电磁辐射的原理以及对人类健康所造成的影响分析

一、前言

这是一篇专为具有一定电子技术知识以及对电磁场理论有一定理论基础及对量子力学感兴趣的人写的警示文章，对非技术人员同样具有警示作用，希望大家少用具有高频辐射的电子产品，少用电磁炉，少用手机，因为电磁辐射损害人体健康。

二、从男士的捐精广告谈起

根据最近新闻报道，由于中国年轻男子精子存活率严重下降，不孕症逐年增加，人工授精的数量正在不断增多，使得全国精子库的存量严重缺货。很多大学生捐精已经超过4次，这个从法律或道德上来讲，都是难以令人接受的，因为，经过若干年之后，很多夫妻可能就是属于兄妹结婚。为了保证人类的健康繁衍，国外很多国家的法律都已规定，捐精者一生中只能捐献精子一次。

我们从很多医院的广告中都可以看到，专为男士设医问药的广告随处可见，这是十几年前很少看到的。这些都说明，今日的中国男士已经雄风不再，中国足球冲不出亚洲可能就是因为这个原因。

现在，很多医院的医生都认为，造成中国男士精子存活率严重下降的原因，是因为年轻人的心理压力和工作压力太大而造成的；在网上，还看到很多关于对中国男士精子存活率严重下降原因论述的文章，其中可数以吃转基因食品造成中国男士精子下降原因的文章最多，随便GOOLE一下，大约可列出160多万条与转基因食品相关的信息。很多人还认为，这是美帝国主义的阴谋……。这种理由，与把某天刮西北风的原因关联在一起一样荒谬。

每当我看到某个男科医院的广告的时候，立刻就产生想写一篇关于电磁辐射对人体健康有害文章的冲动，以告诫人们少用具有高频辐射的电子产品，这样不但可以让那些经常跑医院的人们少付一笔昂贵的医疗费，还可以使他们在精神上永保青春活力。因为经常使用那些具有高频辐射的电子产品，特别是经常使用大功率电磁炉和手机等强电磁辐射产品会严重损害人体健康。

一直以来，人们对电磁辐射这个概念都是感到很陌生的，只有接触过强电磁辐射人，才能体验到电磁辐射对人体健康的危害。比如，从事电焊的工人，当不小心让皮肤裸露，被电焊时所发出的强烈光线照射到时，皮肤就会出现红肿，几天以后皮肤还会出现脱皮，这就是皮肤被高频电磁场照射后出现的严重后果，因为电焊作业时会产生很强的电磁辐射。

最容易让你理解的例子就是用微波炉加热食品，微波炉对食品进行加热就是通过磁控管产生的高频电磁场，使食品在高频电磁场中产生极化，并产生位移电流，当位移电流在食品中流动时就会发热，从而达到加热的目的。如果在人体的周围存在很强的电磁场，人体同样也会被电磁场“加热”。

还有那些从事X光透视或磁共振检查的医生，他们都知道X光或磁共振产生的电磁辐射会对他的身体有损害，所以他们工作时都要穿上防辐工作服，以防止机器产生的漏辐射对他身体的伤害。

为了使人们更详细地了解高频电磁场，或高频辐射对人体健康的损害，在这篇文章里，我将用比较长的篇幅来对电磁辐射的原理，以及其对人类健康所造成的影响进行比较详细的分析，以增强人们对辐射的理解。首先我们先与大家交流一下，什么是辐射？

三、什么是辐射

简单地说，“辐射”是宇宙中物质运动的一种属性。从微观方面来说，当运动着的物质（粒子）正在脱离原来正常运行的轨道，或从一种能量状态转变为另一种能量状态时，就会产生辐射；从宏观方面来说，辐射是宇宙中运动的物质在重新进行分布。

对于辐射来说，大的，可以是星球爆炸时产生的各种物质散射，较小一些的，如太空中飞向地球的陨石；再小的，如核辐射（通常称之为放射性），即，原子核从一种结构或一种能量状态，转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流；更小的，就是目前我们所知道的电磁辐射。

电磁辐射又分电场辐射和磁场辐射，这两种辐射在传播过程中是可以互相转换的，所以人们都称它们为电磁波。产生电场辐射的原因，是因为带电物体的电荷在重新进行分布，而产生磁场辐射的原因，是因为流过导体中的电流大小和方向在不断地在改变。例如，当某处的电场或磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电磁场都会重新进行分布，并以每秒钟30万公里的速度进行传播，因此，电场、磁场辐射无处不在。

