Какие виды лучи бывают. Какой вид излучений относится к фотонному излучению

Для тех, кто не знаком с физикой или только начинает ее изучать, вопрос, что такое излучение, является сложным. Но с данным физическим явлением мы встречаемся практически каждый день. Если сказать просто, то излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн и частиц или, другими словами, это энергетические волны, распространяющиеся вокруг.

Источник излучения и его виды

Источник электромагнитных волн может быть как искусственный, так и природный. Для примера, к искусственному излучению относят рентгеновские лучи.

Почувствовать излучение можно, даже не выходя из дома: стоит только подержать руку над горящей свечой, и сразу же вы ощутите излучение тепла. Его можно назвать тепловым, но кроме него в физике есть еще несколько видов излучений. Вот некоторые из них:

• Ультрафиолетовое - это излучение человек может чувствовать на себе во время загорания на солнце.
• Рентгеновское излучение обладает самыми короткими волнами, они называются рентгеновскими лучами.
• Инфракрасные лучи может видеть даже человек, пример этого - обычный детский лазер. Этот вид излучения образуется при совпадении микроволновых радиоизлучений и видимого света. Часто инфракрасное излучение применяется в физиотерапии.
• Радиоактивное излучение образуется во время распада химических радиоактивных элементов. Узнать подробнее о радиации можно из статьи .
• Оптическое излучение - это не что иное, как световое излучение, свет в широком смысле слова.
• Гамма-излучение - вид электромагнитного излучения с малой длиной волны. Используется, например, в лучевой терапии.

Ученым уже давно известно, что некоторые излучения пагубно влияют на организм человека. Насколько сильным будет это влияние, зависит от длительности и мощности излучения. Если подвергать себя длительное время излучению, это может привести к изменениям на клеточном уровне. Вся электронная техника, которая нас окружает, будь-то мобильный телефон, компьютер или микроволновая печь, - всё это оказывает влияние на здоровье. Поэтому нужно следить за тем, чтобы не подвергать себя лишнему излучению.

Важным свойством радиоактивности является ионизирующее излучение. Опасность этого явления для живого организма исследователи обнаружили с самого начала открытия радиоактивности. Так, А. Беккерель и М. Кюри-Склодовская, изучавшие свойства радиоактивных элементов, получили сильнейшие ожоги кожи от излучения радия.

Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Различают следующие виды ионизирующих излучений: α-,β-излучение, фотонное и нейтронное излучение. Ультрафиолетовое излучение и видимую часть светового спектра не относят к ионизирующим излучениям. Указанные выше виды излучения имеют различную проникающую способность (рис. 3.6), зависящую от носителя и энергии излучения.

Энергию излучения измеряют в электрон-вольтах (эВ). За 1 эВ принята энергия, которую приобретает электрон при перемещении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В. На практике чаще применяются десятичные кратные единицы: килоэлектрон-вольт (1 кэВ = 103эВ) и мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10эВ). Связь электрон-вольта с системной единицей энергии Дж задается выражением: 1 эВ = 1,6·10 -19 Дж.

Альфа-излучение (α-излучение) – ионизирующее излучение, представляющее собой поток относительно тяжелых частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых при ядерных превращениях. Энергия α-частиц составляет порядка нескольких мегаэлектрон-вольт и различна для разных радионуклидов. При этом некоторые радионуклиды испускают α-частицы нескольких энергий.

Этот вид излучения, имея малую длину пробега частиц, характеризуется слабой проникающей способностью, задерживаясь даже листком бумаги. Например, пробег α-частиц с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Излучение практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому α-излучение не опасно до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через органы дыхания, пищеварения или через открытые раны и ожоговые поверхности. Степень опасности радиоактивного вещества зависит от энергии испускаемых им частиц. Поскольку энергия ионизации одного атома составляет единицы–десятки электрон-вольт, каждая α-частица способна ионизировать до 100000 молекул внутри организма.

Бета-излучение – поток β-частиц (электронов и позитронов), обладающих большей проникающей способностью в сравнении сα-излучением. Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, распределяясь по энергии от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного радионуклида. Максимальная энергияβ-спектра различных радионуклидов лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Пробег β-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так, пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см. Однако они легко задерживаются тонким листом металла. Как и источники α-излучения, β-активные радионуклиды более опасны при попадании внутрь организма.

Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). После радиоактивного распада атомное ядро конечного продукта часто оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием гамма-квантов. Таким образом, γ-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой довольно жесткое электромагнитное излучение с длиной волны 10 -8 –10 -11 нм.

Энергия кванта γ-излучения Е (в эВ) связана с длиной волны соотношением

где λ выражена в нанометрах (1 нм = 10 -9 м).

Распространяясь со скоростью света, γ-лучи имеют высокую проникающую способность, значительно большую, чем α и β - частицы. Их может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Чем выше энергияγ -излучения и соответственно меньше длина его волны, тем выше проникающая способность. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

В отличие от γ-излучения рентгеновское имеет атомное происхождение, Оно образуется в возбужденных атомах при переходе электронов с удаленных орбит на более близкую к ядру орбиту или возникает при торможении заряженных частиц в веществе. Соответственно первое имеет дискретный энергетический спектр и называется характеристическим, второе – непрерывный спектр и называется тормозным. Диапазон энергий рентгеновского излучения – от сотен электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт. Несмотря на различное происхождение этих излучений, природа их одинакова, и поэтому рентгеновское и γ–излучение называют фотонным излучением.

Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников.

Нейтронное излучение возникает при делении тяжелых ядер и в других ядерных реакциях. Источниками нейтронного излучения на АЭС являются ядерные реакторы, плотность потока нейтронов в которых составляет 10 10 –10 14 нейтронов/(см·с); изотопные источники, содержащие естественные или искусственные радионуклиды, смешанные с веществом, испускающим нейтроны под влиянием бомбардировки егоα -частицами или γ-квантами. Такие источники применяют для градуировки контрольно-измерительной аппаратуры. Они дают потоки порядка 10 7 –10 8 нейтронов/с.

В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на следующие типы: медленные, или тепловые (со средней энергией∼ 0,025 эВ); резонансные (с энергией до 0,5 кэВ); промежуточные (с энергией от 0,5 кэВ до 0,5 МэВ); быстрые (с энергией от 0,5 до 20 МэВ); сверхбыстрые (с энергией свыше 20 МэВ).

При взаимодействии нейтронов с веществом наблюдаются два типа процессов: рассеяние нейтронов и ядерные реакции, в том числе вынужденное деление тяжелых ядер. Именно с последним видом взаимодействий связано возникновение цепной реакции, происходящей при атомном взрыве (неуправляемая цепная реакция) и в ядерных реакторах (управляемая цепная реакция) и сопровождающейся выделением огромных количеств энергии.

Проникающая способность нейтронного излучения сравнима с γ-излучением. Тепловые нейтроны эффективно поглощаются материалами, содержащими бор, графит, свинец, литий, гадолиний и некоторые другие вещества; быстрые нейтроны эффективно замедляются парафином, водой, бетоном и др.

Основные понятия дозиметрии. Имея разную проникающую способность, ионизирующие излучения различных типов оказывают различное воздействие на ткани живого организма. При этом повреждений, вызываемых излучением, будет тем больше, чем большая энергия воздействует на биологический объект. Количество энергии, переданное организму при ионизирующем воздействии, называется дозой.

Физической основой дозы ионизирующего излучения является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Дозу облучения можно получить от любого радионуклида или от их смеси независимо от того, находятся они вне организма или внутри него в результате попадания с пищей, водой или воздухом. Дозы рассчитываются по-разному с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.

Количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого организма, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Размерность грея – джоуль, деленный на килограмм массы (Дж/кг). Однако величина поглощенной дозы не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение и нейтронное излучение гораздо опаснее, чем β-излучение илиγ -излучение. Поэтому для более точной оценки степени поражения организма величину поглощенной дозы надо увеличить на некоторый коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать биологические объекты. Такой коэффициент называется радиационным взвешивающим фактором. Его величина для β и γ-излучений принимается равной 1, для α-излучения – 20, для нейтронного излучения изменяется в диапазоне 5–20 в зависимости от энергии нейтронов.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, которая в системе СИ измеряется в зивертах (Зв). Размерность зиверта такая же, как у грея – Дж/кг. Доза, полученная за единицу времени, классифицируется в системе СИ как мощность дозы и имеет размерность Гр/с или Зв/с. В системе СИ допустимо применение несистемных единиц измерения времени, таких как час, сутки, год, поэтому при расчете доз применяют такие размерности, как Зв/ч, Зв/сут, Зв/год.

До сих пор в геофизике, геологии и частично в радиоэкологии применяется несистемная единица дозы – рентген. Эта величина была введена в употребление еще на заре атомной эры (в 1928 г.) и использовалась для измерения величины экспозиционной дозы. Рентген равен такой дозеγ -излучения, которая создает в одном кубическом сантиметре сухого воздуха общий заряд ионов, равный одной единице электрического заряда. При измерении в воздухе экспозиционной дозыγ -излучения используются соотношения между рентгеном и греем: 1 Р = 8,77 мДж/кг или 8,77 мГр. Соответственно 1 Гр = 114 Р.

В дозиметрии сохранилась еще одна внесистемная единица – рад, равная поглощенной дозе облучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию, равную 0,01 Дж. Соответственно I рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. В настоящее время эта единица выходит из употребления.

При расчете доз, получаемых организмом, следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к облучению, чем другие. В частности, при одинаковой эквивалентной дозе поражение легких более вероятно, чем, например, щитовидной железы. Междуна

родной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) были разработаны пересчетные коэффициенты, которые рекомендуется использовать при оценке дозы облучения различных органов и биологических тканей человека (рис. 3.7).

После умножения величины эквивалентной дозы для данного органа на соответствующий коэффициент и суммирования ее по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект от облучения на организм. Эта доза также измеряется в зивертах. Описанное понятие дозы характеризует лишь индивидуально получаемые дозы.

При необходимости изучения эффектов действия радиации на группу людей используется понятие коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и будут действовать на население в отдаленном будущем, коллективную эффективную эквивалентную дозу от подобных источников будут получать еще многие поколения людей, живущих на планете. Для оценки указанной дозы введено понятие ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая позволяет прогнозировать поражение группы людей от действия постоянных источников радиации. Для наглядности описанная выше система понятий проиллюстрирована на рис. 3.8.

