аихисмАилов
Биофизическое
действие
СВЧ-излучений
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1987

УДК 539.16.047:574
Исмаилов Э. Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений. М.: Энерго-
атомиздат, 1987. 144 с.
Рассмотрена одна из центральных проблем биологического
действия микроволн - биофизический аспект влияния СВЧ-излучений на
живые объекты. Описаны физические принципы взаимодействия
микроволн с веществом и физико-химические механизмы поглощения СВЧ-
энергии в биологической ткани; результаты исследований влияния
микроволн на клетки, субклеточные структуры и биологические
мембраны; материалы по использованию микроволн в народном
хозяйстве, некоторые СВЧ-методы исследования и вопросы гигиены.
Для научных работников, биофизиков, биохимиков, физиков и
химиков.
Табл. 16. Ил. 34. Библиогр. 122.
Рецензент Ю. Б. Кудряшов
2001040000-045
051 (01) -87 ~ © Энергоатомиздат, 1987

Светлой памяти
матери моей посвящаю
ПРЕДИСЛОВИЕ
В проблеме биологического действия сверхвысокочастотных (СВЧ)
электромагнитных полей и излучений все более актуальными
становятся вопросы биофизического действия микроволн.
Отечественными и зарубежными авторами опубликованы работы,
в которых в большей или меньшей степени освещены первичные
механизмы влияния СВЧ-излучений на биологические системы различного
уровня организации. Значительная часть из них наряду с оригинальными
статьями использована автором в качестве литературных источников
при подготовке данной книги.
В отличие от предыдущих изданий на аналогичную тему в
предлагаемой книге впервые сделана попытка рассмотреть биофизический аспект
проблемы на основе фундаментальных законов электромагнетизма и
современных физических и физико-химических представлений о
взаимодействии излучения с веществом. Поэтому в первой части книги дана
физическая характеристика электрического и магнитного полей,
изложены электрические и магнитные свойства вещества и на этой основе
рассмотрены возможные механизмы поглощения СВЧ-энергии в
биологическом объекте.
Ввиду разноречивости материалов, полученных различными
исследователями, значительную трудность составили систематизация и анализ
имеющихся теоретических и экспериментальных данных по влиянию
СВЧ-излучений на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.
В связи с этим некоторые материалы гл. 4-6 второй части книги носят
в определенной мере дискуссионный характер. Дальнейшего уточнения
требуют, например, вопросы о возможности избирательного нагрева
биологических мембран в СВЧ-поле, роли электроповерхностных и
резонансных явлений в биологических эффектах микроволн, наличии
прямого действия СВЧ-излучений на ферментативную активность и
некоторые другие. Отдельная гл. 7 целиком посвящена анализу физико-
химических механизмов биологического действия микроволн.
В завершающей вторую часть книги гл. 8 рассмотрены СВЧ-методы
исследования, возможности использования микроволн в качестве
лечебного фактора и вопросы гигиены. Задачей этой главы является
знакомство читателя с собственно биофизическим аспектом практического
применения электромагнитных методов в физико-химической биологии,
3

медицине и других отраслях народного хозяйства, а также защиты
людей от вредного воздействия микроволн.
Предлагаемая книга не претендует на роль исчерпывающего
руководства по биофизическому действию микроволн. Ее основная цель —
помочь читателю критически оценить имеющийся обширный материал
в области биологического действия СВЧ-полей и составить собственное
мнейие о возможных путях взаимодействия электромагнитных
излучений с живыми системами.
Выражаю свою искреннюю благодарность Ю. Б. Кудряшову, Ю. Г.
Григорьеву, Л. П. КаюШину и С. Д. Захарову за ценные замечания по
материалам книги и весьма полезные советы при ее написании.
Автор

ВВЕДЕНИЕ
Эволюция биосферы, связанная с постоянным круговоротом
вещества между живой и неживой природой, осуществляется с участием сил,
определяемых распределением физических полей. Среди них ведущее
место занимают электромагнитные поля (ЭМП) и излучения различных
частотных диапазонов.
Создатель учения о биосфере академик В. И. Вернадский в 1926 г.
отмечал, что "кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерьюа,
вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины
волны .. .". Действительно, спектр частот электромагнитного излучения
(ЭМИ) очень широк и охватывает диапазон волн от крайне
низкочастотного радиоволнового до ионизирующего излучения (табл. 1.1).
Вопросы взаимодействия светового и ионизирующего излучения
с биологическими объектами рассмотрены в фото- и радиобиологии.
Имеются довольно четкие представления о первичных механизмах
влияния ЭМИ в этой области спектра. Так, биофизическое действие
ионизирующего излучения связано с ионизацией молекул вещества и
образования возбужденных частиц, которые вступают во взаимодействие
между собой и другими молекулами или распадаются с образованием
свободных радикалов. Эти процессы вызывают перекисное окисление ли-
пидов и изменение их состава, снижение активности ферментов,
нарушение структуры и функции нуклеиновых кислот и биологических
мембран, а также другие повреждения клеток и субклеточных
структур, определяющие в итоге общую картину радиационного поражения
целостного организма (Е. Ф. Романцев, 1975; Ю. Б. Кудряшов, Б. С. Бе-
ренфельд, 1979; А. М. Кузин, Д. А. Каушанский, 1981; Ю. Г. Григорьев,
1982 и др.).
В основе биологического действия светового излучения лежит
процесс фотовозбуждения электронных и колебательных уровней энергии
атомов и молекул, в результате чего существенно изменяется их
реакционная способность (А. Н. Теренин, 1967; Б. А. Рубин, В. Ф. Гаври-
ленко, 1977; С. В. Конев, И. Д. Волотовский, 1979 и др.).
Последующие эффекты определяются фотохимическими реакциями с участием
возбужденных частиц. При этом наблюдаются или
полезно-приспособительные процессы (фотосинтез, зрение, фототаксис и др.), или
различные нарушения, связанные с процессами фотоокисления,
фотоинактивации, фотоденатурации и фото деструкции [18].
5

.1.
Тип
Излучение
Вид
Диапазон волн, м
Полоса частот, Гц
Энергия кванта, Эв
Радиоволновое или
неионизирующее
Световое или
оптическое
Ионизирующее
Крайне низкочастотное
Сверхнизкочастотное
Инфраниз кочастотное
Очень низкочастотное
Низкочастотное
Среднечастотное
Высокочастотное
Очень высокочастотное

Ультравысокочастотное (дециметровое)
Св ерхвысо
кочастотное (сантиметровое)
Крайне высокочастотт
ное (миллиметровое)
Децимиллиметровое
Инфракрасное:
далекое
среднее
ближнее
Видимое
Ультрафиолетовое:
ближнее
далекое
Рентгеновское:
низ коэнергетическо е

высокоэнергетическое
7- излучение
108-107
107-10б
106-105
105-104
104-103
103-102
102-10
10-1
1-Ю"1
10_1-10"2
10"2-10"3
10"3-10"4
10"3-5-10~5
3-30
30-3-102
ЗЮ2-3-103
3-103-3-104
3-104-3-105
ЗЮ5-ЗЮ6
3-106-3-107
3-107-3-108
3-108-3-109
3-109-3-1010
3101О-310п
3-101|-3-1012
3-1011-б-1012
5-10"5-2,5Ю"6
2,5-10"6-7,6-10"7
7,6Ю"7-4-10"7
4-10"7-2-10"7
2-10"7-10"8
10"7-2-10"10
2-10"1О-1011
10"10-10"13именее
6Ю12-1,2-1014
1,2-1014-3,95-1014
3,95-1014-7,5-1014
7,5-1014-1,5-1015
1,5-1015-3-1016
л-14
1,24-Ю"1 -1,24-10"
1,24-10
1,24-10"
1,24-10"*
-1,2410
-1,24-10"
1,2410"
Г13
Г12
1,24-10~1U-1,24-10"
1,24-10"9 -1,24-10"
1,24-10"8 -1,24-10"
1,2410
1,24-10"
-1,24-10"
-1,2410'
г5
1,24-10"5 -1,24 10"4
1,24-10"4 -1,24Ю"3
1,24-10~3 -1,24-Ю"2
1,24-ГО"3 -2,48-10"2
2,48-10"2 -4,96-10"1
4,96-10"1 -1,63
1,63-3,10
3,10-6,20
6,20-1,24-102
3-1015-1,5-1018
1,51018-3-1019
12,40-6,20-10**
6,20-103-l,24-lQ5
3-1018-3-1021 и более 1,24-104-1,24-107 и выше

Первые опыты по влиянию электрического тока на живые объекты
были начаты еще в XVIII в. Луиджи Гальвани и продолжены уже в
конце XIX в. В. Я. Данилевским (1901). Систематическое исследование
вопросов биологического действия ЭМП в XX столетии стало
возможным благодаря разработке и внедрению в науку и практику различных
методов и средств, основанных на использовании ЭМИ радиоволнового
диапазона. Большой вклад в развитие современных представлений
о влиянии электромагнитных полей на живые объекты внесли
советские ученые Б. Н. Тарусов, Г. Л. Френкель, А. Н. Обросов, 3. В. Гордон,
А. С. Пресман, Н. Д. Девятков и многие другие. В 1965 г. А. С. Пресман
предложил объединить все вопросы биологического действия
электрических и магнитных полей в один раздел под названием
электромагнитной биологии.
В общем случае представляются вероятными три основных вида
биологической активности ЭМП [16]:
влияние на живые организмы электромагнитных процессов,
протекающих во внешней среде;
участие внутренних электромагнитных процессов в
жизнедеятельности организмов;
электромагнитные взаимосвязи между организмами.
Среди всего спектра ЭМИ радиоволнового диапазона выраженным
биологическим действием обладают сверхвысокочастотные ЭМП или
микроволны, к которым практически относят весь диапазон волн,
занимающий промежуточное положение между ультравысокочастотным
и оптическим.
При этом наиболее хорошо изучен "тепловой эффект" микроволн,
связанный с повышением температуры облучаемой ткани. Благодаря
тепловому действию дециметровые и сантиметровые волны средней и
высокой интенсивности широко используются в физиотерапии для
лечения различных заболеваний [16—21].
Наряду с тепловым микроволнь! вызывают в биологических
объектах и нетегоювые, например резонансные, эффекты, наблюдаемые
экспериментально не только на фоне общего повышения температуры
облучаемого объекта, но и без существенного нагрева (в случае
низкоинтенсивных полей). В последние годы все большее применение в медицине
получают дециметровые волны слаботепловых интенсивностеи, когда
лечебный эффект определяется в основном нетепловым компонентом
(А. Н. Обросов, В. Г. Ясногородский, 1979). Практический интерес
приобретают также исследования комбинированного действия на живой
организм ЭМП и других физических факторов [22, 23].
Значительное число работ отечественных и зарубежных
исследователей посвящено рассмотрению биофизических аспектов действия
микроволн. Однако физико-химические механизмы влияния ЭМИ на живые
объекты изучены еще недостаточно полно, что объясняется двумя
причинами. Во-первых, энергия кванта СВЧ ЭМИ даже в наиболее
коротковолновом миллиметровом диапазоне не превышает 10~3 эВ, что прак-
7

тически исключает существенные квантовые эффекты на уровне
микрочастиц. Во-вторых, теоретические и экспериментальные основы
рассматриваемой проблемы развивались вначале без серьезного участия
физиков, которые вплотную занялись ею сравнительно недавно.
Благодаря союзу биологии и физики в скором времени можно
ожидать новые интересные результаты по биологическому действию
электромагнитных полей, что позволит более строже обосновать
гигиенические нормы предельно допустимых уровней (ПДУ) СВЧ облучения
человека, дать экологическую оценку этому фактору и повысить
эффективность использования ЭМИ не только в медицине, но и в сельском
хозяйстве, пищевой промышленности, биотехнологии и других
отраслях народного хозяйства.
Как отмечал Сент-Дьердьи, соотношение между физикой и
биологией должно бьпъ таким, что в конечном счете объяснить биологические
реакции "должна именно физика, но только окольным путем, который
на первый взгляд может показаться совершенно неправдоподобным".
При этом биолог "должен быть очень осторожен, когда ему говорят,
что то или иное событие или явление невероятно".

ЧАСТЬ I
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛН
ГЛАВА 1
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА
1.1. Взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле
Электрические свойства тел определяются их зарядами. Различают
поверхностную и объемную плотности зарядов тела:
о= Шп %-, (1.1)
Р= лШп |£, (1.2)
где Aq — электрический заряд элемента площади AS или элемента
объема А V. В природе существуют два вида зарядов: положительные и
отрицательные. При взаимодействии друг с другом заряды разного
знака взаимно притягиваются, а одинакового знака — отталкиваются. Сила
взаимодействия F двухточечных зарядов qx и q2 определяется законом
Кулона:
F-*iiSL, (1.3)
Г
где г — расстояние меэвду зарядами; к — коэффициент
пропорциональности, зависящий от системы единиц измерения остальных величин.
В системе СИ к = 1/4тге0 = 9 -109 Н-м2/Кл , где е0 — электрическая
.постоянная, равная 8,854-10"хг Ф-м~1; в системе СГС к и е0 —
безразмерные величины, равные единице.
Взаимодействие электрических зарядов объясняют следующим
образом [1— 5]. Электрическая сила F и расстояние г — векторы. Если
обозначить их сверху стрелкой, а точечные заряды пронумеровать
цифрами 1 и 2, закон Кулона в системе СИ можно записать в виде
Fi, = — SlSl 111. (л л\
tl2 4тге0 г2 г ' {1А)
где Fl2 — вектор силы, с которой заряд 1 действует на заряд 2; Т12 -
радиус-вектор, направленной от qx Kq2.
Электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле,
характеризующееся вектором напряженности /Г. В вакууме вектор я
9

Рис. 1.1. Графическое изображение электрического поля точечного положительного
заряда с помощью силовых линий (а) и стрелок (б)
представляет собой силу, действующую на единичный точечный заряд q:
(1.5)
* = 1
г2
где г — расстояние от заряда до точки, в которой определяется
напряженность поля; Т— радиус-вектор, направленный от заряда j* эту точку.
На заряд, помещенный в точку поля напряженностью £, действует
механическая сила F, называемая пондеромоторной:
F = qE.
(1.6)
Напряженность результирующего электрического поля системы
п точечных зарядов представляет собой векторную сумму напряженно-
стей полей отдельных зарядов, что выражает принцип суперпозиции
или наложения. Если заряд qt занимает в системе координат х, у, z
положение //, то в точке наблюдения Т
*- -*- И -*- 1
Г-Г:
/=1 ' 4тге0 п 1 \У-Т>\
(1.7)
Если распределение зарядов задано объемной плотностью р, то вместо
суммы берется интеграл по объему V:
£(/) =
1
47ге0 у
\г-г{\'
(1.8)
Существует два способа графического изображения вектора
напряженности электрического поля: в виде силовых линий или с помощью
стрелок. Длина и направление стрелок характеризуют поле в точках,
откуда они исходят (рис. 1.1). Линии сил начинаются и оканчиваются
на зарядах или уходят одним концом в бесконечность. В этом случае
направление вектора напряженности ? в определенной точке поля
совпадает с направлением касательной к силовой линии в той же точке
(рис. 1.2).
10

Рис. 1.2. Силовые линии поля,
создаваемого двумя зарядами <7i =
= + 3 и<72 = -1
Поле называют однородным, если напряженность его в разных
точках одинакова. Примером однородного поля может служить поле
заряженного плоского конденсатора.
Рассмотрим некоторые общие свойства скалярного и векторного
полей, заданных, например, в декартовой системе координат [3, 4].
Полем называют любую функцию пространственных координат или
радиус-вектора /\ охватывающую некоторую область w. Если в
области w каждая точка М Ew задана некоторым вектором Т, то в данной
области определено векторное поле. Если же для каждой точки поля
М Е w задан некоторый скаляр (т. е. число), то в этой области
определено скалярное поле. Математическое описание физических полей
связано с операциями дифференцирования и интегрирования.
Операцию дифференцирования определяет векторный оператор
Э/Эг, обозначающий тройку операций дифференцирования по
координатам х,уиг. Его называют оператором градиента и выражают через
Э — Э ^ Э ^— Э
V = — =х — + у — + z -— ,
Ъг Ъх Ъу Ъг
0-9)
где х, у и z - единичные векторы координат xjhz, образующие
вектор Т.
Действие оператора градиента на скалярное поле f(r) дает векторное
поле, называемое градиентом скалярного поля и' обозначаемое как
grad/:
Or Or
(1.10)
Произведение скалярного поля V на векторное поле Ъ (г) дает
скалярное поле, котррое называют дивергенцией векторного поля div6:
divZTs (дТ)= Ц, =(А^(0 1.
(1.11)
где круглые скобки обозначают скалярное произведение. Векторное
И

