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 энергию, достаточную только для возбуждения (перехода электрона в более высокое энергетическое состояние). Неионизирующее излучение не представляет существенного риска для здоровья. Ионизирующее излучение, напротив, имеет более высокую частоту и более короткую длину волны, чем неионизирующее излучение, и может представлять серьезную опасность для здоровья: воздействие его 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 неионизирующем излучении.
Область, в которой излучение считается «ионизирующим», не определена четко, поскольку разные молекулы и атомы ионизируются при разных энергиях . Обычные определения предполагают, что излучение с энергией частиц или фотонов менее 10 электронвольт (эВ) считается неионизирующим. Другой предполагаемый порог — 33 электронвольта — энергия, необходимая для ионизации молекул воды. Свет Солнца , достигающий Земли, в основном состоит из неионизирующего излучения, поскольку ионизирующие лучи дальнего ультрафиолета отфильтровываются газами в атмосфере, особенно кислородом.
Ближний ультрафиолет , видимый свет , инфракрасное , микроволновое излучение , радиоволны и низкочастотная радиочастота (очень низкая частота, чрезвычайно низкая частота) — все это примеры неионизирующего излучения. Напротив, дальний ультрафиолет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и все излучения частиц радиоактивного распада являются ионизирующими. Видимое и ближнее ультрафиолетовое электромагнитное излучение может вызывать фотохимические реакции или ускорять радикальные реакции , такие как фотохимическое старение лаков [2] или расщепление ароматизирующих соединений в пиве с образованием « поражающего светом аромата ». [3] Ближнее ультрафиолетовое излучение, хотя технически и не ионизирующее, все же может возбуждать и вызывать фотохимические реакции в некоторых молекулах. Это происходит потому, что при энергии ультрафиолетовых фотонов молекулы могут электронно возбуждаться или переходить в свободнорадикальную форму даже без ионизации.
Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их числа. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизацию, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если только они не поднимут температуру тела до точки, достаточно высокой для ионизации небольших фракций атомов или молекул в процессе ионизации. термоионизационный. В таких случаях даже «неионизирующее излучение» способно вызвать тепловую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла, чтобы поднять температуру до энергии ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, для ионизации которого требуется только одна частица. Известным примером термической ионизации является ионизация пламенем обычного огня и реакции потемнения обычных продуктов питания, вызванные инфракрасным излучением во время приготовления на гриле.
Энергия неионизирующего излучения невелика, и вместо того, чтобы создавать заряженные ионы при прохождении через вещество, оно имеет энергию, достаточную только для изменения вращательной, колебательной или электронной валентной конфигурации молекул и атомов. Это приводит к тепловому эффекту. Лишь недавно были изучены возможные нетепловые эффекты неионизирующих форм радиации на живые ткани. Большая часть текущих дебатов идет об относительно низких уровнях воздействия радиочастотного (РЧ) излучения мобильных телефонов и базовых станций, вызывающего «нетепловые» эффекты. Некоторые эксперименты показали, что могут иметь место биологические эффекты при уровнях нетеплового воздействия, но доказательства возникновения опасности для здоровья противоречивы и недоказанны. Научное сообщество и международные организации признают, что необходимы дальнейшие исследования для улучшения нашего понимания в некоторых областях. Между тем, все согласны с тем, что не существует последовательных и убедительных научных доказательств вредного воздействия на здоровье радиочастотного излучения при мощности, достаточно низкой, чтобы не возникало теплового воздействия на здоровье. [4] [5]
Для разных видов неионизирующего излучения наблюдаются разные биологические эффекты. [4] [6] [5] Верхние частоты (более низкая энергия ультрафиолета) неионизирующего излучения способны вызывать нетепловые биологические повреждения, подобные ионизирующему излучению. Еще предстоит доказать, что нетепловое воздействие излучений значительно более низких частот (микроволновое, миллиметровое и радиоволновое излучение) влечет за собой опасность для здоровья.
