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谢邀。这个问题是很难的，避重就轻是无济于事的，而用衍射与透射之类的简单说辞，是不能释怀与释然的。为通俗起见，本文有点长。 经验告诉我们，通常乘电梯时，手机无法接收无线电(微波)信号，但乘地铁则不然。说明，无线电波可被封闭的金属外壳屏蔽。 1 电磁波的本质无线电波、红外线、可见光🌈、紫外线、超高频线，都是电磁波，只在低密度介质中传播。 电磁波与机械波一样在同介质以同波速传播，其波长与频率成反比： v=λf...(1) 电磁波是一种空间涟漪，是波源的电子震荡，扰动了真空场，所激发的介质波。 2 电磁波的模型，光子的拓扑参数电磁波可以模拟为正弦波，其中一个波节，相当于光子，波节长度就是光子波长(λ)。 在1秒周期(T)，波节涌动次数(n)或波节推涌的个数(n)，即光子震荡频率(f)： n=λ/T...(2) 1个周期内光子推涌的距离(d)叫光秒，对应的是光速：c=λn=λ/T=299792548m/s。 由于真空场吸能，相邻波节有极小衰减或红移。但在较短光程，各波节是近似全同的。 我们不妨把一个飘带状的波节或光子，拓扑为一个漩涡球，则光子半径： r=λ/2π=c/2πf...(3) 光子半径公式很重要。因为，可以计算不同光子的体积、质量密度、辐射能密度、势能密度、电荷密度。尤其可以估算不同空间的质密与能密。 3 光子是低密场介质，不能穿越高密场根据热力学第二定律，水向低处流，低能密介质不能进入高能密介质。 绝大多数光子都是低密场介质，不能进入高密场介质，如原子与核子内空间。 即使最高频光子也不能进入电子内部。因为电子半径r=2.82费米，场密度极大。只能发生康普顿散射效应。 4 以电子湮灭方程，确定光子的质量根据麦克斯韦方程c²=1/ε₀μ₀，光子的光速震荡与光速推涌是由真空场介质决定而固有的。 因此，所谓光子静质量m₀=0纯属莫须有，即便m₀=0，动质量m=m₀/√(1-v²/c²)也无解。 再说，如果硬套m=hf/c²作为光子质量，则有无数个不同质量。而且，10²⁰Hz伽玛光子质量m=hf/c²=7.4×10⁻²⁸[kg]是电子质量的8倍。而10⁹Hz微波光子质量m=7.4×10⁻³⁹kg是电子质量的1000亿分之8。——纯属无稽之谈。 事实上，光子波长越长，光子半径越大，光子体积越大，光子密度越小。 按这个逻辑，光子质量、光子电荷、光子速度必须是常量。这让我们想起电子湮灭方程： e↑+e↓+2×½m₀c²→γ↑+γ↓+2hc/λ₀...(4) 两边能量相等: 2×½m₀c²=2hc/λ=1.02MeV 两边质量相等: 2e=2γ=1.02MeV/c²。 可见，电子湮灭为光子，其实是电子急遽膨胀为光子，电子质量转化为光子质量，即： 光子质量≡电子质量，m₀=0.51MeV/c²...(5) 电子固有半径：r₀=2.82费米...(6)， 光子最小半径：r'₀=0.39皮米...(7) 光子最小体积：V'₀=2.5×10⁻⁴⁰[m³]...(8) 光子最大密度：ρ'₀=3.6×10⁹ [kg/m³]...(9) 注意1：光子密度，不妨就是场介质密度。 注意2：式(4)含方程：½m₀v²=hc/λ...(10) 此称场效应方程：电子动能≡光子辐射能，这个可求电子激发电磁波的波长与频率。 尤其是可以计算原子与核子的内空间密度，进而探讨光子的衍射与透射性。 5 典型电磁波的光子密度 现在，我们可以通过计算——电磁波的光子密度，实粒子内空间的光子密度——来判断电磁波的透射性。 5.1 无线电波的光子密度， 以手机接收的无线电波为代表，假定其厘米微波的光子波长为：λ₁=0.01m，则 光子半径：r₁=λ₁/2π=1.6×10⁻³m。 光子密度：ρ₁=m₀/4.2r₁³=5.3×10⁻²³kg/m³ 可见，无线电波的光子密度与波长立方成反比，波长稍有拉长，场密度急剧下降。 5.2 可见光波的光子密度 以可见光居中波长为代表，λ₂=500nm，则 光子半径：r₂=λ₂/2π=8×10⁻⁸m 光子密度：ρ₂=m₀/4.2r₂³=4.2×10⁻¹⁰kg/m³ 显然，可见光的光子半径比微波光子半径缩小10⁵倍，密度增加10¹³倍。 5.3 超高频波的光子密度 以最高频光子：λ₃=4.85×10⁻¹²m为代表，则 光子半径：r₃=λ₃/2π=7.7×10⁻¹³m 光子密度：ρ₃=m₀/4.2r₃³=4.7×10³kg/m³ 可见，超高频光子密度大约是水密度的5倍。 