Оптические излучения в биологии

СМВ

ДМВ

УВЧ

Одним из распространенных методов высокочастотной терапии является воздействие высокочастотным электрическим полем УВЧ.

Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия – лечебное использование электрической составляющей переменного электромагнитного поля ультравысокой частоты.

При этом биологическая система помещается между плоскими электродами, которые не касаются тела (рис.). Электроды могут накладываться различными способами, рис..

При УВЧ терапии колебания имеют частоту 40-50 МГц.

В России в аппаратах УВЧ, в основном, используется частота 40,58 МГц, длина волны 7,37 м, на которой не проводятся никакие радиопередачи. Также используются аппараты с частотой 27,12 МГц (длина волны 11,05 м), которая является международной. Воздействие оказывается на значительную поверхность тела пациента, который находится в ближней зоне источника электромагнитного поля.

Человека или отдельный его орган помещают в конденсаторное поле колебательного контура. Тепловыделение при этом определяется формулой q = j ² r. Как уже говорилось, тангенс угла потерь зависит от частоты, и поэтому одна и та же ткань при разных частотах может считаться или проводником, или диэлектриком. При УВЧ терапии нагрев костной, мышечной и жировой тканей происходит интенсивнее, чем нагрев кровеносных сосудов, лимфатических узлов и пр. Кожа относительно «прозрачна» для УВЧ поля, и его действие сильнее выражено в глубоколежащих тканях. Следует, однако, отметить, что тепловой эффект при терапевтическом УВЧ сравнительно невелик и, по-видимому, не является основным для терапевтического действия. Электрическое поле УВЧ оказывает ряд физико-химических воздействий, к которым относят усиление активизации ферментов, превращение грубодисперсных белковых молекул в менее крупные с соответствующим изменением рН цитоплазмы и т. п. Эти явления, а также нагрев при больших интенсивно-стях электрического поля УВЧ могут быть настолько значительными, что приводят к необратимым исходам. Так, у крыс, подвергавшихся действию мощного УВЧ поля, появлялись отеки слизистых оболочек, набухание носа, губ. При еще больших ин-тенсивностях наступал паралич конечностей и крысы погибали,

УВЧ терапию применяют при острых воспалительных процессах в суставах, при маститах, гайморитах, фурункулезе и многих других заболеваниях.

Дециметровая терапия (ДМВ-терапия) – метод, при котором с лечебными целями применяют дециметровые волны длиной 69,65 и 33 см (частота электромагнитного поля 433,460 и 915 МГц соответственно). В нашей стране аппаратура работает на частоте 460 МГц, в Западной Европе – 433 МГц, в США – 915 Мгц.

Действие микроволн на организм имеет ряд особенностей зависящих от их физических свойств. Микроволны, как и свет, можно сконцентрировать в достаточно узкий пучок, что позволяет их локализовать на определённом участке тела.

При ДМВ – воздействие отражение происходит в основном от кожи. В то же время толщина кожи и подкожной жировой клетчатки существенно не влияет на отражение. В результате создаются условия для более равномерного послойного поглощения энергии Э.М.П. дециметрового диапазона волн. Последнее связано с тем, что при воздействиях ДМВ отсутствуют, как правило, условия, при которых могут возникнуть стоячие волны, обусловливающие перегревание кожи и подкожной жировой клетчатки, а также «горячие точки», наблюдаемые иногда при СМВ-терапии, что является существенным преимуществом ДМВ-терапии. В среднем ДМВ проникает в ткани человека до 9 см.

Механизмы поглощения энергии дециметровых волн сложны и полностью не изучены. Часть поглощенной энергии переходит в тепло (тепловое действие), в физико-химические («осциляторные») эффекты.

Первичные механизмы взаимодействия ДМВ с тканями человека определяются конформационными процессами в белковых структурах клетки, в частности метахондрий, явлениями поляризации на мембранах и изменением их проницаемости, когерентным колебанием молекул, главным образом связанной воды, а также взаимодействием собственных зарядов электрически активных элементов клетки с воздействующим электромагнитным полем.

