在物理學中，輻射是指能量以波或粒子形式在空間中傳輸。輻射主要包括：
1.電磁輻射：主要由光子組成，頻率從低到高可以分為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。電磁輻射由帶電粒子運動產生，通過電磁波傳播，能流由電場與磁場的叉乘決定。
2.粒子輻射：由靜能非零的粒子組成，主要包括α射線、β射線、中子輻射、質子輻射、重離子輻射等。粒子輻射通常與微觀粒子的電離或核反應有關。
3.聲波輻射：主要由介質的振動傳播，主要包括次聲波、可聽聲波、超音波、次超音波、高頻超音波、衝擊波、地震波等。
4.引力輻射：根據廣義相對論的理論，引力輻射來自質量不為零的物體的運動，引力輻射由引力波傳播。
輻射是自然界中廣泛存在的物理過程。輻射相關的技術廣泛套用於通信、醫療、材料、天文、考古等領域。在日常生活中，電子產品和通信基站的電磁輻射無處不在。大理石或其它存在少量放射性元素的岩石會發出微量粒子輻射。
基本介紹
- 中文名：輻射
- 外文名：radiation
- 所屬學科：物理
- 套用學科：物理學、電子信息工程
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理論
電磁輻射
能量守恆
考慮一個在電磁場中運動的粒子，可以計算電磁場對帶電粒子的力做的功：
一般地，可以考慮電流分布。設電荷密度是
，電流密度矢量是
，那么在體積
中，
。根據麥克斯韋方程組，可以得到
電磁波
根據矢量分析中的公式
和麥克斯韋方程組，套用散度定理
，進一步計算得到
考慮上式的物理意義，可以看到
中兩項分別描述電場和磁場的能流密度。
一項表示電磁輻射。單位時間內電磁場通過單位表面積向外傳遞的能量被稱為坡印廷矢量，表達式是
推遲勢
根據狹義相對論，能量和信息的傳播不會超過光速，因此場的影響也不會超過光速。
是粒子的位置，那么
時刻在
處測量得到的磁場是在
時的粒子作為源產生的，這些物理量滿足如下方程：
輻射是推遲勢的效應。
一般公式
對於交變電流，考慮推遲勢，磁矢勢是
其中若是一定頻率的交變電流，即
，那么
可以近似輻射源很小，考慮的輻射遠離波源。利用泰勒展開，第一項並非推遲勢的效應，與輻射無關。推遲勢效應對應的第一項是
用同樣的方法，可以得到遠處的標勢是
套用公式
可以得到
然後根據（4），可以算出輻射的能流。
粒子輻射
光電效應
1887年，海因里希·赫茲發現，當紫外光照射在金屬表面時，會使金屬表面的電荷釋放，從而在電路中產生電流。這個發現為後來的光電效應研究奠定了基礎。1905年，愛因斯坦提出了光電效應理論，光電效應理論說：材料可以吸收電磁波激發出電子，電子從材料中逸出需要消耗能量，這被成為逸出功。因此，逸出電子的動能是
光電效應
其中
是光的頻率，
是逸出功。根據光電效應理論，入射光的能量必須大於逸出功才會發生光電效應，發生光電效應的最小頻率被稱為截止頻率。
弱相互作用
最早觀察到的弱作用現象是原子核的β衰變。後來又觀察到介子、重子和輕子通過弱作用的衰變和中微子散射等弱作用過程。弱作用的力程在四種作用中是最短的，在低能過程中可以近似地看作是參與弱作用過程的粒子在同一點的作用。
分析實驗的經過發現，費米子在一點的弱作用(稱為費米作用)，是兩個費密子弱作用流的耦合，所謂弱作用流相當於電磁作用的電流。耦合常數G與質子質量二次方的乘積是無量綱的，比電磁作用的精細結構常數小1000倍。這個比例反映了兩種作用在低能下強度的差別。
弱相互作用的另一個特點是對稱性低。在弱相互作用中，空間反射、電荷共軛和時間反演的對稱性都被破壞；同位旋、奇異數、粲數、底數等在強作用下守恆的量子數都不守恆。但是破壞時間反演的弱作用比不破壞時間反演的弱作用弱得多。
弱相互作用與電磁相互作用雖然很不相同，卻又有相似之處。弱作用流與電流一樣是守恆的，它們之間還有以對稱性相聯繫的關係。
有兩種弱相互作用，一種是有輕子(電子e，中微子ν，μ子以及它們的反粒子)參與的反應，如β衰變，正β衰變，μ子的衰變以及π介子的衰變等；另一種是Κ介子和∧超子的衰變。這兩種弱相互作用的強度相同，都比強相互作用弱
倍，相互作用時間約為
～
s 。
