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电磁辐射与我们的身体 精选

已有 4220 次阅读 2022-9-24 08:29 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

电磁辐射与我们的身体

电磁辐射就是电磁波。变化的电场引起变化的磁场,变化的磁场又引起变化的电场,如此传播开来,就是电磁波。

由此可知,家里的所有电器,从最初使用的电灯到后来大量出现的每一种电器,冰箱、洗衣机、电视机、吹风机、电话、微波炉、空调、电磁炉、电脑、手机等等,都在发出电磁波。更进一步说,我们周围所有的实物都是由原子组成的,由于原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成,只要不在绝对零度(-273.15℃),原子就都在振动,于是就都在发出电磁波。这样,在我们的周围电磁波无时不在无处不有。

既然电磁波在我们身边到处都有,那么它们对我们的身体有哪些影响呢?这需要具体地分析一下。先需要了解一下电磁波。然后看看各类电磁波都会给我们带来哪些影响。

电磁波可以用波长、频率、振幅、波速等物理量来量度。电磁波在真空中的传播速度就是光速,即每秒三十万公里。由于波长乘以频率就是光速,而光速不变,所以,知道了波长就知道了频率,反过来也是一样。我们既可以用波长也可以用频率来描述电磁波。频率越高,波长就越短。频率越低,波长就越长。

根据电磁波的波长差别,我们可以把电磁波分成若干类,如下图所示

电磁波.jpeg

波长最长的(1米以上)是无线电波,其中波长从长到短,分别称为长波、中波、短波,可用于广播、电视等。

波长从1毫米到1米的是微波。家庭用的微波炉用来加热食品的就是微波(一般用波长12厘米的微波)。我们的手机通讯也用微波,4G手机用的微波在30厘米附近,5G则在10厘米附近。

波长再短一点就是红外线,波长通常在0.7微米到1毫米。在红外线中,波长略长的称远红外,略短则称近红外(1微米是千分之一毫米)。

比红外线波长更短的,就是我们肉眼能够看得见的光线了,从0.76微米开始,随着波长的变短,光线的颜色是红变到紫。正因为我们人类的眼睛能够感觉到波长为从0.76微米到0.4微米,把这个波段的电磁波称为可见光。

到了比0.4微米的紫光波长更短的电磁波,我们又看不见了,它的波长在可见光谱的紫光之外,所以称为紫外线、也叫紫外光。

比紫外线波长更短的,通常称为X射线即X光,它的波长在0.01纳米到10纳米之间(1纳米是千分之一微米)。

比X射线波长更短的是伽玛射线,它的波长小于0.01纳米。

所以,无线电波、微波、红外线、可见光线、紫外线、X射线、伽玛射线都是电磁波,不过就是波长不同,从长波无线电波的上千米,一直到伽玛射线的亿亿分之一米。

我们注意到无线电波和微波被称为波,后面的从红外线开始就都称“线”了。

与我们人的眼睛看得到物体即所谓宏观物体相比,无线电波、微波的波长都比较长,对于不大的宏观物体它们都能够绕过去。换句话说,它们很明显地显示出波动的特点,所以称为波。

而后面这些的波长对于我们的视觉来说就显得太小了。他们的传播有明显的直线前进特点。所以,从红外线开始,我们更多的用“线”,或者称“光”,如红外光、紫外光、X光、伽玛光等等。称波还是称线(或光),主要是从他们的传播特点出发。

从量子力学的观点说,电磁波与其他物质一样,都有波粒两重性。在波长较长的情况下,更多的显示其波动的性质,波动能量的大小由振幅表征;而在波长很短的情况下,则更多的显示其粒子性的一面,波长越短,光子的能量越大。光子数量越多,总的能量越大。

我们的身体,是由原子组成的实物。说得更清楚些,就是身体的主要成分是由碳、氢、氧、氮、磷、硫等原子组成的化合物分子。

这些分子有哪些运动状态呢?在人体组织中一般分子都固定在一定的位置,所以可以不考虑它们的平动,除此之外,一般有如下三种运动形式:

首先是电子的跃迁。我们知道,组成分子的各个原子,以它们的外层电子即价电子把各原子结合在一起,形成化学键。也可以这样说,分子的内部是各个原子的原子核和内层电子,外层则是形成化学键的价电子。

分子的能量最低时分子最稳定(就像在碗里放一颗玻璃球,球在碗底的时候势能最低而最稳定),这个状态称为分子的基态。

如果形成化学键的电子接受了外界的能量,“激发”到能量较高的状态,这时候的整个分子能量较高,称为激发态。分子的激发态并不只是一个,各个激发态之间的能量差别是分立的,它们组成了分子的电子能级。这些能级是量子化的。分子吸收了一定的能量,就能够跃迁到指定的高激发态。处在激发态的分子也可以放出一定的能量,跳回基态或较低的激发态。电子能级跃迁所吸收或放出能量的一般形式是电磁波。

电子能级的最底下能级的“宽度”是很宽的。大多数分子从基态到第一激发态所需要的能量在紫外光波段或可见光波段。越到高激发态,能级之间的宽度就越窄。在很高的能级,就几乎是连续的了。当电子能量大到可以挣脱分子中各原子核的束缚,这时电子就电离了,成为自由电子。电子离开了分子,分子也就成为正离子。

第二,要考虑的是分子的振动。分子中的原子核,也处在不停的运动状态,它们在自己的平衡位置附近作不停的振动。原子的振动越剧烈,体系的温度就越高。由于分子中各个原子之间的相互牵扯,分子中各原子的振动往往形成多个特定的模式,称为该分子的振动模式。各个振动模式有各自的振动频率,对应一定的振动能量。当体系接受这些能量的整数倍时,就能够激发起这些振动。

