Elektromagnetisk strålning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 25 juni 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Elektromagnetiska vågor / elektromagnetisk strålning (EMR) - en störning (tillståndsförändring) av det elektromagnetiska fältet som  utbreder sig i rymden .

Bland de elektromagnetiska fält som genereras av elektriska laddningar och deras rörelse är det vanligt att tillskriva strålning den del av de växlande elektromagnetiska fälten som kan fortplanta sig längst bort från sina källor - rörliga laddningar, som bleknar långsammast med avståndet.

Det elektromagnetiska spektrumet är indelat i:

Elektromagnetisk strålning kan spridas i nästan alla miljöer. I ett vakuum (ett utrymme fritt från materia och kroppar som absorberar eller sänder ut elektromagnetiska vågor) fortplantar sig elektromagnetisk strålning utan dämpning över godtyckligt stora avstånd, men i vissa fall fortplantar den sig ganska bra i ett utrymme fyllt med materia (även om det ändrar dess beteende något) .

Egenskaper för elektromagnetisk strålning

De huvudsakliga egenskaperna hos elektromagnetisk strålning anses vara frekvens , våglängd och polarisation .

Våglängden är direkt relaterad till frekvensen genom strålningshastigheten (grupp). Grupphastigheten för utbredning av elektromagnetisk strålning i vakuum är lika med ljusets hastighet , i andra medier är denna hastighet lägre. Fashastigheten för elektromagnetisk strålning i vakuum är också lika med ljusets hastighet, i olika medier kan den vara antingen mindre eller högre än ljusets hastighet [1] .

I elektrodynamik

Beskrivningen av egenskaperna och parametrarna för elektromagnetisk strålning som helhet behandlas av elektrodynamik , även om vissa mer specialiserade sektioner av fysiken är involverade i egenskaperna hos strålningen från enskilda regioner av spektrumet (delvis hände det historiskt, delvis på grund av betydande specifika särdrag, särskilt med avseende på interaktionen mellan strålning från olika intervall med materia , delvis också särdragen för tillämpade problem). Sådana mer specialiserade sektioner inkluderar optik (och dess sektioner) och radiofysik . Högenergifysik handlar om hård elektromagnetisk strålning från kortvågsänden av spektrumet [2] ; i enlighet med moderna idéer (se Standardmodellen ), vid höga energier, upphör elektrodynamiken att vara oberoende, förenas i en teori med svaga interaktioner, och sedan - vid ännu högre energier - som förväntat, med alla andra mätfält.

Förhållande till mer grundläggande vetenskaper

Det finns teorier som skiljer sig åt i detaljer och grader av generalitet, vilket gör det möjligt att modellera och undersöka egenskaper och manifestationer av elektromagnetisk strålning. Den mest fundamentala [3] av de färdigställda och testade teorierna av detta slag är kvantelektrodynamik , från vilken man genom vissa förenklingar i princip kan få fram alla nedan listade teorier, som används flitigt inom sina områden. För att beskriva relativt lågfrekvent elektromagnetisk strålning i det makroskopiska området används som regel klassisk elektrodynamik , baserad på Maxwells ekvationer , och det finns förenklingar i tillämpade tillämpningar. Optik används för optisk strålning (upp till röntgenområdet) (särskilt vågoptik , när dimensionerna för vissa delar av det optiska systemet är nära våglängder; kvantoptik , när processerna för absorption, emission och spridning av fotoner är signifikanta ; geometrisk optik  - gränsfallet för vågoptik, när strålningens våglängd kan försummas). Gammastrålning är oftast föremål för kärnfysik , från andra medicinska och biologiska positioner studeras effekten av elektromagnetisk strålning inom radiologi .

Det finns också ett antal områden - grundläggande och tillämpade - såsom astrofysik , fotokemi , fotosyntesbiologi och visuell perception, ett antal områden för spektralanalys , för vilka elektromagnetisk strålning (oftast av ett visst intervall) och dess interaktion med materia spelar en nyckelroll. Alla dessa områden gränsar till och skär till och med de sektioner av fysiken som beskrivs ovan.

