关于频率（波长）与穿透、绕射能力的关系，终于有人能说明白了

关于电磁波频率（波长）和信号覆盖能力之间的关系，很多人都存在疑问。

有人说，电磁波的频率越高，穿透力越弱，所以覆盖能力差。那么就有人问，X射线和γ射线频率高，不是用于医学摄片和金属设备探伤吗？

也有人问，频率越高，穿透能力越弱，为什么可见光的频率那么高，却可以穿透玻璃呢？

总而言之，众说纷纭，谁也说不清楚，到底频率和穿透能力之间是什么样的关系。

今天这篇文章，我们就详细解释一下这个问题。

首先，我们要澄清一些基本概念。

什么是电磁波？大家可能觉得，电磁波不就是光波和电波么，扭来扭去的那种正弦图形，就是电磁波。

电磁波

严格来说，电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。

电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

太阳光，就是电磁波的一种可见的辐射形态。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，都是电磁波。它们的主要区别，就是频率不同。

大家切记，水波、声波不是电磁波，而是机械波。它们是需要实体介质的，一个点上下运动，带动下一个点运动，形成了波。

机械波

所以，请不要把电磁波想象成真的有那么一个正弦曲线在空间中扭动！

电磁波的类别和用处很多，为了避免发散，我们先仅限于讨论移动通信中的电磁波传播。

也就是说，我们重点讨论：电磁波信号由天线发出之后，究竟如何才能传播更远的距离？

电磁波的传播，有以下几种机制：直射、反射和衍射（绕射）。

A点到B点，如果没有障碍物，那么就是直射。它们之间只有空气。

现实中的环境不会那么简单，周围总会有一些障碍物，于是，会有一些反射。它们之间，还是空气为主。

信号会发生叠加，产生快衰弱（瑞利衰落）

如果有障碍物，那么问题出现了，信号该怎么过去呢？

除了借助环境物体进行反射之外，就只剩两个选择，一个是衍射（绕射），一个是直接穿透过去！

关于衍射，如果你的物理知识还没还给老师的话，应该记得“小孔成像”吧？

衍射，指的是波（如光波）遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。也就是说，电磁波具备“绕开”障碍物的能力。波长越长（大于障碍物尺寸），波动性越明显，越容易发生衍射现象。

再来看穿透。穿透这个比较麻烦。它包括了3个过程。

第一步，是障碍物表面。

电磁波从空气到障碍物（也就是导体），需要用外面的电场和磁场感应出介质里面的电场和磁场。

基于经典电磁波理论，电磁波在不同介质的传播速度，取决于介质（障碍物）的介电特性和介磁特性。如果介质是理想导体，导电性能特别好，那么，电场在该理想导体内部永远为0，就不能产生电场。

所以，如果障碍物是理想导体，所有的电磁波都会反射回去。

对于非理想导体（大部分介质），电磁波在表面上分成折射和反射的两部分。两部分的比例跟波速、入射角有关，而波速又跟频率有关。所以，经过介质表面时，电磁波信号就已经衰减掉一部分了。

