電磁場的基本規(guī)律

一、法拉第電磁感應(yīng)定律穿過回路的磁通量變化引起回路中電動勢N匝相同的線圈組成回路BB

=

=7.1電磁場的基本規(guī)律正向磁通增加到向后四指方向為的方向2/3/20231二、Maxwell方程組

Maxwell的新思想：1、渦旋電場—變化的磁場產(chǎn)生電場2、位移電流—變化的電場產(chǎn)生磁場

前人的經(jīng)驗：靜電場穩(wěn)恒磁場2/3/20232靜電場渦旋電場穩(wěn)恒磁場渦旋磁場2/3/20233

Maxwell方程組各向同性、靜止的介質(zhì)中物態(tài)方程2/3/202341888年赫茲利用振蕩偶極子研究電磁波，得出電磁波的一些性質(zhì)

§7.2電磁波一、電磁波的輻射和傳播2/3/20235電磁波的性質(zhì)（實驗得出）（1）傳播規(guī)律類似幾何光線，（反射、折射）（2）有干涉、衍射現(xiàn)象（3）橫波EHu(4)波速

真空中（5）能穿透絕緣體，但被導(dǎo)體屏蔽2/3/20236的頻率、相位和振幅的關(guān)系沿X軸正向傳播的特解：與之相應(yīng)的磁場同相、同頻xyz2/3/20237能流密度大?。?6)能量關(guān)系Wu=EH方向：沿的方向uts輻射強度（玻印亭矢量）對于平面波：平均輻射強度：EHu2/3/20238電磁波的傳播2/3/20239電磁波的傳播2/3/202310電磁波的傳播2/3/202311二、電磁波譜1865年麥克斯韋建立了完整的電磁場理論，并預(yù)言了電磁波的存在及電磁波的波速就是光速。1887年赫茲用實驗證實了麥克斯韋的預(yù)言，并且證實了電磁波和光波一樣，具有反射、折射、干涉、偏振等現(xiàn)象。此后，人們先后發(fā)現(xiàn)了X射線、射線等都是電磁波。按照電磁波在真空中的波長或頻率的順序把各種電磁波排列起來，被稱為電磁波譜。2/3/202312

一、微波生物效應(yīng)現(xiàn)象從研究的方法上考慮，則可分為電磁場的致熱生物效應(yīng)和非熱生物效應(yīng)。

1．熱效應(yīng)現(xiàn)象所謂熱效應(yīng)，是指電磁波照射到生物體中，使生物體的溫度升高，從而促進細胞的代謝水平，并由此引起生物體的各種生理和病理變化過程。2．非熱效應(yīng)現(xiàn)象所謂非熱效應(yīng)，是指電磁場通過熱效應(yīng)以外的方式來改變生物體生理、生化過程的效應(yīng)。或者說電磁場除了對生物組織的加熱作用外，電磁輻射對生物體的其他生理影響，這種影響是用別的手段提供熱時不會出現(xiàn)的。這種說法當(dāng)然是很籠統(tǒng)的，但是到目前為止，還不能給非熱生物效應(yīng)下一個確切的定義。

7-3微波的生物效應(yīng)2/3/202313二、熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的基本特點電磁波致熱生物效應(yīng)的主要特點是：在生物體的平衡態(tài)附近，生物系統(tǒng)對電磁波的應(yīng)答（即響應(yīng)）是屬于線性范圍，這種范圍一直可達到場強值為105V／m的區(qū)域。生物系統(tǒng)產(chǎn)生的熱正比于場強的平方，并且這種熱效應(yīng)和用其他不同的加熱方式（如紅外線和熱水?。┘訜嵘锵到y(tǒng)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)是相同的。

電磁場的非熱生物效應(yīng)有如下的一些特點：①生物系統(tǒng)對滿足一定條件的電磁波的應(yīng)答是非線性的。這種應(yīng)答在生物學(xué)上與免疫反應(yīng)相類似，在化學(xué)上與自催化學(xué)反應(yīng)相類似，在物理學(xué)上與相變過程相類似。這種應(yīng)答方式有時可用協(xié)同性或相干性來說明。②非熱生物效應(yīng)的生物應(yīng)答有頻率特異性，即只對一定頻率的電磁波有明顯的應(yīng)答，一般將其稱為“頻率窗”效應(yīng)。③除了“頻率窗”外，還有所謂的“功率窗”或“振幅窗”效應(yīng)。如前所述的新生雞離體前腦組織的鈣離子的“功率窗”效應(yīng)。④在應(yīng)答的時間上和強度上，非熱生物效應(yīng)發(fā)生要快得多，強得多，而且能直接反映出來。常常有這種情況，引起非熱效應(yīng)的人射功率密度可能是十分微弱的，但在引起非熱效應(yīng)時，生物系統(tǒng)的應(yīng)答常常是很強烈的。

2/3/202314

三、非熱生物效應(yīng)的一些機理問題討論

電磁場與生物體的相互作用通?？煞譃闊嵝?yīng)和非熱效應(yīng)，歷史上長時期主要是研究熱效應(yīng)，所以非熱效應(yīng)的研究相對來說要少一些，至今非熱生物效應(yīng)的微觀機理還不很清楚。2/3/2023157-4紅外技術(shù)一、紅外輻射

在電磁波譜中，介于可見光和微波之間，波長在0.75μm－l000μm范圍內(nèi)的電磁波被稱為紅外線。2/3/202316二、熱輻射規(guī)律紅外輻射最顯著的特性是熱效應(yīng)，遵從熱輻射的一般規(guī)律。

