Моноэнергетическое ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.

Смешанное ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов.

Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения.

Естественный фон излучения - ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.).

Фон - ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников.

Космическое излучение - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой.

Узкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника.

Широкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника.

Поле ионизирующего излучения - пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F = dN/dt.

Поток энергии частиц - отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt.

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF

проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN , проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS.

Энергетический спектр ионизирующих частиц - распределение ионизирующих частиц по их энергии. Эффективная энергия фотонного излучения - энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного

излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Граничная энергия спектра β -излучения - наибольшая энергия β -частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.

Альбедо излучения - отношение числа частиц (фотонов), отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов), падающих на поверхность раздела.

Запаздывающее излучение : частицы, излучаемые продуктами распада, в отличии от частиц (нейтронов и гамма - лучей), возникающих непосредственно в момент деления.

Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.

Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны) излучения. Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация ) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций. При определенных обстоятельствах присутствие таких ионов или продуктов ядерных реакций в тканях организма может изменять течение процессов в клетках и молекулах, а при накоплении этих событий может нарушить ход биологических реакций в организме, т.е. представлять опасность для здоровья человек.

2. ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЙ

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.

2.1. Корпускулярное излучение

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при

столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.

Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Рис.1 . Схема распада 212 Bi.

2.1.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (α - частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при α - распаде некоторыми радиоактивными атомами. α - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и

относительно тяжелых частиц).

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов.

Типичная схема α -распада природного радионуклида представлена на Рис.1 , а энергетический спектр α -частиц, образующихся при распаде радионуклида – на

Рис.2.

Рис.2 Энергетический спектр α -частиц

Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α- распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия - 2 Не4 и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды,

вырывая электроны из орбит атомов.

Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у 214 Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

2.1.2 Протонное излучение

Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтроннодефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).

2.1.3 Нейтронное излучение

Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение.

С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими

свойствами:

	Заряд (e - заряд электрона)			qn = (-0,4 ± 1,1)·10-21 е
					939,56533 ± 0,00004 МэВ ,
	в атомных единицах			1,00866491578 ± 0,00000000055 а.е.м.
	Разность масс нейтрона и протона			mn - mp = 1,2933318 ± 0,0000005 МэВ ,
	в атомных единицах			0,0013884489 ± 0,0000000006 а.е.м.
	Время жизни			tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4syst с
	Магнитный момент			mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN
	Электрический дипольный момент			dn < 0,63·10-25 e ·см (CL=90%)
	Электрическая поляризуемость
				an = (	)·10-3 Фм 3

Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования. В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель. Наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его "неэлементарности". Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах - от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами - это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.

Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество - в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и γ - лучами, а также пучками заряженных частиц. из-за наличия массы нейтроны при том же импульсе (следовательно, при той же длине волны) обладают значительно меньшей энергией, чем рентгеновские и γ - лучи, и эта энергия оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов и молекул в веществе, что дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и динамические процессы, в нем происходящие. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет использовать их для изучения магнитной структуры и магнитных возбуждений вещества, что очень важно для понимания свойств и природы магнетизма материалов.

Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и γ -лучей). Поэтому облучение материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских и γ - лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.

Когерентное рассеяние - рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся на π от фазы первичного излучения. Рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами.

Человек постоянно находится под воздействием разнообразных внешних факторов. Одни из них являются видимыми, например, погодные условия, и степень их воздействия можно контролировать. Другие же не видны человеческому глазу и носят название излучений. Каждый должен знать виды излучения, их роль и области применения.

Некоторые виды излучения человек может встретить повсеместно. Ярким примером являются радиоволны. Они представляют собой колебания электромагнитной природы, которые способны распределяться в пространстве со скоростью света. Такие волны несут в себе энергию от генераторов.

Источники радиоволн можно разделить на две группы.

1. Природные, к ним относятся молнии и астрономические единицы.
2. Искусственные, то есть созданные человеком. Они включают в себя излучатели с переменным током. Это могут быть приборы радиосвязи, вещания, компьютеры и системы навигации.

Кожа человека способна осаждать на своей поверхности этот вид волн, поэтому есть ряд негативных последствий их воздействия на человека. Радиоволновое излучение способно замедлить деятельность мозговых структур, а также вызвать мутации на генном уровне.

Для лиц, у которых установлен кардиостимулятор, такое воздействие смертельно опасно. У этих приборов имеется четкий максимально допустимый уровень излучения, подъем выше него вносит дисбаланс в работу системы стимулятора и ведет к его поломке.

