科学的科普（24）电磁波谱的建立

张武昌2025年10月12日星期日

19世纪初，太阳光谱的红外线和紫外线都被发现，可见光的频率也被测定，光速也有的较为准确的数据。

在电学和磁学研究的推动下，电磁相互转化现象正在从导线中扩展到真空中，并导致电磁波的发现。

1832年法拉第预言电磁波的存在

1832 年，法拉第(Micheal Faraday)的力线思想和场的观念导致了他对电场和磁场的传播过程产生了初步想法。1832 年 3 月 12 日，就在他发现电磁感应之后不久，他从场的观念出发，把电和声加以对比，预见到电和磁的感应需要一个传播过程。由于条件所限，当时他没有可能用实验加以证明，于是他写了一篇备忘录，密封好后交给当时的英国皇家学会秘书契尔德仑，锁在皇家学会的保险箱里，供日后查证，备忘录中写道：

“前不久在皇家学会宣读的题名‘电学实验研究’的两篇论文，文中所提到的一些研究成果以及由其他观点和实验所引起的一些问题使我相信：磁作用是逐渐传播的，需要时间，也就是说，当磁体作用于远处的磁体或铁块时，产生作用的原因是从磁体逐渐传出，这种传播需要一定时间，这个时间看来也许是非常短促的。

“我还认为，有理由假定电感应（按：即静电感应），也是要经历类似的时间过程。

“我倾向于把磁力从磁极的扩散类比于起波纹的水之表面的振动，或空气中的声振动；也就是说，我倾向于认为，振动理论也可运用于上述现象，就像运用于声以至于光那样。

“对比之下，我认为也可以把振动理论运用于张力电的感应现象（按；即电磁感应现象）。

“我想用实验来证实这些观点，但是由于我要用很多时间从事公务，实验只好拖延，可能在别人的观察中得到。我希望，这篇备忘录交给皇家学会保存，将来上述观点被实验证实，我就有权宣布在这个日期我已提出上述观点。就我所知，此时除我以外，尚未有人知道或能够宣布这些观点。

M.法拉第（签字）

1832 年 3 月 12 日于皇家研究所。”

原文如下 

Royal Institution

March 12, 1832

Certain of the results of the investigations which are embodied in the two papers entitled ‘Experimental Researches in Electricity’ lately read to the Royal Society, and the views arising therefrom, in connexion with other views and experiments lead me to believe that magnetic action is progressive, and requires time, i.e. that when a magnet acts upon a distant magnet or piece of iron, the influencing cause (which I may for the moment call magnetism) proceeds gradually from the magnetic bodies, and requires time for its transmission, which will probably be found to be very sensible.

I think also, that I see reason for supposing that electric induction (of tension) is also performed in a similar progressive way.

I am inclined to compare the diffusion of magnetic forces from a magnetic pole to the vibrations upon the surface of disturbed water, or those of air in the phenomenon of sound; i.e. I am inclined to think the vibratory theory will apply to these phenomena as it does to sound, and most probably to light.

By analogy, I think it may possibly apply to the phenomenon of induction of electricity of tension also.

These views I wish to work out experimentally; but as much of my time is engaged in the duties of my office, and as the experiments will therefore be prolonged, and may in their course be subject to the observation of others, I wish, by depositing this paper in the care of the Royal Society, to take possession as it were of a certain date; and so have right, if they are confirmed by experiment, to claim credit for the views at that date; at which time as far as I know, no one is conscious of or can claim them but myself.

M. Faraday

这封信的第一次打开是1937年6月24日由 Sir William Bragg完成的。

法拉第的这封备忘录预言了电磁波的可能性，当然他还无法从理论上证明光就是电磁波，也无法判定电磁波的速度就是光速。但是他预见到了电场和磁场的传播速度的有限性。

1857 年法拉第曾试图测出电磁感应作用的传播速度。他在一间大屋子里平行地放置三个线圈，中间的是施感线圈，两侧的是受感线圈，经电流计连在一起，让两个线圈的感应电流沿相反的方向通过电流计。法拉第希望，由于距离的不同，感应电流可能一先一后，从而显示它与位置的关系。但是不管线圈如何移动，实际测量总是零。法拉第虽然感觉电场和磁场的传播速度的有限性，但是和伽利略测定光速的实验一样，大大低估了这个速度。法拉第设计的100 英尺的距离太短了，无法直接察觉电磁波的速度。

1665年麦克斯韦预言电磁波

在光学发展的同时，电磁学有了很大发展。

1865（1864）年，发表了论文A dynamical theory of the electromagnetic field. 

