23 реинкарнации лазера, которые нас окружают в повседневной жизни
Под катом — научно-популярная лекция о современном применении лазеров и принципах работы лазерных устройств, тех самых, которые помогают победить рак и идентифицировать коронавирус, определять строение тканей, передавать данные и строить города, сводить татуировки и делать мышей счастливыми.
Ну и, надеюсь, вы уже видели самую большую в мире лазерную установку длиной 130 метров, установленную в Сарове в ВНИИЭФ. Она предназначена в том числе для изучения термоядерного(!) синтеза.
Эта статья — расшифровка лекции Дмитрия Артемьева, старшего преподавателя кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета и м.н.с. научно-исследовательской лаборатории «Фотоника». Дмитрий прочитал эту лекцию в нашей самарской Точке кипения прямо перед введением режима всеобщей самоизоляции.
Что такое свет
Для полноты картины начнем с азов. Из курса физики известно, что свет — это электромагнитная волна или поток фотонов. Поскольку одна из характеристик электромагнитных волн — длина волны, под светом (излучением) мы будем подразумевать электромагнитную волну длиной от 1 нанометра до нескольких сантиметров. Таким образом, наше определение покрывает диапазон от рентгеновского до инфракрасного излучения.
Видимый для нашего глаза диапазон занимает очень маленький интервал, порядка 300 нанометров.
Если говорить про диковинные диапазоны, такие, как рентгеновские, то, например, в прошлом году создание лазера на свободных электронах, который работает в рентгеновском диапазоне, стало одной из главных тем и было номинировано на Нобелевскую премию по физике. Интересно, что победитель в этой номинации тоже был связан с лазерной техникой: премию присудили за создание сверхкоротких и сверхмощных импульсов. Кстати, часть исследований проводили в России, в Нижегородском институте общей физики.
Чем лазер отличается от обычной лампочки
На картинке — сравнение основных характеристик. Особо отметим, что максимальная мощность лазера многократно выше мощности источников, которые применяются в лампах. Но не каждому лазеру это нужно: часто для применения достаточно долей ватта, милливатта или микроватта, чтобы получить просто какое-то определенное излучение.
Вспомним, что ширина видимого диапазона излучения — порядка 400 нанометров. Примерно такой же по ширине спектр имеет лампа накаливания, поэтому при перемешивании цветов мы видим белый свет. В свою очередь, ширина диапазона лазера может составлять 0,1 нанометра. Это уникальное свойство лазера используется при проведении некоторых спектральных исследований и точных прецизионных измерений.
Если посветить лазерной указкой из одной стороны комнаты в другую, мы увидим на противоположной стене лишь небольшое пятно, демонстрирующее узкую направленность излучения и малую расходимость пучка лазера. А у лампы дневного света или накаливания излучение практически изотропно, т.е. направлено во все стороны.
У естественного света отсутствует определенная направленность вектора электрического поля, это означает, что свет не поляризован. То есть у света обычной лампочки вектор E (напряженность) направлен в различные стороны. В случае лазерного излучения вектор E имеет определенное направление, колебания происходят в одной плоскости. Такая поляризация тоже делает лазерное излучение в какой-то степени уникальным.
Физика процесса
Лазер изобрели в конце 50-х прошлого столетия. В 1964 году за открытие лазерного излучения американец Чарльз Таунс и советские ученые Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадьевич Басов получили Нобелевскую премию. Причем Прохоров и Басов открыли не лазер, не усиление света, а усиление излучения микроволнового диапазона, так называемый мазер.
Лазер — аббревиатура из пяти латинских букв: Light Amplification by Simulated Emission of Radiation. В переводе с английского это означает «усиление света под действием вынужденного излучения». Ниже представлены три диаграммы. Сначала, чтобы произошло излучение, необходимо, чтобы электрон или частица перешли в возбужденное состояние. Для этого частица должна получить энергию. После этого она перейдет на более высокий энергетический уровень.
Дальше возможны два сценария. Если частица случайным образом перейдет на более низкие энергетические уровни, то мы получим спонтанное излучение. Однако если на частицу, находящуюся на верхнем энергетическом уровне, воздействовать определенным фотоном, то есть направить на нее свет определенной длины волны, то произойдет уже вынужденное излучение. И фотон, рожденный в результате такого внешнего воздействия, будет тождествен тому фотону, с которым он провзаимодействовал. Так получается когерентное излучение, при котором волны равны друг другу.
Как устроен лазер
Перед вами — схема первого лазера. Это классический рубиновый лазер, созданный в 1960 году американским ученым Теодором Мейманом. Для работы прибора нужна активная среда, в данном случае — кристалл рубина, и два зеркала. Одно зеркало — глухое, с коэффициентом отражения, близким к единице. Второе — полупрозрачное, в зависимости от типа лазеров коэффициент отражения у него может отличаться как на доли процента, так и на десятки процентов относительно глухого зеркала.
В качестве оптической накачки для твердотельных лазеров, как правило, используется другое оптическое излучение. В первом лазере на кристалле рубина применялись лампы белого света, которые содержали синий и зеленый спектры — именно их кристалл рубина поглощает лучше всего.