Все влияния радиоволн на организм были изучены только на животных, прямого доказательства их негативного действия на человека нет, но способы защиты ученые все же ищут. Как таковых эффективных способов пока нет. Единственное, что можно посоветовать, так это держаться подальше от опасных приборов. Поскольку бытовые приборы, включенные в сеть, тоже создают вокруг себя радиоволновое поле, то просто необходимо отключать питание устройств, которыми человек не пользуется в данный момент.

Излучение инфракрасного спектра

Все виды излучения тем или иным образом связаны между собой. Некоторые из них видны человеческому глазу. Инфракрасное излучение примыкает к той части спектра, которую глаз человека может уловить. Оно не только освещает поверхность, но и способно ее нагревать.

Основным естественным источником ИК-лучей является солнце. Человеком созданы искусственные излучатели, посредство которых достигается необходимый тепловой эффект.

Теперь нужно разобраться, насколько полезным или вредным является такой вид излучения для человека. Практически все длинноволновое излучение инфракрасного спектра поглощается верхними слоями кожи, поэтому не только безопасно, но и способно повысить иммунитет и усилить восстановительные процессы в тканях.

Что касается коротких волн, то они могут уходить глубоко в ткани и вызывать перегрев органов. Так называемый тепловой удар является следствием воздействия коротких инфракрасных волн. Симптомы этой патологии известны почти всем:

• появление кружения в голове;
• чувство тошноты;
• возрастание пульса;
• нарушения зрения, характеризующиеся потемнением в глазах.

Как же уберечь себя от опасного влияния? Нужно соблюдать технику безопасности, пользуясь теплозащитной одеждой и экранами. Применение коротковолновых обогревателей должно быть четко дозировано, нагревательный элемент должен быть прикрыт теплоизолирующим материалом, при помощи которого достигается излучение мягких длинных волн.

Если задуматься, все виды излучения способны проникать в ткани. Но именно рентгеновское излучение дало возможность использовать это свойство на практике в медицине.

Если сравнить лучи рентгеновского происхождения с лучами света, то первые имеют очень большую длину, что позволяет им проникать даже через непрозрачные материалы. Такие лучи не способны отражаться и преломляться. Данный вид спектра имеет мягкую и жесткую составляющую. Мягкая состоит из длинных волн, способных полностью поглощаться тканями человека. Таким образом, постоянное воздействие длинных волн приводит к повреждению клеток и мутации ДНК.

Есть ряд структур, которые не способны пропустить через себя рентгеновские лучи. К ним относится, например, костная ткань и металлы. Исходя из этого и производятся снимки костей человека с целью диагностики их целостности.

В настоящее время созданы приборы, позволяющие не только делать фиксированный снимок, например, конечности, но и наблюдать за происходящими с ней изменениями «онлайн». Эти устройства помогаю врачу выполнить оперативное вмешательство на костях под контролем зрения, не производя широких травматичных разрезов. При помощи таких приборов можно исследовать биомеханику суставов.

Что касается негативного воздействия рентгеновских лучей, то длительный контакт с ними может привести к развитию лучевой болезни, которая проявляется рядом признаков:

• нарушения неврологического характера;
• дерматиты;
• снижение иммунитета;
• угнетение нормального кроветворения;
• развитие онкологической патологии;
• бесплодие.

Чтобы защитить себя от страшных последствий, при контакте с этим видом излучения нужно использовать экранирующие щиты и накладки из материалов, не пропускающих лучи.

Данный вид лучей люди привыкли называть попросту – свет. Этот вид излучения способен поглощаться объектом воздействия, частично проходя через него и частично отражаясь. Такие свойства широко применяются в науке и технике, особенно при изготовлении оптических приборов.

Все источники оптического излучения делятся на несколько групп.

1. Тепловые, имеющие сплошной спектр. Тепло в них выделяется за счет тока или процесса горения. Это могут быть электрические и галогенные лампы накаливания, а также пиротехнические изделия и электродосветные приборы.
2. Люминесцентные, содержащие газы, возбуждаемые потоками фотонов. Такими источниками являются энергосберегающие приборы и катодолюминесцентные устройства. Что касается радио- и хемилюминесцентных источников, то в них потоки возбуждаются за счет продуктов радиоактивного распада и химических реакций соответственно.
3. Плазменные, чьи характеристики зависят от температуры и давления плазмы, образующейся в них. Это могут быть газоразрядные, ртутные трубчатые и ксеноновые лампы. Не исключением являются и спектральные источники, а также приборы импульсного характера.