Några egenskaper hos elektromagnetiska vågor ur synvinkeln av teorin om oscillationer och begreppen elektrodynamik :

Områden för elektromagnetisk strålning

Elektromagnetisk strålning delas vanligtvis in i frekvensområden (se tabell). Det finns inga skarpa övergångar mellan intervallen, de överlappar ibland, och gränserna mellan dem är villkorade. Eftersom utbredningshastigheten för strålning (i vakuum) är konstant, är frekvensen av dess svängningar styvt relaterad till våglängden i vakuum.

Områdesnamn Våglängder, λ Frekvenser, f Källor
radiovågor Extra lång mer än 10 km mindre än 30 kHz Atmosfäriska och magnetosfäriska fenomen. Radiokommunikation.
Lång 10 km - 1 km 30 kHz - 300 kHz
Medium 1 km - 100 m 300 kHz - 3 MHz
Kort 100 m - 10 m 3 MHz - 30 MHz
Ultrakort 10 m - 1 mm 30 MHz - 300 GHz [4]
Infraröd strålning 1 mm - 780 nm 300 GHz - 429 THz Strålning av molekyler och atomer under termisk och elektrisk påverkan.
Synlig strålning 780 nm - 380 nm 429 THz - 750 THz
ultraviolett 380 nm - 10 nm 7,5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz Strålning av atomer under påverkan av accelererade elektroner.
röntgen 10 nm - 17:00 3⋅10 16 Hz — 6⋅10 19 Hz Atomprocesser under påverkan av accelererade laddade partiklar.
Gamma mindre än 17.00 mer än 6⋅10 19 Hz Kärn- och rymdprocesser, radioaktivt sönderfall.

Ultrakorta radiovågor brukar delas in i meter- , decimeter- , centimeter- , millimeter- och decimillimetervågor (hyperhöga frekvenser, HHF, 300-3000 GHz) - standardradiovågsband enligt den allmänt accepterade klassificeringen [4] . Enligt en annan klassificering kallas dessa standardområden för radiovågor, exklusive mätarvågor , mikrovågor eller mikrovågor (MW) [5] .

Joniserande elektromagnetisk strålning . Denna grupp inkluderar traditionellt röntgen- och gammastrålning, även om ultraviolett strålning och till och med synligt ljus strängt taget kan jonisera atomer. Gränserna för regionerna för röntgen- och gammastrålning kan endast bestämmas mycket villkorligt. För en allmän orientering kan det antas att energin för röntgenkvanta ligger inom 20 eV - 0,1 MeV , och energin för gammakvanta är  mer än 0,1 MeV . I snäv bemärkelse sänds gammastrålning ut av kärnan och röntgenstrålning sänds ut av atomelektronskalet när en elektron slås ut ur lågt belägna banor, även om denna klassificering inte är tillämplig på hård strålning som genereras utan medverkan av atomer och kärnor (till exempel synkrotron eller bremsstrahlung ).

Radiovågor

På grund av de stora värdena på λ kan utbredningen av radiovågor övervägas utan att ta hänsyn till mediets atomistiska struktur. De enda undantagen är de kortaste radiovågorna som gränsar till den infraröda delen av spektrumet. Inom radioområdet har strålningens kvantegenskaper också liten effekt, även om de fortfarande måste beaktas, särskilt när man beskriver kvantgeneratorer och förstärkare i centimeter- och millimeterområdena, såväl som molekylära frekvens- och tidsstandarder, när utrustningen kyls till temperaturer på flera kelvin.

Radiovågor genereras när en växelström av motsvarande frekvens flyter genom ledarna . Omvänt exciterar en elektromagnetisk våg som passerar genom rymden en växelström som motsvarar den i ledaren. Denna egenskap används inom radioteknik vid design av antenner .

Åskväder är en naturlig källa till vågor i detta område . Man tror att de också är källan till Schumanns stående elektromagnetiska vågor .

