Какие лучи являются основным источником тепловой энергии

Тепловое излучение, виды, свойства и принцип работы

Тепловое излучение — это процесс, при котором энергия передается от горячего тела к окружающей среде в виде электромагнитного излучения. Это излучение состоит из инфракрасных лучей, которые не могут быть видимы для человеческого глаза.

Тепловое излучение происходит из-за колебаний атомов и молекул внутри тела, которые сталкиваются друг с другом и передают свою энергию в форме тепла. Когда тело нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом, что приводит к выделению энергии. Эта энергия затем переходит в тепловое излучение.

Полезные статьи:

Инфракрасные камеры, виды, принцип работы

Солнечный свет, свойства

Все статьи

Интенсивность теплового излучения зависит от температуры тела и его размеров. Чем горячее тело, тем больше энергии оно излучает. Кроме того, размер тела также влияет на интенсивность излучения, так как чем больше тело, тем большее количество молекул может передавать свою энергию.

Открытие теплового излучения

Открытие было сделано в 1800 году английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Он обнаружил, что когда тело нагревается, то испускает излучение в виде электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве. Это явление называется тепловым излучением, или инфракрасным излучением.

Максвелл также разработал математическую модель, которая описывает, как тепловое излучение распространяется в пространстве. Эта модель стала основой для разработки инфракрасных датчиков и систем мониторинга температуры.

Открытие теплового излучения стало важным шагом в развитии физики и техники, поскольку оно позволило ученым и инженерам лучше понимать, как работают различные системы и устройства.

Виды теплового излучения

Тепловое излучение — это процесс передачи энергии от горячих тел к холодным. Существует несколько видов теплового излучения:

1. Инфракрасное излучение — это вид теплового излучения, которое находится в диапазоне длин волн от 0,74 до 1000 микрон. Оно невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено с помощью специальных приборов.

2. Видимое излучение — которое мы видим как свет. Оно находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.

3. Ультрафиолетовое излучение — с длиной волны менее 200 нанометров, которое может быть опасным для здоровья человека и вызывать различные заболевания кожи.

4. Радиационное излучение — возникает при ядерных реакциях и может быть использовано в медицине для лечения различных заболеваний.

5. Лазерное излучение — это когерентное излучение света с высокой интенсивностью и длиной волны. Оно может использоваться в различных областях, включая медицину, науку и промышленность.

Принцип работы теплового излучения

Это процесс передачи тепла от более горячих объектов к более холодным. Принцип работы теплового излучения заключается в том, что энергия, которая была поглощена объектом, излучается им в виде электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне.

Когда объект нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и сталкиваются друг с другом, передавая энергию. Эта энергия может быть передана другим молекулам, которые затем также начинают двигаться быстрее, и так далее. В результате объект начинает излучать тепло в виде инфракрасных волн.

Инфракрасные волны имеют длину волны, которая находится в диапазоне от 0,74 мкм до 1000 мкм. Они имеют низкую энергию и не могут проникать через твердые материалы, такие как стекло или металл. Однако они могут проходить через газы и жидкости, а также через некоторые материалы, такие как пластик или дерево.

Спектр теплового излучения

Можно выделить три основных участка:

1. Инфракрасный участок (от 3 до 5 мкм) — этот участок спектра содержит наибольшую долю энергии и отвечает за тепловое излучение объектов, нагретых до высоких температур.

2. Видимый участок (от 0,4 до 0,7 мкм) — тут энергия излучения меньше, чем на инфракрасном участке, но он все еще может быть заметен для человеческого глаза.

3. Ультрафиолетовый участок (менее 0,3 мкм) — является наиболее коротким из всех участков спектра, и его энергия очень мала. Тем не менее, оно может быть опасным для здоровья человека, если не использовать защитные очки или другие средства защиты.

Каждый участок спектра имеет свои особенности и используется для разных целей. Например, инфракрасное излучение используется в термографии для измерения температуры объектов, а видимое излучение используется в фотокамерах для получения изображений.

Источники теплового излучения

Это объекты, которые излучают тепловую энергию в окружающую среду. Примеры таких источников включают:

1. Солнце. Является одним из крупнейших источников тепловой энергии на Земле, излучая тепло в космос через свою фотосферу.

2. Геологические образования. Например, такие как вулканы, горячие источники и лавовые поля, могут являться источниками тепловой энергии.

3. Химические реакции. Могут приводить к выделению тепла, которое может быть использовано для нагрева окружающей среды.

4. Тепловое оборудование: Например, такие как печи, котлы, нагреватели, могут излучать тепло в окружающую среду.

5. Живые организмы: Например, такие как растения, животные и люди, выделяют тепло в процессе метаболизма.

Применение теплового излучения

Использовано для различных целей, включая:

1. Обогрев зданий и сооружений. Используется для обогрева любых помещений, что позволяет снизить затраты на отопление и увеличить комфорт для людей, находящихся внутри помещений.

2. Обогрев воды и пара. Также применяется для нагрева воды и пара, что необходимо в различных промышленных процессах, таких как производство стали, цемента и других материалов.

3. Обогрев теплиц и оранжерей. тепловое излучение позволяет выращивать растения в условиях, когда температура окружающей среды не достигает оптимальных значений.

4. Обогрев животных. Может использоваться для обогрева животных, что способствует улучшению их здоровья и повышению производительности.

5. Охлаждение помещений. Используется для охлаждения помещений, что особенно актуально в жаркую погоду.

6. Охлаждение продуктов. Применяется для охлаждения различных видов еды, что позволяет сохранить их свежесть и качество.

7. Солнечные коллекторы. Используется для производства электроэнергии, что является одним из способов получения энергии из возобновляемых источников.

8. Обогрев космических аппаратов. Применяется для поддержания комфортной температуры внутри космических кораблей и станций.

9. Обогрев и охлаждение электронных компонентов. Играет важную роль в работе электронных компонентов, используемых в различных устройствах, таких как компьютеры, мобильные телефоны и другие электронные устройства.

10. Медицинское оборудование. Часто используется в медицинском оборудовании, таком как инфракрасные термометры и тепловые лампы, для измерения температуры тела и лечения заболеваний.

11. Авиация. Играет важную роль в авиации, так как оно используется для создания тепловой защиты самолетов от перегрева в условиях высоких температур

В целом, тепловое излучение находит широкое применение в различных областях, от обогрева зданий до производства электроэнергии и работы электронных компонентов.

Тепловое излучение: основные принципы и применение

Статья рассматривает основные аспекты теплового излучения, включая его определение, законы, спектральную плотность, зависимость от температуры, а также роль абсорбции и отражения в тепловом излучении, а также области применения теплового излучения в технике и науке.