Оптическое излучение на организм человека действует в комплексе с ультрафиолетовым, что провоцирует выработку меланина в коже. Таким образом, положительный эффект длится до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение воздействия, за пределами которого находится риск ожогов и кожной онкопатологии.

Самым известным и широко применяемым излучением, воздействие которого можно встретить повсеместно, является ультрафиолетовое излучение. Данное излучение имеет два спектра, один из которых доходит до земли и участвует во всех процессах на земле. Второй задерживается слоем озона и не проходит через него. Слой озона обезвреживает этот спектр, тем самым выполняя защитную роль. Разрушение озонового слоя опасно проникновением вредных лучей на поверхность земли.

Естественный источник этого вида излучения – Солнце. Искусственных источников придумано огромное количество:

• Эритемные лампы, активизирующие выработку витамина Д в слоях кожи и помогающие лечению рахита.
• Солярии, не только позволяющие позагорать, но и имеющие лечебный эффект для людей с патологиями, вызванными недостатком солнечного света.
• Лазерные излучатели, используемые в биотехнологиях, медицине и электронике.

Что касается воздействия на организм человека, то оно двоякое. С одной стороны, недостаток ультрафиолета может вызвать различные болезни. Дозированная нагрузка таким излучением помогает иммунитету, работе мышц и легких, а также предотвращает гипоксию.

Все виды влияний делятся на четыре группы:

• способность убивать бактерий;
• снятие воспаления;
• восстановление поврежденных тканей;
• уменьшение боли.

К отрицательным воздействиям ультрафиолета можно отнести способность провоцировать рак кожи при длительном воздействии. Меланома кожи крайне злокачественный вид опухоли. Такой диагноз почти на 100 процентов означает грядущую смерть.

Что касается органа зрения, то чрезмерное воздействие лучей ультрафиолетового спектра повреждает сетчатку, роговицу и оболочки глаза. Таким образом, использовать этот вид излучения нужно в меру. Если при определенных обстоятельствах приходится длительно контактировать с источником ультрафиолетовых лучей, то необходимо защитить глаза очками, а кожу специальными кремами или одеждой.

Это так называемые космические лучи, несущие в себе ядра атомов радиоактивных веществ и элементов. Поток гамма-излучения имеет очень большую энергию и способен быстро проникать в клетки организма, ионизируя их содержимое. Разрушенные клеточные элементы действуют как яды, разлагаясь и отравляя весь организм. В процесс обязательно вовлекается ядро клеток, что ведет к мутациям в геноме. Здоровые клетки разрушаются, а на их месте образуются мутантные, не способные в полной мере обеспечить организм всем необходимым.

Данное излучение опасно тем, что человек его никак не ощущает. Последствия воздействия проявляются не сразу, а имеют отдаленное действие. В первую очередь страдают клетки кроветворной системы, волос, половых органов и лимфоидной системы.

Радиация очень опасна развитием лучевой болезни, но даже такому спектру нашли полезное применение:

• с его помощью стерилизуют продукты, оборудование и инструменты медицинского предназначения;
• измерение глубины подземных скважин;
• измерение длины пути космических аппаратов;
• воздействие на растения с целью выявления продуктивных сортов;
• в медицине такое излучение применяется для проведения лучевой терапии в лечении онкологии.

В заключение нужно сказать, что все виды лучей с успехом применяются человеком и являются необходимыми. Благодаря им существуют растения, животные и люди. Защита от чрезмерного воздействия должна быть приоритетным правилом при работе.

§ 1. Тепловое излучение

В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:

энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

Вт/м 2 .

испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

.
.

Здесь
– это энергия излучения с длинами волн от λ до
.

Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:

.

.

Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.

Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:

.

Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела а а.ч.т. (λ,Т) равна единице. Это означает, что универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности абсолютно черного тела
. Таким образом, для решения задачи теплового излучения необходимо было установить вид функции Кирхгофа или испускательной способности абсолютно чёрного тела.

Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана

,
.

В
1896-м году немецкие физики во главе с Вильгельмом Вином создали суперсовременную по тем временам экспериментальную установку для исследования распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) в спектре теплового излучения абсолютно черного тела. Эксперименты, выполненные на этой установке: во-первых, подтвердили результат, полученный австрийскими физиками Й.Стефаном и Л.Больцманом; во-вторых, были полученны графики распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Они были удивительно похожи на полученные ранее Дж. Максвеллом кривые распределения молекул газа, находящегося в закрытом объеме, по величинам скоростей.

Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.

Английские классические физики лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1946) применили к тепловому излучению методы статистической физики (воспользовались классическим законом о равнораспределении энергии по степеням свободы). Рэлей и Джинс применили метод статистической физики к волнам подобно тому, как Максвелл применил его к равновесному ансамблю хаотически движущихся в замкнутой полости частиц. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная kT ( на электрическую энергию и на магнитную энергию),. Исходя из этих соображений, они получили следующую формулу для испускательной способности а.ч.т.:

.

Э
та формула хорошо описывала ход экспериментальной зависимости при больших длинах волн (на низких частотах). Но для малых длин волн (высокий частот или в ультрафиолетовой области спектра) классическая теория Рэлея и Джинса предсказывала бесконечный рост интенсивности излучения. Этот эффект получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.

С
ледующую попытку получения формулы зависимости испускательной способности а.ч.т. от длин волн предпринял Вин. С помощью методов классической термодинамики и электродинамики Вину удалось вывести соотношение, графическое изображение которого удовлетворительно совпадало с коротковолновой (высокочастотной) частью полученных в эксперименте данных, но абсолютно расходилось с результатами опытов для больших длин волн (низких частот).

.

Из этой формулы было получено соотношение, связывающее ту длину волны
, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру тела Т (закон смещения Вина):

,
.

Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.

Но формулы, описывающей всю кривую, не было.

Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.

.

14 декабря 1900-го года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу. Так родилась квантовая физика.

Квант энергии излучения, введенный Планком в физику, оказался пропорциональным частоте излучения (и обратно пропорционален длине волны):

.

– универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Планка. Она равна:
.

Свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые параметры – длина волны , частота света и волновое число .

Корпускулярные характеристики – энергия и импульс .

Волновые параметры света связаны с его корпускулярными характеристиками с помощью постоянной Планка:

.

Здесь
и
– волновое число.

Постоянной Планка принадлежит фундаментальная роль в физике. Эта размерная константа позволяет количественно оценить, насколько при описании каждой конкретной физической системы существенны квантовые эффекты.

Когда по условиям физической задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, достаточно классического (не квантового) описания.

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

1. Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
2. Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
3. Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

• радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
• тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
• видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
• ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
• рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.

Ранее люди, чтобы объяснить то, что они не понимают, придумывали различные фантастические вещи - мифы, богов, религию, волшебных существ. И хотя в эти суеверия всё ещё верит большое количество людей, сейчас нам известно, что у всего есть своё объяснение. Одной из наиболее интересных, таинственных и удивительных тем является излучение. Что оно собой представляет? Какие его виды существуют? Что такое излучение в физике? Как оно поглощается? Можно ли защититься от излучения?

Общая информация

Итак, выделяют следующие виды излучений: волновое движение среды, корпускулярное и электромагнитное. Наибольшее внимание будет уделено последнему. Относительно волнового движения среды можно сказать, что оно возникает как результат механического движения определённого объекта, что вызывает последовательное разрежение или сжатие среды. В качестве примера можно привести инфразвук или ультразвук. Корпускулярное излучение - это поток атомных частиц, таких как электроны, позитроны, протоны, нейтроны, альфа, что сопровождается естественным и искусственным распадом ядер. Об этих двух пока и поговорим.

Влияние

Рассмотрим солнечное излучение. Это мощный оздоровительный и профилактический фактор. Совокупность сопутствующих физиологических и биохимических реакций, что протекают при участии света, назвали фотобиологическими процессами. Они берут участие в синтезе биологически важных соединений, служат для получения информации и ориентации в пространстве (зрение), а также могут вызывать вредные последствия, как то появление вредных мутаций, разрушение витаминов, ферментов, белков.

Об электромагнитном излучении

В дальнейшем статья будет посвящена исключительно нему. Что такое излучение в физике делает, как влияет на нас? ЭМИ представляет собой электромагнитные волны, что испускаются заряженными молекулами, атомами, частицами. В качестве крупных источников могут выступать антенны или другие излучающие системы. Длина волны излучения (частота колебания) вместе с источников оказывает решающее значение. Так, в зависимости от этих параметров выделяют гамма, рентгеновское, оптическое излучение. Последнее делится на целый ряд других подвидов. Так, это инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоизлучение, а также свет. Диапазон находится в пределах до 10 -13 . Гамма-излучение генерируют возбуждённые атомные ядра. Рентгеновские лучи можно получить при торможении ускоренных электронов, а также при их переходе не свободные уровни. Радиоволны оставляют свой след во время движения по проводникам излучающих систем (например, антенн) переменных электрических токов.

