电流密度之间的关系。^[24][25][26]从麦克斯韦方程组，可以推论出电磁波在真空中以光速传播，并进而做出光是电磁波的猜想。^[10]麦克斯韦方程组由四个方程组成：描述电场如何随着电荷分布而变化的高斯定律、描述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述磁场如何随时间变化而产生电场的法拉第感应定律以及描述电流和变化的电场怎样产生磁场的麦克斯韦—安培定律。^{[25] [10]}

平面电磁波可以根据麦克斯韦方程推导出其为横波的特性。在自由空间的麦克斯韦方程可写为：^[27]

随后，将它们在直角坐标系中写成分量形式：

设平面波沿轴传播，则波面垂直于轴。在波面上的相位相同，即相位与变量无关。假设振幅也与无关。这样一来，上式中所有对的偏微商全等于0，于是四式简化为，，，。因此，电场矢量和磁场矢量沿波动传播方向的分量和（即纵分量），是与任何时空变量无关的常量它们与我们这里考虑的电磁波无关，可以假定 ，。从这里就得到有关电磁波为横波的特性。此外，也可以根据麦克斯韦方程类推，得到在电磁波中电场量，磁场量和传播方向三者两两垂直的关系等。^[27]

电磁波具有折射、反射、衍射和干涉的波动特性，因为所有的波都具有波粒二象性。^[7][22][3]其中，折射和反射属于粒子性；衍射和干涉则为波动性。其波函数由振幅和相位组成，即：。式中，表示振幅，为频率， 是相位。能量函数为：。式中，E表示能量，h为普朗克常数，h=6.62X10-34Js。并且，电磁波还满足叠加原理，即当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。此外电磁波还具有直线性，即电磁波在理想均媒质中，沿直线传播；方向上电场、磁场振动的方向与电磁波前进方向互相垂直；无线电波在不连续媒质的界面上会产生反射以及在理想均媒质中，无线电波传播的速度恒定的特点。^[22]

电磁波具有波粒二象性，由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，即电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。^[8][2][10]当电磁波能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。^[22][10]

在数学表达中，电磁波是横波，电矢量和磁矢量都与单位波矢 垂直，即，；电矢量与磁量垂直，即；和同相位并且在任何时刻、任何地点，的方向总是沿着传播方向的；和的幅值和成比例，即；电磁波的传播速度为，在真空中的传播速度为。^[28]

电磁波（光等）以及实物粒子具有粒子性也具有波动性，^[29]粒子性是指粒子有质量、动量和能量、占据一个很小的空间任意时刻位置由运动方程确定、有确定的运动轨道等特性，光的粒子性在于其具有粒子的某些特性又不完全与粒子相同，光没有确定的位置、没有确定的运动轨道；波动性是指波具有的能够时变电磁场在空间传播、有叠加性、衍射性和可分性、能展布在一个较大的空间等特性，实物粒子的波动性在于其具有波的某些特性。^[30]电子等实物粒子具有波粒二象性，具体是指，对于一个质量为，运动速度为，波长为的实物粒子，动量为的粒子（物质的粒子性可由能量和动量刻画；波动性由粒子分布的概率波表达，物理量为频率和波长^[31]），有如下关系：^[32]。该式称为德布罗意关系式，式中，为普朗克（Planck）常量。德布罗意关系式通过普朗克常量将微观粒子的波动性和粒子性联系起来。^[32]

电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。^[7]在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射或者说一种传播过程。^[33][7]举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。^[22]

电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。^[34]不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。^[3]电磁波是横波，即电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直如图 1-8 所示。电场与磁场的振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，电磁波本身带有能量，任何位置的能量功率与振幅的平方成正比。^[22]

电磁波具有与光波相同的性质，其速度等于光速。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长，电磁每秒钟变动的次数便是频率。三者之间的关系可通过公式来转换。^[22]其中，为波速（光速是一个常量，真空中约等于m/s，是宇宙间物质运动的最快速度） ，单位为m/s；为频率，电磁波频率的单位是赫兹（Hz）。但常用的单位是千赫（KHz）和兆赫（MHz），；为波长（单位：m）。^[22]

电磁波是变化的电磁场的传播，而电磁场是具有能量的。所以，随着电磁波的传播，必然有电磁能量的传播。在前面的章节，我们已经得出了电场和磁场的能量密度分别为、。因此，电磁场总的能量密度。该能量随着电磁场的传播而形成了能流，其能流密度为。能流密度是矢量，它的方向就是电磁波传播速度的方向。由电磁波的波动方程可以知道的方向就是传播方向，故能流密度的矢量形式为这个矢量也称为坡印廷矢量，是描绘电磁波能量传播的重要物理量，其中为坡印廷矢量，E为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是W/m 。^{[35][36][37][38]}

电磁波不仅具有能量，而且也具有动量，对其他物体有力的作用。电磁波不仅有能量，而且也具有动量。对真空中的电磁波，设在空间某点处的电磁能量密度为，真空电磁波速为，根据光子的相对论质壳关系，电磁场的动量密度应是。根据“流密度=密度 x 流速”，电磁波在传播方向上的动量流密度（即单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的电磁波动量 ）为。其中用到了真空电磁波的辐射强度（即能流密度 ）。上式表明，单位面积所受的辐射压力（亦称光压）为。^[35]