Тепловое излучение: основные принципы и применение обновлено: 3 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по тепловому излучению! Сегодня мы будем изучать основные понятия и законы, связанные с этим явлением. Тепловое излучение – это процесс, при котором тела испускают энергию в виде электромагнитных волн. Оно играет важную роль во многих областях науки и техники, от термодинамики до астрономии.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение теплового излучения

Тепловое излучение – это процесс передачи энергии в виде электромагнитных волн от нагретого тела к окружающей среде или другим телам. Это явление происходит вследствие того, что все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, когда их атомы и молекулы колеблются и переходят в возбужденное состояние.

Тепловое излучение является одним из основных способов передачи тепла и энергии в природе. Оно может происходить в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитного спектра.

Тепловое излучение имеет ряд особенностей. Во-первых, оно распространяется в вакууме и не требует среды для передачи. Во-вторых, интенсивность излучения зависит от температуры и поверхностных свойств тела. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. В-третьих, тепловое излучение может быть поглощено или отражено другими телами, в зависимости от их свойств и состояния поверхности.

Тепловое излучение имеет широкий спектр применений в различных областях, включая технику, науку и медицину. Оно используется для обогрева, освещения, диагностики и терапии, а также в процессах промышленного производства и исследованиях.

Законы теплового излучения

Тепловое излучение подчиняется нескольким законам, которые описывают его свойства и характеристики. Вот некоторые из основных законов теплового излучения:

Закон Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между интенсивностью излучения и температурой нагретого тела. Согласно этому закону, интенсивность излучения (I) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (T) тела:

где σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон показывает, что с увеличением температуры тела, его излучение становится значительно интенсивнее.

Закон Вина

Закон Вина устанавливает зависимость между температурой нагретого тела и длиной волны, на которой достигается максимальная интенсивность излучения. Согласно этому закону, максимальная интенсивность излучения (λ_max) обратно пропорциональна температуре (T) тела:

где b – постоянная Вина.

Этот закон показывает, что с увеличением температуры тела, длина волны, на которой достигается максимальная интенсивность излучения, смещается в сторону более коротких волн (в сторону синего и фиолетового цветов).

Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа устанавливает связь между спектральной плотностью излучения (энергией, излучаемой в единицу времени и площади в определенном диапазоне длин волн) и спектральной плотностью поглощения (энергией, поглощаемой в единицу времени и площади в определенном диапазоне длин волн) тела. Согласно этому закону, отношение спектральной плотности излучения к спектральной плотности поглощения для любой длины волны и любого тела является функцией только этой длины волны и температуры тела:

где ε(λ, T) – спектральная плотность излучения, α(λ, T) – спектральная плотность поглощения.

Этот закон показывает, что тело, которое хорошо поглощает излучение на определенной длине волны, также будет хорошо излучать на этой же длине волны.

Эти законы теплового излучения играют важную роль в понимании и описании процессов излучения и поглощения энергии телами различных температур.

Спектральная плотность излучения

Спектральная плотность излучения – это характеристика теплового излучения, которая описывает распределение энергии излучения по различным длинам волн. Она показывает, сколько энергии излучается в определенном диапазоне длин волн.

Спектральная плотность излучения и цвет

Спектральная плотность излучения связана с цветом излучения. Различные длины волн соответствуют различным цветам. Например, длины волн в диапазоне от 400 до 700 нанометров соответствуют видимому спектру цветов от фиолетового до красного. Спектральная плотность излучения позволяет определить, какая часть излучения приходится на каждый цвет.

График спектральной плотности излучения

Спектральная плотность излучения может быть представлена в виде графика, где по оси X откладывается длина волны, а по оси Y – интенсивность излучения. График может иметь различную форму в зависимости от источника излучения и его температуры.

Например, для абсолютно черного тела, которое поглощает все падающее на него излучение, график спектральной плотности излучения будет иметь форму известной кривой Планка. Эта кривая имеет пик интенсивности излучения на определенной длине волны, которая зависит от температуры тела.

Для других источников излучения, таких как нагретые тела или газы, график спектральной плотности излучения может иметь более сложную форму с несколькими пиками интенсивности на различных длинах волн.

Использование спектральной плотности излучения

Спектральная плотность излучения имеет широкое применение в различных областях, включая физику, астрономию, оптику и технику. Она позволяет анализировать и понимать свойства излучения, определять его состав и характеристики.

Например, спектральная плотность излучения используется для определения состава звезд и галактик, изучения свойств материалов, разработки оптических приборов и систем, а также в технологиях, связанных с использованием теплового излучения, таких как инфракрасная термография и лазеры.

Таким образом, спектральная плотность излучения является важным инструментом для изучения и понимания теплового излучения и его применений в различных областях науки и техники.

Зависимость интенсивности излучения от температуры

Зависимость интенсивности излучения от температуры описывает, как изменяется количество энергии, излучаемой телом, при изменении его температуры. Эта зависимость описывается законом Стефана-Больцмана.

Закон Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана устанавливает, что интенсивность излучения тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Формула закона выглядит следующим образом:

где I – интенсивность излучения, σ – постоянная Стефана-Больцмана, T – абсолютная температура тела.

Интерпретация закона Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана говорит нам, что с увеличением температуры тела, его интенсивность излучения также увеличивается. Более горячие тела излучают больше энергии и имеют более высокую интенсивность излучения.

Закон Стефана-Больцмана также позволяет сравнивать интенсивность излучения различных тел при разных температурах. Если у нас есть два тела с разными температурами, мы можем использовать закон Стефана-Больцмана, чтобы определить, какое из них излучает больше энергии.

Применение закона Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана имеет широкое применение в различных областях науки и техники. Он используется для изучения свойств звезд и планет, астрономических объектов и космического излучения.

Также закон Стефана-Больцмана применяется в технике, например, в разработке и проектировании тепловых источников, солнечных панелей, термоэлектрических устройств и других систем, связанных с использованием теплового излучения.

Таким образом, закон Стефана-Больцмана позволяет нам понять и описать зависимость интенсивности излучения от температуры и применять этот закон в различных областях науки и техники.

Абсорбция и отражение теплового излучения

Абсорбция и отражение теплового излучения – это два основных процесса, которые происходят при взаимодействии теплового излучения с поверхностями тел.

Абсорбция теплового излучения

Абсорбция теплового излучения – это процесс поглощения энергии теплового излучения поверхностью тела. Когда тепловое излучение попадает на поверхность, часть его энергии может быть поглощена поверхностью, а часть может быть отражена или прошедшая через тело.

Степень абсорбции теплового излучения зависит от свойств поверхности тела. Некоторые поверхности могут быть хорошими абсорберами, поглощая большую часть теплового излучения, в то время как другие поверхности могут быть хорошими отражателями, отражая большую часть излучения.

Абсорбция теплового излучения играет важную роль в различных приложениях, таких как солнечные панели, тепловые коллекторы и теплообменники. В этих системах поверхности специально разработаны для максимальной абсорбции теплового излучения, чтобы эффективно преобразовывать его в тепловую энергию.

