大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 惊天“波舞”:谁是最具能量的“舞蹈家”?

惊天“波舞”:谁是最具能量的“舞蹈家”?

在我们这个由无数跳动物质“联合表演”的世界里,谁是最具能量的杰出“舞蹈家”?毫无疑问,是电磁波!人类就是在“解读”电磁波的过程中将人类文明不断地向上提升的!现在让我们来一起欣赏电磁波的——




是什么让我们看到了闪烁的群星、翠绿的森林、鲜艳的花朵?是电磁波。是什么让我们在地球的赤道上听到了远在南极进行科学考察的科学家的笑声,看到了他们的笑脸?也是电磁波。电磁波包围在我们四周,荡漾在世界的任何地方,充斥在宇宙的每一个角落。

不仅如此,电磁波还在我们身体中颤动,在物体的内部颤动,在行星中颤动,在恒星中颤动。毫不夸张地说,宇宙的浩瀚就是电磁波的浩瀚,没有了电磁波,我们的世界将陷入沉沉的死寂中。

从能跳善舞和所释放能量大小的角度来评价,电磁波应该是我们这个物质世界里最具能量的杰出“舞蹈家”。尽管不同的电磁波有不同的“舞步跨度”,但整个电磁波家族成员的“飞舞”速度基本都是一样的,都是每小时近30万千米。为了保持整齐划一的家族整体速度,那些跳“小步舞”的成员,就拼命增加“飞舞次数”,相反,那些跳“大步舞”的成员,则主动减少自己的“飞舞次数”。物理学家把电磁波的“舞步跨度”叫做波长,把它们在一定时间里的“飞舞次数”叫做频率,他们喜欢用这两个物理参数来揭示电磁波家族里深藏的秘密。

现在,让我们沿着“指数级台阶”,逐一寻找这个家族的每个成员,并认真欣赏欣赏它们的惊天“波舞”。





小步舞:波长从1皮米到1微米

从1皮米到10皮米 γ射线大显神通

γ射线几乎没有质量,速度接近光速,在所有已知的电磁波中,波长最短、频率最高、能量也最大,其能量是可见光能量的数百倍乃至上万倍!

高能量加上强穿透力,使γ射线成为最令人望而生畏的恐怖射线。它可以瞬间轻松穿透人体,并与人体内细胞发生电离作用,电离产生的离子能侵蚀生命体内复杂的有机分子,如蛋白质、核酸和酶,导致人体内的正常化学过程受到干扰,严重的可以使细胞死亡。现代核武器中的“γ射线弹”就是一种以强γ射线为主要杀伤力量的核弹,其威力要比中子弹大得多,一枚“γ射线弹”如果在阿尔卑斯山上爆炸,其杀伤范围将波及整个欧洲南部,在此范围内暴露的生物会全部死亡。

事物总是一分为二的,γ射线能杀死正常细胞,也能杀死癌细胞,因此我们可以用γ射线作“放疗”,医治恶性肿瘤。我们还可以充分利用γ射线的穿透能力,在工业上用它作金属探伤,或检查金属板的厚度;在农业上用γ射线适当照射种子,能使农作物增产,还能增强某些作物的抗病能力。




从10皮米到100皮米 X射线群体出现了

在这个波长范围内,X射线出现了。X射线是波长在10皮米~30纳米之间的一种电磁波。X射线的“舞步跨度”大约是α射线的10倍到1000倍,但和人的“步伐”相比,也仅仅是千亿分之一到十亿分之一。X射线的总体特点是波长很短,有极强的穿透能力,能穿透许多不透明的物质。

X射线被发现以后,立即显示出了其卓越的才能。在医学上用它检查病变和骨折的情况;在工业上用它来检查金属铸造品内部是否存在气泡以及其他不正常的情况;用已知波长的X射线在晶体上衍射,可以研究晶体的结构。现在,X射线已经广泛应用在天文观测方面,如太阳X射线的探测、超新星遗迹(如蟹状星云、仙后座A等)X射线的探测、双星系统X射线的探测等。科学家通过对X射线仪器观测天体结果的研究分析,可以确定天体的元素组成以及中子星、黑洞的大小等信息。

