作者：李效东

本文的第一集已经提到对流层内地面的温度最高，其原因是地面产

生了大量的红外线。因此对流层内的热量是从下往上传播并逐渐减

弱。登珠峰的人都会选择盛夏，但都知道在高海拔处一定要提防冻

伤。

但是，太阳一出暖洋洋，这是任何人也无法否认的事实。看起来热

量似乎是从上往下。孰是孰非？

我国北方冬天的气温很低。但常见老人们坐在晴朗的阳光下悠闲地

抽烟聊天。他们决不会移到几步之遥的树荫下去，因为他们知道一

旦离开直晒的阳光就会冷得发抖。细心的人会发现（也能想象到）

两处的气温几乎完全相同！只有贴着地面的温度有微小差别。看来

气温的确不能当作衡量冷热感觉的唯一标准。

经验告诉我们，夏天骄阳下地表温度要明显高于气温，不同的地面

（草坪、沙土、水泥、柏油等）有不同的温差。我不打算解释，因

为看完下面的内容后原因自明。

其实，这个现象是地面阳光中波长nm以上的紫外线（如上集图

3左侧的那段被大气层“吃剩”的射线）在起作用。前面已提到，紫

外线是不能直接发热的（不信您可摸一下紫外灯管）。原因是紫外线

的能量较高，它有更重要的任务，就是把分子（或原子）外层的电

子激发到更高的“能级”，而不屑于去干推动分子平移那样的轻松活

（电子虽然质量很轻，但因被原子核紧紧束缚，故要搬动电子远比

移动一个分子费力），当然就不负责温度了。

是这样吗？依据何在？能级是什么？

“有一份热，发一份光”是励志口号。但将“光”扩大为电磁波，

就是一条颠簸不破的科学规律。

但是，电磁波却不一定发热，至少不会直接发热。

“热”作为能量必须通过物质传播（见上集）；而电磁波可脱离任何

物质在真空传播。太阳是一个巨大的电磁波源，当我们离开地球迎

着太阳飞行时，发现太空既不亮，也不热，连开启手电筒也没光柱。

所以，电磁波必须要与物质，准确地说是电子（还有更深层次的原

子核等），结合才能真正发挥作用，因为电子是一种另类的波―物质

波（参见波粒二象性的物理知识）。

图4显示了不同频率（与强度无关）电磁波的大致分工（为使读者

方便阅读，纵坐标分别标明了波长、频率和能量的对应关系）。从图

中可以看出，电磁波的频率越高（或波长越小，或能量越大），对电

子的扰动程度越大。γ射线、X射线能把电子踢出原子；紫外线使

原子能级跃迁、分子解体、分子能级跃迁；可见光作用于很弱的分

子能级跃迁；红外线导致分子的振动；远红外附近很宽的波段能促

进原子或分子整体的平移（因而改变温度）；微波负责小分子的转动；

波长10-m的无线电波短波段（位于图4的最下方，未标出）则

只能影响到不受原子核约束的自由电子，因此能被电离层所反射。

除了优先完成以上任务之外，电磁波的散射也是一个重要现象。因

为高频电磁波对电子的扰动大，反作用力也大，因而更容易被气体

分子散射（瑞利散射强度正比于λ-4）。可见光中频率最高的紫、蓝

光最易被分子散射，因蓝光更接近光谱峰值，故天空及海洋呈现蓝

色。散射最小的红光却成为最醒目的交通信号和雾灯。

同样原因，高频电磁波通过扰动电子，在原子密集，电子交错的固

体和凝聚体内最可能“杀出一条血路”，表现出较强的穿透力。

总而言之，电磁波的频率，而不是强度，决定了它的任务。医院的

X-光机功率不大，但功能独特，全城照明灯泡加起来也无法看到人

体内部的细节。

当一束自然的电磁波照射物体时，各种频率的波分别按图4的分工

干自己的活。高频波对电子的影响比低频波大很多，就像伤筋动骨

与隔靴搔痒的区别，所以总是显得高频波首先被消耗。

显然，电磁波看起来是一种能量（这涉及到“能量”的科学定义，

但在此暂不加区别）。早期的物理学家经过激烈的思想斗争，终于认

识到固定频率的电磁波的能量不是连续的，而是一份一份的。每一

份能量E等于光的频率ν与一个常数（普朗克常数h）的乘积，如式

（2）表示（如能量以mol为单位则需再乘上阿伏伽德罗常数）。

E=hν（2）

这就是“量子”的由来。这有点像以前农妇拎个瓶子去小贩处买香

油，多少随便（传统理论）；而现在超市只卖整瓶，决不拆零（量子

理论）。

无独有偶，玻尔等早期的科学家发现电磁波与原子中的电子关系密

切，如影随形。同时还发现原子中电子运动需要的能量也是量子化

的。不连续的能量被称为“能级”。电子的能级可以粗略地理解为楼

层（您可以住3楼或4楼，但不能住3.4楼），但这个“楼层”有点

复杂。每种原子的光谱图，即能级图，可作为辨识原子的“