电磁
称为 "电磁" 因为电与磁是有关联的:
变动的电场产生磁场,变动的磁场产生电场,
无穷循环 !
电与磁就像翩翩起舞的舞伴!这个现象以极限速度在空间传播:光速。
这是完整的电磁频谱:
频率(振率)越高,能量越大,波长越短。频谱是连续的,中间没有突变或分界。电磁波与物质的互动关系于它们的能量及物质的种类:
例子:人的身体,无线电波穿过我们的身体,有些微波被吸收并把身体加热,皮肤吸收某些红外线和光线,而反射其他红外线和光线,
UV(紫外线,英语 Ultraviolet)被皮肤的最外层吸收(而导致 晒斑和皮肤癌)
X射线被骨头和肌肉以不同的程度吸收,所以可以用来显示身体的内部
大部分伽马射线穿过身体,但有些被身体吸收,而使细胞受电离伤害(见下)
有些电磁波直接穿过人体,有些被反射或以不同的程度被吸收。
例子:从太阳来的电磁波
地球的大气层反射或吸收很多从太阳来的电磁波。
只有,无线电波,某些红外线,可见光,某些紫外线,
可以直接穿过大气层:
假想:如果我们的眼睛只能看到X射线,天空就会是黑的!
因此 NuSTAR X射線太空望遠鏡需要在太空轨道里运行。(NuSTAR 就是核光谱望远镜阵列,英语 Nuclear Spectroscopic Telescope Array 的简写)
范围
通常我们把电磁波分成以下范围:
无线电波和微波:低频率、低能量和长波长
IR(红外线,英语 infrared)
可见光
UV(紫外线)
X射线和伽马射线:高频率、高能量和短波长
没有公认的绝对范围分界(例如,X射线管的X射线与放射性物质的伽马射线是重叠的)。以下是个指南:
典型波长 | 通常范围定义 | |||
---|---|---|---|---|
无线电 | 米(m) | 长于 10厘米 | ||
微波 | 厘米(cm) | 1毫米到 10毫米 | ||
红外线 | 微米(μm) | 750纳米到 1毫米 | ||
光 | 几上百纳米 | 380纳米到 750纳米 | ||
UV(紫外线) | 100纳米 | 10纳米到 380纳米 | ||
X射线 | 纳米(nm) | 10皮米到 10纳米 | ||
伽马射线 | 皮米(pm) | 10皮米以下 |
去阅读方程里的单位来学习更多关于纳米、皮米等等单位的知识。
光速
电磁波以 "光速" 传播,在真空里差不多 300,000,000米每秒(精确值:299,792,458米每秒)。
即是3亿米每秒,也就是:
3 × 108 m/s
300,000 km/s
186,000 英里每秒
但光速可以减慢……
传导体 | 速度 百万米每秒 |
---|---|
真空 | 300 |
冰 | 228 |
水 | 225 |
乙醇 | 220 |
玻璃 | 205 |
橄榄油 | 204 |
钻石 | 123 |
若频率不变,速度越低,波长就越短。.我们可以求波长:
例子:红光,频率为 4 ×1014
在真空里的波长是:
在水里的波长是:
波长不同,但光色不变,因为频率不变。
重要:这网页所列的波长是真空里的波长,需要调整来得到在其他传导体里的波长。
波长与频率活动
试试这个:用 5秒从房间的一边走到另一边:
走大步("长波长")
走小步("短波长")
你每次步伐的频率是多少?
再来一遍,但用 20秒从房间的一边走到另一边。有什么不同?
能量
频率(振率)越高,波长越短,能量越大。
例子:光和X射线哪个能量比较大?
X射线能量大些,因为它的频率大约是 1018,大于光的大约1014
例子:红光和蓝光哪个能量比较大?
蓝光的频率比较高(波长比较短),所以能量比较大。
能量与电离
伽马射线、X射线及一些紫外线的能量大到可以"导致电离",就是说,可以把电子撞离原子。
这使得原子带上电荷,从而更容易激发化学反应,而伤害人体的细胞,杀死细胞或把细胞变质为癌细胞。
记忆方法
怎样记住电磁频谱?次序是:波、红外、光、紫外、射线,波(无线电波与微波)在低能量的一端,红外线在 "红的外(前)面",可见光的次序是: "红橙黄绿蓝靛紫",紫外线在 "紫的外面"射线(X射线和伽马射线)在高能量的一端,要记住能量水平,想:"波是慢及温和的,射线是快及危险的"。
光子
电磁辐射有波的属性,但也有能量粒子的属性。电磁粒子叫做光子。
我们可以测量光子的位置和动量。
光子没有质量,但每个光子有基于其频率(振动每秒)的特定能量。每个光子有个波长,所以光子像个粒子,但也像个波。这个现象叫 "波粒二象性"。
爱恩斯坦这样写:
"我们有时需要用一个理论,有时需要用另一个理论,但也有时可以用其中任何一个。"
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