Реалии нашего времени таковы, что в естественную среду обитания людей все активнее вторгаются новые факторы. Одним из которых являются разнообразные виды электромагнитных излучений.

Естественный электромагнитный фон сопровождал людей всегда. А вот его искусственная составляющая, постоянно пополняется новыми источниками. Параметры каждого из них отличаются мощностью и характером излучения, длиной волны, а также степенью воздействия на здоровье. Какое же излучение является самым опасным для человека?

Как электромагнитное излучение влияет на человека

Электромагнитное излучение распространяется в воздухе в виде электромагнитных волн, которые представляют собой совокупность электрического и магнитного полей, изменяющихся по определённому закону. В зависимости от частоты его условно делят на диапазоны.

Процессы передачи информации внутри нашего организма имеют электромагнитную природу. Пришедшие электромагнитные волны вносят дезинформацию в этот отлаженный природой механизм, вызывая вначале нездоровые состояния, а затем и патологические изменения по принципу «где тонко там и рвётся». У одного - это гипертония, у другого - аритмия, у третьего - гормональный дисбаланс и так далее.

Механизм действия излучения на органы и ткани

Каков же механизм действия излучения на органы и ткани человека? При частотах меньших 10 Гц тело человека ведёт себя подобно проводнику. Особенно чувствительна к токам проводимости нервная система. С небольшим повышением температуры тканей вполне справляется механизм теплоотдачи, функционирующий в организме.

Иное дело электромагнитные поля высокой частоты. Их биологический эффект выражается в заметном повышении температуры облучаемых тканей, вызывающих обратимые и необратимые изменения в организме.

У человека, получившего дозу СВЧ-облучения свыше 50 микрорентген в час, могут появиться нарушения на клеточном уровне:

• мертворождённые дети;
• нарушения в деятельности различных систем организма;
• острые и хронические заболевания.

Какой вид излучения обладает наибольшей проникающей способностью

Какой же диапазон электромагнитных излучений является самым опасным? Тут не всё так просто. Процесс излучения и поглощения энергии происходит в виде определённых порций - квантов. Чем меньше длина волны, тем большей энергией обладают её кванты и тем больше неприятностей он может натворить, попав в организм человека.

Самые «энергичные» кванты у жёсткого рентгеновского и гамма-излучения. Все коварство излучений коротковолнового диапазона в том, что самих излучений мы не чувствуем, а лишь ощущаем последствия их пагубного воздействия, которые в значительной степени зависят от глубины их проникновения в ткани и органы человека.

Какой же вид излучения обладает наибольшей проникающей способностью? Конечно, это излучение с минимальной длиной волны, то есть:

• рентгеновское;

Именно кванты этих излучений обладают наибольшей проникающей способностью и самое опасное, они ионизируют атомы. В результате чего возникает вероятность наследственных мутаций, даже при малых дозах облучения.

Если говорить о рентгене, то его разовые дозы при медицинских обследованиях весьма незначительны, а максимально допустимая доза, накопленная за всю жизнь не должна превышать 32 Рентгена. Для получения такой дозы понадобятся сотни рентгеновских снимков, выполняемых с малыми интервалами времени.

Что может явиться источником гамма-излучения? Как правило, оно возникает при распаде радиоактивных элементов.

Жёсткая часть ультрафиолета способна не только ионизировать молекулы, но и вызвать очень серьёзное поражение сетчатки глаза. А, вообще, глаз человека наиболее чувствителен к длинам волн, соответствующих светло-салатному цвету. Им соответствуют волны 555–565 нм. В сумерках чувствительность зрения смещается в сторону более коротких - синих волн 500 нм. Это объясняется большим количеством фоторецепторов, воспринимающих эти длины волн.

Но самое серьёзное поражение органов зрения вызывает лазерное излучение видимого диапазона.

Как уменьшить опасность избытка излучения в квартире

И всё-таки какое излучение является самым опасным для человека?

Бесспорно, что гамма-излучение весьма «недружественно» относится к человеческому организму. Но и более низкочастотные электромагнитные волны способны причинить вред здоровью. Аварийное или плановое отключение электроэнергии дезорганизует наш быт и привычную работу. Вся электронная «начинка» наших квартир становится бесполезной, а мы, лишившись интернета, сотовой связи, телевидения оказываемся отрезанными от мира.

Весь арсенал электробытовых приборов в той или иной мере является источником электромагнитных излучений, снижающий иммунитет и ухудшающий функционирование эндокринной системы.

Была установлена связь между удалённостью места проживания человека от линий высоковольтных передач и возникновением злокачественных опухолей. В том числе и детской лейкемии. Эти печальные факты можно продолжать до бесконечности. Важнее выработать определённые навыки в их эксплуатации:

• при работе большинства бытовых электроприборов старайтесь выдерживать расстояние от 1 до 1,5 метра;
• располагайте их в разных частях квартиры;
• помните, что электробритва, безобидный блендер, фен, электрическая зубная щётка - создают достаточно сильное электромагнитное поле, опасное своей близостью к голове.

Как проверить уровень электромагнитного смога в квартире

Для этих целей хорошо бы иметь специальный дозиметр.

Для радиочастотного диапазона существует своя безопасная доза излучения. Для России она определяется как плотность потока энергии, и измеряется в Вт/м² или мкВт/см².

