物理学导论电磁辐射课件

1、1,电磁辐射 林晓东,物理学导论,2,电磁辐射,电磁场 一、人类对电现象认识历程 从摩擦起电认识电菏。 规定：丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷；毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。 18世纪时西方开始探索电的种种现象。美国的科学家富兰克林认为电是一种没有重量的流体，存在于所有物体中。当物体得到比正常份量多的电就称为带正电；若少于正常份量，就被称为带负电，所谓“放电”就是正电流向负电的过程（人为规定的），这个理论并不完全正确，但是正电、负电两种名称则被保留下来。,3, 富兰克林提出了电流的概念，1752年，他在一个风筝实验中，将系上钥匙的风筝用金属线放到云层中，被雨淋湿的金属线将空中的闪电引到手指与钥匙之间，

2、证明了空中的闪电与地面上的电是同一回事。 在十八世纪电的量性方面开始发展，1767年蒲力斯特里（J.B.Priestley）与1785年库仑（C.A.Coulomb 1736-1806）发现了静态电荷间的作用力与距离平方成反比的定律，奠定了静电的基本定律。 在1800年，意大利的伏特（A.Voult）用铜片和锡片浸于食盐水中，并接上导线，制成了第一个电池，他提供首次的连续性的电源，堪称现代电池的元祖。 1831年英国的法拉第（M. Faraday）利用磁场的变化，展示感应电流的产生。1851年他又提出物理电力线的概念。这是首次强调从电荷转移到电场的概念。,电磁辐射,4,二、人类对磁现象认识历程

3、 从磁石能吸引铁 。 管子：“山上有磁石者，其下有金铜。” 吕氏春秋：“慈招铁，或引之也。” 经典磁学 法国物理学家库仑(Coulomb)于1785年确立了静电荷间相互作用力的规律库仑定律之后，又对磁极进行了类似的实验后证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这就是经典磁学理论。 经典磁学认为如同电荷一样，自然界中存在着独立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。,电磁辐射,5,电磁辐射,在磁场的经典理论中，一个最基本的公式就是一个单独的没有任何尺寸大小的磁极在磁场中所受到的作用力的公式。一个单独的磁极在磁场中所受到的力和磁极本身的强度成正比，和磁极所在地点的磁场强度成正比。 经典

4、磁场理论中，绝大多数的公式都是正确的，并且也一直沿用至今，但是在整个理论中最根本的问题是它采用了一个实际上并不存在的所谓单独的磁极的假设。这就是经典磁学理论中的所谓库伦方法的一个致命弱点。,6,电磁辐射, 现代磁学 丹麦物理学家奥斯特在1820年发现电流的磁效应现象。 法国物理学家安培提出，铁之所以显现强磁性是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环，这种电流没有像导体中电流所受到的那种阻力，并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。即“安培电流”或分子电流。 洛伦兹(Lorentz) 给出了一个运动中的电荷在电场和磁场中所受到的力的大小和方向。 现代磁学认为：环形电流元是磁极产生的根本原因

5、，相同的磁极互相排斥，不同的磁极互相吸引。独立的磁荷是不存在的。由于电子围绕原子核的运动，所有的物质都具有某种特别的磁学效应。,7,电磁辐射,三、电磁场 1 电流的磁效应 在1820年4月，有一次晚上讲座，丹麦科学家 奥斯特演示了电流磁效应的实验。当电池与铂丝相 连时，靠近铂丝的小磁针摆动了。这一不显眼的现 象没有引起听众的注意，而奥斯特非常兴奋，他接连三个月深入地研 究，在1820年7月21日，他写成论磁针的电流撞击实验的论文，正 式向学术界宣告发现了电流磁效应。 奥斯特认为在通电导线的周围，发生一种“电流冲击”。这种冲击只能作用在磁性粒子上，对非磁性物体是可以穿过的。磁性物质或磁性粒子受到

6、这些冲击时，阻碍它穿过，于是就被带动，发生了偏转。,8,电磁辐射,2 电磁感应 迈克尔法拉第(Michael Faraday，1791-1867)， 英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学 等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系统的 正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就。 铁匠家庭-13岁当学徒（书店）- 经过戴维的推荐，1813年3月，24岁的法拉第担任了 皇家学院助理实验员。 1824年被选为皇家学会会员， 1825年接替戴维任皇家学院实验室主任，1833年任皇家学院化学教授。 曾谢绝担任皇家学会会长、皇家学院院长职务和英王室爵士称号。,9,电磁辐射,电磁学领域贡献： 1

