"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Биологическое действие электромагнитных волн — это изменения в живом организме, возникающие при поглощении энергии излучения. Результат зависит от частоты волны, её интенсивности, продолжительности воздействия и свойств тканей. Инфракрасное излучение главным образом нагревает, ультрафиолет вызывает фотохимические реакции, а рентгеновское и гамма-излучение может ионизировать атомы и повреждать клетки. Поэтому безопасность определяют дозой и защитой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биологическое действие электромагнитных волн — изменения в живых организмах, вызванные поглощением энергии электромагнитного излучения. Поглощённая энергия может перейти в тепло или изменить химические связи в молекулах. Это понятие нужно, чтобы описывать не только сам источник излучения, но и его результат для организма.
Тепловое действие излучения — нагрев тканей при поглощении ими энергии электромагнитных волн. Чем больше энергии передано частицам вещества, тем сильнее может повыситься температура участка тела. Понятие помогает объяснить, почему мощное инфракрасное или видимое излучение способно вызвать ожог.
Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с длиной волны короче видимого света, способное вызывать фотохимические изменения в тканях. Его энергия может запускать реакции в молекулах, а не только нагревать вещество. Это определение нужно для понимания одновременно полезного и вредного действия ультрафиолета.
Ионизирующее излучение — излучение, энергия которого достаточна для ионизации атомов и молекул вещества. Ионизация означает отрыв электрона от атома или молекулы с образованием иона. Термин используют, когда объясняют, почему рентгеновские и гамма-лучи могут повреждать клетки и наследственный материал.
Действие излучения определяется частотой, интенсивностью и тем, какая доля энергии поглощается тканями. Частота влияет на энергию отдельного фотона: чем она выше, тем сильнее возможное воздействие на молекулы. Интенсивность показывает, сколько энергии переносится за единицу времени, поэтому одинаковая частота при разной интенсивности может давать неодинаковый результат.
Инфракрасное излучение и интенсивный видимый свет при поглощении передают энергию частицам ткани. Частицы начинают двигаться быстрее, а внутренняя энергия вещества и его температура увеличиваются. Если тепло не успевает отводиться кровообращением и другими процессами, температура становится чрезмерной и возникает повреждение, например ожог.
Ультрафиолет действует главным образом через фотохимические реакции, потому что его фотоны энергичнее фотонов видимого света. Поглощение этой энергии изменяет молекулы и запускает цепочку реакций в клетках. В умеренной дозе такие реакции участвуют в образовании витамина D, но при избытке нарушают работу клеток кожи и чувствительных структур глаза.
Рентгеновские и гамма-волны имеют очень высокую частоту, поэтому их фотоны несут большую энергию. При поглощении фотон может выбить электрон из атома, а образовавшиеся ионы и активные частицы вступают в нежелательные химические реакции. Так повреждаются клеточные структуры и молекулы ДНК, что особенно опасно для быстро делящихся клеток.
Опасность определяется не только названием диапазона, но и полученной дозой. Доза увеличивается при длительном нахождении у источника и при большой интенсивности, а защитные материалы уменьшают поток энергии к телу. Поэтому используют сразу три принципа: сокращают время воздействия, увеличивают расстояние и устанавливают экраны между человеком и источником.
| Вид излучения | Основное действие на организм | Возможные последствия избытка | Меры защиты |
|---|---|---|---|
| Инфракрасное | Нагрев тканей при поглощении энергии | Перегрев и ожоги | Увеличить расстояние, сократить время, использовать теплоотражающий экран |
| Видимое интенсивное | Сильное освещение и нагрев поглощающих тканей | Повреждение глаз, перегрев кожи | Не смотреть на источник, применять защитные очки и экран |
| Ультрафиолетовое | Фотохимические изменения в коже и глазах | Ожоги, повреждение глаз и клеток кожи | Одежда, защитные очки, крем и сокращение времени воздействия |
| Рентгеновское и гамма-излучение | Ионизация атомов и молекул | Повреждение клеток и наследственного материала | Экранирование, увеличение расстояния, минимальное время облучения |
В таблице сначала определите диапазон излучения, затем сопоставьте его основной механизм с возможным последствием. Последний столбец показывает, какая мера уменьшает поглощённую организмом энергию. Для реальной оценки всегда учитывают не только вид излучения, но и его дозу.
