Elektromagnetska radijacija

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Klasična elektrodinamika
VFPt solenoid ispravan2.svg
Električni magnetizam
Vidi također: Portal: Fizika
Elektromagnetski spektar (osvijetljeno svjetlo)

Elektromagnetski valovi / elektromagnetsko zračenje je poremećaj (promjena stanja) elektromagnetskog polja koje se širi u prostoru [1] .

Među elektromagnetskim poljima koja nastaju električnim nabojima i njihovim kretanjem, uobičajeno je zračenje nazivati ​​onim dijelom izmjeničnih elektromagnetskih polja koji se može širiti najdalje od svojih izvora – pokretnih naboja, koji se najsporije raspadaju s udaljenosti.

Elektromagnetski spektar se dijeli na:

Elektromagnetsko zračenje može se širiti u gotovo svim okruženjima. U vakuumu (prostoru bez tvari i tijela koja apsorbiraju ili emitiraju elektromagnetske valove) elektromagnetsko zračenje širi se bez prigušenja na proizvoljno velike udaljenosti, ali se u nekim slučajevima prilično dobro širi u prostoru ispunjenom materijom (malo mijenja svoje ponašanje).

Klasifikacija raspona spektra elektromagnetskog zračenja na engleskom jeziku. Stupci: 1 (crna) - kratice raspona, 2 - frekvencija, 3 - valna duljina, 4 - energija fotona

Karakteristike elektromagnetskog zračenja

Glavnim karakteristikama elektromagnetskog zračenja smatraju se frekvencija ,valna duljina i polarizacija .

Valna duljina je izravno povezana s frekvencijom kroz (skupnu) brzinu širenja zračenja. Grupna brzina širenja elektromagnetskog zračenja u vakuumu jednaka je brzini svjetlosti , u ostalim medijima ta je brzina manja. Fazna brzina elektromagnetskog zračenja u vakuumu također je jednaka brzini svjetlosti, u raznim medijima može biti manja ili veća od brzine svjetlosti [2] .

U elektrodinamici

Opisom svojstava i parametara elektromagnetskog zračenja općenito se bavi elektrodinamika , iako se u svojstva zračenja pojedinih područja spektra bave i određene specijaliziranije grane fizike (djelomično se to povijesno razvijalo, dijelom zbog značajnih specifičnosti, osobito s obzirom na interakciju zračenja različitih raspona s materijom , dijelom i zbog specifičnosti primijenjenih problema). Ovi specijaliziraniji odjeli uključuju optiku (i njezine sekcije) i radiofiziku . Fizika visokih energija bavi se tvrdim elektromagnetskim zračenjem kratkovalnog kraja spektra [3] ; u skladu sa suvremenim konceptima (vidi Standardni model ), pri visokim energijama, elektrodinamika prestaje biti neovisna, ujedinjujući se u jednu teoriju sa slabim interakcijama, a zatim - pri još višim energijama - kako se i očekivalo - sa svim drugim mjernim poljima.

Veze s temeljnijim znanostima

Postoje teorije koje se razlikuju po pojedinostima i stupnju općenitosti, koje omogućuju modeliranje i proučavanje svojstava i manifestacija elektromagnetskog zračenja. Najosnovnija [4] od dovršenih i provjerenih teorija ove vrste je kvantna elektrodinamika , iz koje se, uz pomoć jednog ili drugog pojednostavljenja, u načelu mogu dobiti sve dolje navedene teorije koje se široko koriste u svojim područjima. Za opisivanje relativno niskofrekventnog elektromagnetskog zračenja u makroskopskom području u pravilu se koristi klasična elektrodinamika temeljena na Maxwellovim jednadžbama , a u primjenama postoje pojednostavljenja. Za optičko zračenje (do rendgenskog područja) koristi se optika (posebno valna optika , kada su dimenzije nekih dijelova optičkog sustava bliske valnim duljinama; kvantna optika , kada se odvijaju procesi apsorpcije, emisije i raspršenje fotona je bitno; geometrijska optika je granični slučaj valne optike, kada se valna duljina zračenja može zanemariti). Gama zračenje je najčešće predmet nuklearne fizike , s drugih - medicinskih i bioloških - pozicija proučava se učinak elektromagnetskog zračenja u radiologiji .