поле, дивергенция которого равна нулю, является вихревым.
Вихревое поле характеризуется непрерывными линиями вектора.
Векторное произведение оператора градиента на векторное поле
b(r) дает ротор векторного поля rot Ь = [ V Ь ] =
or
,
представляющий собой новое векто]эное поле. Известно, что векторное
произведение полей [£(?), Т)(г)] = с (г) является векторным полем,
включающим три компонента:
сх </) =<*у(Г)Ъ2(г)- az (r) by (Г);
су (J = az fit* (Т) - ах $ЬХ(7); \ (1.12)
cz (0 = ах <f)by (7) - ау $)ЬХ (7).
Поэтому полное значение ротора определяется как
rot 6 =
(1-13)
ЪЪ2{г) _ ЪЪу{г)
Ъу bz
ЪЪХУ)_ dbzfo
bz Эх
dbyV) _ ЪЬХУ)
Ъх Ъу
Векторное произведение двух операторов Э/ЭТ функции /(г) равно
нулю:
ЪТ ЬТ
[ъг ът
ЯО = о.
(1.14)
Скалярное произведение двух векторных операторов Э/ЭТпредстав-
ляет собой скалярный оператор, называемый оператором Лапласа и
обозначаемый А:
{дТ ЪТ) Ъх2 Ъу2 Ъгг
(1.15)
Оператор Лапласа является дивергенцией градиента и в декартовой
системе координат совпадает с квадратом оператора градиента: А =
= V 2. Интегрирование векторных полей по поверхности S дает ска-
лярн)оо^величину, выражающую интегральный поток N векторного
поля а (г) через эту поверхность:
N=J(a(r)dS),
S
(1.16)
где элемент поверхности dS является вектором, направленным вдоль
нормали к плоскости элемента поверхности в положительную сторону.
Его абсолютная величина равна площади элемента поверхности: dS =
= |d£|.
12

Интегрирование векторных полей по замкнутому контуру L также
дает скалярную величину, назьюаемую циркуляцией С векторного поля
вдоль контура:
C=f&(r)d7). (1.17)
L
В случае согласованных ориентации поверхности S и
ограничивающего его контура N п С связаны между собой теоремой Стокса:
интегральный поток ротора векторного поля через поверхность S равен
циркуляции этого поля вдоль контура L:
J (rot7dt) = f {a (r) dr). (1.18)
S L
Ориентации считаются согласованными, если они подчиняются
правилу правого буравчика: при вращении буравчика, ориентированного
по нормали п к элементу поверхности, в положительном направлении
контура этой поверхности, буравчик движется в направлении элемента
поверхности (рис. 1.3).
Интеграл дивергенции векторного поля по объему V равен полному
потоку поля через замкнутую поверхность 5, ограничивающую этот
объем. Он выражает теорему Гаусса—Остроградского
J ^dV = f$(r)dl). (1.19)
V Ъг S
Распределение поля системы статических^зарядов, расположенных
непрерывно в пространстве с плотностью р(г)> может бЬпъ получено
как решение уравнений Максвелла для электростатики:
divF= (VE) =p/e0; rotF= [v£] =0. (1.20)
Несколько забегая вперед, отметим, что в электромагнитном поле
градиент скалярного потенциала <р(г) связан с вектором
напряженности электрического поля Е соотношением
£=" Ч^~ -grad<p(7), (1.21)
где А (г) - векторный потенциал электромагнитного поля. В
постоянном электрическом поле векторный потенциал X равен нулю. Поэтому
£r=-grad^. (1.22)
В поле точечного заряда q на расстоянии г от него значение
скалярного потенциала <р(г) составляет
13

Рис. 1.3. К правилу буравчика
Рис. L4. Поток электрического смещения D через замкнутую сферическую
поверхность £, окружающую точечный заряд q
Для системы статистически распределенных точечных зарядов <7i>
Я 2, • • •, Qn B точке наблюдения^ имеем
*<г) = 22^(7), (1.24)
и
где Vj(r) - потенциал заряда qt в произвольной точке системы^. В поле
поверхностных и объемных зарядов скалярный потенциал в точке Т
определяется соотношениями
4тге0 s |7г_Г'|
*&= Ш-1 ^TdV'' <125>
4яе0 ^ |г-г'|
где odS' vl pdV — заряды элемента поверхности dS' и элемента объема
d V; г' — радиус-вектор положения этих зарядов.
Важной характеристикой электрического поля является вектор
электрического смещения или электрической индукции Ъ. В вакууме
S=e0£ (1.26)
где е0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость в вакууме,
совпадающая с электрической постоянной. В диэлектрической среде
2)=е0е£, (1.27)
где е — относительная диэлектрическая проницаемость среды, показы
вающая, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия двух зарядов
14

в данной среде относительно вакуума. В вакууме 6 = 1. Ослабление
взаимодействия зарядов происходит вследствие их экранизации
связанными зарядами, не участвующими в электропроводности вещества и
представляющими собой микроскопические перераспределения заряда
микрочастиц (атомов, молекул и ионов) в электрически нейтральной
среде. Величина диэлектрической проницаемости определяется природой
вещества. Она зависит также от температуры, давления и других
внешних условий. В однородном диэлектрике напряженность электрического
поля ^уменьшается в б раз по сравнению с вакуумом.
Поток N электрического смещения через замкнутую сферическую
поверхность 5, окружающую точечный заряд q, одинаков во всех
точках сферы и определяется равенством
N=q, (1.28)
справедливым для любой замкнутой поверхности (рис. 1.4).
Поток электрического смещения совокупности зарядов через
замкнутую поверхность определяется теоремой Гаусса-Остроградского и
равен алгебраической сумме всех зарядов Q внутри объема V,
ограниченного замкнутой поверхностью S:
N= $DdS = Q. (1.29)
S
Поток вектора Е через эту поверхность определяется аналогично:
N= fEdT= —Q. (1.30)
S eoe
Векторное поле, ротор которого равен нулю, является градиентом
скалярного поля и называется потенциальным. Стационарное
электрическое поле является потенциальным и характеризуется запасенной
в нем потенциальной собственной энергией W39 которая представляет
собой полную работу по созданию этой системы. В системе двух
неподвижных'зарядов #1 и q2, расположенных на расстоянии г один
от другого, она равна произведению первого заряда на потенциал
второго в точке расположения первого заряда у,^ :
"•-«■'О)-JHT^- (»»
Потенциальная энергия стационарного поля системы п точечных
зарядов задается равенством
^э= \ lW(i)> (1.32)
где фф — потенциал, обусловленный всеми остальными зарядами
в точке расположения заряда qt. В случае непрерывного распределе-
15

ния заряда в объеме V энергия поля связана с элементом заряда pdV
и потенциалом <р всех остальных зарядов в элементе объема d V
соотношением
W3= \ SVPdV. (1.33)
2 V
Потенциальная энергия U заряда q во внешнем поле Е определяется
потенциалом внешнего поля <р:
£/э = <7*. (Ь34)
Энергию взаимодействия 11э системы п точечных зарядов с внешним
полем находят суммированием энергий всех зарядов:
иэ=2Я(*. (1.35)
Электрическое поле характеризуется объемной плотностью энергии w.
В среде с диэлектрической проницаемостью е объемная плотность
энергии равна
w3=e-£-E*. (1.36)
Она соответствует пондеромоторной силе F, действующей на единицу
поверхности тела, помещенного в поле, если действующая сила
направлена перпендикулярно поверхности тела.
Из (1.34) можно определить, что в однородном поле, занимающем
объем V, количество запасенной энергии равно
W3 = ^-E2V. (1.37)
Для неоднородного поля, созданного в изотропной среде,
W3=^f E2dV. (1.38)
2
V
Если поле создано з бесконечно большой сфере, интегрирование
распространено на все пространство сферы, но фактически производится
только там, где Е Ф 0.
В неоднородной среде
W3= ft SeE2dV. (1.39)
2 V
С электрическими зарядами и создаваемыми ими полями человек
встречается повседневно.
16

1.2. Магнитное поле
Магнитное поле обладает интересными физическими свойствами
[2—6]. Так, в отличие от электрических в природе нет магнитных
зарядов и токов. Поэтому магнитное поле является вихревым и графически
изображается линиями напряженности магнитного поля или
магнитными силовыми линиями (рис. 1.5). _^_
Магнитное поле тока характеризуется напряженностью Н и
магнитной индукцией Вектор Я определяет магнитное поле, созданное
только токами проводимости, а магнитная индукция if — поле,
созданное как токами проводимости, так и имеющимися намагниченными
телами. Магнитное поле, создаваемое проводником с током, в
некоторой точке поля М равно
а1=кпф-. dB = k l£paf (140)
Г Г
где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора
системы единиц; / — сила тока; di~ вектор элемента^проводника; Т—
радиус-вектор, проведенный из элемента ^тока Idl в рассматриваемую
точку; а - угол между векторами ш и Т. В системе СИ в вакууме к =
= Мо/4тг, где До - магнитная постоянная, равная 47Г-10Г7 Гн/м или
1,2566-10"6 Гн/м; в системе СГС /i0 является безразмерной
величиной, равной единице.
Стационарное магнитное поле создается постоянным током и
определяется как ротор векторного потенциала А (г) :
4^1=
#=R^4 =rotA (1.41)
^ Если поле занимает объем К, то в системе СИ значение потенциала
A(f) равно
а значение поля В задается уравнением
выражающим закон Био-Савара—Лапласа, где / — вектор плотности
электрического тока; dV — элемент объема проводника с током. В
изотропной среде напряженность магнитного поля связана с магнитной
индукцией соотношением
Я=МоМ#, (1.44)
где /! — магнитная проницаемость среды, характеризующая относитель-
17

Рис. 1.5. Силовые линии магнитного поля В вокруг прямого проводника с током/
Рис. 1.6. Циркуляция магнитной индукции по контуру L\ и Ь2. Стрелками
указано направление вектора элементов контура аГ
ное изменение магнитной индукции среды при воздействии магнитного
поля Н. В анизотропных кристаллах магнитная проницаемость - тензор.
Значения магнитной проницаемости среды в постоянном и
переменном полях неодинаковы и называются соответственно статической и
динамической магнитной проницаемостью. В магнитостатическом поле
/1=1 +К,
(1.45)
где к — магнитная восприимчивость, характеризующая связь
намагниченности вещества Шс вызывающим ее магнитным полем Ti:
к=М/Н.
(1.46)
В системе СИ единицей намагниченности служит 1 А/м. Она означает,
что 1 м3 вещества обладает магнитным моментом, равным 1 А/м2.
В вакууме магнитная восприимчивость равна нулю. Поэтому /х = 1 и
поле л определяется соотношением
В=ц0Н.
(1.47)
В переменных полях магнитная проницаемость является
комплексной величиной:
/i = Mi -1/I2,
(1.48)
где Mi характеризует обратимые процессы намагничивания, a /i2 —
потери энергии поля на магнитную вязкость, вихревые токи и
резонансные явления. Значения Mi и fi2 зависят от частоты внешнего поля.
Магнитное поле так же, как и электрическое, подчиняется принципу
суперпозиции
В=ЪВ(.
(1.49)
Уравнения Максвелла для магнитостатики в системе СИ имеют вид
div#= (V£) = 0, rot5= [V#] = —ТЛ
Cqc
(1.50)
18

где с — электродинамическая постоянная, численно равная скорости
света в вакууме 3-Ю8 м/с. Плотность электрического тока /
определяется числом заряженных частиц п:
Т=пе7, (1.51)
где е — заряд и v — вектор скорости частиц. Она предотавляет собой
величину заряда dq, проходящего через площадку dS за время dt\
*£=Ш (1.52)
Произведение плотности тока на площадь сечения проводника
определяет силу тока в проводнике Г.
*=VS). (1.53)
Линейный интеграл от вектора В по любому замкнутому
контуру L, не охватывающему провод с током, равен нулю:
jldf=0. (1.54)
L
Циркуляция магнитной индукции по замкнутому контуру,
охватывающему проводник с током, отлична от нуля и определяется законом
Ампера
fBdT=-L-. (1.55)
L €0с*
Так, еслиХа представляет собой концентрическую с проводом
окружность радиуса г, то циркуляция В по Lx равна 2 яг, так как поле В
одинаково во всех точках окружности, циркуляция В по L2 равна
нулю, ибо провод расположен вне контура (рис. 1.6).
В соответствии с принципом суперпозиции равенство (1.55),
выведенное для поля^диночного линейного проводника с током, можно
перенести и на более сложные поля. Если магнитное поле создается
током, протекающим в замкнутом контуре, ограничивающем
площадку 5, то удобнее говорить о потоке Ф вектора магнитной индукции
сквозь эту площадку:
Ф = /БД (1.56)
S
представляющем собой скаляр, равный полному числу силовых линий
вектора If через S. ^
Пондеромоторная сила F, с которой магнитное поле действует на
проводник с током I, равна
T = If[Bd7]. (1.57)
/
19

Для прямолинейного участка проводника при постоянном
значении В это равенство упрощается:
F = i(bT\9 F = IBlsma, (1.58)
где а — угол между векторами В и /.
Два проводника с токами 1\ и 12 взаимодействуют друг с другом
с силой
F = M0 ££-/. (1.59)
где / - длина отрезка провода, на который действует сила F\ r —
расстояние между проводниками.
На замкнутый контур с током в магнитном поле действует пара сил
с моментом
М0 = [ВМ], (1.60)
где М — магнитный момент контура с током, определяемый равенством
M = lT. (1.61)
При произвольной ориентации контура относительно вектора В
сила, действующая на малый виток с током, пропорциональна
быстроте изменения магнитной индукции
F = y^gradJ (1.62)
Если Мх, Му и М2 — составляющие магнитного момента по осям х,
у и z, то составляющая Fx этой силы рацна
Fx=(Mx+My+Mt)2jL. (1.63)
Аналогично можно определить и составляющие Fy и Fz. В
соответствии с правилом правого буравчика виток будет втягиваться в поле,
если векторы м и В параллельны, и выталкиваться из него, если они
антипараллельны. Отдельная частица с зарядом е, движущейся со
скоростью ~v] создает вокруг себя микроскопическое магнитное поле
напряженностью
T.-L^L. (1.64)
Во внешнем магнитном поле на нее действует сила
F=e[Bv]. (1.65)
Эта сила перпендикулярна векторам Ти ?и только искривляет
траекторию движения частицы, не влияя на величину ее энергии. По-
20

этому траектория движения частицы в постоянном однородном
магнитном поле имеет вид спирали, кривизна которой обратно
пропорциональна скорости частицы. Если на частицу одновременно действуют
внешние электрическое и магнитное поля, действующая сила
V=e{E+[Bv\) (1.66)
и называется силой Лоренца. Магнитное поле характеризуется объемной
плотностью энергии и>м, вполне аналогичной объемной плотности
энергии электрического поля:
wM=^f-!P. (1.67)
Продолжая эту аналогию, отметим, что полная энергия WM
однородного магнитного поля
И/М = ^Я2К, (1.68)
где V — объем, занимаемый полем. В неоднородном поле
WM=^SfxH2dV. (1.69)
2 V
Потенциальная энергия UM тока / во внешнем магнитном поле В
равна
VM=-/J(Att), (1.70)
S
где dS = ndS\ n — внешняя нормаль к элементу площади dS
поверхности 5, образуемой при небольшом смещении контура с током.
В зависимости от' величины вектора напряженности п магнитные
поля подразделяют на слабые (до 4-Ю3 А/м), средни^(4-103-Зх
х 105 А/м) и сильные (свыше 3-Ю5 А/м). Если значение Я превышает
108 А/м, поле является сверхсильным.
Напряженность собственного магнитного поля Земли, называемого
магнитосферой, у поверхности планеты составляет около 40 А/м.
Межпланетные поля вблизи Земли, создаваемые в основном солнечным
вектором, имеют порядок 10~2-10~3 А/м. В настоящее время с
помощью постоянных магнитов, электромагнитов и соленоидов можно
искусственно создавать локальные магнитные поля любой из
указанных интенсивностей.
1.3. Взаимопревращения электрических и магнитных полей.
Уравнения Максвелла
Электрические и магнитные поля тесно связаны между собой:
изменение одного сопровождается появлением другого. Явление взаимного
21

