微波在各种介质中的运动
吴 志
微波通信是使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz～3THz）的电磁波进行的通信。包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点对点、一点对多点或广播等通信方式。
微波运动与光线类似，是直线传播的，理想介质是真空，但在大气层中传播不可能有真空，遇到各种介质时会衰减，接收设备材料使用不当也会衰减。因此，有必要研究微波在各种介质中的运动规律。人类大体知道微波遇到常见几类物质时，通常会发生穿透、吸收和反射，但这种认识是粗放的，不够准确，不够全面，更不能从原理上解释清楚。若都能搞清楚，就能主动取舍和扬长避短了。
在这里运用本人创立的辐射力学进行分析，因为没有其他理论能够解释，量子力学理论更不可能解释了。辐射力学认为，吸力与斥力，正电与负电，本质上是辐射的吸收与反射。几乎每种粒子都有辐射释放，几乎每种粒子都会吸收辐射和反射辐射，是吸收还是反射取决于是什么粒子。如电子吸收质子辐射，两者形成引力；电子反射电子辐射，两者形成斥力，也就是同性相斥，异性相吸。原子核是质子集合体，电性与质子相同。中子带有弱负电，能吸收质子辐射，所以能抱在一起；但质子仍有辐射对外释放，被电子吸收，形成引力，于是电子绕核运动。一种粒子带有正电或负电，是人为规定的，认为这边是左，那边就是右；认为这边是上，那边就是下。
辐射力学认为，电磁波是电磁粒子的运动，包括光子在内，不同只是波长与频率，波长越长，频率越低；波长越短，频率越高。这就不难理解，为什么微波运动的最佳介质是真空了，几乎所有粒子的运动，最佳介质都是真空；几乎所有物体的运动，最佳介质也是真空；几乎所有天体的运动，最佳介质还是真空，因为物体与天体都是由粒子构成的。但微波在大气层内运动，不可能有真空环境。
那么波长与频率究竟是什么呢？电磁粒子带有弱负电，根据是：①几乎所有物体都反射光，这是光子与物质外围的电子相斥形成的，电子带负电，表明光子也带负电，负负相斥，才有反射。②几乎所有物体都吸收光，这是光子穿透物质外围电子后，击中原子核或从旁边飞过时被捕获，原子核带正电，表明光子带负电，正负相吸，才有吸收。能解释光子的运动，也就能解释微波的运动了，两者性质是相似的。
微波粒子与光子都是电磁粒子，区别只是波长与频率不同。众多电磁粒子以光速向前运动，负负相斥，保持距离，前后距离就是波长，前后时差就是频率。波长越长，频率越低，即第二个粒子到达时间较长；波长越短，频率越高，即第二个粒子到达时间较短。
前后两个电磁粒子有一个极限距离，到了这个极限距离就不能再靠近了，除非有一个强大的、额外的压力施加在两者之间。电磁粒子的距离通常不是极限距离，辐射源发射频率（爆发频率）决定了两个电磁粒子的距离。在电磁波中，γ射线波长最短，小于1皮米，即小于万亿分之一米，接近极限距离了，或可能就是极限距离了。当然，也许距离还可以缩小，这需要实验来验证。
电磁粒子之间到了极限距离，再压缩会怎么样呢？电磁粒子就会裂解为更小的粒子，这种更小级别的粒子是什么还不知道。我们知道的分子、原子、原子核、质子、中子、电子受压后都会裂解，比如原子受压后会释放出电子，电子受压后会释放出光子，原子核受压后会裂变为两个或多个原子核。能施加压力的一定是同性粒子，同性相斥，斥力就是压力。中子带弱负电，用中子轰击原子核，是外来中子冲击原子核中子，原子核才发生裂变。用中子冲击质子不叫施加压力，这叫投怀送抱。辐射力学理论与传统核理论有所不同。因此，电磁粒子受压后也不应例外，也应发生分裂，除非电磁粒子就是原始粒子。辐射力学认为，原始原子不可再分，是构成宇宙万物的基本粒子。
