Биосфера и физические поля

Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались и существуют под постоянным действием потоков электромагнитных волн и ионизирующих излучений. Естественный радиоактивный фон и фон электромагнитных излучений являются сферой нашего обитания, неотъемлемой частью и условием развития жизни.

Космические события, изменения солнечной активности, нарушение магнитосферы и ионосферы Земли могут оказывать влияние на жизненные процессы всех биологических объектов нашей планеты.

Изучение влияния физических полей окружающего мира на биосферу является одной из важнейших задач биофизики. Прогресс в этой области науки тесно связан с проблемами развития цивилизации, экологического состояния Земли и существования человечества.

С другой стороны, сам человек является источником акустических и электромагнитных полей. Эти поля называются собственными физическими полями человека. К ним относятся акустическое, электрическое и магнитное поля, электромагнитные волны в радио-инфракрасном и видимом диапазонах. Изучение собственных физических полей человека позволяет глубже понимать процессы, происходящие в организме, и использовать эти поля в диагностических целях.

Вещество и поле - составляющие единного материального мира

На современном уровне развития науки известны два вида материи: вещество и поле. К веществу относятся формы материи, состоящие из элементарных частиц (протонов, электронов, нейтронов и др.), из которых состоят атомы и молекулы конечном счете, все окружающие тела. Веществу свойствено наличие массы покоя. Поле - форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или телами. Полю свойственны непрерывность в прострастве и отсутствие массы покоя.

Поле и вещество неразрывно связаны между собой, образуют единую материю нашего мира.

Важнейшим универсальным свойством материи является корпускулярно-волновой дуализм. Всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. Bпepвые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Опыты по интерференции, дифракции света свидетельствовали о волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитной (ЭМ) волной называется процесс распространения в пространстве взаимоиндуцирующих переменных электрических и магнитных полей.

Основные положения об ЭМ поле были сформулированы английским физиком Максвеллом, объединившим в рамках волной теории электрические и магнитные явления. Им было казано, что ЭМ волны распространяются в среде с конечной скоростью, векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н взаимно-перпендикулярны и фазы их колебаний одинаковы. Для плоской гармонической ЭМ волны распространяющейся в изотропной среде без затухания:

E (x,t) = E_m sinω (t-x/v),

H (x,t) = H_m sinω (t-x/v)

где E(x,t) - мгновенное значение напряженности электрического поля, Е_m - ее максимальное значение, H(x,t) - мгновенное значение напряженности магнитного поля, Н_m - ее максимальное значение, ω — циклическая частота; v - скорость распространения ЭМ волны, t - время, х - координата вдоль направления распространения волны.

Длина волны λ, и период колебаний Т связаны соотношением:

λ=vT.

Длиной волны называется расстояние между двумя ближайшими точками, колебания величин Е и Н в которых происходят в одинаковой фазе. Скорость распространения ЭМ волны в вакууме (с) есть величина постоянная:

.

где ε₀ - электрическая постоянная (ε₀= 8,85 10 ^-12 Ф /м), μ₀ -магнитная постоянная ( μ₀ = 4π 10⁷ Гн/м). Скорость распространения ЭМ волны в однородной изотропной среде, имеющей относительную диэлектрическую проницаемость ε > 1 и относительную магнитную проницаемость μ > 1, имеет вид:

.

Из уравнения следует, что скорость распространения ЭМ волны в среде (V) всегда меньше, чем в вакууме (с).

Важнейшей характеристикой волны является интенсивность I - среднее количество энергии W_cp, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

.

Трудами Эйнтейна и ряда ученых было показано, что ЭМ-излучение не только испускается, но и распространяется квантами. Так возникло представление о частицах света фотонах, несущих квант энергии и движущихся со скоростью света. Было разрешено противоречие, возникшее в 17 столетии и содержащееся в утверждениях, что свет, с одной стороны, - это волна (Гюйгенс), а с другой - поток корпускул» (Ньютон). ЭМ излучение обладает дуализмом, то есть одновременно и свойствами волны, и свойствами потока частиц. Корпускулярно-волновой дуализм присущ и другим микрочастицам, например электронам, нейтронам.

Один вид материи может превращаться в другой и обратно. Так известна реакция аннигиляции (уничтожения) двух частиц: электрона и позитрона:

е⁺ + е^- > γ + γ

В данной реакции вещество – электрон е^- и позитрон е⁺ - превращаются в два кванта электромагнитного поля. В peзультате этой реакции могут образовываться два гамма-кванта, испускающие энергию не менее 0,51 МэВ каждый.