О типах излучения, его воздействии на различные объекты и перспективах применения

Оценка: 0.0 2109 0 Наука и Технологии 11:21

После аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» человечество окончательно осознало, насколько опасна работа с радионуклидами. Однако физик Георгий Тихомиров считает, что опыт, накопленный людьми, позволяет сегодня минимизировать вред от взаимодействия с ионизирующим излучением, а радиация может принести нам больше пользы, чем вреда. Он рассказал ПостНауке о типах ионизирующего излучения, влиянии радиации на живые и неживые объекты и перспективах применения ионизирующего излучения в промышленных технологиях.

Это материал из гида «Излучение и материя», приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида — «Росатом».

Разновидности и из чего состоит электромагнитное излучение

Существует несколько его разновидностей:

• Видимый свет . Это излучение, способное восприниматься человеческим зрением. Волновая длина достаточно короткая и варьируется в пределах 380-780 нанометров.
• Инфракрасное . Представляет собой что-то среднее между световым излучением и волнами радио.
• Радиоволны . Отличаются наибольшей длиной и вмещают в себя все разновидности излучения, волны которых характеризуются длиной от полумиллиметра.
• Ультрафиолетовое . Излучение, приносящее вред живому организму.
• Рентгеновское . Производится электронными частицами и нашло широкое применение в медицине.
• Гамма-излучение . Имеет самую короткую длину волн, представляя высокий уровень опасности для человеческого организма.

Характеристику любой электромагнитной волны составляют три основных параметра:

• Частота . Выражает количество гребней волны, проходящих в течение одной секунды. Мера измерения -герцы.
• Поляризация . Описывает колебания электромагнитных волн в поперечном направлении. Поляризованным излучение становится при волновых колебаниях, происходящих в одной плоскости. На практике данное явление можно встретить в кинотеатрах на сеансах 3Д. Посредством поляризации в 3Д-очках происходит разделение картинки.
• Длина . Представляет собой расстояние, соединяющее точки электромагнитного излучения, которые колеблются в пределах одной фазы.

Распространение электромагнитного излучения возможно в любой среде, начиная плотным веществом и заканчивая вакуумом. При этом скорость распространения волны в вакуумном пространстве достигает 300 тысяч км в секунду. К примеру звуковые волны, в вакууме не распространяются.

Принцип действия

Электромагнитное излучение имеет энергию, основной характеристикой которой является ее напряженность. Существует постоянное и переменное поле электромагнитных волн.

Первое — характеризуется напряженностью, которая обуславливается силой, оказывающей каталитическое действие на токовый проводник. В качестве единицы напряжения выступает ампер. Переменная разновидность совмещает в себе магнитную и электрическую разновидности магнитных полей, которые расширяются в пространстве в виде волн.

Область распространения включает в себя три зоны:

Свойства

Известно, что для электромагнитных волн характерны определенные свойства, о которых впервые заговорил Максвелл. Эти свойства обуславливаются различиями и зависимостью от параметра длины. Именно в соответствии с этими параметрами волны электромагнитных полей подразделяются на диапазоны, которые, в свою очередь, имеют достаточно условную шкалу, поскольку расположенные рядом частоты накладывают свои свойства друг на друга.

К таковым — относятся:

• Высокая проникающая способность.
• Быстрая скорость растворения в веществе.
• Негативное и благотворное влияние на человека.

Применение и влияние

Свое широкое применение электромагнитное излучение получило только в конце 19-го века, когда активно развивалась радиосвязь, посредством которой стало возможно общение на далеком расстоянии.

В качестве главных электромагнитных источников выступают крупные объекты промышленного масштаба, а также различные электрические линии передач. Помимо этого, рассматриваемый вид излучения получил активное применение в военной сфере. Там они представлены радарами и другими электрическими приборами, имеющих сложное устройство.

В медицинской области для лечения разнообразных болезней применяется инфракрасное излучение. Кроме этого:

• Посредством рентгеновского обследования становится возможным выявление внутренних повреждений в человеческом организме.
• Лазер позволяет проводить операции, которые требуют ювелирной точности и т.п.