Рис. 1.7. Вихревое электрическое поле Et возникающее
в изменяющемся магнитном поле В
превращения электрического и магнитного
полей, открытое впервые Максвеллом,
обусловливает возникновение единого
электромагнитного поля. Рассмотрим его свойства [2,3]. Если
£ поместить замкнутый проводник в
изменяющееся магнитное поле, в нем возникает
вихревое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями и
появляется индукционный ток (рис. 1.7).
В общем случае всякое изменение магнитного поля порождает
переменное электрическое поле, называемое током смещения. Оно связано
с ЭДС индукции ё соотношением
ё> = $(Edl) = -d<b/dt,
L
(1.71)
где d^ldt — изменение магнитного потока во времени через площадь 5,
ограниченную контуром L. Направление обхода по контуру совпадает
со знаком ЭДС индукции и связано с направлением нормали п к
площадке S правилом правого буравчика.
Примером тока смещения служит переменный ток в разомкнутом
контуре с конденсатором. При включении контура в цепь переменного
тока ток проводимости в.проводнике замыкается током смещения
в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора.
Плотность тока смещения / равна
7=bDlbt. (1.72)
В проводнике плотность тока определяется законом Ома и
выражается через его удельную проводимость а:
7=оТ. (1.73)
Магнитное поле порождают как токи проводимости, так и токи
смещения. Если полная плотность тока
/полн ~"/ + "-гг
(1.74)
то ей соответствует полный ток
'ПОЛИ * Г -дТ»
(1.75)
22

который и определяет величину магнитного поля
*(#<//) ='полн> (1.76)
L
где / — ток проводимости; -/V — поток вектора электрического
смещения.
Порождение электромагнитного поля заряженными частицами и
его распространение в пространстве описывается микроскопическими
уравнениями Максвелла в интегральной форме. В системе СИ
совокупность микроскопических уравнений Максвелла записывают так:
f (EdS) = J- ipdV, f (Edl) = - 1 J (Ed's),
S €o V L bt S
f(Bd~S)=0, f(B(fi)=^S&dT)+\-l-S()£dS). (1.77)
S L eoc1 S cl bt S
Они отражают вихревой характер магнитного поля и являются
количественным выражением основных свойств электромагнитного поля.
Микроскопические уравнения Максвелла (1.77) совместно с
уравнением (1.66) для силы Лоренца описывают все неквантовые
электромагнитные явления и образуют фундаментальную систему уравнений
классической электродинамики. Эта система справедлива при любом
распределении зарядов и токов в среде: как непрерывном, так и
сингулярном. Однако при практическом анализе взаимодействия ЭМП с
совокупностью очень большого числа частиц ее использовать затруднено.
В этом случае требуется переход к величинам Е.и В, усредненным по
физически бесконечно малому объему, т. е. по объему, содержащему
относительно большое (макроскопическое) число частиц, но бескоие^
но^малому по отношению к системе в целом. Усредненным полям Е
и В соответствуют макроскопические уравнения Максвелла,
записываемые в дифференциальной форме. Для стационарных полей они имеют
вид:
divE =
diviT=
1
0,
р, rotl?"=-
rot£= -Ц
€0Cl
Ъв
bt '
-~-7
ЪЕ
bt
(1.78)
В случае нестационарных полей последнее уравнение в (1.78)
видоизменяется:
rot Я =7+ ^. (1.79)
bt
Уравнения (1.78) и (1.79) справедливы только в случае
непрерывного распределения зарядов и ТОК9В. Если в их распределении име-
23

1
dip
При этом
Dip = -
где
П =
= Д-
ъТ
1
_LJ>1
0.
с
готся сингулярности, то вблизи границ разрьюов необходимо
использовать уравнения (1.77).
Макроскопические уравнения Максвелла совместно с
усредненными уравнениями Лоренца и равенствами (1.27), (1.44) и (1.73)
описывают явления линейной макроскопической электродинамики,
определяемые взаимодействием электромагнитного поля со средой.
Потенциалы А и <р в электромагнитном поле можно определить из
соотношений (1.21) и (1.41), если использовать калибровку
потенциалов Лоренца
(1.80)
ПА = -ЦТ (1.81)
е0с2
(1.82)
с Ъг
является оператором Д'Аламбера.
Векторный и скалярный потенциалы не определяют полностью ЭМП,
ввиду чего их^можно изменять в определенных пределах, не изменяя
самих полей Е и В. Это свойство электрического и магнитного полей
связано с их инвариантностью по отношение к различным
калибровкам, что позволяет выбирать потенциалы А и <р наиболее удобным
образом.
Электромагнитное поле характеризуют импульс, энергия и момент
импульса. Их удельные значения (плотности импульса, энергии и
момента^ импульса) являются функциями времени t и точки
пространства г. Плотность импульсами полный импульс г равны
Т(7;0 = €о[Ея], F=Zpj. + €o/ (E$]dV, (1.83)
где Ър} учитывает импульсы всех заряженных частиц в поле.
Плотность энергии w и полная энергия W электромагнитного поля
определяются соотношениями
w(M)= Ue0E2+e0c2B2\ W=±f(eQE2+€0c2B2)dV. (1.84)
2 2 у
При наличии в поле зарядов, движущихся со скоростью V, полная
энергия поля убывает со скоростью
_iL SwdV = sffi)dV, (1.85)
dt у у
24

где
(Ej)dV= (f^)dV9 (1.86)
a / — плотность силы электромагнитного действия на заряды в
объеме d V:
7= р*+[/*]. (1.87)
В стационарном режиме убыль энергии^определяется мощностью
работы электрического поля над током JjE)9 которая полностью
переходит в тепло, называемое джоулевым. Величина тепловой энергии,
выделяемой в единичном объеме за единицу времени, определяется
законом Джоуля- Ленца в локальной формулировке
(jE) = oE2. (1.88)
Плотность момента импульса / связана с векторами Е и В
равенством
7=еоЙ£/Г]]. (1.89)
Четвертое равенство системы уравнений Максвелла (1.77)
предполагает возможность самостоятельного существования
электромагнитного поля без порождающих его зарядов и токов. Оно существует в
виде распространяющихся электромагнитных волн, что впервые было
показано экспериментально в 1888 г. Герцем.
1.4. Электромагнитные колебания и волны. СВЧ-излучение
Электромагнитные колебания — это физический процесс,
обусловленный периодическими изменениями электрических и магнитных
полей. Они распространяются вдоль проводников или в свободном
пространстве в виде электромагнитных волн. Свободное или
излученное ЭМП называют излучением.
Электромагнитные колебания и волны обладают некоторыми
свойствами [2,3,6,7,17].
Рассмотрим вначале электромагнитные колебания, возникающие
в колебательном контуре, состоящем из заряженного конденсатора
емкостью С и катушки индуктивности L, соединенных между собой.
В разомкнутом контуре между пластинами конденсатора существует
электрическое поле Е. При замыкании конденсатора на индуктивность
в контуре^гротекает ток, создающий в катушке индуктивности
магнитное поле Я. Через время Г, равное 1/4 периода колебания Г,
электрическое поле исчезает, а магнитное поле становится максимальным.
Затем магнитное поле начинает уменьшаться, что приводит к
появлению экстратока самоиндукции, направленного в сторону тока
разряда конденсатора и вызывающего его перезарядку. При t = Т/2 магнит-
25

ное поле исчезает, а между пластинами конденсатора появляется
электрическое поле Обратного направления. Далее конденсатор вновь
разряжается, создавая в контуре ток обратного направления. Через время
ЗГ/4 соответствующее ему магнитное поле становится максимальным.
Наконец, при t=Tконтур приходит в первоначальное состояние.
Таким образом, в результате колебаний заряда конденсатора
энергии электрического и магнитного полей периодически переходят друг
в друга. Если сопротивление контура равно нулю, электрические и
магнитные колебания могут продолжаться бесконечно долго, т. е. будут
незатухающими.
Период колебаний и их частота v определяются основной формулой
электрического контура:
Т=2пу/ТС; (1.90)
Т 27Г у/ LC
Величину \/ll(LC) назьшают круговой частотой w, определяемой
формулой Томсона:
w = 27T/T = >/l/(£C). (1.92)
Колебания напряжения на обкладках конденсатора и тока в контуре
при отсутствии потерь являются свободными и меняются во времени
по синусоидальному здкону
u(t)=asmwt9 (1.93)
где а — амплитуда. При этом
V = V0 cos wt, (1.94)
/ = /0sinwf, (1.95)
где V0 и /0 — соответственно амплитуды напряжения на конденсаторе
и тока в контуре. Колебания, подчиняющиеся синусоидальному закону,
назьшают также гармоническими. Они характеризуются начальной
фазой <io •
M(f)=tfsin(wf + <Po). (1.96)
Сумма wf + <po является переменной и называется мгновенной
фазой <р. При t = 0 она равна начальной фазе. Если два синхронных
гармонических колебания имеют фазы ^ и <р2, то разность фаз или их
сдвиг <р определяется как
</>=</>! -*2. (1.97)
В случае двух синхронных колебаний сдвиг фаз не зависит от
выбора начала счета времени наблюдения.
26

В реальном колебательном контуре вследствие постепенной потери
энергии в виде тепла колебания будут затухать, если контур
постоянно не подпитывается энергией извне. При этом амплитуда колебаний
со временем уменьшается, а величина напряжения на обкладках
конденсатора меняется по закону
F= F0exp(-af)coswr. (1-98)
Здесь а — коэффициент затухания:
a = Rl2L, (1.99)
где R - электрическое сопротивление колебательного контура.
Условием возникновения электрических колебаний в контуре является
неравенство
wl>a29 (1.100)
где w0 - круговая частота в начальный момент времени. Частота
затухающих колебаний задается соотношением
w^vvg-a2, (1.101)
а их период равенством
Г=2тг/и>. (1.102)
Колебательный контур характеризуется добротностью Q:
°=1*j¥' <1103)
которая определяет число полных колебаний л, по истечении которых
амплитуда колебаний в контуре уменьшается в е раз:
Q = nn. (1.104)
Если система способна генерировать незатухающие колебания без
внешних воздействий, то ее называют автоколебательной. Примером
автоколебательной системы, генерирующей радиоволнц, является
ламповый генератор, в котором колебательный контур включен в цепь
сетки электронной лампы. В этом случае потери электрической
энергии в контуре компенсируются источником тока, а колебания
поддерживаются взаимодействием колебательного контура и анодной цепи
лапмы по принципу обратной связи.
В СВЧ-диапазоне электромагнитные колебания создаются не в
колебательном контуре, а в замкнутой металлической камере,
называемой объемным резонатором.
Распространение электромагнитного поля в пространстве носит
волновой характер. При передаче вдоль проводников оно осуществляется
27

с помощью изменяющихся токов проводимости и токов смещения.
Возникающие при этом электрические и магнитные поля взаимно
превращаются и поддерживают друг друга. На низких частотах
электрические явления сильно зависят от токов проводимости, определяемых
сопротивлением линии.
В высокочастотном диапазоне они определяются в основном токами
смещения, связанными с электромагнитными процессами в
окружающей среде.
£ВЧ -излучение характеризуется вектором У мова—Пойнтинга
ТГ(г, 7), представляющим собой плотность потока электромагнитной
энергии. В системе СИ
П~= е0с2 [ЕВ] = [ЕН]. (1.105)
Полный поток энергии волны через площадку S в данный моМЬнт
времени представляет собой мощность излучения
Р= ^-=П„5, (1.106)
где П/| — проекция вектора П на направление нормали к площадке S.
В пространстве, где нет зарядов и токов, плотность энергии
электромагнитного поля связана с вектором П законом сохранения,
выражающим теорему Пойнтинга:
^+|1=0. (1.107)
ot or
Из теоремы Пойнтинга и теоремы Гаусса—Остроградского следует,
что при отсутствии зарядов уменьшение полной энергии поля внутри
объема V за единицу времени равно интегральному потоку вектора
Умова—Пойнтинга через замкнутую поверхность 5, ограничивающую
этот объем:
- |^в *nndS. (1.108)
bt s
Знак минус перед bW/dt в уравнении указывает на убыль энергии
в данном объеме. Средняя величина потока энергии через единицу
поверхности в единицу времени определяет интенсивность СВЧ-излучения
П= j Veo/Mo*2, (1.109)
а средний поток энергии через всю поверхность 5 в единицу времени -
ее среднюю мощность
Р = П5. (1.110)
28

Направляемые электромагнитные волны передаются на расстояние
с помощью открытых линий передач и волноводов, в которых поле
экранировано от внешней среды металлической оболочкой. В линиях
передачи возникает множество различных видов электромагнитных
волн, которые можно свести к следующим четырем типам:
поперечные электромагнитные Г-волны, для которых
составляющие Е и Я в направлении распространения z равны нулю: Ez = О, Hz = 0;
электрические £-волны, вектор напряженности электрического
поля которых имеет как поперечную, так и продольную составляющие:
Е2Ф0, #Z = 0;
магнитные Я-волны, для которых вектор напряженности
магнитного поля имеет поперечную и продольную составляющие: Ez = 0, Hz ф
гибридные или смешанные ЕН- и Я£-волны, векторы
электрического и магнитного полей которых имеют поперечные и продольные
составляющие: Ez Ф0, Hz Ф 0.
В зависимости от конструкции различают коаксиальный, круглый,
прямоугольный, Я-образный и гофрированный волноводы.
Коаксиальный волновод состоит из центрального металлического проводника
или жилы радиусом гх и проводящей металлической оболочки
радиусом г2. Он обладает аксиальной симметрией: разность г = г2 - гх
одинакова на - всем протяжении волновода. Достоинствами
коаксиального волновода являются возможность изготовления в виде
гибких кабелей, широкополосность и практическое отсутствие
паразитных излучений в рабочем' диапазоне частот. Основным типом волны
в нем является Г-волна (рис. 1.8).
В случае передачи СВЧ-энергии вдоль оси z без потерь
тангенциальное магнитное поле Я и радиальное электрическое поле Ег в
коаксиальной линии уменьшаются вдоль радиуса обратно пропорционально
расстоянию г (см. рис. 1.8):
Ег = Ш1{уДг)у (1.111)
Я = //(2тгг), (1.112)
где / — сила тока, протекающего по жиле.
Вектор Умова—Пойнтинга, определяемый значениями Ег и Я, равен
П = 60/2/(2тг^г2). (1:113)
Разность потенциалов между жилой и оболочкой U и ток / связаны
между собой соотношением
U=™\nr±. (1.114)
Произведение UI представляет собой мощность Р, передаваемую
по волноводу, а их отношение задает величину волнового сопротив-
29

Рис. 1.8. Распределение поля
Г-волны в коаксиальном
волноводе (а, б) и его эпюра (в).
Обозначения см. в тексте
ления коаксиального волновода Z:
60
*-f
1п^.
(1.115)
Рабочий диапазон частот коаксиальной линии определяется
соотношением
£ + rf<Xmin/l,57,
(1.116)
где D и d - соответственно диаметры оболочки и жилы; Xmi,i -
минимальная длина волны рабочего диапазона.
При передаче более коротких волн используются полые волноводы.
Они характеризуются большей простотой и жесткостью конструкции
и малыми потерями СВЧ-энергии в тракте. Среди полых волноводов
наиболее широкое применение имеют прямоугольные, в которых
возбуждаются волны типа ЕиН.
Максимальную длину волны, способной распространяться в линии
передачи с воздушным заполнением, называют критической длиной
волны и обозначают через Хкр. Критическая длина волны в
прямоугольном волноводе определяется его геометрическими размерами:
Хкр = 2/V (>"А02+("/*) 2,
(1.117)
где аи b - длины большой и малой сторон сечения волновода; т и п —
индексы данного типа колебаний, соответствующие числу стоячих
полуволн, существующих вдоль поперечных координат х и у.
Конкретный тип электрических и магнитных волн, существующих
в волноводе, обозначают через Етп и Нтп. Основными типами волн
в прямоугольном волноводе являются волны Ец$ Ею я Нц. Если
структура поля этих типов волн повторяется в поперечном сечении, то
волны относят к высшим типам. В этом случае картина распределения
поля в волноводе усложняется.
30

