Неионизирующее (или неионизирующее ) излучение относится к любому типу электромагнитного излучения , которое не несет достаточно энергии на квант ( энергии фотона ) для ионизации атомов или молекул, то есть для полного удаления электрона из атома или молекулы . [1] Вместо того, чтобы производить заряженные ионы при прохождении через вещество, неионизирующее электромагнитное излучение имеет достаточно энергии только для возбуждения (перехода электрона в более высокое энергетическое состояние). Неионизирующее излучение не представляет существенного риска для здоровья. Напротив, ионизирующее излучение имеет более высокую частоту и более короткую длину волны, чем неионизирующее излучение, и может представлять серьезную опасность для здоровья: его воздействие может вызвать ожоги, лучевую болезнь , многие виды рака и генетические повреждения . Использование ионизирующего излучения требует сложных мер радиологической защиты , которые, как правило, не требуются при использовании неионизирующего излучения. [2] [3]
Неионизирующее излучение используется в различных технологиях , включая радиовещание , телекоммуникации, медицинскую визуализацию и тепловую терапию. [1]
Область, в которой излучение считается «ионизирующим», не определена четко, поскольку различные молекулы и атомы ионизируются при разных энергиях . Обычные определения предполагают, что излучение с энергией частиц или фотонов менее 10 электронвольт (эВ) следует считать неионизирующим. Другой предложенный порог составляет 33 электронвольта, что является энергией, необходимой для ионизации молекул воды. Свет от Солнца, достигающий Земли, в значительной степени состоит из неионизирующего излучения, поскольку ионизирующие дальние ультрафиолетовые лучи отфильтровываются газами в атмосфере, в частности кислородом. [2]
Ближний ультрафиолет , видимый свет , инфракрасный , микроволновый , радиоволны и низкочастотная радиочастота (очень низкая частота, крайне низкая частота) — все это примеры неионизирующего излучения. Напротив, дальний ультрафиолет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и все частицы излучения от радиоактивного распада являются ионизирующими. Видимое и ближнее ультрафиолетовое электромагнитное излучение может вызывать фотохимические реакции или ускорять радикальные реакции , такие как фотохимическое старение лаков [4] или распад ароматизаторов в пиве с образованием « вкуса светового удара ». [5] Ближний ультрафиолет, хотя технически и неионизирующий, все же может возбуждать и вызывать фотохимические реакции в некоторых молекулах. Это происходит потому, что при энергии ультрафиолетовых фотонов молекулы могут стать электронно-возбужденными или перейти в свободнорадикальную форму, даже без ионизации.
Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их количества. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизацию, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если только они не повышают температуру тела до точки, достаточно высокой для ионизации небольших фракций атомов или молекул в процессе термической ионизации. В таких случаях даже «неионизирующее излучение» способно вызывать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергий ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, которому для ионизации требуется только одна частица. Известным примером термической ионизации является пламенная ионизация обычного огня и реакции потемнения в обычных продуктах питания, вызванные инфракрасным излучением во время приготовления пищи на гриле.
Энергия неионизирующего излучения низкая, и вместо того, чтобы производить заряженные ионы при прохождении через вещество, оно имеет достаточно энергии только для изменения вращательных, колебательных или электронных валентных конфигураций молекул и атомов. Это производит тепловые эффекты. Возможные нетепловые эффекты неионизирующих форм излучения на живую ткань были изучены только недавно. Большая часть текущих дебатов касается относительно низких уровней воздействия радиочастотного (РЧ) излучения от мобильных телефонов и базовых станций, производящих «нетепловые» эффекты. Некоторые эксперименты предполагают, что могут быть биологические эффекты при уровнях нетеплового воздействия, но доказательства создания опасности для здоровья противоречивы и не доказаны. Научное сообщество и международные организации признают, что необходимы дальнейшие исследования для улучшения нашего понимания в некоторых областях. Консенсус заключается в том, что нет последовательных и убедительных научных доказательств неблагоприятных последствий для здоровья, вызванных РЧ-излучением при мощности, достаточно низкой, чтобы не производить тепловых эффектов для здоровья. [6] [7]
Различные биологические эффекты наблюдаются для разных типов неионизирующего излучения. [6] [8] [7] Верхние частоты (низкоэнергетический ультрафиолет) неионизирующего излучения способны вызывать нетермические биологические повреждения, подобные ионизирующему излучению. Еще предстоит доказать, что нетермические эффекты излучения гораздо более низких частот (микроволновое, миллиметровое и радиоволновое излучение) влекут за собой риски для здоровья.
