Elektromagnetická radiace

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. června 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Elektromagnetické vlny / elektromagnetické záření (EMR) - porucha (změna stavu) elektromagnetického pole  šířícího se prostorem .

Mezi elektromagnetickými poli generovanými elektrickými náboji a jejich pohybem je zvykem přisuzovat záření tu část střídavých elektromagnetických polí, která je schopna se šířit nejdále od svých zdrojů - pohybující se náboje, se vzdáleností mizí nejpomaleji.

Elektromagnetické spektrum se dále dělí na:

Elektromagnetické záření se může šířit téměř ve všech prostředích. Ve vakuu (prostoru bez hmoty a těles, která pohlcují nebo vyzařují elektromagnetické vlny) se elektromagnetické záření šíří bez útlumu na libovolně velké vzdálenosti, ale v některých případech se šíří docela dobře v prostoru vyplněném hmotou (i když poněkud mění své chování) .

Charakteristika elektromagnetického záření

Za hlavní charakteristiky elektromagnetického záření jsou považovány frekvence , vlnová délka a polarizace .

Vlnová délka přímo souvisí s frekvencí prostřednictvím (skupinové) rychlosti záření. Skupinová rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu je rovna rychlosti světla , v ostatních prostředích je tato rychlost menší. Fázová rychlost elektromagnetického záření ve vakuu se také rovná rychlosti světla, v různých prostředích může být buď menší, nebo větší než rychlost světla [1] .

V elektrodynamice

Popisem vlastností a parametrů elektromagnetického záření jako celku se zabývá elektrodynamika , i když na vlastnostech záření jednotlivých oblastí spektra se podílejí určité specializovanější úseky fyziky (částečně se tak stalo historicky, částečně díky významným specifická specifika, zejména s ohledem na interakci záření různých rozsahů s hmotou , částečně i specifika aplikované problematiky). Mezi takové specializovanější sekce patří optika (a její sekce) a radiofyzika . Fyzika vysokých energií se zabývá tvrdým elektromagnetickým zářením krátkovlnného konce spektra [2] ; v souladu s moderními představami (viz Standardní model ), při vysokých energiích přestává být elektrodynamika nezávislá, spojuje se v jednu teorii se slabými interakcemi a pak - při ještě vyšších energiích - jak se očekává, se všemi ostatními kalibračními poli.

Vztah k fundamentálnějším vědám

Existují teorie lišící se v detailech a míře obecnosti, které umožňují modelovat a zkoumat vlastnosti a projevy elektromagnetického záření. Nejzákladnější [3] z dokončených a vyzkoušených teorií tohoto druhu je kvantová elektrodynamika , z níž lze pomocí určitých zjednodušení získat v zásadě všechny níže uvedené teorie, které jsou ve svých oborech široce používány. K popisu relativně nízkofrekvenčního elektromagnetického záření v makroskopické oblasti se zpravidla používá klasická elektrodynamika založená na Maxwellových rovnicích a v aplikovaných aplikacích existují zjednodušení. Optika se používá pro optické záření (až do rozsahu rentgenového záření) (zejména vlnová optika , kdy se rozměry některých částí optické soustavy blíží vlnovým délkám; kvantová optika , kdy procesy absorpce, emise a rozptylu významné jsou fotony , geometrická optika  - limitní případ vlnové optiky, kdy lze zanedbat vlnovou délku záření). Gama záření je nejčastěji předmětem jaderné fyziky , z jiných medicínských a biologických pozic je studován vliv elektromagnetického záření v radiologii .

Existuje také řada oblastí - základních i aplikovaných - jako je astrofyzika , fotochemie , biologie fotosyntézy a zrakového vnímání, řada oblastí spektrální analýzy , pro které elektromagnetické záření (nejčastěji určitého rozsahu) a jeho interakce s hmotou hrát klíčovou roli. Všechny tyto oblasti hraničí a dokonce se protínají s výše popsanými úseky fyziky.