При взаимодействие ДМВ большая часть поглощенной энергии превращается в тепло. В живых тканях повышение температуры идёт и за счёт активизации местных обменных процессов. Локальное воздействие ДМВ в дозах, близких и терапевтических, обычно не вызывает повышение температуры тела человека. Однако общее интенсивное воздействие может вызывать общее повышение температуры тела, вплоть до гибели с явлениями перегрева. Температура в тканях, богатых водой при действии ДМВ в дозах, близких к лечебным, может подниматься, на 4º при сравнительно небольшом увеличении температуры в подкожном жировом слое. При этом повышение температуры в облучаемых тканях с первых минут воздействия, достигая максимума 10-15 минуте, а затем прекращается. Под влиянием образовавшего в тканях тепла происходит расширение сосудов, усиливается кроваток, что ведёт к охлаждению кровью тканей и уравниванию теплопродукции и теплоотдачи. Температура тканей снижается приблизительно на 2⁰С от максимальной и становиться устойчивой в течение всей процедуры.

Подкожная жировая клетчатка васкуляризирована слабо и охлаждающее действие крови в этой ткани проявляется незначительно. Поэтому следует избегать продолжительных и интенсивных воздействий дециметровыми волнами, которые могут привести к перегреванию подкожной жировой ткани. Нужно также принимать во внимание, что изменения центральной и периферической гемодинамики нарушают теплоотдачу и унос тепла кровью.

Минимальной продолжительностью дециметрового воздействия до появления эффективного повышения температуры следует считать длительность процедуры от 3 до 5 минут, а максимальной – 30 минут.

Физиологическое и лечебное действие. В ответ на воздействие ДМВ в организме развиваются как общие неспецифические реакции, характерные для большинства физических факторов, так и определённые специфические процессы присущие только данному виду энергии.

Выраженность этих реакций зависит от дозы, локализации воздействия, особенностей функционирования органов и систем больного, возраста, выраженности патологического процесса и других причин. В результате образовавшегося тепла и осциляторного эффекта в тканях активизируется местный метаболизм, микроциркуляция, изменяется содержание биологически активных веществ (листамин, серотонин и др.), уровень электрических процессов. Это ведёт к раздражению рецепторов и появлению рефлекторной афферентной импульсации. При воздействии лечебными дозами ДМВ, адекватными исходному состоянию больного, в организме устанавливается новый более высокий уровень функционирования нейрогуморальных систем, что ведёт к активизации адаптационных механизмов и повышению неспецифической резистентности организма.

ДМВ-терапия усиливает кровообращение, улучшает микроциркуляцию, метаболические процессы в тканях, органах, оказывает противовоспалительный, бронхолитический, спазматический эффекты, повышает глюкокортикогедную активность организма, обладает антиаллергическим действием.

Аппаратура. Для проведения ДМВ-терапии отечественная промышленность выпускает аппараты: «Волна - 2», «Ромашка» и т.д.. В ФРГ выпускаются аппараты: «Sirotherm» (фирма Simens), “Erbotherm”(фирма Erbe), в Нидерландах – «DW961»(фирма Philips) и др. Аппарат «Волна-2» стационарный, питается от сети переменного тока, напряжения 220 В. предназначен для проведения местных процедур ДМВ на любой участок тела больного выходит мощность 20-100 Вт. Аппарат имеет кабель, оканчивающийся вилкой для включения в сеть через розетку. Заземление аппараты выполнено по классу I и проходит через специальную заземлённую сетевую розетку. От аппарата выведен коаксиальный кабель, соединяющий магнетрон с излучателем. Аппарат комплектуется двумя излучателями – продолговатым (размером 35х16 см) и цилиндрическим (диаметром 15 см), которые крепятся на держателе. Продолговатый излучатель представляет собой полуволновой диполь, помещённый над экраном эллиптической форсин. Излучатель создаёт поток энергии, направленный в сторону, противоположную экрану, с максимальной активностью в средней части. Цилиндрический излучатель представляет собой два взаимоперпендикулярных полуволновых диполя, которые укреплены над экраном конической формы. Этот излучатель создаёт узкий поток энергии, направленный вперёд, с максимальной интенсивностью в центре. Излучающая поверхность излучателей закрыта крышкой из изоляционного материала. Аппарат эксплуатируется в специальной кабине, изолированной тканью с микропроводом.

