辐射与防辐射

摘要

本文将讨论如何隔离电磁波,如何防辐射,并解释为何孕妇不需要穿着防辐射服,为何电脑跟前不需要放一盆仙人掌等问题。这里所指的电磁波,是频率低于可见光的电磁波,也就是大家平时盲目担心的“辐射”。

《波的科普》系列文章之(三)

辐射,指的是电磁波的空间传播。前文已经介绍过,电磁波并不神秘,是日常生活中常见且为人们所熟悉的事物,例如太阳光和无线电波;电磁波与其他事物产生相互作用也是需要条件的,没必要无缘由地对其产生恐惧。

本文将讨论如何隔离电磁波,如何防辐射,并解释为何孕妇不需要穿着防辐射服,为何电脑跟前不需要放一盆仙人掌等问题。这里屏蔽室等实例所针对的电磁波,是指频率低于可见光的电磁波,也就是大家平时盲目担心的“辐射”,X射线等高频电磁波对人体的影响详见前文所述。

Space_radiation

宇宙间充满了辐射

电磁场的物质性

电磁波,是由交变的电场和磁场形成,电场和磁场是物质的一种形态,不是物理工作者为了表达方便虚构出来的概念。电磁场携带有能量、动量和角动量,就跟普通的物体一样。电磁场携带能量很好理解;磁场携带动量可以由1901年的光压实验证明,那个实验发现了光对一个平面也能产生压力;电磁场携带角动量的实验可以通过观测一个同轴夹层电容器在磁场中放电后的旋转实现。同大家所理解的物质一样,电磁场不会凭空产生,也不会凭空消失,它可以分布在空间各个角落。如果电磁场不随时间变化,空间中能量分布不随时间改变,就是静电场、静磁场;如果电磁场随时间变化,将能量有规律地传向别处,就是电磁波。仙人掌对电磁波空间分布的影响,就跟水中的石头不会影响半米外水的密度分布一样。仙人掌防电脑辐射的能力,跟猪蹄防电脑辐射的能力一样。

如何隔离电磁场

静电场的屏蔽称为静电屏蔽。许多精密仪器的外壳是金属的,这是因为当导体壳静电平衡并且壳内无带电体时,电荷只分布在壳体上,并且导体壳内部处处无电场。在实践中,一个非封闭的金属网就可以很好地实现静电屏蔽。静磁场的屏蔽称为静磁屏蔽。静磁屏蔽则困难很多,需要用封闭的高磁导率材料做成封闭腔体。电磁场的屏蔽跟前两者不太一样,它屏蔽的不是一个“场”的分布,而是传播,它的基本原理是让电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减,即能量损耗。这种损耗可以分成两个部分:反射损耗和吸收损耗。

当电磁波入射到不同媒质的分界面时会发生反射,穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。电磁波在屏蔽材料中传播时,一部分能量转化为热量,损失的这部分能量称为吸收损耗。屏蔽层总是两个面,所以反射损耗会发生两次,并且多次反射还将增加电磁波在屏蔽层内部的行进距离,增加吸收耗散。如果想要防辐射,就需要增加这两个耗散。反射耗散的问题比较复杂,以人体为例,太阳光会在皮肤上反射,但是X射线可以穿过人体。见以下示意图,不同材料、不同频率下的情况不一样。吸收耗散要求高磁化率、高电导率、屏蔽层厚度大。通常屏蔽层是使用高磁化率的材料。

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(图片来源:MIT公开课程Reflection & Transmission of EM Waves)

图中纵轴为反射率,横轴为频率,依照一个简化了模型模拟。对于同样的材料遇到不同频率的电磁波,根据频率增加,材料对于电磁波先是可以穿透(T),吸收(A),反射(R),再可以穿透(T)。

高精度实验室使用的电磁屏蔽室有拼装式和焊接式,不管怎么设计,被电磁屏蔽的对象一定是完全环绕在内的。如下图所示,波遇到障碍物时,将偏离直线传播,这种现象称为波的衍射。高频电磁波的波长很容易到达微米级别,如果屏蔽层有肉眼可见的隙缝,那么高频的电磁波能轻易将其穿过。下图中的屏蔽室为了操作方便,设有出入门,该门需要与壳体有很好的连接,一般在门或门框上采用特定结构加入金属簧片、内置海绵芯的金属丝网条等有弹性的导电材料。对于手机信号,好的屏蔽室能衰减十万倍的能量强度。

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电磁屏蔽室(图片来源:google搜索)

关于防辐射服

首先,衣服有穿有脱,不能完全封闭,而空间中的电磁波可能来自四面八方,便能从衣服的空隙中自由进出;其次,市面上的“防辐射”服就一层薄铜网,无法有效隔离电磁波,要想防辐射,至少也需要一层几毫米厚的金属壳,顺便当防弹衣。

这里给迷信防辐射服有效果的人们提供两种可能性:

  1. 即便防辐射服具有屏蔽效果,也只是在未开口处,无法覆盖脖颈、手臂等,从此处进入到内部的电磁辐射也不易出来,会在人体内反复穿行,直到完全吸收;
  2. 防辐射服还会与人体耦合形成一个天线,可能接收特定的电磁波,稍微减轻一下周围未穿防辐射服的人所接收到的电磁辐射。这与避雷针原理类似。实际上,避雷针是引雷针,把雷电吸引过来并导入大地,从而避免它对建筑物造成伤害。

不过,基于之前的介绍,无论是被挡在防辐射服之外的,还是被封锁在防辐射服内的,或是被人体天线所吸引的电磁波,都是十分微弱的。

《波的科普》系列文章之(一):机械波与电磁波

《波的科普》系列文章之(二):波与物质的相互作用

《波的科普》系列文章之(四):量子力学中的波

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