电 磁 波 频 谱 物 理 波 电 磁 波 频 谱 第 一 部 分 : 频 率 比 红 外 线 小 的 波 什 么 是 电 磁 波 带 电 微 粒, 比 如 电 子, 是 由 电 场 包 围 的 如 果 一 个 带 电 微 粒 加 速, 那 么 这 个 电 场 就 改 变 了 这 个 改 变 后 的 电 场 产 生 了 一 个 改 变 的 磁 场 一 个 改 变 的 磁 场 也 产 生 了 一 个 改 变 的 电 场 这 个 过 程 不 断 重 复, 从 而 产 生 了 一 道 波, 它 以 高 速 运 动 着 这 些 波 就 被 称 为 电 磁 波 当 电 子 震 动 时 就 会 产 生 电 磁 波 电 子 每 秒 钟 震 动 的 次 数 决 定 了 波 的 数 量, 也 就 是 每 秒 钟 产 生 的 波 的 数 量, 这 就 是 波 的 频 率 产 生 的 波 彼 此 波 峰 之 间 的 距 离 叫 做 波 长, 波 长 和 频 率 有 关 高 频 的 波 则 波 长 较 短 图 表 01: 有 些 波 我 们 肉 眼 可 以 看 到, 这 些 波 被 称 为 可 见 光 而 有 一 些 电 磁 波 肉 眼 是 无 法 看 到 的, 电 磁 波 包 括 无 线 电 波 微 波 红 外 线 紫 外 线 X 光 合 伽 马 射 线 等 - 什 么 是 电 磁 波 频 谱? - 电 磁 波 频 谱 是 由 什 么 组 成 的? 问 题 1. 电 磁 波 传 播 的 速 度 有 多 快? 真 空 中 所 有 电 磁 波 都 以 大 约 30 万 公 里 每 秒 的 速 度 传 播, 这 个 速 度 也 就 是 我 们 所 知 道 的 光 速 信 息 和 物 质 的 传 播 速 度 不 可 能 超 过 光 速 电 磁 波 在 其 它 介 质 中 的 速 度 会 有 所 不 同 比 如, 在 玻 璃 中, 可 见 光 的 传 播 速 度 大 约 是 20 万 公 里 / 秒 此 外, 一 种 波 的 频 率 可 能 使 得 它 无 法 穿 过 某 种 介 质, 而 是 被 介 质 吸 收 了 什 么 是 无 线 电 波? 这 些 卫 星 锅 能 探 测 到 来 自 外 太 空 的 无 线 电 波 一 种 波 的 能 量 越 低, 它 的 频 率 也 就 越 低 能 量 最 低 的 波 是 无 线 电 波 电 磁 波 的 波 长 很 长, 大 约 超 过 30 米 如 果 一 股 电 流 在 一 种 导 体 中 来 回 传 播, 这 会 导 致 电 子 的 振 荡, 于 是 就 产 生 了 无 线 电 波 如 果 这 些 无 线 电 波 传 播 到 另 一 个 导 体 中, 这 些 波 可 以 使 得 这 个 导 体 中 的 电 子 也 产 生 振 荡, 从 而 产 生 一 个 小 的 电 流 这 种 原 理 可 以 运 用 于 通 讯 - 无 线 电 波 : 水 下 交 流 1
什 么 是 微 波? 如 果 电 子 振 荡 的 频 率 高 于 无 线 电 波 的 频 率, 达 到 大 约 20 亿 次 每 秒, 产 生 的 波 就 是 我 们 所 知 的 微 波 就 像 所 有 电 磁 波 频 谱 一 样, 我 们 无 法 确 切 的 定 义 两 种 波 确 切 的 界 限 电 磁 波 的 波 长 小 于 30 厘 米, 大 于 几 毫 米 就 像 无 线 电 波 一 样, 微 波 也 可 以 用 于 通 讯 因 为 电 磁 波 的 频 率 比 无 线 电 波 高, 它 们 可 以 携 带 更 多 的 信 息, 但 是 要 在 远 距 离 的 情 况 下 使 用 微 波 来 传 输 会 更 加 困 难 - 手 机 如 何 工 作? 