电磁波根据波长（从波的一个至高点“波峰”到下一个波峰的长度）被细分为射电波（无线电）、红外线、光（可见光）、紫外线、X射线、射线（伽马射线）等几种。在日常生活应用中，各种电磁波的各电磁波的波长范围划分得并不严格，存在互相重叠的部分。^[8]不同波长的电磁波对应不同的频率，按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波（分为长波、中波、短波、微波）、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。其中，无线电的波长最长，频率最低，能量最小；宇宙射线（x射线、射线和波长更短的射线）的波长最短，频率和能量最高。^[9]

通常把在自由空间（包括空气和真空）传播的频率从几十赫兹（甚至更低）到3000GH 频段内的电磁波称为无线电波，对应的波长从几万千米到 0.1 毫米。按照频率范围的不同以及它们的特点，可以将其划分为若干波段。不同波段的无线电波，其传播特性有很大差别，应用也有所不同。^[22][5]

在电磁频段中，波长为1m ~1mm的波称为微波，频率主要介于300MHz~300GHz之间。微波介于无线电波和红外线之间，其低频端与无线电波的“超短波”波段相邻。因其波长与普通无线电波相比更加微小，故称为微波。^[6][39]由于这种电磁波的频率非常高又被称为超高频电磁波。电磁波的震荡频率越高，其波长越短。按照其波长范围，一般将微波划分为三个波段，即分米波、厘米波和毫米波，也可将部分波段界定为亚毫米波。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是全部穿透而不被吸收。生物体、水和含水材料对微波具有良好吸收性能并可产生热能转换。而对金属类材料，微波则会全部反射，不吸收也不能穿透。^[39]

红霏现是波长比射电波短（约0.1毫米以下），比可见光长（约800纳米以上）的电磁波，在光谱上与红光相邻，因其在光谱上位于红光之外，故称红外线。物体吸收红外线后温度会上升，所以红外线又被称为热射线。^[40][41]红外线光量子的能量低，被组织吸收后，主要引起分子振动而产生热效应，不能引起光化学效应和光电效应。临床上通常将医疗用红外线分为两段:短波红外线和长波红外线。短波红外线穿入人体组织较深，5~10mm，可达真皮及皮下组织，能直接作用于皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及皮下组织，如白炽灯；长波红外线穿透组织较浅，小于2mm，仅能达皮肤表皮浅层，如红外线灯。^[41]

可见光（或单独称为光）是肉眼可见的电磁波，波长约为400纳米至800纳米。人和大多数动物的眼睛都能看见可见光，这是因为生物为适应太阳光的光谱而进化的原因。^[8]

紫外线是一类频率介于可见光和X光之间的电磁波的总称，在电磁波谱中波长为 10~400nm，属于不可见光。根据波长，紫外线可以分为三个波段:长波紫外线，波长 320~400nm，通过照射可使一些物质产生荧光反应；中波紫外线，波长280~320nm，该波段可对人体皮肤产生较强的生物学效应，产生较强的红斑反应；短波紫外线，波长低于280nm，通过照射可产生强大的杀菌效果，可用于杀菌、消毒，被称为杀菌射线。^[41]

在电磁波谱中，X射线与紫外线和射线相搭接。^[42]X射线是一种频率极高、波长极短、能量很大的电磁波，其波长0.01nm~10nm。^[43][44]通常把波长大于0.3nm的部分称为软X射线，而把波长小于0.3nm的部分称为硬X射线，X射线波长愈短其穿透材料的能力愈强，X射线具有明显的粒子性。^[45]X射线具有很强的穿透物质的能力，经过电场和磁场时不发生偏转，穿过物质时可被吸收或使强度衰减，能激发荧光使照相底片感光，并能杀死生物细胞与组织等。^[46]

γ射线，又称γ粒子流，是波长小于0.01nm的电磁波，频率超过3×1020Hz，能量极高，^[47][48]一般由能态较高的原子核向较低能态跃迁时（γ衰变）时产生。γ光子是中性的，静止质量为0。^[49]γ射线可由铀yóu、钍tǔ、镭、锕ā等放射性金属发出，穿透力强，不会在磁场或电场中发生偏转，照射到物质时可与物质发生相互作用使得物质电离。^[50][51]

平常所说的电磁辐射属于非电离辐射，对人体的生物学效应与电磁波本身的物理特性密切相关，特别是与其能量、功率等有关。环境中非电离辐射来源于天然、日常生活用品或其他人为的发生源，可以说无处不在。电磁辐射健康危害的机制主要是热效应、非热效应和积累效应等。总体而言，环境电磁辐射的生物效应基本上是弱效应和远后效应，这也是电磁辐射健康危害研究难以取得突破性进展的原因。^[52][3]