Některé vlastnosti elektromagnetických vln z hlediska teorie kmitů a konceptů elektrodynamiky :

Rozsahy elektromagnetického záření

Elektromagnetické záření se obvykle dělí do frekvenčních rozsahů (viz tabulka). Mezi rozsahy nejsou žádné ostré přechody, někdy se překrývají a hranice mezi nimi jsou podmíněné. Protože rychlost šíření záření (ve vakuu) je konstantní, je frekvence jeho kmitů pevně úměrná vlnové délce ve vakuu.

Název rozsahu Vlnové délky, λ Frekvence, f Prameny
rádiové vlny Extra dlouhé více než 10 km méně než 30 kHz Atmosférické a magnetosférické jevy. Rádiová komunikace.
Dlouho 10 km - 1 km 30 kHz - 300 kHz
Střední 1 km - 100 m 300 kHz - 3 MHz
Krátký 100 m - 10 m 3 MHz - 30 MHz
Ultrakrátké 10 m - 1 mm 30 MHz – 300 GHz [4]
Infračervené záření 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Záření molekul a atomů pod tepelnými a elektrickými vlivy.
Viditelné záření 780 nm - 380 nm 429 THz - 750 THz
ultrafialový 380 nm - 10 nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Záření atomů pod vlivem urychlených elektronů.
rentgen 10 nm - 17 hodin 3⋅10 16 Hz — 6⋅10 19 Hz Atomové procesy pod vlivem urychlených nabitých částic.
Gamma méně než 17 hodin více než 6⋅10 19 Hz Jaderné a kosmické procesy, radioaktivní rozpad.

Ultrakrátké rádiové vlny se obvykle dělí na metrové , decimetrové , centimetrové , milimetrové a decimilimetrové vlny (hyper-vysoké frekvence, HHF, 300-3000 GHz) - standardní rádiová vlnová pásma podle obecně uznávané klasifikace [4] . Podle jiné klasifikace se tyto standardní rozsahy rádiových vln, s výjimkou metrových vln , nazývají mikrovlny nebo mikrovlny (MW) [5] .

Ionizující elektromagnetické záření . Tato skupina tradičně zahrnuje rentgenové a gama záření, ačkoli přísně vzato ultrafialové záření a dokonce i viditelné světlo mohou ionizovat atomy. Hranice oblastí rentgenového a gama záření lze určit jen velmi podmíněně. Pro obecnou orientaci lze předpokládat, že energie rentgenových kvant leží v rozmezí 20 eV - 0,1 MeV a energie gama kvant  je větší než 0,1 MeV . V úzkém smyslu je gama záření emitováno jádrem a rentgenové záření je emitováno atomovým elektronovým obalem, když je elektron vyřazen z nízko položených drah, ačkoli tato klasifikace není použitelná pro tvrdé záření generované bez účasti. atomů a jader (například synchrotron nebo brzdné záření ).

Rádiové vlny

Vzhledem k velkým hodnotám λ lze uvažovat o šíření rádiových vln bez ohledu na atomistickou strukturu média. Jedinou výjimkou jsou nejkratší rádiové vlny sousedící s infračervenou částí spektra. V rádiovém rozsahu mají kvantové vlastnosti záření také malý vliv, i když je třeba je stále brát v úvahu, zejména při popisu kvantových generátorů a zesilovačů v rozsahu centimetrů a milimetrů, stejně jako molekulárních frekvenčních a časových standardů, když je zařízení ochlazeno na teploty několika kelvinů.

Rádiové vlny se generují, když vodiči protéká střídavý proud odpovídající frekvence . Naopak elektromagnetická vlna procházející prostorem vybudí ve vodiči jí odpovídající střídavý proud. Tato vlastnost se využívá v radiotechnice při navrhování antén .

Bouřky jsou přirozeným zdrojem vln v tomto rozsahu . Předpokládá se, že jsou také zdrojem Schumannových stojatých elektromagnetických vln .

