电磁波谱及其组成-物理学本

多姿多彩的电磁波

在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万千米。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。

依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱按照图3.1.1所示进行划分。

图3.1.1 电磁波波谱

无线电波：波长从3 000米到10-3米，一般的电视和无线电广播、手机等的波段就是用这种波。

微波：波长从1米到0.1厘米，这些波多用在雷达或其他通信系统。

红外线：波长从10-3米到7.8×10-7米；红外线的热效应特别显著。

可见光：这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。可见光的波长范围很窄，在7 600～4 000埃（在光谱学中常采用埃作长度单位来表示波长，1 埃=10-10米）。从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，波长从7 600直到十分之几毫米。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分，波长在（7.8～3.8）×10-7米。

紫外线：波长比可见光短的称为紫外线，它的波长在（380～10）×10-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此，紫外光的化学效应最强；红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测。无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的。一方面，由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝长波长的方向扩展。日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠。

X射线：这部分电磁波谱，波长在（10～0.01）×10-9米。X射线是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的。随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展。在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ射线领域。放射性辐射γ射线的波长是从1左右直到无穷短的波长。

γ射线：是波长在10-10～10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。

由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此，波长为几百千米的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。实际中用的无线电波是从波长约几千米（频率为几百千赫）开始。波长3 000米～50米（频率100千赫～6兆赫）的属于中波段；波长50米～10米（频率6兆赫～30兆赫）的为短波；波长10米～1厘米（频率30兆赫～3万兆赫）甚至达到1毫米（频率为3×105兆赫）以下的为超短波（或微波）。有时按照波长的数量级大小也常出现米波，分米波，厘米波，毫米波等名称。中波和短波用于无线电广播和通信，微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。电磁波谱中上述各波段主要是按照得到和探测它们的方式不同来划分的。随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限与其他相邻波段重叠起来。在电磁波谱中除了波长极短（10-4埃～10-5埃）的一段外，不再留有任何未知的空白了。

表3.1.1　分层学习要求

什么是电磁波

从古至今，人们传递信息的方式和方法经历多次演变（见图3.1.2）。从早期的烽火、飞鸽传书、到后来的信使、电报等，信息只能通过“信号”或者“文字”来传递。随着科技的发展，到了 19 世纪后期，第一部电话诞生，信息传递可以远距离的实现语音交流，这是一次跨越式的信息革命。可是人类科技文明的发展远不如此，到了今天我们可以利用手机或者通过手机安装APP（QQ、微信等）来与他人视频交流，实现面对面、零距离的信息传递。“千里眼”和“顺风耳”神话般的通讯方式被人类通过科技最终实现，而这背后的一切都离不开电磁波。

1.你知道生活中哪些电磁波？

图3.1.2　传递信息的主要方式

那究竟什么是电磁波？在这之前你可能对电磁波这个名词比较陌生，但是你也许知道以下物理名词：可见光、X光和无线电波等，除此之外还有红外线、紫外线、γ射线等，这些都是电磁波。电磁波是怎样产生的呢？经科学家研究发现，导体中变化的电流会向四周发射电磁波。

2.电磁波是如何产生的？

探测电磁波的存在

实验探究

用收音机来探测电磁波的存在

1.如图3.1.3所示，打开收音机，转动调谐旋钮至无电台处，在调节音量旋钮，增大音量。

2.取一节干电池和一根导线，先将导线的一端与电池的一极相接，再用导线的另一端与电池的另一极快速间断接触；仔细听收音机的反应。

图3.1.3　探测电磁波的存在

关于电磁波产生的机制和原理，在中学阶段只做简单了解，到了大学，如果你报考了电子信息工程相关专业，会专修一些课程，例如“电磁场与电磁波”“天线的设计”及“射频技术原理”等，你会对电磁波的产生、发射和接收有一个更加系统和深刻的认识。

电磁波的特点

回顾学习声波时，我们类比了水波，同样电磁波也可以类比水波。关于电磁波的特点，可以通过图3.1.4波的图像进行认识相关物理量。

3.声波与电磁波有哪些不同？

图3.1.4　波的图像

波长：相邻波峰或波谷间的距离，符号是λ，单位是米（m）；(www.xing528.com)

