Микроволновое излучение (микроволны): что это такое, длина волны, частота, свойства

Микроволновое излучение (микроволны) являются частью нашей жизни – они окружают нас почти постоянно. Они позволяют нам пользоваться мобильными телефонами, интернетом, сетями Wi-Fi, GPS-навигацией, микроволновыми печами. Трудно представить себе жизнь без этих устройств. Стоит знать, каковы свойства микроволн и могут ли они нанести вред здоровью. В данной статье мы рассмотрим эти вопросы.

Микроволны – это электромагнитные волны с диапазоном между инфракрасным излучением и радиоволнами. Иногда микроволновое излучение относят к радиоволнам с самой высокой частотой и самой короткой длиной волны. Микроволновое излучение, заполняющее Вселенную, так называемое реликтовое излучение, или фоновое излучение, является самым древним остатком от самых ранних этапов эволюции Вселенной.

Как и все электромагнитные волны, микроволны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью = 3 * 108 м/с. Электромагнитная волна характеризуется:

  • частота f, т.е. число полных изменений магнитного и электрического полей в секунду, выраженное в герцах (Гц) – микроволны имеют частоту в диапазоне 300 МГц – 300 ГГц
  • длина волны λ, т.е. расстояние между соседними точками, где электрическое и магнитное поля имеют одинаковую фазу – микроволны имеют длину волны от 10-3 м до 1 м (от 1 мм до 1 м).

Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: f = c / λ .

Энергия кванта излучения, фотона, прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны: E = h * f = h * c / λ , где h – постоянная Планка, h = 4,14·10–15 эВ·с = 6,63·10–34 Дж·с .

Энергия фотонов микроволнового излучения мала. Наибольшая энергия микроволнового фотона в несколько сотен раз меньше энергии фотона видимого света и в несколько сотен тысяч раз меньше энергии фотонов, которые могут ионизировать атомы и повреждать химические молекулы. Здесь стоит отметить, что появляющиеся в интернете сообщения о вреде микроволн, которые якобы вызывают рак мозга и другие ужасные последствия, являются необоснованными. Их авторы просто перепутали низкоэнергетическое микроволновое излучение с высокоэнергетическим ионизирующим излучением, таким как дальний ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Если видимый свет не вредит нам, то тем более микроволновое излучение.

Свойства

Микроволны, особенно те, которые имеют более высокую частоту и короткую длину волны, распространяются в пространстве аналогично видимому свету. Волны распространяются почти по прямой линии и подвержены тем же явлениям, что и свет: они отражаются, проходят через одни материалы и поглощаются другими.

Микроволны отражаются от металлических поверхностей. Металлический корпус создает для них непроходимую границу. Поэтому микроволновая печь (рис. 1.) для разогрева пищи имеет металлическую конструкцию, а стеклянное окошко в дверце закрыто металлической сеткой. Это предотвращает попадание микроволнового излучения на внешнюю поверхность прибора.

Микроволновая печь
Рисунок 1. Микроволновая печь

Электромагнитные волны отражаются и рассеиваются, когда они сталкиваются с изменением диэлектрических или магнитных свойств среды, в которой они распространяются. Это может быть твердое тело, жидкость или воздух – в общем, среда, в которой распространяется излучение. Электрические проводники – это такие материалы, которые особенно сильно отражают микроволновое излучение. Металлы или углеродные волокна, таким образом, делают радар устройством, исключительно хорошо подходящим для обнаружения самолетов или кораблей (рис. 2.).

Радар дальнего действия
Рис. 2. Радар дальнего действия, представляющий собой параболическую антенну, которая может вращаться для наблюдения за активностью вблизи горизонта

Материалы, содержащие дипольные молекулы, такие как молекулы воды, поглощают микроволновые волны. Переменное электрическое поле, связанное с распространяющимся микроволновым излучением, вращает молекулы, которые являются диполями, выравнивая их в соответствии с направлением и отдачей этого поля. Движущиеся дипольные частицы, передают кинетическую энергию другим окружающим частицам – в результате температура материала повышается. Энергия микроволнового излучения преобразуется во внутреннюю энергию среды. Другой способ поглощения микроволнового излучения касается материалов, содержащих ионы. Под воздействием переменного электрического поля ионы начинают двигаться и сталкиваться с другими частицами, что приводит к передаче тепловой энергии.

Для справки. Дипольная молекула [полярная молекула] (англ. polar molecule) – это молекула, в которой положительные и отрицательные заряды смещены друг относительно друга, так что молекула является электрическим диполем (имеет ненулевой дипольный момент).

Материалы, не содержащие дипольных частиц и ионов, пропускают микроволновое излучение. Например, стекло, керамика, пластик и бумага прозрачны для микроволн и не поглощают их энергию. Почему это происходит? Фотоны микроволнового излучения имеют слишком мало энергии, чтобы взаимодействовать с атомами и молекулами. Они не могут разрушить химические молекулы или выбить электроны из атомов, поэтому они не теряют энергию.

Итак, существуют материалы, которые поглощают микроволновое излучение, испускаемое, например, упомянутым в статье радаром. Они используются в конструкции военной техники. Такие объекты не являются полностью невидимыми для электромагнитного излучения, только их форма и покрытие из поглощающего микроволны материала приводят к тому, что отраженное излучение является крайне слабым и не выделяется на фоне шума, что затрудняет их обнаружение.

Важно помнить, что микроволновое излучение не является ионизирующим излучением.

Атмосфера Земли прозрачна для микроволнового излучения с длиной волны от 1 см до нескольких метров. В этих диапазонах работают передатчики и приемники телекоммуникационных спутников. Микроволновое излучение также используется в мобильной телефонии, радарах и других устройствах, для которых важно отсутствие поглощения излучения в воздухе.