论不同频率电磁波辐射的特点及对人体的影响

最近总会听到或看到一些人错误的认为电磁波的频率越高穿透性越弱，并且越来越多的年轻人完全不在意辐射的危害。所以我想从原理上对电磁波的一些特性进行阐明，从而使大家理解一些现象，提高防护意识。

01 电磁波简介

电磁波通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。

微波和可见光一样都属于电磁波，所以传播速度也和光速一样，即在空气中的传播速度约等于3*10^8（m/s）。微波的频率范围是从300 MHz至3000 GHz，用速度除以频率，即相应波长从1 m至0.01 mm。

02 宏观上电磁波的衍射（绕射）

波的衍射是指在媒质中由于有障碍物或其他的不连续性而引起波改变传播方向的现象。电磁波与我们能看的见的机械波一样都属于波，所以它也具有波的一切性质包括衍射。

根据惠更斯菲涅尔原理，一个光源发出的光波，在其波面上的任何一点，都可以看做是一个新的波源，而其后面的光波的形状，可以看成是这些无限多的小次波源发出的光波在空间相干叠加的结果。波通过障碍物时一部分分量被阻挡，通过的分量重新叠加形成不同图样，即衍射现象。

只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。但当孔的尺寸远小于波长时（小于波长的3/10时），尽管衍射十分突出，由于能量减弱，衍射现象已不容易观察。

那么反之，障碍物尺寸固定的情况下，则波长较长的波就更容易产生显著的衍射了。这就解释了为什么波长越长，即频率越低的信号越容易覆盖到被遮挡的角落。如果你从墙的一侧收到另一侧的信号，那不是信号从墙内穿过来，而是一定有缝隙让它绕进来的。

频率越低，越容易发生衍射（绕射），所以覆盖范围更广。

03 微观上 电磁波的粒子性与穿透力

说到电磁波的穿透能力，就不得不提到电磁波的波粒二象性。

波动性与粒子性没有具体分界线，电磁波的波长越长，波动性越强；波长越短粒子性越强。两个性质始终存在，不存在消失的时候，只是哪个更显著而已。

电磁波的粒子性不是说它是像分子原子质子电子一样的微观粒子，电磁波体现出的性质是量子性，可以认为这个最小能量单位就是一个光子，所有电磁波的能量都是这个单位的整数倍叠加。光子不是粒子，是一个量子物理的概念，属于能量范畴。

能量的传播并不是连续不断的，能量存在着最小单位，能量是一段、一段进行传播的，这一段、又一段的能量就是能量子，又称量子，这就是量子的最早概念，即能量的最小单位。

光子能量E=hv，h为普朗克常数，v是频率，可见频率越高光子能量越强。

一般来讲，入射光子能量越大，能进入物体的深度越深，即穿透能力越强。

04 物体对电磁波的吸收

原子的激发与电离：

原子中电子的运动状态也是不连续的，每一个运动状态有固定的能量，将这些不同的能量状态划分为不同的能级，所以基态原子能选择吸收与其电子能级差相当的辐射光子的能量，电子从最低能级跃迁到更高的能级，原子从基态到激发态。激发态原子不稳定，瞬间回到基态或较低能级，多余的能量以光子或热的形式辐射出去。

当能量再增大超过一定阈值时，会发生电离，即电子摆脱原子的束缚成为自由电子。

不同原子在吸收光谱上有自己的特征频率谱线，一般在1—10eV。由光子能量E=hv，h=6.626196×10^-34J·s, 1ev=1.6x10^-19j，得到所需频率范围为0.24×10^15—0.24*10^16, 包括部分可见光及部分紫外线的范围。

分子的激发与电离：

分子同样会吸收光子被激发和电离。由于分子中除了电子的相对原子核的运动状态，还有分子中各原子的微小震动及整个分子绕质心的转动，即分子有转动光谱，振动光谱及电子光谱，而前两者的能级间隔△E较小。分子的吸收谱范围在0.05—10eV. 频率范围为0.12×10^14-0.24*10^16，包含部分红外线，可见光，部分紫外线的范围。

物体中的分子和原子的热运动：

分子的热运动，指一切物质的分子都在不停地运动，且是无规则的运动。分子的热运动跟物体的温度有关，物体的温度越高，其分子的运动越快。所以称为分子热运动。

分子的热运动的典型现象是扩散，比如把冷水和热水放在一起，冷和热的水分子互相扩散，并且热分子把能量传递给冷分子，很快他们就结合成了温水。

有些电磁波的频率，比如红外线，它还不能穿透原子和分子被其吸收，但可以穿透了原子分子的间隙中，主要引起分子动能增加，即增加热运动能量，产生热效应。

05 一些电磁波的应用情况

X射线在医学中的应用：

短波长的X射线能够穿透肉体,但是会被骨头吸收。如果胶卷放在病人身体的另一边,穿透过来的X光会和胶卷起反应,而那些被骨头阻隔了光的胶卷的部分则不会起反应。于是人体内骨头的图像就可以通过这种方式形成,但是现代的X射线设备通常会使用电子探测器来代替胶卷。人体组织也可以吸收一定程度的X射线，所以除了骨头以外的图像也经常用于医学诊断。