Отражение теплового излучения

Отражение теплового излучения – это процесс отражения энергии теплового излучения поверхностью тела. Когда тепловое излучение попадает на поверхность, часть его энергии может быть отражена обратно в окружающую среду, а часть может быть поглощена или прошедшая через тело.

Степень отражения теплового излучения также зависит от свойств поверхности тела. Некоторые поверхности могут быть хорошими отражателями, отражая большую часть теплового излучения, в то время как другие поверхности могут быть хорошими абсорберами, поглощая большую часть излучения.

Отражение теплового излучения также имеет практическое применение. Например, отражающие покрытия используются для защиты от солнечного тепла, чтобы отразить большую часть теплового излучения и предотвратить его поглощение поверхностью.

Важно отметить, что абсорбция и отражение теплового излучения могут быть взаимосвязаны. Некоторые поверхности могут быть хорошими абсорберами в определенном диапазоне длин волн, но хорошими отражателями в другом диапазоне. Это связано с зависимостью абсорбции и отражения от спектральных свойств поверхности.

Таким образом, абсорбция и отражение теплового излучения являются важными процессами, которые определяют взаимодействие теплового излучения с поверхностями тел. Понимание этих процессов позволяет разрабатывать и оптимизировать различные системы, связанные с использованием теплового излучения.

Применение теплового излучения в технике и науке

Тепловое излучение имеет широкий спектр применений в различных областях техники и науки. Вот некоторые из них:

Тепловизионные камеры

Тепловизионные камеры используются для обнаружения и измерения теплового излучения. Они позволяют видеть тепловые образы объектов и определять их температуру. Такие камеры широко применяются в области безопасности, медицины, строительства и других отраслях.

Измерение температуры

Тепловое излучение используется для измерения температуры объектов. Термопары и пирометры основаны на принципе измерения интенсивности теплового излучения, которая зависит от температуры объекта. Это позволяет измерять температуру в широком диапазоне от очень низких до очень высоких значений.

Солнечные панели

Солнечные панели используют тепловое излучение Солнца для преобразования его в электрическую энергию. Фотоэлектрические ячейки в солнечных панелях поглощают световое излучение и преобразуют его в электрический ток. Тепловое излучение играет важную роль в процессе генерации электроэнергии из солнечного света.

Тепловые коллекторы

Тепловые коллекторы используются для сбора и использования теплового излучения для нагрева воды или других сред. Они обычно состоят из черных поверхностей, которые хорошо поглощают тепловое излучение и передают его среде, которая нагревается. Такие системы широко применяются для обогрева домов, бассейнов и других объектов.

Тепловая обработка материалов

Тепловое излучение используется для тепловой обработки материалов. Нагревание материалов с помощью теплового излучения может изменять их структуру и свойства. Это применяется в различных процессах, таких как пайка, сварка, отжиг и закалка металлов.

Медицинская диагностика

Тепловое излучение используется в медицинской диагностике для обнаружения и измерения изменений температуры в теле человека. Термография позволяет визуализировать тепловые образы тела и выявлять патологические изменения, такие как воспаление или опухоль.

Это лишь некоторые примеры применения теплового излучения в технике и науке. Тепловое излучение имеет широкий спектр применений и продолжает находить новые области применения в различных отраслях.

Таблица сравнения теплового излучения

Свойство	Определение	Пример
Тепловое излучение	Это процесс излучения энергии в виде электромагнитных волн, вызванный тепловым движением частиц.	Когда нагреваем кусок металла, он начинает излучать тепловое излучение.
Законы теплового излучения	Существуют три закона, описывающих характеристики теплового излучения: закон Стефана-Больцмана, закон Вина и закон Кирхгофа.	Закон Стефана-Больцмана устанавливает, что интенсивность излучения тела пропорциональна четвертой степени его температуры.
Спектральная плотность излучения	Это распределение интенсивности излучения по различным длинам волн.	Солнечное излучение имеет спектральную плотность, которая достигает максимума в видимой области спектра.
Зависимость от температуры	Интенсивность теплового излучения зависит от температуры излучающего тела.	Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.
Абсорбция и отражение	Тепловое излучение может быть поглощено или отражено поверхностями тел.	Темные поверхности обычно лучше поглощают тепловое излучение, в то время как светлые поверхности лучше отражают его.
Применение	Тепловое излучение имеет широкий спектр применений, включая тепловизионные камеры, солнечные панели и лазеры.	Тепловое излучение используется для обнаружения тепловых утечек в зданиях и в медицинской диагностике.

Заключение

Тепловое излучение – это процесс излучения энергии в виде электромагнитных волн, который происходит из-за теплового движения атомов и молекул. Оно играет важную роль во многих областях науки и техники.

Законы теплового излучения позволяют нам понять, как меняется интенсивность излучения в зависимости от температуры и спектрального состава. Спектральная плотность излучения позволяет нам анализировать распределение энергии по различным длинам волн.

Абсорбция и отражение теплового излучения имеют большое значение в различных технических приложениях, таких как солнечные панели и тепловизоры.

Тепловое излучение является важным физическим явлением, которое помогает нам понять и объяснить множество процессов в природе и технике.

Тепловое излучение: основные принципы и применение обновлено: 3 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Тепловое излучение — механизм возникновения, характеристики и законы

Взаимодействие между собой заряженных веществ приводит к появлению электромагнитного поля. В свою очередь, оно вызывает ряд возмущений в пространстве. Одно из них — тепловое излучение. Происходит оно за счёт внутренней энергии тел, которой обладает любой нагретый физический объект. Причиной же этому является природная особенность устройства атомов и молекул.

Общие сведения

В начале XIX века английский астроном и оптик Вильям Гершель, используя призму, наблюдал преломление солнечного света. В итоге он смог обнаружить, что тела при повышении температуры обладают излучением.

• коротковолновое — длина волны лежит в пределах от 0,74 мкм до 2,5 мкм;
• средневолновое — диапазон излучения находится в промежутке от 2,5 мкм до 50 мкм;
• длинноволновое — занимает участок электромагнитных волн от 60 мкм до 10 мкм.

Как оказалось, инфракрасные лучи создаёт и тело человека. Но тепловое излучение оно может не только излучать, но и воспринимать. Оптик Харди предположил, что человек способен излучать в области характерной для абсолютно чёрного тела. Причём длина волны не зависит от возраста и других особенностей строения человеческого организма. Поэтому коэффициент излучения кожи приняли равным единице. Но практические исследования показали, что различия всё же есть. Оно несущественное и зависит от окружающей обстановки. Так, при температуре помещения 22 °C излучение уже нельзя отнести к коротковолновому.