Mikrovlnné záření

Infračervené záření (tepelné)

Stejně jako rádio a mikrovlny se infračervené (IR) záření odráží od kovů (stejně jako většina elektromagnetického rušení v ultrafialovém rozsahu). Na rozdíl od nízkofrekvenčního rádiového a mikrovlnného záření však infračervené záření obvykle interaguje s dipóly přítomnými v jednotlivých molekulách, které se mění, když atomy vibrují na koncích jedné chemické vazby.

Následně je absorbován širokým spektrem látek, což vede ke zvýšení jejich teploty, když se vibrace odvádějí ve formě tepla. Stejný proces v opačném směru způsobuje spontánní emisi masivních látek v infračervené oblasti.

Infračervené záření se dělí na spektrální podrozsahy. Ačkoli existují různá schémata dělení, spektrum se obvykle dělí na blízké infračervené (0,75-1,4 µm), krátkovlnné infračervené (1,4-3 µm), středovlnné infračervené (3-8 µm), dlouhovlnné infračervené (8-15 um) a daleko infračervené (15-1000 um).

Viditelné záření (optické)

Viditelné, infračervené a ultrafialové záření tvoří tzv. optickou oblast spektra v nejširším slova smyslu. Výběr takové oblasti je dán nejen blízkostí odpovídajících částí spektra , ale také podobností přístrojů používaných k jejímu studiu a historicky vyvinutých především při studiu viditelného světla ( čočky a zrcadla pro zaostřování záření , hranoly , difrakční mřížky , interferenční zařízení pro studium spektrálního složení záření atd.).

Frekvence vln v optické oblasti spektra jsou již srovnatelné s vlastními frekvencemi atomů a molekul a jejich délky jsou srovnatelné s velikostí molekul a mezimolekulárními vzdálenostmi. Díky tomu se v této oblasti stávají významnými jevy dané atomistickou strukturou hmoty. Ze stejného důvodu se spolu s vlnovými vlastnostmi objevují i ​​kvantové vlastnosti světla.

Nejznámějším zdrojem optického záření je Slunce . Její povrch ( fotosféra ) je zahřátý na teplotu 6000 K a svítí jasným bílým světlem (maximum spojitého spektra slunečního záření - 550 nm - se nachází v "zelené" oblasti, kde je maximální citlivost oka nachází se). Právě proto, že jsme se narodili poblíž takové hvězdy , je tato část spektra elektromagnetického záření přímo vnímána našimi smysly .

Záření v optické oblasti vzniká zejména při zahřívání těles (infračervené záření se také nazývá tepelné záření) v důsledku tepelného pohybu atomů a molekul. Čím více je těleso zahřáté, tím vyšší je frekvence, na které se nachází maximum jeho radiačního spektra (viz: Wienův posunový zákon ). Při určitém zahřátí začne tělo svítit ve viditelné oblasti ( žhavení ), nejprve červeně, pak žlutě a tak dále. Naopak záření optického spektra působí na tělesa tepelně (viz: Bolometrie ).

Optické záření může vznikat a registrovat při chemických a biologických reakcích. Jedna z nejznámějších chemických reakcí , která je přijímačem optického záření, se využívá ve fotografii . Zdrojem energie pro většinu živých bytostí na Zemi je fotosyntéza  – biologická reakce, ke které dochází v rostlinách pod vlivem optického záření ze Slunce.

Ultrafialové záření

Tvrdé záření

V oblasti rentgenového a gama záření vystupují do popředí kvantové vlastnosti záření .

Rentgenové záření vzniká při zpomalování rychle nabitých částic ( elektronů , protonů atd.), jakož i v důsledku procesů probíhajících uvnitř elektronových obalů atomů. Gama záření vzniká jako výsledek procesů probíhajících uvnitř atomových jader a také jako výsledek přeměny elementárních částic .

Vlastnosti elektromagnetického záření různých rozsahů

Šíření elektromagnetických vln, časové závislosti elektrického a magnetického pole, které určují typ vlnění (rovinné, kulové atd.), typ polarizace a další vlastnosti závisí na zdroji záření a vlastnostech prostředí. .

