第四章 三、光波的应用

三、光波的应用

人类能够直观地感知世界，除了声波外，最重要的便是光波。

物理学上，常把声波称为力学波（机械波），光波称为电磁波（Electromagnetic wave）。前者的传播需要媒介（比如空气、水、固体），后者可以在真空中传播。因为电磁波都是由光子组成的，它们在空间中传播直到与物质相互作用。一些波被吸收，另一些波被反射。电磁波在这个世界上无处不在，它们以不同的形式，让你看到、感觉到，或看不到、也感觉不到。

通常电磁波被分为7种类型：分别是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线（见图4.5）。

图4.5：电磁波谱

• 无线电波

无线电波（Radio）是频率最低，波长最长的电磁波，与声波相似，具备极强的穿透力，传输过程中能量损失较小。无线电波的波长很长，每秒可以达到数百，甚至数千米。不光是手机、电视发射塔等会产生无线电波，许多天然石材也会发出无线电波,比如水晶、玛瑙、翡翠等，这些天然玉石常被人佩戴，用于安神或护身，也有更为稀有的品类，常被皇室或宗教作为法器，或镶嵌在权力的象征物上。

无线电波可以用来传递信息。利用共振原理，无线电波可以用天线发射或接收，将相关信号传输到接收器，这些接收器随后将这些信号转换为可用信息。我们生活中的电视、移动电话、无线网络、对讲机、遥控玩具等，都使用无线电波来传递信息。通过调变，可将信息加载于无线电波之上，常见的调变方式有收音机里常用的调幅AM、调频FM之类。

著名的“旅行者1号”探测器1977年出发，飞行近50年，还不停地用无线电波与NASA保持联络。旅行者1号探测器目前距离地球大约为200～250亿公里,传送回地球的无线电信号大约需要18～22个小时，其信号的传输速度等同于光速。此外，恒星，行星和其他宇宙物体也会发出无线电波，正是由于人类多次收到宇宙神秘信号，才更加相信外星人的存在。

 

• 微波

微波（Microwave）是频谱中第二低的频率波。无线电波的波长可长达数公里，而微波的波长仅有1毫米至1米之间。由于频率较高，微波可以穿透会干扰无线电波的障碍物，例如云、烟和雨。

家家户户的微波炉是微波最普遍的应用场景。常规加热（如火焰、蒸汽等）都是利用热传导、热辐射将热量首先传递给被加热物表面，再通过热传导逐步使中心温度升高，即常称的外部加热。它要使中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。而微波加热则属于内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射性能使物料内外介质同时受热，不需要热传导。由于内部缺乏散热条件，内部温度很容易高于外部温度，加速了水分的迁移蒸发，所以微波炉加热鸡蛋等食品很容易“爆炸”（一般建议日常菜品在放入微波炉时加盖，以防过分干燥）。家用微波炉主要用于加热饭菜、解冻食品、烹饪美食，工业微波炉可用于消毒杀菌、脱水干燥、熟化保鲜等。

微波在通信领域的应用极为广泛，微波通信（Microwave communication）是直接使用微波作为介质进行的通信，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有超大带宽容量、高精度、低时延、建设速度快、通信过程稳定、维护便捷等特点，因此是国家通信网的一种重要通信手段。我们日常手机用到的移动、联通、广电网络，都是使用微波通信。

由于微波在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此数字微波通信的主要方式是视距通信。受地球曲面和空间传输衰减的影响，要进行远距离的通信，需要接力传输，即利用基站对信号进行多次中继转发，可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的传输质量，这就是民族企业华为公司的主营业务。

另外，无线网络通信技术WiFi使用低强度微波来传递信息。由于其无法绕过障碍物的特点，不同房间信号衰减很快。家庭一般会采取安装多个WiFi路由器或增加信号放大器的方式，来维持信号稳定。

 

• 红外线

红外线（Infrared）是波长在0.76～1000微米（1微米=10^-6米）的电磁波，是频率比红光低的不可见光。在物理学中，凡是高于绝对零度（即-273.15℃）的物质都可以产生红外线（以及其他类型的电磁波），因此也称作红外辐射或热辐射。红外线具有热效应，能够与大多数分子发生共振现象，将光能（电磁波的能量）转化为分子内能（热能），太阳的热量主要就是通过红外线传到地球上的。

