一、波及其分类
（1）波的描述
波或波动是扰动或物理信息在空间上传播的一种物理现象。扰动的形式是任意的。波的传播速度总是有限的。除了电磁波和引力波能够在真空中传播外，大部分波只能在介质中传播。
（2）波的分类
（A）按波振动的次数划分
脉波：脉波的波源只对介质作一短暂的扰动。波通过介质时，介质中的质点在短暂振动后，随即静止于原位臵。
周期波：周期波的波源对介质作连续有规律的振动。
（B）按波振动的方向（在均匀、无向性的介质中传播时）：属于机械波下的基本分类。
纵波：介质的振动方向与波的传播方向相同，如声波、地震波中的S波等；
横波：介质的振动方向与波的传播方向垂直，如电磁波、地震波中的P波等。
（C）按波传递时是否需要介质
机械波：机械振动在介质中的传播。机械波的传播需要特定的介质，在真空中根本不能传播。如水波、声波、地震波等。
电磁波：电磁波是电磁场的一种运动形态。
二、“纠缠不清”的电与磁
电与磁可说是一体两面：变动的电（场）产生磁（场），变动的磁（场）产生电（场）。变化的电场与变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场！而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以，电磁波是电磁场的一种运动形态。
电磁波又称电磁辐射。
电磁波的本质定义
电磁波（又称电磁辐射），是由同向振荡且相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场和磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。
电磁波的产生
电磁场变化时才会产生电磁波。
发射电磁波（电磁辐射）的条件
不需要条件。（1）从温度的角度看：只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体，一言以蔽之，世界万物每时每刻都在发射电磁辐射（电磁波），且温度越高，放出的电磁波波长就越短；（2）从能量的角度看：电磁波是能量的一种，凡是能够释放出能量的物体，都会释放电磁波。
“看不见”的电磁波
正如人们一直生活在空气中却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波（并非完全看不见，可见光还是能看见的）。因而，对人类而言，电磁波是“透明的”。
电磁波的能量传递
电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率较高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。
电磁波的几个概念
频率（f）
单位时间内质点振动的次数。符号f，国际单位赫兹(Hz)。
周期（T）
质点完成一次全振动所用的时间。符号T，单位秒。从定义可见，频率与周期是天然的倒数关系，即f=1/T。
注意：频率与周期由振源决定！
波长（λ）
在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离（同相位且相邻的两个质点间的距离）。单位米，符号λ。振源振动一个周期，波向前传递一个波长。
频率（f）
单位时间内波形成完整波的个数（波完成全振动的个数）。
频移
电磁波在传播的过程中频率发生改变/偏移的现象，又叫多普勒效应（相对移动的波源和接收者是有频移的；固定的波源和固定的接收者，频率是不发生改变的）
波速（v）
定义：单位时间内波在传输介质中向外传播的距离。因经过一个周期T，波向前走了一个波长λ，所以有【定义式】：v=s/t=λ/T=λf；
【决定式】：v=c/n（c：光速，n：传输介质的折射率），波速与介质的折射率有关，所以由介质本身决定。
决定关系：
周期T、频率f由波源决定；波速由介质本身决定；波长λ由波速v和周期T共同决定。
Q1:电磁波的频率或波长存在极限吗？
【理论答案】：由波速的定义式和决定式可以得出，c/n=λf。在确定的传输介质上，等式左侧是个常量，右侧波长λ和频率f成反比，且彼此都没有额外限制，所以理论上频率f的取值范围为(0，+∞)，同理波长λ也是(0，+∞)；
【普朗克长度答案】如果考虑普朗克长度的话，电磁波是存在极限波长的，也就对应一个频率上限。如果考虑量子力学限制，就存在普朗克长度。普朗克长度表示我们宇宙中最小的有意义的长度，大约是1.610^-35米。理论上光子（电磁波可以看成许许多多的光子，每个光子对应于一个频率，频率越高，光子的能量越强，单位时间内电磁波携带的信息也越多，这也是5G网络比4G网络快的原因）的波长不能小于普朗克长度，那么对应的频率为：
ν=c/λ≈1.8810^43Hz；
此时光子的动质量为：
△m=hν/c2≈1.4*10-4克；
这个质量已经比以发现的所有基本粒子质量还高很多数量级，甚至比一粒灰尘的质量还高，难以稳定存在。