辐射力学认为，任何粒子的运动都是在场压的驱动下运动，比如电子在电场的驱动下运动，电场是有电压的，电压越大，电子越多，电流越强。电压不好理解，实际上就磁场压力，发电机不断制造磁场，把压力施加到电线中，这就是电压了。这个磁场不断把电线中的轨道电子剥离出来，成为自由电子，并推动自由电子前进，这就是电流了。
空中和太空中的电磁粒子，在膨胀能量场推动下前进，膨胀能量场脉动越快，发射的电磁粒子频率越快，波长越短；膨胀能量场脉动越慢，发射的电磁粒子频率越慢，波长越长。膨胀能量场需要不停做功，才能不断把电磁粒子推向远方。比如，若太阳停止爆发，突然熄灭，旅途中的所有电磁粒子都会停止旅行，包括光子在内。所以，火柴光不能飞行无限远，火柴熄灭后光子就发生衰变了，因为身后的膨胀能量场消失了。除了火柴之外，人类还制造很多膨胀能量场，发射光、激光、微波、无线电波、X射线等的设备都是在制造膨胀能量场。
当电磁粒子遇到原子时，会发生四种情况：①击中电子，负电对负电，反射；②擦边电子，偏射，即改变一个角度继续前进。擦边是指略接触或未接触，但能发生相斥作用了。③击中原子核（或质子），负电对正电，吸收；若稍偏离，也能被原子核（或质子）俘获。④离电子较远，也离原子核较远，就从原子中穿过去了，这叫穿透。
穿透不是绝对的，只是有的电磁粒子运动轨迹恰到好处，才能顺利穿透。当然，有一种穿透是在原子之间或分子之间穿透的，比如在空气中运动时容易发生这种情况，也不是全部电磁粒子都能这样。也就是说，衰减是始终存在的，只是程度不同而已。
上图所示有四种情况，几乎都会同时存在，关键在于哪种情况更多，这主要取决于障碍物是哪种元素和什么结构。比如，外围电子多反射和偏射就多，外围电子少穿透和吸收就多。当一种物质被较多电磁粒子穿透，就属于透明或半透明的，透明是广义词，包括对微波的透明等。反射、偏射、吸收也是这么认定，都是一个相对概念。对于原子核来说，不断吸收电磁粒子，也不断释放电磁粒子，保持平衡状态。释放出去的电磁粒子，有些放空或被远处物质吸收，有些被轨道电子吸收，轨道电子的吸收与释放也是平衡的。
下面用光对石墨烯的穿透与吸收来说明问题，光线穿透与微波穿透大同小异，都是电磁粒子穿透，只是频率与波长有所不同。石墨烯是碳( C ), 原子序数6，意味着外围有6个电子，石墨烯由单层碳原子构成，就像一张网一样。
石墨烯只有一层碳原子，它的透光率为97.7%，可以吸收2.3%的光，这只是一层碳原子的吸光率，这是很强的光吸收，大约50层石墨烯就可以把光完全吸收，其他材料很难做到。因此，石墨看起来是黑色的。从网状结构就可以分析光的穿透与吸收了，网眼很大，说明光子穿透很多，但网眼中间是原子核，由于外围只有6个电子，总有少量光子击中原子核，而原子核有6个质子，对光有较大吸引力，因为光子带弱负电，这样吸光率就高达2.3%了。微波粒子也是同样道理。
值得指出，原子是立体的，这张网画成平面的，与实际情况不完全一致，但可以理解为一张网：单个原子单薄、空洞，原子之间结构紧密，所以强度是钢的100倍。另外，有没有反射与偏射？当然有，不然一块石墨摆在面前，我们就看不到了，因为光不是穿透就是吸收，就不会进入人眼了。因此，材料科学家给出的这个数据：穿透97.7%，吸收2.3%，还是不够精确的。能指出问题，并说出理由，需要有更高的科学造诣和科学理论才能解释，这就是本人及辐射力学的奉献了。
辐射力学的创立，不仅有有力的、众多的论据和论证，而且这个理论几乎能解释宇宙的一切，从宏观、中观到微观，包括粒子、物体和天体，显然这就是客观真理了。若想推翻，需要有一篇或多篇有分量、有说服力的论文，还要找到有力的、众多的相反证据。有关辐射力学的论文，大概有十几万字，谁都不能三言两语就否定了，这样的做法就不是科学了。
1.当电磁粒子在空气中运动时，主要表现为穿透与吸收