Итак, классическая схема лазера: это активное вещество (рубин), резонатор (два зеркала) и система накачки. В других схемах накачка может происходить не только от оптического излучения, но и, например, при помощи электрического разряда (в газовых лазерах). Но в первую очередь лазеры отличаются по типу активной среды: твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на парах металлов. Выше мы упоминали лазер на свободных электронах, сейчас он активно разрабатывается и модернизируется. Также сейчас популярны диодные (полупроводниковые) лазеры и волоконные, где в качестве активной среды используется оптическое волокно.
Где применяется лазерное излучение
Лазерное излучение можно использовать в медицине, промышленности, связи, военном деле и науке. На картинке ниже — примеры медицинских инструментов. Так, сейчас очень популярны лазерные скальпели для коррекции зрения. Они помогают скорректировать геометрию хрусталика, чтобы избавить от близорукости или дальнозоркости, исправить астигматизм и так далее. Лазер идеален для операций на глазе не только из-за очень маленьких размеров пучка — важно и то, что время воздействия таким скальпелем можно сократить до фемтосекунд. Различные типы излучений используются для косметических операций. А в стоматологии ультрафиолетовое излучение применяют для затвердевания зубного клея, который очень хорошо его поглощает.
В промышленности с помощью лазеров производится точнейшая обработка стали: гравировка, вырезание отверстий с очень тонкой и чистой кромкой. Свойства лазерного излучения используют для закаливания некоторых металлов. Чаще всего в современной промышленности применяется волоконный лазер.
В строительной сфере лазеры применяют, чтобы определять расстояния или выстраивать геометрию. Сейчас лазерные уровни продаются во всех строительных магазинах, причем стоят недорого.
Военные и охотники уже давно используют лазерные прицелы. При этом лазер редко используют для прямого нанесения ущерба: пока такие аппараты слишком громоздки. Например, в американских вооруженных силах проводился эксперимент, в ходе которого лазерная установка устанавливалась на самолете. Для чего понадобился целый самолет? Несмотря на небольшой по размерам излучатель, система накачки потребляла огромное количество электроэнергии, а активная среда сильно нагревалась. Так что почти все пространство самолета занимали системы питания и охлаждения лазера.
В нашей стране также разрабатываются подобные системы. Пару лет назад у нас было анонсировано лазерное оружие «Пересвет». Пока о нем известно только то, что оно размещается на мобильной платформе, на грузовике. В остальном, увы, — гостайна.
Отдельно надо сказать про использование лазеров в научных исследованиях. Например, ученые в Сарове используют лазер в процессе термоядерного синтеза: для облучения мишени излучение высокой мощности фокусируется в пятне минимальных размеров.
Лазерная установка УФЛ-2М в Сарове
Наряду с такими гигантами, сравнимыми по габаритам с футбольными стадионами, в последнее время набирают популярность миниатюрные лазеры на так называемых наноструктурах.
Лазеры активно используются в системах связи, в том числе спутниковых. Одно из самых полезных для связистов свойств — распространение излучения в оптическом волокне: оптоволоконные системы позволяют передавать до сотен гигабайт в секунду на огромные расстояния.
Как устроено оптоволокно
Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Посмотрите на картинку ниже: у нас есть струя воды, и если на вход подать излучение, то при изгибе струи оно не выходит наружу, а распространяется внутри.
Именно так и распространяется излучение по среде с более высоким показателем преломления относительно его оболочки. Этот принцип позволяет передавать данные на десятки, сотни и тысячи километров с минимальными потерями.
В качестве источника оптического излучения используются либо светодиоды, либо лазерные диоды. У лазерного диода более высокие характеристики, но и стоит он дороже.
В телекоммуникационной технике, как правило, применяют полупроводниковые лазеры с длиной волны 1,3 или 1,55 микрометра. Эти длины волн не попадает в полосу поглощения различных гидроксильных групп, которые есть в составе волокна. Таким образом, сигнал не поглощается и не затухает на протяжении многих километров.
В качестве детекторов можно использовать фотодиоды, PIN-диод и лавинный фотодиод. Они отличаются по чувствительности. Если нужно зарегистрировать очень слабый сигнал, берут лавинный фотодиод. Если сигнал на десятки–сотни ватт, то можно применить любые другие типы фотодиодов.
Лазерное излучение и биологические объекты
При падении лазерного пучка на биоткань может произойти поглощение этого излучения, а также пропускание, рассеяние или флуоресценция. Еще один из возможных вариантов — абляция, сгорание верхних слоев ткани. При этом внутренние слои не повреждаются.
На графике ниже — элементы, которые могут находиться в сосудах, в крови, в тканях кожи. Как мы знаем, человек более чем на 70% состоит из воды. Вода также присутствует в каждой биологической ткани. Есть меланин, который окрашивает нашу ткань. Если мы загорели летом, то меланина в тканях кожи становится существенно больше. А имеющийся у всех нас гемоглобин может быть в двух состояниях — насыщенный кислородом (оксигемоглобин) и без кислорода (дезоксигемоглобин).
График показывает, насколько активно различные элементы поглощают излучение с разными длинами волн. Таким образом, при использовании лазера с определенной длиной волны мы можем добиться селективного поглощения.
Или, к примеру, возьмем два источника излучения с разными длинами волн: один попадает в максимум поглощения, другой — в минимум. При дифференциальном контрасте можно получить концентрацию определенных веществ. Мы видим, что максимумы спектров окси- и дезоксигемоглобина разнесены между собой. Таким образом мы можем определить концентрацию, например, оксигемоглобина.