目前，在人类所认识的所有物质中，电磁场是已知物质中质量最小的物质，因此，它可以穿透所有介质，并使介质中的电磁场物质重新进行分布。电磁场的属性一直以来还是人们争议最热烈的问题。有人认为电磁场与光同属于一种物质，但在试验中又发现光有二重性，即光既是一种由光量子组成的物质，同时也是一种几率波。对于几率波，我们只能认为它是一种由多种运动方向各不相同的粒子互相碰撞时产生的宏观运动，这两种理论一直以来都是互相矛盾的。

但如果把电磁场看成是一种几率波，并且把光也看成是属于电磁场的范畴，那么，在宇宙中必然还要存在一种或多种质量比光量子更小的物质，来作为光的载体，这样，光量子也就不存在了，而这种质量比光量子更小的物质，其运动速度应该比光速更快，但这种质量比光量子更小的物质至今还没有被人发现或被人承认，但没有被发现，就不等于这种物质不存在，因为我们的感性器官的灵敏度现在还无法直接感觉到比光更小的物质存在。不过，爱因斯坦的粉丝们是一定不会承认这种物质存在的，因为，根据爱因斯坦的理论，当物体的速度超过光速时，其质量将变成无穷大。

现在，已经没有人怀疑，宇宙是由物质组成的，“宇宙”的意思就是“一切物质及其存在形式的总体”；但宇宙到底是由什么物质组成的？这个问题，现在人们还很难做出精确的回答。

因为，我们对事物的认识基本上都是通过感性来认识的，在元素周期表被发明之前，大多数人都认为，物质是可以无限地进行分割的，即一个面包可以用一分为二的方法无限地分割下去。但自从元素周期表被发明之后，人们的观念立刻就开始改变了，人们只好相信，物质是由不同的元素组成的，即物质的最小单位是元素。

然而，这个观念刚刚诞生不久，由于放射性物质的发现，元素不可分的概念被打破了，人们又开始认为，物质还是可以无限地进行分割的，不过，在对物质进行分割时，还需得按当量，一份一份地来分，即，物质的质量分布不是连续的，而是階跃式的，为此，量子力学的概念在上个世纪初就开始诞生了。目前，位于欧洲的世界上最大的高能物理实验室的上千名科学家都在忙于对不同物质进行分割试验。

根据元素周期表，人们在自然界中已经发现的元素有90多种，人工制造的元素大约有20多种，这些元素就是组成宇宙中各种化学物质或物体的要素。但这些元素基本上都属于明物质，即这些物质都是可以通过人类的感官和试验来认识的，但宇宙中还有非常多物质，人类至今还无法通过感官或试验来认识它，这些物质人们暂时把它称为暗物质。

自从哥白尼1543年5月24日发表他的伟大著作《天体运行论》以后，相信物质运动的人越来越多，但人们也会反问，既然物质都在运动，而物质运动的形式不外只有两种：一种是做直线运动，另一种是做曲线运动；如果物质全部都做直线运动，那么所有的物体都必然会散架，物质就不可能能聚合在一起；而如果物质在做曲线运动，那么支配这些物质做曲线运动的力又从何而来？

第一个回答这个问题的是牛顿，他提出了万有引力的理论。即：任何物体之间都存在着吸引力，吸引力的大小与物体的质量成正比，与距离的平方成反比。这个理论虽然能够很好地解决了天体运行中各个行星与恒星之间的相对位置，即：各行星的运动轨迹，但还是无法解答人们继续对他的提问：这个吸引力从何而来，或这个吸引力是怎么产生的？而后，牛顿为了解答这个问题，竟花了他后半生的全部精力来做这个研究，但最终还是没有结果。直到现在，还是无人能够回答这个问题。

我们通过对地球围绕着太阳做旋转运动的观测就可以知道：地球围绕着太阳不停地旋转，这说明地球本身具有动能，如果地球只是做直线运动，这个动能是很容易理解的，但地球围绕太阳旋转是属于曲线运动，那么改变地球运动方向的力是从何而来？我们不能简单地用牛顿万有引力的概念就可以把地球作曲线运动的原理蒙混过关，虽然，现在还没有人能够对这种力——给地球改变运动方向的力，做出完满的解释，但人们并不怀疑，一定有一种暗物质在支配着地球在做曲线运动，因为物质是力的载体，离开了物质，单独的力是不存在的。