7、 研读奥斯特实验，他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁，他坚信磁亦能生电。经过10年探索，历经多次失败后，1831年8月26日终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电（或断电）的瞬间，在另一组线圈获得的感生电流，他称之为“伏打电感应”。尔后，同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验，他称之为“磁电感应”。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。 2 提出了“场”的概念。 1837年他发现电介质对静电过程的影响，提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后，他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上，他

8、形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。” 于是，介质成了“场”的场所。,10,电磁辐射,3 麦克斯韦电磁场理论 詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879)。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡， 14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线 作图问题的论文。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。 1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习， 1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新

9、设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。,11,电磁辐射,成 就： 1 麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，发表了电磁场理论的三篇论文：论法拉第的力线（1855年12 月至1856年2月）；论物理的力线（1861至1862年）；电磁场的动力学理论（1864年12月8日）。将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。 2 1865年他预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波

10、的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于1873年出版了科学名著电磁理论。,12,电磁辐射,麦克斯韦方程组： （1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁 场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭 曲面的通量无贡献。 （2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移 电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面 的通量无贡献。 （3）描述了变化的磁场激发电场的规律。 （4）描述了变化的电场激发磁场的规律。,13,电磁辐射,四、电磁波

11、横波 传播速度：光速,14,电磁辐射,五、电磁波谱,15,电磁辐射,16,电磁辐射,17,电磁辐射,18,电磁辐射,六、电磁波应用与危害 （o）宇宙射线 宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子） 成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。 大约89% 的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10%是氦原子核或粒子，还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是粒子，虽

12、然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；射线和超高能中微子只占极小的一部分。,19,电磁辐射,六、电磁波应用与危害 （一）射线 射线，也称“甲种射线”。是放射性物质所放出的粒子流。粒子的动能可达几兆电子伏特。从粒子在电场和磁场中偏转的方向，可知它们带有正电荷。从粒子的质量和电荷的测定，确定粒子就是氦的原子核。 通常具有放射性而原子量较大的化学元素，会通过衰变放射出粒子，从而变成较轻的元素，直至该元素稳定为止。由于粒子的体积比较大，又带两个正电荷，很容易就可以电离其他物质。因此，它的能量亦散失得较快，穿透能力在众多电离辐射中是最弱的，人类的皮肤或一张纸已能隔阻粒子。但释放粒子的物质(镭、铀等等

13、)一旦被吸入或注入，那将是十分危险。它就能直接破坏内脏的细胞 。,20,电磁辐射,21,电磁辐射,（二）射线 射线：高速运动的电子流，贯穿能力很强，电离作用弱，本来物理世界里没有左右之分的，但射线却有左右之分。 在衰变过程当中，放射性原子核通过发射电子和中微子转变为另一种核，产物中的电子就被称为粒子。在正衰变中，原子核内一个质子转变为一个中子，同时释放一个正电子，在“负衰变”中，原子核内一个中子转变为一个质子，同时释放一个电子，即粒子。 射线的危害性 射线是一种代电荷的，高速运行，从核素放射性衰变中释放出的粒子。人类受到来源于人造或自然界(氚，C14等)射线的照射，射线比射线更具有穿透力，但在

14、穿过同样距离，其引起的损伤更小。一些射线能穿透皮肤，引 起发射性伤害。但是它一旦进入体内引起的危害更大。粒子能被体外衣服消减、阻挡或一张几毫米厚的铝箔完全阻挡。,22,电磁辐射,23,电磁辐射,（三）射线 射线的波长与形成 射线是一种强电磁波，一般波长0.001nm。在原子核反应中，当原子核发生、衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是射线。 伽马射线对人体的影响 射线具有极强的穿透本领。人体受到射线照射时，射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能

15、侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会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。,24,电磁辐射,25,电磁辐射,26,电磁辐射,射线应用 伽玛刀 “伽玛刀”名为“刀”，但实际上并不是真正的手术刀，它是一个布满直准器的半球形头盔，头盔内能射出201条钴60高剂量的离子射线-伽玛射线。它经过CT和磁共振等现代影像技术精确地定位于某一部位，我们称之为“靶点”。它的定位极准确，误差常小于0.5毫米；每条伽玛射线剂量梯度极大，对组织几乎没有 损伤。但 201条射线从不同位置聚集 在一起可摧毁靶点组织。它因功能尤 如一把手术刀而得名

