微波對(duì)人眼的危害及其防護(hù)的物理分析*

劉淑娥

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116)

在大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)中有關(guān)于微波技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，筆者在最近的幾年內(nèi)每一學(xué)期都接觸到這類實(shí)驗(yàn)，而且由于實(shí)驗(yàn)室儀器少，每學(xué)期要上20～30課時(shí)的微波實(shí)驗(yàn)．盡管在做實(shí)驗(yàn)前也聽說(shuō)微波對(duì)人體有一定的危害，但是由于缺乏這方面的相關(guān)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中一直沒有進(jìn)行個(gè)人防護(hù)．接觸微波實(shí)驗(yàn)3年左右發(fā)現(xiàn)自己的眼睛看東西有點(diǎn)模糊，并且經(jīng)常出現(xiàn)干澀．由于排除了其他因素，筆者很想知道眼睛出現(xiàn)的問題和微波實(shí)驗(yàn)的關(guān)系．如果能從理論上得到微波對(duì)眼睛傷害的機(jī)理，在以后的實(shí)驗(yàn)中就可以做到防范于未然，對(duì)同行也是一種保護(hù)和關(guān)愛．

最近筆者查閱資料，發(fā)現(xiàn)最早報(bào)道微波對(duì)眼睛傷害的是1952年Hirsh的報(bào)告，一名32歲的雷達(dá)技術(shù)員無(wú)防護(hù)地在1 500 MHz～3 000 MHz，功率密度100 mW/cm2微波輻射的條件下工作1年以后發(fā)現(xiàn)雙眼患有白內(nèi)障[1]．有很多資料提到微波對(duì)眼睛的傷害[1～3]，但是至今沒有看到微波對(duì)眼睛的危害的深入研究．

1 微波

微波(Microwave)一般指波長(zhǎng)為1 m～1 mm

(相當(dāng)于頻率從300 MHz到300 GHz)范圍的電磁波[2]．微波與生物體相互作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，稱為微波生物效應(yīng)．以溫度為判據(jù)，可以把它分為微波生物熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)．生物體吸收了微波的能量后，體溫升高，從而使生物體的各種生物功能產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱為微波生物熱效應(yīng)；在微波輻射的作用下，生物體內(nèi)的溫度保持不變(或沒有明顯的溫升)，卻可以產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)，使生物體內(nèi)發(fā)生各種生理、生化和功能的變化，這種現(xiàn)象稱為微波的非熱效應(yīng)[4]．

2 人眼睛的結(jié)構(gòu)

人眼的直徑大約24 mm，從眼前到眼底可分為角膜、水樣液、虹膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、色素上皮、脈絡(luò)膜和鞏膜幾個(gè)部分[5]，可見光由角膜進(jìn)入眼睛，強(qiáng)度幾乎不變地通過水樣液等透明層到達(dá)視網(wǎng)膜，觸發(fā)光化過程，引起神經(jīng)沖動(dòng)，導(dǎo)致視覺．微波的脈沖連續(xù)照射人的眼睛，會(huì)對(duì)人的眼睛造成一定影響．

3 人眼睛的光學(xué)原理

3.1 反射

光射到人眼角膜時(shí)，一部分將被反射，折射進(jìn)入角膜的一部分將被吸收和散射．已知正入射光由空氣進(jìn)入角膜，入射角在0°～40°時(shí)反射比約為2%，只有入射角大到80°時(shí)，反射比才很大．由于角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體折射率差不多，它們之間界面的反射比很小．眼底的反射比一般小于5%，而且淚層有消反作用，所以，反射在眼睛光學(xué)中不重要，對(duì)于微波同樣如此[3]．

3.2 折射

通常把人眼看作是一塊凸透鏡，物光通過此透鏡后，于視網(wǎng)膜成清晰像．實(shí)際上，折射發(fā)生在4個(gè)球面組成的角膜和晶狀體上，若已知眼球各個(gè)部分的尺寸和折射率，就可以根據(jù)物像關(guān)系計(jì)算出其折光度．角膜是凸透鏡，其折光度為+41.33；晶狀體可以作為雙透鏡，折光度為 +16. 28．整個(gè)眼的折光度為+57.81．由此可見折光主要發(fā)生在角膜[3]．