{"'»JAWJ'
>ггг/ггхггггггггггггггг< >>/'/"{'
VtV/tYYV/J7777\ T.y. «_J + \ ^ ,J. 2ZZ222Z22
ZZZZZZZZZZZ
+
zzzzzzzzzzzz
ГГ1
zz
q>
6)
в)
Рис. 1.9. Структура поля Ню ъ прямоугольном волноводе в плоскости
поперечного (а) и продольного (б, в) сечения
В технике СВЧ для направленной передачи большой мощности
применяют прямоугольные волноводы, в которых распространяется
волна типа Hi о, так как появление в линии волн высших типов вызывает
большие потери энергии (рис. 1.9). Критическая длина волны #10
не зависит от высоты волновода и равна 2а. К положительным
свойствам ее относят также устойчивость плоскости поляризации и
высокую электрическую прочность. При решении задач согласования
волновое сопротивление прямоугольного волновода на волне #10 обычно
определяют по формуле
(1.118)
где Х0 — длина волны в вакууме.
Как известно, первоисточником электромагнитного излучения
являются движущиеся заряды, создающие электрический ток. Поэтому
в качестве источника электромагнитных волн, излучаемых в свободное
пространство, можно использовать любой проводник, который в этом
случае называют антенной. Примером источника монохроматического
электромагнитного излучения служит диполь Герца.
В СВЧ-диапазоне излучение электромагнитных колебаний в
свободное пространство и их прием из свободного пространства
осуществляются с помощью вибраторов, антенных решеток, состоящих из системы
однотипных излучателей, и апертурных антенн. К последним относятся
рупоры, антенны поверхностной волны и антенны оптического типа —
зеркала и линзы. Апертурой или раскрывом называют выход антенны,
представляющий собой поверхность, через которую проходит весь
поток СВЧ-излучения.
Антенны характеризуются диаграммой направленности, шириной
главного лепестка, входным сопротивлением, коэффициентом
полезного действия, рабочим диапазоном частот и другими параметрами.
На расстоянии г < X от антенны сосредоточены электромагнитные поля,
колеблющиеся вместе с диполем и не дающие потока энергии наружу.
Свободно распространяющиеся поля, оторвавшиеся от диполя,
существуют в волновой зоне на расстояниях г > X от источника. В этой зоне
распространяются уже сформировавшиеся волны.
31

хк Рис. 1.10. Плоская однородная
£ электромагнитная волна, распро-
/ * страняющаяся в направлении z
В зависимости от формы волнового фронта они подразделяются на
плоские, сферические, цилиндрические и flp._j* плоской однородной
электромагнитной волне колебания векторов 2Ги Я находятся в фазе,
а поверхность равных фаз (волновой фронт) совпадает с поверхностью
равных амплитуд. В ней векторы электрического и магнитного полей
взаимно перпендикулярны и лежат в плоскостях^перпендикулярных
направлению распространения (рис. 1.10). Вектор Евсегда колеблется
в плоскости xozy перпендикулярной направлению z. Такая волна
называется линейно-поляризованной, а плоскость xoz — плоскостью
поляризации. Суперпозицией двух линейно-поляризованных волн со взаимно
перпендикулярными и одинаковыми по величине векторами Е
является волна с эллиптической или круговой поляризацией.
Векторы Ж и /Г и скорость распространения бегущей волны v
связаны между собой правилом правого буравчика: при вращении рукоятки
буравчика с правой нарезкой в направлении от вектора /Г к вектору Я
направление скорости распространения волны определяется
направлением ввинчивания буравчика.
При отражении электромагнитных волн в передающей линии или
среде возникают стоячие волны, представляющие собой суперпозицию
отраженной волны с первоначальной. Если первоначальная волна
распространяется в сторону возрастающих х, то отраженная будет
распространяться в обратном направлении. При этом знак одного из
векторов Т? и ~R меняется на противоположный и между колебаниями
отраженной и первоначальной волны возникает сдвиг фаз, равный я.
В случае полного отражения, например при коротком замыкании
передающей линии, в одних точках стоячей волны величина
электрического поля Еа максимальна и равна 2Е0, в других она равна нулю.
Первые точки называются пучностями, а вторые — узлами
электрического поля. Расстояния между двумя соседними узлами или пучностя-
Nfii равны между собой и составляют Х/2. Аналогично распределено и
магнитное поле. Причем пучности электрического поля совпадают с
узлами магнитного поля, а пучности магнитного поля - с узлами
электрического поля (рис. 1.11).
Распространение электромагнитных волн в пространстве
описывается однородными уравнениями Гельмгольца, т. е. волновыми урав-
32

Рис. 1.11. Распределение полей Е
и Я в стоячей волне
нениями
V 2Т+к2Ё~=0, (1.119)
V2H + k2H=0. (1.120)
Здесь к — модуль волнового вектора к, называемый волновым числом:
fc = 2WX = w/^, (1.121)
где Уф — фазовая скорость волны.
Уравнения волны показывают, что электрическая и магнитная
компоненты поля в однородной изотропной среде распространяются в виде
недеформирующейся волны. Рассмотрение волнового уравнения в
декартовой системе координат можно ограничить определением
составляющих полей V иЖ по какой-либо одной из осей координат,
например по оси z:
д2Е7 . Ъ2Е7 . 7S%
Ъг2
Ъх2
Ъу2
z + k2Ez=0,
Ь2н2 Ъ2н2
Ъх2
д/'
+ *Ж + ен.
Ъг
г «"О-
(1.122)
(1.123)
В плоской однородной электромагнитной волне отсутствуют
продольные составляющие электромагнитного поля: Е2 = О, Hz = 0. Она
характеризуется только составляющими Е =ЕХ, Н = Ну. Поэтому
волновые уравнения (1.119) и (1.120) упрощаются:
-5!% + *%=<), (1.124)
Ьг
Ъ2Щ
—f + к2Ну = 0.
Ъг2 у
(1.125)
Для волны, распространяющейся в направлении z в неограниченной
среде, решение этих уравнений имеет следующий вид:
Ex(z)=Exexp(-yz), (1.126)
Hy(z)=Hyexp(-yz), П.127)
33

где 7 - коэффициент распространения, зависящий от электрических и
магнитных свойств среды. В переменном электромагнитном поле
свойства среды характеризуются комплексной диэлектрической
проницаемостью
eK=e0(e'-ie"), (1.128)
где е" определяют потери энергий поля в среде. Количественной
характеристикой энергетических потерь является отношение е"/е\
называемое тангенсом угла потерь:
tg8 =€"/€'. (1.129)
В постоянном электрическом поле е" = 0, а е' = е. Если потери
энергии обусловлены только проводимостью, то тангенс угла потерь
выражает отношение проводимости среды к произведению ее
диэлектрической проницаемости на частоту поля:
tg6= -?—,. (1.130)
Диэлектрики с малыми потерями (фторопласт, полиэтилен,
керамика и др.), используемые в СВЧ-технике, имеют tg6 < 10"2. В
предельном случае у диэлектриков без потерь tg6 = 0. У металлов,
обладающих хорошей проводимостью, tg6 > 1. Окислы металлов,
биологические жидкости, морская вода и другие разбавленные растворы
электролитов в СВЧ-диапазоне имеют tg6, близкий к единице.
Комплексная диэлектрическая проницаемость и коэффициент
распространения связаны между собой равенством
7 = iwVeKMoMi. (1.131)
Ослабление бегущей волны в децибелах на метр (дБ/м) определяется
через действительную часть коэффициента распространения и
характеризуется коэффициентом затухания а:
а = 8,68w Veoe'/ioMi/cos 5sin(6/2). (1.132)
Величина, обратная а, определяет глубину проникновения 5С, где
дс — расстояние, при прохождении которого электромагнитное поле
ослабеваете ераз:
5с = 1/а. (1.133)
Бегущая волна характеризуется также коэффициентом фазы 0,
измеряемым в радианах на метр:
j3 = wVe0e'MoMi/cos5cos(5/2). (1.134)
С учетом равенств (1.131) и (1.133) волновые уравнения (1.126)
и (1.127) можно выразить в тригонометрической форме:
34

Ex(z9t) = Ex exp(-az)cos(wt - 0z + <рг), (1.135)
Ну (z, t) = Hyexp(-az)cos(wt - (5z + ip2). (1.136)
В однородной плоской бегущей волне отношение Ех/Ну —
величина, постоянная для данной среды. Она называется характеристическим
сопротивлением волны Zc:
Zc =EX/Hy =VMoMi/eK. (1.137)
В вакууме Zc равно примерно 377 Ом, а значения Ех и Ну связаны
между собой соотношением
Ех=311Ну. (1.138)
Фазовая скорость распространения волны в среде определяется ее
электрическими и магнитными свойствами
*ф=с/у/7Ц, (1.139)
где с - скорость света в вакууме. Длина волны в среде в >/ё/1 раз
меньше, чем в вакууме, и связана с фазовой скоростью Уф и
коэффициентом фазы 0 соотношениями
Х = *фГ, (1.140)
Х = 2тг/0, (1.141)
где Т — период колебаний. Скорость распространения огибающей
сложного сигнала называют групповой скоростью. В случае изменения
фазовой скорости с частотой она равна
Утр = ^ф - \dvyd\. (1.142)
ГЛАВА 2
ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО
2.1. Электрические свойства молекул
Электрические свойства молекул связаны с движением электронов
и определяются составом и типом химических связей в молекуле.
Основными характеристиками электрона являются энергия £ , момент
импульса М^ (орбитальный момент количества движения), спин S
и спиновый магнитный момент цсп [3,6,9-11].
Согласно квантовой ^теории, каждой частице, в том числе и
электрону, соответствует волна, характеризующаяся частотой w и
волновым вектором к, которые определяют энергию частицы и ее импульс р:
S=^w = hpy (2.1)
35

P=*£ (2.2)
где Л, А - постоянная Планка. Напомним, что волновой вектор связан
с длиной волны X соотношением |Т| = 2я/Х.
Состояние частицы описывается волновой функцией ^, являющейся
комплексной величиной, и зависит от времени t и пространственных
координат
^ = ^(r,0 = exp(-iwr) ф(г), (2.3)
где строчная буква ф (г) обозначает функцию, которая зависит только
от координаты г, и описывает стационарное состояние частицы в
декартовой системе координат.
Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность
нахождения частицы в момент времени t в малом объеме пространства dV
с координатами от г до г + dr. Она равна №(r,t)\2dV, где
|*(г,012="(г,0 (2.24)
является плотностью вероятности. Плотность вероятности подчиняется
условию нормировки
Tw(r,/)dK=l. (2.5)
_ оо
Вероятность нахождения электрона в определенном объеме атома в
химии выражают через плотность электронного облака или просто
электронную плотность. При движении частицы с массой т в силовом поле,
не изменяющемся во времени, значение волновой функции
определяется стационарным уравнением Шредингера
-|1д*(г) + ^(г)*(г)= &ф(г), (2.6)
где U(г) - потенциальная энергия частицы в силовом поле, А -
оператор Лапласа, i = у/^Л — мнимая единица. В стационарном состоянии
все квантовомеханические вероятности сохраняются неизменными во
времени. В случае свободного движения частицы ее потенциальная
энергия U(r) = 0. Если силовое поле является также и функцией времени,
то движение частицы будет описываться временным уравнением
Шредингера
i* —^ = - £- ДФ(г, 0 + U(r91) Ф(г, Г). (2.7)
Решения уравнения Шредингера существуют не для всех, а только
для "разрешенных" квантовой теорией значений энергии частицы
<5о, ю 1
36

Спектр дискретных значений энергии электрона задается его
главным квантовым числом и, определяющим число радиальных узловых
точек волновой функции электрона в атоме. Так, энергия электрона
в атоме водорода
je тле 1^,6 _> ,~ оч
&elh2n2 п2
где т - масса электрона.
Главное квантовое число соответствует числу электронных
оболочек или слоев в атоме и принимает значения ряда целых чисел 1, 2,
3 . . . При п = 1 электрон в атоме водорода обладает наименьшим
значением энергии So и находится в основном, наиболее устойчивом
состоянии. При п > 1 квантовые состояния <§ 1э <§2 • • • называются
возбужденными. Переход электрона из основного в возбужденное
состояние происходит вследствие поглощения кванта света hv или
другого вида энергии. В возбужденном состоянии связь электрона
с ядром атома ослабевает. Поэтому такое состояние неустойчиво.
Например, время существования возбужденного электрона в атоме
водорода не более 1СГ8 с.
Момент импульса электрона также имеет ряд дискретных значений,
определяемых орбитальным или азимутальным квантовым числом /:
Mf=h2l(l-\). <2.9)
Орбитальное квантовое число / принимает значения целых чисел,
на единицу меньших п: О, 1, 2, ...,«- 1. При значениях /, равных О,
1, 2 и 3, соответствующие состояния электрона называют s-, р-у d- и
/-состояниями.
Для характеристики числа возможных значений проекции
момента импульса на произвольно выбранную в пространстве ось (как
правило, ось z) вводится магнитное квантовое число
ml=Mljn. (2.10)
Оно принимает значения в интервале -/ < т^ < +/. Магнитное
квантовое число определяет также величину орбитального магнитного
момента
Морб=МбИ/1, (2.11)
где Мб — магнетон Бора. В системе СИ величина Мб определяется
зарядом электрона е и его массой т:
Мб= ^-~Ю-23Дж/Тл.
Каждому набору квантовых чисел и, / и ть характеризующему
орбитальное состояние электрона, соответствует только одна волно-
37

вая функция Ф, которую в квантовой химии называют орбиталью.
Собственно волновые функции электрона в атоме получили
называние атомных орбиталей, а в молекуле - молекулярных орбиталей.
В зависимости от состояния электронов различают s-, р-, d- и
/орбитам!.
Спин является существенно квантовой величиной, которую нельзя
механически уподоблять вращающемуся на одном месте волчку. Он
характеризует квантовые свойства частицы равноправно с такими ее
параметрами, как заряд и масса. Как собственный механический
момент электрона спин задается неотрицательным числом а,
являющимся аналогом орбитального квантового числа /, но принимающим не
только целые, но и полуцелые значения 1, 1/2, 1,3/2... Проекция
спина на заданную ось z равна
S2=moti, (2.12)
где магнитное спиновое число та принимает значения от —а до + а,
а абсолютное значение спина определяется как
S = fiy/o(o+l). (2.13)
Для простоты, называя спин, указывают только на число а. Спин
частицы может по-разному ориентироваться в пространстве, что
приводит к изменению его проекции на ось z. При этом абсолютное значение
спина сохраняется постоянным. Спин электрона имеет только две
ориентации с SZ9 равным +#/2 и -#/2, так как та = ± 1/2. Совокупность
всех четырех квантовых чисел полностью описывает состояние
электрона в атоме водорода и приближенно - в более сложны^ атомах.
Суммарные орбитальный и-спиновый магнитные моменты всех
электронов в атоме характеризуют квантовые числа L и 5. Кроме того,
тонкая структура энергетических уровней, определяемая спин-орбиташ;-
ным взаимодействием в атомной системе, характеризуется
квантовыми числами полного момента количества движения / и его проекции на
заданную ось rtij. Атомы как целое обладают также квантовым числом,
называемым четностью состояния р. Четность состояния определяет
знак волновой функции при инверсии координат (Т-* -Т) и принимает
значения двух целых чисел: +1 и —1. Например, для атома водорода
р = 1.
Классическая электродинамика рассматривает электрон как
заряженную частицу радиусом примерно 1(Г13 м. Электромагнитное поле
такой частииы описывается вектооами микроскопических
электрического Т и магнитного h полей. Считается, что электрические тога
обусловлены только движением заряженных частиц. Плотность тока /
определяется плотностью заряда р и его скоростью 7:
Г= р£ (2.14)
38

Движение электрона как заряженной частицы подчиняется
уравнениям микроскопической электродинамики, называемым уравнениями
Лоренца—Максвелла. В дифференциальной форме в системе СИ они
имеют вид:
div е = — р, rot е = — —
е0 Эг
,Г 1 ^-^ 1 ЭГ
ру +
е0с2 с2 ЪТ
div /г = 0, rot ft = —-pv + — —— .
(2.15)
Дополняющее их выражение для объемной плотности силы
Лоренца 77 действующей на заряженную частицу, определяется равенством
(1.66):
Г=р(7+иП).
Для перехода к описанию электромагнитных процессов в
макроскопической системе используют метод усреднения микроскопических
полей е и h: среднее значение электрического поля частицы
приравнивают вектору напряженности электрического поля % а среднее
значение магнитного поля — вектору магнитной индукции iT В результате
уравнения Лоренца-Максвелла преобразуются в макроскопические
уравнения Максвелла (1.78).
Отдельные атомы в молекуле связаны между собой посредством
химической связи. В простейшем случае ее возникновение является
результатом действия кулоновских сил между электронными
облаками и ядрами двух взаимодействующих атомов. Химическая связь
образуется с участием электронов внешнего (s- и р-состояний) и пред-
внешнего (d-состояния) слоев обоих атомов и является результатом
перераспределения электронной плотности валентных электронов в
пределах всей молекулы.
Состояние электронов, участвующих в образовании связи между
атомами, описывается молекулярными орбиталями - комбинацией
атомных орбиталей. В образовании химической связи во многих
случаях принимают участие гибридные атомные орбитали,
представляющие собой линейную комбинацию s-9 p- и d-орбиталей одного и того
же атома.
Выделяют четыре основных типа химической связи: ионную, кова-
лентную, координационную и металлическую. Широко
распространенная в природе водородная связь является частным случаем
координационной связи. Различают полярную и неполярную ковалентные связи.
При образовании неполярной связи плотность валентных электронов
распределяется между двумя атомами симметрично. Если центр
тяжести электронного облака смещен в сторону одного из атомов (более
электроотрицательного), то образуется полярная связь. В этом случае
оба атома приобретают равные по абсолютной величине разноименные
точечные заряды +еи-е. образующие электрический диполь.
39

