Виды ионизирующих излучений. Излучение: его виды и воздействие на организм

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.

Повсюду нас окружают электромагнитные поля. В зависимости от своего волнового диапазона, они по-разному могут действовать на живые организмы. Более щадящими считаются неионизирующие излучения, однако и они порой небезопасны. Что это за явления, и какое влияние они оказывают на наш организм?

Что такое неионизирующие излучения?

Энергия распространяется в виде мелких частиц и волн. Процесс её испускания и распространения и называется излучением. По характеру воздействия на предметы и живые ткани различают два основных его вида. Первое - ионизирующее, представляет собой потоки элементарных частиц, которые образуются в результате деления атомов. Оно включает радиоактивное, рентгеновское, гравитационное излучение и лучи Хокинга.

Ко второму относятся неионизирующие излучения. По сути, это электромагнитные которых составляет больше 1000 нм, а количество выделенной энергии меньше 10 кэВ. Оно действует в виде микроволн, в результате выделяя свет и тепло.

В отличие от первого вида, данное излучение не ионизирует молекулы и атомы вещества, на которое воздействует, то есть не разрывает связи между его молекулами. Конечно, и здесь есть свои исключения. Так, отдельные виды, например, УФ-лучи могут ионизировать вещество.

Виды неионизирующих излучений

Электромагнитное излучение представляет гораздо более широкое понятие, чем неионизирующее. Высокочастотные рентгеновские и гамма-лучи также являются электромагнитными, однако они более жесткие и ионизируют вещество. Все остальные виды ЭМИ относятся к неионизирующим, их энергии не хватает для того, чтобы вмешаться в структуру материи.

Наибольшей длиной среди них обладают радиоволны, чей диапазон колеблется от сверхдлинных (более 10 км) до ультракоротких (10 м - 1 мм). Волны остальных ЭМ излучений составляют меньше 1 мм. После радиоизлучения идет инфракрасное или тепловое, длина его волн зависит от температуры нагревания.

Неионизирующими также являются видимое световое и Первое часто называется оптическим. Своим спектром оно очень близко к инфракрасным лучам и образуется при нагревании тел. Ультрафиолетовое излучение приближено к рентгеновскому, поэтому может обладать способностью к ионизации. При длине волн от 400 до 315 нм оно распознается человеческим глазом.

Источники

Неионизирующие электромагнитные излучения могут быть как природного, так и искусственного происхождения. Одним из главных природных источников является Солнце. Оно посылает все виды излучения. Полному их проникновению на нашу планету препятствует земная атмосфера. Благодаря озоновому слою, влажности, углекислому газу действие вредоносных лучей сильно смягчается.

Для радиоволн естественным источником может служить молния, а также космические объекты. Тепловые инфракрасные лучи может испускать любое нагретое до нужной температуры тело, хотя основное излучение исходит от искусственных объектов. Так, основными его источниками являются обогреватели, горелки и обыкновенные лампочки накаливания, которые присутствуют в каждом доме.

Влияние на человека

Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, частотой и поляризацией. От всех этих критериев и зависит сила его воздействия. Чем волна длиннее, тем меньше энергии она переносит на объект, а значит, является менее вредной. Наиболее губительно действуют излучения в дециметрово-сантиметровом диапазоне.

Неионизирующие излучения при длительном воздействии на человека способны причинить вред здоровью, хотя в умеренных дозах они могут быть полезны. могут вызвать ожоги кожи и глазной роговицы, вызвать различные мутации. А в медицине с их помощью синтезируют в коже витамин D3, стерилизуют оборудование, обеззараживают воду и воздух.

В медицине инфракрасное излучение используют для улучшения метаболизма и стимуляции кровообращения, дезинфекции пищевых продуктов. При излишнем нагреве это излучение способно сильно иссушить слизистую глаза, а на максимальной мощности - даже разрушить молекулу ДНК.

Радиоволны используют для мобильной и радиосвязи, навигационных систем, телевидения и других целей. Постоянное действие радиочастот, исходящих от бытовых приборов, может повысить возбудимость нервной системы, ухудшить работу мозга, негативно сказаться на сердечно-сосудистой системе и детородной функции.

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

Божество и атом

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

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

Пасха и свет

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

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

Овал и луч

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

Атом и изюм

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

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

Бор и орбита

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

Водород и фотография

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

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

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

Линза, решетка, спектр

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

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

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

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

Абсолютно черное тело

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

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

Все атомы в возбужденном состоянии способны излучать электромагнитные волны. Для этого им необходимо перейти в основное состояние, в котором их внутренняя энергия приобретает . Процесс подобного перехода сопровождается испусканием электромагнитной волны. В зависимости от длины, она обладает различными свойствами. Существует несколько видов такого излучения.

Видимый свет

Длиной волны называется кратчайшее расстояние между поверхностью равных фаз. Видимый свет - это электромагнитные волны, которые могут восприниматься человеческим глазом. Длина световых волн варьируется от 340 (фиолетовый свет) до 760 нанометров (красный свет). Лучше всего глаз человека ощущает желто-зеленую область спектра.