Как производится лазер?

Искусственный процесс включает в себя следующее:

• Источник энергии.
• Активная среда.
• Оптическая полость.

Активная среда поглощает энергию из источника, сохраняет ее и высвобождает ее как свет. Что-то из этого света запускает другие атомы, чтобы высвободить их энергию, поэтому к запущенному добавляется еще больше света. Зеркала в конце оптической полости отражают свет обратно в активную среду, и процесс начинается снова, заставляя свет усиливаться и вызывая его часть в виде узкого луча – лазера. Для увеличения светового излучения в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем было изначально. Это называется инверсией данных. Это состояние не происходит при нормальных условиях. Поэтому этому процессу должны помочь искусственные технологии, а не природа.

Что такое электромагнитные излучения

Электромагнитные излучения — это распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, излучаемые различными объектами.

Волновая природа излучения

Электромагнитное взаимодействие между предметами подчиняется электромагнитной теории, базирующейся на уравнениях Максвелла. Тот предположил, что электрическое и магнитное поля имеют замкнутые силовые линии — вектора напряженности, колеблющиеся перпендикулярно направлению распространения волны. Эти распространяющиеся в пространстве волны создают электромагнитное поле. Позднее их существование и волновая природа были доказаны экспериментально.

Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Причина ЭМ излучения

Электрические поля возникают при разнице электрических напряжений, например, при появлении в атмосфере заряженных частиц во время грозы. Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля, которые возбуждают вихревое электрическое поле.

Виды электромагнитных излучений, их характеристики

Все виды электромагнитных волн распространяются в вакууме с одинаковой скоростью. Но их частота, как и зависящая от нее длина, различается, что влияет на их взаимодействие с разными веществами. Поэтому основная классификация электромагнитных излучений делит их согласно частотным диапазонам.

Также электромагнитные излучения различаются по происхождению:

При появлении большого количества антропогенных источников излучения стали классифицировать не только по частоте и длине волн, но и по степени их вреда для человека. Ионизирующие излучения могут быть причиной реактивных изменений в организме человека, называемых лучевой болезнью. Заряженные частицы испускают столько энергии, что нарушают связи между молекулами облучаемого объекта. К ионизирующим относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя на атомы способны воздействовать и другие виды электромагнитных волн.

Видимый свет

Видимый свет состоит из лучей семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. У каждого цвета собственная длина волны.

Невозможно указать точные границы диапазона видимого излучения, так как уменьшение чувствительности при отдалении от точки максимума в зеленой части спектра происходит постепенно. Видимые излучения обычно имеют сложный спектральный состав, в который могут входить ультрафиолетовые и инфракрасные волны. Оттенки, не относящиеся к семи основным цветам, например, розовый или бежевый, образуются при смешении монохроматических излучений.

Инфракрасное

Инфракрасное излучение занимает область спектра между видимым светом и микроволновым излучением. Чем выше температура излучающего тела, тем интенсивнее излучение и короче длина волны. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники. Излучение Солнца наполовину состоит из инфракрасных волн.

В спектре этого вида излучения выделяют:

• ближний инфракрасный свет, 0,75–1,4 мкм;
• коротковолновый, 1,4–3 мкм;
• средневолновый, 3–8 мкм;
• длинноволновый, 8–15 мкм;
• дальний, 15–1000 мкм.

Радиоволны

Радиоволны относятся к низкочастотным электромагнитным волнам — до 3 ТГц. Их принято классифицировать по длине волны:

• сверхдлинные, более 10 км;
• длинные, 10 км — 1 км;
• средние, 1 км — 100 м;
• короткие, 100 м — 10 м;
• ультракороткие, 10 м — 0,1 мм.

Также радиоволны можно разделить на амплитудно-модулированные (АМ) и частотно-модулированные (FM). FM-радиосигналы передают звук, меняя частоту несущего колебания, а не амплитуду, как AM-сигналы. Расстояние передачи FM-сигналов значительно меньше, но качество передаваемого звука выше, и они менее подвержены влиянию электромагнитных помех.