Mikrovågsstrålning

Infraröd strålning (termisk)

Liksom radio och mikrovågor reflekteras infraröd (IR) strålning från metaller (liksom de flesta elektromagnetiska störningar i det ultravioletta området). Men till skillnad från lågfrekvent radio- och mikrovågsstrålning interagerar infraröd strålning vanligtvis med dipoler som finns i enskilda molekyler, som förändras när atomer vibrerar i ändarna av en enda kemisk bindning.

Följaktligen absorberas det av ett brett spektrum av ämnen, vilket leder till en ökning av deras temperatur när vibrationerna försvinner i form av värme. Samma process omvänt orsakar spontana utsläpp av massiva ämnen i det infraröda.

Infraröd strålning delas in i spektrala delområden. Även om det finns olika delningsscheman är spektrumet vanligtvis uppdelat i nära infraröd (0,75-1,4 µm), kortvågig infraröd (1,4-3 µm), mellanvågsinfraröd (3-8 µm), långvågig infraröd (8-15 µm). µm) och fjärrinfraröd (15-1000 µm).

Synlig strålning (optisk)

Synlig, infraröd och ultraviolett strålning utgör den så kallade optiska delen av spektrumet i ordets vidaste bemärkelse. Valet av en sådan region beror inte bara på närheten till motsvarande delar av spektrumet , utan också på likheten mellan de instrument som används för att studera det och utvecklades historiskt främst i studien av synligt ljus ( linser och speglar för fokusering av strålning). , prismor , diffraktionsgitter , interferensanordningar för att studera strålningens spektrala sammansättning och etc.).

Frekvenserna för vågorna i det optiska området av spektrumet är redan jämförbara med de naturliga frekvenserna för atomer och molekyler , och deras längder är jämförbara med molekylstorlekar och intermolekylära avstånd. På grund av detta blir fenomen på grund av materiens atomistiska struktur betydelsefulla i detta område. Av samma anledning, tillsammans med vågegenskaperna , framträder även ljusets kvantegenskaper .

Den mest kända källan till optisk strålning är solen . Dess yta ( fotosfär ) värms upp till en temperatur av 6000 K och lyser med starkt vitt ljus (maximum av det kontinuerliga spektrumet av solstrålning - 550 nm - är beläget i det "gröna" området, där ögats maximala känslighet är belägen). Just för att vi föddes nära en sådan stjärna , uppfattas denna del av spektrumet av elektromagnetisk strålning direkt av våra sinnen .

Strålning i det optiska området uppstår i synnerhet när kroppar värms upp (infraröd strålning kallas även termisk strålning) på grund av atomers och molekylers termiska rörelse . Ju mer uppvärmd kroppen är, desto högre frekvens vid vilken maximum av dess strålningsspektrum är beläget (se: Wiens förskjutningslag ). Med en viss uppvärmning börjar kroppen glöda i det synliga området ( glödlampa ), först rött, sedan gult, och så vidare. Omvänt har strålningen från det optiska spektrumet en termisk effekt på kroppar (se: Bolometri ).

Optisk strålning kan skapas och registreras i kemiska och biologiska reaktioner. En av de mest kända kemiska reaktionerna , som är en mottagare av optisk strålning, används inom fotografering . Energikällan för de flesta levande varelser på jorden är fotosyntes  - en biologisk reaktion som sker i växter under påverkan av optisk strålning från solen.

Ultraviolett strålning

Hård strålning

Inom området för röntgen- och gammastrålning kommer strålningens kvantegenskaper i förgrunden .

Röntgenstrålning uppstår under retardationen av snabbt laddade partiklar ( elektroner , protoner , etc.), såväl som som ett resultat av processer som sker inuti atomernas elektronskal . Gammastrålning uppstår som ett resultat av processer som sker inuti atomkärnor , såväl som som ett resultat av omvandlingen av elementarpartiklar .

Funktioner av elektromagnetisk strålning av olika intervall

Utbredningen av elektromagnetiska vågor, tidsberoendet för de elektriska och magnetiska fälten, som bestämmer typen av vågor (plan, sfärisk, etc.), typen av polarisation och andra egenskaper beror på strålningskällan och mediets egenskaper .