1. Для частот начиная от 3 Гц и до 300 кГц доза излучения не должен превышать 25 Вт/м².
2. Для частот начиная от 300 Мгц до 30 ГГц 10 - 100 мкВт/см².

В различных странах критерии оценки опасности излучения, а также используемые для их количественной оценки величины, могут отличаться.

При отсутствии дозиметра существует достаточно простой и эффективный способ проверки уровня электромагнитного излучения от ваших домашних электроприборов.

1. Включите все электроприборы. Поочерёдно подходите к каждому из них с работающим радиоприёмником.
2. Уровень, возникающих в нём помех (треск, писк, шум) подскажет, какой из приборов является источником более сильного электромагнитного излучения.
3. Повторите эту манипуляцию около стен. Уровень помех и здесь укажет самые загрязнённые электромагнитным смогом места.

Может быть, есть смысл переставить мебель? В современно мире наш организм, итак подвергается избыточному отравлению, поэтому любые действия в защиту от электромагнитных излучений - это бесспорный плюс в копилку вашего здоровья.

ИЗЛУЧЕНИЕ электромагнитное,

1) в классической электродинамике - процесс образования свободного электромагнитного поля, происходящий при взаимодействии электрически заряженных частиц (или их систем); в квантовой теории - процесс рождения (испускания) фотонов при изменении состояния квантовой системы;

2) свободное электромагнитное поле - электромагнитные волны.

Основы классической теории излучения - электродинамики - заложены в 1-й половине 19 века в работах М. Фарадея и Дж. К. Максвелла, который развил идеи Фарадея, придав законам излучения строгую математическую форму. Из Максвелла уравнений следовало, что электромагнитные волны в вакууме в любой системе отсчёта распространяются с одной скоростью - со скоростью света с = 3·10 8 м/с. Теория Максвелла объяснила многие физические явления, объединила оптические, электрические и магнитные явления, стала основой электротехники и радиотехники, но ряд явлений (например, спектры атомов и молекул) удалось объяснить только после создания квантовой теории излучения, основы которой заложили М. Плат, А. Эйнштейн, Н. Бор, П. Дирак и др. Полное обоснование теория излучения получила в квантовой электродинамике, которая была завершена в 1950-х годах в работах Р. Ф. Фейнмана, Дж. Швингера, Ф. Дайсона и др.

Характеристики процесса излучения и свободного электромагнитного поля (интенсивность излучения, спектр излучения, распределение в нём энергии, плотность потока энергии излучения и др.) зависят от свойств излучающей заряженной частицы (или системы частиц) и условий взаимодействия её с электрическими и/или магнитными полями, приводящего к излучению. Так, при прохождении заряженной частицы в веществе в результате взаимодействия с атомами вещества скорость частицы изменяется и она испускает так называемое тормозное излучение (смотри ниже). Свободное электромагнитное поле в зависимости от диапазона длин волн λ называют радиоизлучением (смотри Радиоволны), инфракрасным излучением, оптическим излучением, ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, гамма-излучением.

Электромагнитное поле равномерно и прямолинейно движущейся в вакууме заряженной частицы на далёких от неё расстояниях пренебрежимо мало, и можно сказать, что увлекаемое ею поле движется вместе с ней с той же скоростью. Свойства такого собственного поля заряженной частицы зависят от величины и направления её скорости и не меняются, если она постоянна; такая частица не излучает. Если скорость заряженной частицы изменилась (например, при столкновении с другой частицей), то собственное поле до и после изменения скорости различно - при изменении скорости собственное поле перестраивается так, что часть его отрывается и уже не связана с заряженной частицей - становится свободным полем. Т.о., образование электромагнитных волн происходит при изменении скорости заряженной частицы; причины изменения скорости разнообразны, в соответствии с этим возникают различные типы излучения (тормозное, магнитотормозное и т. п.). Излучение системы частиц зависит от её структуры; оно может быть аналогично излучению частицы, представлять собой излучения диполя (дипольное излучение) или мультиполя (мультипольное излучение).

При аннигиляции электрона и позитрона (смотри Аннигиляция и рождение пар) также образуется свободное электромагнитное поле (фотоны). Энергия и импульс аннигилирующих частиц сохраняются, т. е. передаются электромагнитному полю. Это означает, что поле излучения всегда обладает энергией и импульсом.

Образовавшиеся в процессе излучения электромагнитные волны образуют поток уходящей от источника энергии, плотность которого S(r,t) (Пойнтинга вектор - энергия, протекающая за единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную потоку) в момент времени t на расстоянии r от излучающей заряженной частицы пропорциональна векторному произведению напряжённостей магнитного Н(r,t) и электрического Е(r,t) полей:

Полную энергию W, теряемую заряженной частицей за единицу времени в процессе излучения, можно получить, вычислив поток энергии через сферу бесконечно большого радиуса r.

где dΩ. - элемент телесного угла, n - единичный вектор в направлении распространения излучения Собственное поле системы зарядов на далёких расстояниях убывает с расстоянием быстрее, чем 1/r, а поле излучения на больших расстояниях от источника убывает как 1/r.

