Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом

При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым:

где I₀ - интенсивность падающего излучения.

Это выражение носит название закон Бугера, μ называется коэффициентом ослабления. В общем виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны веществом. Величина зависит от природы вещества и длины; волны.

Радиоволны. К радио диапазону относятся самые длинные ЭМ волны: λ == 3 ∙ 10³ до 1 м (частота 10⁵ до 3 • 10⁸ Гц) - длинные, средние, короткие и УКВ-диапазоны, и λ от 1 до 10'³ м (частота 3 ∙ 10⁸ - 3 ∙ 10¹¹ Гц) - микроволновый диапазон. Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма.

Особенности распространения электромагнитных волн в живых тканях:

1. Характерной особенностью живых тканей является сильная зависимость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости ε и проводимости σ от частоты радиоволн ν.

2. С ростом частоты ν длина волны λ- электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. Как известно, длина волны λ, в веществе с диэлектрической проницаемостью ε определяется выражением:

,

где с = 3 • 10⁸ м/с - скорость света. Например, на частоте 460 МГц, применяемой в физиотерапии, длина волны в свободном пространстве (ε ~ 1) составляет около 0,7 м, а в мягких тканях тела человека только около 0,1 м.

3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводимости тканей энергия электромагнитной волны быстро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела: затухание по мощности в е = 2,72 раза происходит на пути в 1,525 см. Это важно знать при анализе медицинских приложений.

Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы.

Искусственными источниками радиоволн являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Они могут давать до 30 ∙ 10⁹ Вт в импульсе на частотах около 10¹⁰ Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м² считается безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах значительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м², пребывание человека запрещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, a также индуктотермии.

ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиолоческие процессы в биоструктурах.

Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза. При действии дальнего УФ-излучения ε > 12 эВ может происходить образование свободных радикалов ароматических серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нукленовых кислот.

ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм, связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть диапазона.

УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покрасниение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на органы:

А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д;

В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги;

С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект. Последний используется в опeрационных и перевязочных отделениях клиник для дезинфекции помещений.

Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодствие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими.

Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может когерентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рентгеновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов - комптон-эффект.

Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы выхода и сообщение электрону кинетической энергии.

Вторичное излучение также может быть ионизирующим, так пример, при взаимодействии гамма-фотона с веществом может возникать вторичное излучение в рентгеновском диапазоне. При взаимодействии гамма-фотонов высокой энергии с веществом могут образовываться пары: электрон-позитрон.

Рассмотренные эффекты взаимодействия рентгеновского и гаммa-излучений с веществом могут идти независимо и одновременно. Доля того или иного эффекта в общей картине взаимодействия зависит от энергии фотона (длины волны излучения) и порядкового номера вещества.

Особенно сложным является проявление этих свойств при взаимодействии рентгеновского и γ-излучения с биологическими объектами. Это связано с тем, что поглощение различных тканей организма может сильно отличаться.

Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определяющей характер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фотона ε. Мы говорили ранее, что ЭМ-излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и свойствами частицы (проявление корпускулярно-волнового дуализма). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радиодиапазоне и в ИК-излучении проявляются волновые свойства (дифракция волн, интерференция). В видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект -корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее проявляются корпускулярные свойства ЭМ-излучения, Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6 ∙ 10^-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в диапазоне рентгеновского и тем более гамма-излучения, ЭМ волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы ЭМ-излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.

Виды и свойства радиоактивных излучений

По современным представлениям ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов . Размер ядра приблизительно в 10⁵ раз меньше размера атома, но почти вся масса атома содержится именно в ядре.

В природе наблюдается явление радиоактивного распада - самопроизвольное (без внешних воздействий) превращение ядер определенных элементов в ядра других элементов с испусканием радиоактивных излучений. Радиоактивные излучения исторически были названы альфа-, бета- и гамма-излучениями. Потоки альфа-частиц, электронов и позитронов, а также гамма- излучение возникают при радиоактивном распаде:

1) α-частицы образуются в результате α распада тяжелых ядер:

,

α-частица состоит из 4-х нуклонов: двух нейтронов и двух протонов;

2) потоки электронов и позитронов возникают в результате β-распада:

,

,

где - электрон, - позитрон, и - нейтрино и антинейтрино соответственно;

3) α- и β- распады могут сопровождаться γ-излучением (кванты электромагнитного поля с высокой энергией). Возможны и другие процессы, приводящие к гамма-излучению.

К основным свойствам радиоактивных излучений относятся их проникающая и ионизирующая способности.

Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации i:

где dn - число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути dl. На практике эта величина оценивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1 см пробега. Проникающая способность излучения оценивается длиной свободного пробега или средним линейным пробегом — среднее расстояние, которое проходит частица в данном веществе, пока она способна ионизировать. Ионизирующая и проникающая способности частиц зависят от их заряда и массы, а также от плотности вещества, в котором идет процесс ионизации. Чем больше заряд и масса частицы, тем больше ее способность ионизировать вещество и тем меньше ее средний линейный пробег. Выбитые при ионизации электроны могут выбивать вторичные электроны, обладающие энергией, достаточной для последующей ионизации веществ. Возникающее в результате комтон-эффекта рентгеновское излучение, в свою очередь, также может вызывать ионизацию.

Рентгеновское излучение и гамма-фотоны, вызывая незначительную первичную ионизацию, порождают вторичную, в результате которой полный ионизационный эффект может быть весьма значительным.

Вследствие различных ионизирующих и проникающих способностей радиоактивных излучений способы защиты от них различны. Для защиты от α-частиц достаточно слоя бумаги, одежды и т.п.; от β-излучения можно защититься сантиметровым слоем дерева, стекла или любого легкого металла; для защиты от γ-излучения применяются толстые (до метров) слои воды, бетона, кирпичные стены, а также пластины из свинца толщиной до 10 см.