Elektromagnetisk strålning av olika frekvenser interagerar också med materia på olika sätt. Processerna för emission och absorption av radiovågor kan vanligtvis beskrivas med hjälp av sambanden mellan klassisk elektrodynamik ; men för vågorna i det optiska området och särskilt hårda strålar är det nödvändigt att ta hänsyn till deras kvantnatur.

Forskningshistoria

  • De första vågteorierna om ljus (de kan betraktas som de äldsta versionerna av teorierna om elektromagnetisk strålning) går tillbaka åtminstone till Huygens tid , när de redan fick en märkbar kvantitativ utveckling. År 1678 publicerade Huygens A Treatise on Light ( franska:  Traité de la lumière ), en översikt över vågteorin om ljus. Ett annat märkligt arbete publicerade han 1690 ; där presenterade han den kvalitativa teorin om reflektion , refraktion och dubbelbrytning i isländsk spar i samma form som den nu presenteras i fysikläroböcker. Han formulerade den så kallade Huygens-principen , som gör det möjligt att undersöka rörelsen hos en vågfront, som senare utvecklades av Fresnel ( Huygens-Fresnel-principen ) och spelade en viktig roll i vågteorin om ljus och teorin om diffraktion . På 1660- och 1670-talen gjorde Newton och Hooke också betydande teoretiska och experimentella bidrag till den fysiska teorin om ljus .
  • Många bestämmelser i den korpuskulär-kinetiska teorin av M.V. Lomonosov ( 1740 - 1750 -talet ) förutser postulaten av elektromagnetisk teori: roterande ("roterande") rörelse av partiklar som en prototyp av ett elektronmoln , våg ("fluktuerande") ljusets natur, dess likhet med naturelektricitet, skillnad mot värmestrålning m.m.
  • År 1800 upptäckte den engelske vetenskapsmannen W. Herschel infraröd strålning .
  • År 1801 upptäckte Ritter ultraviolett strålning [7] .
  • Förekomsten av elektromagnetiska vågor förutspåddes av den engelske fysikern Faraday 1832 .
  • År 1865 slutförde den engelske fysikern J. Maxwell konstruktionen av teorin om det elektromagnetiska fältet i klassisk (icke-kvant)fysik , rigoröst formaliserade det matematiskt , och på grundval av det, fick en solid motivering för förekomsten av elektromagnetiska vågor, som samt att hitta hastigheten på deras utbredning (vilket överensstämde väl med det då kända värdet på ljusets hastighet ), vilket gjorde att han kunde underbygga antagandet att ljus är en elektromagnetisk våg.
  • 1888 bekräftade den tyske fysikern Hertz Maxwells teori empiriskt. Intressant nog trodde Hertz inte på existensen av dessa vågor och utförde sitt experiment för att motbevisa Maxwells slutsatser.
  • Den 8 november 1895 upptäckte Roentgen elektromagnetisk strålning (senare kallad röntgen) med ett kortare våglängdsområde än ultraviolett.
  • I slutet av 1800-talet undersökte den vitryska vetenskapsmannen, professor Ya. Narkevich-Iodko, för första gången i världen möjligheterna att använda den elektromagnetiska strålningen från gasurladdningsplasma för elektrografi (visualisering) av levande organismer. är, för behoven av praktisk medicin.
  • År 1900 upptäckte Paul Villard gammastrålning när han studerade strålning från radium .
  • År 1900 upptäckte Planck , i en teoretisk studie av problemet med strålning från en absolut svart kropp , kvantiseringen av processen för elektromagnetisk strålning. Detta arbete var början på kvantfysiken .
  • Med början 1905 publicerade Einstein och sedan Planck ett antal verk som ledde till bildandet av begreppet foton , vilket var början på skapandet av kvantteorin om elektromagnetisk strålning.
  • Det fortsatta arbetet med kvantteorin om strålning och dess interaktion med materia, som så småningom ledde till bildandet av kvantelektrodynamiken i sin moderna form, tillhör ett antal ledande fysiker från mitten av 1900-talet , bland vilka man kan peka ut, i förhållande till frågan om kvantisering av elektromagnetisk strålning och dess interaktion med materia, förutom Planck och Einstein, Bose , Bohr , Heisenberg , de Broglie , Dirac , Feynman , Schwinger , Tomonagu .

