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      5G時代關于電磁輻射原理及其危害性的強勢科普

      時間:2020-11-27|

      閱讀量:356|

      來源:

      最近一段時間以來,隨著美國對華為強勢崛起的惡意打擊,5G通信也開始加快走進大眾的視野。對于大多數普通大眾而言,5G可能只是意味著上網速度更快了。而更大的影響卻在于其低時延等特點對于未來超大規模物聯網設備應用的重大作用。
       
      但是關于通信等電子設備的輻射問題依然是長久的話題,搜狐的CEO張朝陽前不久也是質疑過高頻輻射對人體的危害性。新聞報道有的居民區甚至拒絕安裝通信基站,雖然這種方式有些偏激。但是,我們在越來越享受各種電子設備帶來的生活便利時,其可能存在的有害輻射問題畢竟還是值得理性討論的。
      今天這篇文章就是關于電磁和輻射的科普,說是硬科普,因為理解下來還是需要一些“姿勢”的。
       
      一、 電場與磁場
      人類在很早之前就發現了正負電荷和南北磁極,但是并不清楚電荷之間或者磁極之間的作用原因。大神法拉第提出了“場”的概念。
        
      我們可以說大小隨時間變化的電場就形成電波,變化的磁場對應形成磁波,就像水波紋或者彈簧的振動一樣。
      奧斯特發現了電流具有磁效應,即電流周圍存在磁場。
      法拉第發現了電磁感應現象,即變化的磁場能生成電場。
      如此,電場和磁場互相影響,這就是電磁波。
       
      另一個大神麥克斯韋研究電磁波,得到了人類歷史上最偉大的公式之一:麥克斯韋方程組。
       
      看不懂?沒關系!只要知道這個方程組統一了光、電和磁,意義直追牛頓的力學三大定律,震古爍今。
      這個方程還推導出了電磁波在真空中的傳輸速度和光一樣,進而得到光也是一種電磁波的重要結論!并在后續實驗中得到驗證。
      這是電磁波的人類傳奇故事!
      二、 輻射與量子
      輻射的問題首先是熱力學問題,是指任何物體在任何溫度下發射從紅外線、可見光到紫外線的現象,輻射的本質是能量!
       

      科學家研究物體的單色輻射出射度,得到溫度與輻射波長的關系。并建立了黑體的模型,即吸收一切入射輻射的物體。最終得到黑體的理論單色輻射度公式:


      公式表明:隨著溫度的升高,黑體的單色輻出度迅速增大,并且曲線的極大值逐漸向短波方向移動。這個公式與實驗結果部分吻合。
      但是這個基于經典的熱力學和電磁學建立的公式出現了重大“BUG”:長波段實驗值與理論值不符,在短波長紫外區推導出單色輻射度為無窮大。這被稱為物理學史上一朵烏云的赫赫有名的“紫外災難”!
      1900年另一個大神普朗克提出了能量子hv的假設,假設輻射的能量并不是連續的!而是以一個最小單位為hv基礎輻射的。修正后的公式完美符合實驗數據,普朗克開創了量子時代!

      三、 微觀世界的量子與光子
      小時候我們就知道物質是由無數的微觀粒子組成的,例如地球上絕大部分生物都是由碳(C)元素組成的碳基生物。組成包括分子和原子,以及更微小的粒子。我們的內容在原子的層面上討論。
       
      原子的結構簡單:原子核+核外電子。
      原子核在球體中間,帶正電,核外電子在外圍高速旋轉,帶負電。我們可以非常形象的想象為行星繞著太陽旋轉。不得不說,宏觀和微觀在某種程度上的高度相似性真的是自然規律之魅力的體現。
      核外電子在軌道上旋轉,電子具有運動能量,按照經典物理的理論能量為:
       
      而根據光電效應實驗現象發現:
      對于金屬,入射波長如果小于V0,光強再強都沒法輻射電子。如果入射波長大于V0,再弱的光強都能很快輻射電子。
      結合普朗克的假設,愛因斯坦提出了光子的概念,提出了光的波粒二象性!
       