Координационная связь реализуется в комплексных соединениях.
По своей природе она аналогична полярной ковалентной связи и
образуется за счет передачи электронной пары с целиком заполненной орби-
тали атома лиганда на вакантную орбиталь центрального атома,
выступающего в качестве комплексообразователя. В этом случае первый
атом называют донором, второй — акцептором, а саму связь — донор-
но-акцепторной. Количественной характеристикой системы двух^заря-
дов, образующих диполь, служит вектор дипольного момента р,
направленный от отрицательного заряда к положительному:
Т=еХ (2.16)
где е — абсолютная величина электрического заряда; / — вектор,
начало которого совпадает с отрицательным зарядом диполя, а конец -
с положительным. Потенциал у? диполя определяется равенством
*=«sr% (2Л7)
47ге0 г3
На расстояниях г, больших размеров диполя, напряженность
создаваемого им электрического поля Е убывает с расстоянием обратно прсь
порционально г3. Потенциальная энергия диполя во внешнем поле Е
равна.
U = -(pE). (2.18)
Энергия взаимодействия диполя р с зарядом q убывает с расстоянием
пропорционально г2:
U= _L_ «JA , (2.19)
4тге0 гъ
а взаимодействия двух диполей^ ир2 — пропорционально г3 :
U=z 1 г¥р\Уг)- 3(/рО(гр^) (2 2СП
4тге0 г5
где радиус-векторТ определяет взаимное расположение заряда и диполя
или двух диполей.
В общем случае система электрических зарядов, обладающих
определенной симметрией, образует мультиполь. В зависимости от числа
зарядов различают мультиполи нулевого (единичный заряд), первого
(диполь), второго (квадруполь) и более высокого порядков. Квадру-
поль - это система из четырех заряженных частиц, которую можно
рассматривать как совокупность двух диполей. Электрический квадру-
польный момент Q равен
Q = 2е!а, (2.21)
40

где а - расстояние между двумя условными диполями. Вдали от квад-
руполя напряженность создаваемого им электрического поля Е
убывает как 1/г4, т. е. быстрее, чем поле диполя.
В системе СИ дипольный момент измеряют в единицах Клм, а квад-
рупольный - в Кл-м2. Так как 1 Клм - очень большая единица, то
в молекулярной физике для измерения дипольного момента используют
внесистемную единицу - дебай (D), равную 3,336-10"30 Kji-м. Величина
дипольных моментов системы двух атомов, соединенных ковалентной
связью, в большинстве случаев составляет 0-3 Д а координационной -
до ID. Например, дипольный момент системы Н —С1 в молекуле НС1
равен 1,04 Д
Ионную связь можно рассматривать как предельный случай
полярной ковалентной связи, когда облако валентных электронов полностью
переходит к одному из атомов. Величина дипольного момента в этом
случае имеет более высокие значения. Например, дипольный момент
системы двух ионов К+ и ВГ в молекуле КВг равен 10,4А
При квантовомеханическом рассмотрении химической связи
выделяют локализованные двухцентровые связи (С-С, С -Н и др.) и делока-
лизованные многоцентровые связи (сопряженные связи в
ароматических углеводородах и пр.). Водородную связь рассматривают как
особый вид трехцентровой связи, а металлическую связь - как
предельный случай делокализованной химической связи.
Если между двумя атомами возникает две, три или четыре связи, то
говорят о кратности связей. Кратность связи играет большую роль
в определении физико-химических свойств молекул. Например, одним
из основных компонентов биологических мембран являются фосфо-
липиды, в состав молекул которых входят остатки
высокомолекулярных жирных кислот.
В зависимости от наличия двойных связей различают насыщенные и
ненасыщенные жирные кислоты. Причем, чем больше степень
ненасыщенности молекул, определяемая числом двойных связей, тем ниже
ее температура плавления. Так, температура плавления насыщенной
стеариновой кислоты, содержащей 18 атомов С, равна +69,6°С. У
содержащих такое же число углеродных атомов ненасыщенных
олеиновой (одна связь С=С), линолевой (две связи) и линоленовой (три
двойные связи) кислот эта температура составляет соответственно
+ 13,4; —5,0 и —11,0°С. Следовательно в данном случае число
двойных связей в остатках жирных кислот фосфоглицеридов будет
определять вязкость липидного биослоя, латеральную диффузию молекул
белка и другие свойства мембраны, а также векторные свойства и
высокую избирательность биологических мембран.
Энергия химической связи изменяется в широких пределах: от 10-
20 кДж/моль (водородная связь) до значений порядка 103 кДж/моль
(связь N=N в молекуле N2). В случае одинарной ковалентной связи
она обычно лежит в пределах 200-500 кДж/моль или 2-5 эВ.
Например, энергия О —Н-связи в молекуле Н^О равна 423,7 кДж/моль.
41

Равновесное расстояние между ядрами атомов в молекуле,
называемое длиной химической связи, различно. Оно зависит от вида
взаимодействующих атомов и составляет 0,1—0,18 нм. С увеличением
кратности длина химической связи между двумя одинаковыми
атомами уменьшается, а общая энергия связи возрастает. Так, длина
одинарной, двойной и тройной связей между атомами углерода в
углеводородах равна соответственно 0,154; 0,134 и 0,121 нм.
Половина длины одинарной ковалентной связи в симметричной
молекуле (например, связь Н—Н в молекуле Н2 ) определяет ковалент-
ный радиус атома. В зависимости от поляризуемости и направленности
химических связей молекулы бывают полярные и неполярные.
Полярную молекулу приближенно можно рассматривать как систему
заряженных частиц, дипольный момент которой определяется
соотношением
р"= left, (2.22)
I
где ei - заряд i'-й частицы,^- ее радиус-вектор. Например, суммарный
дипольный момент молекулы Н20 равен 1,84А
На величину дипольного момента молекулы влияет наличие у одного
из атомов гибридных орбиталей неподеленной пары электронов,
создающих дополнительный дипольный момент, направленный к этому же
атому. Например, дипольный момент гибридных орбиталей атома азота
в молекуле аммиака увеличивает полярность молекулы NH3, так как
полярные связи N-H направлены от атома азота к атомам водорода.
В молекуле NF3, наоборот, наблюдается уменьшение суммарного
дипольного момента ввиду направленности полярной связи N - F к атому
азота. Дипольные моменты молекул NH3 и NF3 равны соответственно
1,46 и 0,2Д В молекулах спиртов и органических кислот электронная
плотность на атоме кислорода оксигруппы может быть разной. Поэтому
дипольные моменты О—Н-связей, во многом определяющие кислотные
свойства названных соединений, также различны. В частности, связь
О—Н в этиловом спирте менее полярна, чем в уксусной кислоте.
Вещества, молекулы которых обладают постоянным дипольным
моментом, называют полярными.
Энергия системы двух или нескольких атомов или молекул —
непрерывная функция их координат, рассматриваемая как потенциальная
энергия взаимодействия части U(r). Она определяется
взаимодействием сил электростатического притяжения ядер и электронов и сил
межэлектронного и межьядерного отталкивания. Функция U(r) имеет
область минимума энергии, называемую потенциальной ямой (рис. 2.1).
При сближении атомов на равновесное расстояние система
переходит в наиболее устойчивое состояние. Величина г0 равна сумме кова-
лентных радиусов атомов, а значение U0 определяет -энергию
химической связи & .
42

Рис. 2.1. Зависимость потенциальной энергии
взаимодействия двух частиц U(г) от
расстояния г между ними: U0 - глубина потенциальной
ямы, соответствующая равновесному
расстоянию го между частицами; О - диаметр
столкновений, соответствующий расстоянию г, при
котором U (г) = О
Аналитически ковалентное взаимодействие двух атомов описывается
потенциальной функцией, называемой потенциалом Морзе:
(2.23)
U(r)= £{1-ехр[-*(г-г0)]}2,
где а — параметр, характеризующий крутизну потенциальной ямы.
Межмолекулярное или ван-дер-ваальсовое взаимодействие определяется
силами взаимного притяжения и отталкивания молекул, имеющими
электрическую природу. Если каждое ядро атома, участвующего в
межмолекулярном взаимодействии, ограничить сферой, соответствующей
балансу сил притяжения и отталкивания, то радиус этой сферы
определяет ван-дер-ваальсовый радиус атома.
Силы притяжения убывают пропорционально примерно г1 и
определяют ориентационное, индукционное и дисперсионное (собственно ван-
дер-ваальсовое) взаимодействия. Ориентационное взаимодействие
является дипольным и возникает только между полярными молекулами.
Энергия ориентационного взаимодействия зависит от температуры.
Индукционное взаимодействие происходит между полярной и
неполярной молекулами за счет возникновения у последней дипольного
момента, индуцированного полярной молекулой. В отличие от
ориентационного и индукционного дисперсионное взаимодействие является
всеобщим и присуще как полярным, так и неполярным молекулам. Оно
связано с возникновением у молекул мгновенных дипольных моментов,
обусловленных сложным движением электронов, и определяется через
константу Лондона С:
ит
дисп
аха2
vh vh
+ Vi.
vh
(2.24)
где
поляризуемости молекул, имеющие разность объема;
Vjl и Vf2 - потенциалы ионизации молекул.
t*i и а2
Энергию межмолекулярного притяжения можно выразить через
функцию а, значение которой определяется глубиной и положением
потенциальной ямы:
U = -
а
~~б
(2.25)
43

Для большинства веществ глубина потенциальной ямы имеет
порядок 0,1-1,0 кДж/моль или 0,001-0,1 эВ, а равновесное расстояние
между молекулами равно 0,3—0,4 нм. Оно приближенно определяется как
сумма ван-дер-ваальсовых радиусов атомов, участвующих в
межмолекулярном взаимодействии. Так, вычисленные значения о для ориента-
ционного, индукционного и дисперсионного взаимодействий между
молекулами воды равны соответственно 18,6• 10"78, 4,8-10~78 и
3,35-10~78 Дж-м6. Ван-дер-ваальсовые радиусы атомов О и Н
составляют 0,12 и 0,14 нм. Если считать, что среднее расстояние между
молекулами воды при комнатной температуре равно примерно 0,3 нм,
энергия межмолекулярного взаимодействия при г = г0 составит около
—10 кДж/моль или —0,1 эВ.
Силы взаимного отталкивания молекул действуют на очень малых
расстояниях. Они возникают при соприкосновении внутренних
электронных оболочек атомов и убывают пропорционально г13. С учетом
сил отталкивания величина потенциальной энергии взаимодействия
молекул выражается формулой
\6"
U (г) =4 6
;
(2.26)
называемой потенциалом Леннарда-Джонса.
Электропроводность вещества определяется наличием в нем
свободных носителей электрического тока. В проводниках первого рода
(металлы) носителями тока являются электроны, а в проводниках второго
рода (электролитические жидкости) - ионы. Наличие обоих типов
носителей характерно для плазмы. В диэлектриках свободные носители
тока практически отсутствуют и все заряды связаны в
микроскопические электронейтральные комплексы. В твердых веществах размеры
комплексов определяются геометрией элементарной ячейки
кристаллической решетки, которая может быть образована разноименными
ионами (кристаллы КС1) или ионами и электронами (алмаз). В жидкостях
и газах подвижность зарядов обычно ограничена размерами атомов и
молекул.
Подавляющее большинство диэлектриков обладает
неупорядоченным распределением микроскопических дипольных моментов частиц,
взаимно компенсирующих друг друга. Поэтому в отсутствие внешнего
электрического поля такие диэлектрики не поляризованы, т. е. в
каждом объеме диэлектрика значение макроскопического дипольного
момента равно нулю.
В некоторых случаях микроскопические диполи способны к
самопроизвольной ориентации в небольших объемах участка диэлектрика
с линейными размерами^не более 10""6 м, что вызывает спонтанную
поляризацию вещества Р. Спонтанно поляризованные участки диэлек-
тика получили название доменов, а само вещество — сегнетоэлектрика.
Характерно, что в результате поляризации суммарный заряд диэлек-
44

трика не изменяется. Типичными сегнетоэлектриками являются тита-
нат бария ВаТЮ3 и сегнетовая соль KNaC4H406 -4H20.
Сегнетоэлектрические свойства присуши только кристаллам, у
которых отсутствуют центры симметрии. Они проявляются лишь в
некотором интервале температур, ограниченном определенной
температурой Гс, назьюаемой точкой Кюри. С приближением к точке Кюри
происходит непрерьшное изменение состояния кристаллов, характерное
для фазового перехода II рода. Вблизи этой точки наблюдаются
специфические изменения электрофизических свойств вещества,
достигающие своего максимума в самой точке. Выше точки Кюри сегнетоэлек-
трические свойства кристалла исчезают. Для изученных сегнетоэлек-
триков точки Кюри лежат не выше 500°С. Например, для KNaC4H406 x
х4Н20 и ВаТЮ3 значения Тс равны соответственно —18-24 и 133°С.
Вещества, которым присущи некоторые модификации
кристаллической структуры, имеют несколько точек Кюри.
Отношение макроскопического дипольного момента к единице
объема диэлектрика называется поляризованностью и "также
обозначается через г. Поляризованность является функцией радиус-вектора^?
и зависит от времени t. В системе СИ она измеряется в единицах Кл/м2.
Максимальная спонтанная поляризованность разных кристаллов
изменяется в широких пределах. Так, для титаната бария и сегнетовои соли
она равна соответственно 0,25 и 0,25 • 10"2 Кл/м2.
Поляризованный диэлектрик характеризуется поверхностной и
объемной плотностью зарядов поляризации оп и рп:
оп=Рп, Ри = -ЬР/дТу (2.27)
где Рп — нормальная компонента поляризованности в данной точке
поверхности.
2.2. Магнитные свойства вещества
Любое физическое тело, рассматриваемое с точки зрения его
магнитных свойств, является магнетиком. Магнитные свойства вещества
определяются распределением в пространстве магнитных моментов
атомных ядер и электронов, входящих в состав частиц вещества
(атомов, молекул, ионов), а также ориентацией микроскопических
магнитных моментов этих частиц относительно друг друга в магнетике
[3, 6, 12-14]. По своим магнитным свойствам физические тела
подразделяют на диа-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетики.
Магнитный момент ядра атома складывается из спиновых
магнитных моментов протонов и нейтронов и магнитных моментов,
связанных с орбитальным движением частиц в ядре. Его измеряют в ядерных
магнетонах дя, определяемых аналогично магнетону Бора:
Дя=27^ %5-Ю~27Дж/Тл, (2.28)
где гпр - масса протона. 45

Один ядерный магнетон соответствует магнитному моменту
протона, обладающему проекцией орбитального момента т^ на ось z, равной
единице. Полный магнитный момент протона цр равен примерно 2,8Мя»
а нейтрона цп - 1,9/хя- Отношение цп/цр составляет 2/3.
Магнетон Бора в 1836 раз больше ядерного магнетона, поэтому
магнитные моменты электронов на три порядка превышают магнитные
моменты атомных ядер и фактически определяют величину
суммарного магнитного момента атомов. Отношение магнитного момента
микрочастицы к ее механическому момейту назьюают магнитомеханиче-
ским или гиромагнитным и обозначают
7=*7о, (2.29)
где 7о — единица магнитомеханического отношения; множитель g —
фактор Ланде, характеризующий состояние частицы. Для атомной
системы единицей магнитомеханического отношения служит величина
магнитомеханического отношения для орбитального движения
электрона Тор б, равная
7орб=-е/2>я. (2.30)
Множитель Ланде для чистых орбитального и спинового моментов
соответственно равен одному и двум. В более сложном случае он
близок к единице или равен нулю. Результирующий магнитный момейт
электронных оболочек в атоме /Г находят сложением орбитальных и
спиновых магнитных моментов всех электронов по правилам
пространственного квантования. Он связан с суммарным механическим
моментом/электронов в атоме соотношением
-f=-g J-T (2.31)
Магнитное поле, создаваемое моментом /х, равно
в= -±^ з6Г)Г-У t (232)
47ге0<г г
где Т— радиус-вектор. Если радиус-вектор определяет взаимное
расположение двух магнитных моментов /Ti и /Г2, то потенциальная энергия
их взаимодействия
U =_!_ r2<MiXt2) - 3(Тах7)(7Д^) _
47ге0с2 г5
В частицах диамагнитных веществ орбитальные и спиновые магнитные
моменты скомпенсированы и их суммарный магнитный момент равен
нулю. Диамагнетиками являются большинство органических
соединений, золото, медь, цинк, инертные газы, кристаллы NaCl и другие ве-
46