Это очень важно при проведении хирургических операций. Сейчас в любом хирургическом отделении стоит прибор, который отслеживает насыщенность крови кислородом. Этот датчик позволяет в режиме реального времени определять, что происходит с тканью пациента в нужном месте.
Диагностика, визуализация, лечение рака.
В некоторых диагностических системах используют несколько лазеров с разными длинами волн. Они помогают проводить исследования по различным клеточным структурам: как они себя ведут, какую дают реакцию на препараты.
Выше упоминалось, что лазер может счищать верхние слои кожи. Это используется, в частности, для удаления татуировок. Косметологические салоны сводят «наколки» твердотельным лазером с длиной волны 1064 нанометра.
Еще одно распространенное применение лазеров — фотодинамическая терапия, которая часто применяется при лечении онкологических заболеваний. Вначале в ткань человека вводится фотосенсибилизатор — вещество, которое накапливается в агрессивных раковых клетках. После этого на опухоль — она, как правило, окружена здоровой тканью — воздействует лазер с длиной волны, попадающей в максимум поглощения данного фотосенсибилизатора. В результате излучение поглощается только раковыми клетками. Таким образом, мы выжигаем раковую опухоль, не задевая здоровую ткань.
Лазер применяется в медицине для визуализации. Например, в оптической томографии он служит источником света (см. схему). В качестве источника света также можно использовать суперлюминесцентный диод: он также излучает за счет вынужденного рассеивания, но не имеет такой степени когерентности.
Источник света направлен на светоделитель. Часть излучения отражается на зеркало, а другая направляется на объект, отражаясь от которого обе волны могут взаимодействовать между собой. Если две когерентные длины волны взаимодействуют между собой, происходит интерференция. И на детекторе мы регистрируем набор интерференционных полос, после обработки которых можно получить картинку среза ткани.
Оптический когерентный томограф, принцип действия которого показан на схеме, есть во всех крупных городах. Данная технология позволяет построить трехмерную картину объекта, в данном случае — глаза. И пространственное разрешение, где мы можем отделить один пиксель от другого, может составлять единицы микрон. Аналог данной технологии — ультразвуковое исследование. Только для УЗИ используется не оптическое излучение, а ультразвуковая волна. У ультразвука глубина проникновения выше, чего не скажешь о точности: пространственное разрешение измеряется в миллиметрах, а не в микронах.
Почему нужно комбинировать методы
В Самарском университете данный подход использовали для исследования тканей кожи и легкого с онкологическими образованиями. На фото слева — восстановленное 3D-изображение тканей легкого. А справа — фотография участка, с которого происходила регистрация сигнала.
На картинке слева заметно различие структур между собой. Черное — это воздух, оттуда сигнал не приходил. Пористая структура, похожая на губку, — это здоровая ткань легкого. При переходе вправо можно наблюдать, как возникают слои. Они более плотные и имеют определенную структуру, которая характерна для онкологических новообразований в тканях легкого. Это пример плоскоклеточного рака, удаленного в результате операции в Самарском онкологическом центре.
Такой же подход применялся для исследования тканей кожи. С его помощью легко определить базально-клеточную карциному, однако другие типы рака часто бывают похожи между собой, и диагностировать конкретный тип заболевания становится невозможно. Поэтому оптические методы исследования необходимо дополнять спектральными.
На следующей иллюстрации представлена диаграмма комбинационного (неупругого) рассеяния света, так называемое рамановское рассеяние. Здесь мы снова наблюдаем энергетические уровни, с которыми познакомились при рассмотрении вынужденного рассеяния.
На картинке показано, как лазерное излучение возбуждает колебания в молекуле. При этом 99,999% этого излучения не изменяет длины волны. Но некоторая часть излучения после взаимодействия с молекулой может измениться. Эта доля изменения энергии соответствует колебанию связей, на которые было направлено лазерное излучение.
В результате комбинационного рассеяния света мы получаем набор полос, положение которых привязано к конкретному колебанию нашего объекта. С помощью этих данных мы можем определить, какие колебания у нас есть. В свою очередь, по интенсивности колебаний определяется количественный состав этих компонент.
На фото — момент исследования в Самарском онкологическом центре. Так происходит визуализация образца ткани при помощи дерматоскопа, разработанного там же.
На следующем слайде — характерные графики спектров комбинационного рассеяния для кожи и новообразований. В определенных полосах спектра интенсивность может увеличиваться либо уменьшаться. Так, в полосе №2 интенсивность для злокачественной меланомы увеличивается на 100%. И за увеличение этой интенсивности отвечает изменение компонентного состава в этой области. В частности, если речь идет о биохимических изменениях в ткани, то меняется соотношение ДНК и РНК в клетке. Также может меняться соотношение белков и липидов в ткани.
Подобное исследование проводилось и для тканей легкого. Мы видим, что можно отличить злокачественные образования от доброкачественных. Также для анализа данных могут применяться различные математические подходы — например, регрессионные модели, которые позволяют быстро находить спектральные отличия в большом массиве данных.
Итак, исследование биологического объекта при помощи лазеров и спектральной техники позволяет получить огромный набор данных. Для их обработки приходится прибегать к математическим методам, которые, в свою очередь, надо реализовать на компьютере с использованием специального ПО.