3.3 吸收

眼睛各部分的吸收主要和波長(zhǎng)有關(guān)：眼睛光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于0.4～1.4 μm波段的可見光及近紅外光輻射透過率較高,特別是在可見光波段范圍內(nèi)透過率達(dá)到95%以上[6]，即入射光輻射絕大部分可透過眼睛光學(xué)系統(tǒng)聚焦在視網(wǎng)膜上，因此這一波段的光輻射主要損傷視網(wǎng)膜，對(duì)于0.4～1.4μm波段范圍之外的微波，眼睛光學(xué)系統(tǒng)透過率較低，入射光輻射大部分不能通過眼睛光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到視網(wǎng)膜，所以一般不至于損傷視網(wǎng)膜[7]．眼底前諸介質(zhì)沒有吸收，微波主要由角膜吸收，其主要吸收體可能是尿苷酸或DNA．

3.4 散射

1957年據(jù)Maurice的分析：若每一膠原纖維獨(dú)立工作，將散射入射光的90%，角膜將是不透明的．他得出組織透明的條件是：纖維平行、一樣粗，并構(gòu)成有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)．1967年Benedak研究認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則性在理論上不是必要條件，實(shí)際上鯊魚角膜中的鮑曼氏膜中的膠原纖維的分布是全然無(wú)規(guī)則的，鯊魚的眼是透明的．Benedak認(rèn)為人眼諸膠原蛋白纖維的間距短于可見光的波長(zhǎng)，從而使相鄰纖維散射光的相位密切相關(guān)，這會(huì)很大程度上減弱散射光強(qiáng)，所以正常人眼是透明的[3]．對(duì)于微波來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)比可見光波長(zhǎng)大，所以微波波長(zhǎng)與人眼諸膠原蛋白纖維的間距相比要大的多，微波在此期間傳播可認(rèn)為是透明的．

總結(jié)以上人眼的光學(xué)，可知微波從眼前到眼底經(jīng)過角膜、水樣液、虹膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、色素上皮、脈絡(luò)膜和鞏膜傳播的過程中，對(duì)眼睛的主要作用是眼睛對(duì)微波的吸收．

4 微波對(duì)眼睛的效應(yīng)

微波對(duì)眼睛的效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，既要考慮到微波的頻率，又要考慮微波在介質(zhì)分界面上的反射、折射及照射時(shí)間等．以下只是研究單一平面波對(duì)眼睛的輻射，另一方面只考慮垂直入射的情形，不考慮反射．下面以微波和常人的眼睛近距離輻射，用理論推導(dǎo)微波進(jìn)入眼睛的貫穿深度．

假設(shè)微波的電矢量E依賴于x和t，由E和x構(gòu)成的平面波可寫為[8]

(1)

E=E0exp(iωt-γx)

(2)

上式中E0是常量．

(3)

γ一般是復(fù)數(shù)，還可以寫成

γ=α+iβ

(4)

所以式(2)為

E=E0exp(-αx)·exp[i(ωt-βx)]

(5)

電場(chǎng)E=E0exp(iωt)在電介質(zhì)中引起的電流密度為

(6)

(7)

將此式代入式(3)得

(8)

和 |γ|2=α2+β2=

(9)

(10)

微波在生物組織中的貫穿深度可以定義為衰減常數(shù)的倒數(shù)，即

(11)

(12)

式(12)中的λ0是微波在空氣中的波長(zhǎng)，εr是電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)．若已知眼睛和微波頻率有關(guān)的相對(duì)介電常數(shù)εr和電導(dǎo)率σ，就可以求出微波在眼睛中的貫穿深度[9]．由于人眼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且損傷后不知道是否能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，至今也沒有這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．現(xiàn)在把眼睛看作一個(gè)高水容量生物組織，計(jì)算微波在眼睛里傳播時(shí)的貫穿深度．