16、，有无创伤、不 需要全麻、不开刀、不出血和无感染 等优点。,27,电磁辐射,核爆炸 一般来说，核爆炸（比如原子弹、氢弹的爆炸）的杀伤力量由四个因素构成：冲击波、光辐射、放射性污染和贯穿辐射。其中贯穿辐射则主要由强射线和中子流组成。由此可见，核爆炸本身就是一个射线光源。通过结构的巧妙设计，可以缩小核爆炸的其他硬杀伤因素，使爆炸的能量主要以射线的形式释放，并尽可能地延长射线的作用时间（可以为普通核爆炸的三倍），这种核弹就是射线弹。,28,电磁辐射,与其他核武器相比，射线的威力主要表现在以下两个方面：一是射线的能量大。由于射线的波长非常短，频率高，因此具有非常大的能量。高能量的射线对人体的破坏作用相

17、当大，当人体受到射线的辐射剂量达到200600雷姆时，人体造血器官如骨髓将遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个月内死亡的概率为080%；当辐射剂量为6001000雷姆时，在两个月内死亡的概率为80100%；当辐射剂量为10001500雷姆时，人体肠胃系统将遭破坏，发生腹泻、发烧、内分泌失调，在两周内死亡概率几乎为100%；当辐射剂量为5000雷姆以上时，可导致中枢神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调、嗜眠，在两天内死亡的概率为100%。,29,电磁辐射,中子弹是以中子流作为攻击的手段，但是中子的产额较少，只占核爆炸放出能量的很小一部分，所以杀伤范围只有500700米，一般作为

18、战术武器来使用。射线的杀伤范围，据说为方圆100万平方公里，这相当于以阿尔卑斯山为中心的整个南欧。因此，它是一种极具威慑力的战略武器。 射线弹除杀伤力大外，还有两个突出的特点：一是射线弹无需炸药引爆。一般的核弹都装有高爆炸药和雷管，所以贮存时易发生事故。而射线弹则没有引爆炸药，所以平时贮存安全得多。二是射线弹没有爆炸效应。进行这种核试验不易被测量到，即使在敌方上空爆炸也不易被觉察。因此射线弹是很难防御的， 一旦这个“悄无声息”的杀手闯入战场，将成为影响战场格局的重要因素。,30,电磁辐射,（四）X射线 X射线是波长介于紫外线和射线 间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射。由德国物理学家W

19、.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.11埃范围内的称硬X射线，110埃范围内的称软X射线。,31,电磁辐射,X射线的特征是波长非常短，频率很高。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线

20、在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。 X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。,32,电磁辐射,X射线应用 医用诊断X线机 医学上常用作辅助检查方法之一。 临床上常用的x线检查方法有透视和摄片 两种。透视较经济但不能留下客观的记录， 也不易分辨细节。摄片能使受检部位结构 清晰地显示于x线片上，并可作为客观记录长期保存，以便在需要时随时加以研究或在复查时作比较。必要时还可作x线特殊检查，如断层摄影、记波摄影以及造影检查等。,33,电磁辐

21、射,X射线效应 物理效应 穿透作用 X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。 电离作用 当物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。 荧光作用 X射线波长很短，当它照射到某些化合物如磷、

22、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。,34,电磁辐射,热作用物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高；干涉、衍射、反射、折射作用这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。 化学效应 感光作用 X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射

23、线的影像。 着色作用 X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。 生物效应 X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现X射线可导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。,35,电磁辐射,（五）紫外辐射 紫外辐射是一种非照明用的辐射源。紫外 辐射的波长范围为纳米至纳米。由 于只有波长大于纳米的

24、紫外辐射，才能 在空气中传播，所以人们通常讨论的紫外辐射效应及其应用，只涉及纳米至纳米范围内的紫外辐射。 科学家们把紫外辐射划分为波段（纳米）、 波段（纳米）和波段（纳米），并分别称之为 、和。,36,电磁辐射,短波（UVC） 简称UVC。是波长280100nm的紫外光线。短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收。不能达到地球表面，对人体产生重要作用。因此，对短波紫外线应引起足够的重视。 中波（UVB） 简称UVB。是波长315280nm的紫外线。中波紫外线对人体皮肤有一定的生理作用。此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收，不能再渗入皮肤内部。但由于其阶能较高，对皮肤可产生强烈的光损伤，被照