Подведем итоги
Биофотоника дает широкие возможности для диагностики состояния тканей в режиме реального времени, позволяет осуществлять лазерную абляцию — очищение верхних слоев кожи. Лазерный скальпель широко применяется в хирургии. Также при облучении лазером в организме могут ускоряться какие-то процессы, например выработка кислорода в сосудах или каких-то тканях. Либо замедляться, если это необходимо.
Все оптические технологии используются для неинвазивных исследований — без непосредственного контакта инструмента с тканью. Для более точного исследования в различных диапазонах можно использовать сразу несколько лазеров. Но это далеко не все возможности. Мы не упомянули такое интересное направление, как оптогенетика — воздействие лазерного или оптического излучения на когнитивные функции. Исследователи воздействуют на нейроны в определенных областях мозга, пытаясь улучшать настроение, стимулировать выработку гормонов и так далее. Пока такие опыты проводятся на животных. На фото — мышь, в череп которой вживлено оптическое волокно для соответствующих исследований.
В связи с текущей пандемией стоит отметить, что упомянутая выше рамановская спектроскопия — технология, которая может использоваться для исследования вирусов. Здесь снова междисциплинарный подход: вирусы — частицы размером 20–200 нанометров, нужно их как-то уловить. Вирусы содержатся в крови, которая движется по некоему капилляру. Следовательно, в капилляр устанавливаются специальные наноловушки — наноструктуры, способные поймать и захватить частицы определенного размера. После захвата частиц проводим их облучение лазером и регистрацию рамановского рассеяния — вот теперь мы можем точно сказать, что это. Преимущество оптических технологий в данном случае в том, что вирусы обнаруживаются даже при минимальной их концентрации.
На наш взгляд, мы перечислили большинство наиболее интересных областей применения лазеров. Хотя наверняка могли что-то забыть. Так что, если кто-то подкинет интересных фактов в комментариях, с удовольствием поплюсуем.
Излучение
На прошлых уроках вы познакомились с такими видами теплопередачи, как тепловодность и конвекция. И в первом, и во втором случае перенос энергии происходил за счет движения частиц или их групп. Значит, если нет вещества, то эти виды теплопередачи невозможны.
Основной источник тепла на нашей планете — это Солнце. Оно находится от нас на расстоянии $15 \cdot 10^7 \space км$. Это пространство содержит очень разреженное вещество, оно близко к вакууму. В такой ситуации невозможна ни конвекция, ни теплопроводность. Каким образом тогда передается тепло от Солнца?
Изучение — вот ответ на наш вопрос. На данном уроке мы познакомимся с процессом излучения на опыте, узнаем его свойства и применение.
Выявление процесса излучения
Рассмотрим следующий опыт (рисунок 1). У нас есть жидкостный манометр и теплоприемник. Соединим их резиновой трубкой между собой.
Нагреем до высокой температуры небольшой кусок металла. С помощью пинцета аккуратно поднесем его к темной стороне теплоприемника (рисунок 1, а).
Уровень жидкости в колене, соединенном с теплоприемником, снизился. Это значит, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился.
Мы не воздействовали на теплоприемник никаким другим образом. Очевидно, что ему была передана энергия от нагретого куска металла.
Теплопроводность? Нет. Ведь мы не докасались куском металла до теплоприемника. Конвекция? Тоже нет. Нагретое тело находилось рядом с теплоприемником, но не под ним. Передача энергии в данном случае осуществлялась путем излучения.
Излучение — это вид теплопередачи, при котором перенос энергии происходит преимущественно без переноса вещества.
Этот перенос энергии осуществляется посредством электромагнитных волн. Об этом понятии вы подробнее узнаете в уроках для 9 класса.
Свойства излучения
- Передача энергии путем излучения отличается от других видов теплопередачи.
Излучение может осуществляться в полном вакууме.
- Все тела излучают энергию: и сильно нагретые, и слабо.
Чем выше температура тела, тем больше энергии оно передаёт путем излучения.
- Излучаемая энергия частично поглощается окружающими телами и частично отражается
- При поглощении энергии тела будут нагреваться по-разному. Это зависит от их поверхности.
Вернемся к нашему опыту (рисунок ). Сначала мы повернули теплоприемник к куску металла темной стороной. Теперь повернем его светлой стороной (рисунок 1, б). Теперь столбик жидкости в колене манометра повысился.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела со светлой поверхностью.
Рисунок 2. Поглощение энергии телами с разной поверхностью
- Тела, которые излучают энергию, охлаждаются тоже по-разному.
Тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью.
Например, в белом чайнике горячая вода дольше сохранит высокую температуру, чем в черном.
Применение
Солнечное излучение используют для того, чтобы добыть использовать солнечную энергию. Солнечные батареи (рисунок 3) позволяют аккумулировать солнечную энергию, преобразовывать ее для дальнейшего использования человеком.
Излучение применяют для сушки и нагрева материалов, в приборах ночного видения, в медицине. Далее во время обучения вы более подробно рассмотрите природу этого явления.
14 лучших примеров радиации и ее последствий
Радиация может быть определена как энергия, которая проходит через пространство или материальную среду в виде частиц или волн.