表1 貫穿深度隨頻率的變化

由表1可以看出隨著頻率的增大，生物體組織的電導(dǎo)率增大，貫穿深度減?。搜凼呛枯^大的組織，貫穿深度可能比上表中頻率相對(duì)應(yīng)的貫穿深度還要稍小些．人眼的直徑大約24 mm，從上表可得出對(duì)小于10 GHz的微波，可以認(rèn)為人眼睛是一個(gè)曲面，大于10 GHz的微波可以認(rèn)為人眼睛是一個(gè)平面．大于10 GHz的微波幾乎是直線輻射的，它的波長(zhǎng)、強(qiáng)度決定了微波的被吸收、反射、折射、透射的情況．若被完全反射，則對(duì)眼睛無(wú)太大影響，只有當(dāng)微波輻射貫穿到眼睛并被吸收時(shí)，才產(chǎn)生生物效應(yīng)[10]．從式(12)可以看出貫穿深度與頻率有關(guān)，隨著頻率的增大，波長(zhǎng)變短，貫穿深度也減?。话銇?lái)說(shuō)，微波頻率在20 GHz～30 GHz以上，則被表皮吸收；1 GHz～3 GHz微波可被淺表層吸收；1 GHz以下的微波可貫穿到組織深層被吸收[11]，眼睛吸收微波并產(chǎn)生生物效應(yīng)，是微波對(duì)眼睛損傷的原因之一．

人眼睛在外電磁場(chǎng)的作用下，內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)．由于人眼各個(gè)組織均為有耗介質(zhì)，因此人眼電磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生電流，人眼就會(huì)吸收和耗散電磁能量．生物劑量學(xué)中常用SAR表征這一物理過程．SAR的意義為單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率，單位為W/kg．SAR可分為局部SAR和平均SAR．局部SAR可表示為

(13)

從輻射的效果來(lái)說(shuō)，處于微波場(chǎng)中的人眼睛，它有很好的微波吸收特性，可使溫度升高，把吸收的微波變成熱能．如果微波功率增加到一定的閾值，眼睛就會(huì)被損害．

另外，由于眼睛的生物非熱效應(yīng)的共振自適應(yīng)性[12]，在其自適應(yīng)能力范圍之內(nèi)，外界的影響能被眼睛的生物結(jié)構(gòu)控制，眼睛內(nèi)的細(xì)胞按原來(lái)的方式生存，若外界影響超過其自適應(yīng)能力的閾值時(shí)，破壞了生物膜的原有結(jié)構(gòu)，將使細(xì)胞失去原有的功能從而不能恢復(fù)[13,14]．高強(qiáng)度的微波輻射甚至可使人眼晶狀體蛋白質(zhì)凝固，輕者混濁，嚴(yán)重者可形成白內(nèi)障，還可能傷害角膜、虹膜和前房，導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫落，視力減退乃至完全喪失[15]．

第三，人眼睛各層的含水量不同，如水樣液和玻璃體的含水量都在99%以上，晶狀體的含水量是65%．微波在眼睛中行進(jìn)時(shí)，從角膜到水樣液是從含水量低的組織到含水量高的組織．行進(jìn)在水樣液的表面將發(fā)生反射，此時(shí)反射波與入射波反相，相互干涉而形成駐波，界面處的強(qiáng)度最?。畯乃畼右旱胶缒な菑暮扛叩慕M織到含水量低的組織，微波在界面也將發(fā)生反射，不過此時(shí)反射波和入射波同相，界面處的強(qiáng)度最大．駐波的形成可能是對(duì)眼睛損傷的另一個(gè)原因．