質子和中子能夠通過以下弱相互作用過程互化：
引力輻射
引力波方程
考慮弱場近似，假設度規接近閔可夫斯基度規
，偏離閔可夫斯基度規的部分
非常小
代入愛因斯坦場方程，經過複雜的計算，可以得到弱場近似下的場方程是
其中
，
是達朗貝爾運算元。這個方程也是引力波的方程。這個方程有推遲勢解
平面波解
根據
的定義，能量動量張量
的守恆律等價於
。可以將方程
的解疊加到推遲勢解（16）上。推遲勢解（16）可以解釋為源
的引力輻射，（17）的解可以理解為來自無窮遠處的引力輻射，（17）的解是平面波解。當
時，弱場愛因斯坦場方程的解將趨近於平面波，（17）的通解是平面波解的線性疊加
其中
是待定係數，並且波矢應當滿足
。經過一些計算，可以確定各係數間滿足的關係，並且可以發現只有
具有絕對的物理意義。在旋轉變換下
其中
是繞
軸轉動
角。可以得到有物理意義的那部分
其中
。可以看到，引力波的螺旋度為
。
研究歷史
19世紀初，人們發現了可見光以外的電磁輻射。1800年，德裔英國天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel）發現了紅外輻射。赫歇爾用稜鏡折射太陽光時發現，對應光譜紅色以外的位置溫度會升高，他推斷太陽光中存在一些不可見的“熱射線”，這些熱射線後來被稱為紅外線。
1801年，德國物理學家約翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）發現了紫外線。他注意到，太陽光譜中紫色一側光譜之外的位置的不可見射線比紫光更快地使氯化銀試劑變暗，他將其稱為“化學射線”。後來這種射線被稱為紫外線[3]。里特的實驗是攝影術的先驅。
1891-1865年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了電磁場方程。通過麥克斯韋方程組可以解出真空中電磁波的方程，並得到電磁波波速是常數“光速”的結論。因此，麥克斯韋推斷可見光以及光譜中不可見部分都是電磁波。在1887年，海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）首次製造了比可見光頻率低得多的電磁波，並開發了檢測這些波的方法。這些電磁波被分為無線電波和微波。
1895年11月8日，威廉·倫琴（Wilhelm Rontgen）在對真空管施加高壓時，他注意到附近的一塊鍍膜玻璃板上出現了螢光。在之後的實驗中，他發現這種實驗現象是由X射線導致的。
亨利·貝克勒爾（HenriBecquerel）發現，在覆蓋紙上的鈾鹽可以引起未曝光的照相版起霧。瑪麗·居里（Marie Curie）發現只有某些特定的元素可以釋放能量引起照相版起霧，並且鐳可以釋放強烈的輻射。瑪麗·居里將某些化學元素釋放能量這種性質稱為放射性。
1899年，歐內斯特·盧瑟福（ErnestRutherford）通過簡單的實驗區分了
射線和
射線。他使用一種瀝青閃石放射源，並測量了放射源產生的射線在材料中不同的穿透力。一種射線穿透力較弱，且帶有正電荷，盧瑟福將其命名為射線。另一種穿透力更強，帶有負電荷，盧瑟福將其命名為射線。
1900年，保羅·維拉德（Paul Villard）發現了一種帶中性電荷且穿透力極強的輻射，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）意識到這種輻射一定不是粒子，是第三種類型的射線，並將其命名為
射線。1910年，威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）證明了射線不是粒子。1914年，盧瑟福和愛德華·安德拉德（Edward Andrade）測量了射線的波長，發現其波長比X射線更短。
亨利·貝克勒爾（HenriBecquerel）證明了射線是電子，盧瑟福和托馬斯·羅伊茲（Thomas Royds）在1909年證明了射線是電離氦。
1912年，維克多·赫茲（VictorHess）用熱氣球將靜電計帶到不同高度，證實了存在來自外太空的宇宙輻射
中子輻射是詹姆斯·查德威克（James Chadwick）於1932年發現的。在這之後，通過宇宙線的雲室實驗發現了其它的高能粒子輻射，如正電子、