红外线的显著特征是热效应。跟微波不同，因为微波的波长是红外波长的近千倍，因此微波是深入内部加热，红外加热只是表面加热。较长波长的红外线（远红外线）产生热量较多，如火、太阳、白炽灯等发热物体发出的辐射；较短波长的红外线（近红外或短波红外）不会产生太多热量，可用于远程控制和成像技术。

红外线在日常生活中的应用无处不在。例如，将物体的红外辐射图像转换为可视化图像的高精度检测和疾病诊断，用于测量温度的“额温枪”，用于安防领域的夜视设备（监控摄像头），用于遥控电视机、空调的家用红外遥控器……

远红外线具有深入皮肤和皮下组织、与人体内细胞分子的振动频率接近等特点,被广泛应用于医疗领域，能够使皮下深层温度上升,微血管扩张,有利于清除血管囤积物及体内有害物质,也能够辅助治疗肌肉酸痛、褥疮烫伤及伤口不易愈合等疾病。

红外夜视器材在现代战争中也发挥着重要作用。从1991年的海湾战争，到最近的俄乌战争，美军支援的枪支和火炮上都配备了红外夜视仪，能够通过接收各种物质发出的红外线，再把它们呈现出来。因此，即使在夜晚或硝烟弥漫的战场上，也能率先发现敌方，并开炮射击，抢占战场先机。

 

• 可见光线

可见光波（Visible light）让我们可以看到周围的世界，它是电磁波谱中能够作用于人的眼睛引起视觉的一个很窄的波段。频率在380～750太赫兹（1THz=10¹²Hz），波长在400～780纳米（1nm=10^-9m米）。

我们见到的太阳光通常被描述为白色（或“无色”，所以佛家常言“色即是空”），实际上是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光混合而成的复色光（或聚合光）。1666 年，英国科学家牛顿第一个揭示了光的色学性质和颜色的秘密。他用三棱镜分光实验说明太阳光是各种颜色的混合光，并发现光的颜色决定于光的频率。其中频率最低、波长最长的是红色，频率最高，波长最短的为紫色，不同频率表现为不同的颜色。在牛顿色环上（图4.6），如果将圆环进行六等分，每一份里分别填入红、橙、黄、绿、蓝、紫六个色相，那么他们之间表示着三原色、三间色、邻近色、对比色、互补色等相互关系。其中，红绿蓝三色是不能再分解的三种基本颜色，简称色光三基色，由任意两基色混合就得到了混合色，三基色相混合就得到了白色。牛顿色环为后来的表色体系的建立奠定了一定的理论基础，在此基础上又发展成12色相环、24色相环、100色相环等。

图4.6：牛顿色环

可见光最自然的来源是太阳。雨后常见的彩虹，是太阳光入射于大气层后，被水滴折射与反射的结果，可以看到组成太阳光的七种频率（颜色）光。根据物体吸收和反射的光的波长，人类的眼睛将物体感知为不同的颜色。也就是说，当太阳光照射到物体上时，物体吸收了一部分颜色，剩下的颜色就是人眼看到的颜色。比如，我们看见绿色的树叶，是由于树叶的物理特性使它吸收了其他颜色的光，只反射绿色的光，这些光射入视网膜后形成有颜色的图像，我们就看见了绿色的树叶。

不同颜色对光的吸收和反射各不相同，红色对光线反射是67%，黄色是65% ，绿色则是47%，青色只反射36%。由于红色和黄色对光线反射较强，容易产生耀光和刺眼，所以警示用的标识一般是红灯或红色；绿色和青色对光线的吸收和反射比较适中，人体的神经系统、大脑皮质及视网膜组织更加适应。例如青草和绿树，不仅能吸收强光中对眼睛有害的紫外线，同时还能显著降低强光产生的耀眼对视网膜的刺激。因此，建议青少年和上班族在学习和工作之余，倚在窗口眺望远处的树木，紧张的神经就会顿时放松，眼睛的疲劳也会很快消失。不过，如果看33厘米以内的东西，即使是绿色的，对眼睛的益处也很有限，所以要经常远眺。