问 题 2. 微 波 炉 是 如 何 工 作 的? 微 波 除 了 可 以 用 于 通 讯, 还 能 加 热 食 物 水 分 子 具 有 两 极 性, 也 就 是 说 水 分 子 的 一 端 带 有 轻 微 的 正 电 荷, 另 一 端 带 有 轻 微 的 负 电 荷 当 处 于 一 个 电 场 中 时, 水 分 子 会 旋 转 来 适 应 这 个 电 场 微 波 炉 使 用 的 微 波 频 率 是 2.45 千 兆 赫 ( 也 就 是 每 秒 钟 振 荡 24 亿 5000 万 次 ), 这 意 味 着 水 分 子 会 快 速 来 回 旋 转, 从 而 与 迅 速 改 变 的 电 场 相 一 致 这 种 振 动 会 使 得 温 度 上 升, 发 生 这 个 变 化 时 水 分 子 会 将 能 量 传 递 到 食 物 的 分 子 中, 使 得 食 物 分 子 也 发 生 振 动 和 温 度 上 升 问 题 3. 什 么 是 太 赫 兹 波? 太 赫 兹 波 是 波 长 0.3 毫 米 到 1 毫 米 之 间 的 波, 它 比 微 波 短 但 比 红 外 线 的 波 长 要 长 在 现 代 技 术 进 步 以 前, 要 产 生 能 够 穿 透 纸 张 或 衣 物 的 太 赫 兹 波 是 很 困 难 的 近 年 来, 许 多 飞 机 场 引 进 了 身 体 扫 描 仪, 这 红 仪 器 主 要 分 为 两 个 种 类, 使 用 的 是 两 种 不 同 的 技 术 :X 光 反 射 仪 和 太 赫 兹 波 反 射 仪 第 二 部 分 : 红 外 线 可 见 光 和 紫 外 线 什 么 是 红 外 线? 波 长 在 0.007 毫 米 和 0.3 毫 米 之 间 的 波 我 们 称 为 红 外 线 一 般 热 的 物 体 会 发 射 出 大 量 的 红 外 线 从 太 阳 到 地 球 大 约 一 半 的 能 量 都 是 以 红 外 线 的 形 式 传 播 而 来 的 许 多 分 子 内 振 动 的 原 子 的 频 率 都 在 红 外 线 频 率 的 范 围 之 内 因 为 分 子 会 吸 收 这 些 频 率 的 光, 所 以 我 们 可 以 使 用 红 外 线 来 辨 别 这 里 有 哪 些 分 子 这 种 技 术 就 是 红 外 线 光 谱 学, 我 们 可 以 使 用 许 多 种 不 同 频 率 的 红 外 线, 来 探 知 哪 些 被 样 本 吸 收 了 - 红 外 线 : 捕 猎 蛇 一 些 温 暖 的 物 质, 比 如 人, 会 发 射 出 红 外 线 2
问 题 4. 如 何 使 用 红 外 线 来 探 测 酒 精? 酒 精 探 测 仪 使 用 红 外 线 来 测 定 呼 吸 样 本 摄 取 的 酒 精 量 红 外 线 穿 过 装 有 样 本 的 一 个 小 盒 子, 每 种 波 长 的 红 外 线 被 吸 收 的 量 被 记 录 下 来 这 样 就 可 以 显 示 样 本 中 酒 精 ( 或 者 乙 醇 ) 的 含 量, 因 为 乙 醇 中 的 氢 氧 化 物 会 大 量 吸 收 红 外 线 问 题 5. 夜 视 仪 是 如 何 工 作 的? 