Неионизирующее излучение - Non-ionizing radiation
Неионизирующее (или неионизирующее ) излучение относится к любому типу электромагнитного излучения, которое не несет достаточно энергии на квант ( энергию фотона ) для ионизации атомов или молекул, то есть для полного удаления электрона из атома или молекулы . Вместо того, чтобы производить заряженные ионы при прохождении через вещество, неионизирующее электромагнитное излучение обладает достаточной энергией только для возбуждения (перемещения электрона в более высокое энергетическое состояние). Неионизирующее излучение может вызвать некоторые проблемы со здоровьем, особенно солнечный ожог , а неионизирующие ультрафиолетовые лучи (УФ-A) могут вызвать меланому и немеланомный рак кожи , но, как правило, не представляют значительного риска для здоровья. Напротив, ионизирующее излучение имеет более высокую частоту и более короткую длину волны, чем неионизирующее излучение, и может представлять серьезную опасность для здоровья: его воздействие может вызвать ожоги, лучевую болезнь , многие виды рака и генетические повреждения . Использование ионизирующего излучения требует тщательно продуманных мер радиологической защиты , которые, как правило, не требуются для неионизирующего излучения.
Область, в которой излучение считается "ионизирующим", четко не определена, поскольку разные молекулы и атомы ионизируются с разными энергиями . Обычные определения предполагают, что излучение с энергией частиц или фотонов менее 10 электронвольт (эВ) считается неионизирующим. Другой предлагаемый порог составляет 33 электронвольта, это энергия, необходимая для ионизации молекул воды. Свет от Солнца, который достигает Земли, в основном состоит из неионизирующего излучения, поскольку ионизирующие дальние ультрафиолетовые лучи отфильтровываются газами в атмосфере, особенно кислородом. Оставшееся ультрафиолетовое излучение Солнца вызывает молекулярные повреждения (например, солнечный ожог) фотохимическими и производящими свободные радикалы средствами.
Механизмы взаимодействия с веществом, в том числе с живой тканью
Ближний ультрафиолет , видимый свет , инфракрасный , микроволновый , радиоволны и низкочастотные радиочастоты (длинноволновые) - все это примеры неионизирующего излучения. Напротив, дальний ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и все радиационные частицы от радиоактивного распада являются ионизирующими. Видимое и близкое к ультрафиолетовому излучению электромагнитное излучение может вызывать фотохимические реакции или ускорять радикальные реакции , такие как фотохимическое старение лаков или разрушение вкусовых соединений в пиве с образованием « светлого аромата ». Ближнее ультрафиолетовое излучение, хотя технически неионизирующее, все же может возбуждать и вызывать фотохимические реакции в некоторых молекулах. Это происходит потому, что при ультрафиолетовых энергиях фотонов молекулы могут становиться электронно возбужденными или переходить в свободнорадикальную форму даже без ионизации.
Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их количества. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизацию, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если только они не поднимут температуру тела до точки, достаточно высокой для ионизации небольших фракций атомов или молекул в процессе ионизации. термоионизация. В таких случаях даже «неионизирующее излучение» способно вызвать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергии ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, для ионизации которого требуется только одна частица. Известным примером термической ионизации является ионизация пламенем при обычном огне и реакции потемнения в обычных пищевых продуктах, вызванные инфракрасным излучением, во время приготовления на гриле.
Энергия частиц неионизирующего излучения мала, и вместо того, чтобы производить заряженные ионы при прохождении через вещество, неионизирующее электромагнитное излучение имеет достаточно энергии только для изменения вращательной, колебательной или электронной валентной конфигурации молекул и атомов. Это вызывает тепловые эффекты. Возможные нетепловые эффекты неионизирующих форм излучения на живые ткани были изучены совсем недавно. Большая часть текущих споров связана с относительно низкими уровнями воздействия радиочастотного (РЧ) излучения мобильных телефонов и базовых станций, вызывающих «нетепловые» эффекты. Некоторые эксперименты предполагают, что могут иметь место биологические эффекты при нетепловых уровнях воздействия, но доказательства возникновения опасности для здоровья противоречивы и бездоказательны. Научное сообщество и международные организации признают, что необходимы дальнейшие исследования для улучшения нашего понимания в некоторых областях. Между тем, все согласны с тем, что нет последовательных и убедительных научных доказательств неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных радиочастотным излучением при достаточно низких мощностях, при которых не возникает теплового воздействия на здоровье.