参考数字化医用X射线摄影系统，最大输出功率:≥25KW。

紫外线杀菌消毒：

紫外线杀菌消毒原理是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构,造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡,达到杀菌消毒的效果。

参考紫外线消毒灯功率约30W，在电压为220V、相对湿度为60%、温度为20℃时,辐射的253.7nm紫外线强度(使用中的强度)应不低于70μW/ cm2。

红外线治疗：

“特定电磁波谱”（TDP）是由特定的加热器对治疗板产生的波长范围在2-25μm（红外线），强度范围（28-35mw/cm2）内分布的特定电磁波，当人体匹配接收后与体内细胞所含相同物质产生谐振，因而可增强微循环作用，促进新陈代谢，产生对人体病变的修复，使病患者能迅速康复，非病患者能提高自身的抵抗能力。

微波炉：

微波炉是利用食物在微波场中吸收微波能量而使自身加热的烹饪器具。在微波炉微波发生器产生的微波在微波炉腔建立起微波电场，并采取一定的措施使这一微波电场在炉腔中尽量均匀分布，将食物放入该微波电场中，由控制中心控制其烹饪时间和微波电场强度，来进行各种各样的烹饪过程。

微波炉乃是利用其内部的磁控管，将电能转变成微波，以2450MHz的振荡频率穿透食物，当微波被食物吸收时，食物内之极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）即被吸引以每秒钟24亿5千万次的速度快速振荡，这种震荡的宏观表现就是食物被加热了。

微波加热的原理简单说来是：当微波辐射到食品上时，食品中总是含有一定量的极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等），极性分子的正负电荷中心，即使在外电场不存在时也是不重合的，这种极性分子的取向将随微波场而变动。由于食品中极性分子的这种运动，以及相邻分子间的相互作用，因此，食品的温度也就上升了。微波炉里的辐射量很大，可以令放在里面有水分和油脂的物体产生热量把食物煮熟，它以每秒24.5亿次的频率，深入食物5cm进行加热，加速分子运转。

参考微波炉的功率范围一般为500～1000瓦。

微波通信：

这是我们比较熟悉的领域，也是日常生活中接触最多的，从电台，电视，到手机等。目前的移动通信频段也在逐渐提高，2代通信在2GHz以下，3/4代通信FDD 3GHz以下,TDD 4GHz以下,到现在刚建设起来的5代通信频率已达5GHz。

在5代通信刚起步的阶段，各大厂商就开始研究毫米波了。即将出世的下一代WiFi标准802.11ay运行于60GHz频谱上，即波长5mm。据说苹果下一代手机将支持该标准。

目前的手机发射信号功率在23/26dBm, 即0.2/0.4瓦。

06 电磁波辐射对人体的影响

以上说了那么多，都是客观性的描述，是想让大家理性客观的思考，并通过类比，自己得出一些判断。

好了，电磁波给我们的生活带来的便利是不可否认的，那么下面再来说一下电磁波辐射的危害。

广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波，通常是指红外线以下部分。而X射线及γ射线等通常被认为是放射性的高能辐射。

低频的电磁波虽不像X射线、伽马射线等高能电磁辐射，能够进入分子结构，包括蛋白质、DNA等的结构，对人体直接造成伤害，引起人体病变，各种癌症，但这绝对不等于低频辐射对人体就没有伤害。

电磁辐射危害人体的机理主要是通过热效应、非热效应和积累效应等。

热效应：

电磁波引起的内能增加，温度升高。如红外线和可见光可以在人体的表层引起发热，前面红外线治疗的热效应及微波率的原理。热效应主要对应高频辐射。

非热效应：

非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等。

人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界某些频率电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场可能遭到破坏，从而对人体的机能产生影响。微波干扰生物电(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍。在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等。

长时间的低频辐射对人体的伤害比高频辐射更强，因为低频辐射的频段0-300Hz与人体内部的组织机体之间的传输频率相同，会对内部通讯形成干扰。同时，低频辐射还会改变人脑中的水分子的晶体结构，这样对于青少年人脑未发育完全的人来说，长期处于低频辐射环境中会是一个很严重的隐患。

手机等移动设备也有低频辐射的。

累积效应：

电磁辐射对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到辐射的话，其伤害程度就会发生累积。对于长期接触高能电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也会诱发想不到的病变，应引起警惕！

