Jonizacja a Zapalenie Stawów Dłoni: Zrozumienie Oddziaływania Pól Elektromagnetycznych
- Szczegóły
Czy fale elektromagnetyczne są szkodliwe dla człowieka? Pytanie to zadaje sobie wielu użytkowników m.in. telefonów komórkowych. Warto w tym miejscu zauważyć, że tak zadane pytanie nie ma sensu. Nie można na nie odpowiedzieć jednoznacznie TAK lub NIE, nie biorąc pod uwagę charakterystyki fali, o której mówimy, ponieważ skutki biologiczne będą od niej zależeć. Przede wszystkim należy uwzględnić częstotliwość (a tym samym długość) fali i energię fotonów z nią związanych.
Zrozumienie Pola Elektromagnetycznego (PEM)
Zrozumienie zjawiska, jakim jest pole elektromagnetyczne (PEM) nie jest możliwe bez wyjaśnienia, czym w fizyce jest „pole”. Termin ten przez fizyków rozumiany jest jako stan przestrzeni, w którym obserwowane są pewne określone oddziaływania. Możemy zatem zetknąć się z takimi określeniami jak „pole grawitacyjne”, „pole magnetyczne” czy „pole elektryczne”, w zależności od tego z jakiego rodzaju siłami mamy do czynienia.
Problem najłatwiej zobrazować na przykładzie tego ostatniego, czyli pola elektrycznego. Jedną z podstawowych kwestii związanych ze zjawiskami elektrycznymi, którą chyba każdy zapamiętał ze szkoły jest fakt, że ładunki elektryczne przyciągają się, jeśli mają przeciwne znaki lub odpychają, jeśli mają ten sam znak. Ładunek elektryczny jest więc źródłem pola, w którym na inne ładunki działają siły przyciągające lub odpychające. Pole takie nazywamy elektrycznym, ponieważ działa ono na ładunki elektryczne. Skoro już pojedynczy ładunek jest źródłem pola elektrycznego, to przestrzenny rozkład ładunków - czyli naładowany obiekt makroskopowy - również jest źródłem takiego pola. Jest nim na przykład napompowany balonik, który potrzemy o włosy.
Pole elektryczne rozciągające się wokół balonika działa na inne naładowane elektrycznie obiekty przyciągając je (jak nasze włosy, skrawki papieru czy kurz) lub odpychając. Na obiekty takie działa siła, która wprawia je w ruch, jeśli dotychczas pozostawały w spoczynku, albo zmienia ich ruch, jeśli się poruszały. Można więc powiedzieć, że pole elektryczne oddziałując na inne obiekty określoną siłą ma zdolność do zmiany ich energii kinetycznej.
Jak łatwo się domyślić siła z jaką obiekty oddziałują ze sobą za pośrednictwem pola zależy od odległości pomiędzy nimi i jest tym mniejsza, im odległość jest większa. Są to zależności nieliniowe. Przykładowo w przypadku pola elektrycznego siła maleje z kwadratem odległości pomiędzy oddziałującymi na siebie ładunkami. Oznacza to, że w przypadku podwojenia tej odległości siła maleje czterokrotnie. Pole elektryczne oddziałuje na każdy ładunek elektryczny, który się w nim znajduje.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Nieco inaczej jest w przypadku drugiego zjawiska istotnego w zrozumieniu zagadnień związanych z falami elektromagnetycznymi, czyli w przypadku pola magnetycznego. Pole magnetyczne, to stan przestrzeni, w którym siły oddziałują na poruszające się ładunki elektryczne, ale już na pozostające w bezruchu nie działają. Pole magnetyczne ma zdolność zmiany toru poruszających się ładunków, co wiąże się z pewnym przekazem energii pola obiektom, a w konsekwencji ze zmianą ich energii kinetycznej.
O polu magnetycznym wiemy również, że oddziałuje na obiekty makroskopowe, które wykazują „własności magnetyczne”, jak na przykład igła kompasu czy magnes na metalowej tablicy z ogłoszeniami. U podstaw takich własności leżą oddziaływania ładunków elektrycznych na poziomie mikroskopowym, ale wykracza to poza zakres naszych rozważań. Opisane wyżej zjawiska dotyczą sytuacji, gdy pola są statyczne, czyli nie zmieniają się w czasie.