科学的进步和电力的普及，使人类发明制造出了很多可见电光源，常见灯具有白炽灯、荧光灯、LED灯、霓虹灯等。白炽灯曾经是产量最大，中国老百姓应用最广的电光源，但其灯丝温度高，大部分的能量以红外辐射的形式消耗，使用寿命短，一般不超过1000小时。近年取而代之的是LED灯，它可以利用固态半导体元器件（即发光二极管），直接将电能转化为光能，其特点是构造简单、成本低、使用寿命长、发光效率高、不易破碎，成了千家万户夜晚照明的不二选择。

 

• 紫外线

    紫外线（Ultraviolet，UV）是波长在5～400纳米的电磁波，是频率比蓝紫光更高的不可见光。1801年，德国物理学家里特（Johann Wilhelm Ritter）发现：在日光光谱的紫端外侧一段光谱能够使含有溴化银的照相底片感光，从而发现了紫外线的存在。从紫外线的发现开始，就与我们的生活息息相关。

自然界的主要紫外线光源是太阳。紫外光又可以分为UVA（紫外线A，波长320～400nm，低频长波）、UVB（波长280～320nm，中频中波）、UVC（波长100～280nm，高频短波）、EUV（10～100nm，超高频）4种。其中，UVA射线会导致皮肤色素沉着，导致黑斑或晒黑，如果进一步破坏生物体化学键DNA，则可能产生癌变；但也因其可以强烈地刺激皮肤，使皮肤新陈代谢加快、皮肤生长力加强、增厚，也成为了临床治疗皮肤病（如牛皮癣、白癜风等）的重要波段。中波紫外线UVB波长较短，此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收，不会渗入皮肤内部，但长久照射易灼伤皮肤，出现红斑、炎症或皮肤老化。虽然太阳光冬季更加温和，但紫外线仅仅比夏天弱约20%，即使在阴天紫外线的含量也高达晴天时的90%，因此，紫外线仍然会对人体皮肤和眼睛等部位造成危害，冬季户外活动也应涂抹一些隔离霜或防晒霜，避免长时间紫外线照射。

还好地球上空的臭氧层吸收了大部分的紫外线。在大气平流层中，一部分氧气分子可以吸收小于290纳米波长的太阳光中的紫外线，并分解形成氧原子，这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧（Ozone，O₃），这就是臭氧层。臭氧可以吸收太阳光后被分解，也可与氧原子相结合，再度变成氧分子。紫外线中的大部分UVC和EUV被臭氧层吸收，不能到达地球表面。

紫外线对人眼有强烈的刺激作用，因其波长短，频率高，能量高，对眼睛视网膜穿透力强，长时间照射会使视网膜发生病变。紫外线还是“雪盲症”的罪魁祸首，在雪地、高山等强烈反射阳光的地方，人的眼睛会感到刺痛，所以在攀登雪山或极地探险时，往往需要戴护目镜来防止紫外线对眼睛的伤害。在焊接过程中产生的紫外线会使焊工患上电光性眼炎。

电子产品中往往也会有少量的紫外线和大量接近于紫外线频段的紫光和蓝光。长时间使用电子产品，这些高能紫外线和蓝紫光对人眼也会造成不可逆的伤害，进而产生视力下降、视线模糊、发黄、昏暗等现象，可能会造成视网膜黄斑性病变。所以，连续使用电子产品的时间尽量不要超过3个小时，建议不定时休息一下眼睛，远眺绿植或到户外走走，避免视疲劳。在晚上关灯的时候使用手机，应降低屏幕亮度，开启护眼模式（防蓝光模式）或夜间模式，也能有效防止紫外线和蓝紫光对人眼的伤害。

紫外线在生活中的运用很多。除了化学作用能使照相底片感光，它的荧光作用很强，日光灯、荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。大部分昆虫的复眼对365nm紫外线特别敏感，在晚上，点亮一只紫外线灯，对昆虫来说犹如光明世界一样，从而达到诱捕的功效。紫外线可以防伪，用于验钞。紫外线还有生理作用，青少年每天户外活动，接受10分钟自然紫外线，即可促进人体合成所需维生素D，防止佝偻病。在家用、医疗领域，紫外线常用作杀菌、消毒、除臭等。

紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。超高频紫外线EUV，又称极紫外线，频率极高、波长极短、能量和分辨率极强，可以用于光刻机，生产精密制程的CPU和各种电子芯片。紫外光刻机就是芯片制造的尖端设备，也是我国的“卡脖子”技术之一。全球芯片制造巨头荷兰 ASML公司2024年推出的新款极紫外 (EUV) 光刻机，售价3.5亿欧元，重达150,000 公斤，相当于两台A320空客飞机，当然，在重量背后，是其不可替代的极紫光刻前沿技术。

•  X射线

我们知道，在光波频谱中，频率越高的光波，波长越短，光子能量越大。X射线（X-ray），就是一种频率极高，波长极短（波长为0.01～10nm）、能量很大的电磁波。

1895年，德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）在从事阴极射线的研究时，发现了X射线（又称伦琴射线，“伦琴”后来也被用作辐射的计量单位）。由于人体组织间有密度和厚度的差异，当X射线透过人体不同组织时，被吸收的程度不同，经过显像处理后即可得到不同的影像。伦琴发现：X射线可穿透千页书、2～3厘米厚的木板、几厘米厚的硬橡皮、15毫米厚的铝板等，但却能被1.5毫米厚的铅板几乎完全遮挡。他还偶然发现：X射线可以穿透肌肉照出手骨轮廓，于是就请夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用X射线对准手掌照射15分钟，胶片上随即清晰地呈现出夫人戴着结婚戒指的手骨像（图4.7）。这是一张具有历史意义的照片，它表明了人类可借助X射线，隔着皮肉去透视骨骼。伦琴也因这一发现获得了第一届诺贝尔物理学奖。

用生命来玩时尚，X光机的从业者和热爱者们付出了惨痛的代价。仅仅三四年后，爱迪生就感觉自己的左眼模糊、肠胃不适，而他的助手也因长期X射线照射，双手被截肢，之后又截掉了整条胳膊，没过多久便去世了。在德国汉堡的圣乔治医院，伫立着一座“X射线石碑”，上面刻着来自15个国家，160多名科学家、医生的名字，他们都因为X射线而成为“先烈”。据说，伦琴学会曾在1920年举办过一次晚宴,来参加的专家们皆缺胳膊断手,几乎全军覆没，面对端上来香喷喷的烤鸡根本无福消受,很多人伤心落泪。全社会也为“赶时髦”交出了“学费”，当初热衷于试鞋的男女老少有些难逃骨骼畸变，接受脱毛的人们患上了可怕的皮肤癌，有的是不孕不育、白血病和各种癌症……

科学无坦途，X射线作为20世纪最伟大的发现之一，虽然曾经给使用者带来了无法挽回的伤害，但是后人已经能够避免误区和风险，使之真正造福于人类。前人栽树、后人乘凉，X射线的应用在医学和创新领域都取得了重要突破，它的透视功能让人们对于人体内部的探索有了前所未有的突破。

如今，我们在医院体检时拍的X光片和CT都属于X射线检查，区别是，X光片检查只拍一张“照片”，CT是从不同的层面和角度分别拍多张“照片”，因此辐射量比普通X光要高一些，通常用于进一步确诊。医生根据荧光屏或摄影胶片上显示出不同密度的阴影，结合临床表现、化验结果，即可判断人体某一部分是否正常，进而提供更有效的治疗方案。X射线曝光时，病人不需照射的部位，都会围上厚重的铅裙，为了避免散在的X射线辐射，工作人员都站在控制板后。由于病人并不经常进行X光照射，而且通常只对身体进行局部照射，因此受X射线的危害性非常小，基本是安全的。

•   伽马射线

伽马射线（Gamma-ray,γ-ray）是频谱中波长短于0.2纳米的高能电磁波。1900年，法国科学家维拉德在做关于镭的阴极射线的实验时发现了这一现象。通俗来讲，γ射线就是核辐射的一种，是在核反应中被释放出来的高能电磁辐射，是原子衰变裂解时放出的射线之一。