Elektromagnetické záření různých frekvencí také interaguje s hmotou různými způsoby. Procesy emise a absorpce rádiových vln lze obvykle popsat pomocí vztahů klasické elektrodynamiky ; ale pro vlny optického rozsahu a zejména tvrdé paprsky je nutné vzít v úvahu jejich kvantovou povahu.

Historie výzkumu

Elektromagnetická bezpečnost

Vyzařování elektromagnetického dosahu na určitých úrovních může mít negativní vliv na lidský organismus, jiná zvířata a živé bytosti a také nepříznivě ovlivnit provoz elektrických spotřebičů. Různé typy neionizujícího záření ( elektromagnetická pole , EMF) mají různé fyziologické účinky. V praxi se rozlišují rozsahy magnetického pole (konstantní a kvazikonstantní, pulzní), vysokofrekvenční a mikrovlnné záření, laserové záření, elektrická a magnetická pole průmyslové frekvence z vysokonapěťových zařízení atd.

Vliv na živé bytosti

Existují národní a mezinárodní hygienické normy pro úrovně EMP, v závislosti na rozsahu, pro obytné oblasti a pracoviště.

Optický rozsah

Existují hygienické normy pro osvětlení; byly také vyvinuty bezpečnostní normy pro práci s laserovým zářením.

Rádiové vlny

Přípustné úrovně elektromagnetického záření (hustota toku elektromagnetické energie) se odrážejí v normách stanovených příslušnými státními orgány v závislosti na rozsahu EMF . Tyto normy se mohou v jednotlivých zemích výrazně lišit.

Byly stanoveny biologické důsledky silné expozice polím s vysokou úrovní (vysokě nad 100 µT), které jsou vysvětleny působením uznávaných biofyzikálních mechanismů. Vnější magnetická pole extrémně nízké frekvence (ELF) indukují v lidském těle elektrická pole a proudy, které při velmi vysoké intenzitě pole působí stimulačně na nervy a svaly a způsobují změnu dráždivosti nervových buněk v centrální nervové soustavě. Systém.

Pokud jde o dlouhodobé účinky, vzhledem k nedostatku důkazů podporujících souvislost mezi expozicí ELF magnetickým polím a dětskou leukémií jsou zdravotní přínosy snížené úrovně expozice nejasné. [osm]

Řada studií zkoumala účinky RF polí na elektrickou aktivitu mozku, kognici, spánek, srdeční frekvenci a krevní tlak u dobrovolníků. Dosud studie nenaznačují žádné konzistentní důkazy o nepříznivých zdravotních účincích vystavení RF polím na úrovních nižších než úrovně, které způsobují zahřívání tkání. Kromě toho výzkum nedokázal najít příčinnou souvislost mezi vystavením elektromagnetickým polím a „symptomy sebeúcty“ nebo „ elektromagnetické přecitlivělosti “. Epidemiologické studie zkoumající potenciální dlouhodobá rizika radiofrekvenční expozice se zaměřovaly především na nalezení souvislosti mezi mozkovými nádory a používáním mobilních telefonů. Výsledky studií na laboratorních zvířatech neprokazují zvýšené riziko rakoviny při dlouhodobé expozici RF polím. [9]

Tyto údaje by neměly být důvodem k radiofobii , je však zřejmá potřeba výrazného prohloubení informací o vlivu elektromagnetického záření na živé organismy.

V Rusku jsou regulační dokumenty upravující maximální přípustné úrovně (MPL) vystavení elektromagnetickému záření:

  • GOST 12.1.006-84 "SSBT. Elektromagnetická pole rádiových frekvencí. Přípustné úrovně" [10] ,
  • od 2021.03.01 je v platnosti SanPiN 1.2.3685-21 „Hygienické normy a požadavky na zajištění bezpečnosti a (nebo) nezávadnosti faktorů prostředí pro člověka“ [11] .

Přípustné úrovně záření různých vysílacích rádiových zařízení na frekvencích > 300 MHz v hygienicko-obytných zónách se v některých zemích výrazně liší:

  • Rusko, Ukrajina, Polsko, Bělorusko, Kazachstán: 10 µW/cm²;
  • USA, Evropa (kromě některých zemí), Japonsko, Korea: 200-1000 µW/cm² [12] [13] ;
  • Kanada: 130–2000 μW/cm2 [14] ;
  • Čína: 10 (40) - 2000 μW/cm² [15] [16] .