麦克斯韦总结了法拉第的发现以及所有当时已知的电学和磁学现象，最终形成了4个方程式，称为电磁场方程组（常称为麦克斯韦方程组）

总结起来就是：变化的电场或磁场会产生它们的黄金搭档——电产生磁，磁产生电。电场是矢量场：既有大小也有方向。如果电场发生振动，比如在方向上每秒发生N次“向上”和“向下”的交替转换，那么产生的磁场也会按相同频率振动。

最终导致的效应是整个电场和磁场的交替会以一种波的方式传递到空间中去，因此，麦克斯韦由理论上推断出电磁波的存在，

将法拉第对电和磁现象的测量得出的重要数据代入麦克斯韦方程组后，得出这种波的速度为300000km/s，且速度与振动频率无关。这个速度和光速相同，由此他大胆地推论：光是一种电磁波。

1888年，赫兹证明光和电磁波同一性

1879 年，德国柏林科学院悬奖征解，向科学界征求对麦克斯韦电磁理论进行实验验证，促使年轻的赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。

早在 1853 年W.汤姆孙就曾指出，当莱顿瓶通过一个有线圈的回路放电时，其放电电流呈现振荡现象。

过了 30 年，1883 年英国的费兹杰惹（G.F.FitzGerald）从理论推测用纯粹电学的办法使电路中的电流作周期性变化，就能产生电磁辐射，放电的电容器可以充当电磁波的振源。可惜，他本人没有去实地进行实验。赫兹当时并不知道他的研究。

赫兹的实验装置一部分如图 3 – 58。AA′ 是两块 40 厘米见方的铜板，焊上直径 0.5 厘米，长 70 厘米的铜棒，头上各接一小铜球，相对放置，球中间留有空隙约 0.75 厘米。铜球表面仔细磨光，两棒分别接到感应圈的两端，当通电时，两棒之间产生放电，形成振荡。再取 2 毫米粗的铜棒做成圆环，半径为 35 厘米，如图 3 – 58 中的 B。圆环的空隙 f，宽度可用精密螺旋调节，从零点几毫米调到几毫米，当放到适当位置时，f 间隙会跟随 AA′ 产生火花放电，火花可长达 6 毫米 ~ 7 毫米。B 环可围绕平行于 AA′ 面的法线 mn 旋转，旋转到不同位置，f 放电的火花长度不一样。当 f 处于 a 或 a′ 时，完全没有火花；转动些许角度，开始会产生火花；转至 b 或 b′ 时，火花最大。赫兹把完全不产生火花的位置称为“中性点”，用“中性点”的位置来鉴别各种物质的影响。

赫兹先取来一块金属箔片 C，当把 C 向 AA′ 靠近时，看得出它对 B 放电的影响，因为“中性点”必须改变位置。他详细地做了试验，证明这是由于在金属 C 中产生的感应电流影响了电磁场的分布。

然后，他又拿一块重 800 公斤的沥青块 D 放在 AA′ 下面。沥青块长 1.4 米，宽 0.4 米，高 0.6 米，实验结果正如麦克斯韦理论所预计的，绝缘体也会影响电磁场分布。

接着，赫兹用许多不同的材料研究它们对放电的影响，证明这些都是由于空间电磁场重新分布的结果。

赫兹最有说服力的实验是使用驻波方法直接测出电磁波的传播速度。他用的装置如图 3 – 59，导体AA′（赫兹称之为原导体）在感应圈的激励下产生电磁波。AA′ 平面与地板垂直，在图中赫兹标了一条基线 rs，下面是距离标记，从离 AA′ 中心点 45 厘米处计程。实验在一间 15.14 米的大教室进行，在基线的 12 米内无任何家具，整个房间遮黑，以便观察放电火花。次回路就是那个半径为 35 厘米的圆环 C 或边长 60 厘米的方形导线框 B。根据麦克斯韦理论，已经知道这个速度大概是每秒 3 万公里，要直接测这样的速度是十分困难的。赫兹想起了二十年前他的老师昆特（Kundt）用驻波测声速的方法，巧妙地设计了一个方案。

他在教室的墙壁上贴了一张 4 米高，2 米宽的锌箔，并将锌箔与墙上所有的煤气管道、水管等连接，使电磁波在墙壁遭遇反射。前进波和反射波叠加的结果就会组成驻波，如图 3 – 60。根据波动理论，驻波的节距等于半波长，测出节点的位置就可以知道波长。