子和介子。除此之外還有很多類型的輻射是在加速器中發現的。
套用
醫學
輻射和放射性常被用於診斷和治療。
射線可以穿過肌肉等軟組織，但會被緻密的材料阻擋。因此射線可以用於診斷骨折，並有可能找到癌症組織。注射放射性物質並監測該物質在體內的運動常被用來診斷某些疾病，這種方法叫同位素標記法。放射性治療常被用於治療癌症。電離輻射的電子穿過細胞時可以形成離子，這會殺死細胞或者改變基因，使癌症組織無法生長。
科學研究
可以通過碳14的放射性來確定化石的年齡。化石中碳14的含量隨時間指數衰減，可以通過監測放射性來估計化石中碳14的含量。
中子活化分析可以用作確定材料的成分。首先，用中子轟擊樣品，樣品中一些原子吸收中子會變得具有放射性，可以通過檢測輻射來識別樣品中的元素。
太陽輻射
太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位於日地平均距離處時，地球大氣上界垂直於太陽光線的單位面積在單位時間內所受到的太陽輻射的全譜總能量，稱為太陽常數。太陽常數的常用單位為瓦/米2。因觀測方法和技術不同，得到的太陽常數值不同。世界氣象組織(WMO)1981年公布的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15～4.0微米之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區（波長0.4～0.76微米），7%在紫外光譜區（波長0.76微米），最大能量在波長0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約3～120微米）小得多，所以通常又稱太陽輻射為短波輻射，稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化太陽輻射通過大氣，一部分到達地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達地面，到達地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣後，其強度和光譜能量分布都發生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區幾乎絕跡，在可見光譜區減少至40%，而在紅外光譜區增至60%。
天文輻射的時空變化特點是：①全年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導致地表各緯度的氣溫產生差異，在地球表面出現熱帶、溫帶和寒帶氣候；②天文輻射夏大冬小，它導致夏季溫高冬季溫低。大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射。太陽輻射經過整層大氣時，0.29μm以下的紫外線幾乎全部被吸收，在可見光區大氣吸收很少。在紅外區有很強的吸收帶。大氣中吸收太陽輻射的物質主要有氧、臭氧、水汽和液態水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和塵埃等。雲層能強烈吸收和散射太陽輻射，同時還強烈吸收地面反射的太陽輻射。雲的平均反射率為0.50～0.55。經過大氣削弱之後到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射。就全球平均而言，太陽總輻射只占到達大氣上界太陽輻射的45%。總輻射量隨緯度升高而減小，隨高度升高而增大。一天內中午前後最大，夜間為0；一年內夏大冬小。
手機輻射
手機信號差時輻射更大
5G基站產生的是電磁輻射。電磁輻射無處不在，可見光、紅外線、微波爐、電腦、吹風機等都會產生電磁輻射。5G基站的電磁輻射量低於家用電器。
嚴格來說，真正對人體輻射的不是基站，而是手機。手機信號不好的時候，它是滿功率發射的，輻射更大。
通信基站數量越多，手機通話效果越好，手機基站之間產生的電磁輻射越小。如果肉眼能看到基站，手機的發射功率會非常低，耗電也低。