Риск для здоровья
Для разных типов неионизирующего излучения наблюдаются разные биологические эффекты. Верхние частоты неионизирующего излучения вблизи этих энергий (большая часть спектра ультрафиолетового света и часть видимого света) способны вызывать нетепловые биологические повреждения, подобные ионизирующему излучению. Ущерб, нанесенный верхними частотами, - общепризнанный факт. Единственная оставшаяся область споров связана с тем, влечет ли нетепловое воздействие излучения гораздо более низких частот (микроволновое, миллиметровое и радиоволновое излучение) риск для здоровья.
Верхние частоты
Воздействие неионизирующего ультрафиолетового света вызывает рак кожи , солнечный ожог , преждевременное старение кожи и другие эффекты.
Более низкие частоты
В дополнение к хорошо известному эффекту неионизирующего ультрафиолетового излучения, вызывающего рак кожи, неионизирующее излучение может вызывать немутагенные эффекты, такие как возбуждение тепловой энергии в биологической ткани, что может привести к ожогам. В 2011 году Международное агентство по изучению рака (IARC) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, в котором добавлены радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в свой список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека.
С точки зрения потенциальных биологических эффектов неионизирующая часть спектра может быть подразделена на:
- Часть оптического излучения, где может происходить электронное возбуждение (видимый свет, инфракрасный свет)
- Часть, где длина волны меньше длины тела. Может происходить нагрев индуцированными токами. Кроме того, есть заявления о других неблагоприятных биологических эффектах. Такие эффекты недостаточно изучены и даже в значительной степени отрицаются. (СВЧ и высокочастотные радиочастоты).
- Часть, где длина волны намного больше длины тела, и нагрев индуцированными токами происходит редко (низкочастотные радиочастоты, электрические частоты, статические поля).
Вышеупомянутые эффекты, как было показано, связаны только с эффектами нагрева. На низких уровнях мощности, где отсутствует эффект нагрева, риск рака незначителен.
Международное агентство по изучению рака недавно заявило , что может быть некоторый риск от неионизирующих излучений для человека. Но последующее исследование показало, что основа оценки IARC не соответствовала наблюдаемым тенденциям заболеваемости. Этот и другие отчеты свидетельствуют о том, что результаты, на которых МАИР основывал свои выводы, практически не являются верными.
| Источник | Длина волны | Частота | Биологические эффекты | |
|---|---|---|---|---|
| УФ-А | Черный свет , солнечный свет | 319–400 нм | 750–940 ТГц | Глаза: фотохимическая катаракта ; кожа: эритема , в том числе пигментация |
| Видимый свет | Солнечный свет , огонь , светодиоды, лампочки, лазеры | 400–780 нм | 385–750 ТГц | Глаза: фотохимическое и термическое повреждение сетчатки; кожа: фотостарение |
| IR-A | Солнечный свет, тепловое излучение , лампы накаливания , лазеры , пульты дистанционного управления | 780 нм - 1,4 мкм | 215–385 ТГц | Глаза: термическое повреждение сетчатки, термическая катаракта; кожа: ожог |
| IR-B | Солнечный свет, тепловое излучение, лампы накаливания, лазеры | 1,4–3 мкм | 100–215 ТГц | Глаза: ожог роговицы , катаракта; кожа: ожог |
| IR-C | Солнечный свет, тепловое излучение, лампы накаливания, дальний инфракрасный лазер | 3 мкм - 1 мм | 300 ГГц - 100 ТГц | Глаза: ожог роговицы, катаракта; нагрев поверхности тела |
| СВЧ | Мобильные / сотовые телефоны, микроволновые печи, беспроводные телефоны, миллиметровые волны, миллиметровые сканеры для аэропортов, детекторы движения, дальней связи, радар, Wi-Fi | 1 мм - 33 см | 1–300 ГГц | Нагрев тканей тела |