Инфракрасный спектр наблюдается в вакууме. Его испускание можно обнаружить у нагретого металла, в земной атмосфере, на поверхности белого карлика. Оказалось, что излучение разных тел отличается не только длиной волны, но и интенсивностью. Но при этом наступает такой момент, когда физический объект находится в состоянии термодинамического равновесия. В этот момент неизменной остаётся не только температура, но и давление, объём, энтропия. Такое состояние часто называют равновесным. По сути, оно соответствует излучению спектра абсолютно чёрного тела и описывается формулой Планка.

Природа явления

Любое излучение не может существовать само по себе. Для его появления необходим источник. Испускаемое им излучение уносит энергию, которая после может принимать любой вид. Изучая закономерности тепловых лучей, учёные пытались установить связь между ними и световыми волнами. Простой опыт показывал, что если нагретое тело поместить в замкнутое пространство с зеркальными стенами, то через время все поверхности станут одинаковой температуры. Наступит тепловое равновесие.

После того как было изучено строение тел, открыты элементарные частицы и кристаллическая решётка, стало ясно, что любое твёрдое тело является излучателем электромагнитной волны. Обусловлено оно тем, что свободные частицы в равновесном состоянии обладают именно энергией, полученной за счёт тепловых колебаний. При этом обусловлено оно возбуждением атомов и молекул при соударениях.

Возбуждение частиц происходит за счёт того, что частицы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, сталкиваясь с молекулами, отдают им часть своей энергии. Но так как любая система всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбуждённые носители зарядов стремятся вернуться в предыдущее состояние, испуская при этом электромагнитную волну.

Естественно, теплоизлучение — это интенсивный процесс, но при этом зависящий от окружающих источник температур. Установлено, что вне зависимости от возникновения величина излучения снижается с уменьшением температуры. При достижении абсолютного нуля движение частиц прекращается. Следовательно, электромагнитная волна телом не генерируется, но в то же время оно остаётся способным поглощать энергию извне.

В зависимости от механизма тепловые колебания описываются следующим характеристиками:

1. Мощность. Показывает количество энергии, которое способно испустить тело за единицу времени: F = Δ W / Δ t.
2. Светимость. Определяет величину энергии, которую тело может излучать за одну секунду с поверхности равной одному квадратному метру: R = F / S.
3. Спектральной плотностью. Описывает, по какому закону происходит распределение энергии по спектру: r = dR / dj .
4. Коэффициент монохромного поглощения. Находится как отношение поглощённого потока к падающему на тело в единичном интервале длин волн: j = Fпог / F пад.

Тело, у которого j = 1 как раз и называется абсолютно чёрным. Но в природе таких объектов нет. Вещества коэффициент поглощения которых не зависит от частоты являются серыми. У них j < 1.

Излучение реальных тел

Все тела, температура которых превышает ноль по кельвину излучают электромагнитные волны. Происходит это за счёт внутренней энергии. Опыты показали, что в реальных телах наибольшее значение излучаемой энергии соответствует определённой длине волны. Эта зависимость хорошо описывается законом Вина. В 1893 году немецкий учёный смог построить экспериментальные кривые излучения тела для различных температур.

В его графике по оси абсцисс были отложены длины волн, а ординат — испускаемая энергия. Оказалось, что при температуре 3 тыс. K максимум пришёлся на длину волны порядка 1,2 мкм. Если же тело нагревать, то пик будет смещаться в сторону коротких волн. Так, для 5 тыс. K он составит 0,7 мкм. Это излучение уже становится видимым для человеческого глаза. При 6 тыс. K излучение сместится в жёлтую часть спектра и примерно составит 500 нм.

Полученные данные были систематизированы. В итоге учёный вывел формулу: J = b / T. Где:

• b — постоянная Вина (2,9 * 10 -3 m * K);
• T — абсолютная температура тела.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

В медицине с их помощью исследуют кровь, пульс. Кроме того, оказывая воздействие правильно подобранным нетепловым излучением на кожные рецепторы улучшают кровообращение, процессы метаболизма.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 100 0 С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

Формула, полученная физиками, выглядит так: R = σ * T 4 . Где:

• T — Абсолютная температура в кельвинах [K];
• σ — постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10 -8 Вт / (м 2 * К);
• R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м 2 ].

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Таким образом, закон Стефана — Больцмана представляет зависимость интенсивности излучения, а формула Вина определяет частоту испускаемой волны. Инфракрасное испускание — это основной механизм передачи тепла происходящий с помощью лучистой энергии. Его часто называют тепловой радиацией облучения.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.

Понравилась статья? Поделитесь ей

6.1. Естественный радиационный фон

Радиационный фон Земли складывается из естественного (природного) радиационного фона, технологически измененного естественного радиационного фона и искусственного радиационного фона. Естественный радиационный фон (ЕРФ) образуют ионизиру- ющие излучения от природных источников космического и земного происхождения. Очень часто он отождествляется с понятием радиа- ционный фон . Технологически измененный естественный радиационный фон (ТИЕРФ) определяется излучением от естественных источников ионизирующего излучения, который не имел бы места, если бы не использующийся технологический процесс. Причинами такого изменения фона могут являться выбросы тепловых электростанций, строительная индустрия и другие источники. Радиационный фон в пределах: 0,1–0,2 мкЗв/ч (10–20 мкР/ч) считается нормальным; 0,2–0,6 мкЗв/ч (20–60 мкР/ч) считается допустимым; 0,6–1,2 мкЗв/ч (60–120 мкР/ч) считается повышенным. Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных 91

веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении . Радиоактивные вещества могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним . Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах – соответственно ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровен, герметизация помещений и даже полеты на самолетах – все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения. В этой лекции будут рассмотрены вначале данные о внешнем облучении от источников космического и земного происхождения, затем – более подробно – внутреннее облучение, причем особое внимание будет уделено радону – радиоактивному газу, который вносит самый большой вклад в среднюю дозу облучения населения из всех источников естественной радиации. Наконец, в ней будут рассмотрены некоторые стороны деятельности человека, в том числе использование угля и удобрений, которые способствуют извлечению радиоактивных веществ из земной коры и увеличивают уровень облучения людей от естественных источников радиации. 6.1.1. Космические излучения приходят к нам в основном из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Каждую секунду на площадь в 1 м 2 через границу атмосферы из космоса в направлении земной поверхности влетает более 10 000 заряженных частиц. Космические излучения подразделяются на галактические и солнечные. Галактические, в свою очередь, бывают первичными и вто- 92