空气主要成分是氮，占78%；其次为氧，占21%，两种气体相加为99%，其余是微量气体。氮的原子序数为7，氧为8，这意味着外围有7个与8个电子，它们围绕着原子核运动，就像一团乱麻，呈团状，相对比较稀疏，部分电磁粒子被电子屏障反射，部分电磁粒子穿透电子屏障，其中有的击中原子核被没收，有的从原子核穿过去。此外还有偏射的，即靠近外围电子时，正好对正的反射出去，略偏的在斥力作用下偏射出去或偏射进来。
绝大部分电磁粒子是穿透，其次为被吸收。因为，假如原子像足球场那么大，原子核就像乒乓球那么大，外围有七、八个电子挡不住多少，原子核也捕捉不了多少，穿透是主流。但是，空气中有无数个氮原子与氧原子，过得了一关过不了两关、三关、四关、五关……，最终还是能把所有电磁粒子吸收进原子核。因此，光在空气中的传播距离是有限的，电磁粒子也同样如此。
电磁粒子能传播多远不好说，因为受发射功率的影响，也受接收设备灵敏度的影响。视距微波传输，一般50公里要有一个接力站，一方面是受地球曲率的影响，另一方面是受微波衰减的影响。
理论上，可以通过地球同步卫星传播微波信号，但要穿过500公里厚的大气层，探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。这样，要求发射功率比较大，接收设备也比较灵敏。手机微波传输信号，或者只单向传播，由发射设备传到手机，能不能利用地球同步卫星，那就得看技术了。如果能让微波穿透大气层，把微波发射站设在月球上也是可以的，当然还得有地球同步卫星才能覆盖地球表面。
2.当电磁粒子遇到金属时，主要表现为反射
这是因为，金属原子序数比较大，通常都在20以上，这意味着原子外围有20个以上电子，这些电子像一团乱麻包裹原子核，差不多是刀枪不入，水泼不进了，电磁粒子难以进入，只能反射或偏射，这种偏射往往是外偏，即从原子外偏射出去。当然，也不是绝对进不去，发生内偏就进入原子内部了，只要进去得少就忽略不计了。有些金属原子序数是很小的，如锂为3，铍为4，这些金属反光不强，还有一部分电磁粒子被原子核吸收了，所以呈灰暗色。另外，也与金属密度有关，密度既与原子序数有关，也与原子之间的结合方式有关。初步结论：原子序数为12及以上的金属，反射率比较高，可以看到明显的金属光泽。
3.当电磁粒子遇到水时，主要表现为穿透与吸收
从光子遇水的表现可知，具有一定穿透力，若水较厚最终还是被吸收。微波也是如此，若对水没有穿透力，在空气中就很难传播，空气中总是含有水，尤其在下雨时和潮湿天气时含水更多。为什么遇水是穿透与吸收呢？水的分子式是H2O，两个氢一个氧，氢的原子序数是1，氧是8，外围电子不足以拦阻电磁粒子，有比较多的电磁粒子进入原子内部，并被原子核吸收。当然，也有被反射的，也有穿透的。当电磁粒子击中原子核并被吸收时，会产生颤动，也就是原子的来回震动，于是产生热量，这是微波炉加热原理，水或含水食物容易被加热。
初步结论：原子序数为11及以下的元素，微波穿透力和吸收率较高，能穿透外围电子屏障，这样才有机会被原子核吸收。
4.当电磁粒子遇到玻璃时，主要表现为穿透
玻璃常见分子式是Na2SiO3，三种元素的原子序数分别是11、14、8，其中Si是14，具有反射作用，不过只有1个原子，其余两种可穿透元素共有5个原子，尤其氧原子最多，有利于电磁粒子穿透。当然，也有反射和吸收，电磁粒子没有无限的穿力。所以玻璃碗碟可以放入微波炉中，买微波炉时配的碗碟多是玻璃的。
5.当电磁粒子遇到瓷器时，主要表现为穿透
瓷器成分比较复杂，共由四种材料共同组成：
①瓷石：分子式KNaO·3Al2O3·6SiO2·2H2O，各种元素序数为19、11、8、13、8、14、8、1、8，有三种原子是反射的，四种是可穿透的，一种是可穿透和可吸收的。最多还是氧原子，共有26个氧原子，因而整体表现为可穿透，也有反射和吸收。
②高岭土：分子式Al2O3·2SiO2·2H2O，各种元素序数为13、8、14、8、1、8，有两种原子是反射的，三种原子是穿透的，一种原子是吸收的，最多还是氧原子，共有9个氧原子，因而整体表现为可穿透，也有反射和吸收。
③石英石：分子式SiO2，两种元素序数为14、8，一种反射，一种穿透，还是氧原子多于硅原子，数量是二比一，总体表现为可穿透，也有反射和吸收。
④莫来石：分子式3Al2O3·2SiO2或2Al2O3·SiO2，各种元素序数为13、8、14、8，两种反射，两种穿透，还是可穿透的氧原子最多，铝、硅原子较少，总体表现为穿透，也有吸收和反射。
总的来看，瓷器总体可穿透，也有反射和吸收。对微波和光线都是这样，但穿透力不如玻璃，所以微波炉最好用玻璃碗碟，这样效率更高，也更节能。过去一直被告诫不能把金属放入微波炉，现在明白道理了，主要是反射微波，降低功能，增加耗电。若加热时间较长，金属表面的电子会被斥离，形成自由电子聚集，这样就有危险了。静电多了会放电，靠近电线阳极会跳火，即电子从空中飞过去进入电线，烧毁电器，甚至引起火灾。
6.当电磁粒子遇到塑料时，主要表现为穿透与吸收
塑料是高分子，分子式比较复杂，也有很多种，但基本元素是C、H、O、Ci、S、N，原子序数为6、1、8、17、16、7，最多的是可穿透元素，也有反射和吸收元素，总体表现为穿透和吸收。
7.当电磁粒子遇到蛋白质时，主要表现为穿透与吸收
表现与水一样，鸡蛋清是蛋白质，光具有一定穿透力，然后才被吸收。蛋白质主要元素是C 、O、H、 N ，原子序数为6、8、1、7，含量分别的50%，23%，7%，16%，剩下4%是微量物质。总体表现为可穿透，也有吸收。所以微波炉能加热蛋白质，不过肉类、鱼类中的蛋白质也含有水，也是能被加热的原因。
若把鸡蛋清煎熟了，结构就不同了，光的穿透力就不那么强了，微波应该能穿透，穿透力是否弱化要做实验才知。电磁粒子的穿透力，与原子序数、物质结构和物质密度有关。物质结构包括原子结构、分子结构和颗粒结构。比如，一堆面粉，存在原子结构、分子结构和颗粒结构，电磁粒子遇到面粉表现就比较复杂了，但万变不离其宗，还是发生穿透、反射、偏射和吸收。
因此，分析微波受阻的表现，也不能完全以原子序数为准，有些物质结构是可变的，即一种物质有两种或多种结构。如金刚石与石墨本质都是碳，但结构完全不同，看起来就是两种物质，电磁粒子遇到这两种东西表现有很大不同，光线在在两种物质的阻碍下表现就很不同，相信微波也是如此。不过，同一种物质有两种或多种结构的，还是不太多。常见的只是温度变化后在固态、液态和气态之间转化，这也能引起电磁粒子产生不同表现。
气体是松散结构，电磁粒子容易穿透；固体、液体为紧密结构时，电磁粒子也容易穿透，当固体为松散结构时就不容易穿透了，比如把玻璃敲碎，形成一堆玻璃碴，电磁粒子就不容易穿透了。主要是形成各种入射角、反射面、偏射面，电磁粒子要不断变换介质，在空气与玻璃之间转换，忽快忽慢，忽长波忽短波，忽高频忽低频，这就受到了额外的阻碍了。
在设备材料的选择上，若微波需要反射，用原子序数较大的金属；若微波需要穿透，用原子序数3-10的元素；若微波需要吸收，用含氢较多、密度较大的材料，或用原子序数高于氢、低于氖的元素。
利用微波通信，往往会遇到天气变化，如下雨、下雪、下冰雹，还有温度变化和湿度变化，这意味着空气介质不断发生变化。若影响到信息的传播，可以调整波长与频率，通常长波与低频穿透力较大。微波信号发射器要能发射各种波长与频率的微波，调到最佳效果的波长与频率，这样就能解决问题了。若效果不好，也可以增强讯号，比如加大发射功率或进行微波接力。还可以尝试一下界外波段，即微波两端之外的波段，也许会有意外惊喜。当然，让接收设备灵敏些，也是解决问题的方式。
2019年2月1日