Zmienne Pole Elektromagnetyczne
Pole elektryczne i magnetyczne może jednak ulegać zmianom. Wyobraźmy sobie na przykład, że naelektryzowany balonik, wokół którego rozciąga się statyczne pole elektryczne, przesuwamy w przestrzeni. Jak zaznaczyliśmy wcześniej zdolność pola do oddziaływania na inne obiekty (siła) zależy od odległości od źródła pola. Jeśli więc wybierzemy jakiś konkretny punkt przestrzeni w pewnym oddaleniu od balonika, to zmiana jego pozycji względem tego punktu będzie powodowała zmianę właściwości pola elektrycznego w tym konkretnym miejscu. Podobnie proces elektryzowania balonu przez pocieranie będzie zmieniał pole wokół niego. Czym więcej ładunków zgromadzi się na jego powierzchni podczas pocierania o włosy, tym pole będzie stawało się silniejsze.
Podsumowując, można stwierdzić, że źródłem zmiennego pola elektrycznego są przemieszczające się w przestrzeni ładunki elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektrycznego może być również zmienne pole magnetyczne i odwrotnie. Źródłem zmiennego pola magnetycznego jest zmienne pole elektryczne. Zjawiska te są ze sobą związane i generują się nawzajem. Jeśli w jakimś punkcie przestrzeni dochodzi do zmiany pola elektrycznego, to towarzyszy mu również zmiana pola magnetycznego w tym punkcie. I tym właśnie jest pole elektromagnetyczne, jest stanem przestrzeni, w którym następują powiązane ze sobą, cykliczne zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego.
Pole elektromagnetyczne oddziałuje na ładunki elektryczne równocześnie składową elektryczną i magnetyczną. Zauważmy, że zmiany obydwu rodzajów pól odbywają się zarówno w czasie, jak i w przestrzeni. Jeśli pole pojawia się w jakimś miejscu, to rozbiega się ono błyskawicznie w przestrzeni wokół tego miejsca. W kolejnych punktach, do których dociera, generowane jest na przemian pole elektryczne, które generuje pole magnetyczne, które z kolei generuje pole elektryczne, które jest źródłem pola magnetycznego… i tak w nieskończoność.
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Widzimy więc, że pole elektromagnetyczne, które powstaje w jakimś konkretnym miejscu jest zaburzeniem przestrzeni, które propaguje się w czasie i w przestrzeni. Zjawisko takie można opisywać w sposób bardzo podobny do opisu fali dźwiękowej w powietrzu albo do opisu fal na powierzchni wody. Przemieszczający się obiekt o niezerowym ładunku elektrycznym jest źródłem zmiennego pola elektrycznego, a tym samym źródłem FEM. Tak samo jest w sytuacji, gdy taki obiekt wiruje, drga albo gdy zmienia kształt (wtedy w ramach jego objętości zmienia się rozkład ładunku elektrycznego).
Pola Elektromagnetyczne w Naturze
Cały Wszechświat jest zbudowany z atomów, które łączą się w cząsteczki (chemiczne), atomy z kolei zbudowane są z cząstek elementarnych. Część z nich obdarzona jest ładunkiem. Atomy czy cząsteczki chemiczne mogą zostać zjonizowane, co prowadzi do powstawiania obiektów elektrycznie nieobojętnych. Wszystkie w/w elementy organizacji materii poruszają się i oddziałują ze sobą w ten, czy w inny sposób, co związane jest z powstawaniem pól elektromagnetycznych o różnych parametrach.
Pola elektromagnetyczne są nieodłączną cechą funkcjonowania Wszechświata i są obecne w naturze. Powstają wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z oddziaływaniem ładunków elektrycznych albo obiektów naładowanych elektrycznie. Powstają również wtedy, gdy następuje przepływ ładunku, a więc mówiąc potocznie, przepływ prądu elektrycznego. Wszystkie tego rodzaju zjawiska wiążą się z absorpcją albo emisją FEM, w pewnych sytuacjach nazywanej również promieniowaniem elektromagnetycznym.