ричными. Первичное галактическое излучение представляет собой поток частиц, падающих в земную атмосферу и идущих из глубины космоса со скоростью света. Оно состоит из протонов (около 92%) и альфа-частиц (примерно 6%). В небольших количествах (около 2%) в них присутствуют ядра легких элементов (Li, Be, B, C, N, O, F), электроны, нейтроны и фотоны. Энергия такого излучения огромна и колеблется в диапазоне от 1 до 10 12 ГэВ, что в миллиард раз превышает уровень энергий, достигнутых на самых современных ускорителях. При энергиях свыше 10 3 МэВ плотность потока протонов падает. При энергиях меньше 10 3 МэВ состав первичного галактического излучения сильно меняется. На него воздействует магнитное поле Земли, которое отклоняет низкоэнергетическое излучение обратно в космическое пространство. Первичное галактическое излучение в результате взаимодействия с атомами элементов атмосферы почти полностью исчезает на высоте 20 км. Вторичное галактическое излучение имеет гораздо более слож- ный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц. Оно образуется в результате ядерных взаимодействий между первичным излучением с ядрами атомов, входящих в состав земной атмосферы. Каждая частица из первичного излучения благодаря высокой энергии вызывает целый каскад частиц, которые, в свою очередь, взаимодействуя с ядрами, вызывают ряд следующих ядерных превращений. У поверхности Земли вторичное излучение состоит в основном из фотонов, электронов, позитронов, других ядерных частиц, а также небольшой доли нейтронов. Нейтронная компонента возникает в результате расщепления ядер высокоэнергетическими частицами. Состав и интенсивность вторичного галактического излучения зависят от высоты над уровнем моря, географической широты и изменяются во времени в соответствии с 11-летним циклом солнечной активности. Максимальная интенсивность вторичного галактического излучения наблюдается на высоте 20–25 км. На высотах свыше 40–45 км преобладает первичное излучение. В результате взаимодействия первичного и вторичного излучений с ядрами элементов атмосферы образуются так называемые космогенные радионуклиды . К ним относятся: 3 1 H , 10 4 Be, 14 6 C , 22 11 Na , 24 11 Na , 16 35 S, 17 36 Cl, 17 39 Cl и другие. Солнечное излучение образуется во время солнечных вспышек, характеризуется относительно низкой энергией (40–50 МэВ) и не приводит к существенному увеличению дозы внешнего облучения на 93

поверхности Земли. Однако в верхних слоях атмосферы мощность поглощенной дозы может на очень короткое время увеличиваться в 100 и более раз. Нет такого места на Земле, куда бы не падал этот невидимый космический душ. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы, из которых в основном и состоят космические излучения. Учитывая состав и энергию излучения у поверхности Земли, коэффициент его качества принято считать 1,1. Основными космогенными радионуклидами – ис- точниками внешнего излучения – являются 10 4 Ве, 22 11 Na , 24 11 Na . Сред- няя суммарная эквивалентная доза внешнего излучения, создаваемая всеми компонентами космического излучения на уровне моря, в год составляет 0,32 мЗв. На высоте 4–5 км величина этой дозы уже 5 мЗв/год, а на высоте 20 км достигает 13 мЗв/ч. При орбитальных полетах космонавты подвергаются сравнительно небольшому облучению – 0,05 мЗв/сут. И для таких полетов не требуется специальной защиты. Приводимые выше числа относятся к дозам внешнего облучения, доза за счет внутреннего облучения, формируемая космогенными радионуклидами, невелика, и из более чем 20 таких элементов заметный вклад в дозу вносят лишь два: тритий 3 1 Н и изотоп углерода 14 6 С. Тритий с периодом полураспада 12,3 года в основном входит в состав молекулы воды и в этом виде участвует в круговороте воды в природе. Радиоактивный углерод ( Т 1/2 = 5730 лет) используется в так называемом радионуклидном анализе. Суммарная мощность эквивалентной дозы, получаемой от космического излучения, составляет примерно 0,33 мЗв/год, для населения нашей республики доза составляет 0,37 мЗв/год. 6.1.2. Излучения земного происхождения. Основными источни- ками излучения земного происхождения являются радионуклиды, присутствующие в различных природных средах и объектах окружающей среды с момента образования Земли. К ним относятся две группы естественных радионуклидов: первая – это радионуклиды урано- радиевого и ториевого семейств, которые берут свое начало от 238 92 U и 232 90 Th (всего 82 радионуклида), вторая – это 11 долгоживущих радионуклидов, находящихся вне этих семейств ( 40 19 K , 20 48 Ca , 87 37 Rb , 96 40 Zr , 94

115 49 In , 138 57 La , 142 58 Ce , 144 60 Nd , 147 62 Sm , 178 71 Lu , 187 75 Re ), относящихся к эле- ментам середины таблицы Менделеева. Из второй группы радионуклидов 40 19 K играет заметную роль в облучении человека. Его период полураспада равен 1,3 10 9 лет. В природном калии содержится 0,01% радиоактивного вещества, и это соотношение постоянно везде, где бы калий ни встречался. Смесь изотопов калия входит в состав мышечной ткани. Поверхностная активность 40 19 K в почве на уровне корневой системы растений (слой толщиной 20 см) – 300 Бк/м 2 . Удельная активность 40 19 K в овощах и фруктах и других продуктах питания составляет 80–150 Бк/кг. Внешнее гамма-облучение человека от указанных выше естественных радионуклидов обусловлено их присутствием в различных природных средах (почве, приземном воздухе, гидросфере, биосфере). Мощность дозы, обусловленная внешним облучением за счет радионуклидов земного происхождения, составляет приблизительно 0,38 мЗв/год. Однако эта величина может существенно колебаться в зависимости от регионов Земли. Некоторые группы населения получают в среднем 1 мЗв/год, а около 1,5% – более 1,4 мЗв/год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации значительно выше. В ряде мест Бразилии, главным образом в прибрежных полосах земли, мощность дозы излучения из почвы и скальных пород составляет 5 мЗв/год. Приблизительно 30 тыс. человек непрерывно подвергаются такому уровню облучения. В индийских штатах Керала и Мадрас прибрежная зона длиной 200 км и шириной в несколько сотен метров известна как область интенсивного излучения, в результате чего 100 тыс. человек получают дозу, в среднем равную 13 мЗв/год. В Иране, например в городе Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 мЗв/год. Известны места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например, во Франции, в Нигерии, на Мадагаскаре. Наиболее весомый вклад в общую дозу облучения вносит радон. Радон является продуктом распада урана ( 222 86 Rn ) и тория ( 220 86 Rn ). Уран и торий можно обнаружить в незначительных количествах в любой почве, камнях, воде, где они находятся чаще всего в пассивном состоянии. В отличие от урана и тория, радон проникает в воздух при высвобождении из земной коры повсеместно. 95

