Применение

Изучение принципов поглощения электромагнитного излучения и его измерение применяется во многих областях, таких как:

· Метеорология и климатология

· Астрономия (альбедо)

· Медицина.

· Прикладная химия

· Оптика

· Биология

1. Поглощение излучения биологическими жидкостями. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматическогопучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

,

где — интенсивность входящего пучка, — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, — показатель поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения , который связан с формулой , где — длина волны).

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

1. Коэффициент пропускания. Оптическая плотность.

Коэффицие́нт пропуска́ния — безразмерная физическая величина, равная отношению потока излучения, прошедшего через среду, к потоку излучения, упавшего на её поверхность:

В общем случае значение коэффициента пропускания ^[1] тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава иполяризации излучения.

Коэффициент пропускания связан с оптической плотностью соотношением:

Сумма коэффициента пропускания и коэффициентов отражения, поглощения и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии.

Опти́ческая пло́тность — мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него), то есть это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения):

К примеру D=4 означает, что свет был ослаблен в 10⁴=10 000 раз, то есть для человека это полностью чёрный объект, а D=0 означает, что свет прошёл (отразился) полностью.

В терминах оптической плотности задаются требования к выдержке негативов.

Прибор для измерения оптической плотности называется денситометром. В рентгеновских методах неразрушающего контроля оптическая плотность рентгеновского снимка является параметром оценки пригодности снимка к дальнейшей расшифровке. Допустимые значения оптической плотности в рентгеновских методах неразрушающего контроля регламентируются в соответствии с требованиями ГОСТ.

1. Рассеяние света биологическими средами

Рассеивание света или другого электромагнитного излучения — вариант распространения лучей в случайных направлениях, связанный с взаимодействием излучения и вещества, а также с неоднородностями в среде или на поверхности, или передачи излучения волн между двумя системами.

1. Фотобиологические процессы и их стадии

1. Фотосинтез – преобразование солнечной энергии в продукты
2. Фототаксис – реакция на свет
3. Фотопериодизм - реакция живых организмов (растений и животных) на суточный ритм освещённости, продолжительность светового дня и соотношение между темным и светлым временем суток (фотопериодами).
4. Зрение
5. Фототропизм - изменение направления роста органов растений или положения тела (органов) у животных, в зависимости от направления падающего света.
6. Фотовоздействие на кожу

Стадии:

1. Поглощение энергии
2. Фотохимическая стадия (образование химических продуктов)
3. Биохимическая стадия
4. Реакция организма на воздействие

1. Ионизирующие излучения и их воздействие на биологические объекты

Прямое действие ионизирующих излучений — такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул (т. е. с утерей или приобретением электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»). Косвенное (непрямое) действие ионизирующих излучений — изменения молекул клеток и тканей, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и растворенных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами.
Воздействие ионизирующей радиации на живое вещество проходит в три фазы: в физическую — длится Ю-13— 10~16с; в фазу первичных физико-химических превращений — Ю-6— 10_9с; в фазу химических реакций — 10~5—10_6с.

1. Рентгеновское излучение, получение и применение

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м)
Применение. При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов.
В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
Получение Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома

1. Воздействие рентгеновского излучения на ткани и органы

В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.
В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.
Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10-13 сек. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10-10 сек образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10-б сек, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.
Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.
Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов

1. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют способность атомных ядер спонтанно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность можно разделить на два вида: естественную и искусственную. Естественную можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов которые были получены в результате проведения ядерных реакций.

Закон радиоактивного распада

Атомы радиоактивных веществ распадаются случайным образом. Невозможно предсказать какой именно атом испытает распад в данный момент времени. Но если атомов много, то в среднем за данный промежуток времени их распадается вполне закономерное количество:

- закон радиоактивного распада.
N - количество НЕраспавшихся атомов радиоактивного вещества в течение времени t

N₀ - исходное количество атомов радиоактивного вещества

t - время распада вещества
Т - период полураспада; время, в течение которого распадется половина всех атомов данного радиоактивного образца. Является характерным для каждого вещества.

— постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

где — начальное число атомов, то есть число атомов для

где — скорость распада в начальный момент времени

1. Основные типы радиоактивного распада

Альфа-распад Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием a -частиц, называетсяальфа-распадом. Теория создана Г.А. Гамовым в 1930-32 г. на основе квантово-механического туннельного эффекта.
Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра явля­ется образование двух протонов и двух нейтронов. Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия связи, то оно по­кинет ядро в видеa-частицы.
Если — материнское ядро, то превращение этого ядра при a.-распаде происходит по следую­щей схеме (правило смещения): где —символ дочернего ядра; —ядро атома гелия ; hv - квант энергии, испускаемой ядром. При альфа-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.	Например:
Бета-распад Теория создана в 1930г. Энрико Ферми. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются согласно гипотезе Ферми в результате пре­вращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменя­ется: . При b- распаде химический элемент пере­мещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электро­нов, испускается антинейтрино,	На­пример:
Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.
Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют a-лучи, в меньшей степени— b-лучи и совсем плохо — g-лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у a-лучей (лист бумаги; несколько сантиметров слоя воздуха), а b-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у g-лучей (например, для алюминия - пластины толщиной десятки сантиметров).

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно.
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

1. Прохождение ионизирующего излучения через биологические объекты

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты выделяют ряд последовательных этапов, объединенных между собой причинно-следственными связями:
1.Физико-химический этап (ионизация и возбуждение атомов и молекул)
2.Химический этап (образование свободных радикалов)
3.Биомолекулярный этап (повреждения белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул)
4.Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель организма)
5.Отдаленные биологические эффекты (опухоли, ге нетические эффекты, гибель организма и т. д.)

Таким образом, начальное действие ионизирующих излучений происходит на атомном и молекулярном уровнях, затем, с течением времени, проявляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.
В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно выделяют два основных этапа. Первый этап – первичное (непосредственное) дей ствие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап – опосредованное действие, которое обуславливается измене ниями, возникающими в организме под влиянием облучения. В результате многочисленных опытов, проведенных при облучении различных молекул, вирусов и бактерий, было предложено два теоретических направления, объясняющих механизм первичного действия ионизирующей радиации: 1) теория прямого действия излучений на молекулы, входящие в состав веществ и клеток; 2) теория косвенного действия.
Прохождение излучения через вещество или молекулы биологического субстрата сопровождается передачей энергии атомам вещества, что вызывает ионизацию и возбуждение атомов. Этот первый этап воздействия излучения характеризует акт прямого взаимодействия. Следовательно, под прямым действием ионизирующих излучений понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, при этом поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и молекул. Под косвенным (непрямым) действием понимают изменение молекул клеток в результате взаимодействия их с продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ, а не в результате поглощения ими энергии излучения.

1. Дозиметрия ионизирующих излучений

1. Естественный радиоактивный фон Земли.

Радиационный фон – радиоактивное излучение, присутствующее на Земле от естественных и техногенных источников, в условиях которого постоянно находится человек. Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из следующих компонентов:

1. космическое излучение;

2. излучение от находящихся в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;

3. излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Облучение может быть внешним и внутренним. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое излучение, наземные источники). Внутреннее облучение осуществляют радионуклиды, находящиеся в теле человека. За счёт космического излучения большинство населения получает дозу 35 мбэр в год (1 мбэр = 10^-3 бэр). Такую же дозу (35 мбэр/год) человек получает от внешних земных источников естественного происхождения. Доза внутреннего облучения от естественных источников составляет в среднем 135 мбэр/год (3/4 этой дозы даёт не имеющий вкуса и запаха тяжёлый радиоактивный газ радон и продукты его распада). Таким образом, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения человека от естественных источников радиации в среднем равна около 200 мбэр/год.
В результате деятельности человека в непосредственно окружающей его среде появились дополнительные источники радиации, в том числе естественные радионуклиды, извлекаемые в больших количествах из недр Земли вместе с углём, газом, нефтью, минеральными удобрениями, сырьём для строительных материалов.