В зависимости от энергии излучаемых частиц излучения можно разделить на две группы:
Ионизирующее излучение: несет достаточно энергии (обычно более 10 эВ), чтобы ионизировать молекулы, атомы и разрывать химические связи. Одним из распространенных источников такого излучения являются радиоактивные материалы, излучающие альфа-, бета- или гамма-излучение.
Хотя ионизирующее излучение имеет несколько полезных применений, его длительное воздействие может вызвать лучевую болезнь, ожоги, рак и генетический дефект.
Неионизирующее излучение: не переносит достаточно энергии на квант, чтобы удалить электрон из атома или молекулы. Однако оно обладает достаточной энергией для перемещения электронов из состояния низкой энергии в состояние высокой.
Неионизирующее излучение имеет более высокую длину волны и более короткую частоту, чем ионизирующее. Обычно оно считается невредным, но при длительном облучении может возникнуть некоторый риск. Например, оно может создавать немутагенные эффекты, такие как возбуждение тепловой энергии в биологических тканях, что может привести к ожогам.
Люди часто путаются радиацию и радиоактивность. Радиация — это движение энергии, в то время как радиоактивность относится к расщеплению или распаду атомного ядра. Все радиоактивные материалы испускают излучение при распаде, но не все типы излучения являются радиоактивными. Дейтерий (изотоп водорода), например, не радиоактивен.
Чтобы лучше объяснить эту концепцию, мы собрали некоторые из лучших примеров излучения, которое вы видите в повседневной жизни. Список включает в себя различные частицы, электромагнитное и акустическое излучение.
14. Тепло от свечи
Тип: неионизирующее излучение
Свеча использует химическую реакцию, чтобы произвести свет и тепло. В этой реакции горения воск (обычно сделанный из химических веществ, содержащих углерод) реагирует с окружающим кислородом с образованием углекислого газа и пара.
Тепло движется как излучение в пространстве: оно движется по прямой со скоростью света. Вот почему люди, сидящие перед камином, чувствуют тепло. Когда они сидят слишком близко, только передняя часть нагревается. Задняя сторона не нагревается, пока они не развернутся.
13. Инфракрасные лучи, излучаемые пультом дистанционного управления
Тип: неионизирующее излучение
Пульт дистанционного управления не имеет проводов, поэтому он должен передавать сигналы на все, что он работает через электромагнитные волны. Большинство пультов дистанционного управления делают это с помощью инфракрасного излучения, хотя некоторые используют радиоволны для отправки сигналов вместо этого.
Ранние телевизионные пульты дистанционного управления (построенные между 1950-ми и 1960-ми годами) использовали ультразвуковые волны. Современные пульты дистанционного управления — это потребительские инфракрасные устройства, которые передают инфракрасное излучение в форме импульсов с цифровой кодировкой для управления такими функциями, как скорость вентилятора, температура переменного тока, мощность, громкость, переключение каналов.
12. Гравитационное излучение
Тип: неионизирующее излучение
Гравитационные волны передают энергию как гравитационное излучение, которое является своего рода излучающей энергией, подобной электромагнитному излучению. Другими словами, гравитационное излучение для гравитации — это то же самое, что свет для электромагнетизма.
Теория гравитационных волн была предложена Альбертом Эйнштейном в 1916 году и представляет собой рябь в геометрии пространства и времени. В природе существуют только две фундаментальные дальнодействующие силы: гравитация и электромагнетизм. Так же, как ускоренные электрические заряды производят электромагнитное излучение, гравитационные заряды (то есть массы) производят гравитационное излучение.
В 2015 году LIGO впервые обнаружил гравитационные волны (почти через 100 лет после ее предсказания). Эти волны возникли в результате слияния двойной системы черных дыр.
11. Излучение ноутбука
Тип: неионизирующее излучение
Компьютеры излучают несколько различных видов излучения, в том числе инфракрасное и низкочастотное электромагнитное излучение. Поскольку ноутбуки находятся в прямом контакте с нашими коленями, их радиационное воздействие на ограниченные части тела делает его более опасным.
Нижние части ноутбуков испускают от 40 до 100 миллигаусс излучения, что в 40-100 раз превышает стандартный предел радиационного воздействия. Кроме того, чем старше ноутбук, тем выше излучение. Длительное воздействие такого излучения может привести к головным болям, усталости, головокружению, нарушениям сна, а также нарушениям памяти и концентрации.
10. Рентгеновские лучи от рентгеновского аппарата
Тип: ионизирующее излучение
Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение очень высокой энергии с частотами от 30 петагерц до 30 экзагерц. Он может проникать в ткани организма и внутренние органы.
Сегодня рентген широко используется для выявления заболеваний сердца, камней в почках, переломов и кишечных закупорок. Они часто используются для выявления и уничтожения раковых клеток.
В основном, рентгеновский аппарат передает излучение через тело. Часть этого выходит на другую сторону тела (где он подвергается воздействию цифрового детектора для формирования изображения), в то время как часть излучения поглощается тканями тела (что называется «дозой облучения», которую получает пациент), Хотя рентгеновское излучение является ионизирующим излучением, его преимущества намного перевешивают потенциальные негативные последствия.
