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產品知識  Product Knowledge

電磁輻射學的應用

何謂電磁波

在電學理論中,最重要的基礎是「電生磁」、「磁生電」的共伴效應,而「電磁波(Electro-magnetic Wave)」是指兼具「電場(El.ectric Field)」與「磁場(Magnetic Field)」的一種波動,也是電場與磁場同時存在且彼此保持一定關係,且「振幅(Amplitude)」反復變化並前進的一種波動現象。

電磁波又稱為「電磁輻射」,以電場與磁場形式,在空間中以波的形式傳遞能量和動量,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。電磁波的載體為光子,不需要依靠介質傳播,在真空中的傳播速度為光速。電磁波按照波長的長短,從長波開始分類為:無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等等。電磁波通常以頻率、波長或光子能量這三種物理量中的任何一種物理量來描述。它們彼此之間的關係,以方程式表達為:

波長與頻率成反比,波長越長,頻率越低;反之,頻率越高,波長越短,其乘積是一個常數等於光速c,係數為普朗克常數h;而電磁波的能量與頻率成正比;即頻率越高、波長越短,能量越高、穿透力越強。因此,紫外線對皮膚的傷害力跟穿透力都比紅外線要強。

電波與光

無線電廣播(Radio Broadcasting)、電視廣播(TV Broadcasting)或雷達波(Radar)等,所使用的電波與電磁波同屬一類,電波具有被反射與穿透之性質,如同投小石頭到水裡所產生的波紋那樣全方向往外擴散,能夠被金屬板或建築物反射,亦能以光速直線前進,距離越遠電波變得越弱,電波也能夠繞射,這些性質與光類似。

根據電波法,將電波定義為「頻率300MHz以下之電磁波」,亦即波長0.1mm以上之電磁波;光雖然也是電磁波,但是波長比電波更短,換算成頻率更是高於電波。波長越短的電波越接近光的性質,在浩瀚無垠的宇宙空間內充斥著無數種波長不同的電波,統稱為「宇宙射線」,只要這些電波的波長不同,則不會互相干擾,各自保持其波形而共存。

光的本質

當一個光子被原子吸收的同時,也會激發它的束縛電子,將電子的能階升高。若光子給出的能量足夠大,電子可能會逃離原子核的束縛吸引而成為自由電子,這程序稱為光離化(Photoionization)。逆向過來,一個躍遷至較低能階的電子,會發射一個能量等於能階差額的光子。由於原子內的電子能階是離散的,每一種原子只能發射和吸收它的特徵頻率的光子。綜合在一起,這些效應解釋了光波的吸收光譜。在介質內的原子,因為吸收不同頻率的光波,造成了光譜的暗線。光波所通過的介質的組成成分,決定了吸收光譜的表現。

任何的物質所吸收到的電磁波,大多會直接存入其能量,最後都會轉換成熱能,因而能將物質加熱。對於紅外線輻射和非紅外線輻射,都會發生這樣的物理行為。因此,足夠強烈的無線電波,能夠加熱活生生的細胞組織,也能夠煮熟食物;紅外線雷射,帶有足夠強烈的可見光雷射與紫外線雷射兩種能量,都可以很容易的點燃紙張;離子化電磁波可以使物質內的電子擁有高動能,能夠切斷或破壞生物細胞的DNA。但是在電子與其它原子碰撞多次後,最終大部分的能量會轉換為熱能,這整個程序只需短短的千分之一秒。很多人都認為紅外線電磁波是熱的一種形式,而其它電磁波不是,這是一個錯誤的物理概念,任何被吸收的電磁波都可以使物質加熱。

吸收輻射的逆向程序是熱輻射。在物質內部大部分的熱能都歸功於帶電粒子的隨機運動。這種能量可以從物質內被輻射出,形成的輻射可能後來又被另外一個物質吸收。存入物質的能量會使物質加熱,而熱輻射是熱傳輸的其中一種機制。在一個侷限空間內,達到熱平衡狀況時,電磁波可以等效的視為熱能的一種形式。

可見光Visible light

光是一種電磁波,人眼可接收到電磁波的波長大約在380nm至780nm之間,科學定義為「可見光(Visible light)」。可見光範圍內的電磁波將在「光度學」內進行說明。

只要是本身溫度大於絕對零度的物體,都可以發射電磁輻射,而世界上並不存在溫度等於或低於絕對零度的物體。因此,人們周邊所有的物體時時刻刻都在進行電磁輻射。儘管如此,只有處於可見光頻率以內的電磁波,才能被我們的眼睛看到。
電磁波頻譜圖:單位為「奈米Nanometer(nm)

常用光源頻譜成份圖:

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