Другими источниками поступления радона являются вода и природный газ. При кипячении воды и при сжигании газа его концентрация в воздухе закрытых помещений увеличивается. Основная опасность радона исходит не от питья воды (если вода кипяченая, то радон практически улетучивается), а при попадании в легкие водяных паров с высоким содержанием этого газа (душ, мокрая парная и т. п.). В природный газ, в воду, радон попадает под землей. Радон имеет период полураспада 3,8 сут; он в 7 раз тяжелее воздуха, поэтому при высвобождении из земной коры он накапливается в подвалах и первых этажах зданий. Радон попадает в организм человека с вдыхаемым воздухом, но максимальную дозу человек получает, находясь в закрытом помещении нижних этажей зданий. Радон, являясь альфа-активным радионуклидом, представляет опасность для человека только при внутреннем облучении, попадая в организм через дыхательные пути и поражая легочную ткань. Допустимая норма содержания радона составляет 100 Бк/м 3 воздуха. Эквивалентная доза внутреннего облучения человека за счет естественных радионуклидов, попадающих ворганизмчеловекасвоздухом, пищей и водой, в основном формируется следующими радионуклидами: 40 19 K, 14 6 С, 87 37 Rb , 216 84 Po , 228 88 Ra , атакже 222 86 Rn и 220 86 Rn , иоцениваетсяв1,5 мЗв. В соответствии с приведенными данными (табл. 7), для населения Земли в целом принято, что среднегодовая эффективная эквивалентная доза облучения человека составляет 2,2 мЗв. Таблица 7 Годовая эквивалентная доза, получаемая населением от естественных источников для районов с нормальным уровнем радиации

Источники излучения	Годовая эффект ивная эквивален тная доза, мЗв
	Внешнее	Внутреннее	Суммарная
облучение	облучение	доза
Космическое излучение:
1)	ионизирующая компонента	0,28	–	0,28
2)	нейтронная компонента	0,042	–	0,042
3) космогенные радионуклиды		–	0,015	0,015
Всего	0,322	0,015	0,337
Излучение земли:
1)	калий-40	0,12	0,178	0,3
2)	урановый ряд	0,1	1,14	1,24
3)	ториевый ряд	0,16	0,18	0,34
Всего	0,38	1,5	1,88
Итого	0,7	1,5	2,2
96

6.2. Технологически измененный естественный и искусственный радиационный фон Рассмотренные выше источники радиоактивного излучения сформировались в течение эволюции Земли, и их распределение хотя и неоднородно в окружающей среде, но и в основном постоянно для каждого конкретного региона. В процессе жизнедеятельности человека возможно перераспределение этих источников в природе и формирование технологически измененного естественного радиационного фона, когда их концентрация может многократно возрастать и представлять опасность целым группам населения. Одним из существенных источников, созданных практической деятельностью человека, является индустрия строительных материалов. Привлечение для их изготовления отходов различных промышленных производств привело в ряде случаев к увеличению радиационного фона в зданиях. Традиционные строительные материалы – дерево, кирпич, бетон – обладают сравнительно низкой активностью. Принято считать, что вклад в годовую эквивалентную дозу за счет строительных материалов в среднем для населения Земли составляет 0,1–1,5 мЗв на человека. Наименьшие дозы получает население, проживающее в деревянных домах – 0,5 мЗв/год, в кирпичных – 1 мЗв/год и в бетонных – 1,7 мЗв/год. Как правило, основным источником активности строительных материалов являются радионуклиды земного происхождения. Наличие в строительных материалах урана и тория приводит к выделению радона внутри здания, и его концентрации в закрытых помещениях, как правило, в 8–10 раз выше, чем на открытом воздухе. Несоблюдение правил радиационной безопасности в некоторых странах, широко использующих различные отходы промышленности в строительстве, привело к тому, что в некоторых случаях в помещениях обнаружена концентрация радона, в тысячи раз превышающая среднюю концентрацию на открытом воздухе. Для уменьшения воздействия радона предусматривается дифференцированный подход к использованию строительных материалов. Установлены следующие допустимые уровни удельной активности А m в строительных материалах: – при А m менее 370 Бк/кг стройматериалы используются без ограничения; 97

– при А m = 370–740 Бк/кг материалы можно использовать только в дорожном строительстве на территории населенных пунктов и в зонах перспективной застройки; – при А m = 740–1350 Бк/кг стройматериалы допускается использовать в дорожном строительстве за пределами населенных пунктов; – при А m = 1350–4000 Бк/кг вопрос об использовании материалов решается по согласованию с санитарно-эпидемической службой Министерства здравоохранения Республики Беларусь; – при А m свыше 4000 Бк/кг использование стройматериалов запрещено. Применение минеральных удобрений. Добыча фосфатов ведет- ся во многих местах земного шара; они используются главным образом для производства удобрений. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны. Радиоактивное загрязнение в этом случае бывает обыкновенно незначительным, но возрастает, если удобрения вносят в землю в жидком виде или если содержащие фосфаты вещества скармливают скоту. Такие вещества действительно широко используются в качестве кормовых добавок, что может привести к значительному повышению содержания радиоактивности в молоке. Тепловая энергетика. Значительный вклад в повышение уровня облучения населения дает энергетика, особенно при использовании в качестве топлива каменного угля. Годовое его потребление составляет несколько миллиардов тонн. Из них 70% сжигается в топках тепло- и электростанций, 20% – в коксовых печах, а остальные 10% используются в целях отопления. Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. Последние, извлеченные вместе с углем из недр земли, после сжигания угля попадают в окружающую среду, где могут служить источником облучения людей. Современная угольная станция мощностью 1 млн. кВт в течение года потребляет около 3 млн. т угля и выбрасывает в атмосферу около 165 тыс. т различных отходов, включая пыль, летучую золу, сернистые газы и т. д. Как результат действия тепло- и электростанций, на органическом топливе за последние 80 лет отмечено, что концентрация радия в поверхностном слое почвы увеличилась в 50 раз. 98

Испытание ядерного оружия. До сих пор речь шла только об источниках ионизирующего излучения, имеющих природное происхождение. Даже в случаях, когда в результате жизнедеятельности человека происходит перераспределение и концентрация этих источников, они сохраняют свой естественный состав. Иная картина происходит при использовании ядерной энергии в техногенной деятельности человека. Первая атомная бомба продемонстрировала не только разрушительную силу, но и значительную опасность с точки зрения радиоактивного загрязнения окружающей среды. При испытаниях ядерного оружия огромное количество радиоактивных веществ уносится в атмосферу. Это прежде всего продукты деления урана и плутония. Они осаждаются на частичках пыли и разносятся на большие расстояния, выпадая на поверхность Земли за сотни и тысячи километров от места взрыва. Иначе говоря, ядерный взрыв носит не локальный характер, а глобальный. С 1945 года в мире было проведено огромное количество испытательных ядерных взрывов. Например, США взорвали 1054 устройства, СССР – 715, Франция – 196, Великобритания – 45, Китай – 45. В мае 1998 года сначала Индия, а потом и Пакистан произвели по 5 подземных ядерных взрывов. В течение 1945–1989 гг. в атмосфере было проведено 397 испытательных ядерных взрывов. Некоторая часть радионуклидов циркулирует в околоземном пространстве и сегодня. В настоящее время 137 55 Cs является основным источником внешне- го облучения, так же как и 90 38 Sr. По современным оценкам, вклад в ежегодную эквивалентную дозу, получаемую человеком за счет испытаний ядерного оружия, составляет 20–25 мкЗв, т. е. около 1% естественного радиационного фона. Ядерная энергетика. Еще меньшее значение эквивалентной дозы получает человек от безаварийной работы атомной электростанции. При обеспечении выполнения всех норм и правил их эксплуатации в окружающую среду практически не выбрасывается значительных количеств радионуклидов. По современным оценкам, средняя эквивалентная доза в год в районе АЭС не превышает 10 мкЗв. Несмотря на относительно небольшое количество осколков деления и других элементов в отработанном топливе, активность их чрезвычайно велика и составляет десятки миллионов кюри на момент остановки реактора и сотни тысяч кюри даже через 7–10 лет хранения отработанного топлива. Поэтому наряду с необходимостью обеспечения 99