Облучение человека обусловлено космическим (внеземным) излучением и естественными радиоактивными веществами, содержащимися в окружающей среде и в теле человека (земными источниками).
Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, колебания которого связаны с солнечными вспышками. Из-за сравнительно небольшой энергии, последнее мало влияет на дозу радиации у поверхности Земли, но имеет важное значение за пределами земной атмосферы. Космическое излучение достигает Земли в виде протонов и более тяжелых ядерных частиц, обладающих огромной энергией. Часть этой энергии расходуется на столкновение с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона, в результате чего на высотах до 20 км возникает вторичное высокоэнергетическое излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, протонов, электронов, а также образуются так называемые космогенные радионуклиды, выпадающие на поверхность Земли с осадками и циркулирующие в окружающей среде. К ним относятся тритий, углерод-14, бериллий-7, натрий-22 и другие (всего 14 радионуклидов).
Интенсивность космического излучения зависит от высоты над уровнем моря, географической широты и солнечной активности.
Каждый житель нашей планеты в среднем от излучения из космоса получает в течение года дозу в 300 мкЗв (30 мбэр).
Земными источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, в том числе 32 радионуклида уранорадиевого и ториевого семейств, около 11 долгоживущих радионуклидов, по не входящих в эти семейства (калий-40, рубидий-87 и др.), имеющие периоды полураспада (Т 1/2) от 107 до 1015 лет, а также космогенные радионуклиды.
Основной вклад в дозу внешнего облучения вносят гамма-излучающие нуклиды радиоактивных семейств - свинец-214, висмут-214, торий-228, актиний-228, а также калий-40, находящиеся в основном в верхнем слое почвы.
В некоторых районах с повышенным содержанием тория в почве или радия в воде (упоминавшиеся районы Индии, Бразилии, Франции, Ирана и др.) мощность поглощенной дозы на 1-2 порядка превышает среднемировые показатели.
Однако при этом необходимо учитывать, что человек значительную часть времени находится в служебных или жилых помещениях, формирование доз облучения в которых происходит под влиянием двух противоположно действующих факторов. Здания, с одной стороны, экранируют, то есть уменьшают дозы облучения от внешних источников излучения, с другой - увеличивают их за счет радионуклидов, содержащихся в строительных материалах, из которых построено здание, в том числе, приумножая дозы внутреннего облучения, в основном в связи с вдыханием радона. Показательно, что в кирпичных, каменных и бетонных домах мощность дозы в 2-3 раза больше, чем в деревянных.
Внутреннее облучение обусловлено радионуклидами, попадающими внутрь организма с воздухом, водой, пищей причем наибольший вклад в ЭЭД вносят радон, калий, радий, полоний и другие.
Колебания годовой дозы весьма значительны и зависят от местных геологических, почвенных, атмосферных и иных условий. В среднем в районах с нормальным фоном годовая ЭЭД внутреннего облучения почти вдвое больше дозы внешнего облучения и составляет соответственно около 1,35 мЗв (135 мбэр) и 0,65 мЗв (65 мбэр), из них 0,3 мЗв (30 мбэр) приходится на космическое излучение.
Годовая доза (ЭЭД) облучения каждого жителя Земли в среднем составляет около 2 мЗв (200 мбэр), кроме населения аномальных по фону районов, жителей высокогорья, а также детей в возрасте до 10 лет.
В силу особенностей физиологии детского организма годовая доза их облучения примерно в 1,5 раза выше, чем у взрослых в связи с более интенсивным поступлением продуктов распада радона с вдыхаемым воздухом. Она в среднем составляет 3 мЗв (300 мбэр). Подчеркнем, что так было всегда, тысячи и миллионы лет тому назад, это естественные условия среды обитания человека, в том числе детей.
В 1964-1965 годах с. помощью термолюминесцентных дозиметров-накопителей дозы и СССР были измерены среднегодовые дозы внешнего облучения населения ряда городов (без космического). Их колебании значительны: 42 и Алма-Ате от 1200 до 2000, в Севастополе - от 300 до 600, и Киеве - от 910 до 990 мкГр/год (или в среднем 95 мбэр/ шд). Следовательно, городское население в целом получает дозы, превышающие усредненные. Это объясняется большим количеством кирпичных и бетонных зданий в городах и продолжительностью пребывания в них городского населения по сравнению с сельским. Кроме того, дозы зависят также от количества гранитов, содержащих повышенное тело естественных радионуклидов. Они используются в городах для мощения улиц, облицовки зданий и других целей.
Например, в гранитах содержится около 1000-1500 Бк/ кг калия-40, тогда как в песчаниках и известняках соответственно 370 и 90 Бк/кг. Урана в гранитах в 2-3 раза, а тория - в 3-10 раз больше, чем в песчаниках и известняках. Как известно, Севастополь построен из известняков, что объясняет его низкий радиационный фон.
В целом же для территории России за основу уровня фонового облучения населения принято среднемировое значение годовой ЭЭД - 2 мЗв. Учитывая, что население нашем страны составляет около 280 млн человек, в том числе около 20 %-дети.
Наибольший интерес для понимания и оценки действия малых доз радиации представляют уровни облучения населения, живущего в районах с аномалиями природного фона, где более высокие дозы определяются в основном внутренним облучением за счет повышенного содержания тория (в почвах) и радия (в воде) или внешним - в высокогорных районах, жители которых в высоких широтах облучаются почти в два раза большими дозами космического излучения, чем в экваториальном поясе, и в 5-10 раз большими, чем на уровне моря. Примечательно, что в некоторых районах Индии и Бразилии уровни радиационного фона повышены вследствие значительных залежей радиоактивных минералов (монацитов).
Так, более 100 тыс. жителей индийских штатов Керала и Мадрас облучаются в дозах от 1,3 до 28 мГр в год (средневзвешенная популяционная доза составляет 13,5 мГр) (1350 мрад). Следует отметить, что это является усредненной дозой, но ведь часть населения облучается дозой до 28 мГр/год (2,8 рад/год). Между тем в процессе длительного наблюдения никаких отклонений в состоянии здоровья как взрослых, так и детей не выявлено.
В Бразилии в штатах Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро вдоль Атлантического побережья мощность дозы колеблется от 1 до 10 мкГр/ч, достигая на морских пляжах 20 мкГр/ч, а в штате Минас-Жейрас в некоторых местах - 28 мкГр/ч.
В городе Рамсер (Иран) имеются участки, где мощность дозы из-за высокого содержания в воде урана колеблется от 0,7 до 50 мкГр/ч. В ряде районов Франции типичная величина мощности дозы достигает 2 мкГр/ч, а сравнительно недавно обнаружен район, где она составляла 100 мкГр/ч. В среднем 7 млн французов ежегодно облучаются дозой 300 мбэр, то есть в 1,5 раза выше среднемирового уровня.
Районы с таким уровнем радиации есть в Италии, США, Швеции, на Мадагаскаре, вулканических островах Тихого океана. Годовая доза фона здесь в 1,5-2 и более раз превышает среднемировую. Есть такие районы на Украине - в Житомирской, Днепропетровской и Запорожской областях.
В совместном докладе ученых Всемирной и Панамериканской организации здравоохранения "Воздействие на здоровье людей повышенного естественного фона" отмечалось: "Вопреки ожиданиям не выявлено влияние относительно повышенного фона на смертность от онкопатологии, на частоту врожденных аномалий, отклонений в физическом развитии, индекс плодовитости женщин, частоту наследственной патологии, детскую смертность, соотношение полов и частоту спонтанных абортов".
Таким образом, значительные группы населения подвергаются постоянному фоновому облучению, от 1,5-2 до десятков раз превышающему среднемировую дозу.

