чем больше частота излучения тем меньше максимальная скорость
Предельная частота излучения
Из истории физики известно, что существование электромагнитных волн предсказал Д. Максвелл. По его же расчетам электромагнитные волны должны были распространяться в пустоте со скоростью света. Усилиями И.Риттера, Г.Герца, В.Рентгена и других ученых были открыты электромагнитные волны во всем диапазоне электромагнитного излучения от радиочастот до гамма излучения. Трудно выделить степень полезности того или иного излучения всего диапазона для нужд человека. Радиоволны (статья: «Никола Тесла» [1]), инфракрасный, красный, несомненно видимый диапазон электромагнитного излучения и далее по списку до γ-излучения. По поводу γ-излучения приведу один интересный факт. Цитата: «К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 10 20 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 10 21 –10 24 эВ» [2].
Я усомнился в справедливости сказанного по поводу беспредельности электромагнитного излучения, т.к. в природе все конечно и имеет свои размеры и границы.
Возникает вопрос: где заканчивается диапазон электромагнитного излучения и существует ли предел частоты электромагнитного излучения? Или не существует этого предела.
Попробуем вычислить максимальную частоту излучения вещества в природе. Попутно еще раз проверим значение максимальной температуры (Θmax=4,392365·10 12 К). Для этого воспользуемся данными, полученными экспериментальной физикой. Известно, что желтый свет излучается при температуре равной около 3000 К с частотой 5·10 14 Гц. Сопоставим эту температуру с максимальной и из пропорции найдем предельную частоту излучения. Перед расчетом сделаем оговорку, что не будем обращать внимание на «ультрафиолетовую катастрофу»[1] [4], предположив, что частота излучения линейно растет от повышения температуры, также как уменьшается длина волны.
Отсюда, максимальная частота излучения вещества в природе равна:
Частота излучения определяется скоростью атомных переходов. В природе меньше атома нет источника генерации. Частота генерации определяется шириной спектральных линий. На каждый переход, из нормального состояния в возбужденное и обратно, требуется определенное время. Это явление описано в статье: «Эффект Мёссбауэра и сужение линий» [6]. В данном контексте можно сказать, что частота переходов не может иметь бесконечную величину. В природе все конечно! Критическая частота излучения определяется конечностью размеров осциллятора-генератора, в данном случае – размерами атомов и размерами их ядер.
Радиус ядра определяется формулой
А – массовое число ядра
Максимальную температуру достичь невозможно, также как максимальную частоту излучения! Однако, некоторые авторы, в некоторых печатных источниках, говорят о температуре лазерного шнура в десятки триллионов градусов. Возможно ли это? Я думаю, что это ошибки в расчетах.
Как невозможно любой механической системе достичь скорости света, также невозможно достичь максимальной температуры!
Есть ли верхний предел у электромагнитного спектра
Самое мощное излучение генерируется огромными астрофизическими объектами, но до нас доходят сильно ослабленные фотоны. Ученые пока не знают, насколько мощными может быть природное излучение — на этот вопрос только предстоит ответить
Исторически сложилось так, что все частицы с частотами более 10 19 герц (или с энергией более 50 000 электрон-вольт) называются гамма-лучами. В теории нет жесткого предела энергии, которую может иметь гамма-луч. Однако на практике есть целый ряд фактов, которые необходимо принимать во внимание, включая как астрофизические источники излучения, так и фундаментальные физические эксперименты.
Однако для начала давайте обратимся к вопросу о наиболее высокоэнергетических гамма-лучах, обнаруженных до сих пор. Излучение с такими энергиями регистрируются при помощи наземных приборов и исходят от огромных астрофизических объектов. Примером таких источников является пара активных галактик и Крабовидная туманность: оттуда к Земле приходят волны с энергиями до 10 27 Гц (5•10 12 эВ).
Помимо этих отдельных источников, существует также мощное диффузное гамма-излучение — наиболее мощные волны имели частоту 10 24 Гц (10 9 эВ), но ожидается, что этот вид лучей может иметь частоту до 10 30 Гц (10 15 эВ). Измерять волны таких высоких энергий крайне трудно, так как фотоны такого диапазона очень редки и физикам приходится просеивать огромный массив данных, чтобы попытаться найти нужный сигнал.