щества. Во всех остальных магнетиках суммарный магнитный момент
частиц отличен от нуля. Причем часть из них характеризуется наличием
спонтанной намагниченности М, определяемой как среднее значение
результирующего магнитного момента всех микрочастиц вещестза в
единице объема. Средние значения магнитных моментов отдельных атомов
отличаются от магнитных моментов изолированных атомов и
оказываются равными дробному числу магнетонов Бора. Так, средние
магнитные моменты атомов Fe и Со равны соответственно 1,218 и 1,715/хб.
Микроскопические магнитные моменты частиц парамагнитных
веществ выстроены неупорядоченно и взаимно компенсируют друг друга.
В отсутствие внешнего магнитного поля такие вещества размагничены.
К парамагнетикам относят К, Na, Ca, Mg, Al, Pt, некоторые другие
металлы, кислород, редкоземельные элементы, водные растворы солей,
содержащие ионы переходных металлов, и др.
Наличие спонтанной намагниченности характерно для ферро- и фер-
римагнетиков. Оно связано с упорядоченным расположением
микроскопических магнитных моментов частиц, т. е. с атомной магнитной
структурой вещества. В ферромагнетиках магнитные моменты всех
атомов выстроены вдоль одного направления — оси легкого
намагничивания. Они обладают суммарным магнитным моментом М,
отличным от нуля. Вследствие намагниченности в ферромагнетике возникает
внутреннее макроскопическое поле В\ назьюаемое молекулярным
полем Вейсса. Согласно квантовой теории внутреннее поле, в отличие
от внешнего магнитного поля i?f, не имеет магнитной природы. Оно
определяется соотношением
Я' = -V Х^> (2.34)
е0сг
где \ — величина, постоянная для данного ферромагнетика.
Все ферромагнетики - металлы. Типичными их представителями
являются железо, кобальт и никель.
Аналогично сегнетоэлектрикам ферромагнетики достаточно
больших размеров состоят из отдельных доменов. Кроме того, для каждого
ферромагнетика существует определенная критическая температура Тс,
также называемая точкой Кюри. Выше точки Кюри спонтанная
намагниченность исчезает. Для железа точка Кюри соответствует 1043 К.
Магнитная структура ферримагнетиков, например магнетита Fe304,
характеризуется антипараллельным расположением микроскопических
магнитных моментов соседних частиц. Однако их абсолютные значения
неодинаковы, ввиду чего суммарный магнитный момент
ферримагнетиков также не равен нулю. Все ферримагнетики являются диэлектриками
или полупроводниками. Полупроводниковые ферримагнитные
материалы - ферриты - широко используются в радиотехнике, и в
частности в технике СВЧ.
47

В антиферромагнетиках микроскопические магнитные моменты
частиц равны по абсолютной величине. Однако каждый из них
компенсируется антипараллельным магнитным моментом ближайшего
окружения, вследствие чего суммарная намагниченность
антиферромагнетика равна нулю. Антиферромагнитными свойствами обладают окись
марганца МпО и некоторые другие вещества. При определенной
температуре, называемой точкой Нееля Гн, антиферромагнитная
упорядоченная структура разрушается.
2.3. Поляризация молекул в электрическом поле
Известно, что во внешнем электрическом поле атомы и молекулы
диэлектрика поляризуются. Механизм поляризации зависит от природы
вещества и частоты внешнего поля [3, 6]. В неполярных диэлектриках
под влиянием внешнего поля возникает "упругая" или деформационная
поляризация. При этом ядра атомов смещаются в направлении
действующего поля (атомная поляризация), а электроны — в
противоположном направлении (электронная поляризация). В результате происходит
деформация диэлектрика, получившая название электрострикции.
Поляризация ионных кристаллов возникает вследствие взаимного
смещения ионов (ионная поляризация), а кристаллов с ковалентной связью
(алмаз) - преимущественно из-за деформации электронных оболочек.
Деформационная поляризуемость частиц определяется только их
внутренними свойствами.
В видимом и ультрафиолетовом диапазонах волн ядра атомов не
успевают сместиться вслед за изменением поля и поляризуемость
вещества обусловлена только деформацией электронных облаков.
Электронная поляризуемость в этом случае связана с показателем
преломления вещества п и определяется уравнением Лоренц-Лоренца
Pm = -у— — = -т-ЬАаэп- (2.35)
где РЭп — электронная поляризация: NA — число Авогадро.
При частотах внешнего поля, соответствующих инфракрасному и
более низкочастотному диапазонам, а также в постоянном
электрическом поле к электронной добавляется и атомная поляризация.
Величина деформационной поляризации в этом случае определяется
формулой Клаузиуса—Моссотти
^=^ — = —^«0, (2.36)
где М — молярная масса; р — плотность вещества; Р0 —
деформационная поляризация. Под влиянием поля частицы вещества приобретают
наведенный или индуцированный дипольныи момент ~Ринд- В средних
и слабых полях его величина линейно зависит от локального электри-
48

ческого поля в месте нахождения частицы Епок:
Рннц - еоаоЕлок. (2.37)
Внутриатомные поля во много раз превышают внешние поля, в
которые обычно попадают диэлектрики. Поэтому электрическая
поляризуемость частиц невелика. Например, для атомов углерода и водорода
поляризуемости равны соответственно 1,5 и 0,66 • 10"3 ° м3.
Для достижения значительных деформаций атомов требуются
гигантские поля порядка 1010—1011 В/м. В таких полях линейная
зависимость р(Е) нарушается. Наведенные дипольные моменты в
относительно слабых полях порядка 103—105 В/м исчезающе малы по
сравнению с типичными собственными значениями дипольных моментов
полярных молекул, имеющих порядок единиц Дебая. Например, в поле
Е = 104 В/м индуцированный дипольный момент молекулы метана
СН4, вычисленный по формуле (2.37), равен примерно 10"пD («сн* =
= 2,7.10"30м3).
В полярном диэлектрике при частотах, соответствующих СВЧ-диа-
пазону, наблюдается ориентационная поляризация. Она является
результатом ориентации микроскопических дипольных моментов во
внешнем поле. Ориентационная поляризация ?^р зависит от
температуры и задается соотношением
Fop=4f^5r- <2-38>
Здесь -—— ориентационная поляризуемость аор; р" — собствен-
ный дипольный момент молекулы.
Для многих полярных молекул ориентационная поляризуемость
сравнима с типичными значениями электронной поляризуемости. Так,
для молекул воды при комнатной температуре аор ^ 0,33-10"30 м3.
Это значит, что при обычной температуре ориентирующее влияние
средних и слабых полей на микроскопические диполи незначительно.
Полная поляризуемость молекул а равна сумме деформационной и ориен-
тационной поляризуемостей:
а = а0+аОр. (2.39)
Она связана с диэлектрической проницаемостью вещества формулой
Ланжевена-Дебая
где Р — полная поляризация вещества.
Интересно отметить, что в веществах с водородной связью под
действием электрического поля отдельные ионы могут "перескакивать"
49

из одного положения в другое по механизму, сходному с ориентацион-
ной поляризацией. В частности, это наблюдается у льда, где ионы
водорода имеют несколько положений равновесия. В результате
поляризации в диэлектрике возникает поляризованность Р. В случае
деформационной поляризации поляризованность пропорциональна содержанию
частиц в единице объема N и величине индуцированного дипольного
момента частицы ^Нд:
?=АгДинд. (2.41)
В газах значения Епок совпадают с величиной внешнего поля Е.
Поэтому
~P=Ne0a0E'. (2.42)
В плотных средах к приложенному полю добавляется внутреннее
поле, создаваемое окружающими частицу зарядами:
^лок = ^+^внутр- (2 A3)
Если частицу мысленно окружить сферой, охватывающей соседние
частицы, поля которых следует учесть точно, то внутреннее поле будет
равно
->- р ->-
^внутр = -je +^микро> (2-44)
где £МИкро — микроскопическое поле зарядов внутри сферы. Для
неполярных жидкостей и многих кристаллов микроскопическое поле
зарядов сферы частицы равно нулю и поляризуемость определяется
соотношением
Т=№0а0(Ж+ £- V (2.45)
Преобразуя (2.45) в выражение вида
Т= , N€°\ T (2.46)
и сравнивая его с (2.42), легко заметить, что при одинаковом значении
поля Е плотные среды поляризуются сильнее, чем газы. К примеру,
поляризованность 02 в жидком состоянии в 1,16 раза выше, чем в
газообразном. Ориентационная поляризованность определяется величиной
собственного дипольного момента частиц р. В средних и слабых полях
она пропорциональна отношению энергии взаимодействия полностью
ориентированного во внешнем поле диполя!?£_к средней энергии
теплового движения молекулы к Т. В случае, когда рЕ< кТ

В сильных полях при значениях рЕ > кТ влияние температуры на
ориентацию диполей несущественно и выражение (2.47) упрощается:
T=NfK (2.48)
При этом наступает диэлектрическое насыщение, когда все частицы
полярного диэлектрика ориентируются строго по полю. Кроме
электрического поля поляризацию вещества вызывают магнитное поле,
радиоактивные излучения, механическая деформация, трение, действие
коронного разряда и другие воздействия.
Интересным свойством многих диэлектриков является их
способность сохранять поляризованное состояние после снятия внешнего
воздействия. Такие вещества называются электретами. К ним относят
монокристаллы галоидов щелочных металлов, титанаты
щелочноземельных металлов, ультрафарфор, корунд, стекла и ситаллы,
пчелиный воск, парафины, различные полимеры и другие вещества.
Электреты имеют стабильный поверхностный заряд и являются аналогами
постоянных магнитов. Они используются в качестве источников
постоянного электрического поля и чувствительных датчиков, а также
в электрофотографии.
Диэлектрики, поляризующиеся при сжатии или растяжении
кристалла в определенных направлениях, получили название пьезоэлектри-
ков. Пьезоэлектрические свойства присущи только кристаллам, не
имеющим центров симметрии. В настоящее время известно более
1500 различных пьезоэлектриков. Среди них монокристаллы кварца,
пьезокерамика, сегнетова соль KNaC4H406-4Н20, сульфат лития
Li2S04, титанат бария ВаТЮ3, дигидрофосфат аммония NH4H2P04
и другие соединения. Пьезоэлектрики обладают способностью к элек-
трострикции, которая заключается в деформации кристалла при его
поляризации. Они применяются для изготовления пьезоэлектрических
преобразователей, широко используемых в технике.
Электреты, для которых возникновение макроскопического
электрического поля связано с изменением температуры кристалла,
называются пироэлектриками. Пироэлектричество является результатом
действия теплового расширения на микроскопические дипольные моменты
вещества. Макроскопическим проявлением пироэлектричества является
изменение поляризованности электрета при быстром изменении его
температуры. При этом в диэлектрике возникают значительные
электрические поля. Например, изменение температуры типичного пиро-
электрика турмалина всего лишь на 1°С вызывает возникновение
электрического поля 4-104 В/м. Пироэлектрики используются в качестве
индикаторов и приемников излучения. Все пироэлектрики являются
пьезоэлектриками.
Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрикиг
которые используются в детекторах электромагнитных волн, для контроля
и измерения температуры и других целей. Характерной особенностью
51

сегнетоэлектриков является их способность более легко, чем другие
пироэлектрики, изменять поляризованность под влиянием различных
воздействий. Во внешнем электрическом поле они поляризуются в 104—
10s раз сильнее обычных диэлектриков. Зависимость поляризации сег-
нетоэлектрика от приложенного поля нелинейна и характеризуется
петлей гистерезиса.
В сильном электрическом поле микроскопические диполи всех
доменов сегнетоэлектрика ориентируются в одном направлении. При
выключении поля в них сохраняется остаточная поляризованность.
Например, для кристалла ВаТЮ3 она достигает 0,3 Кл/м2. Для
снятия остаточной поляризованности к сегнетоэлектрику необходимо
приложить довольно сильное внешнее поле Ес, направленное
противоположно первоначальному. Абсолютное значение поля Ес называют
электрической коэрцитивной силой. Чем шире петля гистерезиса и
соответственно больше коэрцитивная сила, тем сегнетоэлектрик
считается более жестким.
Способность среды к поляризации характеризуется величинами
диэлектрической проницаемости е и диэлектрической
восприимчивости к:
Т=е0к~Е. (2.49)
В системе СИ диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая
восприимчивость связаны между собой простым соотношением
е = 1 + к. (2.50)
Для большинства диэлектриков е не зависит от температуры,
давления и величины электрического поля.
Поляризация диэлектрика во внешнем поле происходит не
мгновенно, а в течение определенного времени г, назьшаемом временем
релаксации. Вследствие этого _в^ переменном электромагнитном поле
между векторами поляризации Р и напряженности Е возникает разность
фаз, характеризующаяся углом потерь 5, величина которого зависит
от частоты колебаний w и времени релаксации. На низких частотах
1/г > w и угол б равен нулю; на высоких частотах, наоборот, 1/т <w
и угол б стремится к величине 7г. В области частот w % 1/г наблюдается
дисперсия диэлектрической проницаемости, а величина тангенса угла
потерь tg б проходит через максимум.
Частотная зависимость действительной е' и мнимой е" частей
диэлектрической проницаемости связана с временем релаксации и
описывается формулами Дебая
€> = €оо+ ^L^L_ , e,,= <«o-6,JwT f (251)
1 + (wT)2 1+ (wT)2
где е0 - значение е' для низких частот; €«, - его значение для
высоких частот.
52

Рис. 2.2. Зависимость е' (i) и tg6 (2) от частоты w при ориентационной
поляризации:
а - область w<^l/T; б - область w « 1/7; в - область w>l/r
Рис. 2.3. Установление поляризации в диэлектрике в течение времени t:
/ - электронная и ионная поляризации; 2 - ориентационная поляризация
Время релаксации определяется механизмом поляризации.
Ориентационная поляризация связана с релаксацией микроскопических
диполей во внешнем поле. Время релаксации в этом случае определяется
величинами собственного дипольного момента и осевого момента
инерции / микрочастиц. Оно зависит от температуры, вязкости среды,
энергии ориентационного взаимодействия и других факторов.
Момент инерции «-атомной молекулы относительно оси вращения,
например оси z, определяется равенством
/,*=&*,*,., (2.52)
где hi - расстояние атома массой mi от оси вращения молекулы.
При комнатной температуре времена релаксаций подавляющего
большинства диэлектриков лежат в области 1СГ4-1СГ10 с. Так, г
полярных молекул белка и воды имеют порядок 1(Г6-1(Г7 и 10"10 с
соответственно.
Кривые частотной зависимости е' и tg б при ориентационной
поляризации называются поляризационными (рис. 2.2). Ориентационная
поляризация диэлектрика происходит плавно. Электронная и ионная
поляризации устанавливаются волнообразно и имеют характер затухающих
колебаний, а соответствующие кривые зависимости e'(w) и tg6(w)
называются резонансными (рис. 2.3).
Электропроводность диэлектриков очень мала. К примеру, удельное
сопротивление полиэтилена и кварцевого стекла равны соответственно
1013—1014 и 1014-1016 Омм. Проводимость диэлектриков в большей
мере определяется подвижными ионами и в меньшей степени —
подвижными электронами. Заметный вклад в нее может вносить
поверхностная проводимость. Ионная проводимость обеспечивается как
собственными, так и примесными ионами. Они перемещаются в кристалле по
53

