第四章 二、电磁波谱

水波的涟漪，音乐的律动，光的缤纷色彩，这些不同的事物有共同之处吗？有。它们都是波动。

波长、频率和波速

小木棍上下振动时给平静的水面激起涟涟的水波。水波不停地向外传播着，它要用波长、频率和波速来描述。

在一列水波中，凸起的最高处叫做波峰；凹下的最低处叫做波谷。邻近的两个波峰（或波谷）的距离（图4.2-2）叫做波长（wave length）。在1 s内有多少次波峰或波谷通过，波的频率（frequency）就是多少。

水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫做波速（wave velocity）。波速、波长、频率三者之间的关系是

波速＝波长×频率

对于电磁波，有同样的关系。如果用λ表示电磁波的波长，f表示它的频率，那么，电磁波的波速c与λ、f的关系是

c=λf

电磁波在真空中的速度

c=3.00×10⁸ m/s

思考与讨论

频率与波长

1．家用微波炉中使用的微波频率为2 450 MHz。它的波长是多少？

2．某广播电台发射的电磁波的波长是500m。它的频率是多少？

电磁波谱

电磁波的频率范围很广。无线电波、光波、X射线、γ射线，都是电磁波。其中，可以看见的光波——可见光，只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫做电磁波谱（spectrum of electromagnetic wave），如图4.2-3所示。

电磁波是一个很大的家族。有的电磁波的波长很长，例如无线电波；有的电磁波的波长很短，例如X射线和γ射线。不同电磁波由于具有不同的频率（波长）[1]，才具有不同的特性。

无线电波（radio wave）

波长大于1 mm（频率小于300 000 MHz）的电磁波是无线电波。无线电波用于通信和广播。微波炉中使用的微波也是一种无线电波。

广播电台和电视台都有发射无线电波的设备，微波炉中的微波也是由它内部的微波发射设备——磁控管发射出来的。许多自然过程也辐射无线电波。天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波，进行天体物理研究。

红外线（infrared ray）

红外线是一种光波，它的波长比无线电波短，比可见光长。所有物体都发射红外线。热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。我们看不见红外线，但能够感受它。当你在炉火旁感受到温暖时，你的皮肤正在接收红外线。

红外探测器能探测出物体的红外辐射，这是夜视仪器和红外摄影的基础。用灵敏的红外探测器吸收远处物体发出的红外线，然后用电子仪器对信号进行处理，可以显示被测物体的形状。这种技术是红外线遥感。利用红外线遥感可以在飞机或人造地球卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮。红外线遥感在军事上的应用也越来越重要。

大家谈

许多动物具有发达的红外感受器官，可以感受红外辐射，在夜间也可以看到物体。

你知道哪些动物具有这方面的功能吗？

可见光（visible light）

可见光的波长在700～400 nm之间[2]。

阳光是由各种色光组成的。科学研究发现，不同颜色的光是波长（频率）范围不同的电磁波。

大气把阳光向四面八方散射，波长较短的光比波长较长的光容易被散射。傍晚的太阳颜

色发红，是因为傍晚的阳光在穿过厚厚的大气层时，蓝光、紫光大部分被散射掉了，剩下红光、橙光透过大气射入我们的眼睛。

光波进入眼睛，落在视网膜上。视网膜上覆盖着感光细胞。感光细胞有视锥细胞和视杆细胞两种，视锥细胞对不同波长的光有不同的响应，这样我们就能分辨颜色了。

紫外线（ultraviolet ray）

人眼看不到比紫光波长更短的电磁波。在紫光之外，波长范围在5～400 nm的电磁波是紫外线。紫外线具有较高的能量，足以破坏细胞中的物质。因此，可以利用紫外线灭菌消毒。太阳光里有许多紫外线，人体接受适量的紫外线照射，能促进钙的吸收，改善身体健康。但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤。

在紫外线的照射下，许多物质会发出荧光。根据这个特点可以设计防伪措施。

X射线（X-ray）和γ射线（γ-ray）

波长比紫外线更短的电磁波就是X射线和γ射线。

人们用X射线管来产生X射线。X射线对生命物质有较强的作周，过量的X射线辐射会引起生物体的病变。X射线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官。在工业上，利用X射线检查金属部件内部有无缺陷。机场等处进行安全检查时，X射线能轻而易举地窥见箱内的物品。

波长最短的电磁辐射是γ射线，它具有很高的能量。γ射线能破坏生命物质。把这个特点应用在医学上，用以摧毁病变的细胞，可以治疗某些癌症。γ射线的穿透能力很强，也可用于探测金属部件内部的缺陷。

电磁波的能量

法拉第用“力线”形象地描述了电磁场，麦克斯韦用数学语言表述了电磁场。但在当时，人们只把电磁场看做研究电磁现象的一种方法。赫兹通过实验证实了电磁波的存在，这意味着，电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物理实在。

微波炉的工作应用了一种电磁波——微波。食物中的水分子在微波的作用下加剧了热运动，内能增加，温度升高。食物增加的能量是微波给它的。可见电磁波的确具有能量，电磁波是物质存在的一种形式。