当然,处在高振动激发的物质也能够放出能量,同样也是量子化的,一份一份以电磁波的形式发射。这些与分子振动有关的能量一般处于红外波段。这就是说,与电子能级相比,振动能级是很密的,其能级差别小得多。

第三,分子的转动。分子特别是小分子还容易发生旋转。接受电磁波使得分子旋转增加的结果也使体系的温度上升,放出电磁波使旋转减少则温度下降。它们的转动能也是量子化的,一般在远红外波段和微波波段。这就是说,与振动能级相比,转动能级就更密的,其能级差别更加小得多。

电子的激发、分子的振动和转动,这就是分子所具有的运动状态。我们人体由分子所组成,电磁波与我们人体的作用,就是与这些分子发生作用。

与我们人体相比,无线电波的波长很长,一般而言,电波遇到人体,就绕过去(衍射)了。所以不会对人体产生什么作用。除非电场实在太强,把我们“极化”了,使我们几近触电。不过这样强的电场我们一般人遇不到。

微波能够与含有小分子如水的物体相互作用,使得体系温度上升。不过,能够上升多少,就要看微波的强度了,也就是微波的能量有多大。

在微波炉中,由磁控管(一种真空管类的微波发生器)发射出很大能量的微波,而且在金属板围成的密封空间中反复反射,以使含水的物质(家庭中一般是食物)吸收微波,引起食物中的水分子转动而使食物温度上升。由于微波很难从微波炉中逃逸出来,所以使用微波炉是很安全的。水分子的转动也不会改变其他分子的结构。

一般情况下例如我们的手机通讯,微波的能量不大,并不足以使我们体内的生物化学反应因微波照射温度升高而有多少变化。

但是,在某些特定情况下,例如有些实验室工作人员使用微波发生器进行实验研究,这些微波并未像在微波炉中那样被金属所屏蔽,它照射到工作人员的身体,就有可能使体内的某些对温度敏感的生化反应起变化,所以这些人员就需要穿着内有金属网线的防护衣进行屏蔽防护。

红外线照射在人体,可以使人体表面温度升高,使人感到温暖。我们在医疗理疗的时候,常常有人照红外线灯。把红外线直接照在皮肤上,使得局部血液循环加快,消除炎症。

有人会问,为什么红外线灯照在皮肤上只对皮肤表面起作用,而对微波却可能对身体内部有影响呢?

这是因为原子分子只吸收与自己运动能量匹配的电磁波。

微波与大多数分子的振动转动能量并不匹配,所以它们之间并没有相互作用,于是许多物质对于微波几乎是透明的(在微波炉中用玻璃或陶瓷器皿加热食物,食物烧开了,器皿的把手还是凉的)。这样,微波往往可以深入物质内部。

红外线则与分子的振动能量相匹配,分子能够吸收红外线引起振动激发。我们照红外线灯时,需要把衣服脱掉,如果不脱掉,衣服的纤维分子就会吸收红外线的能量,皮肤只能得到由衣服传递过去的那一点热量,效果就差多了。而脱掉衣服,照红外线灯,红外线也只是作用于皮肤表面,很难深入皮肤下面的肌肉组织。

可见光与人体的作用也是如此,人穿着的衣服被可见光照射,光被衣服的纤维或染料分子吸收,使得这些分子激发。这些激发态的分子会回到基态或者较低的激发态,从而放出电磁波。放出的电磁波在可见光波段,我们就看到了这件衣服的颜色。也有一些在红外线波段,再被吸收就变成了分子振动的热量。

紫外线照射在人体或衣物上,往往使分子激发到能量较高电子激发态。这种激发态往往是不稳定的,容易分解掉。也可以这样说,紫外光的光子具有较高的能量,这些能量能够打断分子中的某些化学键,使分子解离。

我们的衣服长期晒在太阳下,就会褪色,那是染料分子在紫外线的照射下被分解了。衣服长期晒在太阳下,纤维素分子被裂解,衣服就不结实了,一碰就破。有的塑料绳新的时候很结实,太阳晒过一些天,就成了粉末。这些都是紫外线的“功效”,它破坏了组成这些物质的分子。

我们的皮肤,被紫外线暴晒后就褪皮,这是组成皮肤的一些分子被破坏了。弄得不好,引起DNA等遗传物质的变化,则可能发出癌变。所以,在紫外线很强烈的阳光下,人们需要作适当的防护。

我们在医院的某些地方装上紫外线灯,在人都离开之后,打开紫外线灯,可以杀灭那里的病毒和细菌。这也是紫外线打断分子中化学键的作用。

X射线和伽玛射线的波长更短,光子的能量更大。当X射线或伽马射线与分子相互作用时,分子中的一个甚至多个电子将得到很大的能量,从而离开原子核的束缚成为自由电子,也就是说被电离了。分子从而会发生变化,不再是原来的分子,变成离子。由这种分子参与的细胞也就发生的变化或者死亡。

由于X射线和伽玛射线能够使原子分子电离,它们都属于电离辐射。电离辐射对生物体有很大的危险性,所以接触电离辐射的人必须采取防护措施。

电磁辐射与电离辐射,一字之差,有些人往往分不清楚。这是两个不同的概念。

电磁辐射就是电磁波,波长有长有短,当它表达为光子时,光子的能量有小有大。

电离辐射则都是高能量的,除了属于电磁辐射的X射线、伽玛射线以外,还有高能量的实物粒子流如电子流、质子流、中子流等等,这些则不属于电磁辐射。

可以这样说,X射线和伽玛射线是电磁辐射与电离辐射的交集。它们是极高能量的电磁辐射,又是以电磁辐射形式表达的电离辐射。

正常情况下,家庭中的电磁辐射对人体都不会产生大的影响,所以人们对此不必过分敏感。

 






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