Elektromagnetisk säkerhet

Strålning av det elektromagnetiska området vid vissa nivåer kan ha en negativ effekt på människokroppen, andra djur och levande varelser, samt påverka driften av elektriska apparater negativt. Olika typer av icke-joniserande strålning ( elektromagnetiska fält , EMF) har olika fysiologiska effekter. I praktiken särskiljs intervallen för magnetfältet (konstant och kvasi-konstant, pulsad), HF- och mikrovågsstrålning , laserstrålning, elektriska och magnetiska fält av industriell frekvens från högspänningsutrustning etc.

Inflytande på levande varelser

Det finns nationella och internationella hygienstandarder för EMF-nivåer, beroende på sortiment, för bostadsområden och arbetsplatser.

Optiskt område

Det finns hygienstandarder för belysning; säkerhetsstandarder har också tagits fram för arbete med laserstrålning.

Radiovågor

Tillåtna nivåer av elektromagnetisk strålning (elektromagnetisk energiflödestäthet) återspeglas i de standarder som fastställts av de statliga behöriga myndigheterna , beroende på EMF- intervallet . Dessa standarder kan variera avsevärt från land till land.

De biologiska konsekvenserna av en stark exponering för fält med höga nivåer (väl över 100 µT) har fastställts, vilka förklaras av verkan av erkända biofysiska mekanismer. Externa magnetfält av extremt låg frekvens (ELF) inducerar elektriska fält och strömmar i människokroppen, som vid mycket hög fältstyrka har en stimulerande effekt på nerver och muskler och orsakar en förändring av excitabiliteten hos nervceller i centralnerven. systemet.

När det gäller långtidseffekter, på grund av bristen på bevis som stöder ett samband mellan exponering för ELF-magnetfält och barnleukemi, är hälsofördelarna med minskade exponeringsnivåer oklara. [åtta]

Ett antal studier har undersökt effekterna av RF-fält på hjärnans elektriska aktivitet, kognition, sömn, hjärtfrekvens och blodtryck hos frivilliga. Hittills har studier inte antydt några konsekventa bevis för negativa hälsoeffekter från exponering för RF-fält vid nivåer under nivåer som orsakar vävnadsuppvärmning. Dessutom har forskning misslyckats med att hitta ett orsakssamband mellan exponering för elektromagnetiska fält och "självkänslassymtom" eller " elektromagnetisk överkänslighet ". Epidemiologiska studier som undersöker de potentiella långsiktiga riskerna med radiofrekvensexponering har främst syftat till att hitta ett samband mellan hjärntumörer och mobiltelefonanvändning. Resultat från försöksdjursstudier visar inte på en ökad risk för cancer vid långvarig exponering för RF-fält. [9]

Dessa data bör inte vara en anledning till radiofobi , men det finns ett uppenbart behov av en betydande fördjupning av informationen om effekten av elektromagnetisk strålning på levande organismer.

I Ryssland är de reglerande dokumenten som reglerar de högsta tillåtna nivåerna (MPL) för exponering för elektromagnetisk strålning:

  • GOST 12.1.006-84 "SSBT. Elektromagnetiska fält av radiofrekvenser. Tillåtna nivåer" [10] ,
  • sedan 2021.03.01 har SanPiN 1.2.3685-21 "Hygieniska standarder och krav för att säkerställa säkerheten och (eller) ofarligheten av miljöfaktorer för människor" [11] funnits i kraft .

Tillåtna nivåer av strålning från olika sändande radioutrustningar vid frekvenser > 300 MHz i sanitära bostadsområden i vissa länder skiljer sig markant:

  • Ryssland, Ukraina, Polen, Vitryssland, Kazakstan: 10 µW/cm²;
  • USA, Europa (exklusive vissa länder), Japan, Korea: 200-1000 µW/cm² [12] [13] ;
  • Kanada: 130–2000 μW/cm2 [14] ;
  • Kina: 10 (40) - 2000 μW/cm² [15] [16] .