| Радиочастотное излучение | Мобильные / сотовые телефоны, телевидение, FM, AM, коротковолновое, CB, беспроводные телефоны | 33 см - 3 км | 100 кГц - 1 ГГц | Нагрев тканей тела, повышение температуры тела |
| Низкочастотный RF | Линии электропередач | > 3 км | <100 кГц | Накопление заряда на поверхности тела; нарушение нервных и мышечных реакций |
| Статическое поле | Сильные магниты, МРТ | Бесконечный | 0 Гц (технически статические поля не являются «излучением») | Электрический заряд на поверхности тела |
Виды неионизирующего электромагнитного излучения
Ближнее ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовый свет может вызвать ожоги кожи и катаракту глаз. Ультрафиолет классифицируется на ближний, средний и дальний УФ в соответствии с энергией, где ближний и средний ультрафиолет технически неионизируют, но где все длины волн УФ могут вызывать фотохимические реакции, которые в некоторой степени имитируют ионизацию (включая повреждение ДНК и канцерогенез). УФ-излучение выше 10 эВ (длина волны короче 125 нм) считается ионизирующим. Однако остальная часть УФ-спектра от 3,1 эВ (400 нм) до 10 эВ, хотя технически не ионизируется, может вызывать фотохимические реакции, которые повреждают молекулы, за счет иных средств, кроме простого нагрева. Поскольку эти реакции часто очень похожи на реакции, вызываемые ионизирующим излучением, часто весь УФ-спектр считается эквивалентным ионизирующему излучению при его взаимодействии со многими системами (включая биологические системы).
Например, ультрафиолетовый свет, даже в неионизирующем диапазоне, может производить свободные радикалы , вызывающие повреждение клеток, и может быть канцерогенным . Фотохимия, такая как образование димера пиримидина в ДНК, может происходить в большей части УФ-диапазона, включая большую часть полосы, которая формально неионизируется. Ультрафиолетовый свет вызывает выработку меланина клетками меланоцитов, вызывая загар кожи. Витамин D вырабатывается на коже в результате радикальной реакции, инициированной УФ-излучением.
Солнцезащитные очки из пластика ( поликарбоната ) обычно поглощают УФ-излучение. Чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения на глаза вызывает снежную слепоту , обычную для областей с отражающими поверхностями, таких как снег или вода.
Видимый свет
Свет или видимый свет - это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, видимый человеческим глазом (около 400–700 нм) или до 380–750 нм. В более широком смысле физики называют свет электромагнитным излучением всех длин волн, видимым или невидимым.
Видимый свет с высокой энергией - это сине-фиолетовый свет с более высоким потенциалом поражения.
Инфракрасный
Инфракрасный (ИК) свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 микрометров, что соответствует диапазону частот приблизительно от 1 до 430 ТГц. Длины волн ИК-излучения больше, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн терагерцового излучения. Яркий солнечный свет обеспечивает освещенность чуть более 1 киловатта на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 527 Вт составляет инфракрасное излучение, 445 Вт - видимый свет и 32 Вт - ультрафиолетовое излучение.
СВЧ
Микроволны - это электромагнитные волны с длинами волн от одного метра до одного миллиметра или, что эквивалентно, с частотами от 300 МГц (0,3 ГГц) до 300 ГГц. Это широкое определение включает как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), и различные источники используют разные границы. Во всех случаях микроволновая печь включает как минимум весь СВЧ-диапазон (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), при этом в радиотехнике часто нижняя граница устанавливается на 1 ГГц (30 см), а верхняя - около 100 ГГц (3 мм). . Приложения включают мобильные (мобильные) телефоны, радары, сканеры аэропортов, микроволновые печи, спутники дистанционного зондирования Земли, а также радио- и спутниковую связь.