除了可见光外，虽然我们看不到其他电磁波，却能通过它们的能量而感觉到它们。播音员的声音为什么能到达我们的收音机？因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流。有电流就有能量，能量是从哪里来的？它来自电台发射的无线电波。

我们有各种各样的仪器，能够探测到许许多多电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。

太阳辐射

太阳辐射中含有可见光、红外线、紫外线，同时还有X射线、γ射线、无线电波。太阳辐射的能量集中在可见光、红外线和紫外线三个区域内（图4.2-10）。从图上可以看到，波长在黄绿光附近，辐射的能量最强。我们的眼睛正好能感受这个区域的电磁辐射。眼睛把太阳在最强辐射区的辐射作为自己的接收对象，这样就能看到最多的东西，获得最丰富的信息。读到这里，你是否又一次感受到了自然万物的绝妙与和谐？这是巧合呢，还是人类进化的结果？

科学漫步

寻找地外文明

天文学家不仅用眼睛“看”宇宙，也在用耳朵“听”宇宙。这个“耳朵”就是射电望远镜。从外观上看，大多数射电望远镜都有抛物面形的天线。我们知道，折射望远镜靠凸透镜会聚光线，反射望远镜靠抛物面形状的反射镜面会聚光线。金属制成的抛物面天线，能把来自遥远天体的无线电波会聚起来，从而捕捉来自太空的信息。

射电望远镜越大，会聚的无线电波越多，于是就能观察更弱的射电源。望远镜越大，分辨能力也越高。射电望远镜可以造得很大，几十米直径的射电望远镜在技术上也能够实现。修建很多小射电望远镜，再把它们组合起来，其分辨能力也能达到大口径射电望远镜的效果。20世纪60年代，很多重大的天文学发现都与射电天文学有关。

人类探索自然奥秘的活动从来没有停止过。20世纪，“外星人”成了科幻小说的主题之一。1960年美国国立射电天文台执行了一项计划：寻找“外星人”。他们使用一台直径26 m的射电望远镜，接收21 cm波长的无线电信号。宇宙中最多的元素是氢，21 cm波长是氢原子辐射的波长之一。如果存在着任何智慧生物，他们都会对氢元素做透彻的研究。同年4月8日，这架射电望远镜开始搜索。遗憾的是至今没有发现什么有价值的倍息。研究人员又在1972～1975年用两台直径更大的射电望远镜和更精密的仪器，在同一波段对660颗与太阳类似的恒星进行无线电监听，结果仍未发现有价值的信息。现在，有人准备建造更多、更大的射电望远镜天线，完全用电子计算机控制，来搜索更为遥远的天体发射的无线电波。

除了千方百计接收来自太空的“外星人来电”之外，地球上的人也主动向宇宙发射过几次无线电信号。1974年11月16日，设在波多黎各的一个天文台用波长12.6 cm的调频电磁波第一次向银河系发送了人类对外星人的友好问候。

人类亲自登门拜访其他星球可能更有意义。1957年苏联的第一颗人造卫星上天，人类便开始飞出地球造访宇宙了。1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号飞船登上月球，发现月球上没有生命。后来，几只飞船肩负人类的重托飞向太空，拜访了金星、火星，甚至离开太阳系去寻找人类的知音。1977年8月和9月，一对“孪生兄弟”，宇宙飞船“旅行者（Voyager）”1号和2号分别出发，它们携带的“介绍信”是一套灌满“地球之音”的铜制唱片，其直径为30 cm，表面喷金，并与一枚钻石唱针一起装在铝盒中。这套唱片在宇宙中经历10亿年时间也不会变音，可放音乐120 min，它向太空宣告：“这是来自一个遥远的小小星球的礼物，它代表了我们的声音、科学、形象、音乐、思想和感情。我们正在努力，相信将来有朝一日将会解决面临的问题，参加到银河系的文明大家庭中来。这套唱片代表了我们的希望、决心和对遥远世界的良好祝愿！”唱片收集了雨声、风声等地球上35种自然界的音响、27首世界名曲、60种不同语言的问候声，包括汉语“祝你们大家好”。这套唱片还介绍了地球的山川海空、树草花卉、飞禽走兽，以及人体、人的DNA、太阳系的情况等等，共有115张图片。人类派出的这对探测器已经在太阳系内漫游了二十几年，现在差不多飞到了太阳系的边缘，它们将担负起寻访地外文明和传递人类信息的使命。

时至今日，人们虽然已经发现了几颗太阳系外的行星，但还没有找到地外文明。目前已知的文明星球只有一个——地球。生活在地球上的人们应该更加爱护自己的地球母亲。

问题和练习

1．光和无线电波之间有什么区别和联系？

2．波长为0.6 μm的红光，从10 m外的交通信号灯传到你的眼睛，大约需要多长时间？在这个距离中有多少个波长？

3．地球向月球发射电磁波，经过多长时间能在地球上接收到反射回来的电磁波？已知地球到月球的距离是3.84×10⁵ km。

4．电磁波是个大家族，生活中有许多场合会涉及电磁波，请举出几个跟你关系密切或者令你印象深刻的实例。

发布时间：2017/11/2 上午10:51:47  阅读次数：1449