Također postoji niz područja – temeljnih i primijenjenih – kao što su astrofizika , fotokemija , biologija fotosinteze i vizualne percepcije, niz područja spektralne analize , za koje se primjenjuju elektromagnetsko zračenje (najčešće određenog raspona) i njegova interakcija s materijom. igrati ključnu ulogu. Sva ova područja graniče, pa čak i sijeku, s gore opisanim dijelovima fizike.

Neke značajke elektromagnetskih valova sa stajališta teorije oscilacija i pojmova elektrodinamike :

Vrste energije :
Atwood stroj.svg Mehanički Potencijal
Kinetički
Unutarnji
Sunčani kutak.svg Elektromagnetski Električni
Magnetski
Logo portala za naftu i plin.PNG Kemijski
Simbol zračenja zamjenski.svg Nuklearni
Gravitacijski
Vakuum
Hipotetski:
Tamno
Vidi također: Zakon održanja energije
  • elektromagnetski valovi u slobodnom prostoru su poprečni valovi u kojima vektori jakosti električnog i magnetskog polja osciliraju okomito na smjer širenja vala, ali se bitno razlikuju od valova na vodi i od zvuka po tome što se mogu prenositi iz izvora do prijemnika, uključujući i kroz vakuum.

Opseg elektromagnetskog zračenja

Elektromagnetsko zračenje se obično dijeli na frekvencijska područja (vidi tablicu). Nema oštrih prijelaza između raspona, ponekad se preklapaju, a granice između njih su proizvoljne. Budući da je brzina širenja zračenja (u vakuumu) konstantna, frekvencija njegovih oscilacija je kruto povezana svalnom duljinom u vakuumu.

Naziv raspona Valne duljine, λ Frekvencije, f Izvori od
Radio valovi Ekstra dugo više od 10 km manje od 30 kHz Atmosferski i magnetosferski fenomeni. Radio komunikacija.
dugo 10 km - 1 km 30 kHz - 300 kHz
Prosječno 1 km - 100 m 300 kHz - 3 MHz
Kratak 100 m - 10 m 3 MHz - 30 MHz
Ultrakratka 10 m -

1 mm

30 MHz - 300 GHz [5]
Infracrveno zračenje 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Zračenje molekula i atoma pod toplinskim i električnim utjecajima.
Vidljivo zračenje 780-380 nm 429 THz - 750 THz
Ultraljubičasto 380 nm - 10 nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Zračenje atoma pod utjecajem ubrzanih elektrona.
X-zraka 10 nm - 17 sati 3⋅10 16 Hz - 6⋅10 19 Hz Atomski procesi pod utjecajem ubrzanih nabijenih čestica.
Gama manje od 17 sati više od 6⋅10 19 Hz Nuklearni i svemirski procesi, radioaktivni raspad.

Ultrakratki radio valovi obično se dijele na metarske , decimetarske , centimetarske , milimetarske i decimilimetarske valove (hipervisoke frekvencije, MHF, 300-3000 GHz) - standardni rasponi radio valova prema općeprihvaćenoj klasifikaciji [5] . Prema drugoj klasifikaciji, ti standardni rasponi radio valova, isključujući metarske valove , nazivaju se mikrovalovi ili ultravisoki frekvencijski (mikrovalni) valovi [6] .

Ionizirajuće elektromagnetsko zračenje . Ova skupina tradicionalno uključuje X-zrake i gama zrake, iako, strogo govoreći, ultraljubičasto zračenje, pa čak i vidljiva svjetlost mogu ionizirati atome. Granice područja rendgenskog i gama zračenja mogu se odrediti samo vrlo uvjetno. Za opću orijentaciju, može se pretpostaviti da je energija rendgenskih kvanta u rasponu od 20 eV - 0,1 MeV , a energija gama kvanta je veća od 0,1 MeV . U užem smislu, gama zračenje emitira jezgra, a X-zrake emitiraju atomske elektronske ljuske kada se elektron izbaci iz niskih orbita, iako ova klasifikacija nije primjenjiva na tvrdo zračenje nastalo bez sudjelovanja atomi i jezgre (na primjer, sinkrotronsko ili kočno zračenje ).

Radio valovi

Zbog velikih vrijednosti λ, širenje radio valova može se razmatrati bez uzimanja u obzir atomske strukture medija. Jedina iznimka su najkraći radio valovi uz infracrveni spektar. U radijskom području, kvantna svojstva zračenja također su slabo pogođena, iako ih se još uvijek mora uzeti u obzir, posebno pri opisivanju kvantnih generatora i pojačala centimetarskog i milimetarskog raspona, kao i standarda molekularne frekvencije i vremena, kada se oprema ohladi na temperaturu od nekoliko kelvina.

