Біосфера і фізичні поля

Біосфера Землі, у тому числі і людина, розвивалися й існують під постійною дією потоків електромагнітних хвиль і іонізуючих випромінювань. Природний радіоактивний фон і фон електромагнітних випромінювань є сферою нашого існування, невід'ємною частиною й умовою розвитку життя.

Космічні події, зміни сонячної активності, порушення магнітосфери й іоносфери Землі можуть впливати на життєві процеси всіх біологічних об'єктів нашої планети.

Вивчення впливу фізичних полів навколишнього світу на біосферу є однією з найважливіших задач біофізики. Прогрес у цій області науки тісно зв'язаний із проблемами розвитку цивілізації, екологічного стану Землі й існування людства.

З іншого боку, сама людина є джерелом акустичних і електромагнітних полів. Ці поля називаються власними фізичними полями людини. До них відносяться акустичні, електричні і магнітні поля, електромагнітні хвилі в радіо-інфрачервоному і видимому діапазонах. Вивчення власних фізичних полів людини дозволяє глибше розуміти процеси, що відбуваються в організмі, і використовувати ці поля в діагностичних цілях.

Речовина і поле – складові єдиного матеріального світу.

На сучасному рівні розвитку науки відомі два види матерії: речовина і поле. До речовини відносяться форми матерії, що складаються з елементарних часток (протонів, електронів, нейтронів і ін.), з яких складаються атоми і молекули і, у кінцевому рахунку, усі навколишні тіла. Речовині властива наявність маси спокою. Поле - форма матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія між частками речовини або тілами. Полю властиві безперервність у просторі і відсутність маси спокою.

Поле і речовина нерозривно зв'язані між собою, утворюють єдину матерію нашого світу.

Найважливішою універсальною властивістю матерії є корпускулярно-хвильовий дуалізм. Усім мікрооб'єктам властиві одночасно і корпускулярні, і хвильові властивості. Уперше корпускулярно-хвильовий дуалізм був установлений для світла. Досліди по інтерференції, дифракції світла свідчили про його хвильову природу і підтверджували теорію Максвела, що установила, що світло являє собою електромагнітні хвилі.

Електромагнітною (ЕМ) хвилею називається процес поширення в просторі взаємоіндукуючих одне одного змінних електричних і магнітних полів.

Основні положення про ЕМ поле були сформульовані англійським фізиком Максвелом, що об'єднав у рамках єдиної теорії електричні і магнітні явища. Ним було показано, що ЕМ хвилі поширюються в середовищі з кінцевою швидкістю, вектори напруженості електричного поля Ε і магнітного поля Η взаємо-перпендикулярні і фази їхніх коливань однакові. Для плоскої гармонійної ЕМ хвилі, що поширюється в ізотропному середовищі без загасання:

E(x,t) = Е_msin ω (t – x/v),

H(x,t) = H_msin ω (t – x/v) (11.1)

де E(x,t) - миттєве значення напруженості електричного поля, Ε_m - її максимальне значення, H(x,t) - миттєве значення напруженості магнітного поля, Η_m - її максимальне значення, ω - циклічна частота; v - швидкість поширення ЕМ хвилі, t - час, x - координата уздовж напрямку поширення хвилі.

Довжина хвилі  і період коливань Т зв'язані співвідношенням:

λ = v. (11.2)

Довжиною хвилі називається відстань між двома найближчими крапками, коливання величин Ε і Η у яких відбуваються в однаковій фазі. Швидкість поширення ЕМ хвилі у вакуумі (с) є величина постійна:

де ε₀ - електрична постійна (ε₀ = 8,8510^-12 Φ/м), μ₀ - магнітна постійна (μ₀ = 4π10⁷ Гн/м). Швидкість поширення ЕМ хвилі в однорідному ізотропному середовищі, що має відносну діелектричну проникність ε  1 і відносну магнітну проникність μ  1, має вигляд:

(11.4)

З рівняння (11.4) випливає, що швидкість поширення ЕМ хвилі в середовищі (V) завжди менше, ніж у вакуумі (с).

Найважливішою характеристикою хвилі є інтенсивність I - середня кількість енергії W_ср, що переноситься хвилею за одиницю часу через одиничну площадку, розташовану перпендикулярно напрямкові поширення хвилі:

(11.5)

Разом з тим Планк показав, що для пояснення закону рівноважного теплового випромінювання необхідно прийняти гіпотезу про дискретний характер випромінювання, думаючи, що енергія випромінювання кратна деякій величині ε, названа ним квантом енергії:

(11.6)

де ν - частота випромінювання, h = 6,6210^-34 Джс – постійна Планка.

Надалі працями Ейнштейна і ряду вчених було показано, що ЕМ-випромінювання не тільки випускається, але і поширюється квантами. Так виникло представлення про частки світла фотони, що несуть квант енергії ε і, що рухаються зі швидкістю світла.

Таким чином, було вирішене протиріччя, що виникло ще в 17 сторіччі й утримується у твердженнях, що світло, з одного боку, - це хвиля (Гюйгенс), а з іншого боку - потік «корпускул» (Ньютон). ЕМ випромінювання має дуалізм, тобто одночасно і властивості хвилі (11.1), і властивості потоку часток (11.6). Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий і іншим мікрочастинкам, наприклад електронам, нейтронам.

Один вид матерії може перетворюватися в інший і назад. Так відома реакція анігіляції (знищення) двох античастинок: електрона і позитрона:

(11.7)

У даній реакції речовина - електрон е^– і позитрон е⁺ - перетворюються в два кванти електромагнітного поля. У результаті цієї реакції можуть утворюватися два гамма-кванти, що мають енергію не менш 0,51 МеВ кожний.

Відомо і зворотне перетворення - реакція народження пари:

(11.8)

При цій реакції гамма-фотон високої енергії (більш 1,2 МеВ) при взаємодії з електричним полем ядра атома перетворюється в дві частинки: електрон і позитрон. Таким чином, кванти електромагнітного поля перетворюються в речовину. Реакції анігіляції і народження пар являють приклад переходу одного виду матерії в інший і назад.