9. Риск, связанный с добычей угля
Тип: ионизирующее излучение
Уголь является ископаемым топливом, используемым для производства электроэнергии в различных странах, в том числе в России. Поскольку в нем содержатся следы природных радиоактивных веществ, рабочие угольных шахт могут подвергаться воздействию радиации, излучаемой такими веществами, как уран и торий.
Для контроля и управления этим радиационным воздействием инженеры готовят специальные измерительные приборы, называемые дозиметрами излучения. Он отслеживает радиационное воздействие отдельных людей и уровни радиации на рабочих местах, таких как угольные шахты.
Наряду с добычей угля, процесс сжигания угля также несет в себе риск радиационного облучения. На угольных электростанциях образуются отходы, содержащие небольшое количество радиоактивных материалов. Электроэнергия, вырабатываемая при сжигании угля, в 10-100 раз более токсична, чем электроэнергия, вырабатываемая при сжигании природного газа в результате гидроразрыва пласта.
8. Радиоактивные элементы, используемые в ядерном оружии
10-граммовый образец урана-238 | Wikimedia
Тип: ионизирующее излучение
Уран-238 является наиболее распространенным, естественно встречающимся изотопом урана. Поскольку этот изотоп имеет относительную распространенность в 99,2745% и период полураспада в 4,4 миллиарда лет, он генерирует почти 40% радиоактивного тепла, производимого на Земле.
Современное ядерное оружие использует Уран-238 для повышения эффективности и уменьшения критической массы (небольшое количество расщепляющегося материала, необходимого для поддержания ядерной цепной реакции).
7. Звуковые волны от колонок
Тип: неионизирующее излучение
Звуковые волны существуют как колебания давления в среде. Они создаются вибрацией объекта, которая вызывает вибрацию соседних частиц воздуха. Когда эти вибрирующие частицы достигают уха, это вызывает вибрацию барабанной перепонки, которую наш мозг интерпретирует как звук. Чем быстрее изменяется давление воздуха, тем выше частота слышимого нами звука.
Когда динамики движутся вперед и назад, они надавливают на частицы воздуха, изменяя давление воздуха и, в конечном счете, создавая звуковые волны. Однако частицы воздуха на самом деле не движутся от динамика к уху. Отдельные частицы перемещаются только на небольшое расстояние, так как они вибрируют, и заставляют соседние частицы вибрировать в пульсирующем эффекте до самого уха.
6. Ультразвук
Тип: неионизирующее излучение
Звуковые волны с более высокими частотами (выше, чем то, что люди могут слышать) называют ультразвуком. Он подобен нормальному (слышимому) звуку с точки зрения физических характеристик, за исключением того, что он имеет частоты выше верхнего слышимого предела человеческого слуха.
Ультразвук используется в различных областях, например, в обрабатывающей промышленности для неразрушающего контроля конструкций и изделий, а также в химической промышленности для смешивания, очистки или ускорения химических процессов.
Пожалуй, самым важным его применением является ультразвуковая визуализация, которая захватывает и показывает кровоток, а также движение внутренних органов организма в режиме реального времени. И поскольку звуковые волны не ионизируют, они намного безопаснее, чем рентгеновские лучи.
5. Космические лучи
Тип: ионизирующее излучение
Комические лучи — это частицы высокой энергии (такие как атомные ядра и протоны), которые движутся в пространстве почти со скоростью света. Хотя многие вещи о космических лучах остаются тайной, ученые нашли доказательства того, что они происходят от Солнца и отдаленных галактик.
Космические лучи часто создают электронные проблемы в спутниковой и другой технике. Они ионизируют молекулы кислорода и азота и создают различные нестабильные изотопы в атмосфере Земли, в том числе углерод-14.
Земная атмосфера и магнитное поле защищают планету от 99,9% космического излучения. Однако люди за пределами этого щита (космонавты без защиты) могут получить огромное количество космической радиации, что может увеличить риск смертельных раковых заболеваний.
4. Сейсмические волны
Тип: неионизирующее излучение
Сейсмические волны распространяются через слои Земли. Они вызваны движением магмы, массивными оползнями, извержениями вулканов, землетрясениями и искусственными взрывами, излучающими низкочастотную акустическую энергию.
Скорость их распространения зависит от типа волны, а также от упругости и плотности среды. В воде сейсмические волновые поля измеряются гидрофоном, тогда как в воздухе они регистрируются акселерометром или сейсмометром.
3. Лазеры
Тип: неионизирующее излучение
Слово «лазер» является аббревиатурой от «усиления света путем вынужденного излучения». В этом случае термин «свет» включает электромагнитное излучение различных частот, от инфракрасного и видимого света до ультрафиолетового и даже рентгеновского излучения.
Разные типы лазеров используют разные лазерные среды. Аргон, жидкие красители, смесь гелия и неона, твердые кристаллы, такие как рубин, являются одними из наиболее распространенных лазерных сред.
2. Облучение пищевых продуктов
Тип: ионизирующее излучение
Облучение пищи — это процесс нанесения ионизирующего излучения. Это увеличивает и продлевает срок годности пищи, устраняя или уменьшая количество насекомых и микроорганизмов. Излучение (например, электронные лучи, гамма-лучи или рентгеновское излучение) испускается радиоактивными веществами или производится электрически.