25、射部位真皮血管扩张，皮肤可出现红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。,37,电磁辐射,长波（UVA） 简称UVA。是波长400315nm的紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。 由此可见，防止紫外线照射给人体造成的皮肤

26、伤害，主要是防止紫外线UVB的照射；而防止UVA紫外线，则是为了避免皮肤晒黑。,38,电磁辐射,紫外辐射效应 1 杀菌效应 (UVC) 紫外线灭菌作用，短波紫外线对微生物的破坏力极强，当该波段的紫外线照射细菌体后，细胞的核蛋白和核糖核酸(DNA)强烈地吸收该波段的能量，它们之间的链被打开断裂，从而使细菌死亡。如，用紫外线汞灯或金属卤化物灯对空气和食品灭菌。 2 人体的保健作用(UVB) 紫外线对人体的保健作用。波长在280320纳米的月波紫外线照射人体后，能引起皮肤肌体的光化学过程和光电反应，使皮肤产生许多活性物质，从而起到健康保健的作用。目前采用紫外线照射调节高级神经的功能、改善睡眠、降低血

27、压。经常接受紫外线照射能加强白血球的吞噬能力，增强人的免疫功能。,39,电磁辐射,3 致黑斑作用 紫外线的致黑斑作用：波长在320400纳米的紫外线又叫长波紫外线。该波段的紫外线生物作用较弱，但它对人体照射后使皮肤变黑，皮肤有明显的色素沉着作用，这就是紫外线的黑斑作用。该波段的紫外线可强烈地刺激皮肤，使皮肤新陈代谢加快、皮肤生长能力加强和使皮肤加厚。A波紫外线是治疗皮肤病的重要波段，像牛皮癣、白癜风等疾病。 4 生物诱变育种 紫外线生物效应的另一应用是生物诱变育种。决定生物传宗接代的物质是脱氧核糖核酸。微生物的DNA吸收光谱正是在200300nm之间，当微生物DNA吸收紫外线之后，结构将发生很

28、大变化，将引起微生物的遗传性的改变。用这种方法可以在短期内使微生物的特性大幅度地变异。,40,电磁辐射,6 环境卫生中的应用 1 杀菌、脱臭的原理 波长200nm以下的短波长紫外线能分解O2分子，生成臭氧O3。紫外线和臭氧具有强的氧化分解包括恶臭在内的有机分子的能力，UV/O3并用的相乘作用在空气净化处理中发挥强大威力。 2 杀菌、脱臭、净化水 20世纪70年代，人们发现并确认了氯消毒等化学消毒方法会产生如三卤甲烷(THMs)等致癌、致基因畸变的副产物。加拿大于1965年对紫外线消毒技术应用于城市污水处理以及对受纳水体的影响进行了研究和评估。结果表明：紫外线污水消毒技术可行，可达到和加氯相同甚

29、至更好的消毒效果。对受纳水体中生物无毒副作用，不产生消毒副产物。,41,电磁辐射,7 有害效应 紫外线对健康的危害： (1)免疫功能下降； (2)对遗传因子的深度伤害； (3) 皮肤癌、白内障发病几率增加； (4) 背后和手脚的色斑癌的发病率增加； (5)造成皮肤暗沉、老化、斑点、皱纹； (6)长期照射短波的紫外线可能会引起牙齿痛；,42,电磁辐射,8 光敏效应 光敏效应又称光化学效应，它是指某些物质在紫外线照射下会产生分解、聚合和蜕变的现象。光敏效应的敏感辐射波段多位于波段。如印刷行业，油墨中含有在紫外辐射下能迅速固化的材料，印刷品印刷后不用烤干，只需经过紫外线照射。这样处理不仅印刷速度大大

30、提高，而且由于紫外辐射不含热量，避免了热能对印刷品的影响。 9 荧光效应 短波的紫外线照射荧光物质后，荧光物质在长波段发光的现象。荧光效应不仅是在紫外辐射效应中最重要的效应之一，而且其应用范围最广泛， 如荧光灯(UVC)和防伪无色荧光油墨(UVA) 等。,43,电磁辐射,44,电磁辐射,8 LASIC,45,电磁辐射,（六）可见光,46,电磁辐射,1 颜色环 为对光的色学性质研究方便， 将可见光谱围成一个圆环，并分成 九个区域，称之为颜色环。 颜色环上任何两个对顶位置扇 形中的颜色，互称为补色。例如， 蓝色（435 480nm ）的补色为 黄色（580 595nm ）。 凡两种色光混合能成白色

