关于电磁辐射原理及其危害性的强势科普
来源：EETOP 博客 作者：许欢
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最近一段时间以来，随着美国对华为强势崛起的恶意打击，5G通信也开始加快走进大众的视野。对于大多数普通大众而言，5G可能只是意味着上网速度更快了。而更大的影响却在于其低时延等特点对于未来超大规模物联网设备应用的重大作用。
但是关于通信等电子设备的辐射问题依然是长久的话题，搜狐的CEO张朝阳前不久也是质疑过高频辐射对人体的危害性。新闻报道有的居民区甚至拒绝安装通信基站，虽然这种方式有些偏激。但是，我们在越来越享受各种电子设备带来的生活便利时，其可能存在的有害辐射问题毕竟还是值得理性讨论的。
今天这篇文章就是关于电磁和辐射的科普，说是硬科普，因为理解下来还是需要一些“姿势”的。
一、电场与磁场
人类在很早之前就发现了正负电荷和南北磁极，但是并不清楚电荷之间或者磁极之间的作用原因。大神法拉第提出了“场”的概念。
我们可以说大小随时间变化的电场就形成电波，变化的磁场对应形成磁波，就像水波纹或者弹簧的振动一样。
奥斯特发现了电流具有磁效应，即电流周围存在磁场。
法拉第发现了电磁感应现象，即变化的磁场能生成电场。
如此，电场和磁场互相影响，这就是电磁波。
另一个大神麦克斯韦研究电磁波，得到了人类历史上最伟大的公式之一：麦克斯韦方程组。
看不懂？没关系！只要知道这个方程组统一了光、电和磁，意义直追牛顿的力学三大定律，震古烁今。
这个方程还推导出了电磁波在真空中的传输速度和光一样，进而得到光也是一种电磁波的重要结论！并在后续实验中得到验证。
这是电磁波的人类传奇故事！
二、辐射与量子
辐射的问题首先是热力学问题，是指任何物体在任何温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象，辐射的本质是能量！
科学家研究物体的单色辐射出射度，得到温度与辐射波长的关系。并建立了黑体的模型，即吸收一切入射辐射的物体。最终得到黑体的理论单色辐射度公式：
公式表明：随着温度的升高，黑体的单色辐出度迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。这个公式与实验结果部分吻合。
但是这个基于经典的热力学和电磁学建立的公式出现了重大“BUG”：长波段实验值与理论值不符，在短波长紫外区推导出单色辐射度为无穷大。这被称为物理学史上一朵乌云的赫赫有名的“紫外灾难”！
1900年另一个大神普朗克提出了能量子hv的假设，假设辐射的能量并不是连续的！而是以一个最小单位为hv基础辐射的。修正后的公式完美符合实验数据，普朗克开创了量子时代！
三、微观世界的量子与光子
小时候我们就知道物质是由无数的微观粒子组成的，例如地球上绝大部分生物都是由碳（C）元素组成的碳基生物。组成包括分子和原子，以及更微小的粒子。我们的内容在原子的层面上讨论。
原子的结构简单：原子核+核外电子。
原子核在球体中间，带正电，核外电子在外围高速旋转，带负电。我们可以非常形象的想象为行星绕着太阳旋转。不得不说，宏观和微观在某种程度上的高度相似性真的是自然规律之魅力的体现。
核外电子在轨道上旋转，电子具有运动能量，按照经典物理的理论能量为:
而根据光电效应实验现象发现：
对于金属，入射波长如果小于V0，光强再强都没法辐射电子。如果入射波长大于V0，再弱的光强都能很快辐射电子。
结合普朗克的假设，爱因斯坦提出了光子的概念，提出了光的波粒二象性！
那是一个大神云集的时代。
波尔将量子理论引入了原子领域，建立了原子的量子化结构模型，解释了原子核的能量吸收和辐射机制。
四、辐射与物质的作用
上面我们得到的结论是：辐射是波，是物质，是以波长为参照系的离散能量。那么这样的物质必然与其他物质有作用。
波与物质的作用类型有很多种，不同类型也有着非常多的应用。
下面就是几种著名的效应：
如我们照镜子是利用了反射，照相机利用了光电效应，各种光谱分析仪也是利用了光波与待分析物质的作用效应。
五、电磁辐射与伤害
上面说过，辐射是能量的对外出射。
而辐射分为两种：电离辐射和非电离辐射。
电离：入射能量较大，能够改变微观粒子结构，如原子失去电子等。
这张图说明了不同能量的粒子对物质的影响：
1、非电离辐射
我们接触到的电磁波都属于非电离辐射，也就是能量小于12eV的粒子。这种电磁波如上图所示，影响的是组织粒子的转动或振动。主要包括可见光线、红外线、射频辐射、激光、紫外线。通讯领域涉及到了为射频区，是指波的频率在数百MHz甚至数十GHz上的。
当然，这类电磁波虽然没有改变组织单位的结构，但是依然会影响生物组织。这里可分为几种类型
射频微波的生物学效应：
正如前面所说非电离型辐射影响组织粒子的存在状态，如引起振动等，这样形成了微波的主要生物效应：热效应。这种效应会导致人体的神经系统、心血管系统等产生异常反应，结果如失眠、神经衰弱、造血功能下降等。
电磁波的生物学效应是随着波长变化的：微波>超短波>短波>中长波