Organizację Wszechświata można rozpatrywać w różnych skalach. Na poziomie obiektów makroskopowych, w tym np. ciała człowieka; na poziomie cząsteczek chemicznych, z których wszystko jest zbudowane; na poziomie atomów, z których zbudowane są cząsteczki; czy wreszcie na poziomie jąder atomowych i cząstek elementarnych. Oczywiście FEM będące efektem procesów obserwowanych w różnych skalach będą miały odmienne właściwości w sensie oddziaływania na świat materialny i na nas samych, pomimo tej samej natury.
Właściwości FEM generowanej przez jądro atomowe będą inne niż tej, która emitowana jest przez pręt aluminiowy o długości 1 m, przez który popłynie prąd zmienny (czyli tzw. antenę dipolową). Jeśli dochodzi do takich oddziaływań na poziomie jąder atomowych, czyli obiektów bardzo małych, to mamy do czynienia z FEM o bardzo małej długości, czyli równocześnie bardzo wysokiej częstotliwości. Fale elektromagnetyczne z tego zakresu częstotliwości nazywamy promieniowaniem gamma.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Źródłem FEM mogą być same atomy, czyli tak naprawdę elektrony na ich powłokach. Ponieważ atomy są większe niż ich jądra, to i FEM generowana w takich procesach ma większą długość. Fale emitowane albo absorbowane w tego rodzaju zjawiskach nazywamy promieniowaniem Rentgena (albo promieniowaniem X), promieniowaniem ultrafioletowym i światłem widzialnym. W przypadku gdy źródłem FEM są cząsteczki chemiczne, to mamy do czynienia ze światłem widzialnym i podczerwienią. Gdy wreszcie źródłem FEM są prądy przepływające w obiektach makroskopowych, to generowane są fale radiowe.
Charakterystyka Fal Elektromagnetycznych
Jednym z parametrów opisujących PEM jest częstotliwość, z jaką następują zmiany pola. Częstotliwość, to liczba zmian obserwowanych w jednostce czasu. Wyraża się ją w hercach (Hz), a 1 Hz oznacza obserwację jednej zmiany w ciągu jednej sekundy. Jak już wiemy PEM często nazywane jest również falą elektromagnetyczną, gdyż jest propagowane i w czasie, i w przestrzeni.
FEM ma zdolność do rozchodzenia się z ogromną prędkością. W próżni jest ona równa niemal 300 tys. kilometrów na sekundę i nazywana jest prędkością światła bez względu na rodzaj FEM, który rozpatrujemy. W powietrzu FEM rozchodzi się z prędkością nieco mniejszą od prędkości światła. W zależności od rodzaju FEM i rodzaju materiału może się rozchodzić również w innych ośrodkach, ale zawsze odbywa się to z mniejszą prędkością niż w próżni i zawsze wiąże się z absorpcją części energii niesionej przez falę w materiale.
Droga, którą FEM przebywa w czasie pojedynczego „drgnięcia” pola nazywana jest długością fali. Jest to drugi parametr fizyczny istotny w opisie FEM. Długość fali i częstotliwość są względem siebie odwrotnie proporcjonalne. Czym szybciej drga pole, tym krótszą drogę jest w stanie przebyć w czasie pojedynczego drgania.
gdzie stała c we wzorze jest wspomnianą wcześniej prędkością światła.
FEM niesie ze sobą energię i ta energia może zostać przekazana obiektowi, z którym fala oddziałuje. Pod pewnymi względami zachowuje się ona jakby stanowiła strumień cząstek elementarnych. Cząsteczki kojarzone z FEM nazywamy fotonami, a teorię, która mówi o tym, że FEM zachowuje się jak fala, ale równocześnie jak strumień cząsteczek, nazywamy teorią dualizmu korpuskularno-falowego. Korpuskularna (cząsteczkowa) natura FEM szczególnie łatwo objawia się w przypadku bardzo wysokich częstotliwości (fal bardzo krótkich). Dotyczy to zakresów gamma, X i części ultrafioletu. Fotony z tych zakresów związane są z tak wysokimi częstotliwościami i niosą tak dużo energii, że są w stanie jonizować atomy i cząsteczki chemiczne. Jonizować, czyli rozrywać je na elementy składowe posiadające ładunek elektryczny. W wyniku ich oddziaływania powstają swobodne elektrony oraz jony. Wszystkie trzy w/w zakresy można określić jednym wspólnym mianem - promieniowanie jonizujące.
