Коли довжина має значення: чому одні фотони вбивають, а інші ні

Радіохвилі, світло від лампочки в стелі, невидимі промені в кабінеті рентгенолога і таємнича смертельна радіація в зонах відчуження - все це лише різні прояви одного і того ж фізичного явища: електромагнітного випромінювання. Розібратися, де що, не так вже й складно. Достатньо лише пов'язати властивості випромінювання з довжиною хвилі.

Майже в кожному шкільному кабінеті фізики висіла різнокольорова діаграма з картинками, яка гордо називалася «Спектр електромагнітного випромінювання». Умовна синусоїда починалася зліва, з радіохвиль. Відстань між сусідніми «горбами» в цій частині була найбільшою. Частота коливань є зворотною довжиною хвилі величиною. Якщо довжина хвилі є відстань між двома «горбами» хвилі, то час, за який вона проходить цю відстань, визначається як відстань, поділена на швидкість. Час же є одиниця, поділена на частоту. До правого кінця діаграми хвиля «стискалася», подібно пружині:довжина хвилі зменшувалася, а частота збільшувалася. У лівій частині діаграми розташовувалися якісь «гамма-промені».

Не займайтеся самолікуванням! У наших статтях ми збираємо останні наукові дані і думки авторитетних експертів у сфері здоров'я. Але пам'ятайте: поставити діагноз і призначити лікування може тільки лікар.

Спектр електромагнітного випромінювання

Чому одні хвилі коротші або довші за інших? Причина в джерелі цих хвиль - коливається електричному заряді. Чим швидше коливається заряд, тим менше довжина електромагнітного випромінювання. Якби електромагнітне поле було водою в озері, а заряд - рибальським поплавком, то кола на воді умовно зобразили б електромагнітні хвилі. Чим швидше смикається поплавок, тим частіше відходять від нього водні кола - коливання, і менша відстань між ними - довжина хвилі.

Радіохвилі породжуються коливаннями в провідниках з струмом, видиме світло - переходами електронів всередині атома, рентгенівські і гамма-промені виникають, коли заряди рухаються в електричному полі атомного ядра, або через процеси в самому ядрі. Якщо говорити грубо, то, чим менше «масштаб» взаємодії, тим коротша електромагнітна хвиля.

Хвилі або фотони?

Фізики називають фотони переносниками електромагнітної взаємодії. Частинками. Варто тільки звикнути до цієї думки і намалювати в уяві надзвичайно швидкі «кульки», як ті ж фізики починають стверджувати, що взаємодія між зарядами здійснюється через коливання електромагнітного поля - хвилі. Вчені не збожеволіли, а ось фотони «роздвоєнням особистості» страждають, виявляючи то хвильові властивості, то властивості частинки.

Яку «особистість» приміряє на себе фотон залежить від об'єктів, з якими він взаємодіє. Довжина хвилі радіосигналу вимірюється кілометрами. На його шляху виникають будинки, ліхтарні стовпи, люди - об'єкти, набагато менші, ніж довжина хвилі. Отже, випромінювання буде огинати їх або відхилятися від початкового напрямку при «зустрічі», тобто проявляти хвильові властивості, подібно велетню, який величезним кроком переступає ціле місто. Видиме світло має довжину хвилі таку, що може «врізатися» в атомний електрон лоб-в-лоб і виштовхнути його з атома. У цьому випадку він поводиться як частинка або більярдна куля, що вдарилася об іншу кулю.

Чим менше довжина хвилі випромінювання, тим менше в світі залишається перешкод, які хвиля може «обійти», а значить, хочеш-не хочеш, взаємодіяти доведеться. Рентгенівське і гамма-випромінювання настільки короткохвильові, що все в світі, навіть крихітні електрони - серйозна перешкода для них, як паркан для мухи. Правда, до «забору» у вигляді атомного електрону або ядра фотони можуть довго летіти через речовину.

Переважна частина атома - це порожнеча. Величезна рівнина з рідкісними парканами: по одному на кожен гектар. Коли довжина хвилі випромінювання менше відстані між електронами і ядром, фотон немов «протискується» крізь атом. Чим менше при цьому щільність речовини, тим менше ймовірність потрапляння хвилі/фотона в атом. За цим принципом працює рентгенівська діагностика: більш щільні кістки затримують рентгенівські промені сильніше. Але частина фотонів пролітає все тіло і малює знайомі знімки.

Короткохвильове випромінювання небезпечне не тільки через те, що проникає куди завгодно, в тому числі, в людські тканини. Справа в тому, що частота випромінювання прямо пропорційна його енергії. Цей зв'язок виводиться в квантовій теорії. Енергією визначається кількість взаємодій з атомами речовини - скільки з них фотон може «зіпсувати» або іонізувати на своєму шляху, поки знесилений не впаде після зіткнення з останнім «парканом».

Іонізація речовини означає його знищення. Руйнуються атоми, потім молекули, а слідом за ними і клітини. «Радіація» в знайомому сенсі цього слова буквально спалює тіло зсередини. До того ж випромінювання може проникнути всередину клітин і пошкодити молекули ДНК. У цьому випадку потомство опроміненої людини буде під загрозою мутацій.

Коли енергія випромінювання досягає тієї, що напрацьовується в прискорювачах, фотони, проникаючи в тканини тіла, множаться в геометричній прогресії. В електричному полі ядра вони перетворюються на пари частинок електрон-позитрон, які відразу ж аннігілюють - зникають, залишаючи після себе пару фотонів. Енергії новонароджених фотонів вистачає, щоб знову створити електрон-позитронні пари. Починається лавиноподібний процес.

Резюме

Світло, радіохвилі, рентген, інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання - одне і те ж з точки зору фізики. Чим менше довжина хвилі, тим більша проникаюча здатність у хвиль/фотонів. Енергія випромінювання збільшується зі зменшенням довжини хвилі, а значить, короткохвильове випромінювання шкодить людям більше, ніж довгохвильове. Спосіб взаємодії випромінювання з речовиною залежить від її енергії (довжини хвилі і частоти). Чим більше енергія, тим руйнівніше для речовини процес взаємодії.