Когерентность излучателей. Плотность потока излучения, приходящего в определённую точку пространства от двух одинаковых источников, пропорциональна векторному произведению сумм напряжённостей электрических E 1 (r, t) и Е 2 (r, t) и магнитных Н 1 (r,t) и Н 2 (r,t) полей электромагнитных волн от источников 1 и 2:

Результат сложения двух синусоидальных плоских волн зависит от фаз, в которых они приходят в данную точку. Если фазы одинаковы, то поля Е и Н удваиваются, а энергия поля в данной точке увеличивается в 4 раза по сравнению с энергией поля от одного источника. В том случае, когда волны от двух разных источников приходят к детектору с противоположными фазами, перекрёстные произведения полей и [Е 2 (r,t)Н 1 (r,t)]в(3) обращаются в нуль. В результате от двух излучателей в данную точку приходит энергия вдвое большая, чем от одного излучателя. В случае N излучателей, волны от которых приходят в данную точку в одинаковых фазах, энергия увеличится в N 2 раз. Такие излучатели называются когерентными. Если же фазы приходящих к детектору волн от каждого излучателя случайные, то поля от разных излучателей при сложении в точке наблюдения частично погашаются. Тогда от N источников детектор зарегистрирует энергию в N раз большую, чем от одного источника. Такие источники (и их излучения) называют некогерентными. К ним относятся практически все обычные источники света (пламя свечи, лампы накаливания, люминесцентные лампы и т.п.); в них моменты времени высвечивания каждого атома или молекулы (и, соответственно, фазы, в которых приходят в определённую точку волны их излучения) случайны. Когерентными источниками излучения являются лазеры, в которых создаются условия для одновременного высвечивания всех атомов рабочего вещества.

Реакция излучения. Излучающая заряженная частица теряет энергию, так что в процессе излучения создаётся действующая на частицу сила, замедляющая её скорость и называемая силой реакции излучения или силой радиационного трения. При нерелятивистских скоростях заряженных частиц сила реакции излучения всегда мала, но при скоростях, близких к скорости света, она может играть основную роль. Так, в магнитном поле Земли потери энергии на излучения электронов космических лучей, обладающих высокой энергией, столь велики, что электроны не могут долететь до поверхности Земли. У частиц космических лучей с такой же энергией и большей массой потери энергии на излучения меньше, чем у электронов, и они долетают до поверхности Земли. Отсюда следует, что состав космических лучей, регистрируемый на поверхности Земли и с ИСЗ, может быть различен.

Длина когерентности излучения. Процессы излучения при нерелятивистских и ультрарелятивистских скоростях заряженной частицы различаются размерами области пространства, где формируется поле излучения. В нерелятивистском случае (когда скорость v частицы невелика) поле излучения уходит от заряда со скоростью света и процесс излучения заканчивается быстро, размер области формирования излучения (длина когерентности) L намного меньше длины волны излучения λ, L~λv/с. Если же скорость частицы близка к скорости света (при релятивистских скоростях), образовавшееся поле излучения и создавшая его частица движутся долгое время вблизи друг друга и расходятся, пролетев достаточно большой путь. Формирование поля излучения продолжается много дольше, и длина L много больше длины волны, L~λγ (где γ= -1/2 - лоренц-фактор частицы).

Тормозное излучение возникает при рассеянии заряженной частицы на атомах вещества. Если время Δt за которое частица с зарядом е при рассеянии изменяет скорость от v 1 до v 2 , много меньше времени формирования излучения L/v, то изменение скорости заряженной частицы можно считать мгновенным. Тогда распределение энергии излучения по углам и круговым частотам ω имеет вид:

Умножив это выражение на вероятность изменения скорости частицы при рассеянии от v 1 до v 2 и проинтегрировав полученное выражение по всем v 2 , можно получить распределение энергии тормозного излучения по частотам и углам (не зависящее от частоты). Более лёгкие частицы легче отклоняются при взаимодействии с атомом, поэтому интенсивность тормозного излучения обратно пропорциональна квадрату массы быстрой частицы. Тормозное излучение - основная причина потерь энергии релятивистских электронов в веществе в том случае, когда энергия электрона больше некоторой критической энергии, составляющей для воздуха 83 МэВ, для Al - 47 МэВ, для РЬ -59 МэВ.

Магнитотормозное излучение возникает при движении заряженной частицы в магнитном поле, искривляющем траекторию её движения. В постоянном и однородном магнитом поле траектория движения заряженной частицы массой m представляет собой спираль, т. е. складывается из равномерного движения вдоль направления поля и вращения вокруг него с частотой ω Н = еН/γmс.

Периодичность движения частицы приводит к тому, что излучаемые ею волны имеют частоты, кратные ω Н: ω = Мω Н, где N=1,2,3 ... . излучения ультрарелятивистских частиц в магнитном поле называется синхротронным излучением. Оно имеет широкий спектр частот с максимумом при ω порядка ω Н γ 3 и основная доля излучённой энергии лежит в области частот ω » ω Н. Интервалы между соседними частотами в этом случае много меньше частоты, поэтому распределение частот в спектре синхротронного излучения можно приближённо считать непрерывным. В области частот ω « ω Н γ 3 интенсивность излучения растёт с частотой как ω 2/3 , а в области частот ω » ω Н γ 3 интенсивность излучения экспоненциально убывает с ростом частоты. Синхротронное излучение имеет малую угловую расходимость (порядка l/γ) и высокую степень поляризации в плоскости орбиты частицы. Магнитотормозное излучение при нерелятивистских скоростях заряженных частиц называют циклотронным излучением, его частота ω = ω Н.