безопасной работы на АЭС необходимо решать вопрос экологической и ядерной безопасности всего топливного цикла ядерной энергетики, особенно в области хранения и переработки отработанного горючего. К концу 1990 года во всем мире действовало почти 600 реакторов. Суммарное количество уже имеющихся радиоактивных отходов и тех, которые нарабатываются, включая долгоживущие, огромны. Это требует создания специальных хранилищ, и опасность их как источника ионизирующего излучения возрастает с ростом их числа. В настоящее время одной из самых острых проблем является утилизацияизахоронениерадиоактивныхотходови, преждевсего, отходовАЭС. Работа на персональном компьютере. Всеобщая компьютери- зация общества остро ставит вопросы безопасности работы оператора. Источниками электромагнитного поля являются монитор, процессор, клавиатура. Вокруг компьютера образуется электромагнитное поле с диапазоном частот от 5 до 400 кГц. Мониторы компьютеров содержат электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), которая является мощным источником электронов, при торможении которых экраном монитора образуется мягкое рентгеновское излучение, мощность дозы которого на расстоянии 0,05 м от экрана не должна превышать 1 мкЗв/ч (100 мкР/ч). Кроме того, человек чувствует себя хорошо, когда в окружающей его среде соотношение положительных и отрицательных ионов почти одинаково. Однако перед экраном монитора образуется избыток положительных ионов. Всегда имеющиеся в воздухе комнаты микрочастицы пыли разгоняются потоком положительно заряженных ионов и оседают на лице и глазах оператора, сидящего перед монитором. В результате такой «бомбардировки» у оператора могут возникать головная боль, бессонница, раздражение кожи, усталость глаз. Медицинские процедуры. Значительными источниками облучения человека является использование ионизирующих излучений для медицинских процедур. С одной стороны, это позволяет выявлять и лечить до 80% различных видов заболеваний, включая такие смертельно опасные, как онкологические, с другой – установлено, что эффективная эквивалентная доза составляет от 50 мкЗв/год до 10 мЗв/год (от 5 мбэр/год до 1 бэр/год) и выше, в зависимости от типа обследования и лечения (табл. 8). В настоящее время суммарная эквивалентная доза неаварийного облучения человека за год за счет различных техногенных источников ионизирующих излучений оценивается величиной, не превышающей 5 мЗв (0,5 бэр). 100

Дозы, получаемые от различных источников излучения
Эффективная
	Вид облучения
эквивалентная доза
	1.	Просмотр кинофильма по цветному телевизору на рас-
стоянии от экрана около 2 м		0,01 мкЗв
2.	Ежедневный трехчасовой просмотр цветных телепро-
грамм в течение года		5–7 мкЗв
3.	Облучение за счет радиоактивных выбросов АЭС в
районе расположения станции (за год)		0,2–1 мкЗв
4.	Облучение за счет дымовых выбросов с естественными
радионуклидами ТЭС на угле (за год)		2–2 мкЗв
5. Полет в течение одного часа на сверхзвуковом самолете
(высота полета 18–20 км)		10–30 мкЗв
6.	Полет в течение 1 сут на орбитальном космическом ко-
рабле (без вспышек на солнце)		0,18–0,35 мЗв
7.	Прием радоновой ванны	0,01–1 мЗв
8.	Флюорография	0,1–0,5 мЗв
9.	Рентгеноскопия грудной клетки	2–4 мЗв
10. Рентгенография зубов		0,03–3 мЗв
11. Рентгеновская номография		5–100 мЗв
12. Рентгеноскопия желудка, кишечника		0,1–0,25 мЗв
13. Лучевая гамма-терапия после операции		0,2–0,25 Зв

6.3. Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений 6.3.1. Сцинтиляционный метод . Сцинтилляции – это кратко- временные световые вспышки, возникающие при воздействии ионизирующих излучений на некоторые вещества, называемые люминофорами (сцинтилляторами). В основе сцинтилляционного метода обнаружения излучений ле- жит явление люминесценции . Люминесцентное излучение исходит из сравнительно небольшого числа центров люминесценции – атомов, молекул или ионов, приходящих в возбужденное состояние под действием внешних причин, а затем при переходе возбужденного центра на более низкий энергетический уровень, испускающих квант люминесцентного излучения. Время, затрачиваемое на переход центра люминесцеции из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень, – одна из главных характеристик люминесцентного процесса. 101

Если люминесцентное излучение после отключения источника его возбуждения прекращается примерно через 10 –8 с, то такой вид люминесценции называют флуоресценцией . В течение 10 –8 с находится в возбужденном состоянии. Другой вид люминесценции – фосфоресценция – характеризуется медленнымспадом свечения после отключения источника возбуждения. Виды люминесценции различают и по способу ее возбуждения. Так, экран телевизора светится под падающим на него электронным пучком благодаря свечению люминофора, нанесенного на стенку экрана кинескопа. От веществ, применяемых в качестве сцинтилляторов, требуется, чтобы они давали сильные и равномерные вспышки, обладали высоким коэффициентом поглощения ионизирующих излучений, не поглощали значительно собственного излучения, имели небольшое время высвечивания. К таким люминофорам относится группа неорганических веществ: йодистый натрий NaI, йодистый цезий CsI, йодистый литий LiI, вольфраматы кадмия CdWO 4 и кальция CaWO 4 и сернистый цинк ZnS. Неорганические люминофоры обладают довольно большим временем высвечивания, примерно 10 –6 c. В дозиметрических приборах для регистрации бета- и гаммаизлучений используют галогениды: йодистый натрий NaI, йодистый калий KI, йодистый литий LiI или йодистый цезий CsI, все активированные таллием ТI, а также вольфраматы кальция и кадмия: CaWO 4 , CdWO 4 . Для регистрации альфа-частиц используются люминофоры на основе сернистого цинка ZnS (или кадмия), активированного серебром или медью: ZnS(Ag), ZnS(Cu). Для регистрации нейтронов используется йодистый литий, активированный оловом LiI(Sn). В качестве сцинтилляторов используются также инертные газы: аргон, ксенон и др. Из органических веществ наибольшее применение получили такие, как антрацен, нафталин, стильбен, фенантрен, терфенил, дифенил. Органические и газовые сцинтилляторы характеризуются очень малым временем высвечения (10 –8 –10 –9 с). 6.3.2. Химический метод. Этот метод обнаружения ионизирующих излучений основан на том явлении, что возникающие при воздействии излучений ионы и возбужденные атомы и молекулы вещества могут диссоциировать, образуя свободные радикалы. Эти ионы и радикалы вступают в реакцию между собой или другими атомами и 102

