Диапазоны излучения и вещество

Виды и их влияние на организм

“Рентген” – самый мягкий тип проникающей радиации. Избыточное воздействие мягкого рентгена напоминает влияние ультрафиолетового облучения, но в более тяжелой форме. На коже образуется ожог, но поражение оказывается более глубоким, а заживает он намного медленнее.

Жесткий рентген представляет собой полноценную ионизирующую радиацию, способную привести к лучевой болезни. Рентгеновские кванты могут разрывать молекулы белков, из которых состоят ткани человеческого тела, а также молекулы ДНК генома. Но даже если рентгеновский квант разбивает молекулу воды, все равно: при этом образуются химически активные свободные радикалы H и OH, которые сами способны воздействовать на белки и ДНК. Лучевая болезнь протекает в тем более тяжелой форме, чем больше поражаются органы кроветворения.

Рентгеновские лучи обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Это значит, что вероятность спонтанных мутаций в клетках при облучении возрастает, а иногда здоровые клетки могут перерождаться в раковые. Повышение вероятности появления злокачественных опухолей – стандартное следствие любого облучения, в том числе рентгеновского. Рентген является наименее опасным видом проникающей радиации, но он все равно может быть опасен.

Микроволны и радиоволны

К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.

При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.

Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.

Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.

Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.

Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.

Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).

Примечания

1. Д. П. Гречухин. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
2. Согласно практической транскрипции, правильным вариантом передачи фамилии является Вильяр, однако данный вариант не встречается в источниках.
3. ↑
4. Gerward L. Paul Villard and his Discovery of Gamma Rays // Physics in Perspective. — 1999. — Vol. 1. — P. 367—383.
5. . РИА Новости (28 сентября 2010). Дата обращения 28 сентября 2010.
6. ↑
7. ↑ . NDT Resource Center. Дата обращения 4 февраля 2020.
8. ↑
9. ↑ . Laboratory Manuals for Students in Biology and Chemistry — Course PHY117. Physik-Institut der Universität Zürich. Дата обращения 10 февраля 2020.
10. ↑
11. Elert, Glenn . Дата обращения 23 апреля 2009.
12.  (англ.). Midwest Tungsten Service. Дата обращения 11 февраля 2020.
13. Brian Littleton.  (англ.). U.S. Environmental Protection Agency (Dec. 2006). Дата обращения 11 февраля 2020.

Видимое излучение

Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 1014 раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 1020 энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.

Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.

Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.

Квант — рентгеновское излучение

Кванты рентгеновского излучения обладают меньшей энергией, чем у-кванты.
 

Кванты рентгеновского излучения, попадая в счетчик, вызывают ионизацию газа; образовавшиеся ионы ( при наличии разности потенциалов между электродами) создадут импульс тока, продолжительность которого определяется временем разряда.
 

Кванты рентгеновского излучения обладают меньшей энергией, чем у-кванты.
 

Все кванты рентгеновского излучения анода с длиной волны Я Ямин образуют вместе спектр тормозного излучения и характеристическое излучение данной рентгеновской трубки. Спектр тормозного излучения соответствует непрерывному торможению электронов в потенциальном поле между электронными оболочками отдельных атомов в аноде.
 

Энергия квантов рентгеновского излучения равна 0 1 — 1 000 кэв.
 

Для квантов рентгеновского излучения с энергией меньше 3 Мэв при облучении всего тела для лиц, подвергающихся дозиметрическому контролю, эта доза составляет 0 1 р в неделю для мужчин и 0 025 р в неделю для женщин.
 

Счетчик квантов рентгеновского излучения фиксируют при этом под углом 29, что соответствует одному из максимумов на дифракционной кривой.
 

Не все кванты рентгеновского излучения, падающие на входную щель счетчика, приводят к вспышкам разряда. Часть квантов поглощается во входном окошке и в мертвой зоне счетчика ( в той части, где не возникает разрядов), часть проходит через рабочее пространство без столкновений с атомами. Отношение числа сосчитанных импульсов к числу квантов, попадающих на входную щель прибора, — так называемая эффективность счетчика — характеризует чувствительность измерений.
 

Поглощенный атомом квант рентгеновского излучения вырывает электрон с одной из внутренних электронных оболочек атома. В этом случае электрон покидает атом с небольшой скоростью. Но на свободное место, образовавшееся в одной из внутренних электронных оболочек атома, перескакивает электрон с какой-нибудь из более удаленных от ядра электронных оболочек. Этот переход сопровождается излучением нового кванта рентгеновского излучения. Энергия этого кванта меньше энергии первичного, и новый квант при поглощении его каким-либо атомом в том же газе способен вырвать электрон лишь с одной из выше расположенных оболочек. Освобожденный при этом электрон обладает запасом кинетической энергии, делающим его способным ионизовать большое число частиц газа.
 

Поглощенный атомом квант рентгеновского излучения вырывает электрон у одной из внутренних электронных оболочек атома. В этом случае электрон покидает атом с небольшой скоростью и не способен производить ионизацию газа. Но на свободное место, образовавшееся в одной из внутренних электронных оболочек атома, перескакивает электрон с одной из более удаленных от ядра атома электронных оболочек. Этот переход сопровождается излучением нового кванта рентгеновского излучения. Энергия этого нового кванта меньше энергии первичного, и новый квант при поглощении его каким-либо атомом в том же газе способен освободить электрон лишь у одной из внешних оболочек.
 