Возможно, никогда не узнаем, насколько высокоэнергетичными могут быть гамма-лучи в природе. Этот вид излучения доходит до наших телескопов, но перед этим проходит через пространство, частично рассеиваясь на частицах пыли и интерферируя с другими волнами. Поэтому даже фотоны самых высоких энергий рискуют потерять значительную часть своей интенсивности в пути до Земли. Кроме того, многие источники могут производить очень высокоэнергетические гамма-лучи, которые затем поглощаются его же атомами и переизлучаются в пространство.
В результате при самых экстремальных энергиях мы будем видеть только те гамма-лучи, которые генерируются относительно близкими источниками. Тем не менее, из наблюдаемого распределения энергий гамма-лучей мы знаем, что должны быть в состоянии обнаружить волны с более высокими энергиями, чем известно на данный момент. В настоящее время разрабатывается ряд проектов, которые будут собирать гамма-лучи сверхвысокой энергии из космических источников. Только такие эксперименты позволят нам установить верхний предел электромагнитного спектра, если он существует.
Читайте главные новости дня на ленте «Популярной механики» в Telegram
Чем выше частота, тем короче волна.
Теоретические основы радиосвязи
Общие сведения о теории радиосвязи
Излучение Emanation or Radiation
– это создание радиопередающей станцией потока энергии в форме радиоволн
Радиоволны Radiowaves
– это электромагнитные колебания, которые распространяются в пространстве со скоростью света
(скорость света С = 300 000 км/сек)
Амплитуда радиоволны (а) Amplitude
– это максимальное отклонения волны от среднего значения при колебательном процессе
Фаза радиоволны Phase
– это состояние колебательного процесса в каждый момент времени
Период радиоволны (Т) Period or Oscillation
– это время одного полного колебательного движения
Длина радиоволны (λ) Wavelength
– это расстояние между соседними гребнями волны
Частота радиоволны (f) Frequency
– это количество колебаний (полных периодов) в секунду
Frequency is number of oscillations per second
(измеряется герцах Гц (Hz) 1Гц=1 колебание в 1 секунду)
Взаимная зависимость частоты и длины волны:
Длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу.
Чем длиннее волна, тем ниже частота.
Чем выше частота, тем короче волна.
λ = С/f λ (метры) = 300/f
f = С/λ f (МГц) = 300/ λ
Несущая частота
– это частота настройки радиопередатчика; она является характерной частотой, которую можно легко опознать радиоприемником, настроенном на эту частоту
Модуляция
– это изменение параметров высокочастотного несущего колебания (радиоволны).
Модуляция осуществляется изменением высокочастотной несущей частоты.
Амплитудная Модуляция (АМ)
— используется вПВ/КВ MF/HF
Частотная Модуляция (ЧМ)
— используется вУКВ VHF
Дата добавления: 2019-04-03 ; просмотров: 981 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Раздел 4. Безопасность труда
Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева, О.С. Шорина, Н.Д. Эриашвили, Ю.Г. Юровицкий, В.А. Яковлев
Экология и безопасность жизнедеятельности
Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. — 447 с.
Раздел 4. Безопасность труда
Глава 19. Защита от ионизирующих излучений
19.1. Основные характеристики ионизирующих излучений
Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.
Существуют два вида ионизирующих излучений:
— корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета[19]-излучение и нейтронное излучение);
— электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.
Рассмотрим основные характеристики указанных излучений. Альфа(а)-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона.
Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ[20]. Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с.
Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.
Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.
Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела
2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.
Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см 2 • с).
Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны[21]. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение.
Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.
Энергия γ-излучения определяется следующей формулой:
, (19.2)
v – частота кванта электромагнитной энергии, гц;
с – скорость света (с ≈ 3,00 10 8 м/с);
Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.
Рассмотрим основные показатели и единицы измерения, применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже сказано выше, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:
А = 
. (19.3)
Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 10 10 ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. Гораздо реже используется единица активности беккерель (Бк)
Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме dm:
. (19.4)
Поглощенная доза является основной дозиметрической величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг[22].