      那是一個大神云集的時代。
      波爾將量子理論引入了原子領域,建立了原子的量子化結構模型,解釋了原子核的能量吸收和輻射機制。
       
      四、 輻射與物質的作用
      上面我們得到的結論是:輻射是波,是物質,是以波長為參照系的離散能量。那么這樣的物質必然與其他物質有作用。
       
      波與物質的作用類型有很多種,不同類型也有著非常多的應用。
       
      下面就是幾種著名的效應:
       
      如我們照鏡子是利用了反射,照相機利用了光電效應,各種光譜分析儀也是利用了光波與待分析物質的作用效應。
      五、 電磁輻射與傷害
      上面說過,輻射是能量的對外出射。
      而輻射分為兩種:電離輻射非電離輻射。
      電離:入射能量較大,能夠改變微觀粒子結構,如原子失去電子等。
      這張圖說明了不同能量的粒子對物質的影響:
       
      1、非電離輻射
      我們接觸到的電磁波都屬于非電離輻射,也就是能量小于12eV的粒子。這種電磁波如上圖所示,影響的是組織粒子的轉動或振動。主要包括可見光線、紅外線、射頻輻射、激光、紫外線。通訊領域涉及到了為射頻區,是指波的頻率在數百MHz甚至數十GHz上的。
       
      當然,這類電磁波雖然沒有改變組織單位的結構,但是依然會影響生物組織。這里可分為幾種類型
      射頻微波的生物學效應:
      正如前面所說非電離型輻射影響組織粒子的存在狀態,如引起振動等,這樣形成了微波的主要生物效應:熱效應。這種效應會導致人體的神經系統、心血管系統等產生異常反應,結果如失眠、神經衰弱、造血功能下降等。
      電磁波的生物學效應是隨著波長變化的:微波>超短波>短波>中長波
      我國超高頻輻射衛生標準 (GB10437-89)規定,作業場所超高頻輻射8h/d接觸的容許限值: 連續波的功率表示:0.05 mW/cm2   電場強度表示:14V/m。 
      脈沖波的功率表示:0.025 mW/cm2  電場強度表示10V/m。
      我們來分析下這個能量的大?。?/span>
      0.05 mW/cm2=0.5W/ m2,表示輻射體對外的單位面積上的輻射功率。普通白熾燈的功率大約數十W,輻射量簡單理解為燈泡的約百分之一,而且0.5W是一平方米的輻射量,再考慮距離因素,這個值很小很小了。我們用電烤箱烤熟一個雞蛋,假如功率為1KW,時間為5分鐘,需要的能量約為0.08度電,如果用一平方米的輻射量,大約需要1萬小時,也就是需要1年多的時間積累的能量。
      微波的生物學效應還包括非熱效應,如影響生物電場,化學反應等,一般具有累積性。
      低頻電磁波的生物學效應:
      如紅外線:
      長波(遠)紅外線:波長3μm-1mm,只能被皮膚吸收,產生熱的感覺。     
      中波紅外線:波長1400nm-3μm,能被角膜和皮膚吸收。     
      短波(近)紅外線:波長760-1400nm,可被組織吸收引起灼傷。    如紫外線:
      遠紫外區(短波紫外線,UVR-C):波長100-290nm,具有殺菌和微弱致皮膚紅斑作用,為滅菌波段。
      中紫外線區(中波紫外線,UVR-B):波長290-320nm,具有明顯的致紅斑和角膜、結膜炎效應,是紫外光譜中危害最嚴重的組分,為紅斑區。      
      近紫外區(長波紫外線,UVR-A):波長320-400nm,可產生光毒性和光敏性效應,能增強中波紫外線的生物學效應,為黑線區。
      可以看出短波長的紫外對生物組織的有害影響更大。
      2、電離輻射
      電離輻射主要指粒子能量很強的射線,如X射線、γ射線、α射線、β射線、中子、質子等。這些高能量的射線轟擊人體組織的粒子,會強力改變粒子如原子及分子結構,從而造成不可逆的損傷。下圖說明了人體不同組織對電離輻射的敏感度,依次降低。
       