Воздействие неионизирующего ультрафиолетового света является фактором риска развития рака кожи (особенно немеланомного рака кожи), солнечных ожогов , преждевременного старения кожи и других последствий. Несмотря на возможные опасности, в правильной дозировке он полезен для человека, поскольку витамин D вырабатывается за счет биохимического воздействия ультрафиолета. Витамин D играет множество ролей в организме, наиболее известная из которых связана с минерализацией костей.
В дополнение к хорошо известному эффекту неионизирующего ультрафиолетового света, вызывающего рак кожи, неионизирующее излучение может оказывать немутагенные эффекты, такие как возбуждение тепловой энергии в биологических тканях, что может привести к ожогам. В 2011 году Международное агентство по исследованию рака (IARC) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, включив радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в список веществ, которые могут быть канцерогенными для человека. [6]
С точки зрения потенциальных биологических эффектов неионизирующую часть спектра можно разделить на:
Было показано, что вышеуказанные эффекты обусловлены только эффектами нагрева. При низких уровнях мощности, когда отсутствует эффект нагрева, риск рака незначителен. [7] [8]
Международное агентство по исследованию рака недавно заявило, что неионизирующее излучение может представлять некоторый риск для человека. [9] Однако последующее исследование показало, что основа оценки IARC не соответствует наблюдаемым тенденциям заболеваемости. [10] Этот и другие отчеты предполагают, что результаты, на которых МАИР основывает свои выводы, практически не могут быть верными. [11]
Ультрафиолетовый свет может вызвать ожоги кожи [13] и катаракту глаз. [13] Ультрафиолетовый свет подразделяется на ближний, средний и дальний УФ в зависимости от энергии, при этом ближний и средний ультрафиолет технически неионизирующие, но все длины волн УФ могут вызывать фотохимические реакции, которые в некоторой степени имитируют ионизацию (включая повреждение ДНК и канцерогенез). . УФ-излучение с энергией 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 и не ионизирующая, может вызывать фотохимические реакции, повреждающие молекулы не только путем нагревания. Поскольку эти реакции зачастую очень похожи на реакции, вызываемые ионизирующим излучением, зачастую весь УФ-спектр считают эквивалентным ионизирующему излучению при его взаимодействии со многими системами (в том числе биологическими).
Например, ультрафиолетовый свет, даже в неионизирующем диапазоне, может производить свободные радикалы , вызывающие повреждение клеток, и может быть канцерогенным . Фотохимия, такая как образование пиримидинового димера в ДНК, может происходить в большей части УФ-диапазона, включая большую часть полосы, которая формально не ионизируется. Ультрафиолетовый свет стимулирует выработку меланина клетками меланоцитов , вызывая солнечный загар кожи. Витамин D вырабатывается в коже в результате радикальной реакции, инициируемой УФ-излучением.
Солнцезащитные очки из пластика ( поликарбоната ) обычно поглощают ультрафиолетовое излучение. Чрезмерное воздействие ультрафиолета на глаза вызывает снежную слепоту , характерную для областей с отражающими поверхностями, такими как снег или вода.
Свет, или видимый свет, — это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, видимого человеческим глазом (около 400–700 нм), или до 380–750 нм. [5] В более широком смысле физики называют свет электромагнитным излучением всех длин волн, видимым или невидимым.
Видимый свет высокой энергии — это сине-фиолетовый свет с более высоким поражающим потенциалом.
Инфракрасный (ИК) свет — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 микрометров, что соответствует диапазону частот примерно от 1 до 430 ТГц. Длины волн ИК-излучения длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволнового излучения терагерцового диапазона. Яркий солнечный свет обеспечивает интенсивность излучения чуть более 1 киловатта на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 527 Вт — инфракрасное излучение, 445 Вт — видимый свет и 32 Вт — ультрафиолетовое излучение. [5]
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 в себя как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), и разные источники используют разные границы. [5] Во всех случаях СВЧ-диапазон включает как минимум весь диапазон СВЧ (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), при этом радиочастотная инженерия часто устанавливает нижнюю границу на уровне 1 ГГц (30 см), а верхнюю - около 100 ГГц. (3 мм). Приложения включают сотовые (мобильные) телефоны, радары, сканеры в аэропортах, микроволновые печи, спутники дистанционного зондирования Земли , а также радио- и спутниковую связь.