31、的，则此两色叫互补色。,47,电磁辐射,通过研究发现色光还具有下列特性： （1） 互补色按一定的比例混合得到白光。如蓝光和黄光混合得到的是 白光。同理，青光和橙光混合得到的也是白光。 （2） 颜色环上任何一种颜色都可以用其相邻两侧的两种单色光、甚至 可以从次近邻的两种单色光混合复制出来。如黄光和红光混合得 到橙光。较为典型的是红光和绿光混合成为黄光。 （3） 如果在颜色环上选择三种独立的单色光。就可以按不同的比例混 合成日常生活中可能出现的各种色调。这三种单色光称为三原色 光。光学中的三原色为红、绿、蓝。这里应注意，颜料的三原色 为红、黄、蓝。但是，三原色的选择完全是任意的。,48,电磁辐射,

32、（4） 当太阳光照射某物体时，某波长的光被物体吸取了，则物体显示 的颜色（反射光）为该色光的补色。如太阳光照射到物体上对， 若物体吸取了波长为 400 435nm 的紫光，则物体呈现黄绿色。 应该注意：有人说物体的颜色是物体吸收了其它色光，反射了 这种颜色的光。这种说法是不对的。比如黄绿色的树叶，实际只吸收了波长为 400 435nm 的紫光，显示出的黄绿色是反射的其它色光的混合效果，而不只反射黄绿色光。,49,电磁辐射,2 视见函数 在辐射度学和光度学的发展过程中, 通过实验研究发现不同波长的光对于人眼的敏感度是不一样的, 根据这一特性, 由国际照明协会(CIE)通过大量抽样试验得出的不同波

33、长光相对于人眼最敏感波段敏感程度的曲线称作视见函数曲线, 也称作人眼相对亮度敏感度曲线, 通常用V()表示。值得注意的是， 人眼 在明视觉条件下和暗视觉条件下的 敏感程度是不一样的， 即视见函数 会发生偏移。,50,电磁辐射,51,电磁辐射,3 颜色视觉理论 感光细胞及感色区 人眼视网膜中存在两种感光细胞：锥体细胞和杆体细胞。 锥体细胞：能分辨颜色。 杆体细胞：对微光起作用,但不能分辨颜色。 视网膜上只存在杆体细胞或锥体细胞很少的动物,如狗、猫、鼠、猫头鹰、猪等都没有色觉。类人猿具有与人一样的色觉。白天活动的鸟、爬行动物、多刺鱼类、昆虫都有色觉。,52,电磁辐射,有正常色觉的人，在视网膜 中央

34、部位能分辨各种颜色，但向 边缘部位过渡时，由于锥体细胞 减少，辨别颜色的能力便逐渐减 弱。人的视网膜能够感受颜色的 区域因颜色而不同，白色最宽， 然后依次是蓝色和黄色，红色和 绿色最窄。因此，与中央区相邻 的外周部位先失去红、绿色的感 觉，在视网膜更外周部位，对黄、 蓝色的感觉也消失,只有明暗的感 觉。,53,电磁辐射,锥体细胞和杆体细胞，数目分别为7106 和1.3108个左右。 杆体细胞感光能力比较强，它能够感受到微弱光的刺激，但它并不能分辨颜色。在杆体细胞的末端有起感光作用的化学物质，叫视紫红素。它吸收入射光后改变本身的性质，同时产生视觉信号。当遇到强光时，视紫红素会退色而失去作用，当光

35、变弱时（即经过暗适应过程），视紫红素逐渐恢复，对弱光敏感的杆体细胞重新发生作用。视紫红素的恢复需要一定的时间，从亮环境进人暗环境要达到完全适应大约需要30分钟，但视紫红素不被红光破坏。为了缩短这种恢复需要的时间，进人强光环境时可配戴一副红色眼镜。 锥体细胞在较强光线的作用下反应才灵敏，所以能感受强光刺激，同时它还具有分辨颜色的能力。眼睛对强光和弱光的视觉适应过程是由这两种不同的视细胞来完成的。这两种感光细胞的光谱响应特性是不同的。因此，将亮适应的视觉称为明视觉，将暗适应的视觉称为暗视觉。,54,电磁辐射,55,电磁辐射,颜色视觉 Young-Helmholtz的三原色学说Young-Helmh