有人把这种暗物质称为“场”，即在地球与太阳之间存在一种或多种支配地球做曲线运动的暗物质，当然这种暗物质也在不停地运动。同理，在原子核内部也存在一个“核力场”，如果没有这个核力场的存在，那么，多个原子也不可能聚合在一起，电子也不会环绕原子核做旋转运动；同样，在磁铁的周围也存在一个“磁力场”，要么，两个磁铁之间就不会产生作用力；同理，在带电物体的周围也同样存在一个“电力场”，要么，两个带电体之间也不会产生作用力。

由此可知，在宇宙中，最少存在着4种力在支配着所有物质的运动。这4种力依强弱次序排列分别为：核力、磁力、电场力、重力。宇宙中所有物质的微观运动就是由这四种力来支配的，我们所看到的一切，都是物质微观运动产生的结果；或者说，我们所看到的物质形态变化，都是物质微观运动时互相作用的平均值，因为，目前我们还无法观察物质的“微观”运动。

直到现在为止，人们还无法知道，宇宙中支配所有物质运动的这四个力是怎样产生的，估计要等到上述4种力都能够用一个最基本的力来取代之后，人们才有可能给这个“场”字下一个比较精确的定义。即是说，还有很多暗物质人们现在还无法知道。

在现代物理学中，当人们对理论的追求达到一定深度之后，很多物理概念只能靠想象力来产生，然后才有人不断地想方设法去证明它，但并不是所有想象出来的物理概念，都是可以通过物理实验来得以证明的。上述4种力的存在形式就仍需人们进行不懈努力，不断地用试验去证明它。

举一个类似的例子。1899年，28岁的卢瑟福通过用铀射线穿透铅箔的试验，从此建立了原子核模型，即：任何物质都是由原子组成，原子又由原子核和电子组成，电子围绕着原子核做旋转运动。这个原子核模型当时只不过是一种假设而已，但是人们根据他的这个假说还是解决了很多以前无法解释的理论问题，并且通过各种试验，他的这个假说也在不断的得到验证。

四、电磁辐射对人体健康的损害

很多案例都已经证明，电磁辐射会损害人类的健康。例如，经常从事电焊或微波作业的男士，很容易患上男性不育症，这种职业病早在几十年前就已有定论。这是因为电焊时会产生很强的电磁辐射，电磁辐射不但会损伤人体的皮肤，同时还会损伤男子的精子生产系统，破坏精子的DNA结构，使DNA不能正常拷贝或产生错误。

前面已经指出，光也属于一种电磁辐射，是一种波长很短，频率很高的电磁波，可见光的波长大约在400到700纳米之间，其频率大约在420THz~750THz之间。电焊时不但会产生很强的光波辐射，同时还会产生一些肉眼看不到的红外线和紫外线以及其它频率不同的电磁波，这些都属于高频电磁辐射。只要在载流体中有强大的电流脉冲流过或高压脉冲产生，在其周围就会产生很强的交变电磁场，而高频电磁辐射与核辐射一样，对人体都会产生不同程度的伤害。

目前，人们都认为，电磁波的传播有两种方式，一种是以光的形式进行传播，光的传播可用惠更斯定理来进行分析，如光可以通过相位同步和聚焦使物体局部产生高温，激光手术刀就是其中的一个例子；另一种是以交变电磁场的方式进行传播，交变电磁场的传播方式则可用麦克斯韦方程来分析，即，当某处的电场强度发生变化时，在其周围的垂直面方向也会感应产生相应变化的磁场，两者之间的能量在传播过程中互相可以交替变换，故人们把它称之为电磁波。

之所以电磁波的传播方式可以分为两种，这是由于电磁波具有二重性所决定的。电磁波的频率越高，就越接近光量子的特性；而频率越低，就越接近交变电磁场的特性。

虽然光也属于电磁波，两者在空气中的传播速度基本一样，都是每秒约30万公里，但它们在其它介质中传播，频率较低的电磁波与频率较高的光，两者的传播速度是不完全相同的。这是因为电磁波在介质中传播的速度与介质的导磁率以及电容系数有关，电磁波在介质中传播，就相当于一个感应电动势（交流电压）在对无数个分布电感和无数个分布电容不断进行充放电。因此，电磁波在介质中的传播速度，与介质的导磁率和电容系数二者的几何平均值的大小成反比。