Ондуляторное излучение возникает при движении ультрарелятивистской заряженной частицы с малыми поперечными периодическими отклонениями, например при пролёте в периодически меняющемся электрическом поле (такое поле формируется, например, в специальных устройствах - ондуляторах). Частота ω ондуляторного излучения связана с частотой поперечных колебаний ω 0 частицы соотношением

где θ- угол между скоростью частицы v и направлением распространения ондуляторного излучения. Аналог этого типа излучения - излучение, возникающее при каналировании заряженных частиц в монокристаллах, когда движущаяся между соседними кристаллическими ографическими плоскостями частица испытывает поперечные колебания вследствие взаимодействия с внутрикристаллическим полем.

Излучение Вавилова - Черенкова наблюдается при равномерном движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света с/ε 1/2 в среде (ε - диэлектрическая проницаемость среды). В этом случае часть собственного поля частицы отстаёт от неё и формирует электромагнитные волны, распространяющиеся под углом к направлению движения частицы (смотри Вавилова - Черенкова излучение), который определяется равенством cos θ = с/vε 1/2 . За открытие и объяснение этого принципиально нового вида излучения, нашедшего широкое применение для измерения скорости заряженных частиц, И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову присуждена Нобелевская премия (1958).

Переходное излучение (предсказанное В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком в 1946) возникает при равномерном прямолинейном движении заряженной частицы в пространстве с неоднородными диэлектрическими свойствами. Наиболее часто оно формируется при пересечении частицей границы раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями (часто именно это излучение считают переходным; смотри Переходное излучение). Собственное поле движущейся с постоянной скоростью частицы в разных средах различно, так что на границе раздела сред происходит перестройка собственного поля, приводящая к излучению. Переходное излучение не зависит от массы быстрой частицы, его интенсивность зависит не от скорости частицы, а от её энергии, что позволяет создавать на его основе уникальные точные методы регистрации частиц сверхвысоких энергий.

Дифракционное излучение возникает при пролёте заряженной частицы в вакууме вблизи поверхности вещества, когда собственное поле частицы изменяется вследствие его взаимодействия с неоднородностями поверхности. Дифракционное излучение успешно применяется для изучения поверхностных свойств вещества.

Излучение систем заряженных частиц.

Простейшая система, которая может излучать, - диполь электрический с переменным дипольным моментом - система из двух разноимённо заряженных колеблющихся частиц. При изменении поля диполя, например при колебаниях частиц, вдоль соединяющей их прямой (оси диполя) навстречу друг другу, часть поля отрывается, и формируются электромагнитные волны. Такое излучение неизотропно, его энергия в различных направлениях неодинакова: максимальна в направлении, перпендикулярном оси колебаний частиц, и отсутствует в перпендикулярном направлении, для промежуточных направлений его интенсивность пропорциональна sinθ 2 (θ - угол между направлением излучения и осью колебания частиц). Реальные излучатели, как правило, состоят из большого числа разноимённо заряженных частиц, но часто учёт их расположения и детали движения вдали от системы несущественны; в этом случае, возможно упростить истинное распределение, «стянув» одноимённые заряды к некоторым центрам распределения зарядов. Если система в целом электронейтральна, то её излучение приближённо можно считать излучением электрического диполя.

Если дипольное излучение системы отсутствует, то её можно представить как квадруполь или более сложную систему - мультиполь. При движении зарядов в ней возникает электрическое квадрупольное или мультипольное излучение. Источниками излучения могут быть также системы, которые представляют собой магнитные диполи (например, контур с током) или магнитные мультиполи. Интенсивность магнитного дипольного излучения, как правило, в (v/с) 2 раз меньше интенсивности электрического дипольного излучения и одного порядка с электрическим квадрупольным излучением.

Квантовая теория излучения. Квантовая электродинамика рассматривает процессы излучения квантовыми системами (атомами, молекулами, атомными ядрами и др.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики; при этом свободное электромагнитное поле представляют как совокупность квантов этого поля - фотонов. Энергия фотона Е пропорциональна его частоте v (v = ω/2π), то есть Е=hv (h - постоянная Планка), а импульс р - волновому вектору k: р = hk. Излучение фотона сопровождается квантовым переходом системы из состояния с энергией E 1 в состояние с меньшей энергией Е 2 =E 1 - hv (с уровня энергии E 1 на уровень Е 2). Энергия связанной квантовой системы (например, атома) квантована, т. е. принимает лишь дискретные значения; частоты излучения такой системы тоже дискретны. Таким образом, излучение квантовой системы состоит из отдельных спектральных линий с определёнными частотами, т. е. имеет дискретный спектр. Непрерывный (сплошной) спектр излучения получается в том случае, когда одна (или обе) из последовательностей значений начальной и конечной энергий системы, в которой происходит квантовый переход, непрерывна (например, при рекомбинации свободного электрона и иона).

Квантовая электродинамика позволила вычислять интенсивности излучения различных систем, рассматривать вероятности безызлучательных переходов, процессы переноса излучения, рассчитывать так называемые радиационные поправки и другие характеристики излучения квантовых систем.