Аппарат «Ромашка» портативный (переносной), питается от сети переменного тока напряжением 220 В. Выходная мощность аппарата составляет 12 Вт. Предназначен для проведения ФМВ-терапии в детской практике. Комплектуется 4 излучателями: два керамических цилиндрических (диаметром 40*100 мм), внутриполостной керамический и прямоугольный (размером 160*120 мм). При эксплуатации аппарата экранированная кабина не требуется.

Дозиметрия: Воздействия ДМВ дозируются по выходной мощности и по ощущению тепла больным. При использовании аппарата «Волна-2» выходная мощность до 30 Вт(тепловая доза)- приятное тепло. При дозе 60Вт (сильнотепловая доза) больной чувствует сильное тепло. При проведение процедуры от аппарата «Ромашка» мощность 6 Вт считают слабо тепловой, 6-8 Вт тепловой, 9-12 Вт сильнотепловой (диаметр излучателя 40 мм), продолжительность процедуры от 5 до 10-15 мин, общая длительность процедуры не более 30-35 мин, курс составляет 10-15-18 процедур проводимых ежедневно или через день. Повторный курс возможен через 3-4 месяца.

Техника проведения процедур. Процедуры ДМВ-терапии от аппаратов «Волна-2» и «Ромашка» проводят в положение лёжа или сидя. Перед процедурой больной снимает все имеющиеся металлические предметы во избежание ожогов и освобождает от одежды область, на которую должно оказываться воздействие. Больной занимает удобное положение. После процедуры отдохнуть 20 мин. Излучатели от аппарата «Волна-2» и прямоугольный излучатель от аппарата «Ромашка» располагают на расстоянии (воздушный зазор) 3-4 см от поверхности конси-дистанционная методика. Цилиндрический излучатель от аппарата «Ромашка» располагают непосредственно на поверхности тела больного - контактная методика. Полостной излучатель с одетым на него специальным защитным колпачком вводят вагинально или реатально, свободный конец излучателя привязывают к бедру. Излучатели дезинфицируют спиртом.

Показания к ДМВ терапии.

ДМВ-терапия показана при остеохондрозе шейного, грудного и пояснично-крестцового отделов позвоночника с корешковым синдромом, деформирующем остеартрозы с синовитом и без него, ревматоидном артрите с активностью 1, 2 и 3 степени, бронхиальной астме преимущественно аллергической и инфекционно-аллергической формы, с лёгким и средним течением, при острой, затяжной и хронической пневмонии, гипертонической болезни не выше 2А стадии, реноваскулярной гипертонии после реконструктивных операций на почечных артериях (не раньше чем через 2 недели после операции), очаговом и трансмуральном инфаркте миокарда, начиная с 25-28 дня заболевания без тяжёлых осложнений в остром периоде при недостаточности кровообращения он выше 2А степени со стенокардией напряжения и без неё при отсутствии прогностически неблагоприятных нарушений ритма и проводимости, ревматизм активностью не выше второй степени, в том числе с сочетатанным пороком митрального клапана сердца и комбинированным митрально-аортальным пороком при недостаточности кровообращения не выше первой степени и без нарушения ритма, при атеосклерозе сосудов головного мозга, язвенной болезни в фазе затухающего обострения, гастродуодените, хроническом гастрите, хроническом аднексите.

Противопоказаниями для назначения ДМВ-терапии служат острые воспалительные процессы, заболевания крови, доброкачественные и злокачественные опухолевые заболевания, беременность, наклонность к кровотечениям, недостаточность кровообращения выше 2 степени, стенокардия покоя, сердечная астма, аневризма сердца и сосудов, частые пароксизмальные нарушения ритма, тяжёлое течение хронической ишемической болезни сердца с частыми приступами стенокардии, резкое обострение всех заболеваний, язвенная болезнь со стенозом привратника и подозрением на пенетрацию, регидный антральный гастрит, металлические включения в тканях, эпилепсия.

Сантиметроволновая терапия (СМВ-терапия) - метод, при котором с лечебными целями применяют электромагнитные волны длиной 12,6 и 12,2 см (частота 2375 и 2450 МГц). Физические свойства СМВ определяют их действия на организм человека. При СМВ частота ЭМП близка частоте инфракрасной области оптического излучения, поэтому все физические законы, которым подчиняется свет, применимы к этому виду энергии в большей степени, чем при всех других частотах ЭМП.