Ультрафиолетовое

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра между видимым и рентгеновским излучениями. Это природное излучение Солнца, которое делят на три спектральных участка, ориентируясь на разное биологическое воздействие ультрафиолетовых волн:

• ближний ультрафиолет, УФ-А, 315–400 нм;
• УФ-В, 280–315 нм;
• дальний ультрафиолет, УФ-С, 100–280 нм.

Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, состоит из ближнего ультрафиолета и небольшого количества УФ-В лучей. УФ-С лучи поглощает атмосфера.

Рентгеновское

Рентгеновское излучение занимает диапазон между ультрафиолетовым и гамма-излучением: \(0,005–100\) нм, \( 2\times10^ — 6\times10^\) Гц. Оно возникает при столкновении электронов и поверхности анода на большой скорости, когда атомы анода меняют внутреннюю структуру. Частота излучения зависит от материала анода; его делят на мягкое, с большей длиной волны и меньшей частотой излучения, и жесткое.

Радиофобия

Нас окружает радиация. Но измерять ее, не будучи задействованным в работе с радиоактивными источниками, не нужно. Сегодня выстроена мощная мировая система радиоактивного мониторинга, международные организации, оценивающие опасность нуклидов и рекомендующие нормы радиационной безопасности аналогичным организациям внутри стран. Во всех учреждениях, где используются радиоактивные источники, соблюдаются правила, предотвращающие вред для работников и окружающей среды.

Удивительно, но в какой-то мере последствия воздействия излучения на человека зависят от его психотипа и от того, как он воспринимает повышенные дозы. Было замечено, что при одной и той же полученной дозе облучения люди по-разному на нее реагируют и зачастую страх радиации и стресс влияют на человека гораздо хуже, чем сама радиация. Поэтому необходимо всегда трезво оценивать риски и не паниковать. Вокруг радиации распространено много мифов, но превышение радиационного фона даже в несколько раз не может влиять на качество жизни. У человеческого организма есть мощный запас защиты от радиационного воздействия, потому что оно существует и в природе. Есть даже эффект радиационного гормезиса (впрочем, признанный не всеми медиками), вследствие которого организм, наоборот, мобилизуется, улучшая свои защитные характеристики.

Главный источник радиофобии — СМИ, пишущие о катаклизмах, произошедших из-за применения ионизирующего излучения. После аварии на ЧАЭС в прессе писали о миллиардах смертей и генетических последствиях в пяти поколениях. Но все это имеет мало отношения к реальности — в отличие от конкретных исследований, в частности работ японских ученых по наблюдению за людьми, облученными в Хиросиме и Нагасаки, или работ европейских, российских и украинских ученых, до сих пор исследующих воздействие радиации в зоне чернобыльского следа. Все оказалось не настолько страшно, как это описывалось в СМИ, и после Чернобыля и Фукусимы произошел мощный ренессанс атомной энергетики.

Диапазоны ЭМ излучения

Два главных параметра электромагнитных излучений — частота колебаний \(f\) (число полных циклов колебаний в секунду) и длина волны lambda (расстояние, которое она проходит за одно колебание) — жестко связаны между собой. Зная частоту излучения, можно определить длину его волны, и наоборот, подставив известное значение в выражение \(с\;=\;F\times\lambda\) , где \(с\) — скорость света.

Частоты и длины электромагнитных волн изменяются в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду до \(10^\) , от размеров, сопоставимых с размерами атомов, до миллионов километров в безвоздушном пространстве. Поэтому электромагнитные излучения принято делить на частотные диапазоны в порядке возрастания длины волны, от гамма-лучей к радиоволнам. Границы между выделенными диапазонами условны.

Лекарственное средство

Применение видимого излучения в медицине – это обычное дело. Лазеры используются в микрохирургических процедурах, таких как выполнение небольших точных разрезов, операций на печени и капиллярной хирургии, что приводит к небольшой потере крови. Лазеры также используются в офтальмологии (удаление катаракты и коррекция зрения), дерматологии (удаление татуировок и шрамов), стоматологии (очищение полости), онкологии (лечение рака кожи).