制 作 夜 视 仪 的 方 法 有 几 种 热 成 像 技 术 可 以 找 到 哪 些 温 暖 的 物 体 发 射 了 红 外 线, 所 以 它 的 对 象 仅 仅 局 限 于 人 动 物 和 交 通 工 具 这 些 物 体, 但 是 它 经 常 被 法 律 机 关 用 于 寻 找 和 追 踪 个 别 的 对 象 同 时, 红 外 线 还 可 以 用 于 侦 察 周 围 的 环 境 有 些 人 眼 看 不 到 的 东 西, 红 外 线 探 测 器 可 以 接 收 到 反 射 的 红 外 线, 形 成 图 像 早 在 二 战 期 间 就 使 用 过 一 些 基 于 这 种 原 理 制 造 的 军 事 设 备 但 是 因 为 敌 军 使 用 了 相 同 的 技 术, 也 可 以 通 过 红 外 线 来 探 知 周 围 的 环 境, 所 以 这 种 设 备 的 使 用 很 有 限 基 于 同 样 的 原 因, 今 天 的 军 事 领 域 已 经 不 再 使 用 这 样 的 设 备 了, 而 是 主 要 用 于 安 全 系 统 图 像 增 强 仪 不 仅 用 于 探 测 红 外 线, 还 可 以 探 测 到 少 量 其 它 不 同 波 长 的 光, 增 强 仪 将 这 些 光 强 化 从 而 使 我 们 的 肉 眼 可 以 看 到 它 们 问 题 6. 什 么 是 黑 体 辐 射? 所 谓 黑 体, 就 是 能 够 吸 收 所 有 射 入 的 电 磁 辐 射 的 物 体, 也 就 是 光 谱 上 所 有 的 电 磁 波 类 型 这 种 物 体 发 出 的 辐 射 就 是 黑 体 辐 射 有 各 种 不 同 波 长 的 波 发 出, 但 是 射 线 最 强 的 光 的 波 长 取 决 于 这 个 物 体 的 温 度 物 体 的 温 度 越 高, 发 射 出 的 光 的 波 长 越 短 室 温 下 的 物 体 大 多 数 会 发 射 出 红 外 线, 肉 眼 是 看 不 见 的 ; 但 是 在 600 的 高 温 下 物 体 开 始 发 射 出 足 够 的 可 见 光, 我 们 会 看 到 红 光 温 度 再 上 升 一 些, 物 体 慢 慢 变 成 橘 色, 然 后 黄 色 太 阳 表 面 的 温 度 大 约 是 5500, 所 以 它 不 是 一 种 好 的 黑 体, 因 为 它 发 出 的 大 多 数 光 都 是 可 见 光 它 发 出 的 最 多 的 光 线 是 光 谱 中 的 可 见 绿 光 太 阳 看 起 来 不 是 绿 色 的, 因 为 它 发 出 的 其 它 波 长 的 光 和 绿 光 混 合 起 来, 使 得 太 阳 光 看 上 去 是 白 色 的 ( 虽 然 看 起 来 略 显 黄, 因 为 光 线 被 大 气 层 发 散 了 ) 人 类 可 以 看 到 哪 些 电 磁 波? - 什 么 是 电 磁 波 频 谱? - 什 么 构 成 了 电 磁 波 频 谱? - 数 据 档 案 : 动 物 视 角 肉 眼 能 看 到 的 光 的 波 长 在 0.4 微 米 到 0.75 微 米 之 间 (1 米 等 于 100 万 微 米 ), 但 每 个 人 的 情 况 会 稍 有 不 同 这 样 的 波 在 原 子 中 的 电 子 改 变 位 置, 从 高 能 量 级 移 动 到 低 能 量 级 时 会 产 生 可 见 光 只 是 电 磁 波 频 谱 中 很 小 的 一 部 分, 但 这 些 光 是 太 阳 光 的 主 要 组 成 部 分 有 些 鸟 类 和 昆 虫 能 够 感 知 到 波 长 更 短 的 光 线, 比 如 紫 外 线 还 有 少 量 的 动 物 能 够 感 知 波 长 更 长 的 红 外 线, 有 些 蛇 拥 有 的 器 官 能 够 探 测 红 外 线, 从 而 帮 它 夜 视 望 远 镜 能 够 探 测 到 红 外 线 们 找 到 猎 物 但 是 我 们 还 不 清 楚 它 们 的 眼 睛 能 否 看 到 红 外 线 3