物理学家根据X射线波长的长短把它们分为超硬X 射线、硬X射线、软X 射线和超软X射线四大类。

超硬X射线(小于10皮米)是X射线家族中能量最大的,它主要来源于超新星的能量大爆发。目前人类还没有驾驭它的能力,但在天文学领域,可以通过对它的观测了解遥远星系的爆发情况。

硬X射线(10皮米到100皮米)因为波长相对较短,能量相对较大,所以对人体的伤害也比较大,

这也是它的“硬处”所在。物理学家目前对硬X射线群体的发掘比较深入,它的应用也比较广泛。像常用的X射线透视、X射线工业探伤,都是以硬X射线为主力军。

从100皮米到1纳米 软X射线独领风骚

软X射线因为对人体无大的伤害,所以近年来格外受到科学家的重视,它的医疗应用范围也越来越广。在物理性能方面,因为软X射线的波长相对较长,相对地光学技术的要求就偏低,这就使它在显微分析和X光望远镜、X光光刻等方面,发挥出了独特的优势。

从1 纳米到10 纳米 超软X射线纵横驰骋

超软X射线又叫浅层X射线,X射线伦琴天文卫星曾于20世纪90年代在白矮星的双星系统的演化过程中发现了它。宇宙γ射线暴在传播的尾段也会出现超软X射线波段。

今天,超软X射线已经成为人类探测宇宙的重要工具。神舟二号飞船上就携带了进行空间天文观测的超软X射线探测器。此外,在医学上,超软X射线直线加速器也已经成为对肿瘤病人进行放射治疗的重要仪器。




从10 纳米到100 纳米 发现了紫外线家族

在这个波长区间,出现了波长在10~380纳米之间的紫外线。还有一小部分超软X射线也在这个狭小区间与紫外线紧密相伴,但它们的“楚河汉界”究竟怎样划分,现在还没有定论。

一切高温物体,如太阳、弧光灯发出的光都含有紫外线。紫外线有很强的荧光效应,能使许多物质发出荧光。在生活中日光灯和农业上诱杀害虫的黑光灯,都是用紫外线来激发荧光物质发光的。紫外线还有其他广泛的用途,如紫外线杀菌消毒、紫外线理疗、紫外线荧光分析和鉴别侦破、紫外线曝光光刻等。紫外线的破坏作用也不小,像文物书画、橡胶塑料,在紫外线长期照射下会发生老化。

物理学家根据紫外线的不同性能和对应波长,把紫外线家族成员分成了四大类:真空紫外线、短波紫外线、中波紫外线和长波紫外线。

真空紫外线(10~200纳米)可以产生臭氧。臭氧是一种强氧化剂,能够除去空气中的有害物质、灰尘和异味,还能够杀灭空气和水中的各种微生物,包括细菌、病毒等。常用于密闭的桶、箱、柜里的消毒,用在房间里可以杀菌、消毒、净化空气,使室内的空气有如大自然森林中的空气般清新怡人。

从100 纳米到1 微米 可见光波闪亮登场

这个区域应该称之为电磁波的“黄金区域”,因为在这个区域不但有紫外线的三个“集团军”,还出现了决定人类命运的波长在380~780纳米之间的可见光波,这是人类唯一可以单凭肉眼看到的电磁波。

短波紫外线(200~275纳米)可以被臭氧和氧气完全吸收,所以到达地球表面的太阳光线中,短波紫外线几乎为零。这种紫外线虽然数量极少,但它的杀伤力却很大,目前人类消毒灭菌使用的紫外线主要是这种紫外线。

中波紫外线(275~320纳米)在到达地球表面的太阳光线中约占0.39%。这个波段内的紫外线对人体有保健和治疗作用。配合辅助药物可以治疗多种皮肤病,还可以作为荧光分析仪器的光源和促进植物生长的光源。