Paralelní vývoj hygienické vědy v SSSR a západních zemích vedl k vytvoření různých přístupů k hodnocení účinku EMR. Pro některé země postsovětského prostoru zůstává převládající přidělování v jednotkách hustoty energetického toku (PET), zatímco pro USA a země EU je typické hodnocení specifického absorpčního výkonu ( SAR ).

„Moderní představy o biologickém účinku EMR z mobilních radiotelefonů (MRI) neumožňují předvídat všechny nepříznivé účinky, mnoho aspektů problému není pokryto moderní literaturou a vyžaduje další výzkum. V tomto ohledu je podle doporučení WHO vhodné dodržovat preventivní politiku, tedy minimalizovat dobu používání mobilní komunikace.

Ionizující záření

Přípustné normy jsou upraveny normami radiační bezpečnosti - NRB-99 .

Dopad na rádiová zařízení

Existují správní a regulační orgány – Inspektorát radiokomunikací (na Ukrajině např. Ukrajinský frekvenční dozor, který reguluje rozdělování frekvenčních rozsahů pro různé uživatele, dodržování přidělených rozsahů, hlídá nelegální využívání rádiového vzduchu).

Viz také

Poznámky

  1. ( Princip maximální rychlosti světla teorie relativity není v tomto případě porušen, protože rychlost přenosu energie a informace - spojená s grupou, nikoli fázová rychlost - v žádném případě nepřekračuje rychlost světlo)
  2. V astrofyzice mohou také nastat problémy související s tvrdým a supertvrdým zářením; tam někdy mají zvláštní specifika, například k tvorbě záření může docházet v oblastech obrovské velikosti.
  3. Nejzásadnější, kromě výše zmíněných teorií Standardního modelu, který se od čisté kvantové elektrodynamiky liší ovšem jen při velmi vysokých energiích.
  4. 1 2 GOST 24375-80. Rádiová komunikace. Termíny a definice
  5. 48. Vlastnosti mikrovlnného rozsahu. Rozdělení mikrovlnného rozsahu na podrozsahy. . StudFiles. Datum přístupu: 24. října 2017.
  6. Struktura paprsku je zobrazena podmíněně. Sinusoidita paprsků je zobrazena podmíněně. Nejsou znázorněny různé rychlosti světla v hranolu pro různé vlnové délky.
  7. Dohady o přítomnosti záření mimo viditelné spektrum již dříve vyjádřili Herschel a Ritter, ale ukázali to experimentálně.
  8. [ http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_russian.pdf Elektromagnetická pole a veřejné zdraví] . Světová zdravotnická organizace (červen 2007).
  9. Elektromagnetická pole a veřejné zdraví: mobilní telefony . Světová zdravotnická organizace (říjen 2014).
  10. GOST 12.1.006-84 .
  11. SanPiN 1.2.3685-21 "Hygienické normy a požadavky na zajištění bezpečnosti a (nebo) nezávadnosti faktorů prostředí pro člověka"
  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

Literatura

  • Fyzika. Velký encyklopedický slovník / Ch. vyd. A. M. Prochorov. - 4. vyd. - M .: Velká ruská encyklopedie, 1999. - S. 874-876. ISBN 5-85270-306-0 (BDT)
  • Kudryashov Yu. B., Perov Yu. F. Rubin AB Radiační biofyzika: radiofrekvenční a mikrovlnné elektromagnetické záření. Učebnice pro vysoké školy. — M.: FIZMATLIT, 2008. — 184 s — ISBN 978-5-9221-0848-5
  • Petrusevich Yu. M. Radiation (radiace) // Velká lékařská encyklopedie  : ve 30 svazcích  / kap. vyd. B.V. Petrovský . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie , 1978. - T. 9: Ibn-Roshd - Jordánsko. - S. 35-36. — 483 s. : nemocný.

Odkazy