能夠吸收一切外來的電磁輻射的物體模型，叫做黑體。黑體的吸收本領(lǐng)最大，因而它的輻射本領(lǐng)也最大。一般物體的輻射本領(lǐng)（或吸收本領(lǐng)）除與溫度有關(guān)外，還和材料種類、表面狀態(tài)等因素有關(guān)。而黑體的輻射本領(lǐng)卻只與溫度無關(guān)。

人們由實驗和理論總結(jié)出兩條有關(guān)黑體輻射的規(guī)律。即：1．

斯忒藩—波爾茲曼定律黑體的單位表面上在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射（包括全部波長范圍）總能量（即輔出度）E0和它的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，即

式中σ=5.60×10-8W/m2，稱為斯忒藩常量。它表明溫度越高黑體輻射總能量越大。2．維恩位移定律黑體輻射中能量最強的波長（稱為峰值波長λm）與熱力學(xué)溫度T成反比，即λmT=b

式中常量b＝2.898×10-3m.k。它表明隨著溫度的升高，黑體具有最大輻射能的波長要向短波方向移動。

2/3/2023171.X射線的產(chǎn)生X射線

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在10-1102?范圍內(nèi)的電磁波-KAX射線X射線管+K─陰極，A─陽極(鉬、鎢、銅等金屬)，A─K間加幾萬伏高壓，以加速陰極發(fā)射的熱電子。倫琴1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，1901年獲首屆諾貝爾物理獎。7-5X射線的衍射2/3/202318X射線準(zhǔn)直縫晶體勞厄斑····2.勞厄?qū)嶒瀯诙驅(qū)嶒炇菫榱藢崿F(xiàn)X射線的衍射而設(shè)計的。晶體相當(dāng)于三維光柵，衍射圖樣（勞厄斑）證實了X射線的波動性。勞厄2/3/202319ddddsin12晶面ACB:掠射角d:

晶面間距(晶格常數(shù)）3.布喇格公式

不同晶面間散射光的干涉散射光干涉加強條件：—布喇格公式2/3/2023204.應(yīng)用

已知、可測d—

X射線晶體結(jié)構(gòu)分析。已知、d可測

—X射線光譜分析。5.實際觀察X射線衍射的作法a.勞厄法：勞厄相德拜相b.粉末法：2/3/202321亞鉑氰化鋇熒光屏閃光射線射線不改變方向不是帶電粒子流，是電磁波！加電、磁場2/3/202322勞厄?qū)嶒灒?912年）晶片作光柵勞厄斑2/3/202323以波長為1.10的倫琴射線照射晶面，時獲得第一級極大反射光，求d=?

例：以待測倫琴射線照射晶面，測得第一級極大的反射光相應(yīng)的入射角為，求波長。解：2/3/2023242/3/202325X射線晶體學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)到了40年代，水平已經(jīng)發(fā)展到足以對付生物大分子的結(jié)構(gòu)分析問題了。這里先從晶體結(jié)構(gòu)分析談起。19世紀(jì)后期，有機化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到立體化學(xué)的水平，并為有機分子提供了確定結(jié)構(gòu)的方法，曾在有機化學(xué)的發(fā)展上起過重大作用。但化學(xué)之能全面發(fā)展到今天這樣的水平，飲水思源，當(dāng)歸功于上個世紀(jì)末W.K.倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（1895）和M.F.勞厄發(fā)現(xiàn)了晶體對X射線的衍射（1912）。1913年W.H.和W.L.布喇格父子測定了氯化鈉和金剛石等的晶體結(jié)構(gòu)。從此以后，X射線晶體結(jié)構(gòu)分析成為測定晶體和分子結(jié)構(gòu)的主要方法。比起立體化學(xué)或其他任何方法，它具有無可比擬的優(yōu)勢。這個方法利用了晶體中原子或分子在空間分布中具有三維周期性，而且周期很短。一般說，晶體結(jié)構(gòu)是三維點陣結(jié)構(gòu)，點陣點所代表的一個單位，稱為單胞。不難推算，晶體例如金剛石中相鄰原子間的距離當(dāng)以1/10nm或

這樣的單位來計算。倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線的波長也是以

計的。當(dāng)X射線入射晶體時，其中所含原子中的全部電子就會跟著電磁波的電場振動，成為次生X射線的波源，并繼承入射波的波長和周相，從而產(chǎn)生衍射。晶體以

計的周期能使次生X射線只在一系列由晶體的周期決定的方向上周相一致而互相加強，形成衍射線。各個衍身線按其方向和強度收集在衍射圖上成為位置和黑度確定的一系列衍射點，總稱衍射譜。衍射點的位置可以給出晶體中原子分布的周期性或單胞的形狀和大小，而它們的強度是由晶體中各個原子的位置決定的。換言之，如各個原子的種類和在單胞中的位置已知，亦即晶體結(jié)構(gòu)已知，推算各個衍射點的強度倒并不困難，但從強度倒推結(jié)構(gòu)還欠缺各衍射線的周相角數(shù)據(jù)。由于X射線在各種介質(zhì)中的折光率幾乎沒有變化，極接近于1，從而不可能找到能使衍射線直接聚合成像的透鏡材料，而衍射波錄下的只是衍射線的方向和強度，已經(jīng)失掉了它們的周相角數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)分析工作產(chǎn)生了一個周相問題，如不克服，也難于利用數(shù)學(xué)方法合成成像。對于結(jié)構(gòu)比較簡單或單胞中原子數(shù)較小的晶體來說，周相問題可以用試差法，即根據(jù)某些線索提出試用結(jié)構(gòu)，并不斷根據(jù)衍射強度數(shù)據(jù)來檢驗和修正試用結(jié)構(gòu)