电磁波应用的发展非常迅速，而其对人体的影响是慢性的，可能很多危害还没有明显暴露出来，但已有很多相关的统计观察结果。

之前有关专家介绍，我国使用的移动电话的发射频率均在800～1000兆赫之间，其辐射剂量可达600微瓦，超出国家标准10多倍，而超量的电磁辐射会造成人体神经衰弱、食欲下降、心悸胸闷、头晕目眩等“电磁波过敏症”，甚至引发脑部肿瘤。

电磁波污染对人体危害的例子多有发现，只不过其影响程度与所受到的辐射强度及积累的时间长短有关，目前尚未较大范围地反映出来，所以还没有引起人们的普遍重视。

有关研究表明，电磁波的致病效应随着磁场振动频率的增大而增大，频率超过10万赫兹以上，可对人体造成潜在威胁。在这种环境下工作生活过久，人体受到电磁波的干扰，使机体组织内分子原有的电场发生变化，导致机体生态平衡紊乱。一些受到较强或较久电磁波辐射的人，已有了病态表现，主要反映在神经系统和心血管系统方面。如乏力、记忆衰退、失眠、容易激动、月经紊乱、胸闷、心悸、白细胞与血小板减少或偏低、免疫功能降低等。

有科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。

1998年世界卫生组织调查显示，电磁辐射对人体有五大危害： 

1．电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因；  

2．电磁辐射对人体生殖系统，神经系统和免疫系统造成直接伤害；

3．电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素；  

4．电磁辐射直接影响儿童组织发育、骨骼发育、视力下降；肝脏造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落。

5．电磁辐射可使男性性功能下降，女性内分泌紊乱，月经失调。

权威统计数字表明，经常在显示器前工作的人群中，上述疾病的发病率明显高于普通人群。

另外，每个人的情况也不一样，可能与生活习惯，状态及一些其他环境因素有关，有的人没什么影响，有的人却会造成严重影响，比如之前我认识的一个人大学毕业不久就得了脑瘤，其他方面因素暂且不论，但医生认为和手机辐射有关系，他平时习惯将手机放在枕头下面睡觉。但其实那时候他使用手机也就一两年的时间而已。

07 电磁波防护

电磁波防护的三大原则：

1.距离防护（与电磁波发射设施设备保持一个相对安全的距离）。2.时间防护（不在电磁波发射设施设备开启时进入安全的距离内）。3.屏蔽防护（依靠屏蔽设施电磁波的影响）。依靠三大原则可以有效的降低或避免生活中常见的电磁波的影响。

家中常用的电器也有不同的防范办法。目前主流的电视、电脑显示器已经全部采用液晶显示本身产生的电磁波能级很低，在使用时与人体已经保持有一定距离无需另行采取防护措施；而老式的显像管电视和显示器应当设置至少1至2米的安全距离。手机是目前我们生活中常用的设备，拨打和接听手机时，而应该用手持或放置于距离人体五十公分处，尽量采用耳机或免提方式接听。电磁炉和微波炉在开始使用时应尽量远离（至少大于1米）。电热毯在完成加热后应当关闭后方可上床睡觉，切忌不可长期在通电开启的电热毯上逗留。目前常用的WIFI设备开启时距离人体1米以上即可。对于在寒冷天气下使用的电加热的家电（如取暖器）应当设置0.5米以上的安全使用距离，避免烫伤和电磁辐射。

我本人是做射频通信相关工作的，也就是微波频段，所以也会对这个频段的辐射相对敏感一些。在这里也想给同行朋友们一点个人建议，也是基于以上3点原则的：1.条件允许的话尽量穿屏蔽服。2.接好设备设好参数再发射信号，读取数据后立刻关掉，方便的话甚至在中间调整参数时也要关掉信号。3. 将被测设备尽量放到离自己远的位置。4. 将被测设备辐射最小的方向对着自己。5.工作尽量串换开，减少连续处受到大功率辐射的时间。若需连续调试，中间偶尔起来走动一下。

08 最后想说的话

当我听说WiFi即将做到60GHz的时候,我第一反应是，频率这么高了，好恐怖啊,要知道，我们现在WIFI的频率是2.4GHz和5GHz，而且60GHz的几次谐波就是红外线了。但我发现好像只有我一个人有这方面的担心。大家都在想，它有多厉害，我上网速度能快到什么程度。技术是也一直对更高频更高功率，信号强度，速率有着迫切的追求。这令我感到有些担忧。

有的人将4根8根天线的WiFi路由器放在屋子里，不间断的开着，有的人手机一天24小时不离身边，白天12+小时不离手，一有空就在玩手机等等。

我想说，最好的防范，就是增强防范意识。我们享受科技的同时，要正确使用，不要过分依赖，要养成好的习惯。当然这可能很难，我能感同身受，就像有人明知熬夜不好却很难戒掉一样。但是只要有意识的去改，相信总有办法做好的。

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