Воздействие неионизирующего ультрафиолетового света является фактором риска развития рака кожи (особенно немеланомного рака кожи), солнечных ожогов , преждевременного старения кожи и других эффектов. Несмотря на возможные опасности, оно полезно для человека в правильной дозировке, поскольку витамин D вырабатывается из-за биохимического воздействия ультрафиолетового света. Витамин D играет много ролей в организме, наиболее известная из которых — минерализация костей.
Помимо хорошо известного эффекта неионизирующего ультрафиолетового света, вызывающего рак кожи, неионизирующее излучение может вызывать немутагенные эффекты, такие как возбуждение тепловой энергии в биологической ткани, что может привести к ожогам. В 2011 году Международное агентство по изучению рака (МАИР) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, в котором добавило электромагнитные поля РЧ (включая микроволновые и миллиметровые волны) в свой список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека. [8]
С точки зрения потенциального биологического воздействия неионизирующую часть спектра можно разделить на:
Вышеуказанные эффекты были показаны только из-за эффектов нагрева. При низких уровнях мощности, где нет эффекта нагрева, риск рака незначителен. [9] [10]
Международное агентство по изучению рака недавно заявило, что неионизирующее излучение может представлять определенный риск для человека. [11] Однако последующее исследование показало, что основа оценки МАИР не соответствовала наблюдаемым тенденциям заболеваемости. [12] Этот и другие отчеты предполагают, что результаты, на которых МАИР основывало свои выводы, практически не могут быть верными. [13]
Ультрафиолетовый свет может вызывать ожоги кожи [15] и катаракту глаз. [15] Ультрафиолет классифицируется на ближний, средний и дальний УФ в зависимости от энергии, где ближний и средний ультрафиолет технически неионизируют, но где все длины волн УФ могут вызывать фотохимические реакции, которые в некоторой степени имитируют ионизацию (включая повреждение ДНК и канцерогенез). УФ-излучение выше 10 эВ (длина волны короче 125 нм) считается ионизирующим. Однако остальная часть УФ-спектра от 3,1 эВ (400 нм) до 10 эВ, хотя технически неионизирует, может вызывать фотохимические реакции, которые повреждают молекулы другими способами, нежели простое тепло. Поскольку эти реакции часто очень похожи на те, которые вызывает ионизирующее излучение, часто весь УФ-спектр считается эквивалентным ионизирующему излучению в его взаимодействии со многими системами (включая биологические системы).
Например, ультрафиолетовый свет, даже в неионизирующем диапазоне, может производить свободные радикалы , которые вызывают повреждение клеток, и могут быть канцерогенными . Фотохимия, такая как образование пиримидиновых димеров в ДНК, может происходить в большинстве УФ-диапазона, включая большую часть диапазона, который формально неионизирует. Ультрафиолетовый свет индуцирует выработку меланина из меланоцитов , что приводит к загару кожи. Витамин D вырабатывается на коже в результате радикальной реакции, инициированной УФ-излучением.
Пластиковые ( поликарбонатные ) солнцезащитные очки обычно поглощают УФ-излучение. Чрезмерное воздействие УФ-излучения на глаза вызывает снежную слепоту , распространенную в областях с отражающими поверхностями, такими как снег или вода.
Свет, или видимый свет, представляет собой очень узкий диапазон электромагнитного излучения, который виден человеческому глазу (около 400–700 нм) или до 380–750 нм. [7] В более широком смысле физики понимают под светом электромагнитное излучение всех длин волн, видимых или невидимых.
Высокоэнергетический видимый свет — это сине-фиолетовый свет с более высоким повреждающим потенциалом.