由以上的理論分析可知，在教學(xué)中使用微波儀器或使用與微波有關(guān)的家用電器時(shí)，微波對(duì)眼睛的危害不容忽視，要加強(qiáng)防護(hù)．防護(hù)的措施可采取封閉好相關(guān)的儀器，以免微波泄露；在更換微波配件時(shí)最好是關(guān)掉信號(hào)源，把螺絲擰緊．做完實(shí)驗(yàn)及時(shí)把實(shí)驗(yàn)室的窗戶打開通風(fēng)．另外，排課時(shí)注意相鄰兩次實(shí)驗(yàn)的間隔要長(zhǎng)一些，以免引起由于時(shí)間過于密集，而使眼睛的損傷在受到下次照射前，尚沒得到完全修復(fù)，造成損傷累積效應(yīng)．在做實(shí)驗(yàn)的過程中最好是戴一副能防微波的眼鏡；在室內(nèi)種植一些植物，如長(zhǎng)春藤、君子蘭、蘆薈、仙人掌、仙人球等，這些措施能有效地抗輻射并能凈化空氣[16]．

5 結(jié)論

微波對(duì)人眼睛傷害的主要原因可以概括為：眼睛對(duì)微波的吸收產(chǎn)生的生物熱效應(yīng)和生物非熱效應(yīng)及微波在人眼睛里行進(jìn)時(shí)形成的駐波，另外與微波對(duì)人眼睛輻射時(shí)間、輻射強(qiáng)度及輻射相隔的時(shí)間長(zhǎng)短密不可分．微波輻射如果超過眼睛自適應(yīng)能力的閾值可能導(dǎo)致視疲勞、眼睛不適、眼干等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致視力下降、視網(wǎng)膜脫落．所以，在使用與微波有關(guān)的儀器設(shè)備時(shí)應(yīng)做好相關(guān)的防護(hù)工作．

參考文獻(xiàn)

1 孟超,高燕，等.城市電磁輻射污染的產(chǎn)生與危害.安全,2005(5):29～33

2 王魁香,韓煒，等.新編近代物理實(shí)驗(yàn).北京：科學(xué)出版社，2007.103～104

3 劉普和主編.物理因子的生物效應(yīng)，北京：科學(xué)出版社，1992.258～269

4 劉銀春,尤華明.微波生物非熱效應(yīng)的量子理論及其機(jī)理.微波學(xué)報(bào),2005,21(4):67～68

5 陸文秀 .準(zhǔn)分子激光屈光性角膜手術(shù)學(xué).北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2000.100～101

6 馮蘇英,張永艷，等.激光對(duì)人眼的危害和防護(hù).激光雜志,1999,20(2):8～10

7 高衛(wèi).激光對(duì)人眼干擾損傷效果評(píng)估準(zhǔn)則初探.激光雜志,2007,28(2):78～79

8 沙湘月,伍瑞新.電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù).南京:南京大學(xué)出版社,2004.46～47

9 畢崗主編.電磁場(chǎng)與微波.杭州:浙江大學(xué)出版社,2006.116～117

10 陶松壘,陶鈞炳,等.手提無(wú)線電話電磁波的危害及防護(hù).浙江勞動(dòng)保護(hù)，1998(12):34～35

11 陶松壘,陶鈞炳.手機(jī)微波防護(hù)器的研究與測(cè)試.微波學(xué)報(bào),2002,18(2):95

12 劉銀春,尤華明.微波生物非熱效應(yīng)的量子理論及其機(jī)理.微波學(xué)報(bào),2005，21(4):70

13 劉銀春,鄭漢富,等.電磁輻射滅菌牛奶保鮮及其營(yíng)養(yǎng)成分的研究.福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2000,20(3):245～247

14 周蔚紅,張鈞.電磁脈滅菌研究.微波學(xué)報(bào),2000,16(3):318～321

15 黃德娟,黃德超,等.輻射對(duì)人體的危害及生物學(xué)防護(hù).中國(guó)輻射衛(wèi)生,2007,16(3):378

16 鄔志星.凈化空氣的家養(yǎng)花草.上海：上海文化出版社，2005