频率：描述波源振动的快慢，符号f，单位是赫兹（Hz）；

周期：电磁波走过一个波长所用时间，符号T，单位是秒（s）；

波速：电磁波传播的速度，符号v，单位是米每秒（m/s）。

相比声波，电磁波的频率高很多，目前应用中常用的频率达到几千兆赫兹（106Hz），而在太赫兹前沿技术研究中电磁波频率更高，可以达到太赫兹（109Hz）数量级。从这里可以看出电磁波的频率特性是多变的，但是对于同种电磁波，在不同介质中传播时，频率保持不变。

在学习“真空铃”实验时，我们就提到太空中的宇航员是如何进行交流。电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，并且电磁波在真空环境中的波速等于光速c。因此可以得到下面的计算公式。

4.如何理解不同介质中电磁波的频率不变？

当然，电磁波是一个大家族，如前面刚开始给大家介绍的几种常说的电磁波。看来电磁波的种类很多，需要进行分类，在物理学中我们常常根据电磁波的频率和波长进行分类，即电磁波谱，如图3.1.5所示。其中按照频率划分电磁波的方式是最常见的，而关于按照波长的大小分类的方法，则在电子信息技术领域经常使用，例如：毫米波、米波等。

5.为什么说光也是一种电磁波？

图3.1.5　电磁波谱

6.电磁波有哪些应用？

电磁波的利用

电磁波可以传递信息和能量。

首先来了解一下电磁波在信息方面的应用。第一，携带信息，作为传递的信息；第二，获得信息，这在测量或监测应用非常广泛；第三，作为媒介承载来传播信息。

如图3.1.6所示，分别是电磁波在信息方面的应用。利用各不同物质燃烧时发出不同波长的光波，可以来分析鉴别不同的元素，这也就是在高中化学要学习的内容——焰色反应。在当今这样科技发达的时代，电磁波在军事方面的应用极其广泛，比如，利用军事雷达来监测敌方战机：雷达是一个非常复杂的电子信息系统，可以实现信号的发射、接收以及信号的数字化处理等。首先雷达系统产生高功率的脉冲信号，通过一系列复杂的“工作”后，最终通过天线对目标发射信号，当这部分信号遇到目标后会被反射回来，再次被天线接收，最后经过一系列复杂的“工作”，得到数字化的数据或者图像，通过分析这些数据或者图像就可以判断目标的位置、运动状态等，从而实现军事雷达监测的目的。关于电磁波在传递信息的应用就非常普遍了，平时我们打电话，以及空间站里的航天员也是通过电磁波与地面的工作人员取得联系。

7.你在生活中哪些地方见到防电磁辐射标志？

图3.1.6　电磁波在信息方面的应用

其次，是关于电磁波的能量方面的应用。如图3.1.7所示，太阳光也属于电磁波，太阳为地球上生命的生存或者运动提供了能源。医院里的高频电磁波，如X射线、γ射线，现在常常作为一些手术治疗的“秘密武器”。除此之外，电磁波在军事武器中也发挥着重要作用，例如电磁炮的研发。电磁炮的体积小，速度快，发射成本低，隐身效果好，这是目前世界上任何武器都不具备的优势，也是世界各国未来大型武器研发的重点。电磁炮被称为是一种价格不太昂贵，却具有高杀伤力和远程打击能力的攻击性武器。

图3.1.7　电磁波在能量方面的应用

当然，在电磁波的利用中除了上面所讲的优点以外，也可能带来一些电磁污染。电磁波中的γ射线频率很高，穿透性很强。合理使用它们可以在工业医疗方面给人类带来帮助。但如果控制不当或者摄入人体过量，则会导致细胞病变、癌变，基因突变，甚至导致死亡。为此，国家制定了相关法规和标准，在可能存在电磁污染的区域会张贴有如图3.1.8所示的标志。

图3.1.8　电磁污染提示

通过前面的学习，相信大家对电磁波有一个初步的认识，也对电磁波有了更多的好奇心。请保持你的好奇心，相信在不久的将来，你也能在相关领域做出自己那一份贡献。

切尔诺贝利事故

切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰苏维埃社会主义共和国境内的普里皮亚季市（俄语：Припять；英语：Pripyat），该电站第4发电机组，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故（见图3.1.9）。辐射危害严重，导致事故后有31人当场死亡，200多人受到严重的放射性辐射，之后15年内有6.8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的4.5万多民众被迫疏散。为消除辐射危害，保证事故地区生态安全，乌克兰和国际社会一直在努力。