36、oltz的三色说是Young根据红、绿、蓝三种原色适当混合可以产生各种颜色，从而推想视网膜上有感觉三色的要素，即感红色素，感绿色素和感蓝色素。Helmholtz 1860年由加以补充，认为视网膜上的感色要素，不仅接受一定的颜色刺激，而且多少也能接受它种颜色的刺激。例如红色光主要刺激红色要素，但多少也能刺激绿色要素和蓝色要素等。如此不难了解三种要素中缺乏一种要素时的色觉情况：如缺少红色要素者不能感受红光线，但此红色光线也能刺激绿色或蓝色要素，因而此人会将红色误认为是它色，例如会误认为绿色。但此人说感觉的绿色也并非正常人所感觉的绿色，因为绿色光线除刺激绿色要素外，也刺激红色和蓝色要素，而此人缺乏红

37、色要素，故其所感觉的绿色，也就和正常人说感觉的绿色不同了。这就不难理解红色盲何以难于正确辨别绿色，绿色盲也难于正确的辨别红色了。,56,电磁辐射,57,电磁辐射,Hering四色说： Hering（1878）创立。它假定视网膜中有三对视色素物质，即红视素-绿视素物质、黄视素-蓝视素物质和黑视素-白视素物质。这三对视素物质受光刺激后发生分解与合成作用，就形成颜色感觉与非彩色的黑白感觉。例如红-绿色素物质，对红光起分解作用，产生红色感觉。绿光起合成作用，产生绿色感觉。对黄蓝色素物质，黄光起分解作用产生黄色感觉；蓝光起合成作用，产生蓝色感觉。同样，光线刺激黑-白视素，起分解作用，产生白色感觉；起合成

38、作用则产生黑色感觉。色盲由于缺乏一对视素物质，如缺红-绿视素就形成红绿色盲，缺乏黄-蓝视素就形成黄蓝色盲（紫色盲）。,58,电磁辐射,4 人眼分辨率与视角线关系 若把人眼直线与目标方向的夹角（距眼球中心凹的度数） 称为视线角，则人眼力辨力与视 线角的关系如图所示，它表明当 目标方向偏离直视线时分辨力显 著下降。因此，为了看清目标人 眼将不断转动，以使目标的象落 在中心凹上（即黄斑区）。,59,电磁辐射,5 视觉惰性 视觉惰性是人眼看重要特性之一， 它描述了主观亮度与光作用时间的关系。 当一定强度的光突然作用于视网膜时， 人眼并不能立即产生稳定的亮度感觉， 而须经过一个短暂的变化过程才能达到 稳

39、定的亮度感觉。在过渡过程中，亮度 感觉先随时间变化由小到大，达到最大 值后，再回降到稳定的亮度感觉值。,60,电磁辐射,当作用于人眼的光线突然消失后， 亮度感觉并非立即消失，亮度感觉并非 立即消失，而是近似按指数规律下降而 逐渐消失的。 当光线消失后的视觉残留现象称为 视觉暂留或视觉残留。人眼视觉暂觉留 时间，在日间视觉时约为0.02秒，中介 视觉时为0.1秒，夜间视觉时为0.2秒， 中介视觉是介于日视觉与夜视觉之间的 状态。,61,电磁辐射,（七）红外光 在光谱中波长自0.76至1000微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物

40、理学称之为热射线。 近红外线： 0.751.50m； 中红外线：1.506.0m； 远红外线：6.0l000m 。,62,电磁辐射,1 红外线的热效应 黑体辐射光谱图,63,电磁辐射,动物的热谱图 The image at the left shows a cat in the infrared. The orange areas are the warmest and the white-blue areas are the coldest. This image gives us a different view of a familiar animal as well as inform

41、ation that we could not get from a visible light picture.,64,电磁辐射,热效应应用： （1）热像仪 Humans, at normal body temperature, radiate most strongly in the infrared at a wavelength of about 10 microns. This image shows a man holding up a lighted match! Which parts of this image do you think have the warmest te

