孫英睿
中國科學(xué)院大學(xué) 2021 級碩士研究生
培養(yǎng)單位：中科院物理所
前些日子，有一位朋友問我：“聽說微波爐不會泄露輻射，那怎么手機放微波爐里還有信號？”一瞬間，我茫然了。姑且不說手機究竟會不會有信號，只是手機為什么會出現(xiàn)在微波爐里？
不過，看著他真心發(fā)問的眼神，我決定用一篇推 (shuǐ) 送 (wén) 來回答這個問題。按照理論，微波爐的金屬外殼和爐門的屏蔽網(wǎng)會把微波屏蔽在爐腔里面，不會泄露。這樣一來，用微波做信號的手機就會“與世隔絕”。不過作為一個實驗物理人，回答問題的第一步就是要把自己的手機扔進實驗室的微波爐。上一個在封閉箱子里面進行的如此離譜的實驗，還是薛定諤那只既生又死的貓…… 我的手機約等于薛定諤的貓，嗯，我就是薛定諤沒啥問題吧（手動狗頭）。
我邀請了上海和北京的兩個朋友對微波爐里的手機進行奪命連環(huán) call。第一次，上海朋友的電話打通了，但接通之前占線了很久；不過，打開微波爐門之前 4G 網(wǎng)絡(luò)并沒有彈出微信消息。占線究竟是物理距離太遠還是微波爐屏蔽效果好呢？我們繼續(xù)了實驗。接著，北京朋友打來的電話沒能撥通，但 5G 網(wǎng)絡(luò)下收到了微信消息…… 直到這里，我依舊把收到的信號當(dāng)做實驗誤差，“微波爐沒法屏蔽手機信號”的說法怕不是假的吧？但是接下來的實驗著實打了我的臉。上海的第二次電話以正常速度接通；北京第二次電話接通；北京第三次電話也接通，甚至朋友在微信上特別強調(diào)“接通得很快”—— 嗯，4G 信號收到的微信…… 接著，4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)下也都收到了上海的微信。看起來，最開始的幾次沒能正常接通的電話才是實驗誤差，微波爐的屏蔽門確實不能屏蔽手機信號。難道是課本上的理論出了錯？還是說微波爐其實是我們身邊的輻射惡魔？
輻射到底是個啥
故事要從輻射開始講起。
輻射雖然聽起來嚇人，但著實不是什么稀奇的東西。輻射只是各種各樣的電磁波和粒子流的總稱。核反應(yīng)放出的 α 射線和 β 射線固然是一種輻射，但陽光、彩虹（和小白馬）也都是輻射，豆?jié){、油條、茶葉蛋都是輻射源，所有的電磁波 —— 從 X 射線、紫外線、可見光，到紅外線、微波乃至廣播臺的無線電 —— 也都是輻射。輻射可以大致分成兩類：對人有害、盡量少碰的電離輻射，和相對無害、注意即可的非電離輻射。電離與非電離輻射的區(qū)別在于能否讓原子電離，變成原子核（或者原子實）和自由電子。下面這幅圖展示了各種電磁波（也就是電磁輻射）的電離能力，紅色豎線右側(cè)的都是非電離輻射。
電磁波譜 [1]
電離輻射攜帶的能量很高，可以將原子中安分守己的電子電離，破壞 DNA 更是輕松。所幸，我們在日常生活中并不會隨隨便便接觸到它。畢竟，它在斗大的三角警告牌下面
在鉛屏蔽門后面
被擋得嚴(yán)嚴(yán)實實，根本逃不出來。
相比于電離輻射直接碳擋殺碳氧擋殺氧的強悍本領(lǐng)，非電離輻射要溫和得多，它只會改變分子和原子的運動能量，對人的影響主要體現(xiàn)在熱效應(yīng)上。換句話說，面對非電離輻射的時候，只要不覺得灼燙，就問題不大。
微波爐：從磁控管到屏蔽門
市面上常見的微波爐結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，硬件上主要包括磁控管、導(dǎo)波管、腔體和爐門。老式微波爐會有一個回轉(zhuǎn)扇，用來將微波均勻地散射到爐腔里。現(xiàn)代微波爐用更集約化的元件實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。爐腔里的微波一部分直接射到食物上，另一部分碰到爐壁再一次反射，最后大多數(shù)微波能量都被食物吸收，食物因此升溫。