长波紫外线(320~380纳米)在到达地球表面的太阳光线中约占12.61%。由于到达地面的主要是没什么危险的长波紫外线,因此适量的紫外光可使人感到神清气爽,促进机体的新陈代谢,对人体有保健治疗作用。但过多的紫外线照射对人体、生物还是很有害的,例如,紫外线的长期积累可诱发皮肤癌。长波紫外线还可以作为验钞仪防伪检测的光源、大型晒图仪的主要光源等。




当电磁波的“舞步跨度”进入380到780纳米这个区间,人们单凭肉眼就可以看见它们精彩的表演了。这一段波的波长和频率正好都位于电磁波系列的中间状态,而且恰巧能够被人眼这个复杂的光感觉系统接受,从而使人看到了周围世界的色彩。这里,我们要明白的是,颜色并非是光的本性,它只是该波段的光作用于人的视神经,在人脑中形成的主观感觉。

地球上光波的最主要来源是太阳。英国科学家牛顿在1666年发现,把太阳光经过三棱镜折射,然后投射到白色屏幕上,会显出一条像彩虹一样美丽的色光带谱,依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。

紫色光(380~420纳米)是可见光中波长最短、频率最高、能量最大的光波。在医学应用中,日光照射对痤疮的治疗比较有效,但在太阳光的七种光波中,紫色光的治疗效果要明显地好于其他光。

蓝色光(420~470纳米)频率较高、波长很短,仅次于紫色光,正因为波长短,不容易衍射,散射性较大。如天空的蓝色就是大气分子、冰晶、水滴等和波长较短的蓝色光波共同创作的图景。

青色光(470~500纳米)因波长较短,青色光几乎不被海水吸收,这就是在水下观察物体或拍摄时,色调总是偏于青蓝的原因之一。

绿色光(500~570纳米)会使人心理上联想到大自然的一片葱绿,因此产生舒适、恬静、安全的感觉。绿色光与红色光的对比效果最好,容易辨认,所以被当作“允许通行”的交通信号。

黄色光(570~600纳米)会使人感到危险,但没有红色那么强烈,其一般意义表示“注意”,常用来表示“警告”信号。在交通指挥灯中,黄色光作为过渡信号,其作用主要是警告驾驶员注意“红灯即将闪亮” 和“禁止继续通行”等。

橙色光(600~630纳米)频率仅高于红色光。光波的频率不同,所含热量也不同:红、橙、黄光频率较低,含热量多;蓝、紫光波频率较高,含热量相对少。花瓣一般都比较柔嫩,在野生状态下,橙色花都生长在阳光强烈的地方,因为它能反射含热量多的橙色光,不致引起灼伤,起到了自我保护作用。

红色光(630~780纳米)是七色光中波长最长、频率最低、能量最小的可见光。红光在介质中散射性较小,衍射能力强,尤其是在雾天和大气透过率较低的情况下,与同样距离的其它种类光波比较,红色光的易见性最高。由于红色容易引起注意,具有较佳的明视效果,所以在各种媒体中被广泛地利用。




大步舞:波长从1微米到无穷大

当电磁波的波长几乎接近或超过1微米的时候,人单凭肉眼又看不见它了,因为波的“舞步”大到和超过1微米以后,就超出了人的视觉所能感受的“可视波长极限”了。不过不用担心,尽管人的肉眼看不到波的“大步舞”,但借助特制的观测仪器,人们照样能够欣赏到它们的迷人“舞姿”。

1微米到10微米 红外线登场了

在这段波长区间内,科学家发现了波长在0.78微米~1毫米的红外线。

红外线又称为热辐射线,简称热辐射。不仅太阳光中有红外线,任何温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体都在不停地辐射红外线,即使是冰和雪,因为它们的温度也远远高于绝对零度,所以也在不断地辐射红外线。换句话说,任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线。太阳所辐射出的能量中,约有50% 的能量是在红外线区域,而人体既能辐射也能吸收5~30微米的远红外光。




不同物体辐射的红外线的波长和强度不同,利用灵敏的红外线探测器吸收物体发出的红外线,然后用电子仪器对接收到的信号进行处理,就可以察知被探测物体的特征。利用红外线遥感技术,还可以在飞机或卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情等。日常工作中,红外线还有很多妙用:消防员可以看到浓烟内发生的情况,司机可以在黑夜安全地驾驶,工兵可以很容易检测到地雷⋯⋯