Взаимодействие СМВ со средой сопровождается поглощением, отражением, преломлением, дифракцией и интерференцией. Особенностью СМВ является большая степень отражения (от 25 до 75 %) в зависимости от толщены подкожного жирового слоя, расстояния излучения от поверхности тела.

Другая особенность этого вида излучения состоит в возможности возникновения в живых тканях «стоячих» волн из-за отражения электромагнитной волны и наложение её на падающую волну. Вследствие этого в области, имеющий максимум электромагнитной энергии, может образоваться большое количество и вызвать перегревание вплоть до ожога тканей. Подобные условия иногда возникают в подкожном жировом слое в результате отражения СМВ на границе жир-мышца, последнее является одним из недостатков СМВ-терапии. Глубина проникновения СМВ в ткани составляет 3-5 см.

Интенсивность поглощения СМВ поверхностными слоями тканей человека ведёт к значительному их нагреву, более сильному, чем при ДМВ. Первичные механизмы взаимодействия с тканями человека обусловлены «осциляторными» и тепловыми компонентами действия. Температура в тканях повышается на 5ºС. Минимальная продолжительность воздействия на одну область 2-3 мин.

Физиологическое и лечебное действие. Облучение СМВ ведёт к возникновению рефлекторной и нейрогуморальной реакцией. Под его влиянием расширяются сосуды, увеличивается число функционирующих капилляров, усиливается крово – и лимфоток, оказывается противовоспалительное рассасывающее действие, повышается неспецифическое иммунологическое активность организма.

Аппаратура. Для проведения СМВ-терапии используют аппараты «Луч-58», «Луч-58-1» и «Луч-2». За рубежом для этого вида физиотерапии выпускают аппараты в ФРГ-«Erbotherm 12-240»(фирма Erbe), Jirotherm 2450 (фирма Huttinger). Отечественные аппараты настроены на частоты 2375 Гц, зарубежные – 2450 МГц. Аппараты “Луч-58” и “Луч-58-1” стационарные, питаются от сети переменного тока напряжением 220 В. Предназначены для проведения местных процедур на любой участок тела. Выходная мощность от 16 до 150 Вт. Аппарат “Луч-58-1” по защите выполнен по классу I. В нём заземляющий провод и сетевой шнур помещены в один общий кабель, и заземление аппарата происходит через специальную заземлённую сетевую розетку. От обоих аппаратов выведен коаксиальный кабель, соединяющий магнетрон с излучателем. У аппарата 4 излучателя: 3 цилиндрически (диаметром 90, 110 и 140 мм) и 1 продолговатый (размером 300*90*90 мм), крепятся они на держателе. Каждый излучатель представляет собой отрезок волновода, открытого с одной стороны и закрытого с другой. Волновод возбуждается с помощью штыря, представляющего собой выступающий из конца коаксиального кабеля его центральный проводник. Излучающая поверхность излучателя закрыта крышкой из изоляционного материала. Аппараты эксплуатируются в кабинах изолированных тканью с микропроводом.

Аппарат «Луч-2» портативный (переносной), питается от сети переменного тока напряжением 220 В. выходная мощность от 2,5 до 20 Вт. Предназначен для лечения в детской практике. Имеет 3 излучателя цилиндрических – диаметром 115 мм без керамического наполнения, диаметром 35 и 20 мм с керамическим наполнением; излучатели внутриполостные – реактивный и валенальный.

Дозиметрия. СМВ по выходной мощности: слаботепловая, тепловая и сильнотепловая.

Для аппарата «Луч-58» слаботепловая – 20-30 Вт, тепловая – 35-60 Вт, сильнотепловая 65 и более Вт.

«Луч-2»; 2-4 Вт слаботепловая, 5-7 Вт – тепловая, сильнотепловая 13-20 Вт. Обычно применяются слаботепловые и тепловые дозы. Общая длительность одной процедуры не более 30 мин, курс 8-12-14 процедур, ежедневно или через день. Повторный курс через 4-6 мес.

Техника проведения процедуры. Аппараты «Луч-58» и «Луч-58-1» в экранированной кабине устанавливаются так, чтобы излучатель был направлен в сторону наружной стены. Перед процедурой больной снимет все металлические предметы. После процедуры отдых 20-25 мин.

Излучатели от аппаратов «Луч-58» и «Луч-58-1» располагают на расстоянии 5-6 см от кожи, а «Луч-2» контактно.

