辐射与防辐射

《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。

  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。

        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。

电磁屏蔽室

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，即使不考虑封闭性的问题，要想防辐射，至少也得一层几毫米厚的金属板，前后两片，共二十斤，顺便防子弹。

最后，给迷信防辐射服有效果的人们两种可能性：

如果防辐射服真的有屏蔽效果，则可能让本来从脖颈处斜入射，然后穿体而过的电磁辐射在人体内反复穿行；

防辐射服跟人体的生物电耦合，形成了一个天线，有效地接收空间中的电磁波。

以上两种可能的正确性有待检验，但这种推理至少比现在市面上防辐射服的原理靠谱。