Об ультрафиолетовом излучении

В биологическом отношении наиболее активными являются УФ-лучи. При попадании на кожу они могут вызывать местные изменения тканевых и клеточных белков. Кроме этого, фиксируется воздействие на рецепторы кожи. Оно рефлекторным путём влияет на целый организм. Поскольку это неспецифический стимулятор физиологических функций, то он оказывает благоприятное влияние на иммунную систему организма, а также на минеральный, белковый, углеводный и жировой обмен. Всё это проявляется в виде общеоздоровительного, тонизирующего и профилактического действия солнечного излучения. Следует упомянуть и об отдельных специфических свойствах, что есть у определённого диапазона волн. Так, влияние излучений на человека при длине от 320 до 400 нанометров способствует эритемно-загарному действию. При диапазоне от 275 до 320 нм фиксируются слабо бактерицидный и антирахитический эффекты. А вот ультрафиолетовое излучение от 180 до 275 нм повреждает биологическую ткань. Поэтому, следует соблюдать осторожность. Длительное прямое солнечное излучение даже в безопасном спектре может привести к выраженной эритеме с отеками кожного покрова и существенному ухудшению состояния здоровья. Вплоть до повышения вероятности развития рака кожи.

Реакция на солнечный свет

В первую очередь следует упомянуть инфракрасное излучение. На организм оно оказывает тепловое воздействие, что зависит от степени поглощения лучей кожей. Для характеристики его влияния используется слово «ожог». Видимый спектр влияет на зрительный анализатор и функциональное состояние центральной нервной системы. А посредством ЦНС и на все системы и органы человека. Следует отметить, что на нас оказывает влияние не только степень освещенности, но и цветовая гамма солнечного света, то есть, весь спектр излучения. Так, от длины волны зависит цветоощущение и оказывается влияние на нашу эмоциональную деятельность, а также функционирование различных систем организма.

Красный цвет возбуждает психику, усиливает эмоции и дарит ощущение тепла. Но он быстро утомляет, способствует напряжению мускулатуры, учащению дыхания и повышению артериального давления. Оранжевый цвет вызывает ощущение благополучия и веселья, желтый поднимает настроение и стимулирует нервную систему и зрение. Зелёный успокаивает, полезен во время бессонницы, при переутомлении, повышает общий тонус организма. Фиолетовый цвет оказывает расслабляющее влияние на психику. Голубой успокаивает нервную систему и поддерживает мышцы в тонусе.

Небольшое отступление

Почему рассматривая, что такое излучение в физике, мы говорим в большей степени про ЭМИ? Дело в том, что именно его в большинстве случаев и подразумевают, когда обращаются к теме. То же корпускулярное излучение и волновое движение среды является на порядок менее масштабным и известным. Очень часто, когда говорят про виды излучений, то подразумевают исключительно те, на которые делится ЭМИ, что в корне не верно. Ведь говоря о том, что такое излучение в физике, следует уделять внимание всем аспектам. Но одновременно делается упор именно на наиболее важных моментах.

Об источниках излучения

Продолжаем рассматривать электромагнитное излучение. Мы знаем, что оно собой представляет волны, что возникают при возмущении электрического или магнитного поля. Этот процесс современной физикой трактуется с точки зрения теории корпускулярно-волнового дуализма. Так признаётся, что минимальная порция ЭМИ - это квант. Но вместе с этим считается, что у него есть и частотно-волновые свойства, от которых зависят основные характеристики. Для улучшения возможностей классификации источников выделяют разные спектры излучения частот ЭМИ. Так это:

1. Жесткое излучение (ионизированное);
2. Оптическое (видимое глазом);
3. Тепловое (оно же инфракрасное);
4. Радиочастотное.

Часть из них уже была рассмотрена. Каждый спектр излучения обладает своими уникальными характеристиками.

Природа источников

Зависимо от своего происхождения, электромагнитные волны могут возникать в двух случаях:

1. Когда наблюдается возмущение искусственного происхождения.
2. Регистрация излучения, идущего от естественного источника.