Показания для СМВ терапии: острые, подострые и хронические воспалительные заболевание придаточных пазух носа, среднего уха, миндалин, органов дыхания (бронхит, острая, затяжная и хроническая пневмонии), одонтогенные воспаления верхней и нижней челюсти, подострые и хронические воспалительные, травматические и дитрофические заболевания органов опоры и движения (миозит, эпикондилит, тендовагинит, межпозвонковый остеохондроз, деформирующий остеоартроз, бурсит, растяжения, ушиб), подострые и хронические заболевания половых органов (сальпингоофорит, простатит, эпидидимит), послеоперационные инфильтраты, фурункулы, гидрадениты, трофические язвы, язвенная болезнь желудка 12 перстной кишки в фазе затухающего обострения, гастродуодениты, хронический гастрит, гепатит.

Противопоказания: злокачественные новообразования, активный туберкулёз, беременность, тиреотоксикоз, системные заболевания крови, наличие в тканях металлических тел, недостаточность кровообращения выше второй степени, хроническая ишемическая болезнь сердца, инфаркт сердца и мозга, сердечная астма, аневризма сердца и сосудов, пароксизмальные нарушения ритма сердца, резкое обострение всех заболеваний органов пищеварения, язвенная болезнь со стенозом привратника и подозрением на пенетрацию, ригидный антральный гастрит, эпилепсия.

ММВ (КВЧ)

ММВ-терапия.

ММВ-терапия (милиметроволновая терапия) – метод электролечения, основанный на использовании электромагнитных волн сверхвысокой частоты. Электромагнитные миллиметровые волны (ЭМ ММВ) представляют собой распространяющееся в пространстве, средах и тканях Э.М.П. СВЧ от 30 до 300 МГц, что соответствует длине волны 10-1 мм. В лечебной практике используют нетепловые интенсивности ЭМ ММВ, при которых повышение температуры тканей при локальных воздействиях не превышает 0,1ºС. энергия ЭМ ММВ поглощается молекулами свободной воды, водных растворов, белков, липидов, кислорода, коллагена, мембранами клеток, ДНК. Поглощение энергии ММВ кожей в три раза больше, чем СМВ и ДМВ.

ЭМ ММВ проникает в ткани на глубину 0,2 –0,6 мм, т.е. действует на эпидермис, сосочковый и ретикулярный слои кожи.

ЭМ ММВ влияют на коллагеновые волокна, расположенные в этих слоях кожи, и вызывают выделение биологически активных веществ, которые стимулируют выход гистамина из тучных клеток, это приводит к изменению проницаемости клеточных мембран.

Клетки, молекулы, атомы и другие частицы, из которых состоят живые организмы, имеют свой спектр электромеханических колебаний в пространстве, он совпадает с диапазоном ЭМ ММВ. Эти колебания клетки используют в качестве сигналов для управления процессами обмена веществ, восстановления нарушенных функций, повышения устойчивости организма к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Первые сообщения о лечебном применении ЭМ ММВ были опубликованы в 1980 г. Проводили лечение больных, страдающих маниакально-депрессивным психозом. Воздействовали на область задней поверхности плеча 20 мин определённой длиной волны, через день, курс лечения 10 процедур. После 3 процедур улучшились: клиническая картина, показатели ЭЭГ, ЭКГ, артериального давления. Для КВЧ-терапии (крайневысокой частоты или ММВ-терапии) используются установки «ЯВ6-1» с длинами волн 5,6 мм и 7,1 мм (соответственно частоты 53534 и 42194). Плотность мощности облучения 10 мВт/см². Питание установки – от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220 В. мощность от сети - не более 25 Вт. Установка смонтирована в блоке, который подвешивается на штативе, штатив крепится к столу, это позволяет ориентировать рупор на любую часть поверхности тела больного.

На передней панели блока расположены: кнопочный включатель сети, индикатор включения сети, кнопочный выключатель модуляции, ручка подстройки частоты, стрелочный индикатор настройки частоты и индикации наличия необходимой величены выходной мощности.

Меры предосторожности. Запрещается смотреть непосредственно в рупорный облучатель установки во время её работы. Методика применения для лечения язвенной болезни желудка.

Показания: те же что и методика, но у больных с язвенной болезнью желудка лечение проводить только после отрицательного гистологического и цитологического ответов.