На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки альфа- и бета-частиц, гамма-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воде подземных источников, реках, морях и океанах, в воздухе. Кроме того, радионуклиды входят в состав живых организмов. Совокупность излучений этих радиоактивных источников называется природным или естественным радиоактивным фоном.

Наиболее распространенные на Земле радионуклиды а также радионуклиды, оставляющие ряды урана.

Радиационный фон Земли определяется в основном следующими природными источниками (в % указан вклад соответствующего источника в общий фон):

- 50%

- 15%

Космические лучи – 15%

Нуклиды ряда урана – 20%

Космические лучи возникают в результате межзвездных и галактических событий и активности Солнца. Космическое излучение состоит из потомков протонов высоких энергий, альфа-частиц, ядер некоторых элементов, потоков электронов, фотонов и нейтронов. Магнитное поле Земли отклоняет низкоэнергетические заряженные частицы. Частицы высоких энергий, взаимодействуя с атмосферой, образуют в результате ядерных реакций целую серию радионуклидов и др. и потоки нейтронов и протонов. Образуются космические ливни, составляющие вторичное космическое излучение, проникающие в нижние слои атмосферы. На биосферу воздействует ионизирующий компонент вторичного космического излучение. Оно даёт 1,9-2,5 ионизаций/см³ на 1 с на уровне моря; в горах в 2-3 выше.