Что можно сказать о первых? Искусственные источники чаще всего представляют собой побочное явление, что возникает вследствие работы различных электрических приборов и механизмов. Излучение естественного происхождения генерирует магнитное поле Земли, электропроцессы в атмосфере планеты, ядерный синтез в недрах солнца. От уровня мощности источника зависит степень напряженности электромагнитного поля. Условно, излучение, что регистрируется, разделяют на низкоуровневое и высокоуровневое. В качестве первых можно привести:

1. Практически все устройства, оборудованные ЭЛТ дисплеем (как, пример, компьютер).
2. Различная бытовая техника, начиная от климатических систем и заканчивая утюгами;
3. Инженерные системы, что обеспечивают подачу электроэнергии к разным объектам. В качестве примера можно привести кабель электропередач, розетки, электросчетчики.

Высокоуровневым электромагнитным излучением обладают:

1. Линии электропередачи.
2. Весь электротранспорт и его инфраструктура.
3. Радио- и телевышки, а также станции мобильной и передвижной связи.
4. Лифты и иное подъемное оборудование, где применяются электромеханические силовые установки.
5. Приборы преобразования напряжения в сети (волны, исходящие от распределяющей подстанции или трансформатора).

Отдельно выделяют специальное оборудование, что используется в медицине и испускает жесткое излучение. В качестве примера можно привести МРТ, рентгеновские аппараты и тому подобное.

Влияние электромагнитного излучения на человека

В ходе многочисленных исследований ученые пришли к печальному выводу - длительное влияние ЭМИ способствует настоящему взрыву болезней. При этом многие нарушение происходят на генетическом уровне. Поэтому актуальной является защита от электромагнитного излучения. Это происходит из-за того, что ЭМИ обладает высоким уровнем биологической активности. При этом результат влияния зависит от:

1. Характера излучения.
2. Продолжительности и интенсивности влияния.

Специфические моменты влияния

Всё зависит от локализации. Поглощение излучения может быть местным или общим. В качестве примера второго случая можно привести эффект, что оказывают линии электропередачи. В качестве примера местного воздействия можно привести электромагнитные волны, что испускают электронные часы или мобильный телефон. Следует упомянуть и о термальном воздействии. За счет вибрации молекул энергия поля преобразуется в тепло. По этому принципу работают СВЧ излучатели, что используются для нагревания различных веществ. Следует отметить, что при влиянии на человека, термальный эффект всегда является негативным, и даже пагубным. Следует отметить, что мы постоянно облучаемся. На производстве, дома, перемещаясь по городу. Со временем негативный эффект только усиливается. Поэтому, все актуальнее становится защита от электромагнитного излучения.

Как же можно обезопасить себя?

Первоначально необходимо знать, с чем приходится иметь дело. В этом поможет специальный прибор для измерения излучения. Он позволит оценить ситуацию с безопасностью. На производстве для защиты используются поглощающие экраны. Но, увы, на использование в домашних условиях они не рассчитаны. В качестве начала можно соблюдать три рекомендации:

1. Следует пребывать на безопасном расстоянии от устройств. Для ЛЭП, теле- и радиовышек это как минимум 25 метров. С ЭЛТ мониторами и телевизорами достаточно тридцати сантиметров. Электронные часы должны быть не ближе 5 см. А радио и сотовые телефоны не рекомендуется подносить ближе, чем на 2,5 сантиметра. Подобрать место можно с помощью специального прибора - флюксметра. Допустимая доза излучения, фиксируемая ним, не должна превышать 0,2мкТл.
2. Старайтесь сократить время, когда приходится облучаться.
3. Всегда следует выключать неиспользуемые электроприборы. Ведь даже будучи неактивными, они продолжают испускать ЭМИ.

О тихом убийце

И завершим статью важной, хотя и довольно слабо известной в широких кругах темой - радиационным излучением. На протяжении всей своей жизни, развития и существования, человек облучался естественным природным фоном. Естественное радиационное излучение может быть условно поделено на внешнее и внутреннее облучение. К первому относятся космическое излучение, солнечная радиация, влияние земной коры и воздуха. Даже строительные материалы, из которых создаются дома и сооружения, генерируют определённый фон.

Радиационное излучение обладает значительной проникающей силой, поэтому остановить его проблематично. Так, чтобы полностью изолировать лучи, необходимо укрыться за стеной из свинца, толщиной в 80 сантиметров. Внутреннее облучение возникает в тех случаях, когда естественные радиоактивные вещества попадают внутрь организма вместе с продуктами питания, воздухом, водой. В земных недрах можно найти радон, торон, уран, торий, рубидий, радий. Все они поглощаются растениями, могут быть в воде - и при употреблении пищевых продуктов попадают в наш организм.