Радиоволны
Радиоволны - это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре больше, чем у инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они движутся со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или астрономическими объектами. Искусственно генерируемые радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокационных и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и множества других приложений. Радиоволны разных частот имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут очень последовательно покрывать часть Земли, более короткие волны могут отражаться от ионосферы и распространяться по всему миру, а волны гораздо меньшей длины изгибаются или отражаются очень мало и распространяются по линии прямой видимости.
Очень низкая частота (VLF)
Очень низкая частота или VLF - это диапазон RF от 3 до 30 кГц. Поскольку в этой полосе радиочастотного спектра не так много полосы пропускания, используются только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известна как мириаметровая полоса или мириаметровая волна, поскольку длины волн находятся в диапазоне от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).
Чрезвычайно низкая частота (ELF)
Чрезвычайно низкая частота (КНЧ) - это диапазон частот излучения от 300 Гц до 3 кГц. В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение от 3 Гц до 3 кГц. В соответствующей науке о магнитосфере низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации с частотой ниже ~ 3 Гц) считаются находящимися в УНЧ диапазоне, который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны МСЭ.
Тепловое излучение
Тепловое излучение, распространенный синоним инфракрасного излучения, когда оно возникает при температурах, обычно встречающихся на Земле, - это процесс, при котором поверхность объекта излучает свою тепловую энергию в форме электромагнитных волн. Инфракрасное излучение, которое можно почувствовать, исходящее от бытового обогревателя, инфракрасной лампы или кухонной духовки, является примерами теплового излучения, равно как и инфракрасный и видимый свет, излучаемый светящейся лампой накаливания (недостаточно горячей для излучения синего максимума). частоты и поэтому кажутся желтоватыми; люминесцентные лампы не являются тепловыми и могут казаться более синими). Тепловое излучение генерируется, когда энергия движения заряженных частиц внутри молекул преобразуется в лучистую энергию электромагнитных волн. Частота испускаемой волны теплового излучения представляет собой распределение вероятностей, зависящее только от температуры, и для черного тела определяется законом излучения Планка. Закон смещения Вина дает наиболее вероятную частоту испускаемого излучения, а закон Стефана-Больцмана дает интенсивность тепла (мощность, излучаемую на площадь).
Части электромагнитного спектра теплового излучения могут быть ионизирующими, если объект, излучающий излучение, достаточно горячий (имеет достаточно высокую температуру ). Типичным примером такого излучения является солнечный свет, который представляет собой тепловое излучение фотосферы Солнца и содержит достаточно ультрафиолетового света, чтобы вызвать ионизацию многих молекул и атомов. Ярким примером является вспышка от взрыва ядерного оружия , которая испускает большое количество ионизирующих рентгеновских лучей исключительно в результате нагрева атмосферы вокруг бомбы до чрезвычайно высоких температур.
Как отмечалось выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызвать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Распространенными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные « потемнением » при приготовлении пищи, что представляет собой химический процесс, который начинается с большой составляющей ионизации.
Излучение черного тела
Излучение черного тела - это излучение идеализированного излучателя, которое при любой температуре испускает максимально возможное количество излучения на любой заданной длине волны. Черное тело также будет поглощать максимально возможное падающее излучение в любой данной длине волны. Испускаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а его интенсивность (мощность на единицу площади) на заданной частоте определяется законом излучения Планка . Черное тело при температуреравной или ниже комнатной температуры, таким образомпредставляется абсолютно чернымпоскольку это не будет отражать любой свет. Теоретически черное тело излучает электромагнитное излучение во всем спектре от радиоволн очень низкой частоты до рентгеновских лучей. Частота, при которой излучение черного тела является максимальным, определяется законом смещения Вина .
Смотрите также
- Электромагнитная гиперчувствительность
- Электромагнитное излучение и здоровье
- Электронное преследование
- Ионизирующее излучение
- Излучение мобильных телефонов и здоровье
- Беспроводные электронные устройства и здоровье