在电磁辐射中，电磁热枪对人体的辐射，能使人体温升高让敌人不舒服、发烧，甚至死亡。频率低的电磁辐射，可使动物处于昏迷状态。这些磁场是非常微弱的，可以使一个人暂时伤残。超量的电磁辐射，会造成人体神经衰弱、食欲下降、心悸胸闷、头昏目眩、甚至脑部肿瘤。^[53][3]

人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。^[3]

人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界某些频率电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场可能遭到破坏，从而对人体的机能产生影响。^[3][52]

热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也会诱发想不到的病变。^[3]长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等，还有可能造成男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等。^[3]

光也是电磁波，包括可见光、红外线、紫外线等，自然光主要来自太阳辐射。可见光由不同颜色的单色光混合而成，其生物效应按颜色而异。红光可引起血液白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少，可以改善生长代谢，降低血糖，促进卵巢黄体形成。蓝紫光是红橙光生理作用的拮抗物，能防止胰岛素低血糖症，能漂白血液中的胆红素治疗新生儿黄痘。蓝光具有镇静作用而红光则相反，黄光的生物效应如同红光，绿光的作用与蓝光相同。可见光的不良生物效应多见于接触高强度的人工光源，引起视力下降。^[52]

紫外线可被酪氨酸和色氨酸吸收生成黑色素，适量的紫外线照射可预防小儿偻病的发生。但过度的紫外线暴露能引起皮肤损伤，表现为晒伤、色素沉着、光变态反应以及皮肤癌等此外，紫外线可抑制免疫细胞引起免疫系统功能低下，作用于眼可引起急性角膜结膜炎，严重者可导致白内障。^[52]

红外线的生物效应主要是热效应，被机体吸收后引起体温升高，局部或全身血管扩张，血流速度加快促进新陈代谢和细胞增生，有消炎和镇痛作用。红外线对皮肤损伤表现为热红斑，严重时可导致皮肤烧伤，在角膜则引起不可逆性角膜浑浊。^[52]

对于辐射防护，一般是说要远离电离辐射等高强度的辐射危害，例如，强烈的紫外线照射需要做好物理防晒，穿着防晒服等，对于较高能量的核辐射、电离辐射等，需要尽量待在建筑物内，生活中常见的辐射一般在医院放射科，所以尽量不要在放射科走廊内长期逗留。国际辐射防护委员会（ICRP）制定了相关核辐射（电离辐射）防护标准。^[54]规定职业工作人员的有效剂量限值为连续5年内平均每年不超过20毫希，公众个人则规定连续5年内平均每年不超过1毫希。^{[55][56][57][54]}

电磁波有广泛的应用，无线电波用于通信，微波多用在雷达或其他通信系统，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等，可见光是大部分生物用来观察事物的基础，紫外线有显著的化学效应和杀菌消毒作用，X射线用于对人体的透视和工程上的探伤，y射线具有很强的穿透能力，用于探伤、厚度测量和医学治疗。^{[7][5][6][58]}

在工业领域中，无线电波用于工业场景通信，例如地面、水面或水下作业通信等；^[6][39]紫外线可以进行工业测距，^[59]利用X、射线作零件探伤与自动控制等。^[60][61]

医疗领域中，较高频率的电磁波都有广泛的应用，红外线成像可根据人体的热量诊断疾病，红外线治疗仪可以利用红外线热效应治疗风湿性关节炎等顽固疾病；^[58]紫外线可以医用消毒；^[58][59]X射线利用X射线的穿透性和人体组织的吸收差异，可以进行影像诊断和放射治疗，如X光照片。^[62]

在军事上，无线电波用于卫星-地面通信、地面中继通信、成像雷达、远程制导等；微波用于空间和海事导航，飞机，导弹、空间飞行器的检测和跟踪。导弹制导、导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等；^[22][5][6]红外制导的导弹是可以跟踪飞机尾部热量的导弹，如著名的响尾蛇导弹；^[58]γ射线可用于军工的武器制造等。^[63]

在人们的日常生活中或民用工程中，电磁波有着海量的应用，首先，无线电波可以用于日常宽带移动通信、传真、导航、GPS、卫星和空间通信等待；其次，微波可以在公众应用中用于机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗以及日常食物加热等等；^[6]红外线常用于如高温杀菌、红外线夜视仪、监控设备、手机的红外口、宾馆的房门卡，汽车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应、饭店门口的感应门等。家庭中常用的红外线燃气灶具有高效节能、环保健康、清洁卫生、安全可靠的优点，红外加热取暖技术、红外线热水系统，都是民用产品；可见光是所有生物用来观察事物的基础，通过光学原理，人们研制出许多的仪器，如显微镜、望远镜、照相机等等；^[64]紫外线杀菌已广泛用于食品店、食品加工厂等的空间杀菌及饮料、无菌水的生产。^[59]

在科学研究中，微波用于天文学绘图及成像、精密距离测量、自然资源遥感等；红外测距仪以红外线作为载波的一种测距离的仪器；^[58]紫外线的能量进行杀菌和菌种诱变；^[59]在材料科学领域可以利用X射线衍射分析材料的晶体结构、相组成、应力状态等。^[46][44]