Инфракрасное излучение

Все, что окружает человека, включая его самого, - источники инфракрасного или теплового излучения (длина волны до 0,5 мм). Атомы излучают электромагнитные волны в этом диапазоне при хаотическом столкновении друг с другом. При каждом столкновении их кинетическая энергия переходит в тепловую. Атом возбуждается и излучает волны в инфракрасном диапазоне.

От Солнца до поверхности Земли доходит лишь небольшая часть инфракрасного излучения. До 80% поглощается молекулами воздуха и особенно углекислого газа, который вызывает парниковый эффект.

Ультрафиолетовое излучение

Длина волны ультрафиолетового излучения значительно меньше, чем инфракрасного. В спектре Солнца также имеется ультрафиолетовая составляющая, но она блокируется озоновым слоем Земли и не доходит до ее поверхности. Такое излучение очень вредно для всех живых организмов.

Длина ультрафиолетового излучения лежит в области от 10 до 740 нанометров. Та небольшая его доля, которая доходит до поверхности Земли вместе с видимым светом, вызывает у людей загар, как защитную реакцию кожи на вредное для нее воздействие.

Радиоволны

С помощью радиоволн длиной до 1,5 км можно передавать информацию. Это используется в радиоприемниках и телевидении. Такая большая длина позволяет им огибать поверхность Земли. Наиболее короткие радиоволны могут отражаться от верхних слоев атмосферы и доходить до станций, расположенных на противоположной стороне земного шара.

Гамма-лучи

Гамма-лучи относят к особо жесткому ультрафиолетовому излучению. Они образуются при взрыве атомной бомбы, а также при протекании процессов на поверхности звезд. Это излучение губительно для живых организмов, но магнитосфера Земли не пропускает их. Фотоны гамма-лучей обладают сверхвысокими энергиями.

Радиоактивное излучение является мощным воздействием на человеческий организм, способным вызвать необратимые процессы, ведущие к трагическим последствиям. В зависимости от мощности различные виды радиоактивных излучений могут вызвать тяжелые заболевания, а могут, наоборот, лечить человека. Некоторые из них используются в диагностических целях. Другими словами, все зависит от контролируемости процесса, т.е. его интенсивности и продолжительности воздействия на биологические ткани.

Сущность явления

В общем случае под понятием радиация подразумевается высвобождение частиц и их распространение в виде волн. Радиоактивность подразумевает самопроизвольный распад ядер атомов некоторых веществ с появлением потока заряженных частиц большой мощности. Вещества, способные на такое явление, получили название радионуклидов.

Так что такое радиоактивное излучение? Обычно под этим термином отмечаются как радиоактивные, так и радиационные излучения. По своей сути, это направленный поток элементарных частиц значительной мощности, вызывающих ионизацию любой среды, попадающей на их пути: воздух, жидкости, металлы, минералы и другие вещества, а также биологические ткани. Ионизация любого материала ведет к изменению его структуры и основных свойств. Биологические ткани, в т.ч. человеческого организма, подвергаются изменениям, которые не совместимы с их жизнедеятельностью.

Различные типы радиоактивного излучения имеют разную проникающую и ионизирующую способность. Поражающие свойства зависят от следующих основных характеристик радионуклеидов: вид радиации, мощность потока, период полураспада. Ионизирующая способность оценивается по удельному показателю: количеству ионов ионизируемого вещества, формируемых на расстоянии в 10 мм по пути проникновения излучения.

Негативное воздействие на человека

Радиационное облучение человека приводит к структурным изменениям в тканях организма. В результате ионизации в них появляются свободные радикалы, которые представляют собой активные в химическом плане молекулы, поражающие и убивающие клетки. Первыми и наиболее сильно страдают желудочно-кишечная, мочеполовая и кроветворная системы. Появляются выраженные симптомы их дисфункции: тошнота и рвота, повышенная температура, нарушение стула.

Достаточно типичной является лучевая катаракта, вызванная воздействием излучения на глазные ткани. Наблюдаются и другие серьезные последствия радиационного облучения: сосудистый склероз, резкое снижение иммунитета, гематогенные проблемы. Особую опасность представляет повреждение генетического механизма. Возникающие активные радикалы способны изменить структуру главного носителя генетической информации — ДНК. Такие нарушения могут приводить к непрогнозируемым мутациям, отражающимся на следующих поколениях.

Степень поражения человеческого организма зависит от того, какие виды радиоактивного излучения имели место, какова интенсивность и индивидуальная восприимчивость организма. Главный показатель — доза облучения, показывающая, какое количество радиации проникло в организм. Установлено, что разовая большая доза значительно опаснее, чем накопление такой дозы при длительном облучении маломощным излучением. Поглощенное организмом количество радиации измеряется в эйвертах (Эв).

Любая жизненная среда имеет определенный уровень радиации. Нормальным считается радиационный фон не выше 0,18-0,2 мЭв/ч или 20 микрорентгенов. Критический уровень, ведущий к летальному исходу, оценивается в 5,5-6,5 Эв.