Этот процесс не делает пищу радиоактивной и не вносит заметных изменений в ее пищевые качества. Внешний вид, текстура и вкус пищи остаются практически неизменными. Изменения настолько минимальны, что вы не сможете различить облученную и необлученную пищу.
1. Солнечный свет
Тип: неионизирующее излучение
Лучи, приходящие от Солнца, представляют собой смесь электромагнитных волн, в частности ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света. Исследования показывают , что около 1,35 кВт/м2 солнечной радиации поступает в верхние слои атмосферы Земли.
Значительная часть этого излучения (в основном ультрафиолетовые лучи) поглощается атмосферой Земли, а остальное достигает земли и нагревает ее.
Доля ультрафиолетового излучения, которое не поглощается атмосферой, вызывает солнечные ожоги или загар у людей, которые длительное время подвергались воздействию солнечного света.
Солнечный свет питает существование почти всей жизни на Земле. Автотрофы, как и растения, используют солнечный свет наряду с водой и углекислым газом для производства простого сахара (этот процесс называется фотосинтезом). Гетеротрофы, как и животные, используют солнечный свет косвенно, потребляя автотрофов или их продукты.
Излучение Солнца может обеспечить гораздо больше энергии, чем необходимо для питания всего мира. Поверхность Земли получает 120,00 тераватт солнечной радиации, что в 20 000 раз больше мощности, чем нужно нашей планете.
Виды излучений и их применения
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/с). Свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.). Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток, или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии.
Файлы: 1 файл
физика.doc
Виды излучений и их применение!
В настоящее время мы знаем 6 видов излучения — гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, оптическое излучение, инфракрасное излучение и радиоволны
Радиоволны были открыты ещё в 19 веке, их наблюдал Герц в своих экспериментах, первые испытания прошли уже в 20 веке в Ленинграде.
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/с). Свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток, или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии.
Свойства радиоволн позволяют им свободно проходить сквозь воздух или вакуум. Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. На этом свойстве основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Главное свойство радиоволн заключаются в том, что они способны переносить через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. Колебания же возникают при изменении электрического поля.
Радиоволны, как средство для беспроводной передачи звуковой, видео и иной информации на достаточно значительные расстояния, приобрело популярность и широкую сферу использования. Именно радиоволны лежат в основе организации многих современных процессов, среди которых:
радиовещание, телевидение, радиотелефонная связь, радиометеорология, радиолокация.
Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ
Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50% излучения Солнца.
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.
Свойства инфракрасного излучения.
Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от тех же свойств в привычной для нас видимой области.
У большинства металлов отражательная способность для инфракрасного излучения значительно больше, чем для видимого света, и возрастает с увеличением длины волны.
Материалы, прозрачные для ИК-лучей и обладающие высокой способностью к их отражению, используются при создании ИК-приборов
Инфракрасное излучение применяют в: медицине; дистанционном управлении; при покраске (для сушки лакокрасочных поверхностей); для стерилизации пищевых продуктов; как антикоррозийное средство (с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком); проверка денежных знаков на подлинность; для обогрева помещения.
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — не видимое глазом электромагнитное излучение с длиной волн 10−7—10−12 м. Открыто в 1895 г. нем. физиком В. К. Рентгеном (1845—1923). Испускается при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр). Источниками являются: некоторые радиоактивные изотопы, рентгеновская трубка, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
Свойства рентгеновского излучения.
Основные свойства рентгеновского излучения: интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность, у некоторых веществ вызывает флюоресценцию.
Применение рентгеновского излучения.
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (рентгенография и рентгеноскопия).
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 (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества.
В аэропортах активно применяются рентгено- телевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа.
Оптическое излучение – это свет в широком смысле слова, электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 1 нм до 1 мм. Помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, к этому виду излучений относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Параллельный термину "О. и." термин "свет" исторически имеет менее определенные спектральные границы — часто им обозначают не все оптические излучения, а лишь его видимый поддиапазон. Для оптических методов исследования характерно формирование направленных потоков излучения с помощью оптических систем, включающих линзы, зеркала, призмы оптические, дифракционные решётки и т.д.
Свойства оптического излучения
Волновые свойства оптического излучения обусловливают явления дифракции света, интерференции света, поляризации света и др. В то же время ряд оптических явлений невозможно понять, не привлекая представления об оптическом излучении как о потоке быстрых частиц — фотонов. Эта двойственность природы. Оптическое излучение сближает его с иными объектами микромира и находит общее объяснение в квантовой механике. Скорость распространения оптического излучения в вакууме (скорость света) — около 3·108 м/с. В любой другой среде скорость оптического излучения меньше. Значение преломления показателя среды, определяемое отношением этих скоростей (в вакууме и среде), в общем случае неодинаково для разных длин волн оптического излучения, что приводит к дисперсии оптического излучения.
Применение: В сельскохозяйственном производстве инфракрасное излучение используют в основном для обогрева молодняка животных и птицы, сушки и дезинсекции сельскохозяйственных продуктов (зерна, фруктов и т. д.), пастеризации молока, сушки лакокрасочных и пропиточных покрытий
Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9·1014 — 3·1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380—200 нм) и дальний, или вакуумный (200-10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.
Свойства ультрафиолетового излучения
Высокая химическая активность, невидимое, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.
Коэффициент отражения всех материалов (в том числе металлов) уменьшается с уменьшением длины волны излучения.