Radio valovi nastaju strujanjem kroz vodiče izmjenične struje odgovarajuće frekvencije. Obrnuto, elektromagnetski val koji prolazi kroz prostor pobuđuje u vodiču izmjeničnu struju koja mu odgovara. Ovo svojstvo koristi se u radiotehnici pri projektiranju antena .

Grmljavine su prirodni izvor valova u ovom rasponu. Vjeruje se da su oni i izvor Schumannovih stajaćih elektromagnetskih valova .

Mikrovalno zračenje

Infracrveno zračenje (toplinsko)

Poput radija i mikrovalova, infracrveno zračenje (IR) odbija se od metala (kao i većina elektromagnetskih smetnji u ultraljubičastom rasponu). Međutim, za razliku od niskofrekventnog radio i mikrovalnog zračenja, infracrveni EMP obično stupa u interakciju s dipolima prisutnim u pojedinačnim molekulama, koji se mijenjaju kada atomi vibriraju na krajevima jedne kemijske veze.

Posljedično, apsorbira ga širok raspon tvari, što dovodi do porasta njihove temperature uz raspršivanje vibracija u obliku topline. Isti proces, obrnutim redoslijedom, uzrokuje spontanu emisiju masivnih tvari u infracrvenom području (vidi odjeljak Toplinsko zračenje u nastavku).

Infracrveno zračenje je podijeljeno na spektralne podregije.

Iako postoje različite sheme podjele, spektar se obično dijeli na bliski infracrveni (0,75-1,4 mikrona), kratkovalni infracrveni (1,4-3 mikrona), srednji infracrveni (3-8 mikrona), dugi infracrveni (8-15 mikrona). mikrona) i dalekog infracrvenog (15–1000 µm).

Vidljivo zračenje (optičko)

Prozirna prizma razlaže bijelu zraku na njezine sastavne zrake [7]

Vidljivo, infracrveno i ultraljubičasto zračenje čine takozvano optičko područje spektra u najširem smislu riječi. Odabir takvog područja nije samo zbog blizine odgovarajućih dijelova spektra , već i zbog sličnosti uređaja koji se koriste za njegovo proučavanje i koji su se povijesno razvijali uglavnom u proučavanju vidljive svjetlosti ( leće i zrcala za fokusiranje zračenja, prizme , difrakcijske rešetke , interferencijski uređaji za proučavanje spektralnog sastava zračenja itd. itd.).

Frekvencije valova u optičkom području spektra već su usporedive s prirodnim frekvencijama atoma i molekula , a njihove su duljine usporedive s veličinama molekula i međumolekularnim udaljenostima. Zbog toga na ovom području postaju bitne pojave uzrokovane atomističkom strukturom materije. Iz istog razloga, uz valna svojstva, očituju se i kvantna svojstva svjetlosti.

Najpoznatiji izvor optičkog zračenja je Sunce. Njegova površina ( fotosfera ) je zagrijana na temperaturu od 6000 K i sjaji jarkom bijelom svjetlošću (maksimum kontinuiranog spektra sunčevog zračenja nalazi se u "zelenoj" regiji od 550 nm, gdje se nalazi maksimum osjetljivosti oka ). Upravo zato što smo rođeni u blizini takve zvijezde , ovaj dio spektra elektromagnetskog zračenja izravno percipiramo našim osjetilima .

Zračenje u optičkom rasponu nastaje, posebice, kada se tijela zagrijavaju (infracrveno zračenje se također naziva toplinsko) zbog toplinskog gibanja atoma i molekula. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина ). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне ( каление ), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия ).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций , являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии . Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Ультрафиолетовое излучение

Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения .

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц ( электронов , протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер , а также в результате превращения элементарных частиц .

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.

Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики ; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

История исследований

Электромагнитная безопасность

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений ( электромагнитных полей , ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ -излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования и др.

Влияние на живых существ

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазон

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволны

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы , в зависимости от диапазона ЭМП . Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Установлены биологические последствия сильного воздействия полей высоких уровней (значительно выше 100 µT), которые объясняются действием признанных биофизических механизмов. Внешние магнитные поля крайне низкой частоты (КНЧ) индуцируют электрические поля и токи в организме человека, которые, при очень высокой мощности поля, оказывают стимулирующее воздействие на нервы и мышцы и вызывают изменение возбудимости нервных клеток в центральной нервной системе.