人体受电磁辐射的损伤程度除了与电磁辐射源的输出功率有关之外，还与频率有关。一般人们都认为，微波对人体的伤害特别大。因为微波是一种频率比较高的电磁波，一般人们都把频率为300MHz-300GHz的电磁波称为微波。

微波对眼睛的损伤是很容易证明的，为了证明微波作业是一种有害作业，曾经有人用兔子做过试验，把兔子的眼睛对着微波发生器的波导口，然后用输出功率大约为20毫瓦，波长为3公分（CM）的微波照射10秒钟，兔子的眼睛立刻就会失明好几个小时；如果照射10分钟，兔子的眼睛将会失明好几个天，甚至永远失明，因为兔子的眼睛已经无法恢复到原来的正常状态。

在一些经常从事微波作业的场所，如微波天线测量，以及雷达调试，一般都要求工作人员穿防辐工作服和带防辐眼镜，以保护身体以及眼睛不受高频辐射的伤害，这个早已是一种基本常识。

频率越高，电磁辐射对眼睛的损害也越严重。例如，波长大约在400到700纳米之间，或频率大约在420THz~750THz之间的电磁辐射，对眼睛的损伤要比其它同样功率的电磁辐射造成的损伤严重很多。这是因为，这个频率的交变电磁场在眼睛感光膜中感应产生的位移电流远远大于其它频率的电磁场在眼睛感光膜中感应产生的位移电流。

如果有人感兴趣，自己也可以做一个很简单的试验。方法是用一个LED手电筒对着自己的眼睛照射半秒钟，尔后你就会感觉到，你的眼睛将会暂时失明好几分钟。为了让你对电磁辐射对人体影响的程度有所了解，不妨我们也拿LED手电输出电磁波的能量来做一个简单计算。

假设LED手电工作时，LED灯损耗的功率为1W，LED灯的光电转换效率为100流明/瓦（目前最高为160流明/瓦）。如果把光电转换效率换算成光波的输出功率（1瓦功率无损转换成波长为555纳米可见光的通量为683流明），则100流明/瓦就等于140毫瓦的光波功率输出。

上面计算结果表示，当你拿LED手电来做实验时，你已经接受了输出功率约为140毫瓦的光波辐射，但你受到辐射功率的大小还需要乘以一个与距离的平方（成反比）和照射面积（成正比）相关的系数，即，你真正受到辐射功率远远小于140毫瓦。

当被辐射物体的几何尺寸与电磁波的波长可比拟时，在被辐射物体中就会产生很大的位移电流。如果，被辐射物体属于绝缘体，位移电流仅限于在单个分子或几个分子之间移动，即分子在电磁场的作用下被极化带电，被极化带电的分子相当于多个充了电的电容器互相串联；如果，被辐射物体属于导体，位移电流将在整个导体中流动，使导体一端带正电，另一端带负电，充了电的导体相当于一个充满电的电容器。对于人体，它既不是绝缘体，也不完全是导体，而是介于两者之间，因此它相当于在每个电容上都需要并联一个电阻。

这里特别指出，位移电流在物体中流动是不需要电流回路的，不管是导体或者是绝缘体，只要在物体的周围存在交变电磁场，在物体内就会产生位移电流。位移电流的大小不仅与电磁场的强度有关，还与电磁场的交变的频率有关，以及与导体中载流子的迁移率有关，和与物体的长度有关。

当导体的长度正好等于四分之一或半个波长时，在导体内就会产生非常大的位移电流，这种现象称为谐振。

我们可以举个简单例子来对谐振现象进行解释。假设有一个两端封闭的水槽，有人站在水槽的中间用手把水来回划动，水槽中的水就会以波浪的形式跟着手划动的方向在水槽中移动，即，传播；当波浪传播到水槽两端的时候，波浪撞击到水槽的墙壁就会产生反射，反射波将会与正在前进中的波浪进行叠加，如果水槽的长度正好等于波浪传输速度的四分之一，或四分之一波长的整数倍，则迭加的结果将会使波浪的幅度增加。当手划动水的频率以及相位与波浪变化的频率以及相位二者完全同步的时候，水槽中水的波浪将越来越大。这个原理与荡秋千的原理很相似，最后，只需要用很小一点力，就可以把秋千荡起来。