Разновидности излучения

Как отмечалось, радиоактивное излучение и его виды могут по-разному воздействовать на человеческий организм. Можно выделить следующие основные разновидности радиации.

Излучения корпускулярного типа, представляющие собой потоки частиц:

Альфа-излучение. Это поток, составленный из альфа-частиц, имеющих огромную ионизирующую способность, но глубина проникновения небольшая. Даже листок плотной бумаги способен остановить такие частицы. Одежда человека достаточно эффективно исполняет роль защиты.
Бета-излучение обусловлено потоком бета-частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Из-за огромной скорости эти частицы имеют повышенную проникающую способность, но ионизирующие возможности у них ниже, чем в предыдущем варианте. В качестве экрана от данного излучения могут служить оконные окна или металлический лист толщиной 8-10 мм. Для человека оно очень опасно при прямом попадании на кожу.
Нейтронное излучение состоит из нейтронов и обладает наибольшим поражающим воздействием. Достаточная защита от них обеспечивается материалами, в структуре которых есть водород: вода, парафин, полиэтилен и т.п.

Волновое излучение, представляющее собой лучевое распространение энергии:

Гамма-излучение является, по своей сути, электромагнитным полем, создающимся при радиоактивных превращениях в атомах. Волны испускаются в виде квантов, импульсами. Излучение имеет очень высокую проницаемость, но низкую ионизирующую способность. Для защиты от таких лучей нужны экраны из тяжелых металлов.
Рентгеновское излучение, или Х-лучи. Эти квантовые лучи во многом аналогичны гамма-излучению, но проникающие возможности несколько занижены. Такой тип волны вырабатывается в вакуумных рентгеновских установках за счет удара электронами о специальную мишень. Общеизвестно диагностическое назначение данного излучения. Однако следует помнить, что продолжительное действие его способно нанести человеческому организму серьезный вред.

Как может облучиться человек

Человек получает радиоактивное облучение при условии проникновения радиации в его организм. Оно может происходить 2 способами: внешнее и внутреннее воздействие. В первом случае источник радиоактивного излучения находится снаружи, а человек по разным причинам попадает в поле его деятельности без надлежащей защиты. Внутреннее воздействие осуществляется при проникновении радионуклида внутрь организма. Это может произойти при употреблении облученных продуктов или жидкостей, с пылью и газами, при дыхании зараженным воздухом и т.д.

Внешние источники радиации можно подразделить на 3 категории:

Естественные источники: тяжелые химические элементы и радиоактивные изотопы.
Искусственные источники: технические устройства, обеспечивающие излучение при соответствующих ядерных реакциях.
Наведенная радиация: различные среды после воздействия на них интенсивного ионизирующего излучения сами становятся источником радиации.

К наиболее опасным объектам в части возможного радиационного облучения можно отнести следующие источники радиации:

Производства, связанные с добычей, переработкой, обогащением радионуклидов, изготовлением ядерного топлива для реакторов, в частности урановая промышленность.
Ядерные реакторы любого типа, в т.ч. на электростанциях и кораблях.
Радиохимические предприятия, занимающиеся регенерацией ядерного топлива.
Места хранения (захоронения) отходов радиоактивных веществ, а также предприятия по их переработке.
При использовании радиационных излучений в разных отраслях: медицина, геология, сельское хозяйство, промышленность и т.п.
Испытание ядерного оружия, ядерные взрывы в мирных целях.

Проявление поражения организма

Характеристика радиоактивных излучений играет решающую роль в степени поражения человеческого организма. В результате воздействия развивается лучевая болезнь, которая может иметь 2 направления: соматическое и генетическое поражение. По времени проявления выделяется ранний и отдаленный эффект.

Ранний эффект выявляет характерные симптомы в период от 1 часа до 2 месяцев. Типичными считаются такие признаки: кожная краснота и шелушение, мутность глазного хрусталика, нарушение кроветворного процесса. Крайний вариант при большой дозе облучения — летальный исход. Локальное поражение характеризуются такими признаками, как лучевой ожог кожного покрова и слизистой оболочки.

Отдаленные проявления выявляются через 3-5 месяцев, а то и через несколько лет. В этом случае отмечаются устойчивые кожные поражения, злокачественные опухоли различной локализации, резкое ухудшение иммунитета, изменение состава крови (значительное снижение уровня эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов). В результате этого часто развиваются различные инфекционные болезни, существенно снижается продолжительность жизни.

Для предотвращения облучения человека ионизирующим излучением применяются различные виды защиты, которые зависят от типа радиации. Кроме того, регламентируются жесткие нормы по максимальной продолжительности пребывания человека в зоне облучения, минимальному расстоянию до источника радиации, использованию индивидуальных средств защиты и установке защитных экранов.

Радиоактивное излучение способно оказывать сильное разрушительное воздействие на все ткани человеческого организма. В то же время оно используется и при лечении различных болезней. Все зависит от дозы облучения, получаемой человеком в разовом или длительном режиме. Только неукоснительное соблюдение норм радиационной защиты поможет сохранить здоровье, даже если находиться в пределах действия радиационного источника.