Что касается долгосрочных последствий, то ввиду недостаточности фактических данных, подтверждающих связь между воздействием магнитных полей КНЧ и детской лейкемией, польза для здоровья от снижения уровней воздействия представляется неясной. [9]

В ряде исследований было изучено воздействие радиочастотных полей на электрическую активность мозга, когнитивные функции, сон, сердечный ритм и кровяное давление у добровольцев. На сегодняшний день исследования не предполагают каких-либо последовательных доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье от воздействия радиочастотных полей на уровнях ниже уровней, которые вызывают нагревание тканей. Кроме того, исследования не смогли обнаружить причинно-следственную связи между воздействием электромагнитных полей и «симптомами самооценки» или « электромагнитной гиперчувствительностью ». Эпидемиологические исследования, изучающие потенциальные долгосрочные риски от радиочастотного воздействия, в основном имели цель найти связь между опухолями головного мозга и использованием мобильных телефонов. Результаты исследований на животных не показывают повышенного риска развития рака от долгосрочного воздействия радиочастотных полей. [10]

Эти данные не должны быть причиной для радиофобии , однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России с 2017 года действует СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы» [11] , заменивший и отменивший ранее действовавшие отдельные гигиенические нормативы.

  • Допустимые уровни излучения различных передающих радиотехнических средств на частотах >300 МГц в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Россия, Украина, Польша, Беларусь, Казахстан: 10 мкВт/см².
США, Европа (за исключением некоторых стран), Япония, Корея: 200 - 1000 мкВт/см². [12] [13]
Канада: 130 - 2000 мкВт/см². [14]
Китай: 10 (40) - 2000 мкВт/см². [15] [16]

Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения ( SAR ).

«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ , целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи».

Ионизирующее излучение

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99 .

Влияние на радиотехнические устройства

Существуют административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Украинский частотный надзор, который регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром).

См. также

Примечания

  1. Петрусевич Ю.М. Излучения // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б.В. Петровский . — 3 изд. — Москва : Советская энциклопедия , 1978. — Т. 9. Ибн-Рошд - Йордан . — 483 с. — 150 300 экз.
  2. ( Принцип максимальности скорости света теории относительности при этом не нарушается, так как скорость переноса энергии и информации — связанная с групповой, а не фазовой скоростью — в любом случае не превышает световой скорости)
  3. Также вопросы, связанные с жесткими и сверхжесткими излучениями могут возникать в астрофизике; там иногда они имеют особую специфику, например, генерация излучения может происходить в областях огромного размера.
  4. Наиболее фундаментальной, не считая упомянутых выше теорий Стандартной модели, отличия которой от чистой квантовой электродинамики проявляются, впрочем, лишь при очень высоких энергиях.
  5. 1 2 ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения
  6. 48.Особенности диапазона свч. Деление свч диапазона на поддиапазоны. . StudFiles. Дата обращения: 24 октября 2017.
  7. Структура луча показана условно. Синусоидальность лучей показана условно. Разная скорость света в призме для разных длин волн не показана.
  8. Догадки о наличии излучения за пределами видимого спектра высказывались и ранее Гершеля и Риттера, однако они показали это экспериментально.
  9. [ http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_russian.pdf Электромагнитные поля и общественное здравоохранение] . Всемирная организация здравоохранения (Июнь 2007 г.).
  10. Electromagnetic fields and public health: mobile phones . Всемирная организация здравоохранения (Октябрь 2014 г.).
  11. СанПиН 2.2.4.3359-16 Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах, Об утверждении СанПиН 2.2.4.3359-16 "Санитарно-эпидемиологические требова...
  12. https://transition.fcc.gov/bureaus/oet/info/documents/bulletins/oet65/oet65.pdf
  13. https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf
  14. https://www.canada.ca/content/dam/hc-sc/migration/hc-sc/ewh-semt/alt_formats/pdf/consult/_2014/safety_code_6-code_securite_6/final-finale-eng.pdf
  15. http://www.nhc.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2014/11/20141103161157888.pdf
  16. http://www.lddoc.cn/p-23264.html

Литература

  • Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874—876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
  • Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с — ISBN 978-5-9221-0848-5

Ссылки