Противопоказания: беременность используют установку «ЯВ61»-5,6, работающую в режиме частотной модуляции. Больному облучают нижний край грудины 30 мин ежедневно: курс 10-15-20 процедур. До лечения, через 10 сеансов и в последующем через каждые 5 сеансов проводят эндоскопическое исследование.

Однако многие аспекты лечебного действия ЭМ ММВ ещё не разработаны и механизмы реализации терапевтических эффектов не ясны и требуют дальнейшего изучения.

Оптикой (греч. оптос – видимый, зримый) называют раздел физики, в котором изучают природу света, процессы его распространения и явления, происходящие при взаимодействии света с веществом. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимого света, но в настоящее время она рассматривает также свойства невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных излучений.

В 60-х годах XIX в. английский ученый Д. К. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, из которой следовало, что оптическое излучение имеет электромагнитную природу. Экспериментальная проверка подтвердила теорию Максвелла. Оказалось, например, что скорость электромагнитных волн совпадает со скоростью света (по современным данным скорость света в вакууме с = 299 792 456,2 м/с»3·10⁸ м/с), показатель преломления вещества для световых и электромагнитных волн определяется величинами его электрических и магнитных проницаемостей () и т. п. Особое значение для подтверждения электромагнитной теории света имели опыты П. Н. Лебедева (1899), который показал, что измеренное им световое давление на вещество совпадает с вычисленным по теории Максвелла. Электромагнитная теория света подтверждает диалектическое единство между электромагнитными излучениями с разными длинами волн и убедительно демонстрирует один из основных законов диалектики, утверждающий, что количественные изменения ведут к коренным, качественным, изменениям, поскольку при переходе от длинных электромагнитных волн к коротким существенно изменяются их свойства. В соответствии со свойствами, а также с методами получения (электромагнитные генераторы, нагретые тела, рентгеновские трубки и пр.) электромагнитные излучения подразделяют на несколько диапазонов, границы которых условны и перекрываются. Диапазон с длинами волн от 10 нм до 400 мкм называют оптическим. Он граничит с одной стороны с рентгеновскими лучами, а с другой стороны с микроволновым радиоизлучением. Ощущение света вызывает излучение с длинами волн от 380 до 760 нм. Свет называют монохроматическим (греч. хрома – цвет), т. е. одноцветным, если в нем присутствует только одна длина волны (практически, если длины волн в нем различаются не более чем на десятые доли нанометра). Монохроматический свет видимого диапазона вызывает ощущение определенного цвета, однако при соблюдении вышеуказанного условия можно говорить о монохроматическом ультрафиолетовом или инфракрасном свете. Особое значение для человека и животных имеет белый свет, содержащий все длины волн видимого диапазона в таком соотношении по интенсивностям, в каком они присутствуют в солнечном свете, достигающем поверхности Земли.

Источники света создают излучения, в которых интенсивности разных длин волн, как правило, неодинаковы. Распределение интенсивности света по длинам волн называют спектром излучения; визуально их можно наблюдать в спектроскопе. Виды спектров, испускаемых нагретыми телами, зависят от природы тела и его температуры, и они могут быть сплошными, линейчатыми или полосатыми. В сплошном спектре переход от одного цвета к другому совершается постепенно, тогда как линейчатый спектр состоит из отдельных цветных линий на темном фоне. Каждой линии соответствует очень узкий интервал длин волн. Полосатый спектр состоит из полос, образованных большим числом линий, расположенных очень близко друг от друга. Несмотря на огромные успехи, электромагнитная теория оказалась не в состоянии объяснить ряд явлений, касающихся взаимодействия света с веществом, а также вопрос о распределении энергии в спектре излучения нагретых тел. Для выхода из этих затруднений немецкий ученый Макс Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу о дискретном (прерывистом) характере излучения электромагнитных волн и ввел в физику понятие кванта энергии (лат. quantum – количество), величина которого W зависит только от частоты излучения

где l – длина волны и h – универсальная константа, называемая постоянной Планка (h = 6,62·10^–34 Дж·с).