好了，接下来是第二步，电磁波折射的一部分终于进入介质内部。

介质分为均匀介质和不均匀介质。我们先说均匀介质。

大部分介质不是理想导体或良导体，而是绝缘体或者有不同电阻率值的导体。

电磁波在绝缘体中的传播较为顺畅。像玻璃，就是一种非常典型的绝缘体。光线在玻璃中传播时，吸收率很低，所以玻璃看着就很透明。

很多晶体，例如食盐晶体、冰糖晶体，还有纯净的水结成的冰，都和玻璃类似。

最典型的就是光纤。光在光纤中，可以传输几十公里。

光纤的纤芯

电磁波在有不同电阻率的导体中传播，可以使用麦克斯韦方程式进行计算。具体怎么算，我就不解释了。

我们可以简单来理解：

电磁波是电场和磁场的传播，波峰和波谷是电场的两个极值。

当电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。

所以，相同前提条件下，在有电阻率的导体中，频率越高的电磁波，衰减得就越快。

比较典型的例子就是深海中的潜艇。潜艇都是使用长波或超长波与岸上基地进行通信的。因为无线信号的频率很低，在水中的衰减会更小。

对于不均匀介质，这个问题就更复杂了。

电磁波在不均匀介质中传播，等于是在不同介质之间反复地发生折射、反射、衍射。传播的路径更加复杂，最终射出的方向也非常复杂。过长的路径，也会带来更大的衰减（损耗）。

典型的例子是墙面，不管是钢筋混凝土墙面，还是砖砌墙面，都是不均匀介质，电磁波传播过程中，就有不同程度的衰减。

第三步，从介质到空气，又是一波折射和反射。

综上所述，大家应该明白，为什么频率越高的电磁波，穿透障碍物的能力越弱了吧？

我们家里使用的Wi-Fi，现在都有2.4GHz频段和5GHz频段。大家用过的话，应该都知道，5GHz信号的穿墙能力明显弱于2.4GHz信号。

还有我们昨天文章所说的毫米波，也是一样的道理。相同条件下，毫米波信号穿透障碍物的衰减，明显会大于Sub-6GHz的信号。

值得一提的是，不均匀介质的信号衰减程度，和介质颗粒度也有关系。如果这个颗粒打得很碎，颗粒很小，那么，对于低频电磁波来说，由于波长远大于颗粒尺寸，整体上电磁波的衰减会更小一些。

那么很多人会问，为什么高能射线例如X射线频率那么高，穿透力却很强呢？

这里面的原因很复杂。简单来说，对于这些频率极高的电磁波，经典的电动力学不能完全成立。

这是什么鬼理由？

这么说吧，X射线除了频率高之外，还有一个特性，那就是能量极强。

X射线照在介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力。

那么，为什么像铅块这样的重金属可以有效阻挡X射线呢？因为铅块的原子序数较高，密度大，原子结构更紧密，不容易“穿透”。

好啦，文章写到这里，就要结束了。关于电磁波的波长频率与穿透能力的关系，大家都搞明白了吗？

参考文献：1、https://www.zhihu.com/question/51073615/answer/124484551知乎，灵剑2、https://www.zhihu.com/question/330291086/answer/725442889 知乎，一头大考拉3、《X射线穿透能力为什么这么强？》，无损检测站

电磁波的频率存在上限吗？

如下图所示，伽玛射线爆会释放出宇宙中最强大的电磁辐射，但它的频率并不是最高的。中子星或者黑洞合并时会在短时间内释放出大量的伽马射线，超大质量恒星爆炸时也会在短时间内释放出大量伽马射线，这就是伽玛射线爆。它是宇宙中最强大的能量活动。

伽玛射线的频率非常高，频率范围在10^18Hz～10^22Hz之间，波长不到0.001纳米。当原子核发生能级跃迁时，便会产生伽马射线。核武器和核反应堆中就有它的存在，它能够对人体产生非常大的危害。那么还有比伽玛射线频率更高的电磁波吗？电磁波的频率存在上限吗？

为了讨论这个问题，让我们先来了解一下电磁波的相关知识。

什么是电磁波？

现如今，人类的生活已经离不开电磁波了。从微波炉到电视、电话，从移动网络到WIFI，都需要用到电磁波。它虽然看不见、摸不着，但它在我们的生活中已经根深蒂固了。

电磁波并不神秘，它是在空间中以波动形式传播的电磁场，具有波粒二象性。频率越高，粒子性越强；频率越低，波动性越强。电磁波是横波，其传播方向与电场方向和磁场方向三者互相垂直。通常任何温度在绝对零度（-273.15℃）之上的物质或粒子都能够向外界辐射出电磁波，只是人眼只能感知到频率很窄的电磁波，被称之为可见光。

上图为电磁波在空间中的传播方式示意图，传播方向不变，但是电场和磁场的方向却在不停的交互变换。

早在19世纪，麦克斯韦就从理论上预言了电磁波的存在，认为光也是一种电磁波、电磁波的速度与光速相同。1888年，德国物理学家赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言。因为这些成就，赫兹（Hz）被用作国际单位制下频率的单位名称。

