77 Виды физических полей. Человека. Их источники

Физическое поле - особый вид материи. Физические поля связывают составные части вещества в единые системы и передают с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Различают гравитационные, электромагнитные и другие поля. Вихревое поле - поле, силовые линии которого являются замкнутым. Гравитационное поле - поле, которое создает вокруг себя тело, обладающее массой. Посредством гравитационных полей взаимодействуют физические объекты. Материя - объективная реальность, данная нам в ощущениях. Считается, что материя существует либо в виде вещества, либо в виде поля. Формами существования материи являются пространство и время. Силовые линии напряженности - воображаемые линии, проведенные в гравитационном, магнитном или электрическом силовом поле так, что в каждой точке пространства направление касательной к этим силовым линиям совпадает с направлением напряженности поля. Электромагнитное поле - особый вид материи: - посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия; - представляющий собой единство электрического и магнитного полей. В каждой точке электромагнитное поле характеризуется: - напряженностью и потенциалом электрического поля; а также - индукцией магнитного поля. - индукцией магнитного поля.  Электрическое поле - особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между покоящимися или движущимися электрическими зарядами.  Физическое поле - особый вид материи. Физические поля связывают составные части вещества в единые системы и передают с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Различают гравитационные, электромагнитные и другие поля.  Магнитное поле - особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитное поле:  - является формой электромагнитного поля;  - непрерывно в пространстве;  - порождается движущимися зарядами;  - обнаруживается по действию на движущиеся заряды;  - описывается уравнениями Максвелла.

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустичес­кие поля (гравитационное поле и элементарные частицы оста­ются за пределами нашего рассмотрения).

Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Схема электромагнитных (справа) и акустических (слева) собственных полей человека. Электромагнитные поля: Е - электри­ческое поле, В - магнитное, СВЧ - сверхвысокочастотные электро­магнитные волны дециметрового диапазона, ИК - электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания, КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излу­чение. Цифры - характерные частоты излучений (в герцах). Зашт­рихованы области тепловых излучений. Справа и слева указаны на­звания датчиков и приборов для регистрации соответствующих полей. СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр, ФЭУ — фотоэлектрический умножитель.

Электромагнитные поля. Диапазон собственного электромаг­нитного излучения ограничен со стороны коротких волн опти­ческим излучением, более коротковолновое излучение - вклю­чая рентгеновское и у-кванты - не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиовол­нами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты че­тыре диапазона электромагнитного поля, представленные на рис. 12.1, включают в себя:

низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 103 Гц);

радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109- 1010 Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

инфракрасное (ИК) излучение (частота 10м Гц, длина вол­ны 3-10 мкм);

оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны по­рядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими воз­можностями современной электроники, а особенностями био­логических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины.

Источники электромагнитных полей разные в различных ди­апазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным об­разом при протекании физиологических процессов, сопровож­дающихся электрической активностью органов: кишечником (-1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (-10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значени­ями, не превосходящими -1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей яв­ляется тепловое электромагнитное излучение.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с до­статочной точностью моделировать абсолютно черным телом, ко­торое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью.

Излучательная способность тела е^т - количество энергии, ис­пускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в еди­ничном интервале длин волн по всем направлениям - зависит от длины волны А. и абсолютной температуры тела Т.

Эта функция имеет максимум на длине волны Х.т «= Ьс / (5кТ), что при температуре человеческого тела Т = 310 К составляет около 10 мкм. Поэтому ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3-10 мкм, где оно максимально.

Из рис. 12.2 следует, что в СВЧ-диапазоне, в котором длина волны в 10* раз больше, плотность энергии теплового излуче­ния на много порядков меньше.

Измерение теплового излучения позволяет определить тем­пературу тела человека из-за того, что спектральная зависи- мость теплового излучения меняется с ростом температуры. На рис. 12.2 приведены кривые для двух температур черного тела: 290 К (кривая 1) и 310 К (кривая 2). Столь большую разность температур мы выбрали, чтобы ярче выделить различия меж­ду кривыми. Видно, что рост температуры всего на 20 К вызы­вает увеличение интенсивности излучения в 1,5 раза (в ИК-ди- апазоне) - в других диапазонах он заметно меньше.

Акустические поля. Диапазон собственного акустического из­лучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека ( 0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

поскольку величины е^т и X, изменяются на много порядков. Небольшие видимые отличия кривых 1 и 2 на самом деле соответству­ют большим изменениям е^т(в несколько раз)

В порядке возрастания частоты (цифры на рис. 12.1) три диа­пазона акустического поля включают в себя: 1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10я Гц); 2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (V ~103 Гц); 3) ульт­развуковое излучение ( V - 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах ча­стот имеют разную природу. Низкочастотное излучение созда­ется физиологическими процессами: дыхательными движени­ями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися коле­баниями поверхности человеческого тела в диапазоне прибли­зительно 0,01 - 103 Гц. Это излучение в виде колебаний по­верхности можно зарегистрировать контактными, либо бес­контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны прак­тически полностью отражаются обратно от границы раздела «воздух-тело человека* и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близ­ка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специаль­ный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Сред­нее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутренне­го уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный про­цесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в уш­ной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапа­зона является тепловое акустическое излучение - полный ана­лог соответствующего электромагнитного излучения. Оно воз­никает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной тем­пературой тела.

79 Инфракрасное излучение Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм). Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами. Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих: коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм; средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм; длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм. Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение). Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.	80 Электромагнитные волны СВЧ-диапазона Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн (длина волны от 1 м (частота 300 МГц) до 1 мм — (300 ГГц)). Однако границы между инфракрасным, терагерцовым, СВЧ-излучением и ультравысокочастотными радиоволнами приблизительны и могут определяться по-разному. СВЧ-излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел (как в бытовых, так и в промышленных СВЧ-печах для термообработки металлов), основным элементом в которых служит магнетрон, а также для радиолокации. СВЧ-излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных — сотовых телефонах (кроме первых поколений), устройствах Bluetooth, WiFi и WiMAX.	81 Оптическое излучение тела человека Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные регистрировать одиночные кванты света и выдавать на выходе кратковременные импульсы тока, которые затем считаются с помощью специальных электронных счетчиков. Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см2 кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны 6 - 60 квантов, главным образом, в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния пациента, снижаясь в покое и повышаясь с ростом его активности. Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое затем спадает во времени по сложной кинетической кривой с несколькими постоянными времени от единиц до десятков минут. Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интенсивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтожна - с 1см2 поверхности тела один квант в среднем может излучаться лишь за много секунд. Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. молекул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодействии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, измерено излучение при активации определенных клеток крови - нейтрофилов, связанное с генерацией активных форм кислорода.	82 Акустические волны тела человека Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц. В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя: 1) низкочастотные колебания (частоты ниже 103 Гц); 2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~103 Гц); 3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц). Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 103 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха. У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал. Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.