什 么 是 紫 外 线? 波 长 在 0.01 微 米 到 0.4 微 米 之 间 的 电 磁 波 被 称 为 紫 外 线 自 由 电 子 和 原 子 再 结 合 是 就 会 产 生 紫 外 线 波 长 在 0.01 微 米 图 表 02: 到 0.4 微 米 之 间 的 光 根 据 波 长 的 不 同 分 为 长 波 紫 外 线 中 波 紫 外 线 和 短 波 紫 外 线 ( 分 别 缩 写 为 UVA, UVB 和 UVC), 这 三 种 光 线 都 对 我 们 的 皮 肤 有 害 这 三 种 光 线 中,UVA 的 波 长 最 长 和 UVB 不 一 样,UVA 能 够 穿 透 玻 璃 UVB 和 UVC 比 UVA 更 危 险, 我 们 已 经 知 道 这 两 种 光 会 造 成 DNA 的 损 坏 并 最 终 导 致 皮 肤 癌 皮 肤 对 这 两 种 光 线 反 应 后 会 产 生 黑 色 素, 它 会 导 致 皮 肤 变 黑 如 果 大 量 的 UVB 和 UVC 照 射 皮 肤, 就 会 破 坏 人 体 的 细 胞 虽 然 UVC 是 三 者 中 最 危 险 的 一 种, 但 是 这 种 光 线 大 多 数 都 被 地 球 的 大 气 层 所 阻 隔, 尤 其 是 臭 氧 层 - 什 么 是 电 磁 波 频 谱? - 什 么 构 成 了 电 磁 波 频 谱? 问 题 7. 紫 外 光 在 照 明 中 是 如 何 应 用 的? 虽 然 人 类 的 肉 眼 看 不 见 紫 外 光, 看 是 它 却 可 以 用 于 照 明 人 们 在 荧 光 灯 中 使 用 电 流 来 激 活 气 体 当 这 些 原 子 中 的 电 子 移 动 到 较 低 的 电 磁 层 时, 紫 外 光 就 释 放 出 来 了 这 种 电 灯 的 灯 管 壁 上 正 是 日 光 中 的 紫 外 光 使 我 们 的 皮 肤 变 黑 和 灼 伤 问 题 8. 什 么 是 真 空 紫 外 线? 附 有 能 够 吸 收 紫 外 光 并 释 放 可 见 光 的 材 料 这 个 过 程 运 用 于 节 能 灯 管 中, 产 生 的 节 能 效 果 很 好 并 且 这 种 灯 管 和 钨 丝 不 同, 只 会 释 放 很 少 的 热 量 当 紫 外 线 的 波 长 在 0.1 微 米 到 0.2 微 米 之 间 时, 紫 外 线 会 被 空 气 和 光 线 吸 收, 因 为 这 个 原 因, 这 个 范 围 内 的 紫 外 线 被 称 之 为 真 空 紫 外 线 随 时 使 用 真 空 环 境 来 吸 收 这 些 紫 外 线 会 很 困 难 但 是, 这 种 吸 收 是 由 氧 分 子 完 成 的, 所 以 只 要 用 氮 气 代 替 空 气 就 可 以 形 成 这 种 真 空 的 环 境 了 这 一 点 在 半 导 体 工 业 中 非 常 重 要, 这 里 会 在 一 个 被 称 为 影 印 平 版 印 刷 法 的 过 程 中 使 用 到 真 空 紫 外 线 一 个 半 导 体 表 面 涂 上 一 层 化 学 物 质, 然 后 用 紫 外 线 照 射, 之 后 紫 外 线 会 穿 过 一 个 面 具 紫 外 线 激 活 了 这 种 化 学 物 质, 面 具 上 的 图 案 就 留 在 了 半 导 体 上, 其 表 面 杯 刻 上 了 东 西, 于 是 一 个 集 成 电 路 就 做 好 了 4