Все состояния атома, кроме основного (состояния с минимальной энергией), называемые возбуждёнными, неустойчивы. Находясь в них, атом через определённое время (порядка 10 -8 с) самопроизвольно испускает фотон; такое излучение называется спонтанным или самопроизвольным. Характеристики спонтанного излучения атома - направление распространения, интенсивность, поляризация - не зависят от внешних условий. Набор длин волн излучения индивидуален для атома каждого химического элемента и представляет его атомный спектр. Основным излучением атома является дипольное излучение, которое может происходить только при квантовых переходах, разрешённых отбора правилами для электрических дипольных переходов, то есть при определённых соотношениях между характеристиками (квантовыми числами) начального и конечного состояний атома. Мультипольное излучение атома (так называемые запрещённые линии) при определённых условиях также может возникать, но вероятность переходов, при которых оно происходит, мала, и его интенсивность, как правило, невелика. Излучение атомных ядер происходит при квантовых переходах между ядерными уровнями энергии и определяется соответствующими правилами отбора.

излучение различных молекул, в которых происходят колебательные и вращательные движения составляющих их заряженных частиц, имеет сложные спектры, обладающие электронно-колебательно-вращательной структурой (смотри Молекулярные спектры).

Вероятность испускания фотона с импульсом hk и энергией hv пропорциональна (n k + 1), где n k - число точно таких же фотонов в системе до момента испускания. При n k = 0 происходит спонтанное излучение, если n k ≠ 0, появляется также вынужденное излучение. Фотон вынужденного излучения, в отличие от спонтанного, обладает таким же направлением распространения, частотой и поляризацией, что и фотон внешнего излучения; интенсивность вынужденного излучения пропорциональна числу фотонов внешнего излучения. Существование вынужденного излучения постулировал в 1916 году А. Эйнштейн, который рассчитал вероятность вынужденного излучения (смотри Эйнштейна коэффициенты). В обычных условиях вероятность (и, следовательно, интенсивность) вынужденного излучения мала, однако в квантовых генераторах (лазерах) для увеличения n k рабочее вещество (излучатель) помещают в оптические резонаторы, удерживающие фотоны внешнего излучения вблизи него. Каждый испущенный веществом фотон увеличивает n k , поэтому интенсивность излучения с данным k быстро растёт при малой интенсивности излучения фотонов со всеми другими k. В результате квантовый генератор оказывается источником вынужденного излучения с очень узкой полосой значений v и k - когерентного излучения. Поле такого излучения очень интенсивно, может стать сравнимым по величине с внутримолекулярными полями, и взаимодействие излучения квантового генератора (лазерного излучения) с веществом становится нелинейным (смотри Нелинейная оптика).

Излучение различных объектов несёт информацию об их структуре, свойствах и процессах, происходящих в них; его исследование - мощный и часто единственный (например, для космических тел) способ их изучения. Теории излучения принадлежит особая роль в формировании современной физической картины мира. В процессе построения этой теории возникли теория относительности, квантовая механика, были созданы новые источники излучения, получен ряд достижений в области радиотехники, электроники и др.

Лит.: Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. 4-е изд. М., 1981; Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. 8-е изд. М., 2001 ; Тамм И. Е. Основы теории электричества. 11-е изд. М., 2003.

Атомная энергия достаточно активно используется с мирными целями, например, в работе рентгеновского аппарата, ускорительной установки, что позволило распространять ионизирующие излучения в народном хозяйстве. Учитывая то, что человек ежедневно подвергается его воздействию, необходимо узнать, какими могу быт последствия опасного контакта и как обезопасить себя.

Основная характеристика

Ионизирующее излучение – это разновидность энергии лучистой, попадающей в конкретную среду, вызывая процесс ионизации в организме. Подобная характеристика ионизирующих излучений подходит для рентгеновских лучей, радиоактивных и высоких энергий, а также многое другое.

Ионизирующее излучение оказывает непосредственное влияние на организм человека. Несмотря на то что ионизирующее излучение может применяться в медицине, оно чрезвычайно опасно, о чем свидетельствует его характеристика и свойства.

Известными разновидностями являются облучения радиоактивные, которые появляются по причине произвольного расщепления атомного ядра, что вызывает трансформацию химических, физических свойств. Вещества, которые могут распадаться, считаются радиоактивными.

Они бывают искусственными (семьсот элементов), естественными (пятьдесят элементов) – торий, уран, радий. Следует отметить, что у них имеются канцерогенные свойства, выделяются токсины в результате воздействия на человека могут стать причиной рака, лучевой болезни.

Необходимо отметить следующие виды ионизирующих излучений, которые оказывают воздействие на организм человека:

Альфа

Считаются положительно заряженными ионами гелия, которые появляются в случае распада ядер тяжелых элементов. Защита от ионизирующих излучений осуществляется с помощью бумажного листка, ткани.

Бета

– поток отрицательно заряженных электронов, которые появляются в случае распада радиоактивных элементов: искусственных, естественных. Поражающий фактор намного выше, чем у предыдущего вида. В качестве защиты понадобится толстый экран, более прочный. К таким излучениям относятся позитроны.