在这个例子中，水槽相当于导体，而水槽中的水就相当于导体中的载流子，人手的作用就相当于交变电场的作用，水在水槽中来回流动相当于导体中位移电流。如果你仔细观察，水槽中水流动的速度处处都是不同的，这说明在导体中位移电流的大小也处处不相同，并且位移电流的大小时刻在变化。这个例子说明，不同频率的电磁波对于不同长度的物体产生辐射所造成的结果是不一样的。

通过上面对电磁场的辐射原理进行分析，虽然我们现在还无法定量证明电磁辐射对人体健康损害的精确程度，但大部分人还是会相信，电磁辐射是一定会对人体健康造成损害的，只是程度多少的问题。下面我们以手机为例，分析一下手机产生的电磁辐射对人体健康的影响。

手机的工作频率一般都分为两个频段：900MHz或1800MHz，较早期的手机大部分工作频率为900mHz，而后期的手机大部分工作频率为1800MHz。对于工作频率为1800MHz的手机，其工作频率在空气中的波长为0.167米，而四分之一波长为0.042米。如果人体被作为接收天线，只要人体某个部分的长度大于四分之一波长，人体对手机的电磁辐射就有很强的接收能力；当接收天线的面积大于以四分之一波长为半径园的面积时，辐射到此面积上的电磁波，大部分将被吸收。

手机发射的电磁波信号一般都是垂直极化波，如果我们把手机发射信号看成是从一个点向水平方向的4个面发射，则打电话时，人体作为接收天线，正好接收了手机从一个水平方向发过来的全部信号，即，人体接收了手机发射信号功率的四分之一。如果手机的发射功率（峰值功率）为4瓦（一般手机发射信号的峰功率为3~5瓦），则人体就相当于接收了手机将近1瓦的峰值功率。

对于1瓦的峰值功率，如果用于对人体的皮肤进行加热，这算不了什么，但如果让1瓦功率对应的电压和电流（功率=电压X电流）通过人体的心脏，此人将会即刻毙命。因为，流过人体的安全电流极限值是3毫安，而1瓦功率和3毫安电流所对应的电压为333伏。这与人体的两个手触摸到333伏的电压（假说人体的电阻为100K）时的情况是等效的。

如果让1瓦峰值功率的高频辐射长期作用于人体的一些敏感器官上，比如男性的生殖器官，你想会发生什么问题？

男性的生殖器是产生精子的地方，而精子和卵子结合后形成受精卵，这个受精卵就是一个人类起源的一个全能干细胞。这个全能干细胞可以无限增殖并分化成为全身２００多种细胞类型，从而可以进一步形成人体的任何组织或器官，最终发育成一个完整的人。如果这个全能干细胞在受精前就已经有所缺失，则后面造人的过程将会前功尽弃。

由于电磁场在介质中传播时会对介质中的分子产生作用力，使分子结构产生改变，很强的电磁力将会把精子或卵子产生电离，使之失去生存能力，较弱一些的电磁力则会改变物质分子的排列，使精子和卵子的染色体（DNA，也叫遗传因子）排列出错，使全能干细胞在繁殖过程中出现异常。

很多男士都喜欢把手机装在裤兜里，因此，我们更有理由认为，使用手机是致使中国男士精子存活率严重下降的主要原因。另外，从男士精子存活率下降时间表上也可得到佐证，即，手机普及率越高，男士精子存活率下降的速度就越快。

当然，我们还不能把这一功劳全部归功于手机，因为，除了手机以外，中国的其它电子产品所造成的电磁污染也日益严重，现在，中国的电磁场污染正在向着万瓦级当量看齐。例如，目前市场上已经出现了输出功率4万瓦以上的电磁炉产品，当这种产品正在工作时，如果把日光灯管靠近它的周围，不用通电都可以点亮，可见电磁辐射何其严重。

事实已经证明，癌症的产生，大部分都是因为染色体排列出错而引起的，而电磁场污染已经成为影响染色体排列出错的主要原因。

五、特别警示

世卫组织：手机使用可能致癌

世界卫生组织下属的国际癌症研究中心2011年5月31日说，长期、高强度使用手机和其他无线通信设备可能增加患癌几率。

国际癌症研究中心当天发表声明说，这是由31名科学家组成的一个工作组得出的结论。过去几周，这个工作组在法国里昂评估了暴露在射频电磁场中人和动物等所受健康影响的大量过往研究资料，并认为基于现有的有限数据，长期、高强度使用无线通信设备“可能导致”罹患神经胶质瘤。

☆ 这不是骇人耸听，希望经常使用手机的人们好好珍惜自己的身体健康！