Światło widzialne i podczerwień nie posiadają już zdolności jonizacji materii, ale nadal dość wyraźnie objawia się ich dwoistość korpuskularno-falowa. Fale radiowe w najmniejszym stopniu wykazują zachowania typowe dla strumienia cząsteczek, a fotony kojarzone z nimi zdecydowanie nie mają zdolności jonizacji materiału. W przybliżeniu, począwszy od granicy pomiędzy ultrafioletem, a światłem widzialnym, poprzez światło widzialne i podczerwień, aż po najdłuższe fale radiowe, mamy więc do czynienia z FEM niejonizującą. Nie znaczy to jednak, że fale tego rodzaju nie mają zdolności przekazywania swojej energii do środowiska.
Przekaz ten w przypadku zakresów jonizujących odbywa się głównie na drodze jonizacji, a w przypadku FEM z zakresów niejonizujących na drodze innych mechanizmów. Polegają one na zmianie energii kinetycznej cząsteczek o niezerowym ładunku elektrycznym (elektrony i jony) albo chemicznych cząsteczek polarnych. Cząsteczki polarne to takie, które jako całość są obojętne elektrycznie, ale rozkład ładunku elektrycznego w ich objętości jest niesymetryczny albo niejednorodny. Najważniejszym przykładem takiej cząsteczki jest cząsteczka wody. Zmiany pola elektrycznego (w dużo mniejszym stopniu zmiany pola magnetycznego w przypadku tkanek) wpływają na ruch polarnych cząsteczek materiału lub znajdujące się w nim jony. Zmiany takie mogą dotyczyć ruch postępowego, rotacji albo cyklicznych drgań i deformacji. W ten sposób materiał pozyskuje energię z FEM, a zysk ten objawia się jako wzrost jego temperatury. Temperatura ośrodka jest bowiem miarą energii ruchu wszystkich atomów i cząsteczek wchodzących w jego skład. Z tego powodu oddziaływania FEM z zakresów niejonizujących, zwłaszcza radiowych, nazywane są często oddziaływaniami termicznymi.
W określonych warunkach, tzn. przy odpowiednio silnym polu elektromagnetycznym i właściwie dobranej częstotliwości może dojść do przepływu prądu elektrycznego, który jest niczym innym jak ukierunkowanym przepływem ładunków elektrycznych, a w przypadku tkanek - przepływem jonów. Przepływ prądu elektrycznego w każdym materiale powoduje wzrost jego temperatury, mamy więc w tym przypadku również do czynienia z efektem termicznym. Dodatkowym efektem w przypadku organizmów żywych mogą być jednak zaburzenia takich procesów fizjologicznych w organizmie, u podstaw których leży przepływ ładunku.
Potencjalna Szkodliwość FEM dla Organizmu
Fundamentalną sprawą związaną z potencjalną szkodliwością FEM dla organizmu żywego jest ilość energii przekazanej przez FEM do układu. Musimy więc wiedzieć, w jaki sposób opisuje się przekaz energii materiałowi, na który działa FEM. W przypadku promieniowania jonizującego istotną rolę pełni energia fotonów związanych z FEM i jej relacja do energii wymaganej do rozerwania atomów i cząsteczek chemicznych na jony, ponieważ najważniejszym procesem jest w tym przypadku jonizacja. Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe opisuje się wprowadzając pojęcie dawki, równoważnika dawki, efektywnego równoważnika dawki czy mocy dawki.
W skrócie można powiedzieć, że wszystkie te wielkości opisują ilość energii zdeponowanej w tkankach w procesie jonizacji i skutki biologiczne takiej ekspozycji w zależności od rodzaju promieniowania jonizującego oraz rodzaju tkanki. W przypadku promieniowania jonizującego dochodzi do efektu kumulacji ekspozycji, co oznacza, że czas ekspozycji i częstość jej występowania mają istotne znaczenie.
Żeby zobrazować, jak niebezpieczne może być promieniowanie jonizujące i aby mieć dalsze odniesienie dla porównania z oddziaływaniem promieniowania niejonizującego, można powiedzieć, że w przypadku człowieka o masie 70 kg pochłonięcie energii FEM z zakresu jonizującego na poziomie około 300 J w trakcie ekspozycji może mieć skutek śmiertelny. Dla porównania jedna łyżeczka cukru waży aż 250 ra...
tags: #jonizacja #zapalenie #stawów #dłoni
