互动科普

辐射说到底是个能量的概念

“辐射”听起来虽然像是个人人避之不及的可怕词汇，但是我们每天都要跟辐射打交道，甚至可以说，我们就生活在辐射的“海洋”中。我们平常接收的太阳光，使用手机接收的无线电波，以及吹打在地球上的太阳风都是辐射。如果没有这些辐射，我们的生活恐怕是另一番模样了。通常，我们可以根据辐射的成因，将辐射分为电磁辐射和粒子辐射。

电磁辐射的来源其实就是各种各样的电磁波，根据能量或波长的不同，可以将电磁波分γ射线、X光、紫外光、可见光、红外光、微波、无线电波和长波无线电。在这个序列里的电磁波的频率越来越低，所携带的能量也越来越弱。很多人可能会觉得无法理解可见光竟然也是一种电磁辐射。实际上，它跟那些“危险”的γ射线、X光在本质上是相同的，只不过是能量要低得多罢了。毫不夸张地说，我们天天就沉浸在电磁辐射中。

高能粒子辐射就更好理解了，通常的粒子辐射包括α射线、β射线、原子核碎片、中子、质子等粒子流。简单来说，就是一些运动速度很快、携带能量很高的粒子，比如α射线（氦核）是两个中子和两个质子组成的带2个单位正电荷的离子，而β射线则是高能量的电子流。此外，还有一些原子核碎片也可以成为辐射的来源。除了这些带电的粒子，一些能量高非带电的中子也可以成为辐射的来源。

在最近的报道中，我们经常听说一个概念—电离辐射。其实这跟上面的两大类是兼容并包的概念集合，因为电磁辐射和粒子辐射是按照辐射本身的性质来划分的，而电离辐射则是按照辐射的效果来划分的，与其相对应的应该是非电离辐射。无线电波和紫外线都是电磁辐射，前者是非电离辐射，后者就是电离辐射；而α射线既是粒子辐射又是电离辐射。

电磁辐射来自带电粒子的振荡和跳跃

简单来说，电磁辐射都是由带电粒子运动产生的，这里所说的运动既包括振动运动，也包括电子在原子内轨道之间的迁移运动。不同波长的电磁波的产生机制也略有不同。

频率或能量较低的无线电波和微波，主要是由自由电子振荡运动产生的。电子有规律的振荡产生了变化的磁场，变化的磁场周围又产生了变化的电场，就这样，能量像水波一样，以电磁波的形式向四面八方扩展开来。日常生活中用到的无线电波就是通过天线中的电子振荡发出的。

频率和能量稍高的红外线，则主要是由高温物体中分子或者原子的振荡发出的。一般来说，物体在受热后，它内部的原子或者分子就会不停地转动或者振动。这些原子或分子的运动会使原子或者分子内部的电子或原子核也振荡起来。于是就产生了电磁波。炎炎夏日，我们能感受到地面也在释放出逼人热浪，这主要就是由于地面释放出红外线辐射造成的。

至于可见光、紫外线以及X射线主要是由原子内的电子在不同轨道间迁移（跃迁）产生的，就像人造卫星围绕地球运行一样，原子中的电子也在围绕原子核运动。并且，在离核距离越远的轨道上，运行的电子具有的能量越高，当这些电子迁移到离核较近的轨道时，就会以电磁波的形式将能量释放出来。需要注意的是，电子跃迁的两个轨道之间的能量差值越大，放出的电磁波所携带的能量或频率就越高。

不同电磁辐射能量差异很大（因为电磁波具有波粒二象性，所以在衡量电磁波能量时，通常用不同频率的光子的能量），波长最短的γ射线光子能量高达百万电子伏，医疗和安检用的X光光子能量一般在数千到上万电子伏，紫外光的能量一般在数个到数十电子伏，可见光的能量在1.8（波长700纳米的红色光）到3.1电子伏（波长400纳米的蓝色光）之间，红外、微波和无线电波的光子能量就小的多了。所以说，并不是所有的电磁辐射都很危险。

图. 产生电磁辐射的机制

（本文发表于《科学世界》2011年第5期）