Влияние электромагнитных излучений на организм человека

Введение      

История исследований

Первые волновые теории света (их можно считать старейшими вариантами теорий электромагнитного излучения) восходят по меньшей мере к временам Гюйгенса, когда они получили уже и заметное количественное развитие. В 1678 году Гюйгенс выпустил «Трактат о свете» — набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики. Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем (принцип Гюйгенса — Френеля) и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции. В 1660—1670-е годы существенный теоретический и экспериментальный вклад в физическую теорию света внесли также Ньютон и Гук.

Многие положения корпускулярно-кинетической теории М. В. Ломоносова (1740—1750-е годы) предвосхищают постулаты электромагнитной теории: вращательное («коловратное») движение частиц как прообраз электронного облака, волновая («зыблющаяся») природа света, общность её с природой электричества, отличие от теплового излучения и т. д.

В 1800 году английский учёный У. Гершель открыл инфракрасное излучение.

В 1801 году Риттер открыл ультрафиолетовое излучение^[6].

Существование электромагнитных волн предсказал английский физик Фарадей в 1832 году.

В 1865 году английский физик Дж. Максвелл завершил построение теории электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, строго оформив её математически, и на ее основе получив твердое обоснование существования электромагнитных волн, а также найдя скорость их распространения (неплохо совпадавшую с известным тогда значением скорости света), что позволило ему обосновать и предположение о том, что свет является электромагнитной волной.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путём. Интересно, что Герц не верил в существование этих волн и проводил свой опыт с целью опровергнуть выводы Максвелла.

8 ноября 1895 года Рентген открыл электромагнитное излучение (получившее впоследствии название рентгеновского) более коротковолнового диапазона, чем ультрафиолетовое.

В 1900 году Поль Виллард при изучении излучения радия открыл гамма-излучение.

В 1900 году Планк при теоретическом исследовании проблемы излучения абсолютно чёрного тела открывает квантованность процесса электромагнитного излучения. Эта работа стала началом квантовой физики.

Начиная с 1905 года Эйнштейн, а затем и Планк публикуют ряд работ, приведших к формированию понятия фотона, что стало началом создания квантовой теории электромагнитного излучения.

Дальнейшие работы по квантовой  теории излучения и его взаимодействия с веществом, приведшие в итоге  к формированию квантовой электродинамики в ее современном виде, принадлежат ряду ведущих физиков середины XX века, среди которых можно выделить, применительно именно к вопросу квантования электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом, кроме Планка и Эйнштейна, Бозе, Бора, Гейзенберга, де Бройля, Дирака, Фейнмана, Швингера, Томонагу.

Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного  излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с  частотой через (групповую) скорость распространения  излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в  целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (Стандартная модель) при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при еще более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в  деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и  исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных  и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

• наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
• электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное  излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу 1). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Таблица 1

  

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято  разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазон частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов

Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости  электрического и магнитного полей, определяющий тип волн (плоские, сферические  и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника  излучения и свойств среды.

Электромагнитные  излучения различных частот взаимодействуют  с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн обычно можно описать с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

Эффект Комптона

Эффект  Комптона— явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

  

Иллюстрация к эффекту  Комптона

При рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

где  — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

где  — комптоновская длина волны электрона.

Для электронам. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

 

 

 Обратный эффект Комптона

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего  рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия  фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии  от электрона фотону.

Энергия рассеянных фотонов определяется выражением:

где ε₁ и ε₀ — энергия рассеянного и падающего фотонов соответственно, K — кинетическая энергия электрона.

Обратный  эффект Комптона ответственен за рентгеновское излучение галактических источников, рентгеновскую составляющую реликтового фонового излучения (эффект Сюняева — Зельдовича), трансформацию плазменных волн в высокочастотные электромагнитные волны.

Влияние электромагнитного поля и излучения  на живые организмы

Что же мешает нам жить долго и  счастливо? За последние несколько  сот лет технический прогресс достиг немалых высот и принес огромную пользу человечеству, но только ли пользу?  Никто сейчас не будет оспаривать необходимость благ цивилизации. Все мы пользуемся стиральными машинами, мобильными телефонами или компьютерами, но так ли это безопасно, как уверяют нас производители? К сожалению, все, что создано полезного  человечеством имеет и обратную сторону, так сказать «побочные эффекты».

Некоторые из них проявляются сразу (пример: атомная энергия  и радиация как «побочный эффект»)  и тогда создаются защиты и меры предосторожности. Но часто такие «побочные эффекты» проявляются не сразу, а постепенно неумолимо  разрушая здоровье и окружающую среду.  Такой скрытой угрозой являются электромагнитные излучения.

Исследования влияния электромагнитных полей (ЭМП) на живые организмы ведутся  уже не одно десятилетие. За последние  тридцать лет три четверти населения  Земли сосредоточилось в городах, и сейчас нет семьи, которая не использует электричество во всё  возрастающих масштабах. Всемирной  организацией здравоохранения (ВОЗ) учреждена  даже специальная программа »  Электромагнитные поля и здоровье человека». Этой проблеме уделяется самое пристальное  внимание во всем мире. Задумайтесь: сегодняшний  уровень электромагнитного фона Земли превышает естественный уровень  в 200 000 раз. Организм человека находится  не в тех оптимальных природных  условиях, к которым он приспосабливался в течение многих тысячелетий, а  в новых, гораздо более жестких  условиях. Ранее считалось, что наибольшую опасность для человечества представляют радиоактивные излучения, однако научные  исследования последних десятилетий  показывают, что электромагнитная радиация (излучаемые электромагнитные поля) столь  же опасна, как и атомная. Электромагнитный смог взаимодействует с электромагнитным полем организма человека и частично подавляет его. В результате этого  взаимодействия собственное поле организма  искажается, снижается иммунитет, что  приводит к нарушениям информационного  и клеточного обмена внутри организма  и возникновению различных заболеваний, в том числе и раковых.

Американские и шведские ученые независимо друг от друга установили безопасный для здоровья человека предел интенсивности электромагнитных полей  – 0,2 мкТл (микроТесла). А что же мы имеем в действительности? Вот  данные об уровнях излучения некоторых  бытовых приборов, которыми все мы пользуемся постоянно:

• Холодильник (оснащенный системой no frost – на расстоянии 1 м от дверцы) – 0,2 мкТл.
• Домовая электропроводка – превышает 0,2 мкТл.
• Электрический чайник – 0,6 мкТл.
• Стиральная машина – 1 мкТл.
• Электроплита – 1-3 мкТл ( на расстоянии 20 -30 см от передней панели).
• СВЧ-печь – 8 мкТл (на расстоянии 30 см).
• Пригородная электричка – 20 мкТл.
• Трамвай, троллейбус – 30 мкТл.
• На станции метро (при отправлении поезда) – 50 – 100 мкТл.
• Пылесос – 100 мкТл.
• В вагоне метро – 150 – 200 мкТл.
• Электробритва – несколько сотен мкТл (при прикосновении).