6 典型实粒子内空间的密度6.1 核内空间的场密度 以核内1个电子光速震荡(v₂=c)激发1光子，计算质子内空间的场密度。场密度的体积部分，只取决于电磁波的波长。 光子波长：λ₄=2hc/m₀c²=4.85pm 光子半径：r₄=λ₄/2π=7.7×10⁻¹³m 光子密度：ρ₆=m₀/4.2r₆³=4.8×10⁵kg/m³ 质子内空间的场密度≈质子密度，是宇宙中所有物态的最高密度，不可能被任何光子穿越。 6.2 原子内空间的场密度 原子态的场密度取决于电子激发的光子波长，电子平均速度v=8.2×10⁶m/s。 光子波长：λ₅=2hc/m₀v²=1×10⁻⁸[m] 光子半径：r₅=λ₅/2π=1.6×10⁻⁹m 光子密度：ρ₅=m₀/4.2r₅³=5.3×10⁻⁵kg/m³ 绝大多数固体是晶体，价电子间的距离较近，受核电荷的束缚力(库仑力)较大，价电子的运动速度较大，场介质密度也就较大。 当然，用固体物理的电子能带理论来解释，缺点是量子化操作模糊不清。 可见光密度ρ₂=4.2×10⁻¹⁰kg/m³，原子态场密度ρ₅，这可解释为可见光不能穿越晶体材料。 为什么无线电波与可见光可穿越玻璃介质等非晶体材料呢？主要是由于非晶体分子与晶体原子的核外电子震荡速度与彼此之间的距离的差距太大。 6.3 分子内空间的场介质密度 非晶体材料的分子间距，远大于晶体材料的原子间距，因而密度也小了许多。如：玻璃的密度约2.5，水与冰的密度约1。而铁密度7.8，铜密度8.9，铝密度2.7。 直接测量分子的间距是很困难的，目前最先进的电子显微镜最大分辨率约2纳米。玻璃与水分子的间距也在纳米级。保守估计是原子间距的3倍或原子半径9倍以上，故，不妨设玻璃的网络节点价电子活动半径R=R₆，暂定如下： R₆=3R₂=1.6×10⁻¹⁰m 由于分子间距较大，作为向心力的分子间力或氢键大大低于原子间力。 根据轨道角动量守恒，分子间价电子震荡速度v₂，低于原子间价电子震荡速度v₁。比较保守估计：v₂=⅓v₁，其激发光子参量： 光子波长：λ₆=λ₅(v₁/v₂)²=9λ₅=5.85×10⁻⁵m， 光子半径：r₆=λ₆/2π=9.3×10⁻⁶m 光子密度：ρ₆=m₀/4.2r₆³=2.7×10⁻¹⁶kg/m³ 分子间的场密度ρ₆，远低于可见光的光子密度ρ₂=4.2×10⁻¹⁰kg/m³。这就解释了可见光可以穿越玻璃、冰等非晶体介质。 7 无线电波，不能直接穿越非晶体无线电波，是波长3万米~10微米的电磁波。其光子的最大密度ρ(max)=5.3×10⁻¹⁹kg/m³，远低于固体分子间场密度ρ₆=2.7×10⁻¹⁶kg/m³。 显然，无线电波无法直接穿越凝聚态介质。不能仅场密度理论来解释。先做些场密度估计。 玻璃是非晶体材料，用多种无机矿物，如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱为主要原料，加入少量辅助原料制成。主要成分为二氧化硅和其他氧化物。普通玻璃的化学组成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是硅酸盐复盐，是一种无规则结构的非晶态固体。 玻璃态物质，由熔融体快速冷却而得到，从熔融态向玻璃态转变时，冷却过程中黏度急剧增大，质点来不及做有规则的排列。 ▲冰缔合分子有(H₂O)₃、(H₂O)₄...(H₂O)ₙ，网眼比较大，给可见光与电波有可乘之机。 玻璃的分子结构，有点像冰的缔合分子结构。有关资料称，有序的网络节点尺度，大约R₆=0.75纳米（本文前述为0.16纳米），而网眼空隙尺度R₇>>R₆，设R₇≈10R₆=7.5nm。 根据叠加原理，可用玻璃网络结构中的每个价电子与核电荷之间的库仑力，作为该电子在网眼空间的向心力，故有： ½m₀v²=ke²/R₇=hc/λ₇...(11) 价电子震荡速度： v=√(2ke²/R₇m₀)=e·√(2k/R₇m₀) =1.6×10⁻¹⁹√(2×9×10⁹÷(7.5×10⁻⁹)(9.1×10⁻³¹)) =1.6×10⁻¹⁹√(2.6×10⁴⁸)=2.58×10⁵[m/s] 光子波长：λ₇=2hc/m₀v²=6.6×10⁻⁶[m] 虽然，这接近无线电波的最短波长(<10微米)。但还是不能直接穿越非晶体材料。 8 无线电波的传播方式无线电波的传递方式，包括视距传播与非视距传播。长波易被电离层吸收，短波易被电离层反射或散射，微波可以穿过电离层。 其1：视距传播 视距传播，主要是天线直射和地面反射的叠加，其极限距离取决于天线高度和地球半径。 其2：对流层反射 适合λ≤10米。对流层涉及天气条件。反射系数随高度增加而减少。反射系数使电波弯曲。 其3：电离层反射 适合λ≥1米的远程通信。电离层反射的电波有若干跳跃，与对流层一样，也有连续波动性。 其4：绕射传播 绕射波来自建筑物内部或阴影区域的信号，障碍尺度≈电波波长。故频率越高，信号越弱。 显然，无线电波的反射、折射、散射与绕射，是因为电波的光子密度<<场介质密度。其中，绕射或衍射，正是本题的关键。 9 衍射，涉及电磁波的本质为什么有衍射现象，尤其是双缝干涉，一直是电磁动力学的困惑。其实涉及的是电磁波的发生与传播机制。 流行主张——光子是波源发射到真空介质的——发射说；笔者主张——光子是波源挤压真空介质所激发出来的——激发说。 9.1 物理学玩的都是——电子游戏规则作为基本电荷，电子是磁性与电性的对立统一体，电子是构造物质世界万千气象的唯一独立存在的基元粒子。 磁性，是电子的自旋性，是物质运动的第一动因 (First Cause)。磁性的三个约定： ①电子体 有 光速自旋与自旋势能 (E₀=m₀c²) ②南北极 有 负压带=磁场=真空场=引力场， ③负压带 有 空间涟漪=引力波=磁波。 电性，是电子的绕旋性。电子绕旋，扰动空间场，产生各种场效应。电性的三个约定： ④电子动能 激发 电磁辐射能 (½m₀v²=hf) ⑤电子动能 激发 热力机械波 (½m₀v²=1.5kT) ⑥电子动能 激发 电压与电流 (½m₀v²=ke²/R) 电磁波，是两个电子引力场相互作用的叠加效应。电磁波的三个约定： ⑦在原子内部，核外电子与核内电子(核电荷)之间的相对运动，产生原子光谱。 ⑧在原子外部，自由电子动能不断衰减，对空间引力线的切割力递弱，产生电子光谱。 ⑨在核子内部，核内电子以光速绕核核运动有音爆，产生场质增效应。核子=电子+缪核。 9.2 电磁波发生与传播的机制电磁波，是被电子波源扰动的空间介质所激发的场效应。电磁波，虽因波源引起，但不是从波源发射出来的，而是光速涌动的场介质。 ▲电磁波的发生与传播：左边发生是初级谐振子，是电子与电子互动的复合激元(excitons)。右边传播是次级谐振子，是光量子激元与引力子激元的互动。 我们不妨设定：空间是真空所在，真空是引力场，真空可以假设引力场充满了引力子或场量子。引力子以光速在本地涌动。 引力子与光量子是同一波节被拓扑的传播子。只要有电子运动，就必然挤压真空场，场量子之间就会依次推涌，推涌的引力子就是光子。电磁波的光子涌动，是借助空间固有的引力场作为载体而实现传播行为。 9.3 衍射的本质——以引力场为载体万有引力是万有的，或者，引力、引力场、引力波或引力子，不受任何障碍物的屏蔽，可以穿越任何介质——为什么？ 因为，引力是真空“吸能·载波·传力”的代名词，实体充满场介质。电子的内部是缩聚的真空，是纯净的高密度场介质。 无线电波的传播，也是通过真空介质或引力场传播的。无线电波的光子密度极低，虽然无法穿越高密度介质。 但是，无线电波通过引力场作为载体来传播。衍射好比“水向低处流”与“水流十八弯”。
无线电波的绕射现象，也可以是一种特殊的散射，可以类比康普顿散射效应，即高频辐射遇到电子会折射。 由于引力场吸能，衍射波的信号比入射波会大大衰减，有显著的降频红移效应。 结语本文基于电子湮灭方程与质量守恒与转换定律，大胆假设：电子可以急遽膨胀为光子，光子质量≡电子质量常数(m₀)。而把电磁波的一个波节拓扑为一个漩涡球型之光子。 与此同时，把光电效应方程拓展为场效应方程，即：½m₀v²=hc/λ，进而可求电磁波光子的波长与半径，进而可求光子密度，作为场介质的平均密度。 然后，根据热力学第二定律，得出结论：电磁波光子密度，只能从高密度介质进入低密度介质，由此解释可见光不能穿越晶体材料，而无线电波光子密度太低，不可能穿越所有凝聚态介质。 最后，根据电磁波只能以无处不在的引力场为载体的发生与传播机制，解释无线电波绕过障碍物的衍射原理。 Stop here。物理新视野与您共商物理前沿与中英双语有关的疑难问题。 |
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