第 三 部 分 :X 射 线 和 伽 马 射 线 什 么 是 X 射 线? 图 表 03: 波 长 在 0.01 到 10 纳 米 之 间 的 波 被 称 为 X 射 线 这 些 波 是 在 原 子 中 的 电 子 从 很 低 的 能 量 级 中 被 逐 出 时 产 生 ( 电 子 通 常 是 由 另 一 个 自 由 高 速 运 动 的 电 子 逐 出 来 的 ) 之 后 电 子 层 中 形 成 的 空 白 被 更 高 电 子 层 中 的 一 个 电 子 填 充, 这 时 一 股 高 能 量 的 波 就 释 放 出 来 这 些 波 的 频 率 很 高, 可 达 几 千 亿 赫 兹 频 率 如 此 高 的 电 磁 波 拥 有 极 高 的 能 量 能 让 它 们 的 电 子 从 原 子 中 逸 出, 将 它 们 变 成 带 正 电 的 离 子 所 以 我 们 可 以 说 X 射 线 是 一 种 电 离 子 辐 射 - X 射 线 与 伽 马 射 线 用 于 医 学 问 题 9. X 射 线 在 医 学 中 是 如 何 应 用 的? 短 波 长 的 X 射 线 能 够 穿 透 肉 体, 但 是 会 被 骨 头 吸 收 如 果 胶 卷 放 在 病 人 身 体 的 另 一 边, 穿 透 过 来 的 X 光 会 和 胶 卷 起 反 应, 而 那 些 被 骨 头 阻 隔 了 光 的 胶 卷 的 部 分 则 不 会 起 反 应 于 是 人 体 内 骨 头 的 图 像 就 可 以 通 过 这 种 方 式 形 成, 但 是 现 代 的 X 射 线 设 备 通 常 会 使 用 电 子 探 测 器 来 代 替 胶 卷 人 体 组 织 也 可 以 吸 收 一 定 程 度 的 X 射 线, 所 以 除 了 骨 头 以 外 的 图 像 也 经 常 用 于 医 学 诊 断 这 张 人 体 躯 干 图 是 由 一 系 列 X 光 片 拼 在 一 起 形 成 的 5
什 么 是 伽 马 射 线? 波 长 小 于 0.01 纳 米 的 电 磁 射 线 通 常 称 为 伽 马 射 线 事 实 上, 伽 马 射 线 和 X 射 线 之 间 的 界 限 很 难 定 义, 有 时 候 同 一 股 波 既 可 以 是 波 长 较 短 的 X 射 线, 也 可 以 是 波 长 较 长 的 伽 马 射 线 所 以, 波 一 般 是 由 它 们 的 来 源 来 分 类 的 X 射 线 是 由 原 子 内 的 电 子 释 放 的, 伽 马 射 线 是 由 原 子 中 的 原 子 核 释 放, 或 者 物 质 和 反 物 质 抵 消 时 产 生 的 要 阻 挡 伽 马 射 线 是 很 困 难 的, 为 了 防 止 曝 光 需 要 使 用 厚 的 铅 或 混 凝 土 来 阻 隔 伽 马 射 线 是 一 种 电 离 子 射 线, 会 对 生 物 体 组 织 造 成 伤 害 但 是 伽 马 射 线 的 破 坏 性 比 其 它 形 式 的 放 射 物 要 低, 因 为 它 能 几 乎 穿 透 所 有 物 质 的 能 力, 意 味 着 它 会 穿 透 人 体 而 不 被 大 量 吸 收 伽 马 射 线 如 何 应 用 于 医 学 中? 虽 然 伽 马 射 线 可 能 对 人 体 有 害, 因 为 暴 露 于 伽 马 射 线 下 会 增 加 癌 症 的 风 险, 但 是 它 经 常 被 运 用 于 放 射 疗 法 中 来 杀 死 癌 细 胞 伽 马 射 线 穿 透 人 体 组 织 的 能 力 也 意 味 着 伽 马 射 线 发 射 器 能 够 用 于 跟 踪 病 人 吞 食 下 的 含 有 伽 马 射 线 的 物 质 因 为 物 质 发 射 的 伽 马 射 线 能 够 从 体 外 探 测 到, 所 以 路 径 可 以 绘 制 出 来 生 成 图 像 进 而 用 于 研 究 和 诊 断 伽 马 射 线 可 以 用 于 一 些 医 学 仪 器 的 消 毒 - X 射 线 与 伽 马 射 线 用 于 医 学 6