Радиоволны — это тип электромагнитного излучения, длина волны которого в электромагнитном спектре превышает длину инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они распространяются со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или астрономическими объектами. Искусственно генерируемые радиоволны используются в фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещании, радиолокационных и других навигационных системах, спутниковой связи, компьютерных сетях и во многих других приложениях. Различные частоты радиоволн имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут очень равномерно покрывать часть Земли, более короткие волны могут отражаться от ионосферы и распространяться по всему миру, а гораздо более короткие волны очень мало изгибаются или отражаются и перемещаются по лучу видимости.
Очень низкая частота или VLF – это диапазон RF от 3 до 30 кГц. Поскольку полоса пропускания в этом диапазоне радиоспектра невелика, используются только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известен как диапазон мириаметра или волна мириаметра, поскольку длины волн варьируются от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).
Крайне низкая частота (КНЧ) – это диапазон частот излучения от 300 Гц до 3 кГц. В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение – от 3 Гц до 3 кГц. [5] В смежных науках о магнитосфере низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, возникающие ниже ~3 Гц) считаются находящимися в диапазоне УНЧ, 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 виде электромагнитных волн. Инфракрасное излучение, которое можно почувствовать, исходящее от бытового обогревателя, инфракрасной тепловой лампы или кухонной духовки, является примером теплового излучения, равно как и ИК-излучение и видимый свет, излучаемый светящейся лампочкой накаливания (недостаточно горячей, чтобы излучать синий высокий свет). частоты и поэтому кажутся желтоватыми; люминесцентные лампы не являются тепловыми и могут казаться более синими). Тепловое излучение генерируется, когда энергия движения заряженных частиц внутри молекул преобразуется в лучистую энергию электромагнитных волн. Частота излучаемой волны теплового излучения представляет собой распределение вероятностей, зависящее только от температуры, и для черного тела определяется законом излучения Планка. Закон смещения Вина дает наиболее вероятную частоту испускаемого излучения, а закон Стефана – Больцмана дает интенсивность тепла (мощность, излучаемую на площадь).
Части электромагнитного спектра теплового излучения могут быть ионизирующими, если объект, излучающий излучение, достаточно горячий (имеет достаточно высокую температуру ). Типичным примером такого излучения является солнечный свет, который представляет собой тепловое излучение фотосферы Солнца и содержит достаточно ультрафиолетового света, чтобы вызвать ионизацию многих молекул и атомов. Крайним примером является вспышка от взрыва ядерного оружия , которое испускает большое количество ионизирующих рентгеновских лучей исключительно как продукт нагрева атмосферы вокруг бомбы до чрезвычайно высоких температур.
Как отмечалось выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызвать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Типичными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные « потемнением » при приготовлении пищи, которое представляет собой химический процесс, который начинается с большого компонента ионизации.
Излучение черного тела — это излучение идеализированного излучателя, который излучает при любой температуре максимально возможное количество излучения на любой заданной длине волны. Черное тело также будет поглощать максимально возможное падающее излучение на любой заданной длине волны. Испускаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность (мощность на единицу площади) на данной частоте определяетсяизлучения Планка . Таким образом, черное тело при температуре, равной комнатной температуре или ниже, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать свет. Теоретически черное тело излучает электромагнитное излучение во всем спектре: от очень низкочастотных радиоволн до рентгеновских лучей. Частота, на которой излучение черного тела максимально, определяется законом смещения Вина .
Низкоэнергетические, неионизирующие формы радиации... не вызывают рак у людей.