До недавнего времени за количественную характеристику только рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии, принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме, т. е.
. (19.5)
Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг)[23].
Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:
(19.6)
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт[24] (Зв). В табл. 19.1 представлены сведения о величинах коэффициента Q.
Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения – мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы ( Х или W, Кл/кг-с) составит:
(19.7)
Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.
Биологическое действие рассмотренных излучений на организм человека различно.
Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций, которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.
Под действием бета-излучений происходит радиолиз (разложение) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н2О2, заряженных частиц (ионов) ОН — и НО
. Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.
Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими ионизирующими излучениями.
Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ (молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели[25], в результате чего происходит поражение организма в целом.
Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы. Источники внешнего излучения – космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.
Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.
При работе с радиоактивными веществами значительному облучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизирующих излучений развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук. Хроническое поражение характеризуется сухостью кожи, появлением на ней трещин, изъязвлением и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возникают отеки, омертвление тканей, язвы, на месте образования которых возможно развитие злокачественных опухолей.
Под влиянием ионизирующих излучений у человека возникает лучевая болезнь. Различают три степени ее: первая (легкая), вторая и третья (тяжелая).
Симптомами лучевой болезни первой степени являются слабость, головные боли, нарушение сна и аппетита, которые усиливаются на второй стадии заболевания, но к ним дополнительно присоединяются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, изменяется обмен веществ и состав крови, происходит расстройство пищеварительных органов. На третьей стадии болезни наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и заболеваний кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяжелой) форме развивается в результате облучения организма большими дозами ионизирующих излучений за короткий промежуток времени. Опасно воздействие на организм человека и малых доз радиации, так как при этом могут произойти нарушение наследственной информации человеческого организма, возникнуть мутации[26].
В настоящее время разработан ряд химических препаратов (протекторов), существенно снижающих негативный эффект воздействия ионизирующего излучения на организм человека.
В России предельно допустимые уровни ионизирующего облучения и принципы радиационной безопасности регламентируются «Нормами радиационной безопасности» НРБ-76, «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений» ОСП72-80. В соответствии с этими нормативными документами нормы облучения установлены для следующих трех категорий лиц:
— категория А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующих излучений;
— категория Б – ограниченная часть населения, которая по условиям размещения рабочих мест или по условиям проживания может подвергаться воздействию источников излучения;
— категория В – население страны, республики, края и области.
Для лиц категории А основным дозовым пределом является индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год (Зв/год) в зависимости от радиочувствительности органов (критические органы). Это предельно допустимая доза (ПДД) – наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.
Для персонала категории А индивидуальная эквивалентная доза (Н, Зв), накопленная в критическом органе за время Т (лет) с начала профессиональной работы, не должна превышать значения, определяемого по формуле: Н == ПДД · Т.
Кроме того, доза, накопленная к 30 годам, не должна превышать 12 ПДД.
Для категории Б установлен предел дозы за год (ПД, Зв/год), под которым понимают наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами В табл. 19.2 приведены основные дозовые пределы внешнего и внутреннего облучений в зависимости от радиочувствительности органов.
[19] В литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих греческих букв – а-частицы и β-частицы.
[20] МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной физике. 1МэВ = 106 эВ (электрон-вольт). Для перевода значений энергии излучения в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10-19 Дж; 1 МэВ = 1,60206 • 10-13 Дж.
[21] Начиная от длины волны 2-10-2 нм в сторону коротких длин волн расположены гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов. Таким образом, электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в зависимости от источника.
[22] Ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд). Он соответствовал поглощению в среднем 100 эрг.
[23] Внесистемной единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (р) – доза излучения, при которой суммарный заряд положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1,293 • 10-6 кг воздуха, равен 0,33 • 10-9 кулонов. Это соответствует образованию 2,08 • 109 пар одновалентных ионов в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К, Р = 1,01325 • 105 Па) и связано с затратой энергии около 87 • 10-7 Дж/кг; 1P = 2,58 • 10-4 Кл/кг = 0,88 рад.
[24] Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.
[25] Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.
[26] Мутация – резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные признаки.