Взаємодія електромагнітних випромінювань з речовиною

При проходженні ЕМ хвилі через шар речовини товщиною x інтенсивність хвилі I зменшується унаслідок взаємодії ЕМ поля з атомами і молекулами речовини. Ефекти взаємодії можуть бути різними в різних речовинах і для різних довжин хвиль. Але загальний закон ослаблення інтенсивності хвилі буде однаковим:

I = I₀ × e^-mx, (11.9)

де I₀ - інтенсивність падаючого випромінювання.

Це вираження зветься закон Бугера, μ називається коефіцієнтом ослаблення. У загальному виді ослаблення визначається поглинанням і розсіюванням енергії ЕМ хвилі речовиною. Величина μ залежить від природи речовини і довжини хвилі.

Радіохвилі. До радіодіапазону відносяться самі довгі ЕМ хвилі: λ = 3 × 10³ до 1 м (частота 10⁵ до 3 × 10⁸ Гц) - довгі, середні, короткі й УКВ-діапазони, і λ від 1 до 10^{-3 м} (частота 3 × 10⁸ – 3 × 10¹¹ Гц) - мікрохвильовий діапазон. Радіохвилі, взаємодіючи з біологічними структурами, можуть утрачати частина енергії змінного електричного поля, що перетворюється в теплоту, за рахунок генерації струмів провідності в електролітах (крові, лімфі, цитоплазмі кліток) і за рахунок поляризації діелектриків тканин організму. Особливості поширення електромагнітних хвиль у живих тканинах:

1. Характерною рисою живих тканин є сильна залежність їхніх електричних властивостей: діелектричної проникності ε і провідності σ від частоти радіохвиль.

2. З ростом частоти ν довжина хвилі λ електромагнітних хвиль стає порівняною з розмірами тіла. Як відомо, довжина хвилі λ у речовині з діелектричною проникністю ε визначається вираженням: λ = з/(ν ), де с = 3×10⁸ м/с - швидкість світла. Наприклад, на частоті 460 Мгц, застосовуваної у фізіотерапії, довжина хвилі у вільному просторі складає близько 0,7 м, а в м'яких тканинах тіла людини тільки близько 0,1 м.

3. На високих і надвисоких частотах унаслідок високої провідності тканин енергія електромагнітної хвилі швидко дисипує у тепло і хвилі дуже швидко загасають у міру проходження по тканинах тіла: загасання по потужності в е = 2,72 рази відбувається на шляху в 1,525 см. Це важливо знати при аналізі медичних додатків.

Радіохвилі від штучних джерел можуть мати велику інтенсивність і впливати на життєво важливі процеси.

Штучними джерелами радіохвиль є радіомовні і телевізійні станції, радіолокатори і супутникові системи зв'язку. Вони можуть давати до 30 × 10⁹ Вт в імпульсі на частотах близько 10¹⁰ Гц. Для людини, що знаходиться в постійному полі, інтенсивність радіохвиль 0,1 Вт/м² вважається безпечною. На відстанях більш 0,5 км від радіомовних станцій радіохвилі довгих, середніх, короткого й УКХ-діапазонів не викликають у біологічних об'єктах значних біофізичних ефектів. У зонах, де інтенсивність радіохвиль досягає 100 Вт/м², перебування людини заборонене нормами Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ). Ефекти нагрівання біологічних тканин радіохвилями використовуються в медицині при проведенні фізіотерапевтичних процедур за допомогою апаратів УВЧ, СВЧ-терапії, а також індуктотермії.

ІЧ, видиме й УФ-випромінювання можуть викликати фотобіологічні процеси в біоструктурах.

Видиме світло викликає в рослинах реакції фотосинтезу.

При дії далекого УФ-випромінювання l > 12 еВ може відбуватися утворення вільних радикалів ароматичних і сірковмісних білків і піримідинових основ нуклеїнових кислот.

ІЧ і видимі хвилі активують термо- і зорові рецептори відповідно. Дія ІЧ-випромінювання на організм зв'язана, насамперед, з тепловим ефектом у поверхневих тканинах. Для прогріву використовують короткохвильову частину ІЧ-діапазона.

УФ-випромінювання проникає в тканині організму на глибину до 1 мм. Поглинання УФ-випромінювання зв'язане з фотохімічними реакціями і може привести до появи еритеми (почервоніння і засмага). Виділяють три зони дії УФ на організм: А - антирахітна (400-315 нм) - йде синтез вітаміну Д; У - еритемна (315-280 нм) виникає еритема, опіки; З - бактерицидна (280-200 нм) - може викликати канцерогенез, мутації, бактерицидний ефект. Останній використовується в операційних і перев'язних відділеннях клінік для дезінфекції приміщень.

Рентгенівське і гамма-випромінювання мають високі енергії квантів, що визначає їхню специфічну взаємодію з речовиною, - ці випромінювання є іонізуючими.

Рентгенівське випромінювання при взаємодії з речовиною може когерентно розсіюватися (при взаємодії фотонів невисоких енергій з електронами внутрішніх оболонок). Рентгенівське і гамма-випромінювання можуть викликати фотоефект, а при великих енергіях фотонів - комптон-ефект.

Вторинне випромінювання, що утвориться, при комптон-ефекті лежить завжди в більш довгохвильовій області, чим первинне випромінювання. Це зумовлено тим, що частина енергії вихідного рентгенівського або гамма-фотонів витрачається на здійснення роботи виходу і надання електронові кінетичної енергії.

Вторинне випромінювання також може бути іонізуючим, наприклад, при взаємодії гамма-фотона з речовиною може виникати вторинне випромінювання в рентгенівському діапазоні.

При взаємодії гамма-фотонів високої енергії з речовиною можуть утворюватися пари: електрон-позитрон (11.8). Розглянуті ефекти взаємодії рентгенівського і гамма-випромінювань з речовиною можуть йти незалежно й одночасно. Частка того або іншого ефекту в загальній картині взаємодії залежить від енергії фотона (довжини хвилі випромінювання) і порядкового номера речовини.

Особливо складним є прояв цих властивостей при взаємодії рентгенівського і g-випромінювання з біологічними об'єктами. Це зв'язано з тим, що поглинання різних тканин організму може сильно відрізнятися.

Однієї з важливих характеристик ЕМ-випромінювання, що визначає характер його взаємодії з біологічними об'єктами, є енергія фотона. Ми говорили раніше, що ЕМ-випромінювання володіє одночасно як властивостями хвилі, так і властивостями частки (прояв корпускулярно-хвильового дуалізму). Виразність кожного з цих властивостей залежить від довжини хвилі. Так, у радіодіапазоні й у ІЧ-випромінювання виявляються хвильові властивості (дифракція хвиль, інтерференція), у видимому діапазоні і ті й інші властивості виражені приблизно однаково (дифракція - хвильові, фотоефект - корпускулярні). Зі зменшенням довжини хвилі сильніше виявляються корпускулярні властивості ЕМ-випромінювання. Починаючи з енергії кванта, приблизно рівної 12 еВ (1 еВ = 1,6×10^-19 Дж), що відповідає далекому УФ, і далі в діапазоні рентгенівського і тим більше гамма-випромінювання, ЕМ хвиля поводиться як потік часток. З цієї умовної границі ЕМ-випромінювання можуть іонізувати речовина, і тому, починаючи з далекого УФ, рентгенівське і гамма-випромінювання відносять до іонізуючих.