我国超高频辐射卫生标准 (GB10437-89)规定，作业场所超高频辐射8h/d接触的容许限值: 连续波的功率表示：0.05 mW/cm2 电场强度表示：14V/m。
脉冲波的功率表示：0.025 mW/cm2 电场强度表示10V/m。
我们来分析下这个能量的大小：
0.05 mW/cm2=0.5W/ m2，表示辐射体对外的单位面积上的辐射功率。普通白炽灯的功率大约数十W，辐射量简单理解为灯泡的约百分之一，而且0.5W是一平方米的辐射量，再考虑距离因素，这个值很小很小了。我们用电烤箱烤熟一个鸡蛋，假如功率为1KW，时间为5分钟，需要的能量约为0.08度电，如果用一平方米的辐射量，大约需要1万小时，也就是需要1年多的时间积累的能量。
微波的生物学效应还包括非热效应，如影响生物电场，化学反应等，一般具有累积性。
低频电磁波的生物学效应：
如红外线：
长波（远）红外线：波长3μm-1mm，只能被皮肤吸收，产生热的感觉。
中波红外线：波长1400nm-3μm，能被角膜和皮肤吸收。
短波（近）红外线：波长760-1400nm，可被组织吸收引起灼伤。 如紫外线：
远紫外区(短波紫外线，UVR-C)：波长100-290nm，具有杀菌和微弱致皮肤红斑作用，为灭菌波段。
中紫外线区(中波紫外线，UVR-B)：波长290-320nm，具有明显的致红斑和角膜、结膜炎效应，是紫外光谱中危害最严重的组分，为红斑区。
近紫外区(长波紫外线，UVR-A)：波长320-400nm，可产生光毒性和光敏性效应，能增强中波紫外线的生物学效应，为黑线区。
可以看出短波长的紫外对生物组织的有害影响更大。
2、电离辐射
电离辐射主要指粒子能量很强的射线，如X射线、γ射线、α射线、β射线、中子、质子等。这些高能量的射线轰击人体组织的粒子，会强力改变粒子如原子及分子结构，从而造成不可逆的损伤。下图说明了人体不同组织对电离辐射的敏感度，依次降低。
六、常见电磁波的来源
最后我们介绍生活中最常见的几种电磁波设备。
1、超声波（B超）
医疗检查过程中用的最多的就是B超，原理参考蝙蝠的超声波定位。这是一种高于人耳识别声波范围的电磁波，大约在数十MHz，对于人体基本无伤害。
高能量的超声波也可用于设备探伤、清洗等领域。基本原理就是利用换能器，将电路产生的频率电磁波驱动发出，然后接收反射波进行分析应用。
2、核磁共振（MRI）
核磁共振属于高端的医疗检测设备，同样是利用电磁波与物质的作用。核磁的电磁波范围为数百MHz，原理是原子核具有自旋运动，产生的磁场即为核磁，正常情况下为无序状态。在外加磁场时产生沿磁场方向的进动。
此时，外加特定的射频脉冲，组织内部的原子吸收能量发生跃迁。这就是共振的过程。然后，在射频脉冲消失后，原子由激发态恢复到基态释放能量，外围的磁场线圈由发射变为接收，经过复杂的信号采集和处理，这样基于氢原子的共振就得到了组织的内部结构图。
核磁共振属于无伤害的检测方式，但因为射频的作用，可能会感到一些热量。新生儿脑部检测经常用到该方式，
3、计算机断层扫描（CT）
CT属于射线方式探测，具有一定的伤害性。利用X射线等穿透人体，然后进行探测器接收。根据不同部位的吸收差异进行构造的显示。
之前已经介绍过，射线属于高能辐射，长时间的大剂量辐射必然会导致严重损害。切尔诺贝利的核污染造成的辐射伤害震惊世界，危害至今仍未消失。
但是CT检查中的辐射量很小，短时间的辐射并不足以造成损伤，大可不必担心。毕竟，射线其实无处不在，抛开剂量谈伤害基本就是无理取闹。
4、基站和手机
最后不得不说的就是高频通讯设备的辐射了，我们常见的蓝牙、WIFI采用的就是2.4GHz的开放频段。5G通讯的扩展频段可以达到数十GHz的毫米波段，对比低频通信而言，其辐射有害性显然是增强的。
远距离通讯的原理就是一个发，一个收，依靠的就是电子设备产生的高功率电磁波。决定发射功率的其实就是距离。所以远离大功率发射源是有道理的，但是国家规定的相关标准足以保证基站对于人体的健康处于可控范围内。根据中国《电磁环境控制限值》，通信频段功率密度应小于40微瓦/平方厘米，美国这一标准为600微瓦/平方厘米，两者相差了15倍。考虑到基站信号会有相互叠加的水平出现，移动通信基站建设时执行的都是国标五分之一的标准，即小于8微瓦/平方厘米。
对于5G基站而言，因为高频电磁波穿透性差，所以需要更多的基站覆盖，这恰恰降低了单个基站的发射功率，因此反而是减小了辐射危害的。
对于手机等手持通讯设备。国家规定的手机最大发射功率为2W，实际上，距离基站越近，手机的发射功率也就越小。
对于电子设备而言，电磁辐射是必然的，但是这种伤害的危害性可以说微乎其微。长时间使用电子设备带来的眼睛、手指或者腰椎的损害远大于辐射的危害。不过，毕竟作为一个辐射源，没事的时候还是尽量放置远一点，例如睡觉时不要放在床头等。
七、总结
这篇文章的主要目的是科普一些电磁辐射的常识，为了相对深入，也介绍了关于电磁波的前世今生，它们丝毫不可怕，属于自然科学的一部分，早已属于人类科学认知范围内的事物。毕竟，我们的地球享受太阳的超级辐射恩泽已经上亿年了。最后，读完这篇文章，希望你有所收获。
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