微波爐所用的微波，其實就是一種電磁波，常見的頻率是 2450MHz。雖然電磁波是電場與磁場互相激勵向前波動，但在電磁波與物質(zhì)的相互作用（加熱食物）中起主要作用的還是電場。電場的大小（或方向）隨著時間不斷變化，如果在微波的傳播路徑上放一個電荷，那么它就會隨著電場的變化往復(fù)運動 —— 隨著電磁波的頻率振蕩。這樣，隨著電荷被脅迫著不斷振動，能量就從電磁場中轉(zhuǎn)移到了電荷上。
在微波爐的具體應(yīng)用中，微波通過迫使食物中的水分子不斷振動，將能量傳給其他食物分子，從而加熱整個食物。水分子雖然整體不帶電，但它拐了一個角，使得正電中心和負(fù)電中心不再重合。這就形成了物理學(xué)中的電偶極子。有了它，電場就可以像擰瓶蓋一樣讓水分子轉(zhuǎn)動起來獲得更多的能量。水分子的這種特殊構(gòu)型，讓我們能夠用微波爐方便地加熱食物。讓我們說：謝謝水分子！
在回轉(zhuǎn)扇散射的電磁波中，有相當(dāng)一部分會打到微波爐門上，這時候玻璃門內(nèi)的金屬網(wǎng)夾層就會發(fā)揮作用。這些金屬網(wǎng)的網(wǎng)眼直徑只有幾毫米，但微波的波長卻足足有，相比網(wǎng)眼實在太大了。微波遇到這樣細密的網(wǎng)眼，無法直接透過，甚至連衍射效應(yīng)都變得很微弱。它就像卡在柵欄里的修狗，面對的與其說是有洞的網(wǎng)，不如說是一塊鐵板。
不過，電磁波終究不是傻狗，即使是面對“鐵板”，電磁波也拿捏住了自己的獨特氣質(zhì)。
電磁波在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時，會在物質(zhì)表面發(fā)生反射和透射 —— 透射波的傳播方向與原本的入射波不同，在光學(xué)里被稱作折射。反射角 θ' 等于入射角 θ，而折射角 θ' 小于 θ，這是初中學(xué)習(xí)的光學(xué)知識，對于一般的電磁波也都適用。
不同頻率的電磁波，在遇到不同的介質(zhì)的時候，反射與透射的能量分布也不同。有的透射率比較高，就顯得“透明”；有的反射率比較高，就像鏡子一樣光亮。絕大多數(shù)金屬，當(dāng)它們遇到電場的時候，都會在表面感應(yīng)出一層電荷，把電場排斥在體外 —— 這是高中靜電屏蔽的內(nèi)容 —— 面對不斷變化的電磁波時，電荷的響應(yīng)不會那么及時，但也能使電磁波僅僅進入金屬一點點厚度，而絕大多數(shù)的能量都在金屬表面被反射。
通過一些并不復(fù)雜（但只有到了考試前夜才能記得住）的推導(dǎo)，我們可以算出來微波爐使用的 2450MHz 電磁波對銅板的反射率，也就是說，如果把微波爐屏蔽門看成完整的金屬板，那么幾乎所有照射在屏蔽門上的微波能量都被反射回了爐腔，只有大約萬分之四穿過了屏蔽門的阻隔。即使是這萬分之四，理論上也有一部分被屏蔽門本身吸收。真正能夠來到微波爐外面對人體產(chǎn)生影響的能量會更少。只不過，在日常生活中我們不太能觀察到微波爐門發(fā)熱，就先姑且忽略掉這些被吸收的能量。
按照上面的計算，日常家用的功率不到一千瓦的微波爐，理論上最多也就只有不到 0.5 瓦的輻射會泄露。一個常見的 23L 微波爐表面積大約—— 算下來，泄露的功率密度不到，只是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的微波爐輻射泄露上限的 1%[7]。