В настоящее время квантовый характер электромагнитного излучения установлен для всего электромагнитного спектра от длинных радиоволн до гамма-лучей. Кванты электромагнитного поля получили название фотонов. Энергия квантов увеличивается с уменьшением длины волны. Так, квант, соответствующий радиоволнам длиной 1 км, имеет энергию 2·10^–28 Дж, квант видимого света с длиной волны 500 нм имеет энергию 3,9·10^–19 Дж, а гамма-квант с длиной волны 10^–12 м – 2·10^–13 Дж. Эти энергии можно сравнить со средней энергией теплового движения одноатомных молекул идеального газа при комнатной температуре (6,2·10^–21 Дж). Из этого сравнения видно, что квантовый характер длинноволнового излучения мало заметен и начинает проявлять себя лишь в оптическом, а в особенности в гамма-диапазоне электромагнитного спектра. Особенно ярко проявляются квантовые свойства света в явлении фотоэффекта, т.е. в эмиссии электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. При взаимодействии фотона с электроном энергия фотона расходуется на работу ионизации А _И, которую надо совершить, чтобы вырвать электрон из атома или из тела в целом, а также на сообщение электрону кинетической энергии

Это равенство, называемое уравнением Эйнштейна, объясняет законы фотоэффекта. Сила фототока, определяемая числом вылетевших из тела электронов, пропорциональна интенсивности света, которая тем больше, чем больше число фотонов, падающих на тело. Скорость же фотоэлектронов и их энергия от интенсивности света не зависят и определяются только частотой света и работой выхода.

Излучение и поглощение света веществом связаны с квантовыми свойствами его атомов и молекул, внутренняя энергия которых меняется не непрерывно, а может принимать лишь определенные дискретные значения. Переход атомного электрона из одного энергетического состояния в другое происходит скачкообразно путем испускания (или поглощения) фотона, энергия которого равна разности энергий начального (постулат Бора). Отсюда частота света, испускаемого атомами или молекулами:

Формула Бора объясняет вид оптических спектров, так как каждая линия спектра соответствует одному из квантовых переходов между энергетическими уровнями в данном веществе. Разреженные одноатомные газы, пары металлов, состоящие из •отдельных, не взаимодействующих друг с другом атомов, дают при свечении линейчатые спектры. Более сложны молекулярные спектры, испускаемые парами многоатомных газов (СО₂, Н₂О), поскольку в молекулах, состоящих из взаимодействующих атомов, появляются дополнительные энергетические уровни, вызванные колебаниями атомов в молекуле и вращением их относительно общего центра масс. Излучение, обусловленное переходами электронов как между атомными, так и между колебательными и вращательными энергетическими уровнями в молекулах, приводит к образованию полосатых спектров. Сплошные спектры излучения от раскаленных твердых и жидких тел обусловлены переходами электронов между энергетическими уровнями, образованными совокупностью множества взаимодействующих между собой молекул и ионов, например, в кристаллической решетке твердого тела.

Для того чтобы квантовая система (атом, молекула) могла излучать фотоны, необходимо привести ее в возбужденное состояние, т.е. сообщить ей дополнительную энергию извне, например, путем нагревания вещества. При высоких температурах кинетическая энергия атомов может быть настолько велика, что при столкновениях валентные, или, как их называют, оптические, электроны получают энергию, достаточную для перехода на более высокие энергетические уровни. Перевести атомы в возбужденное состояние можно также, создавая в веществе электрический разряд, облучая его светом, ионизирующими излучениями. В возбужденном состоянии атомы и молекулы находятся очень короткое время (10^–15–10^–10 с), после чего переходят на нижележащие энергетические уровни, испуская фотоны. Отдельные атомы или молекулы совершают эти переходы независимо друг от друга, и поэтому испускание фотонов происходит беспорядочно. При спонтанном (самопроизвольном) излучении свет пространственно некогерентен. Это означает, что юн представляет собой беспорядочную смесь отдельных волн, которые усиливают или ослабляют друг друга случайным образом. Световой фронт от такого источника напоминает волну на поверхности воды, в которую бросили горсть песчинок, тогда как когерентная волна напоминает волну, полученную на воде при бросании одного камня.