42、mperature?,65,电磁辐射,（2）红外加热 红外线照射到物体上最明显的效果就是 产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外 线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到 热乎乎的。 各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们可以利用红外线的热效应来加热物品。 红外线烤箱，浴室用的暖灯，烘干油漆，稻谷 。,66,电磁辐射,2 红外线的生理作用 人体对红外线的反射和吸收 红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关，用波长0.9微米的红外线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能量约60；而有色素沉着的皮肤反射其能量约40。长波红外线（波长1.5微米以上）

43、照射时，绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收，穿透皮肤的深度仅达0.052毫米，因而只能作用到皮肤的表层组织；短波红外线（波长1.5微米以内）以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透深度可达10毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。,67,电磁辐射,周林频谱仪 红外灯,68,电磁辐射,红外线的治疗作用 红外线治疗作用的基础是温热效应。在红外线照射下，组织温度升高，毛细血管扩张，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。红外线治疗慢性炎症时，改善血液循环，增加细胞的吞噬功能，消除肿胀，促进炎症消散。红外线可降低神经系统的兴奋性，有镇痛、解除横纹肌和平滑肌痉挛以及

44、促进神经功能恢复等作用。在治疗慢性感染性伤口和慢性溃疡时，改善组织营养，消除肉芽水肿，促进肉芽生长，加快伤口愈合。红外线照射有减少烧伤创面渗出的作用。红外线还经常用于治疗扭挫伤，促进组织肿张和血肿消散以及减轻术后粘连，促进瘢痕软化，减轻瘢痕挛缩等。,69,电磁辐射,2 红外线的其它应用 （1）遥控器 不少家用电器都配有红外线遥控装置。当遥控器与红外接收端口排成直线，左右偏差不超过15度时，效果最好.,70,电磁辐射,（2）防盗装置 由红外线发射机和红外接收机组成。红外线发射机发射的红外线光束构成了一道人眼看不见的封锁线，当有人穿越或阻挡红外线时，接收机将会启动报警主机，报警主机收到信号后立即发

45、出警报。 （3）红外接口 越来越多的电子设备装配了红外端口,支持无线传输,避免了通过电缆连接的累赘.如利用红外线可通过手机上网. （4）红外制导 红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提高命中率。,71,电磁辐射,（5）红外遥感 由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。 （6）红外侦察

46、 侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监视；导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供一定的预警时间.,72,电磁辐射,（7）红外照相 太阳光到了晚上的确是几乎没有了，但是地球上的物质都会辐射红外线，有的强烈有的平静。红外线照相是通过接收各种物质发出的红外线，再把他们展现出来，但是其本身不是通过发出红外线来照相的。 红外线透视和夜视是分别利用了红外线的不同性质。夜视是因为人的肉眼不能看见红外线，而特殊设计的照相机和夜视仪却专门接受红外线，所以会出现我们觉得一片漆黑，而相机却能拍到东

47、西，因为实际上到处都是红外线，对于红外照相机和夜视仪来讲是一片光明。,73,电磁辐射,透视则是利用红外线的波长比可见光要长，可以穿过一些可见光不能通过的面料（比如混棉和尼龙），所以通过一定的选择滤波，可以得到这些面料后面的图像。,74,电磁辐射,（八）太赫兹辐射 1THz = 1012 Hz 太赫兹辐射是0.110THz的电磁辐射, 从频率上看, 在无线电波和光波, 毫米波和红外线之间; 从能量上看, 在电子和光子之间. 在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。太

48、赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。可以预料，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。,75,电磁辐射,太赫兹电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。 太赫兹射线不仅可以检测出脱氧核糖核酸(DNA)物质的转变，而且能够帮助医生根据个体患者的遗传信息实施相应的药物治疗。 由于太赫兹波具备穿透衣服、纸张、木头、墙体、塑胶和陶瓷等物体的能力，因而还被运用于探测隐秘武器、识别爆炸物和毒品。 太赫兹波由于能“感受”到分子的振动和旋转

49、，因而可以用来对物质的内部进行深入研究。,76,电磁辐射,太赫兹光谱新应用：打击时尚仿冒品 利用太赫兹电磁辐射束照射布料，然后根据 不同的布料的吸收和反射的情况加以标识，这些 信息就是原版服饰的身份谱，也成为了假货难以 藏匿的直接证据。 以往通过肉眼和手感很难测出的天然丝绸和 人造丝绸、澳洲美利奴羊毛与开司米羊绒，都能 被分别甄选出来。英国方面已经决定将这项技术 用于海关以抑制愈发猖獗的高仿事业。,77,电磁辐射,旅客过关不再被“看光光” 最近麻省理工学院的科学家们开发出了一种 新的扫描技术,这种技术使用频率高达太赫兹级别 的激光对物品进行扫描，能够识别出装在医药瓶 里的药水是否含有毒品或爆炸