Гамма

– жесткое электромагнитное колебание, появляющееся впоследствии распада ядер радиоактивных веществ. Наблюдается высокий проникающий фактор, является самым опасным излучением из трех перечисленных для организма человека. Чтобы экранировать лучи, нужно воспользоваться специальными устройствами. Для этого понадобятся хорошие и прочные материалы: вода, свинец и бетон.

Рентгеновское

Ионизирующее излучение формируется в процессе работы с трубкой, сложными установками. Характеристика напоминает гамма лучи. Отличие заключается в происхождении, длине волны. Присутствует проникающий фактор.

Нейтронное

Излучение нейтронное – это поток незаряженных нейтронов, которые входя в состав ядер, кроме водорода. В результате облучения, вещества получают порцию радиоактивности. Имеется самый большой проникающий фактор. Все эти виды ионизирующих излучений очень опасны.

Главные источники излучения

Источники ионизирующего излучения бывают искусственными, естественными. В основном организм человека получает радиацию от естественных источников, к ним относятся:

• земная радиация;
• облучение внутреннее.

Что касается источников земной радиации, многие из них канцерогенные. К ним относят:

• уран;
• калий;
• торий;
• полоний;
• свинец;
• рубидий;
• радон.

Опасность состоит в том, что они канцерогенные. Радон – газ, у которого отсутствует запах, цвет, вкус. Он тяжелее воздуха в семь с половиной раз. Продукты его распада намного опаснее, чем газ, поэтому воздействие на организм человека крайне трагично.

К искусственным источникам относятся:

• энергетика ядерная;
• фабрики обогатительные;
• рудники урановые;
• могильники с отходами радиоактивными;
• рентгеновские аппараты;
• взрыв ядерный;
• научные лаборатории;
• радионуклиды, которые активно используют в современной медицине;
• осветительные устройства;
• компьютеры и телефоны;
• бытовая техника.

При наличии указанных источников поблизости, существует фактор поглощенной дозы ионизирующего излучения, единица которого зависит от продолжительности воздействия на организм человека.

Эксплуатация источников ионизирующего излучения происходит ежедневно, например: когда вы работаете за компьютером, смотрите телепередачу или говорите по мобильному телефону, смартфону. Все перечисленные источники в какой-то мере канцерогенные, они способны вызвать тяжелые и смертельные заболевания.

Размещение источников ионизирующего излучения включает в себя перечень важных, ответственных работ, связанных с разработкой проекта по расположению облучающих установок. Во всех источниках излучения содержится определенная единица радиации, каждая из которых оказывает определенное воздействие на организм человека. Сюда можно отнести манипуляции, проводимые для монтажа, введения данных установок в эксплуатацию.

Следует указать, что обязательно проводится утилизация источников ионизирующего излучения.

Это процесс, который помогает вывести из эксплуатации генерирующие источники. Данная процедура состоит из технических, административных мер, которые направлены на обеспечение безопасности персонала, населения, а также присутствует фактор защиты окружающей среды. Канцерогенные источники и оборудование являются огромной опасностью для организма человека, поэтому их нужно утилизировать.

Особенности регистрации излучений

Характеристика ионизирующих излучений показывает, что они невидимые, у них нет запаха и цвета, поэтому их сложно заметить.

Для этого существуют методы регистрации ионизирующих излучений. Что касается способов обнаружения, измерения, то все осуществляется косвенно, за основу берется какое-либо свойство.

Используют такие методы обнаружения ионизирующих излучений:

• Физический: ионизационный, пропорциональный счетчик, газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, камера ионизационная, счетчик полупроводниковый.
• Калориметрический метод обнаружения: биологический, клинический, фотографический, гематологический, цитогенетический.
• Люминесцентный: счетчики флуоресцентный и сцинтилляционный.
• Биофизический способ: радиометрия, расчетный.

Дозиметрия ионизирующих излучений осуществляется с помощью приборов, они способны определить дозу излучения. Прибор включает в себя три основные части – счетчик импульса, датчик, источник питания. Дозиметрия излучений возможна благодаря дозиметру, радиометру.

Влияния на человека

Действие ионизирующего излучения на организм человека особенно опасно. Возможны такие последствия :

• имеется фактор очень глубокого биологического изменения;
• присутствует накопительный эффект единицы поглощенной радиации;
• эффект проявляется через время, так как отмечается скрытый период;
• у всех внутренних органов, систем разная чувствительность к единице поглощенной радиации;
• радиация влияет на все потомство;
• эффект зависит от единицы поглощенной радиации, дозы облучения, продолжительности.

Несмотря на использование радиационных приборов в медицине, их действие может быть пагубным. Биологическое действие ионизирующих излучений в процессе равномерного облучения тела, в расчете 100% дозы, происходит следующее:

• костный мозг – единица поглощенной радиации 12%;
• легкие – не менее 12%;
• кости – 3%;
• семенники, яичники – поглощенной дозы ионизирующего излучения около 25%;
• железа щитовидная – единица поглощенной дозы около 3%;
• молочные железы – приблизительно 15%;
• остальные ткани – единица поглощенной дозы облучения составляет 30%.

В результате могут возникать различные заболевания вплоть до онкологии, паралича и лучевой болезни. Чрезвычайно опасно для детей и беременных, так как происходит аномальное развитие органов и тканей. Токсины, радиация – источники опасных заболеваний.