赫兹沿基线 rs 移动探测线圈，果然在不同的位置上火花隙的长度不一样，有的地方最强，这是波腹；有的地方最弱，甚至没有火花，这是波节。根据电容器的振荡理论赫兹算得电磁振荡的周期，从光速就是电磁波的速度的假设和测得的波长也可算出周期，两者相差大约为 10%，赫兹证实了电磁波的速度就是光速。

为了进一步考察电磁波的性质，赫兹又设计了一系列实验，其中有聚焦、直进性、反射和折射。

他用 2 米长的锌板弯成抛物柱面形，如图 3 – 61。柱面的焦距大约为 12.5 厘米。他把发射振子和接收振子分别安在两块柱面的焦线上，调整感应圈使发射振子产生电火花。当两柱面正好面对面时，接收振子也会发出火花；位置离开就不产生效果，由此证明电磁波和光波一样也有聚焦和直进性的性质。

赫兹还用 1.5 米高重 500 多公斤的大块沥青做成三棱镜，让电磁波通过。和光一样，电磁波也发生折射，他测得最小偏向角时偏角为 22°，三棱镜的棱角为 30°，由此算出沥青对电磁波的折射率为 1.69。此外，他还用“金属栅”显示了电磁波的偏振性。

赫兹在 1888 年 12 月 13 日向柏林科学院作了题为《论电力的辐射》的报告，他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。他写道：

“我认为，这些实验有力地铲除了对光、辐射热和电磁波动之间的同一性的任何怀疑。”

1893年论文发表。

HERTZ, Heinrich Rudolf. Electric Waves: Being Researches on the Propagation of Electric Action with Finite Velocity through Space. Translated by David Evan Jones. Preface by William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907). London and New York: Macmillan and Co., 1893.

后来被说成是证明了光是电磁波，从时间逻辑上讲，因为光发现在前，电磁波发现在后，此时应该叫做证明了电磁波是光。从后来X射线和伽马射线确定电磁波谱（全谱）来看，应该叫做证明了光是一种电磁波。

1912年，X ray是电磁波

1895 年 11 月 8 日发现X射线（即未知射线，类似著名的未名湖、诗中的无题）， 1895 年年底，以通信方式公之于众，题为《一种新射线（初步通信）》。

因为不清楚新射线的性质，当时科学界对新射线本质的认识存在极大的争论，主要分为两种看法：一种认为X 射线是一些带电粒子，其主要支持者是英国物理学家布拉格(W. Bragg)。

布拉格根据 γ 射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实，主张 γ 射线是由中性偶——电子和正电荷组成。布拉格认为，X 射线也一样，并由此解释了当时已知的各种 X 射线现象。

另一种观点认为，X 射线是具有偏振性的横波，其主要支持者是英国物理学家巴克拉(C. Barkla)。

1906 年，巴克拉利用 X 射线经两个散射物的二次辐射强度的分布，证明 X 射线具有偏振性。根据 X 射线的偏振性，说明 X射线和普通光是类似的。

巴克拉关于 X 射线的偏振实验和波动性观点可以说是后来劳厄发现 X 射线衍射的前奏。

要想确定 X 射线是否具有波动性，人们自然想到利用光学中的衍射光栅来观察 X 射线的衍射现象。

要想观察到 X 射线的衍射，衍射光栅的光栅常数( 即光栅上每个透光和不透光周期单元的长度 ) 需与X 射线的波长在同样的数量级。当时最密的人工衍射光栅，仅适用于一般可见光线。

由 X 射线的穿透力得知，若 X 射线是波，估计其波长要短得多——约为可见光波长的千分之一。从技术上讲，制作如此精细的光栅是完全不可能的。

大约在 1912 年 1 月底，德国物理学家索末菲(A. Sommerfeld，1868~1951) 的一位学生厄瓦尔德 (P. Ewald) 在准备博士论文过程中，为研究光波在晶格中的行为而寻找数学处理方法时遇到了一些困难，为此他向劳厄 (M. Laue)请教。

劳厄(Max von Laue，1879~1960)

在他们的探讨中劳厄了解到晶体中原子间的距离很小，与可见光的波长相比大概只有波长的 1/500 或 1/1000。劳厄想到，虽然人工做不出这样细的光栅，自然界中的晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有特定的角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。一层原子和另一层原子之间的距离大约是 X 射线波长的大小。如果这样，晶体应能使 X 射线衍射。

劳厄酝酿出一个实验：把晶体当作一个三维光栅，让一束 X 射线穿过，由于空间光栅的间距与 X 射线波长的估计值在数量级上近似，可期望观察到衍射谱。

Max von Laue, X-ray Interference Apparatus (1912) 