      六、 常見電磁波的來源
      最后我們介紹生活中最常見的幾種電磁波設備。
      1、超聲波(B超)
      醫療檢查過程中用的最多的就是B超,原理參考蝙蝠的超聲波定位。這是一種高于人耳識別聲波范圍的電磁波,大約在數十MHz,對于人體基本無傷害。
      高能量的超聲波也可用于設備探傷、清洗等領域?;驹砭褪抢脫Q能器,將電路產生的頻率電磁波驅動發出,然后接收反射波進行分析應用。
      2、核磁共振(MRI)
      核磁共振屬于高端的醫療檢測設備,同樣是利用電磁波與物質的作用。核磁的電磁波范圍為數百MHz,原理是原子核具有自旋運動,產生的磁場即為核磁,正常情況下為無序狀態。在外加磁場時產生沿磁場方向的進動。
       
      此時,外加特定的射頻脈沖,組織內部的原子吸收能量發生躍遷。這就是共振的過程。然后,在射頻脈沖消失后,原子由激發態恢復到基態釋放能量,外圍的磁場線圈由發射變為接收,經過復雜的信號采集和處理,這樣基于氫原子的共振就得到了組織的內部結構圖。
      核磁共振屬于無傷害的檢測方式,但因為射頻的作用,可能會感到一些熱量。新生兒腦部檢測經常用到該方式,
      3、計算機斷層掃描(CT)
      CT屬于射線方式探測,具有一定的傷害性。利用X射線等穿透人體,然后進行探測器接收。根據不同部位的吸收差異進行構造的顯示。
       
      之前已經介紹過,射線屬于高能輻射,長時間的大劑量輻射必然會導致嚴重損害。切爾諾貝利的核污染造成的輻射傷害震驚世界,危害至今仍未消失。
      但是CT檢查中的輻射量很小,短時間的輻射并不足以造成損傷,大可不必擔心。畢竟,射線其實無處不在,拋開劑量談傷害基本就是無理取鬧。
      4、基站和手機
      最后不得不說的就是高頻通訊設備的輻射了,我們常見的藍牙、WIFI采用的就是2.4GHz的開放頻段。5G通訊的擴展頻段可以達到數十GHz的毫米波段,對比低頻通信而言,其輻射有害性顯然是增強的。
      遠距離通訊的原理就是一個發,一個收,依靠的就是電子設備產生的高功率電磁波。決定發射功率的其實就是距離。所以遠離大功率發射源是有道理的,但是國家規定的相關標準足以保證基站對于人體的健康處于可控范圍內。根據中國《電磁環境控制限值》,通信頻段功率密度應小于40微瓦/平方厘米,美國這一標準為600微瓦/平方厘米,兩者相差了15倍??紤]到基站信號會有相互疊加的水平出現,移動通信基站建設時執行的都是國標五分之一的標準,即小于8微瓦/平方厘米。
       
      對于5G基站而言,因為高頻電磁波穿透性差,所以需要更多的基站覆蓋,這恰恰降低了單個基站的發射功率,因此反而是減小了輻射危害的。
       
      對于手機等手持通訊設備。國家規定的手機最大發射功率為2W,實際上,距離基站越近,手機的發射功率也就越小。
      對于電子設備而言,電磁輻射是必然的,但是這種傷害的危害性可以說微乎其微。長時間使用電子設備帶來的眼睛、手指或者腰椎的損害遠大于輻射的危害。不過,畢竟作為一個輻射源,沒事的時候還是盡量放置遠一點,例如睡覺時不要放在床頭等。
      七、 總結
      這篇文章的主要目的是科普一些電磁輻射的常識,為了相對深入,也介紹了關于電磁波的前世今生,它們絲毫不可怕,屬于自然科學的一部分,早已屬于人類科學認知范圍內的事物。畢竟,我們的地球享受太陽的超級輻射恩澤已經上億年了。最后,讀完這篇文章,希望你有所收獲。


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