图3.1.9　切尔诺贝利现场图

1986年4月25日，4号反应堆计划关闭以做定期的维修和测试，并借此机会来测试反应堆的涡轮发电机能力——检查在电力损失的情况下是否仍有充足的电力供应给反应堆的安全系统（特别是水泵）。切尔诺贝利的反应堆设计有一对柴油发电机作为备用电力供应，但是柴油发电机无法瞬间启动，此时反应堆将使用转动的涡轮作为能量来源，涡轮会和反应堆分离并在自身的惯性下转动。测试为了确定在柴油发电机尚未启动时，涡轮是否能在电力减少阶段仍充足地供应能量给水泵。该类测试早先在其他单位已执行成功（所有安全供应起动），但结果不尽人意（涡轮产生的力量不足以在减少阶段供给水泵动力）。

为了在更安全、更低功率情况下进行测试，操作人员首先断开了反应堆的安全系统，以保证安全系统不会因为实验操作而自动触发。此时，切尔诺贝利的4号反应堆的能量输出从正常功率的3 200兆瓦（即国际通用单位MW，旧称为320万千瓦）减少至700兆瓦。但是，由于在实验开始时，反应堆操作人员对能量输出的降低过快，此时实际功率输出降至只有30兆瓦，生成的裂变产品氙-135增加（该产品会吸收中子），功率下降的速度虽然已接近安全章程允许的最大值，但操作人员仍选择继续实验。实验决定将功率上升200兆瓦。为了克服剩余氙-135对中子的吸收，操作人员从反应堆中拔出了安全章程所规定的控制棒数。在1986年4月26日凌晨1点05分，涡轮发电机推动的水泵启动，水的流量超出了安全规定量。凌晨1点19分，水流量继续增加，由于水也会吸收中子，因此在水流量的进一步增加时，需要手动撤除控制棒以增加中子反应速率，成为了一个极其不稳定的危险操作。当能量输出已经低于规定最小值时，工程师们选择拆除反应堆的控制杆，保留211个控制杆中的6个，来加快反应堆的运行速率。安全章程要求控制杆的最少数量为30个，但自认为经验极其丰富的操作人员深信6个控制杆就够用了。

工程师们认为自己已经重新稳定了反应堆，便在凌晨1点23分04秒开始他们的实际试车实验。反应堆的不稳定状态没有在控制板上显示出来，并且所有工程师们也未意识到危险。此时水泵的电力关闭，水流靠涡轮发电机的惯性推动，流动速率减低。涡轮从反应堆分离，反应器核心的蒸汽量增加。由于在切尔诺贝利的RBMK石墨缓和反应堆特殊设计有一个高正面空系数，因此在水流减缓时，反应堆内对中子吸收的作用减弱使反应堆的功率迅速增加。凌晨1点23分40秒操作人员按下了命令“紧急停堆”的AZ-5（“迅速紧急防御5”）按钮——所有控制棒准备重新插入反应堆中。另一方面，总工程师Anatoly Dyatlov，在事故时身在切尔诺贝利核电站，他在他的书上写到：

“在1点23分40秒，集中化控制系统之前……没有登记能辩解紧急停堆的任何参量变动。依照陈述委任……会集和分析很多材料，在它的报告，没确定原因为什么命令了紧急停堆。并没有需要寻找原因。反应堆简单地在实验完成时被关闭。”

由于控制棒的插入机制（18～20秒的慢速完成）和设计结构，控制棒底端设计有石墨，石墨与水冷却剂接触瞬间导致反应堆反应速率增加，功率的瞬间增大导致管道变形，控制棒在插入管道的三分之一就被卡住了，无法有效地停止反应。凌晨1点23分45秒，反应堆功率急升至33 000兆瓦，这已达到十倍正常功率值。燃料棒开始熔化，蒸汽压力迅速地增加，导致蒸汽爆炸，反应堆顶部移位并被破坏，冷却剂管道爆裂并将屋顶炸开一个洞。由于苏联为了减少建设费用，反应堆以单一保护层的方式修建。于是放射性污染物在主要压力容器发生蒸汽爆炸破裂之后进入了大气，氧气流入并与极端高温的反应堆燃料和石墨慢化剂结合——引起了石墨火。火灾令放射性物质扩散并污染更广的区域。由于目击者的报告和站内记录不一致，有一些争论者认为事故发生在当地时间1点22分30。基于这种理论，第一次爆炸发生在大约1点23分45秒，操作员在七秒以后命令了“紧急停堆”。

由此可见，切尔诺贝利事件完全是一起“人为原因”造成的核灾难，我们无法改变历史，但这也提醒着我们要以最严谨的态度对待科学，否则我们还可能会遇到更多“麻烦”！