Инфракрасный (ИК) свет — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 микрометров, что соответствует диапазону частот приблизительно от 1 до 430 ТГц. Длина волны ИК длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у терагерцового излучения микроволн. Яркий солнечный свет обеспечивает облученность чуть более 1 киловатта на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 527 Вт — это инфракрасное излучение, 445 Вт — это видимый свет и 32 Вт — это ультрафиолетовое излучение. [7]
Микроволны — это электромагнитные волны с длиной волны от одного метра до одного миллиметра или, что эквивалентно, с частотами от 300 МГц (0,3 ГГц) до 300 ГГц. Это широкое определение включает как UHF, так и EHF (миллиметровые волны), и различные источники используют разные границы. [7] Во всех случаях микроволны включают весь диапазон SHF (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см) как минимум, причем инженеры радиочастот часто устанавливают нижнюю границу на уровне 1 ГГц (30 см), а верхнюю — около 100 ГГц (3 мм). Области применения включают мобильные телефоны, радары, сканеры аэропортов, микроволновые печи, спутники дистанционного зондирования Земли , а также радио- и спутниковую связь.
Радиоволны — это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре длиннее инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они распространяются со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, вещания, радиолокации и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и бесчисленного множества других приложений. Различные частоты радиоволн имеют различные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут покрывать часть Земли очень последовательно, более короткие волны могут отражаться от ионосферы и распространяться по всему миру, а гораздо более короткие длины волн изгибаются или отражаются очень мало и распространяются по прямой видимости.
Очень низкая частота или ОНЧ — это диапазон радиочастот от 3 до 30 кГц. Поскольку в этом диапазоне радиоспектра не так много полосы пропускания, используются только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известен как диапазон мириаметров или волна мириаметров, поскольку длины волн находятся в диапазоне от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).
Крайне низкая частота (ELF) — это диапазон частот излучения от 300 Гц до 3 кГц. В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение — от 3 Гц до 3 кГц. [7] В смежной науке о магнитосфере низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, происходящие ниже ~3 Гц) считаются находящимися в диапазоне ULF, который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны МСЭ.
Тепловое излучение, общий синоним инфракрасного излучения, когда оно происходит при температурах, обычно встречающихся на Земле, представляет собой процесс, посредством которого поверхность объекта излучает свою тепловую энергию в форме электромагнитных волн. Инфракрасное излучение, которое можно почувствовать, исходящее от бытового обогревателя, инфракрасной лампы или кухонной духовки, являются примерами теплового излучения, как и ИК-излучение и видимый свет, излучаемый светящейся лампой накаливания (недостаточно горячей, чтобы излучать синие высокие частоты, и поэтому кажущейся желтоватой; люминесцентные лампы не являются тепловыми и могут казаться более синими). Тепловое излучение генерируется, когда энергия от движения заряженных частиц внутри молекул преобразуется в лучистую энергию электромагнитных волн. Частота излучаемой волны теплового излучения является распределением вероятностей, зависящим только от температуры, и для черного тела задается законом излучения Планка. Закон смещения Вина дает наиболее вероятную частоту излучаемого излучения, а закон Стефана-Больцмана дает интенсивность тепла (мощность, излучаемую на единицу площади).
Части электромагнитного спектра теплового излучения могут быть ионизирующими, если объект, испускающий излучение, достаточно горячий (имеет достаточно высокую температуру ). Типичным примером такого излучения является солнечный свет, который является тепловым излучением от фотосферы Солнца и содержит достаточно ультрафиолетового света, чтобы вызвать ионизацию во многих молекулах и атомах. Крайним примером является вспышка от детонации ядерного оружия , которое испускает большое количество ионизирующих рентгеновских лучей исключительно как продукт нагревания атмосферы вокруг бомбы до чрезвычайно высоких температур.
Как отмечено выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызывать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Обычными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные «потемнением » при приготовлении пищи, что является химическим процессом, который начинается с большого компонента ионизации.
Излучение черного тела — это излучение идеализированного излучателя, который при любой температуре испускает максимально возможное количество излучения на любой заданной длине волны. Черное тело также поглощает максимально возможное падающее излучение на любой заданной длине волны. Испускаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность (мощность/единица площади) на заданной частоте определяется законом излучения Планка . Таким образом, черное тело при температуре, равной или ниже комнатной, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать никакого света. Теоретически черное тело испускает электромагнитное излучение по всему спектру от очень низкочастотных радиоволн до рентгеновских лучей. Частота, на которой излучение черного тела максимально, определяется законом смещения Вина .
Неионизирующие формы излучения с более низкой энергией, ... , не вызывают рак у людей.