1. Нарушения естественного радиоактивного фона

Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к неисправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона является активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. может приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными причинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц,которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).

В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление деления ядер радиоактивных элементов, например, ядер урана. Это явление заключается в том, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа урана его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождается испусканием двух или трёх нейтронов, например: . Эта реакция одна из типичных, хотя в природе существуют ещё многие другие реакции деления урана.

Важно, что при делении урана высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядра больше суммарной массы осколков деления.

Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А: А=-dN/dt, где N – количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри(Ku): 1Ku=3,7*10^10 распад/с

Активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону: , где λ – постоянная распада, N0 – начальное количество ядер.

Для точечных источников излучений мощность экспозиционной дозы уменьшается с расстоянием по закону: , где r – расстояние от источника излучения, - гамма-постоянная, зависящая от природы радиоактивного источника.

Таким образом, при выпадении радионуклидов на почву степень опасности их влияния на организм зависит от природы радиоактивного изотопа, его активности и расстояния r от человека до источника, а экспозиционную дозу можно оценить из соотношения где ∆t – время облучения.

1. Виды физических полей. Человека. Их источники

Физическое поле - особый вид материи. Физические поля связывают составные части вещества в единые системы и передают с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Различают гравитационные, электромагнитные и другие поля.
Вихревое поле
Вихревое поле - поле, силовые линии которого являются замкнутым.
Гравитационное поле
Гравитационное поле - поле, которое создает вокруг себя тело, обладающее массой. Посредством гравитационных полей взаимодействуют физические объекты.
Материя
Материя - объективная реальность, данная нам в ощущениях.
Считается, что материя существует либо в виде вещества, либо в виде поля.
Формами существования материи являются пространство и время.
Силовые линии напряженности
Силовые линии напряженности - воображаемые линии, проведенные в гравитационном, магнитном или электрическом силовом поле так, что в каждой точке пространства направление касательной к этим силовым линиям совпадает с направлением напряженности поля.
Электромагнитное поле
Электромагнитное поле - особый вид материи:
- посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия;
- представляющий собой единство электрического и магнитного полей.
В каждой точке электромагнитное поле характеризуется:
- напряженностью и потенциалом электрического поля; а также
- индукцией магнитного поля.
- индукцией магнитного поля.
Электрическое поле - особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между покоящимися или движущимися электрическими зарядами.
Физическое поле - особый вид материи. Физические поля связывают составные части вещества в единые системы и передают с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Различают гравитационные, электромагнитные и другие поля.
Магнитное поле - особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитное поле:
- является формой электромагнитного поля;
- непрерывно в пространстве;
- порождается движущимися зарядами;
- обнаруживается по действию на движущиеся заряды;
- описывается уравнениями Максвелла.

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустичес­кие поля (гравитационное поле и элементарные частицы оста­ются за пределами нашего рассмотрения).

Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Схема электромагнитных (справа) и акустических (слева) собственных полей человека. Электромагнитные поля: Е - электри­ческое поле, В - магнитное, СВЧ - сверхвысокочастотные электро­магнитные волны дециметрового диапазона, ИК - электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания, КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излу­чение. Цифры - характерные частоты излучений (в герцах). Зашт­рихованы области тепловых излучений. Справа и слева указаны на­звания датчиков и приборов для регистрации соответствующих полей. СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр, ФЭУ — фотоэлектрический умножитель.

Электромагнитные поля. Диапазон собственного электромаг­нитного излучения ограничен со стороны коротких волн опти­ческим излучением, более коротковолновое излучение - вклю­чая рентгеновское и у-кванты - не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиовол­нами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты че­тыре диапазона электромагнитного поля, представленные на рис. 12.1, включают в себя:

· низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 103 Гц);

· радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109- 1010 Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

· инфракрасное (ИК) излучение (частота 10м Гц, длина вол­ны 3-10 мкм);

· оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны по­рядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими воз­можностями современной электроники, а особенностями био­логических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины. Характерные параметры различных электромагнитных полей, создаваемых телом человека, приве­дены в табл. 12.1.