молекулами, образуя новые вещества, появление и количество которых позволяет судить о наличии и количественной характеристике ионизирующих излучений. Вещества, воспринимающие энергию ионизирующих излучений и преобразующие ее в химическую энергию, могут находиться во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Этот метод используется в дозиметре ДП-70М. 6.3.3. Фотографический метод обнаружения ионизирующих излучений. Фоточувствительный слой представляет собой мелкие кристаллы галогенидов серебра, распределенные в желатине, нанесенные на прозрачную подложку. В общем случае на 1 см 2 поверхности приходится 10 8 –10 9 таких кристаллов, называемых зернами . Под воздействием ионизирующих излучений зерна превращаются в центры скрытого почернения. Последующий процесс проявления, заключающийся в воздействии на эти центры химическими реактивами, приводит к восстановлению серебра, которое выпадает в виде длинных тонких нитей, свернутых в комок и хорошо поглощающих свет. Место, где произошло образование металлического серебра, воспринимается как черная точка, а совокупность таких точек, расположенных близко друг к другу, – как черное пятно. Оставшиеся не подверженными воздействию излучений кристаллы галогенидов серебра растворяются в фиксирующих веществах. Чем больше доза воздействующих на фотослой излучений, тем больше степень его почернения. Сравнивая почернение пленки, которую носит человек, с контрольной, находят дозу излучения, воздействующую на человека. Почернение пленок, измеряемое в оптических плотностях почернения S , определяется выражением

S = lg J 0 / J ,

(6.1)

где J 0 – интенсивность светового пучка, падающего на пленку; J – интенсивность света, прошедшего через пленку. Плотность почернения фотослоя измеряется с помощью специальных приборов – денситометров и фотометров. Фотографический метод позволяет измерять дозы гамма- и нейтронных излучений в диапазоне от 0 до 10 Р с точностью до 0,1 Р, а при использовании специальных фоточувствительных слоев – до 20 000 Р. Важнейшим преимуществом фотографического метода перед всеми остальными является его документальность. 103

Фоточувствительный слой, нанесенный на пленку, дает возможность длительно сохранять результат воздействовавшей на него дозы излучения. Этот метод позволяет получить практически любую чувствительность. Используемая для измерения доз пленка, даже будучи перемещенной в светонепроницаемую кассету, обладает весьма малыми размерами и весом. Изготовление фоточувствительных слоев несложно, а использование их не связано с применением энергетических источников и сложных электрических схем. Недостатки фотографического метода: чувствительность фотослоя к свету и необходимость обрабатывать его в полной темноте; сложный процесс определения доз, связанный с химической обработкой фотослоя (проявление, фиксация, неоднократная промывка, сушка) и последующим измерением плотности почернения. 6.3.4. Метод, основанный на проводимости кристаллов. Все валентные электроны, находящиеся в связанном состоянии в составе атомов, образующих кристаллическую решетку, обладают некоторой энергией. В кристаллах диэлектриков и полупроводников максимальная возможная энергия валентных электронов и минимальная возможная энергия свободных электронов разделены некоторым интервалом энергий: большим – для диэлектриков, меньшим – для полупроводников. Электроны с энергией, большей, чем у валентных, но меньшей, чем у свободных электронов, могут быть в кристаллах лишь тогда, когда в них хотя бы в небольшом количестве имеются посторонние примеси, нарушающие связи между атомами кристаллической решетки. Эти электроны легко могут переходить в свободное состояние. Такому переходу способствует воздействие на кристалл ионизирующих излучений. При поглощении ионизирующих частиц или квантов из атома кристалла выбиваются валентные электроны с большей энергией. Эти электроны, проходя через кристалл, затрачивают энергию на отрыв от атомов большого числа других вторичных электронов. Таким образом, в кристалле возникают свободные электроны, которые могут при наличии электрического поля образовать ток даже в кристалле, обладающем свойствами диэлектрика, и увеличить проводимость, а тем самым и ток, в кристалле полупроводника. В качестве веществ, кристаллы которых могут быть использованы для обнаружения и измерения различных характеристик ионизирующих излучений, используются кристаллы сернистого цинка, серы, ал- 104

маза, германия и др. Хорошие результаты дает применение сернистого кадмия, в зависимости от природы и концентрации примесей при температуре около 20 С он может быть и диэлектриком, и полупроводником. Сернистый кадмий применяется как в виде монокристалла, так и в виде тонкой поликристаллической пленки. Монокристаллы наиболее удобны для исследований гамма-излучения, пленки – для исследований альфа- и бета-излучений. Кристаллы имеют размеры 3 5 10 мм и меньше. На образование свободных электронов в кристаллах расходуется 3–10 эВ, что позволяет получить больший ток при одной и той же поглощенной энергии и является, следовательно, значительным преимуществом по сравнению с воздухом, где на образование пары ионов затрачивается 34 эВ. Достоинствами описанных кристаллов являются их простота, возможность получения с их помощью токов большой величины, высокая эффективность счета, малые размеры и малая стоимость. Поэтому их целесообразно использовать для изготовления малогабаритных и легких (переносных) приборов, медицинских зондов, которые предназначены для определения зараженности ран и других целей, дистанционных систем наблюдения за радиоактивным заражением местности и т. д. К серьезным недостаткам кристаллов относятся: большая инерционность их (до нескольких минут для установления показаний, соответствующих измеряемой величине), плохая воспроизводимость результатов, изменение чувствительности во времени, зависимость результатов измерений от энергии ионизирующих частиц. Значительно меньшей инертностью обладают кремниевые кристаллы с так называемой электронно-дырочной проводимостью. Это обстоятельство в сочетании с высокой чувствительностью, низкими напряжениями питания, малыми габаритами и большой надежностью делает перспективным применение их в дозиметрических приборах различного назначения. 6.3.5. Калориметрический (тепловой) метод. Энергия ионизи- рующих излучений, поглощенная в веществе, в конечном итоге превращается в тепло. Этот тепловой эффект используется в калориметрах для измерения активности вещества или мощности дозы. Для регистрации нейтронных потоков используются термоэлементы, стан которых покрыт бором. При калориметрических измерениях объекты, подвергающиеся облучению, должны находиться в термостатах. С помощью термопар 105