Другое свойство температурного излучения, вызванного нагревом вещества, – его широкий спектральный состав. Объясняется это тем, что хотя средняя квадратичная скоростью атомов при данной температуре одинакова, истинные скорости у каждого атома различны, и распределение числа атомов по скоростям определяется законом Максвелла. Поэтому при столкновениях оптические электроны переходят на тем более высокие энергетические уровни, чем больше относительная скорость атомов или молекул при их столкновениях. Отсюда следует, что электроны, переходя с возбужденных уровней на основные, испускают фотоны различных энергий, которым соответствуют разные длины волн, в результате чего распределение интенсивности света, излучаемого нагретыми телами, зависит от температуры. Мощность такого излучения также распределена в широком диапазоне длин волн, и на узкий спектральный участок, например, зеленый, приходится небольшая мощность. Так, мощность излучения Солнца во всем диапазоне длин волн равна 7 кВт с 1 см² его поверхности. Если же отфильтровать узкую полосу зеленого цвета шириной D l = 1 нм, то каждый квадратный сантиметр солнечной поверхности излучает в этом интервале всего 10 мкВт. Таким образом, температурные источники света испускают спонтанное, некогерентное и немонохроматические излучения с малой мощностью при расчете на конкретную узкую область длин волн.

Солнце – наиболее мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Солнечное излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия), используется как средство закаливания. Оно же может оказывать негативное воздействие на организм (ожог, тепловой удар).

Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и на поверхности Земли различны, (рис.):

На границе атмосферы спектр близок к спектру черного тела. При этом максимум спектра излучения приходится на l _1,max = 470 нм. Используя закон Вина, по этому значению можно оценить температуру поверхности Солнца. Она примерно равна 6100 К.

У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. Максимуму этого спектра соответствует длина волны l _2,max = 555 нм, что соответствует наилучшей чувствительности глаза.

В спектре излучения Солнца, достигающего земной поверхности, отсутствуют самые коротковолновые ультрафиолетовые лучи, практически полностью поглощаемые озоновым слоем атмосферы (поэтому Солнце при наблюдении из космоса немного «зеленее», чем при взгляде на него с поверхности Земли). В области длин волн ниже 200 нм ультрафиолетовое излучение сильно поглощается всеми телами. Непоглощенную часть ультрафиолетового спектра условно делят на три области:

A. 400-315 нм – длинноволновая область;

B. 315-280 нм –- средневолновая область;

C. 280-200 нм – коротковолновая область.

Солнечная постоянная I – характеризует мощность солнечного излучения, приходящегося на 1 м² площади.

На границе земной атмосферы I = 1350 Вт/м², на экваторе вблизи поверхности земли – 1120 Вт/м², в Москве – 930 Вт/м².

Для биологических систем, существующих на земной поверхности, важным является то, как распределена энергия в спектре солнечного излучения. Это распределение резко меняется в зависимости от положения Солнца на небесном своде. При различной высоте над горизонтом солнечным лучам приходится проходить разные толщи атмосферы, которая рассеивает и поглощает эти лучи различным образом для разных длин волн. На рис. приведены сглаженные кривые распределения энергии солнечного света: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца в зените; III – при высоте 30° над горизонтом; IV –- при условиях, близких к восходу и закату, (10° над горизонтом).

В 1916 г. А. Эйнштейн показал, что, кроме спонтанного излучения света, существует возможность вынужденного излучения. Если частота фотона, падающего на возбужденный атом, совпадает с одной из частот, которые этот атом может испускать, то атом испускает фотон с такой же частотой, как и частота падающего фотона, т.е. происходит резонансное излучение. По своим свойствам вынужденное резонансное излучение резко отличается от спонтанного. Испущенный фотон совпадает с падающим не только по частоте, но и по направлению излучения и оказывается поляризованным в той же плоскости, что и падающий фотон. Для реализации вынужденного излучения необходимо, чтобы отсутствовало спонтанное излучение, т. е. чтобы электроны, попав на возбужденные уровни, оставались там достаточно долго, дожидаясь того момента, когда к ним подлетит резонансный фотон. В некоторых так называемых активных средах можно создать подобную инверсную населенность уровней, иными словами, такое распределение электронов по энергетическим уровням, при котором в одном из возбужденных состояний находится больше атомов, чем в других состояниях с меньшей энергией. Резонансные фотоны вызывают испускание фотонов, в свою очередь, играющих роль резонансных, вследствие чего число излучаемых фотонов лавинообразно нарастает, и интенсивность излучения будет очень велика. Таким образом, вынужденное излучение обладает большой интенсивностью, монохроматичностью и когерентностью. На этом явлении основано действие оптических квантовых генераторов или лазеров.