红外线显著的作用是热作用,因为容易被物体吸收,转化为物体的内能,可利用红外线来加热物体,烘干油漆和谷物。利用宇宙中星体发射的红外波段来研究宇宙世界是一个非常有效的方法,红外天文学正在成为天文学的最重要领域之一。至今探测到的红外源包括太阳系天体、恒星、电离氢区、分子云、行星状星云、星际尘埃、类星体等。

红外线依波长不同,又可划分为近红外、中红外、远红外和超远红外四大类,而且物体温度越低,红外线的波长就越长。

近红外(0.76~3微米)近红外靠近可见光,与可见光性质相似,故又称为光红外。诸如温度在2000度左右的红巨星、红矮星和棕矮星都辐射近红外线。




中红外(3~6微米)在红巨星、红矮星和棕矮星晚期,这些天体的温度都不足1000度,它们对外辐射中红外线。

远红外(6~25微米)远红外是我们日常室温情况下物体辐射的光线,人体辐射出来的红外线就在这个波长范围内。太阳光当中波长为8~14微米的远红外线是生物生存必不可少的因素,因此,人们把这一段波长的远红外线称为“生命光波”。

在宇宙中,像多环芳香烃这样的星际有机分子也辐射着远红外光,这些以苯环为基础的复杂分子在高温、强辐射的条件下是很稳定的。有机分子对宇宙生命起源的研究有重要作用。

10 微米到100微米 超远红外线与寒冷相伴

超远红外的天空被星际空间寒冷的尘埃云支配,它们的温度只有-200℃左右。20世纪80年代红外天文卫星发现,这种尘埃云遍布宇宙,我们的银河系中也同样弥漫着这种尘埃云,它们是阻碍人类对银心进行可见光观测的罪魁祸首。而利用超远红外天文望远镜,这些尘埃云就变得透明了,天文学家就能瞥见那些曾经被遮蔽的世界——在浓密的尘埃后面隐藏着无数明亮的星体。

100微米到1毫米 T射线独占一片天

当电磁波的波长大于30微米这个“跨度”,一种性能独特的在30微米到1毫米范围的射线出现了,它的名字被称为T射线(也有学者把这一波段的电磁波统称为超远红外线)。

T射线是频率为太拉赫兹(TeraHertz,等于百亿赫兹)的电磁波,T射线具有很多其他射线无法比拟的优点:它既能像无线电波那样轻而易举地穿透某些固体物质(如硬纸板、衣服、甚至墙壁),又能像X射线那样透视人体而没有伤害,同时它具备很强的分子识别能力,并且包含丰富的物理和化学信息。目前科学家正使用T射线来分析、描绘它所照射到的物质成分和密度。科学家认为可以把T射线用于内窥镜,检查肠道或其它器官的早期癌症。

从1毫米到10毫米 进入微波世界

微波是波长在1毫米~1米之间的电磁波,也是属于无线电波里的特殊种类。它有一般无线电波的基本特性,还有一些鲜明的与光波近似的特性:直线性,与可见光线一样,可以进行直线传播;反射性,遇到金属物体就会反射,像光波遇到镜子被反射一样;吸收性,容易被含有水分的物体吸收而转变成热能;穿透性,微波可以穿透玻璃、纸张、陶瓷、聚乙烯等绝缘物体,但不被其吸收。

微波技术是第二次世界大战期间,由于雷达的需要而发展起来的一门电子技术。它已在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及工农业生产等许多部门都得到了广泛的应用,并深入到医疗卫生和日常生活。如家用微波炉已进入了人们的家庭,成为烹调的得力工具。

微波武器是利用微波的能量产生高温、电离、辐射、声波等综合效应,以集束形式定向发射,用于摧毁或损伤目标的一种武器。微波武器在军事上一个很重要的作用就是对付电子设备。现代战争中的电子设备用其他武器很难对付,微波武器就可以大显身手了,由于它本身就是一种发射出的电磁波,很容易对电子振荡起到干扰和破坏作用,并能够导致整个电子工作系统的瘫痪,从而使武器系统丧失进攻和防御的能力。