在2016年，欧洲大型强子对撞机制造出来750千兆电子伏特的超高能光子，对应频率为1.8*10^26Hz，与光子的理论极限还差了17个数量级；但是生成的超高能光子存在时间极短，然后衰变为其他粒子。
综上，理论上电磁波的频率（或波长）的取值范围是(0，+∞)，考虑量子力学限制时，它的上限量级为10^43Hz。
Q2：电磁波频率的控制——如何控制电磁波的频率（即如何发送指定频率的电磁波）？
电感的感抗RL=2πfL，电容的容抗Rc＝1/2πfC。T=2π√(LC)
电磁波的频率是由产生电磁波的振荡电路所决定的。
以LC振荡电路为例，这种电路产生的电磁波的周期是T=2π√(LC)，频率f=1/T。其中，L代表电感，单位：亨利（H），C代表电容，单位：法拉（F），振荡回路中的电感L、电容C是直接影响频率数值的物理量，改变L或改变C或同时改变LC都可以改变电磁波的频率，从操作方便可靠的角度考虑，多数是改变电容C来改变频率的。
控制电磁波的频率属于振荡器的知识范围。振荡器是利用有源器件(晶体管等)，配合电感电容等调谐元件，产生固定频率的电磁波。振荡电路中的电感电容决定了产生的电磁波的频率，如果电感和电容的值可调，则可通过其改变电磁波频率。这个操作过程叫做调谐。
Q3：电磁波频率是连续的，有确切的证实吗？
物理中电磁波的连续谱和数学中“连续性”的概念不一样，是相对于只有几条谱线的分立谱。而电磁波频率的测量，由于实验仪器的精度问题，有效数字是有限的，远远没到有理数与实数的程度。
这个问题和以下问题类似：人的运动速度是有理数还是实数，头发长度是有理数还是实数。一旦涉及到实际，由于探测精度的限制，无法精确给出结果。
顺便谈谈我对数学、物理的理解。数学是抽象的逻辑，而物理则贴近现实。通过数学的方法，可以总结实验现象，提出物理理论；而物理理论是否有效又需要实验检验。比如微积分的提出，就涉及到连续性的概念。而在物理的应用中，写成积分式的对象不一定是连续的。那为什么还能用呢？我觉得最重要的原因就是，数学对于物理来说是有效的，也就是能经受实验的检验。
Q4：电磁波频率与通信发展
电磁波频率越高，通信速率越快，反之，频率越低，通信速率越慢。
电磁波谱
在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、光波（红外线、可见光、紫外线）、X射线、γ射线都是电磁波。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们将这些电磁波按照它们的波长或频率、波数、能量的大小顺序进行排列，这就是电磁波谱。（所以会存在几种类型的电磁波谱！！！）
电磁波的三种基本分类
（1）按波长的长短、频率以及波源的不同：系统划分
电磁波谱可大致分为：工频电磁波、无限电波、微波、光波（红外线、可见光、紫外线）、X射线、γ伽马射线、α射线、β射线，以无线电波的波长最长，宇宙射线的波长最短。另外激光也属于电磁波。
无线电波
波长从3000米到10^-3米，一般的电视广播和无线电广播、手机等的波段就是用这种波；
微波
波长从1米到0.1厘米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；
红外线
波长从10-3米到7.8×10-7米，红外线的热效应特别显著；
可见光
这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。可见光的波长范围很窄，大约在（7.8～3.8）x10^-7米（即780纳米～380纳米）。
紫外线
波长比可见光短的光波称为紫外线，它的波长从(380～10)×10^-9米，它有显著的化学效应和荧光效应。这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；
红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测。无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的。一方面由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝长波长的方向扩展。日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠；
伦琴射线
又叫X射线，由x光机产生的高能电磁波。这部分电磁波谱，波长从（10～0.01）×10^-9米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展。在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ射线领域。穿透力不及γ射线，但有危险，应该屏蔽（几mm的铅板）。
γ射线（伽马射线）
是波长从10-10～10-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。危险性大，必须屏蔽（几cm的铅板或几米厚的混凝土墙）。
α射线