虽然劳厄的想法受到索末菲和维恩 (W. Wien) 等著名物理学家的怀疑，但是在索末菲的助手弗里德里希 (W. Friedrich)和伦琴的博士研究生克尼平 (P. Knipping) 的支持和参与下，他们终于成功地观察到 X 射线透过硫酸铜后的衍射斑点。通过改进仪器设备数周后他们照出更为清晰的 ZnS、PbS 和 NaCl 等晶体的 X 射线衍射图。

 ZnS 晶体的X 射线衍射图

1912年，在期刊Proceedings (Sitzungsberichte) of the Academy上发表了两篇论文。

pg. 303-322 : 'Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen' by W. Friedrich, P. Knipping and M. Laue;

pg. 363-373: 'Eine quantitative Prüfung der Theorie für die Interferenzerscheinungen bei Röntgenstrahlen' by M. Laue.

这两篇论文的单行本被送往世界各地的科学家交流。2008年，下图中的这件单行本在克利斯蒂拍卖行以8125英镑卖出。

劳厄出色的发现使他1914 年获得了诺贝尔物理学奖。

1914年，伽马是电磁波

1900年法国科学家P.V.维拉德（Paul Ulrich Villard）将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，由此发现了一种新射线。卢瑟福Rutherford (1903)称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。

Rutherford, E. (1903). The magnetic and electric deviation of the easily absorbed rays from radium. Philosophical Magazine. 6. 5 (26): 177–187. doi:10.1080/14786440309462912

1914年，Rutherford和Andrade共同发表了论文

Rutherford and Andrade. 1914. The Wave-length of the soft gamma Rays from Radium B. Phil. Mag. 27, 854-868; 28, 262. 

利用晶体衍射方法确定了伽马射线的波长，发现其与x射线性质相似，但是波长更短一些。

时至今日

目前人们已经掌握了电磁波的全部成员，组成了电磁波谱，以太阳光谱为基准，在红外线的外端增加了无线电波radio spectrum，在紫外线的外端增加了x射线和伽马射线。

理论上可探测的波长最短的电磁波的波长为普朗克长度，约为1.6×10^-35米，目前无法探测。目前已经探测到的最短的波长为8.856×10^-22米的太空来的伽马射线。目前人类制作的最长的电磁波是3hZ的超长波，波长为10万千米。

伽马射线在空气中的传播距离通常为几百米，但随着距离的增加，伽马射线的强度会迅速减小，几百米后强度一般已很小。另外，伽马射线的安全距离大约为50米。X射线探伤时，安全距离通常要求大于30米，γ射线的安全距离要求至少50米。

X射线分为HX = 硬X射线；SX = 软X射线，

紫外线：EUV = 极端紫外线；NUV = 近紫外线

红外线：NIR = 近红外线；MIR =中红外线；FIR = 远红外线

无线电波分成了很细的频段或波段

F: frequency频率

L: low 低; M: medium 中；H: high高

E: Extremely 极；S: super 超；U: ultra 特；V: very 甚。

无线电波和x 伽马射线在科研和日常生活中有广泛的应用。

X 射线衍射使晶体物理学发生了质的飞跃。一旦获得了波长一定的光束，研究人员就能利用X射线来研究晶体光栅的空间排列，X 射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的重要条件。此后，X 射线学在理论和实验方法上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、应用极其广泛的综合学科。导致了钻石原子排列、DNA结构等震撼发现。

目前X射线透视技术是人体医学诊断（X光片和CT）和安检设备的基础。

伽马射线的应用主要体现在其对肿瘤的杀死作用，也用于医学成像。伽马成像在医学诊断领域具有重要地位，它能够利用放射性核素标记代谢功能相关物质，从而帮助医生观察人体在健康和患病状态下的代谢情况。碘125（符号¹²⁵I）是碘的放射性同位素，通过轨道电子俘获衰变释放能量为0.03548兆电子伏的γ射线，半衰期60.14天。 其化学性质与稳定碘一致，属中毒性核素，人体内有效半减期为41.7天，靶器官为甲状腺。甲状腺在正常代谢过程中会自然浓缩约 90% 的人体碘元素，使用放射性碘进行伽马成像，就可以研究甲状腺的代谢紊乱或可能存在的肿瘤。如今，伽马成像广泛应用于全身大多数癌症的诊断、心脏功能和疾病的检测以及一些脑部疾病的诊断。