междузлиям, а также за счет вакансий (пустот) в его структуре,
обусловленных дефектами кристаллической решетки. С повышением
температуры ионная проводимость возрастает.
Если при поляризации диэлектрика в переменном электромагнитном
поле электроны и ионы смещаются на относительно небольшие
расстояния, то такой диэлектрик можно рассматривать как систему
гармонических осцилляторов, испытывающих вынужденные колебания.
В результате этих колебаний часть энергии поля поглощается в
диэлектрике и затем теряется за счет рассеяния в тепло. Доля поглощаемой
энергии зависит от амплитуды колебаний микрочастиц и механизма
диссипации энергии. Максимум поглощения определяется условием
резонанса, когда частота внешнего поля совпадает с частотой
собственных колебаний осциллятора w0 и амплитуда вынужденных
колебаний становится максимальной:
w=W0. (2.53)
В случае точного соблюдения условия (2.53) раскачка осцилляторов
ограничивается только диссипацией энергии. Если это условие
соблюдается неточно, то амплитуда вынужденных колебаний определяется еще
и разностью w - vv0, называемой расстройкой резонанса.
При ориентационной поляризации максимум потерь энергии поля
имеет место, когда период электромагнитных колебаний становится
близким к времени релаксации. В воде, например, максимальное
поглощение наблюдается при Т — 10"1 ° с, т. е. соответствующая резонансная
частота лежит в СВЧ-диапазоне. При ионной поляризации максимум
потерь смещается в инфракрасную область (1012-1013 Гц), а при
электронном механизме — в оптическую (около 1015 Гц). Выше и ниже
резонансных частот относительная доля потерь энергии уменьшается.
Снижение потерь на более низких частотах связано с понижением
частоты смещения частиц, а на более высоких частотах — с уменьшением
интенсивности поляризации, которая не успевает установиться
полностью за период колебаний электромагнитного поля. Более подробно
вопросы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом
будут рассмотрены в разд. 2.6.
2.4. Вещество в магнитном поле
Под влиянием внешнего магнитного поля все вещества
намагничиваются. Механизм этого явления определяется природой магнетика
[3, 6, 13, 14]. В диамагнитном веществе возникающая намагниченность
Мц связана с индуцированием электрического поля, влияющего на
движение электронов. В результате у частиц вещества возникают
дополнительные магнитные моменты, которые макроскопически проявляются
в виде диамагнитной намагниченности. Ввиду индукционной природы
диамагнитная намагниченность всегда ориентирована противоположно
54

приложенному полю. В соответствии с известным правилом Ленца
вследствие взаимодействия индуцированных магнитных моментов
частиц с внешним полем диамагнитное вещество выталкивается из поля.
Если электрон движется по круговой орбите, то его дополнительный
магнитный момент прямо пропорционален квадрату расстояния между
электроном и ядром г2:
*-£* (2.54)
С учетом квантовых законов движения электронов г2 выражают
через его среднее значение г2. В этом случае индуцированный
магнитный момент атома, содержащего z электронов, движущихся не только
по круговым орбитам,
^= £ tffi (2-55)
Диамагнитная намагниченность присуща всем магнетикам. В газах,
где взаимодействие между частицами не влияет на намагниченность
атомов, диамагнитная намагниченность пропорциональна числу атомов
в единице объема:
MA=7V^T (2.56)
На диамагнетизм жидких и твердых тел междучастичное
взаимодействие оказывает существенное влияние, и его количественное описание
требует точного учета взаимодействия частиц вещества друг с другом.
Абсолютные значения дцамагнитной намагниченности незначительны.
Так, для гелия в поле В = 1 Тс намагниченность Мл равна 10~3 А/м.
Намагниченность парамагнетиков Мп на два-три порядка выше, чем
диамагнетиков, и связана с ориентацией собственных магнитных
моментов частиц вещества в направлении внешнего поля. Такая ориентация
вызывает дозникновение сил притяжения между веществом и полем.
Величина Мп зависит от действующего поля и температуры и
определяется соотношением
Mu=N-^-T9 (2.57)
кТ
если отношение ii6B/kT< 1.
При очень высоких значениях поля и низких температурах, когда
отношение 11$В/кТ> 1, наблюдается магнитное насыщение. При
насыщении парамагнитная намагниченность достигает максимума и перестает
зависеть от внешнего поля. В этих условиях для каждого данного
магнетика она постоянна и равна
Mn=Nnh. (2.58)
55

Например, намагниченность парамагнитных газов при насыщении
достигает порядка 102 А/м.
В ферромагнетиках механизм намагничивания также ориентацион-
ный. Однако в отличие от парамагнетиков на каждый
микроскопический магнитный момент ферромагнетика^кроме внешнего поля,
действует также и внутреннее поле Вейсса В'. В этом случае равенство
(2.57) преобразуется в соотношение
- Мб
Мф^М^^В+В') (2.59)
при условии цб(В + В')/кТ< 1, а температура Г ниже точки фазового
перехода Тс. Во внешнем магнитном поле наблюдается размывание
дискретной точки фазового перехода второго рода вне зависимости от
направления приложенного поля.
При температурах выше Тс внутреннее поле В' исчезает и Л/ф
зависит только от внешнего поля 1Г. Если его значение невелико, то эта
зависимость линейна и определяется законом Кюри—Вейсса
МФ=ЛГ —±—В. (2.60)
ф к(Т~Тс) v '
Ферромагнетики намагничиваются в 101 ° —1011 раз сильнее, чем диа-
и парамагнетики. Благодаря доменной структуре ферромагнетикам
характерны магнитный гистерезис и остаточная намагниченность. Форма
петли магнитного гистерезиса подобна сегнетоэлектрическои. Если она
узкая, то ферромагнетик считается мягким, а если широкая - жестким.
Чем шире петля гистерезиса, тем больше остаточная намагниченность
вещества. Для размагничивания ферромагнетика необходимо приложить
магнитное поле, направленное противоположно первоначальному полю.
Это поле определяют как магнитную коэрцитивную силу.
При намагничивании естественно размагниченного ферромагнитного
образца во внешнем магнитном поле происходит изменение его
доменной структуры вследствие смещения границ между доменами (процесс
смещения) и поворота намагниченности к направлению приложенного
поля (процесс вращения). Кривую зависимости результирующей
намагниченности от величины внешнего поля называют кривой
намагничивания (рис. 2.4).
В относительно слабых полях эта кривая имеет сравнительно
пологий участок, который соответствует обратимым квазиупругим
процессам смещения. В более сильных полях кривая идет круто вверх и
характеризует существенно необратимые процессы смещения границ доменов.
При дальнейшем возрастании поля (верхняя пологая часть кривой)
процессы смещения завершаются и изменение намагниченности
определяется только ориентацией намагниченности, т. е. процессами вращения.
Наконец, последний линейный участок кривой намагничивания
соответствует магнитному насыщению.
56

Рис. 2.4. Кривая первого намагничивания ферро- М
магнетика Мво внешнем магнитном поле Н
В области температур ниже точки Нееля
Гн намагниченность антиферромагнетика с
ростом температуры возрастает. Выше этой
точки наблюдается убывание
намагниченности по закону
М= ££-*. (2.61)
Намагничивание магнетиков во внешнем поле вызывает их
деформацию или магнитострикцию. Магнитострикция вещества связана с ее
магнитной анизотропией. Деформация диа- и парамагнетиков
пренебрежимо мала. У ферромагнетиков относительное увеличение линейных
размеров образца может достигать значений порядка КГ3.
В переменных полях наблюдается дисперсия магнитной
проницаемости. Поэтому в ферромагнитных телах существуют квазистационарные
колебания намагниченности. В зависимости от однородности
намагничивания собственные колебания намагниченности тела характеризуются
частотами однородного или неоднородного ферромагнитного резонанса.
2.5. Заряды в электромагнитном поле
В свободном электромагнитном поле плоской волны электрические
и магнитные поля связаны между собой соотношением
Е = сВ, (2.62)
которое можно получить из второго и четвертого уравнений Максвелла
(1.78). Отношение сил, действующих в этих полях ра заряженную
частицу, составляет eVB/cE или с учетом уравнения (2.62) оно равно tfc.
Скорость электронов в атомах ^более чем в 100 раз меньше скорости
света с. Поэтому влияние магнитных сил на электрон не превышает 1%
влияния электрических сил. Энергия взаимодействия магнитного поля
с магнитным моментом электрона имеет тот же порядок.
Характерные скорости ионов на много порядков меньше скорости
света, ввиду чего для ионов отношение v/c пренебрежимо мало.
Следовательно, влияние электромагнитного поля на вещество с
энергетической точки зрения определяется в основном действием электрического
поля.
Рассмотрим некоторые особенности влияния электромагнитного
поля на заряженные частицы, находящиеся в свободном или связанном
состояниях [3, 6, 15]. Во внешнем электрическом поле Е частица
массой т и зарядом е под действием пондеромоторной силы Fx = еЕ дви-
57

жется в среде со скоростью v. Движению частицы препятствует сила
трения F2 = —fv, где / — коэффициент трения. В соответствии со
вторым законом Ньютона движение такой частицы описывается уравнением
m— = eE-fv. (2.63)
dt
Если обозначить время релаксации движения частицы через m/f, то
уравнение движения заряженной частицы примет вид
^ + L. = ±Е. (2.64)
dt т т
Отношение средней скорости направленного движения заряженных
частиц в электрическом поле к величине напряженности поля Е
называют подвижностью /х:
М = v/E. (2.65)
Подвижность ионов в однородном газе зависит только от их
массы т\ чем больше масса, тем меньше подвижность ионов. В
растворах ц. зависит также от диэлектрической проницаемости и вязкости
среды, природы ионов, температуры и концентрации. С увеличением
концентрации подвижность ионов уменьшается. Подвижность ионов
невелика. Так, для ионов Na+ и СГ в водном растворе при температуре
27°С она равна соответственно 5,2-10"8 и 7,2 • 10" 8 м2^"1^"1.
В переменном поле движение свободной заряженной частицы носит
тот же характер, что и в постоянном поле. Различие состоит в том, что
при изменении направления поля направление движения частицы также
меняется и оно становится колебательным. В высокочастотном поле
смещение ионов относительно положения равновесия незначительно.
Например, подвижность ионов Н+ в водном растворе при температуре
300 К равна 36,3-10"8 м2-В"!-с"!. В поле частотой 109 Гц и
напряженностью 104 В/м смещение протонов за полупериод колебания
составляет 18-Ю"13 м.
Для связанных зарядов положение равновесия на оси
перемещения х характеризуется точкой х = 0. В случае гармонических колебаний
осциллятора сила F, возвращающая частицу в положение равновесия,
равна
F=-kx, (2.66)
где к — силовая постоянная, а сила F называется силой Гука.
Дополняя уравнение (2.63) выражением для силы Гука, получаем уравнение
движения связанной заряженной частицы
т^- =eE-fv-kx. (2.67)
58

Волновое уравнение электрической составляющей плоской бегущей
волны, распространяющейся в направлении оси у, можно представить
в виде
Ex{t) = £о exp [i(ky - wt)]. (2.68)
Смещение частицы в поле такой волны будет определяться
аналогичной зависимостью
х (0 = х0 exp [ i (ку - wt)]. (2.69)
Причем амплитуда смещения х0 не совпадает по фазе с амплитудой
действующего поля Е0. Сдвиг фаз определяется соотношением частот
w0/w. Подставляя в (2.67) вместо х его значение из (2.69) и используя
значения времени релаксации г и угловой частоты гармонического
осциллятора w0 = у/к/т, определяемой из уравнения (2.67) при условии
/?=/= 0, находим
wo - w -(iw/r)
Решением его является равенство
jc = jc0 cos(w00- (2.71)
Частотную зависимость электрических свойств связанных зарядов,
находящихся в вязкой среде, можно определить через плазменную
частоту wnjI, выражаемую соотношением
"2пп= £~N. (2.72)
Плазменная частота характеризует гармонические колебания
плотности заряда, возникающие в плазме при локальном нарушении
электронейтральности вследствие тепловых флуктуации. Плазмой считается
ионизированный газ, объем которого намного превьппает линейные
размеры зарядовой декомпенсации б. В системе СИ
82=%кТ. (2.73)
Ne2
Величина 5 впервые была введена Дебаем и Хюккелем при
исследовании растворов сильных электролитов в 1923 г. Она характеризует
расстояние, на котором плазма экранирует себя от локального избытка
заряда и называется радиусом Дебая—Хюккеля. При частоте внешнего
поля w < wnn плазма экранирует электрическое поле и глубина его
проникновения в плазму не превьппает дебаевский радиус.
С увеличением концентрации частиц в плазме дебаевский радиус
уменьшается. Так, при N9 равном 1014, 1018 и 1022 част./м3, дебаев-
59

ский радиус плазмы составляет примерно 1(Г4,106и1(Г8м
соответственно.
Считают, что по своим электрическим свойствам растворы сильных
электролитов сходны с плазмой. Плазменные колебания не являются
распространяющимися и носят локальный характер. Они затухают в
результате столкновений электронов и ионов. Время жизни плазменных
колебаний тпл определяется соотношением 1/и>пл и в обычных
экспериментальных условиях находится в пределах 10" *3—10~3 с.
Электрическая проводимость плазмы а, Ом'^м"1, слабо зависит
от концентрации носителей тока и определяется в основном ее
температурой:
а^10-згз/2 (274)
При очень высоких температурах она намного выше, чем
электропроводность лучших металлических проводников.
В сильно разреженной или высокотемпературной плазме поведение
частиц практически независимо друг от друга и во внешнем магнитном
поле каждая заряженная частица совершает упорядоченное движение
по спирали, закручивающейся вокруг себя. Если скорость частицы
равна v, то радиус винтовых линий спирали R составляет
*-%. (2-75)
а угловая частота вращающейся частицы w, называемая циклотронной,
равна
w---— . (2.76)
В слабых и средних полях упорядоченное движение частиц разруша
ется в результате столокновения с препятствием. В сильных полях
вероятность разрушения упорядоченного движения мала и плазма в
целом перемещается вдоль магнитного поля. Более подробно законы
взаимодействия плазмы с магнитным полем рассмотрены в магнитной
гидродинамике.
Диэлектрическая проницаемость вещества связана с числом частиц
в единице объема соотношением
e=l+(7Va/e0), (2.77)
где поляризуемость а можно определить через величину смещения
частиц х (t):
a = ex(t)IEx{t). (2.78)
Подставляя в (2.77) значение а из (2.78), получаем
e=l+^£JLi!L. (2.79)
е0 Ex(t)
60

Это уравнение можно преобразовать, используя равенство (2.70),
что дает возможность представить величину диэлектрической
проницаемости в комплексном виде:
= 1 + "2пп("о ~ *2) + i ^(w/f) (2 .
(w8-w2)2 + (w2/r2) (w2o-w2)2+(w2It2) '
Для свободных зарядов соотношение (2.80) соблюдается при
условии vv0 = 0. Средняя потенциальная энергия заряженной частицы,
например электрона, в плазме сравнима с энергией взаимодействия двух
таких частиц, расположенных на расстоянии 5 друг от друга:
иэ*-е2141Т€06. (2.81)
Определяя из уравнения (2.73)
kT = Ne82leQ (2.82)
и сравнивая его с (2.79), находим
-иэ1кТ^11(4п№д). (2.83)
. 2.6. Взаимодействие СВЧ -излучения с веществом.
Диэлектрический нагрев
Если потенциальная энергия системы U не зависит от скорости, ее
полная энергия, представляющая собой функцию Гамильтона или
гамильтониан, равна сумме кинетической и потенциальной энергии:
H=T+U. (2.84)
При этом для свободной частицы с массой /я, движущейся со
скоростью v в системе координат x,y9z, гамильтониан определяется
соотношением
Н=1^{Р*+РУ +Я) + и(**У**). (2-85)
где р - ее импульс, равный mv.
Рассмотрим взаимодействие частиц с электромагнитным полем [3,
6, 10, 15]. В электромагнитном поле гамильтониан свободной частицы
с зарядом е зависит от значений векторного и скалярного
потенциалов Ти у, т. е.
я== i[(Рх ~еАх)2 +(ру" eAy)l +(Pz"eAz)2] +е*- (2-86)
Силу Лоренца, действующую на частицу, движущуюся в
электромагнитном поле, также можно выразить через потенциалы А и *р9 исполь
зуя равенства (1.21), (1.41) и (1.66):
F= eI[vrot 2) - — - grad Л . (2.87)
61

В квантовой механике координаты и импульсы движущейся частицы
заменяются эрмитовыми операторами таким образом, что
классическому гамильтониану Н соответствует оператор энергии УС ,
называемый квантовомеханическим гамильтонианом. Для системы, содержащей
п частиц:
^ = -Й22 ^-VJ + U(rl9T2...). (2.88)
Импульсам рх, ру и pz соответствуют операторы -iA , — ik
Ъх Ъу
и — ife — .
bz
Подставляя эти операторы в уравнение (2.86), после небольших
преобразований получаем
Ж
= -LY-i* А -е%)2 + е<р. (2.89)
2т{ $Г )
В результате взаимодействия с излучением частица поглощает квант
энергии hv и переходит из какого-либо А:-го состояния в
суперпозиционное (возбужденное) ;-е состояние. Частота ЭМП н>д,
соответствующая переходу k-j, определяется условием частот Бора:
^.41*..^, (2.то)
где ё> - полная энергия частицы.
Если молекулы обладают постоянным дипольным моментом,
поглощение кванта энергии электромагнитного поля в диапазоне СВЧ
приводит к изменению вращательных уровней энергии молекул.
Соответствующие значения А £ д и увр, при которых осуществляется
электрический дипольныи переход, определяются вращательным квантовым
числом/:
' 87Г/
i-Wp-^Ve + D. (2-92)
где / — момент инерции молекулы. Например, для молекулы HCN,
обладающей дипольным моментом ЗД вращательные переходы 0 -► 1,
1 -* 2 и 2 -* 3 с точностью до 1 ГГц соответствуют частотам 89, 177 и
266 ГГц.
Для характеристики вращательных переходов вместо частоты v
на практике удобнее пользоваться вращательной постоянной В,
выражаемой в единицах частоты. Для двухатомных, а также линейных
62