Den parallella utvecklingen av hygienisk vetenskap i Sovjetunionen och västländerna ledde till bildandet av olika tillvägagångssätt för att bedöma effekten av EMR. För vissa länder i det postsovjetiska rymden är ransonering i enheter av energiflödestäthet (PET) fortfarande dominerande, medan för USA och EU -länder är bedömningen av specifik absorptionskraft ( SAR ) typisk.

"Moderna idéer om den biologiska effekten av EMR från mobiltelefoner (MRT) tillåter inte att förutsäga alla negativa effekter, många aspekter av problemet täcks inte upp i modern litteratur och kräver ytterligare forskning. I detta avseende, enligt WHO :s rekommendationer , är det tillrådligt att följa en förebyggande policy, det vill säga att minimera tiden för att använda mobilkommunikation."

Joniserande strålning

Tillåtna standarder regleras av strålsäkerhetsnormer - NRB-99 .

Inverkan på radioenheter

Det finns administrativa och tillsynsorgan - Radio Communications Inspectorate (i Ukraina till exempel den ukrainska frekvensövervakningen, som reglerar fördelningen av frekvensområden för olika användare, efterlevnad av de tilldelade räckvidden, övervakar olaglig användning av radioluft).

Se även

Anteckningar

  1. ↑ ( Principen för relativitetsteorins maximala ljushastighet kränks inte i detta fall, eftersom hastigheten för energi och informationsöverföring - associerad med gruppen, inte fashastigheten - i alla fall inte överstiger hastigheten för ljus)
  2. ↑ Även frågor relaterade till hård och superhård strålning kan uppstå inom astrofysik; Där har de ibland speciella särdrag, till exempel kan generering av strålning ske i områden av enorm storlek.
  3. ↑ Den mest grundläggande, bortsett från de ovan nämnda teorierna om Standardmodellen, som skiljer sig från ren kvantelektrodynamik, dock endast vid mycket höga energier.
  4. ↑ 1 2 GOST 24375-80. Radiokommunikation. Termer och definitioner
  5. ↑ 48. Funktioner i mikrovågsområdet. Uppdelningen av mikrovågsområdet i delområden. . StudFiles. Tillträdesdatum: 24 oktober 2017.
  6. ↑ Strålens struktur visas villkorligt. Strålarnas sinusformighet visas villkorligt. De olika ljushastigheterna i prismat för olika våglängder visas inte.
  7. ↑ Gissningar om närvaron av strålning utanför det synliga spektrumet uttrycktes tidigare av Herschel och Ritter, men de visade detta experimentellt.
  8. ↑ [ http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_russian.pdf Elektromagnetiska fält och folkhälsa] . Världshälsoorganisationen (juni 2007).
  9. ↑ Elektromagnetiska fält och folkhälsa: mobiltelefoner . Världshälsoorganisationen (oktober 2014).
  10. ↑ GOST 12.1.006-84 .
  11. ↑ SanPiN 1.2.3685-21 "Hygieniska standarder och krav för att säkerställa säkerheten och (eller) ofarligheten av miljöfaktorer för människor"
  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

Litteratur

  • Fysik. Big Encyclopedic Dictionary / Kap. ed. A. M. Prokhorov. - 4:e uppl. - M .: Great Russian Encyclopedia, 1999. - S. 874-876. ISBN 5-85270-306-0 (BDT)
  • Kudryashov Yu. B., Perov Yu. F. Rubin AB Strålningsbiofysik: radiofrekvens och elektromagnetisk strålning i mikrovågor. Lärobok för universitet. — M.: FIZMATLIT, 2008. — 184 s — ISBN 978-5-9221-0848-5
  • Petrusevich Yu. M. Strålning (strålning) // Big Medical Encyclopedia  : i 30 volymer  / kap. ed. B.V. Petrovsky . - 3:e uppl. - M  .: Soviet Encyclopedia , 1978. - T. 9: Ibn-Roshd - Jordanien. - S. 35-36. — 483 sid. : sjuk.

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger