孙英睿
中国科学院大学 2021 级硕士研究生
培养单位：中科院物理所
前些日子，有一位朋友问我：“听说微波炉不会泄露辐射，那怎么手机放微波炉里还有信号？”一瞬间，我茫然了。姑且不说手机究竟会不会有信号，只是手机为什么会出现在微波炉里？
不过，看着他真心发问的眼神，我决定用一篇推 (shuǐ) 送 (wén) 来回答这个问题。按照理论，微波炉的金属外壳和炉门的屏蔽网会把微波屏蔽在炉腔里面，不会泄露。这样一来，用微波做信号的手机就会“与世隔绝”。不过作为一个实验物理人，回答问题的第一步就是要把自己的手机扔进实验室的微波炉。上一个在封闭箱子里面进行的如此离谱的实验，还是薛定谔那只既生又死的猫…… 我的手机约等于薛定谔的猫，嗯，我就是薛定谔没啥问题吧（手动狗头）。
我邀请了上海和北京的两个朋友对微波炉里的手机进行夺命连环 call。第一次，上海朋友的电话打通了，但接通之前占线了很久；不过，打开微波炉门之前 4G 网络并没有弹出微信消息。占线究竟是物理距离太远还是微波炉屏蔽效果好呢？我们继续了实验。接着，北京朋友打来的电话没能拨通，但 5G 网络下收到了微信消息…… 直到这里，我依旧把收到的信号当做实验误差，“微波炉没法屏蔽手机信号”的说法怕不是假的吧？但是接下来的实验着实打了我的脸。上海的第二次电话以正常速度接通；北京第二次电话接通；北京第三次电话也接通，甚至朋友在微信上特别强调“接通得很快”—— 嗯，4G 信号收到的微信…… 接着，4G 和 5G 网络下也都收到了上海的微信。看起来，最开始的几次没能正常接通的电话才是实验误差，微波炉的屏蔽门确实不能屏蔽手机信号。难道是课本上的理论出了错？还是说微波炉其实是我们身边的辐射恶魔？
辐射到底是个啥
故事要从辐射开始讲起。
辐射虽然听起来吓人，但着实不是什么稀奇的东西。辐射只是各种各样的电磁波和粒子流的总称。核反应放出的 α 射线和 β 射线固然是一种辐射，但阳光、彩虹（和小白马）也都是辐射，豆浆、油条、茶叶蛋都是辐射源，所有的电磁波 —— 从 X 射线、紫外线、可见光，到红外线、微波乃至广播台的无线电 —— 也都是辐射。辐射可以大致分成两类：对人有害、尽量少碰的电离辐射，和相对无害、注意即可的非电离辐射。电离与非电离辐射的区别在于能否让原子电离，变成原子核（或者原子实）和自由电子。下面这幅图展示了各种电磁波（也就是电磁辐射）的电离能力，红色竖线右侧的都是非电离辐射。
电磁波谱 [1]
电离辐射携带的能量很高，可以将原子中安分守己的电子电离，破坏 DNA 更是轻松。所幸，我们在日常生活中并不会随随便便接触到它。毕竟，它在斗大的三角警告牌下面
在铅屏蔽门后面
被挡得严严实实，根本逃不出来。
相比于电离辐射直接碳挡杀碳氧挡杀氧的强悍本领，非电离辐射要温和得多，它只会改变分子和原子的运动能量，对人的影响主要体现在热效应上。换句话说，面对非电离辐射的时候，只要不觉得灼烫，就问题不大。
微波炉：从磁控管到屏蔽门
市面上常见的微波炉结构并不复杂，硬件上主要包括磁控管、导波管、腔体和炉门。老式微波炉会有一个回转扇，用来将微波均匀地散射到炉腔里。现代微波炉用更集约化的元件实现了相应的功能。炉腔里的微波一部分直接射到食物上，另一部分碰到炉壁再一次反射，最后大多数微波能量都被食物吸收，食物因此升温。
微波炉所用的微波，其实就是一种电磁波，常见的频率是 2450MHz。虽然电磁波是电场与磁场互相激励向前波动，但在电磁波与物质的相互作用（加热食物）中起主要作用的还是电场。电场的大小（或方向）随着时间不断变化，如果在微波的传播路径上放一个电荷，那么它就会随着电场的变化往复运动 —— 随着电磁波的频率振荡。这样，随着电荷被胁迫着不断振动，能量就从电磁场中转移到了电荷上。
在微波炉的具体应用中，微波通过迫使食物中的水分子不断振动，将能量传给其他食物分子，从而加热整个食物。水分子虽然整体不带电，但它拐了一个角，使得正电中心和负电中心不再重合。这就形成了物理学中的电偶极子。有了它，电场就可以像拧瓶盖一样让水分子转动起来获得更多的能量。水分子的这种特殊构型，让我们能够用微波炉方便地加热食物。让我们说：谢谢水分子！
在回转扇散射的电磁波中，有相当一部分会打到微波炉门上，这时候玻璃门内的金属网夹层就会发挥作用。这些金属网的网眼直径只有几毫米，但微波的波长却足足有，相比网眼实在太大了。微波遇到这样细密的网眼，无法直接透过，甚至连衍射效应都变得很微弱。它就像卡在栅栏里的修狗，面对的与其说是有洞的网，不如说是一块铁板。
不过，电磁波终究不是傻狗，即使是面对“铁板”，电磁波也拿捏住了自己的独特气质。
电磁波在与物质发生相互作用时，会在物质表面发生反射和透射 —— 透射波的传播方向与原本的入射波不同，在光学里被称作折射。反射角 θ’ 等于入射角 θ，而折射角 θ’ 小于 θ，这是初中学习的光学知识，对于一般的电磁波也都适用。
不同频率的电磁波，在遇到不同的介质的时候，反射与透射的能量分布也不同。有的透射率比较高，就显得“透明”；有的反射率比较高，就像镜子一样光亮。绝大多数金属，当它们遇到电场的时候，都会在表面感应出一层电荷，把电场排斥在体外 —— 这是高中静电屏蔽的内容 —— 面对不断变化的电磁波时，电荷的响应不会那么及时，但也能使电磁波仅仅进入金属一点点厚度，而绝大多数的能量都在金属表面被反射。
通过一些并不复杂（但只有到了考试前夜才能记得住）的推导，我们可以算出来微波炉使用的 2450MHz 电磁波对铜板的反射率，也就是说，如果把微波炉屏蔽门看成完整的金属板，那么几乎所有照射在屏蔽门上的微波能量都被反射回了炉腔，只有大约万分之四穿过了屏蔽门的阻隔。即使是这万分之四，理论上也有一部分被屏蔽门本身吸收。真正能够来到微波炉外面对人体产生影响的能量会更少。只不过，在日常生活中我们不太能观察到微波炉门发热，就先姑且忽略掉这些被吸收的能量。
按照上面的计算，日常家用的功率不到一千瓦的微波炉，理论上最多也就只有不到 0.5 瓦的辐射会泄露。一个常见的 23L 微波炉表面积大约—— 算下来，泄露的功率密度不到，只是国家标准规定的微波炉辐射泄露上限的 1%[7]。
那么，国家标准规定的这个泄露辐射值，对人体有没有危害呢？人体对非电离辐射的承受能力主要取决于热效应。当全身都被照射时，每千克体重可以承受四瓦的辐射；而当只有一小块皮肤暴露在非电离辐射中时，由于血液循环会带走很大一部分热量，因此这一小块组织的辐射承受能力上限是每千克体重 100 瓦 [8]。因此，即使是 10g 皮肤组织，也可以承受 1 瓦的微波辐射，这些皮肤大概能覆盖的面积 —— 按国标上限计算，它们只会受到合格微波炉总共 0.1 瓦的辐射。所以说，微波炉理论辐射值远小于国标上限，国标又远在人体承受范围之内。即使生产厂家稍微“偷工减料”，把我们理论计算用的铁板换成了金属网，只要它们的产品还能正常出（zhuàn）厂 (qián)，也依旧不会对人体安全造成什么影响。
手机：没啥辐射的辐射源
让我们暂且偏个题，去看一下台式电脑的背板。五花八门的插口中，三孔插头是电源线，它负责供给电能，点亮主机。其他的 USB 和 HDMI 接口则与键盘鼠标显示器连接，来传输信号。—— 电流携带的，可以是能量，也可以是信息。电磁波也是一样。微波炉使用的电磁波是“一力降十会”，挟着分子把它们加速变热；手机信号则是“四两拨千斤”，依靠波形的变化传递信息。
与手机相关的辐射分为两种：手机接收的信号强度和手机发射的发射功率。我们手机中使用的通信协议规定了不同信号强度下手机的发射功率。信号越弱，手机与基站的联系就越弱，因此手机的发射功率就会越大。信号强度反应在手机顶端菜单栏，就是我们平常说的“信号有几格”。更精细地说，信号强度的单位是 dBm，计算公式是。如果手机接收到基站 1mW 的辐射，那么信号强度就是 0dBm；如果收到 1W 辐射，信号强度就是 30dBm。
在城市中，移动信号的基准强度是-90dBm，也就是手机从基站接收到辐射就算合格。即使再低一些，也能大体保证通话质量 [10]。这时手机发射的辐射强度是—— 而这也就是手机能够发射的强度上限了，所以手机真的还挺安全的。
在能保证日常通话质量的情况下，手机的信号强度波动范围可以很大。我的手机在不太长的时间里就经历了最高-61dBm、最低-125dBm 的信号波动 —— 换算成功率，这是一百万倍的差距。假如你是一只手机，正吃着火锅唱着歌，舒舒服服地在-60dBm 通着话，突然就掉到了-100dBm 乃至-110dBm，那该怎么办呢？环境不让你体面，那就自己给自己体面。拉满功率辛苦一下，聊聊微信还是没问题的。
微波炉里的手机究竟为什么能接电话？
说了这么多，我们终于可以回答最开始的问题。关在微波炉里的手机之所以能收到信号，不是因为微波炉泄漏辐射，而是因为手机“过于灵敏”。尽管微波炉屏蔽掉了绝大多数的辐射，只留下了万分之几的功率，但手机可以正常通话的信号范围，本身就跨越了五到六个量级。在炉门外，手机可以很顺畅地通话；在炉门内，虽然信号很弱，但手机还是应付得来。在日常生活中，只要我们正常地使用合格电器，而不把脑袋塞到微波炉里叮一下或者把 X 光当美颜相机拍，就真的不用担心辐射对身体造成危害。
参考资料：
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[1] 如何正确的区分电磁辐射与电离辐射，长期的电磁辐射能否影响人正常的身体健康？
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[2] 有哪些关于微波炉的科学知识？
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[3] 如何建立电磁波的传播模型？
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[4] Springer Material
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[5] 柴犬
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[6] 郭硕鸿.电动力学（第三版）.高等教育出版社
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[7] GB4706.90/2014
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[8] 无线电波，风险与监管
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[9] 搞清楚基站和手机的辐射到底有多大？
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[10] 手机信号强度是指什么？
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：藏痴