При встрече кванта рентгеновского излучения с частицей газа происходит поглощение этого кванта и отрыв одного из слабо связанных с атомом электронов. Так как энергия связи удаляемого из атома электрона в этом случае много меньше, чем энергия поглощенного кванта, то избыток энергии поглощенного кванта передается освобожденному из атома электрону в виде кинетической энергии. За счет этой энергии быстро двигающийся электрон производит путем неупругих соударений первого рода ионизацию большого числа нейтральных частиц газа. В результате рентгеновский квант оставляет в камере Вильсона след, состоящий из целого ряда отдельных тонких зигзагообразно расположенных полосок тумана.
 

При встрече кванта рентгеновского излучения с атомом не происходит поглощения кванта нацело, а так называемое ком-птоновское рассеяние. Квант излучения отдает одному из внешних электронов атома часть своей энергии и часть своего импульса и отлетает по новому направлению в виде кванта с меньшей частотой, чем первоначальная.
 

Дальнейшие модификации

В конце 1987 года обнаружились проблемы с телескопом ТТМ. Детектор телескопа время от времени отключался, стал выходить из строя генератор высокого напряжения детектора. По просьбе советских, датских и британских ученых было решено провести ремонт телескопа силами орбитальной команды. В конце июня 1988 года запасной детектор был доставлен на станцию. Во второй половине 1988 года детектор телескопа ТТМ был заменён на новый в ходе двух выходов в космос орбитальной команды. В первом выходе космонавтов (30 июня) заменить детектор не удалось ввиду сложности удаления креплений телескопа. Повторный выход в космос для замены детектора был произведён 20 октября 1988 года. Во время этого выхода впервые был использован скафандр Орлан-ДМА.

В январе 1991 года на модуль «Квант» была установлена поддерживающая конструкция, изначально предназначенная для крепления солнечных батарей. В июле 1991 года экипаж станции в результате четырёх выходов в космос установил ферму «Софора», которая предназначалась для установки дополнительного двигателя коррекции, а также для приборов вне корпуса станции. Для улучшения управляемости орбитальной станции двигатель коррекции (доставленный грузовым кораблём Прогресс М-14) был установлен на ферму Софора в сентябре 1992 года. В сентябре 1993 года на модуль «Квант» была установлена ферма «Рапана». Работы по установке фермы были экспериментальными с целью протестировать возможные работы на планировавшейся станции «Мир-2». В дальнейшем на ферму «Рапана» устанавливались различные инструменты. 22 мая 1995 года на «Квант» была переустановлена одна из панелей солнечных батарей модуля «Кристалл». В мае 1996 года на «Квант» была установлена дополнительная солнечная батарея, доставленная со стыковочным модулем станции «Мир». В июне 1996 была удлинена ферма «Рапана». В ноябре 1997 года старые панели солнечных батарей, поставленные на «Квант» с модуля «Кристалл», были убраны, и на их место поставлен новый комплекс солнечных панелей. В апреле 1998 года старый двигатель коррекции, стоявший на ферме «Софора», был заменён на новый.

Применение

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентгенография и рентгеноскопия). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z = 20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z = 1), углерода (Z = 6), азота (Z = 7), кислорода (Z = 8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллах (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кВ и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кВ и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия). Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

Криптография — генерация случайных последовательностей.

Измерение ионизирующих излучений

С открытием радия было обнаружено, что излучение радиоактивных веществ влияет на живые организмы и вызывает биологические эффекты, сходные с действием рентгеновского облучения. Появилось такое понятие, как доза ионизирующего излучения – величина, которая позволяет оценивать воздействие радиационного облучения на организмы и вещества. В зависимости от особенностей облучения, выделяют эквивалентную, поглощенную и экспозиционную дозы:

1. Экспозиционная доза – показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица – рентген (Р). Один рентген – большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
2. Поглощенная доза – энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения – грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица – рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
3. Эквивалентная доза – поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК –коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).

В системе СИ используется зиверт – эквивалентная доза конкретного ионизирующего излучения, поглощенная одним килограммом биологической ткани. Для пересчета греев в зиверты следует учесть коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), который равен:

• для альфа-частиц – 10-20;
• для гамма- и бета-излучения – 1;
• для протонов – 5-10;
• для нейтронов со скоростью до 10 кэВ – 3-5;
• для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
• для тяжелых ядер – 20.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) или рем (в английском языке rem – Roentgen Equivalent of Man) – внесистемная единица эквивалентной дозы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, то для получения результата в ремах, необходимо измеренную радиоактивность в радах умножить на коэффициент, равный двадцати. При определении гамма- или бета-излучения перевод величин не требуется, поскольку ремы и рады равны друг другу.

От рентгена к гамма

Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.

Ультрафиолетовое излучение

С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и вакуумный. Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород (O₂).

Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.