Объясните, почему долгое пребывание рядом с мощным источником инфракрасного излучения может быть опасным. Источник действует непрерывно, поэтому ткань получает энергию всё время нахождения рядом. Нужно связать поглощение энергии с изменением температуры.
Ответ: опасность связана с перегревом тканей и возможным ожогом. Уменьшить риск можно сокращением времени воздействия, увеличением расстояния и применением экрана.
Сравните воздействие на организм умеренной и чрезмерной доз ультрафиолетового излучения. В обоих случаях излучение запускает фотохимические реакции, но их результат зависит от количества поглощённой энергии. Поэтому нужно сравнить не только действие, но и последствия превышения дозы.
Ответ: умеренный ультрафиолет может быть полезен, а избыток — вреден. Граница между эффектами определяется дозой, временем воздействия и степенью защиты.
Источник рентгеновского излучения работает неизменное время. Предложите, как уменьшить дозу облучения человека, не меняя источник. Поскольку время работы источника задано, нужно изменить условия нахождения человека. Используем основные принципы радиационной защиты.
Ответ: дозу уменьшают увеличением расстояния, экранированием и сокращением времени нахождения человека рядом с источником. Неизменное время работы источника не означает неизменную дозу для каждого человека.
Ошибка: считать любое электромагнитное излучение одинаково опасным. Так происходит, когда не учитывают частоту, интенсивность и поглощённую дозу. Проверьте себя: назовите механизм действия конкретного диапазона и условия его воздействия.
Ошибка: считать ультрафиолет безусловно полезным или безусловно вредным. Причина — перенос результата малой дозы на любое облучение. Проверьте ответ вопросом: как изменится эффект при увеличении дозы и времени воздействия?
Ошибка: отождествлять нагрев тканей с ионизацией. Нагрев означает увеличение внутренней энергии и температуры, а ионизация — появление ионов после отрыва электронов. Чтобы не ошибиться, сначала определите, идёт ли речь о температуре или об изменении состава молекул.
Ошибка: полагать, что защита нужна только от рентгеновских и гамма-лучей. Интенсивные волны других диапазонов тоже передают тканям значительную энергию и могут вызвать повреждение. Проверьте себя: оцените мощность источника, длительность воздействия и возможность экранирования.
Для понимания темы нужны знания о частоте и длине волны, а также о поглощении энергии веществом. Она связана со спектром электромагнитных волн, строением атома и взаимодействием излучения с веществом. Эти представления применяются при изучении медицинской диагностики, фотозащиты и правил радиационной безопасности.
Почему электромагнитные волны могут воздействовать на живые организмы?
Ткани организма поглощают энергию электромагнитных волн, и эта энергия изменяет движение частиц или вызывает химические реакции. Поэтому излучение может нагревать ткани, изменять молекулы и повреждать клетки.
Чем тепловое действие излучения отличается от ионизирующего?
Тепловое действие связано прежде всего с передачей энергии частицам вещества и повышением температуры тканей. Ионизирующее действие заключается в выбивании электронов из атомов и молекул, из-за чего возникают ионы и химические повреждения.
Почему ультрафиолет может быть одновременно полезным и вредным?
Небольшая доза ультрафиолета участвует в образовании витамина D и некоторых полезных фотохимических процессах. Избыток излучения повреждает клетки кожи и глаза, поэтому значение имеют доза и длительность воздействия.
Как рентгеновское излучение повреждает клетки?
Фотон рентгеновского излучения обладает большой энергией и может ионизировать атомы и молекулы вещества. Возникающие ионы и активные частицы нарушают химические процессы в клетке и могут повреждать наследственный материал.
Какие способы помогают уменьшить воздействие опасного излучения?
Нужно сократить время нахождения рядом с источником, увеличить расстояние до него и использовать подходящий защитный экран. Эти меры уменьшают дозу энергии, поглощённую организмом.
§ 37. Биологическое действие электромагнитных волн