那么，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的這個泄露輻射值，對人體有沒有危害呢？人體對非電離輻射的承受能力主要取決于熱效應(yīng)。當(dāng)全身都被照射時，每千克體重可以承受四瓦的輻射；而當(dāng)只有一小塊皮膚暴露在非電離輻射中時，由于血液循環(huán)會帶走很大一部分熱量，因此這一小塊組織的輻射承受能力上限是每千克體重 100 瓦 [8]。因此，即使是 10g 皮膚組織，也可以承受 1 瓦的微波輻射，這些皮膚大概能覆蓋的面積 —— 按國標(biāo)上限計算，它們只會受到合格微波爐總共 0.1 瓦的輻射。所以說，微波爐理論輻射值遠小于國標(biāo)上限，國標(biāo)又遠在人體承受范圍之內(nèi)。即使生產(chǎn)廠家稍微“偷工減料”，把我們理論計算用的鐵板換成了金屬網(wǎng)，只要它們的產(chǎn)品還能正常出（zhuàn）廠 (qián)，也依舊不會對人體安全造成什么影響。
手機：沒啥輻射的輻射源
讓我們暫且偏個題，去看一下臺式電腦的背板。五花八門的插口中，三孔插頭是電源線，它負(fù)責(zé)供給電能，點亮主機。其他的 USB 和 HDMI 接口則與鍵盤鼠標(biāo)顯示器連接，來傳輸信號?！?電流攜帶的，可以是能量，也可以是信息。電磁波也是一樣。微波爐使用的電磁波是“一力降十會”，挾著分子把它們加速變熱；手機信號則是“四兩撥千斤”，依靠波形的變化傳遞信息。
與手機相關(guān)的輻射分為兩種：手機接收的信號強度和手機發(fā)射的發(fā)射功率。我們手機中使用的通信協(xié)議規(guī)定了不同信號強度下手機的發(fā)射功率。信號越弱，手機與基站的聯(lián)系就越弱，因此手機的發(fā)射功率就會越大。信號強度反應(yīng)在手機頂端菜單欄，就是我們平常說的“信號有幾格”。更精細地說，信號強度的單位是 dBm，計算公式是。如果手機接收到基站 1mW 的輻射，那么信號強度就是 0dBm；如果收到 1W 輻射，信號強度就是 30dBm。
在城市中，移動信號的基準(zhǔn)強度是-90dBm，也就是手機從基站接收到輻射就算合格。即使再低一些，也能大體保證通話質(zhì)量 [10]。這時手機發(fā)射的輻射強度是—— 而這也就是手機能夠發(fā)射的強度上限了，所以手機真的還挺安全的。
在能保證日常通話質(zhì)量的情況下，手機的信號強度波動范圍可以很大。我的手機在不太長的時間里就經(jīng)歷了最高-61dBm、最低-125dBm 的信號波動 —— 換算成功率，這是一百萬倍的差距。假如你是一只手機，正吃著火鍋唱著歌，舒舒服服地在-60dBm 通著話，突然就掉到了-100dBm 乃至-110dBm，那該怎么辦呢？環(huán)境不讓你體面，那就自己給自己體面。拉滿功率辛苦一下，聊聊微信還是沒問題的。
微波爐里的手機究竟為什么能接電話？
說了這么多，我們終于可以回答最開始的問題。關(guān)在微波爐里的手機之所以能收到信號，不是因為微波爐泄漏輻射，而是因為手機“過于靈敏”。盡管微波爐屏蔽掉了絕大多數(shù)的輻射，只留下了萬分之幾的功率，但手機可以正常通話的信號范圍，本身就跨越了五到六個量級。在爐門外，手機可以很順暢地通話；在爐門內(nèi)，雖然信號很弱，但手機還是應(yīng)付得來。在日常生活中，只要我們正常地使用合格電器，而不把腦袋塞到微波爐里叮一下或者把 X 光當(dāng)美顏相機拍，就真的不用擔(dān)心輻射對身體造成危害。
參考資料：
[1] 如何正確的區(qū)分電磁輻射與電離輻射，長期的電磁輻射能否影響人正常的身體健康？
[2] 有哪些關(guān)于微波爐的科學(xué)知識？
[3] 如何建立電磁波的傳播模型？
[4] Springer Material
[5] 柴犬
[6] 郭碩鴻.電動力學(xué)（第三版）.高等教育出版社
[7] GB4706.90/2014
[8] 無線電波，風(fēng)險與監(jiān)管
[9] 搞清楚基站和手機的輻射到底有多大？
[10] 手機信號強度是指什么？
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：藏癡
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