50、物成分。 其工作原理是：太赫兹频率的激光射线在穿 透不同成分的物体时，被吸收的部分也将有所不 同，这样人们便可以利用这种特性检测出物品的 化学成分。与容易对人体健康造成影响的X射线 不同，太赫兹频率的激光射线则对人体完全无害。,78,电磁辐射,英国尝试用太赫兹射线“剿灭”癌症 研究人员指出，细胞死亡的形式分成两大类：一是凋亡细胞招致损伤而导致胀大和破裂; 二是细胞的计划性死亡细胞的自然老化。前者是在液体环境下迅速变化完成的，而后者则不是。这两种形式的不同之处在于细胞保持水分程度的差异。 利用太赫兹射线治疗皮肤癌正是建立在这样的理论基础之上癌细胞与其他组织水分中的细胞差别甚微，通常癌细胞相对来说

51、更大、更活跃。因而，含水量较多的癌细胞才能被组织水分中大量吸收的太赫兹射线杀死。 太赫兹射线照射到被浸泡癌细胞的液体吸收，吸收放射性物质后的液体进入到癌细胞内部，从而将癌细胞彻底杀灭。,79,电磁辐射,太赫兹波识别邮件炸弹 不断发生的邮件和包裹炸弹事件令人神经紧绷，因此对邮递物加强检查迫在眉睫。德国弗劳恩霍夫物理测量技术研究所2011年12月推出一款太赫兹信件扫描仪，人们可以借助这台机器在不侵犯通信隐私的前提下，及时发现信中所含危险物品。 与通常使用的X射线检查仪不同，太赫兹信件扫描仪借助太赫兹波“窥探”信件“内容”。与X射线相比，太赫兹波光子能量较低，一般不会对生物组织造成损害。这种太赫兹信

52、件扫描仪几乎可以“服役”于任何地方，邮局、监狱、私人住宅与耗资较高、辐射较大、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹扫描仪具有独特优势。,80,电磁辐射,太赫兹在通讯领域的应用 THz波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域， 它集成了微波通信与光通信的优点，同时相比较2种现有通信手段，THz 波表现出了一些特有的优良性质。 相比较于微波通信而言： 1) THz通信传输的容量大，THz波的频段比微波通信高出l4个数量级，可提供高达10 Gbs的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍； 2 ) THz波束更窄，方向性更好，可以对更小的目标更精确地定位； 3) 由于T

53、Hz波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。,81,电磁辐射,相比较于光通信而言： 1) THz光子能量低，只有10eV，这大概是光子能量的140，因此，相比于光通信而言，能量效率更高； 2) THz波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作。当然，THz波在通过大气时，水蒸气等导致的强吸收使得其效率较低，以及在目前的THz源中相对低的发射功率会给太赫兹通信带来明显的不利。但是，随着高功率THz光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性的系统日益突破，占有很多独特优势的太赫兹通信必将指日可待。,

54、82,电磁辐射,（九）毫米波辐射 毫米波 （millimeter wave ）：波长为101毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。 毫米波与较低频段的微波相比，特点是：可利用的频谱范围宽，信息容量大。易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。穿透等离子体的能力强。多普勒频移大，测速灵敏度高。 缺点是：大气中传播衰减严重。器件加工精度要求高。 与光波相比，它们利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。,83,电磁辐射,（十）微波 微波是指频率为

55、300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。 1 微波的产生 微波能通常由直流电或 50 Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。,84,电磁辐射,2 微波的

56、性质 微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。 （1）穿透性微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。,85,电磁辐射,（2）选择性加热 物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物

57、质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。,86,电磁辐射,（3）热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。 （4）似光性和似声性 微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作

58、，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。,87,电磁辐射,由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔。 （5）非电离性微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。再有原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特

59、性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。,88,电磁辐射,（6）信息性由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。,89,电磁辐射,3 微波的危害 （1）热效应损害： I 危害心脏。微波对人体的影响，除引起比较严重的神经衰弱症状外，最突出的是造成植物神经功能紊乱。主要反映在心血管系统为多，如心动过缓、血压下降或心动过速