Источники электромагнитных полей разные в различных ди­апазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным об­разом при протекании физиологических процессов, сопровож­дающихся электрической активностью органов: кишечником (-1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (-10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значени­ями, не превосходящими -1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей яв­ляется тепловое электромагнитное излучение.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с до­статочной точностью моделировать абсолютно черным телом, ко­торое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью.

Излучательная способность тела е^т - количество энергии, ис­пускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в еди­ничном интервале длин волн по всем направлениям - зависит от длины волны А. и абсолютной температуры тела Т.

Эта функция имеет максимум на длине волны Х.т «= Ьс / (5кТ), что при температуре человеческого тела Т = 310 К составляет около 10 мкм. Поэтому ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3-10 мкм, где оно максимально.

Из рис. 12.2 следует, что в СВЧ-диапазоне, в котором длина волны в 10* раз больше, плотность энергии теплового излуче­ния на много порядков меньше.

Измерение теплового излучения позволяет определить тем­пературу тела человека из-за того, что спектральная зависи- мость теплового излучения меняется с ростом температуры. На рис. 12.2 приведены кривые для двух температур черного тела: 290 К (кривая 1) и 310 К (кривая 2). Столь большую разность температур мы выбрали, чтобы ярче выделить различия меж­ду кривыми. Видно, что рост температуры всего на 20 К вызы­вает увеличение интенсивности излучения в 1,5 раза (в ИК-ди- апазоне) - в других диапазонах он заметно меньше.

Акустические поля. Диапазон собственного акустического из­лучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

Рис. 12.2. Спектральная плотность излучательной способности теп­лового электромагнитного излучения абсолютно черного тела как функция длины волны X. Выбраны логарифмические шкалы по обе­им осям, поскольку величины е^т и X, изменяются на много порядков. Небольшие видимые отличия кривых 1 и 2 на самом деле соответству­ют большим изменениям е^т(в несколько раз)

В порядке возрастания частоты (цифры на рис. 12.1) три диа­пазона акустического поля включают в себя: 1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10я Гц); 2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (V ~103 Гц); 3) ульт­развуковое излучение (V - 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах ча­стот имеют разную природу. Низкочастотное излучение созда­ется физиологическими процессами: дыхательными движени­ями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися коле­баниями поверхности человеческого тела в диапазоне прибли­зительно 0,01 - 103 Гц. Это излучение в виде колебаний по­верхности можно зарегистрировать контактными, либо бес­контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны прак­тически полностью отражаются обратно от границы раздела «воздух-тело человека* и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близ­ка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специаль­ный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Сред­нее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутренне­го уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный про­цесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в уш­ной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапа­зона является тепловое акустическое излучение - полный ана­лог соответствующего электромагнитного излучения. Оно воз­никает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной тем­пературой тела.

1. Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.
Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов – они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 – 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.
Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов.
Магнитное поле.
Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.

1. Инфракрасное излучение

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны^[1] λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами^[2].

Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;
• средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;
• длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм.^[3]

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

1. Электромагнитные волны СВЧ-диапазона

Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн (длина волны от 1 м (частота 300 МГц) до 1 мм — (300 ГГц)). Однако границы между инфракрасным, терагерцовым, СВЧ-излучением и ультравысокочастотными радиоволнами приблизительны и могут определяться по-разному.

СВЧ-излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел (как в бытовых, так и в промышленных СВЧ-печах для термообработки металлов), основным элементом в которых служит магнетрон, а также для радиолокации.

СВЧ-излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных — сотовых телефонах (кроме первых поколений), устройствах Bluetooth, WiFi и WiMAX.

1. Оптическое излучение тела человека

Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные регистрировать одиночные кванты света и выдавать на выходе кратковременные импульсы тока, которые затем считаются с помощью специальных электронных счетчиков.

Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см2 кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны 6 - 60 квантов, главным образом, в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния пациента, снижаясь в покое и повышаясь с ростом его активности.

Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое затем спадает во времени по сложной кинетической кривой с несколькими постоянными времени от единиц до десятков минут.

Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интенсивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтожна - с 1см2 поверхности тела один квант в среднем может излучаться лишь за много секунд.

Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. молекул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодействии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, измерено излучение при активации определенных клеток крови - нейтрофилов, связанное с генерацией активных форм кислорода.

1. Акустические волны тела человека

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10³ Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~10³ Гц);

3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10³ Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.