Природні джерела електромагнітних випромінювань

Сукупність ЕМ хвиль різних довжин від тисяч метрів до 10^{-12 м} і коротше, що поширюються у Всесвіті (у тому числі й в умовах Землі), можна представити у виді шкали ЕМ хвиль. Самий довгохвильовий діапазон складають радіохвилі, потім у міру укорочення довжини хвилі випливають: інфрачервоного, видимого, ультрафіолетового, рентгенівське і гамма-випромінювання.

Границі діапазонів зазначені по довжинах хвиль, частотам або енергіям фотонів, прийняті умовно. Зазначені діапазони перекриваються один з одним і в природі не мають чітких границь. Фізична природа усіх випромінювань, що складають шкалу, єдина і: усі ці випромінювання електромагнітні хвилі. У залежності від частоти l, а отже, і енергії фотона hn, істотно міняються властивості поширення і характер взаємодії ЕМ хвиль з біологічними об'єктами.

У табл. 11.1 представлені основні характеристики, механізми випромінювання, види взаємодії з біологічними об'єктами і застосування в медицині ЕМ хвиль зазначених діапазонів.

Основним джерелом природного фону радіохвиль на Землі є атмосферні електричні явища (грози, блискавиці, кульові блискавки), радіовипромінювання Сонця і зірок. Інтенсивність фону складає в середньому приблизно 10^-7 Вт/м2.

Основним природним джерелом випромінювання в ІЧ, видимому й УФ-діапазонах є Сонце, а в рентгенівському і гамма-діапазонах також міжзоряні і галактичні події (утворення наднових зірок, квазари, пульсари й ін.). Фонова інтенсивність у цих діапазонах залежить від багатьох факторів, зокрема від стану атмосфери й іоносфери, магнітного поля Землі, сонячної активності й ін. і може змінюватися в досить широких межах.

ЕМ хвилі, що йдуть від Сонця, людина відчуває у виді сонячного тепла (ІЧ-діапазон), денного світла (видимий діапазон). УФ-діапазон сонячного випромінювання виявляється у виді пігментації шкірного покриву (засмага). Рентгенівське і гамма-випромінювання людина без посеред-ньо не відчуває.

Щільність потоку енергії ЕМ випромінювання від Сонця на границі атмосфери складає 1350 Вт/м². Цю величину називають сонячною постійною. Атмосфера поглинає сонячну енергію, тому біля поверхні Землі на широті Москви інтенсивність падає до 930 Вт/м².

На мал. 11.2 представлений спектр сонячного випромінювання на верхній границі атмосфери (1) і на поверхні Землі (2).

Таблиця 11.1. Електромагнітні хвилі

	Радіохвилі довгі, середні, короткі, УВЧ, СВЧ	Інфрачервоне випромінювання	Видиме світло	Ультрафіолетове випромінювання	Рентгенівське випромінювання	Гамма-випромінювання
				Іонізуюче випромінювання
Довжина хвилі	103 м – 1 мм	1 мм – 0,76 мкм	760 – 380 нм	380 – 10 нм	80 – 10-4 нм	0,1 нм і менш
Енергія кванта [ев]	1,2×10-9 – 1,2×10-4	1,2×10-4 – 1,6	1,6 – 3,3	3,3 – 120	10 – 0,5×106	0,2×106 і більш
Джерела випромінювань	Рух зарядів із прискоренням	випромінювання молекул і атомів	випромінювання атомів	випромінювання збудженого ядра
Дія на речовину	Поляризація діелектриків, виникнення струмів провідності в біологічних рідинах	Фотобіологічні процеси	Когерентне розсіювання   ІОНІЗАЦІЯ   Фото- и комптон-эффекты образование пары
		активація терморецеп-то­рів	активація зорових рецепторів	Фотохімічні реакції на поверхні шкіри
Застосування в медицині	УВЧ-терапія СВЧ-терапія Ендорадіозонди	Теплове лікування	Світлолікування лазерна терапія	Світлолікування УФ-терапія Синтез вітаміну Д	Рентгено­терапія	Гамма-терапія
	Діагностика за допомогою картирува­ння теплових полів організму	Люмінесцентні методи діагностики	Рентгено­діагностика	Радіонук-лоїдна діагностика

Як випливає з малюнка, максимум енергії випромінювання приходиться на l = 470 нм, а на поверхні Землі - на довжину хвилі близько 555 нм. Уф-випромінювання коротше 290 нм поглинається озоновим шаром біля верхньої границі атмосфери, а частина довгохвильового ІЧ-випромінювання - водяною парою.

Біосфера Землі, у тому числі і людина, розвивалися в умовах відносної сталості сонячної радіації, тому зміна енергії, що падає на Землю в діапазонах ІЧ, видимому й УФ, обумовлена станом атмосфери й іоносфери (наприклад, появою озонових дір), може негативно впливати на існування життя.

Поряд із зазначеними природними об'єктами, що випромінюють ЕМ хвилі, існують і інші природні джерела. Зокрема, джерелом ЕМ випромінювання є організм людини. Розуміння фізичних механізмів виникнення ЕМ хвиль відкриває можливості вивчати процеси рецепції, електрогенеза, поширення нервових імпульсів в активних середовищах і цілий ряд інших життєво важливих функцій.

Сучасна наука розглядає два підходи до пояснення механізмів ЕМ випромінювання. Перший базується на законах класичної електродинаміки в основі якої лежить теорія Максвела. Другий використовує закони квантової механіки. Обидва підходи пояснюють виникнення ЕМ хвиль у різних діапазонах і взаємно доповнюють один одного.