原子核射线之一，也称为“甲种射线”。是放射性物质所放出的α粒子流。从α粒子的质量和电荷的测定，确定α粒子就是氦的原子核。
β射线
原子核射线之一，由放射性同位素（如32P、35S等）衰变时放出来带负电荷的粒子。在空气中射程短，穿透力弱。在生物体内的电离作用较γ射线、x射线强。
激光：原子受激辐射的光。波长较长，能量较低。原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源，激光的单色性好，亮度高，方向性好。
受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，。这种辐射过程称为自发辐射。
受激辐射：即处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。
Q：爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？
主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
激光
（2）按频率分类（从低到高）：形成频谱。
（极低频、超低频、特低频、甚低频）、（低频、中频、高频）、（甚高频、特高频、超高频、极高频）、（红外线、可见光、紫外线）、（X射线、γ射线、α射线、β射线）。
极低频：3～30Hz，美军及俄罗斯军方用作核潜艇沟通。
超低频：30～300Hz，美国Saguine系统：76Hz；俄ZEVS系统：82Hz；工频：50Hz～60Hz，高压电力设备。
特低频：300～3000Hz，勘探地质和地震用。
甚低频：3kHz～30kHz，用于雪崩时的人命及财产搜索。
低频：30kHz～300kHz，多用作卫星导航系统（差分全球定位系统）、国际广播及AM广播等。
中频：300kHz～3000kHz，多用作AM电台。
高频：3MHz～30MHz，多用作民用电台广播及短波广播。
甚高频：30MHz～300MHz，调频广播，电台及电视台广播、航空和航海的沟通频道。
特高频：300MHz～3000MHz，很适合移动通信。CDMA通信：825～880MHz；GSM移动通信基站：900～1800MHz；家用微波炉：2450MHz；电视：471～566MHz、607～958MHz；无线网络2.4GHz，蓝牙：2.45GHz
超高频：3GHz～30GHz，IEEE 802.11a标准。无线网络、CDMA、雷达、无线USB传输；微博装置
极高频：30GHz～300GHz，主要应用于气象雷达，空间通信、射电天文等方面。
注意：大气层对于大部分的电磁波辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其它如无线电通讯波段等例外。
红外线：300GHz～400THz，通讯、医疗、探测、军事等应用。
可见光：400THz～750THz
紫外线：750THz～1500THz，蜂蜜在内的一些昆虫可以看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助；能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等。
X射线：1.5PHz～500PHz，可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光。
γ射线：300EHz～3000ETHz，可以杀死癌细胞，用作医疗之用，“伽马手术刀”。
α射线：未给出。
β射线：未给出。
声波的划分：
次声波：频率低于20Hz的声波；
可听波：20Hz～20kHz的声波（人耳能听到的声波）；
超声波：20kHz～1GHz的声波；
特声波/微波超声：频率高于1GHz的声波
（3）按波长分类（从小到大）：
可见光的波长在780nm~380nm之间，波长更短的光依次为紫外线、X射线、γ射线；γ射线指波长短于0.001nm的光子，其穿透力极强，对人体细胞有着非常高的杀伤力。
什么是光？
光是一种肉眼可以看见（接受）的电磁波。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。
光源
光源主要可以分为三类：
第一类是热效应产生的光。太阳光就是很好的例子，因为周围环境比太阳温度低，为了达到热平衡，太阳会一直以电磁波的形式释放能量，直到周围的温度和它一样。
第二类是原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。
第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。譬如，同步加速器（synchrotron）工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。
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