长波用于潜艇通信和地震监测等领域。

中波（Medium Frequency, MF）常用于AM广播。短波用于长距离的无线电通信，特别是在国际广播中。

超短波用于电视广播、FM广播、航空和海上通信等。

微波（广泛用于通信、雷达和卫星传输等。

毫米波（常用于高频通信、5G网络和一些雷达应用。

红外线红外线用于夜视设备、温度测量、遥控器等。

四大炉：

1电磁炉

电磁炉的加热线圈工作频率在20-30KHZ的中频（MF），这个频段的电磁波非常适合对铁磁性的锅具进行加热.   应该为长波

2 微波炉

微波炉的磁控管将电能转化为微波能，当磁控管以 2450MHZ 的频率发射出微波能时， 置于微波炉炉腔内的水分子以每秒钟 24.5 亿千次的变化频率进行振荡运行，食物分子在高频磁场中发生震动， 分子间相互碰撞、 磨擦而产生热能，结果导致食物被加热。

3 光波炉

光波炉是微波炉的基础上加了石英发热管，与浴霸原理无异，可通过红外线对食物表面进行加热。频率约为3乘以10的13次方KHZ

其工作原理是通过电流通过电热丝时，将电能转化为热能，而这种热能通过石英管将热量传递给周围环境。 石英管具有很高的热导性，可以迅速有效地传递热量，它的耐高温特性也使得石英电热管能够在高温环境下稳定工作。 与传统金属管相比，石英管的透明特性使得电热管能够实现更高效的热辐射，进而提升加热效率。 在使用过程中，石英电热管的加热速度非常快，因为它的电热丝经过优化设计，能够在短时间内达到设定温度。

石英玻璃对红外线具有很高的透光性，能够将电热丝发出的红外辐射有效地传递到外部环境中。红外辐射是一种电磁波，能够直接加热物体，而不需要通过空气传导或对流。这种加热方式具有高效、快速和均匀的特点。

4 烤炉

烤炉主要使用远红外辐射进行加热，其波长范围大约在2.5微米到15微米之间。这种电磁波通过光子传递能量，加速食物分子运动，从而实现加热。此外，烤箱也利用红外线波，通过内部的加热元件产生热量并发出红外线波，使食物温度上升

无线电在天文学领域有不同的名称

电磁波的各个波段在天文学中都被人类监测，但是有两个波段在天文学中有与日常生活中不同的名词，挺唬人，叫太赫兹和射电。

太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。

太赫兹在不同的领域有不同的名称，在光学领域被称为远红外，而在电子学领域，则称其为亚毫米波、超微波等。

天文学中在监听来自宇宙微波丶X射线丶γ射线，用巨型抛物面收集器。这些是光电磁波。而经典电磁波（无线电波） 是人类智慧的产物，是用人工LC振荡电路产生再放大发射的结果。宇宙自然界有天然无线电波的可能性极小。射电波是天文学领域对特定无线电波段的专业称呼，其本质属于电磁波谱中频率低于300GHz的无线电波。 这类电磁波因能穿透地球大气层和星际尘埃介质，成为观测宇宙深空的重要载体，中国天眼（FAST）等射电望远镜通过接收该波段信号研究脉冲星、星际分子等天体现象 [

射电天文台是以天线和无线电接收机为核心设备，用于探测并分析宇宙天体发射的无线电信号的专业天文设施。通常被称为Radio telescope 射电望远镜。

射电天文学分为主动和被动两种，被动是探测来自宇宙的无线电波。主动被称为雷达天文方法，通过主动发射无线电波并接收天体反射回波，研究其物理与几何结构。该方法创始于20世纪30年代，应用于太阳系内天体探测，可测定行星表面特征、小行星轨道及形状，结合光学数据能将轨道预报精度提升数千倍。系统由发射机、接收机、望远镜及数据获取子系统组成，采用延迟多普勒和干涉测量技术实现空间分辨 ^[1-3]。该方法1946年在匈牙利和美国首次获得月球雷达回波，1961年实现金星回波探测。美国阿雷西博天文台配备的305米天线与1000千瓦发射机、戈尔德斯通太阳系雷达的70米天线及500kW发射功率设备为典型设施。雷达观测可揭示小行星表面结构（分辨率达7.5米），1968年首次观测小行星Icarus，累计探测超过1000颗天体。

可能是由于雷达天文学向太空射出无线电波，在英语中radio astronomy(直译为无线电天文学)才被翻译成射电天文学这个名字。

戈尔德斯通太阳系雷达70m天线