上图为麦克斯韦的肖像，他是人类历史上最伟大的物理学家之一。

电磁波的频谱

频率就是电磁波在单位时间内完成周期振动的次数。在自然界中，电磁辐射往往和温度有关，温度越高，物体向外辐射出的电磁波的频率也就越高。可见，频率是电磁波一个很重要的特性。

电磁波的速度就是光速（约30万千米每秒），由由于真空中的光速是恒定的，因此一旦确定了频率，波长也就随之确定了。电磁波的速度、频率和波长满足关系：c=λf 。

基于频率，从低频到高频，我们将电磁波划分为：无线电波（又可细分为长波、中波、短波）、微波、红外光、可见光、紫外光、X光和γ射线，它们构成了一个完整的电磁波谱。其中人眼可见的电磁波的频率范围为在 3.9×10^14～8.6×10^14 Hz 之间，对应的波长范围在400～760nm之间。不过有少数人可以感知到波长范围在380nm~780nm的电磁波。

电磁波的频率可低至几千赫兹，此时电磁波的波长可达几十千米。由于电磁波的频率较低时，其能量也较低，因此在传播过程中衰减的很厉害。虽然电磁波的传播不需要介质，但是当电磁波的频率较低时，需要借助有形的导电体才能传播。

X射线又叫伦琴射线，常用于医学检查，它的频率为10^15～10^22Hz，没有伽玛射线的频率高。当原子中核外电子发生能级跃迁时，如果能量差较大，就会辐射出X光。紫外光可以用来消毒杀菌，有利也有弊，它也会对人的皮肤产生危害，太阳中就含有大量的紫外光，幸亏地球大气层有臭氧，可以阻挡大部分紫外光。而任何有温度的物体都会向外辐射出红外光，夜视仪或热成像仪就是基于这个原理。无线电波的频率约为 10KHz～30GHz，无线通信就是靠的它。频率越高，单位时间内能够传递的信息就越多，所以说5G网络使用的无线电频率就比4G网络高。

如上图所示，核外电子发生能级跃迁，并辐射出能量为ΔE的光子。普朗克常数是定量，发生跃迁时释放的能量大小便决定着光子的频率。

频率存在上限吗？

伽玛射线的频率已经很高了，但这并不是最高的，科学家在实验室中已经能够产生10^26Hz的电磁波，此时的电磁波性质更偏像粒子。

光速不变，根据波长和频率的关系，似乎只要波长无限短，电磁波的频率就能无限高。量子力学告诉我们，从微观世界来看物质的运动并不是连续的，而且存在最小的运动变化尺度。这并不是数学题，根据量子力学，电磁波的波长不能无限短，因此电磁波的频率必然就存在一个上限值。

这个极短的长度被叫做普朗克长度，其大小约为1.6x10^-35米，仅相当于一个质子直径的10^22分之一。它是物质世界中存在的有意义的最短长度，没有比这还小的尺度了。普朗克长度的数值由万有引力常数G、光速c和普朗克常数h三者来决定。

通过计算，理论上电磁波的最高频率不能超过1.9x10^43Hz。这与人类目前所能产生的超高频电磁波相比，它们之间相差了17个数量等级。频率这么高的电磁波，也许只能在宇宙大爆炸时才能产生。

还可以算一算其它数据。根据波粒二象性，超高频电磁波可以看作粒子，即光子。光子的能量用公式E=hv（其中，h为普朗克常数，数值大小为6.6×10^-34 J·s ；v为光子的频率）计算。当光子的频率达到上限时，该光子的能量约为1.2x10^10焦耳。能量和质量存在联系，根据质能方程E=mc^2，该光子的能量所对应的质量约为0.00013克。

由此可见，除了数学世界，真实世界中并不存在无限，总是存在各种各样的限制。不仅光的传播速度存在上限，光（电磁波）的波长或频率也存在上限。正因如此，宇宙中事物的运动变化才有规律可循。

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