Какой можно привести пример применения видимого излучения в медицине? Светотерапия также используется для облегчения сезонного аффективного расстройства, регулирует ваши внутренние биологические часы (суточные ритмы) и влияет на настроение. Терапевтическое применение света и цвета также исследуется во многих больницах и исследовательских центрах по всему миру. Результаты пока показывают, что полный спектр, ультрафиолетовый, цветной и лазерный свет могут иметь терапевтическое значение для ряда условий – от хронической боли и депрессии до иммунных расстройств.

Источники

Независимо от устройства источника электромагнитного излучения, оно всегда возбуждается электрическими зарядами, меняющими свою скорость. Можно разделить источники на два типа — микроскопические и макроскопические.

Микроскопические

Заряженные частицы перемещаются между энергетических уровней внутри атомов и молекул. Микроскопические источники испускают высокочастотные излучения: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, видимый свет. Их свойства — предмет изучения ядерной физики и оптики.

Макроскопические

В макроскопических источниках электромагнитное излучение испускают свободные электроны проводников, совершающие синхронные периодические колебания. Их поведение подчиняется законам классической электродинамики.

Примеры источников ЭМ излучения

Сверхдлинные естественные радиоволны излучают астрономические объекты. Солнце испускает видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, поверхность Земли и облака отдают поглощенную энергию в атмосферу в виде инфракрасного излучения.

Искусственное излучение генерируют вышки радио- и телевещания, мобильной связи. При проходе тока по линиям электропередачи происходит паразитное излучение электромагнитных волн. Также паразитное излучение могут создавать системы распределения электроэнергии, токоведущие элементы работающих электроустановок: генераторов, трансформаторов, электромагнитов. Степень опасности для человека, находящегося в зоне действия поля, зависит от мощности его источника.

Практическое применение электромагнитных волн

Космическое радиоизлучение регистрируют с помощью специальных телескопов, чтобы на основании полученных данных определять координаты небесных тел, структуру, интенсивность излучения и другие характеристики. Астрономы отправляют зондирующие радиосигналы и регистрируют их эхо, исследуя планеты Солнечной системы, их спутники и кольца, астероиды, кометы, космический мусор.

Благодаря радиоволнам работает мобильная связь, радиосвязь, радиовещание, телевещание, спутниковая связь. Применение инфракрасных излучателей для обогрева помещений и сушки окрашенных поверхностей ускоряет процесс и уменьшает затраты электроэнергии. Инфракрасные каналы приема и передачи данных нечувствительны к электромагнитным помехам, что позволяет использовать инфракрасные волны в условиях, когда радиосвязь затруднена. Ультрафиолетовое излучение эффективно обеззараживает воздух и воду, а также применяется для сушки зубных пломб.

Рентгеновские лучи помогают получить изображение костей и внутренних органов человека, высвечивают дефекты в рельсах и сварочных швах. В аэропортах применяют рентгенотелевизионные интроскопы для бесконтактного просмотра содержимого багажа.

Источник

Природные излучающие объекты

Пожалуй, самым ярким примером излучения в природе является наша звезда — Солнце. Температура на поверхности Солнца около 6000 К, поэтому его максимум излучения приходится на длину волны 475 нм, то есть лежит внутри видимого спектра.

Солнце разогревает находящиеся вокруг него планеты и их спутники, которые тоже начинают светиться. Здесь следует отличать отраженный свет и тепловое излучение. Так, нашу Землю можно видеть из космоса в виде голубого шара именно благодаря отраженному солнечному свету. Если же говорить о тепловом излучении планеты, то оно также имеет место, но лежит в области микроволнового спектра (около 10 мкм).

Помимо отраженного света, интересно привести еще один пример излучения в природе, который связан со сверчками. Испускаемый ими видимый свет никак не связан с тепловым излучением и является результатом химической реакции между кислородом воздуха и люциферином (вещество, содержащееся в клетках насекомых). Это явление носит название биолюминесценции.