核辐射是一个术语，用于描述不稳定原子核衰变过程中发出的能量（粒子流）。这种能量可以有多种形式，包括α、β和γ射线。α粒子的穿透能力很弱，可以被纸张或人体表皮阻挡；β粒子对人体外部的伤害不大，可以被衣物或几厘米金属遮挡，但这两种粒子如果进入人体内部，都会对人体器官造成严重损伤。γ射线的穿透能力极强，又携带极高的能量，对人体内外都有很大的危害，多层水泥墙可以挡住大部分，但一旦进入人体，会破坏细胞结构和功能，导致基因突变、造血功能缺失、生殖问题和癌症等疾病。

今天的人们已经充分认知核辐射的危害，但是在70多年前，为它买单的还是对当时的“高科技”趋之若鹜的欧美上流社会。彼时人们还不知道镭是放射物，手表厂将镭涂抹在表盘上，这样就有了“夜光”效果；时尚女士还把镭涂抹在指甲和嘴唇上用作装饰。

图4.9是当时大卖的铀矿石“U-238原子能实验室”玩具套盒，这个玩具号召未来“小科学家”们勇敢地求知探索，使用封闭的仪器测量样品的辐射性，并且通过仪器观察放射性物质的衰变过程，供学习的说明书长达60页。高科技玩具还“好用不贵”，售价50美金的套盒一上市就销售了5000多套，殊不知这些放射性“砂石”如果操作不当，会对人体造成致命伤害。某些剧毒物质，如钋-210，比人们熟知的氰化物毒性还要强，不到0.1微克的量就可以致死成年人。所幸这类无知的“危险玩具”在人们“觉醒”后，终于退出了历史舞台。

图4.9：U-238原子能实验室玩具

核辐射所危害的群体主要是生物体，其危险性在于核辐射可以利用自身所带的射线（α、β、γ射线）进行内照射和外照射。核辐射能够破坏生物体内的DNA、蛋白质以及其他小分子，进而毁坏生命体机能。

1986年，切尔诺贝利核电站爆炸，导致了直接和间接的人员死伤无数，周遭大面积的环境遭受了严重破坏。为减免损失，前苏联政府采取了封锁设施，采用钢筋混凝土将污染物全部封锁住，以此来控制辐射污染。

电影《奥本海默》讲述了原子弹的问世让人类掌握了真正毁天灭地的力量。1945年，美国在日本广岛、长崎投下了原子弹，蘑菇云升起之时两座城市化为灰烬。当时幸存下来的人，由于遭遇了严重的核辐射，余生饱受病痛折磨，生不如死。广岛市的市长曾说：“日本是唯一遭受过核武器伤害的国家，希望之后人们一定要引以为戒，避免广岛悲剧的重演。”

然而，日本政府还是打了自己的脸。2011年，日本发生地震海啸，引发福岛核电站爆炸。10年后日本政府不顾国际社会反对，决定将百万吨核污染水排入大海，并于2023年正式为“排海”工程拉开序幕。可以预料的是，海洋生物将大规模死亡或变异，进而对食物链上游的其他动物和人类自身繁衍生息，产生不可估量的负面影响。正如《奥本海默》影片中令人印象深刻的一句台词：“你赋予人类自我毁灭的力量，这个世界却毫无准备。”

科技的发明从来都是一把“双刃剑”，γ射线虽然危险，合理使用却也在造福人类。比如全世界现有600多座核电站（其中中国有50多座，计划未来增至150座）；火箭和太空飞行器的发射需要使用核燃料；天文学家门发现，γ射线还能够由诸如脉冲星、中子星、超新星和黑洞等能量最高的宇宙物体发射，可以用作探星和定位；地球上的闪电雷暴现象，也会产生γ射线。

在医学上，γ射线可以杀死细胞，因此也可以靶向杀死癌细胞。上世纪80年代流行的医用辐照，是用钴-60产生的γ射线使微生物受到不可恢复的损伤和破坏，从而灭菌消毒的癌症治疗手段。我的父亲就曾接受了钴-60放疗以对抗舌根癌，虽然控制了癌细胞，却也造成了不可挽回的器官损坏。