Длина волны от 10 – 400 нм. Частота волн от 800*1012 — 3000*1013 Гц.
Применение ультрафиолетового излучения.
Лампа чёрного света — лампа, которая излучает преимущественно в длинноволновой ультрафиолетовой области спектра (диапазон UVA) и даёт крайне мало видимого света.
Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками, которые видны только в условиях ультрафиолетового освещения.
Обеззараживание ультрафиолетовым (УФ) излучением. Стерилизация воздуха и твёрдых поверхностей. Дезинфекция воды осуществляется способом хлорирования в сочетании, как правило, с озонированием или обеззараживанием ультрафиолетовым (УФ) излучением. Химический анализ, УФ-спектрометрия. УФ-спектрофотометрия основана на облучении вещества монохроматическим УФ-излучением, длина волны которого изменяется со временем. Вещество в разной степени поглощает УФ-излучение с разными длинами волн. График, по оси ординат которого отложено количество пропущенного или отраженного излучения, а по оси абсцисс — длина волны, образует спектр. Спектры уникальны для каждого вещества, на этом основывается идентификация отдельных веществ в смеси, а также их количественное измерение. Ловля насекомых. В медицине (обеззараживание помещения).
Гамма-излучение (гамма-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны < 5·10−3 нм и, вследствие этого слабо выраженными волновыми свойствами. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.
Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не отклоняются электрическими и магнитными полями, характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:
фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом, который становится ионизированным;
эффект образования пар — гамма-квант в поле ядра превращается в электрон и позитрон;
ядерный фотоэффект — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.
Гамма-дефектоскопия, контроль изделий просвечиванием γ-лучами.
Консервирование пищевых продуктов.
Стерилизация медицинских материалов и оборудования.
Гамма-высотомер, измерение расстояния до поверхности при приземлении спускаемых космических аппаратов.
Гамма-стерилизация специй, зерна, рыбы, мяса и других продуктов для увеличения срока хранения.
Воздействие электромагнитных излучений на человека
Воздействие электромагнитных полей (ЭМП) на человека зависит от интенсивности поля, длины волны, времени воздействия и функционального состояния организма.
От длины волны зависит глубина проникновения поля в живой организм. Длинноволновые ЭМП проникают глубоко в организм, подвергая воздействию спинной и головной мозг. ЭМП СВЧ диапазона свою энергию расходуют, в основном, в поверхностном слое кожи, приводя к тепловому воздействию. От этого больше всего страдают органы, не защищённые жировым слоем, бедные кровеносными сосудами (глаза, мозг, почки, желчный и мочевой пузырь, семенники). Избыточная теплота отводится из организма благодаря терморегуляции. Однако, начиная с определённой величины, называемой тепловым порогом, организм не справляется с отводом образующейся теплоты и температура тела повышается. При этом значение теплового порога тем ниже, чем выше частота ЭМП. Например, для волн дециметрового диапазона тепловой порог 40 мВт/см2, а для миллиметровых волн — 7 мВт/см2.
Постоянное воздействие ЭМП ведет к функциональным расстройствам нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем, у человека понижается кровяное давление, замедляется пульс, тормозятся рефлексы, изменяется состав крови. Тепловое воздействие может привести к перегреву тела и отдельных органов, нарушению их функциональной деятельности. ЭМП СВЧ диапазона приводят к тепловой катаракте (помутнение хрусталика глаза). Субъективно проявление воздействия ЭМП выражается в повышенной утомляемости, головной боли, раздражительности, одышке, сонливости, ухудшении зрения, повышении температуры тела.
Допустимые уровни воздействия ЭМП приведены в ГОСТ12.1.006-84 "Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля". ГОСТ12.1.006-84 устанавливает предельно допустимые значения плотности потока энергии электромагнитного поля.
Предельно допустимые значения плотности потока энергии электромагнитного поля составляют – 25мкВт/см2 в течение 8 часов, 100мкВт/см2 в течение 2 часов, при этом максимальное значение не должно превышать 1000мкВт/см2.
ЭМП с частотой от 60 кГц до 300 МГц нормируются отдельно по электрической и по магнитной составляющей, так как на этих частотах на человека действуют независимо друг от друга электрическое и магнитное поле. Для полей СВЧ диапазона (300 МГц — 300 ГГц) нормируют предельно-допустимую плотность потока энергии, которая не должна превышать 10 Вт/м2.
Если значения ЭМП на рабочих местах превышают допустимые, то необходимо предусмотреть соответствующие способы защиты человека.
Во времена СССР на военных заводах, в НИИ, КБ, люди связанные с высокочастотным излучением получали: 15% надбавку за вредность, сокращенный рабочий день, сокращение возраста выхода на пенсию.
Чувствительность организма к высокочастотному излучению начинается при уровнях много меньше теплового воздействия. Начиная порядка долей микроватт на сантиметр квадратный; до единиц милливатт продолжается фаза угнетения организма, далее наступает фаза стимуляции — улучшение под влиянием высокочастотного излучения общего состояния организма или чувствительности его отдельных органов, а на плотности более 10 мВт/см2 снова наступает фаза угнетения организма».
Сотовый телефон является источником неионизирующего излучения в диапазонах 900 и 1800 МГц.
По воздействию на организм человека высокочастотное излучение условно делится на два вида: