辐射

能量在空间中的传播方式

在物理学中，辐射是指能量以波或粒子形式在空间中传输。辐射主要包括：

理论

电磁辐射

能量守恒

考虑一个在电磁场中运动的粒子，可以计算电磁场对带电粒子的力做的功：

一般地，可以考虑电流分布。设电荷密度是，电流密度矢量是，那么在体积中，。根据麦克斯韦方程组，可以得到

根据矢量分析中的公式和麦克斯韦方程组，应用散度定理，进一步计算得到

考虑上式的物理意义，可以看到中两项分别描述电场和磁场的能流密度。一项表示电磁辐射。单位时间内电磁场通过单位表面积向外传递的能量被称为坡印廷矢量，表达式是

推迟势

是粒子的位置，那么时刻在处测量得到的磁场是在时的粒子作为源产生的，这些物理量满足如下方程：

一般公式

对于交变电流，考虑推迟势，磁矢势是

其中若是一定频率的交变电流，即，那么

可以近似辐射源很小，考虑的辐射远离波源。利用泰勒展开，第一项并非推迟势的效应，与辐射无关。推迟势效应对应的第一项是

用同样的方法，可以得到远处的标势是

应用公式可以得到

然后根据（4），可以算出辐射的能流。

粒子辐射

光电效应

1887年，海因里希·赫兹发现，当紫外光照射在金属表面时，会使金属表面的电荷释放，从而在电路中产生电流。这个发现为后来的光电效应研究奠定了基础。1905年，爱因斯坦提出了光电效应理论，光电效应理论说：材料可以吸收电磁波激发出电子，电子从材料中逸出需要消耗能量，这被成为逸出功。因此，逸出电子的动能是

其中是光的频率，是逸出功。根据光电效应理论，入射光的能量必须大于逸出功才会发生光电效应，发生光电效应的最小频率被称为截止频率。

弱相互作用

弱相互作用是自然界的4种基本相互作用之一。简称弱作用。弱相互作用是基本粒子之间一种特殊作用，它和强相互作用，电磁作用和万有引力作用并成为四种基本相互作用力。

最早观察到的弱作用现象是原子核的β衰变。后来又观察到介子、重子和轻子通过弱作用的衰变和中微子散射等弱作用过程。弱作用的力程在四种作用中是最短的，在低能过程中可以近似地看作是参与弱作用过程的粒子在同一点的作用。

分析实验的经过发现，费米子在一点的弱作用(称为费米作用)，是两个费密子弱作用流的耦合，所谓弱作用流相当于电磁作用的电流。耦合常数G与质子质量二次方的乘积是无量纲的，比电磁作用的精细结构常数小1000倍。这个比例反映了两种作用在低能下强度的差别。

弱相互作用的另一个特点是对称性低。在弱相互作用中，空间反射、电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏；同位旋、奇异数、粲数、底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。但是破坏时间反演的弱作用比不破坏时间反演的弱作用弱得多。

弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同，却又有相似之处。弱作用流与电流一样是守恒的，它们之间还有以对称性相联系的关系。

有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，正β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等；另一种是Κ介子和∧超子的衰变。这两种弱相互作用的强度相同，都比强相互作用弱10^12倍，相互作用时间约为10^(-6)～10^(-8)s 。

质子和中子能够通过以下弱相互作用过程互化：1.质子+电子=（可逆）中子+电子中微子2.质子+反电子中微子=（可逆）中子+正电子。

引力辐射

引力波方程

考虑弱场近似，假设度规接近闵可夫斯基度规，偏离闵可夫斯基度规的部分非常小

代入爱因斯坦场方程，经过复杂的计算，可以得到弱场近似下的场方程是

其中，这个方程也是引力波的方程。这个方程有推迟势解

平面波解

根据的定义，能量动量张量的守恒律等价于。可以将方程

的解叠加到推迟势解（14）上。推迟势解（14）可以解释为源的引力辐射，（15）的解可以理解为来自无穷远处的引力辐射，（15）的解是平面波解。当时，弱场爱因斯坦场方程的解将趋近于平面波，（15）的通解是平面波解的线性叠加

其中是待定系数，并且波矢应当满足。经过一些计算，可以确定各系数间满足的关系，并且可以发现只有具有绝对的物理意义。在旋转变换下

其中是绕轴转动角。可以得到有物理意义的那部分

其中。可以看到，引力波的螺旋度为。

研究历史

19世纪初，人们发现了可见光以外的电磁辐射。1800年，德裔英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）发现了红外辐射。赫歇尔用棱镜折射太阳光时发现，对应光谱红色以外的位置温度会升高，他推断太阳光中存在一些不可见的“热射线”，这些热射线后来被称为红外线。

1801年，德国物理学家约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）发现了紫外线。他注意到，太阳光谱中紫色一侧光谱之外的位置的不可见射线比紫光更快地使氯化银试剂变暗，他将其称为“化学射线”。后来这种射线被称为紫外线[3]。里特的实验是摄影术的先驱。

1891-1865年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁场方程。通过麦克斯韦方程组可以解出真空中电磁波的方程，并得到电磁波波速是常数“光速”的结论。因此，麦克斯韦推断可见光以及光谱中不可见部分都是电磁波。在1887年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）首次制造了比可见光频率低得多的电磁波，并开发了检测这些波的方法。这些电磁波被分为无线电波和微波。

1895年11月8日，威廉·伦琴（Wilhelm Rontgen）在对真空管施加高压时，他注意到附近的一块镀膜玻璃板上出现了荧光。在之后的实验中，他发现这种实验现象是由X射线导致的。

亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）发现，在覆盖纸上的铀盐可以引起未曝光的照相版起雾。玛丽·居里（Marie Curie）发现只有某些特定的元素可以释放能量引起照相版起雾，并且镭可以释放强烈的辐射。玛丽·居里将某些化学元素释放能量这种性质称为放射性。

1899年，欧内斯特·卢瑟福（ErnestRutherford）通过简单的实验区分了射线和射线。他使用一种沥青闪石放射源，并测量了放射源产生的射线在材料中不同的穿透力。一种射线穿透力较弱，且带有正电荷，卢瑟福将其命名为射线。另一种穿透力更强，带有负电荷，卢瑟福将其命名为射线。

1900年，保罗·维拉德（Paul Villard）发现了一种带中性电荷且穿透力极强的辐射，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）意识到这种辐射一定不是粒子，是第三种类型的射线，并将其命名为射线。1910年，威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）证明了射线不是粒子。1914年，卢瑟福和爱德华·安德拉德（Edward Andrade）测量了射线的波长，发现其波长比X射线更短。

亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）证明了射线是电子，卢瑟福和托马斯·罗伊兹（Thomas Royds）在1909年证明了射线是电离氢。

1912年，维克多·赫兹（VictorHess）用热气球将静电计带到不同高度，证实了存在来自外太空的宇宙辐射

中子辐射是詹姆斯·查德威克（James Chadwick）于1932年发现的。在这之后，通过宇宙线的云室实验发现了其它的高能粒子辐射，如正电子、子和介子。除此之外还有很多类型的辐射是在加速器中发现的。

应用

医学

辐射和放射性常被用于诊断和治疗。射线可以穿过肌肉等软组织，但会被致密的材料阻挡。因此射线可以用于诊断骨折，并有可能找到癌症组织。注射放射性物质并监测该物质在体内的运动常被用来诊断某些疾病，这种方法叫同位素标记法。放射性治疗常被用于治疗癌症。电离辐射的电子穿过细胞时可以形成离子，这会杀死细胞或者改变基因，使癌症组织无法生长。

科学研究

可以通过碳14的放射性来确定化石的年龄。化石中碳14的含量随时间指数衰减，可以通过监测放射性来估计化石中碳14的含量。

太阳辐射

太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉。到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15～4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区（波长0.4～0.76微米），7%在紫外光谱区（波长0.76微米），最大能量在波长0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长（约3～120微米）小得多，所以通常又称太阳辐射为短波辐射，称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹，在可见光谱区减少至40%，而在红外光谱区增至60%。

天文辐射的时空变化特点是：①全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；②天文辐射夏大冬小，它导致夏季温高冬季温低。大气对太阳辐射的削弱作用包括大气对太阳辐射的吸收、散射和反射。太阳辐射经过整层大气时，0.29μm以下的紫外线几乎全部被吸收，在可见光区大气吸收很少。在红外区有很强的吸收带。大气中吸收太阳辐射的物质主要有氧、臭氧、水汽和液态水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和尘埃等。云层能强烈吸收和散射太阳辐射，同时还强烈吸收地面反射的太阳辐射。云的平均反射率为0.50～0.55。经过大气削弱之后到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。就全球平均而言，太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的45%。总辐射量随纬度升高而减小，随高度升高而增大。一天内中午前后最大，夜间为0；一年内夏大冬小。

手机辐射

手机信号差时辐射更大

5G基站产生的是电磁辐射。电磁辐射无处不在，可见光、红外线、微波炉、电脑、吹风机等都会产生电磁辐射。5G基站的电磁辐射量低于家用电器。

严格来说，真正对人体辐射的不是基站，而是手机。手机信号不好的时候，它是满功率发射的，辐射更大。

通信基站数量越多，手机通话效果越好，手机基站之间产生的电磁辐射越小。如果肉眼能看到基站，手机的发射功率会非常低，耗电也低。

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