微波武器还是对付各类隐形武器的杀手锏。隐形武器能够有效地避开雷达、红外等传感器的探测和跟踪,然而,它们遇到微波武器的高能波束就会遭殃。涂敷在这些武器上的“隐身衣”,是一些特殊的涂料,会在很短的时间内被微波武器加热而导致毁坏,甚至可以在瞬间熔化。

在宇宙学领域,微波还成就了一个载入史册的伟大发现,那就是宇宙微波背景辐射的发现。这一发现,使我们能够获得很久以前宇宙创生时期的信息。

微波又可细分为毫米波、厘米波和米波三种,毫米波(1毫米~1厘米)主要用于飞行物体进入大气层时的通信和波导通信。

1厘米到1分米 厘米波一花独放

厘米波主要用于大容量微波中继通信、数字通信、卫星通信、国际海事卫星通信。




从1分米到1米 米波长袖善舞

米波主要用于小容量微波中继通信、对流层散射通信、中容量微波通信。

从1米到10米 进入无线电波的世界

当电磁波的“舞步跨度”与成年人的一般步长跨度相当并超过人的一般步长以后,电磁波的角色就变成了无线电波了。也许正因为它的“舞步”大,才更容易被人类认识和把握。

无线电波本质是不需要通过导线、电缆或其他有型的传输媒介,而能在空间自由辐射传播的电磁波。尽管人们的肉眼看不见它的“大舞步”,但它给人类创造的幸福简直无法形容。正是它的卓越贡献,才开启了现代人类的通信时代。如果没有无线电的发现和应用,现代人类文明的进步将大打折扣。

无线电波传播的主要方式主要有地波(表面波)、天波(空间波)和直接波(直射波)三种方式。根据波长的不同,无线电波又可分为超短波、短波、中波和长波几种。

超短波正好在1~10米的范围内,由于频带很宽,因此应用很广。超短波广泛应用于电视、调频广播、雷达等方面。利用微波通信时,可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰。超短波和微波在传播特点上有一些差别,但基本上是相同的。




从10米到100米 短波的一统天下

与长、中波一样,短波可以靠表面波和天波传播。由于短波频率较高,地面吸收较强,用表面波传播时,衰减很快,在一般情况下,短波的表面波传播的距离只有几十千米,不适合作远距离通信和广播之用。与表面波相反,由于频率增高,天波在电离层中的损耗却减小。因此可利用电离层对天波的一次或多次反射,进行远距离无线电通信。

从100米到1千米 中波的大舞台

中波能以表面波或天波的形式传播,这一点和长波一样。但长波穿入电离层极浅,在电离层的下界面就能反射。中波较长波频率高,故需要在比较深入的电离层处才能发生反射。波长在200~2000米的中短波主要用于广播,所以这个波段又称广播波段。波长在2000~3000米的无线电通信,用无线或表面波传播,接收场强都很稳定,可用于完成可靠的通信,如船舶通信与导航等。

从1千米到1万米 长波独来独往

由于长波的波长很长,地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300千米时,到达接收点的电波,基本上是表面波。长波穿入电离层的深度很浅,受电离层变化的影响很小,电离层对长波的吸收也不大。因而长波的传播比较稳定。虽然长波通信在接收点的场强相当稳定,但是它有两个重要的缺点:由于表面波衰减慢,发射台发出的表面波对其他接收台干扰很强烈。雷电干扰对长波的接收影响严重,特别是雷雨较多的夏季。

现在用人工方法产生的电磁波的波长,长的已经达几千米,短的不到1厘米,把微波也包括了在内,覆盖了近20个数量级的波段,已经成为人类传递信息的有力工具。

当波的“舞步跨度”达到3000米以远,我们暂时找不到电磁波家族的其他成员了。不过,物理学家并没有停止这方面的探索。有一种观点认为,电磁波的波长是有极限的,它的极限值是1020米,这是最低频率和最长波长的电磁波。

---

转载请注明本文标题和链接:《惊天“波舞”:谁是最具能量的“舞蹈家”?

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交