и сферических многоатомных молекул, структура которых относится
к типу жесткого волчка,
B = fH(4*Ibb)9 (2.93)
где индекс ЬЬ у момента инерции / указывает ось инерции. Структуру
жесткого волчка имеют линейные молекулы СО, HCN, сферическая
молекула СН4 и др.
Нелинейные несферические многоатомные молекулы
характеризуются тремя вращательными постоянными А, В и С, соответствующими
трем главным осям инерции д, Ъ и с. При этом у молекул типа
вытянутого симметричного волчка (CH3CI, СН3—SiH3 и др.) А >В =С, а у
молекул типа сплющенного симметричного волчка (NF3,CHF3) A=B>C.
Энергия вращательных переходов свободных молекул типа
симметричного волчка соответствует сантиметровому, миллиметровому и
субмиллиметровому диапазонам волн. Энергетические уровни молекул
тага асимметрического волчка (СН202, C6H5F, С3Н40и др.) занимают
промежуточное положение между уровнями энергии молекул указанных
двух типов, хотя могут быть и исключения. Например, у асимметричной
молекулы фторбензола, структура которой близка к типу вытянутого
симметричного волчка, вращательные постоянные А, В и С равны
соответственно 5,66,2,57 и 1,77 ГГц (цифры округлены до 10 МГц).
В основном колебательном состоянии число молекул в единице
объема в Ьм состоянии Nk можно определить из приближенного
выражения
Nk=Nj~ -j£p> (2.94)
где кТ — тепловой квант; р — плотность числа молекул в к-м
состоянии; Vjk = Vj+ij, т. е. переход к-+j осуществляется между двумя
соседними уровнями.
Вероятность электрического дипольного перехода к -* / к моменту
времени t р]к (w, t) зависит от величины дипольного момента
молекулы ~р. В системе СИ
sm2[(tl2HwJk-W)] ,
7 eo 167T#V I [(tl2)(wfk-w)]4
Здесь А0 определяется через волновой вектор к и частоту w:
Х=Т0 ехр [\{кТ- wГ)]. (2.96)
Кривая распределения вероятностей, определяемая формулой (2.95),
имеет максимум ртах> возрастающий пропорционально Г2. Значение
Pmin определяется при условии w -* Wjk следующим образом:
Ртах = j- *Д [(Ao7)jk}2i2ll6irPc2. (2.97)
€0
63

Рис. 2.5. Вероятность переходов
частиц к -*/ для времени t:
P/*(^)=0,405/>max
Av = l/r
-3/t -2/t -1/t
i/t 2/t 3/t
Полная ширина кривой Av = Vjk - v на уровне 0,45pmax равна 1/r
(рис. 2.5). Константа скорости перехода к-+ j определяется как полная
вероятность в единицу времени и равна
*'*e rowfkl$oP)jk]2tl\6iTpc2
(2.98)
Для электронного, колебательного и вращательного переходов зна-
102 и 106 с"1
соответственно.
чения констант kjk имеют порядок 10"
В СВЧ-диапазоне А£]к <кТи разность Nk - Nj равна
AN = Nktwfk/kT. (2.99)
Она изменяется во времени по экспоненциальному закону
AN(t) = AN0exp(-2kfkt), (2.100)
где AN0 - значение этой разности при t = 0. Из приведенной формулы
видно, что уменьшение первоначальной разности AN0 в е раз происходит
за время 1/2к}к. Для вращательных переходов это время составляет
примерно 5 10"7 с. Следовательно, в отсутствие релаксационных
процессов, возвращающих заселенность молекулярных уровней в
состояние теплового равновесия, во взаимодействующей с СВЧ-полем системе
насыщение вращательных уровней должно установиться мгновенно,
что приведет к прекращению дальнейшего поглощения
высокочастотной энергии. Однако практически достижение насыщения
энергетических уровней системы затруднено вследствие протекания
релаксационных процессов, определяющих обратные переходы / -* к.
Константа скорости обратных переходов kkj- имеет ту же величину,
что и к
-/к-
►Я =**/('-**)■ (2.101)
Кинетически процессы прямого и обратного переходов протекают
по первому порядку
dt
dN;
(2.102)
64

a*W=T0
e
Z(w/k-w) =
%^z,,,-.),
w ckT
1
7Г
Г 1/T j
. (l/r)2+(W/fc-w)2 1
Если молекулы образца обладают дипольными моментами, то
основным механизмом поглощения является электрический дипольныи
переход. В этом случае коэффициент поглощения можно выразить через
дипольныи момент молекулы. С учетом конкурирующих
релаксационных процессов
^г кг 4
(2.103)
с0 W~C/Cl
где
1 Г 1/т 1
(2.104)
есть нормированный контур Лоренца с максимальной амплитудой
г/я. Полуширина лоренцевой кривой Aw, определяемая из (2.103),
равна 1/7.
Переходы j -* k могут происходить также в результате магнитного
дипольного и электрического квадрупольного взаимодействий частиц
с внешним ЭМП. Эти взаимодействия определяются значениями
дипольного или квадрупольного моментов д и Q:
(А07),к =1Ф?Ао£фк<1и9 (2.105)
tykWQjk = */кМ ** *kdU. (2-106)
где звездочка у функции ^ обозначает операцию комплексного
сопряжения, когда все мнимые единицы i =■ \J~^l в волновой функции
заменяются на -i.
Соответствующие этим механизмам коэффициенты поглощения
определяют путем замены дипольного момента р.к в выражении (2.103)
на Дд или (Wjk/c)Qjjc- Оба они обеспечивают гораздо меньшую
вероятность примешивания /-го состояния к fc-му, чем электрический
дипольныи механизм.
Процессы релаксации могут быть излучательными и безызлучатель-
ными* Излучательный релаксационный процесс связан со спонтанным
испусканием квантов лучистой энергии возбужденными частицами
системы. Вероятность спонтанного испускания в единицу времени
определяется как Akj. В случае равновесия
Величина, обратная этой вероятности, определяет время
релаксации суперпозиционного /-го состояния за счет спонтанного излучения.
Значения вероятностей спонтанного испускания для электронных и
колебательных переходов составляют соответственно 4 107 и 40 с"1.
65

При вращательных переходах они пренебрежимо малы и составляют
всего лишь 4-Ю"8 с . Следовательно, основным процессом
релаксации возбуждений в СВЧ-поле должен быть безызлучательный.
Как известно, процессы молекулярной релаксации происходят
вследствие парных столкновений. Поэтому безызлучательные переходы
j -+ к будут связаны с обменом энергией между молекулами образца
в результате их столкновений друг с другом или с какими-либо
другими препятствиями, например со стенкой сосудов. В соответствии с юь
нетической теорией среднее время между столкновениями молекул t
определяется ,их средней скоростью V и средней длиной свободного
пробега /:
' = I = * 2 , (2.108)
где d - диаметр; р - плотность числа частиц. Значения 7 типичных
газов и жидкостей при нормальных условиях имеют порядок 1(Г9-
10"1 ° с. Так, для газообразного СО при 27°С и нормальном
атмосферном давлении t = 4,7-10"10 с. Сравнение этих значений с временем
излучательнои релаксации в микроволновом диапазоне, равном
2,5 107 с, подтверждает явно безызлучательный механизм
вращательных переходов / -> к. Поглощенная образцом энергия микроволн дис-
сипирует и в конечном счете превращается в тепло, повышая его
температуру. В диэлектрике величина потерь энергии ЭМП определяется
равенством (1.108). Если среда содержит заряды (ионы), то это
равенство дополняется слагаемым, определяющим джоулевы потери
или потери проводимости:
-^ =#nntfS+ l-IoE2dV, (2.109)
dt s 2 у
где S — замкнутая поверхность, ограничивающая объем К, занимаемый
полем. Соотношение между потерями проводимости и
диэлектрическими потерями определяется тангенсом угла потерь tg5 (1.129).
При расчетах более целесообразно_определение поглощаемой в
образце средней мощности излучения Р. Если излучение распределяется
вдоль координатной оси z и в точке z =0 встречает поглощающий
образец, то уменьшение мощности СВЧ-излучения в образце в зависимости от
координаты z равно
AP = P0-PZ=P0[1 -exp(-az)], (2.110)
где Р0 - среднее значение СВЧ-мощности в точке z =0; Pz — ее значение
в точке z\ а — коэффициент затухания.
Основные процессы диссипации поглощенной СВЧ-энергии связаны
с установлением теплового равновесия вследствие релаксации
поступательных или трансляционных состояний Т и вращательных состояний R.
66

Константа скорости процесса релаксации определяется уравнением
Аррениуса вида
k= I = т?ехр(-Д£/А;Г), (2.111)
т
где т? определяет частоту столкновений; АЕ — энергия активации.
Для трансляционных и вращательных уровней энергии ввиду
малости АЕ по сравнению с кТ ехр(-АЕ/кТ) — 1 и каждое парное
столкновение приводит к изменению движения частиц. Поэтому процессы
релаксации Т -+ Т и R -+ R протекают очень быстро за времена порядка
10"9—10"10 с. Установление равновесия между степенями свободы Т
и R происходит медленнее, чем для каждой из внутренних степеней
свободы Т или R, что связано с наличием стерического фактора. По этой
причине время релаксации T-R значительно выше и составляет
примерно 10"* с.
ГЛАВА 3
ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛН
НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
3.1. Живой организм в СВЧ-поле
Все живое на Земле, в том числе и человек, практически постоянно
подвергаются действию СВЧ электромагнитных излучений малой
интенсивности. Источники микроволн, создающие в биосфере
микроволновый фон, подразделяют на две группы: естественные и
искусственные [16—18]. К естественным относят излучения Солнца, Луны,
планет Солнечной системы, комет и других космических объектов.
Отметим, что в радиоастрономии излучательная способность
источника электромагнитных колебаний характеризуется спектральной
плотностью потока мощности, определяемой как отношение потока
излучения, взятого в бесконечно малом спектральном интервале,
содержащем данную длину волны X, к ширине этого интервала d\ [6].
Спектральная плотность потока излучения измеряется во внесистемных
единицах Ян; 1 Ян = 10~26 Вт/(м2Гц). Например, излучение
невозмущенного Солнца на частоте 30 ГГц характеризуется спектральной
плотностью 107 Ян.
Полное радиочастотное излучение Солнца слагается из постоянного
излучения спокойного Солнца с полной поверхности солнечного диска
и излучения, идущего из центров активности [17]. В миллиметровом
диапазоне на частотах 100-300 ГГц у поверхности Земли
зарегистрирована СВЧ-мощность Солнца, равная 2-Ю"6 Вт/м2, при плотности
водяных паров в атмосфере 2,7 г/м3. Плотность потока в диапазоне
дециметровых и сантиметровых волн находится в пределах 3 105-10ь Ян.
67

Излучение Солнца, идущее из центров активности (взрывы или
вспышки), наблюдавшееся на частотах 1,2; 3; 9,5; 35 и 70 ГГц,
увеличивает общую интенсивность не более чем на 30%. Интенсивность
солнечного излучения связана с вращением Солнца (периодичность 28 сут)
и периодичностью солнечной активности, составляющей 11 лет.
Радиоизлучение Луны и планет значительно слабее солнечного. Так,
спектральная плотность излучения Венеры, Марса и Юпитера в СВЧ-диа-
пазоне составляет соответственно 96; 6,5 и 14 Ян. У комет на частоте
600 МГц зарегистрирована плотность излучения 5 103 Ян. Радиоволны,
идущие от других космическиу объектов, имеют линейчатый спектр или
характеризуются широким спектром частот. Источниками излучений
обоих типов могут быть как мощные дискретные образования, так и
диффузный фон. Средняя интенсивность этих излучений на несколько,
порядков ниже, чем солнечной радиации. Некоторые дискретные
космические СВЧ-источники приведены в табл. 3.1.
Т а б л и ц а 3.1. Интенсивность радиоизлучения некоторых дискретных
космических источников на частоте 100 МГц (Харвей, 1965)
Положение в 1950 г. Спектраль-
Источник
Персей
Андромеда
Дева А
Центавр
Телец А
Пес А
Лебедь А
Кассиопея А
Номер по

международному
обозначению
03WA
00N4A
12NIA
13S4A
05 N2 А
0854Л
\9NAA
23N5A
ч
03
00
12
13
05
08
19
23
Прямое восхождение
мин
16
40
28
22
31
20
58
21
Склонение
41°19'С
41°00'С
12°40fC
42°46'Ю
21°59fC
42°48'Ю
40°36fC
58°32'С
ная пл
ность
чения,
100
200
1200
1800
1900
3500
12500
20 000
СВЧ-излучение, в отличие от излучения более низкочастотного
диапазона, обычно распространяется в пределах прямой видимости. На его
распространение заметное влияние оказывает тропосфера, состоящая
в основном из смеси газов и паров воды [6]. Дециметровые волны
поглощаются в тропосфере слабо, а в сантиметровом и миллиметровом
диапазонах наблюдаются значительные потери СВЧ-энергии вследствие
резонансного поглощения в парах воды при X, равном 1,35; 1,5 и
0,75 см, и в кислороде при Х = 0,5 и 0,25 см.
Интенсивность естественных радиоизлучений зависит от суточного
вращения Земли: она максимальна в утренние часы и минимальна
в ночные.
Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха у
поверхности Земли чуть больше единицы: п - у/Т— 1,0003. С увеличением
высоты над уровнем моря плотность воздуха падает и значения е и я все
68

больше приближаются к единице. Изменение показателя преломления
с высотой вызывает нормальную тропосферную рефракцию, которая
способствует распространению радиоволн с X < 1 м за пределы прямой
видимости. Такое распространение радиоволн связано с
возникновением между рефрагирующим слоем воздуха и поверхностью Земли
тропосферного волновода, по которому волны распространяются на
очень большие расстояния, огибая поверхность Земли.
Плотность воздуха на определенной высоте зависит от колебаний
температуры и давления. Поэтому на рефракцию и распространение
излучения в тропосфере существенное влияние оказывают и
метеорологические условия. Наиболее заметные отклонения рефракции в ту
или иную сторону от нормального уровня наблюдаются летом на
высоте 2-3 км над уровнем моря.
Искусственные источники радиоизлучения связаны с созданием и
эксплуатацией СВЧ-установок в различных отраслях народного
хозяйства (технике связи, радионавигации, радиоастрономии,
промышленности и пр.). В некоторых случаях в окрестностях мощных
микроволновых генераторов интенсивность микроволн на много порядков
превышает интенсивность естественного фона и оценивается в
несколько единиц Вт/м2, что превышает принятые в СССР ПДУ
непрофессионального СВЧ-облучения. Излучения, проникающие в окружающую
среду от искусственных источников, повышают общий
электромагнитный фон в биосфере и создают определенную опасность для человека
и других обитателей нашей планеты.
3.2. Дозиметрия СВЧ-излучений
Для экспериментального исследования действия СВЧ-полей и
излучений на биологические объекты предложены различные методы
[16-19, 21]. В качестве источников излучения могут быть
использованы клистроны, магнетроны, плазменно-лучевые усилители, триоды
и квантовые генераторы. Для воздействия на объект создают
направленное излучение электромагнитной энергии, которое часто производится
с помощью рупорной антенны, имеющей достаточно узкую диаграмму
направленности (рис. 3.1). Излучение может осуществляться и при
использовании антенн с полусферическими или уголковыми
отражателями. Однако в этом случае направленность волны уменьшается. Высокая
направленность излучения достигается с помощью фазированной
антенной решетки, состоящей из множества элементарных излучателей. Такая
антенна с числом элементов до 104 и более имеет диаграмму
направленности около 1°. В фазированной антенной решетке осуществляется
электронное управление размерами СВЧ-пучка и фокальной точкой.
Если облучение объекта производят в передающей линии или
объемном резонаторе, возникает задача согласования линии с нагрузкой,
так как при несогласованной нагрузке часть СВЧ-энергии отражается.
69

Е-плоскость Н-плоскость
Рис. 3.1. Диаграмма направленности парамидальной рупорной антенны на частоте
2000 МГц
Для согласования нагрузки с линией используются двух- или трехшлей-
фовые трансформаторы сопротивлений. Условием согласования служит
равенство полных сопротивлений нагрузки ZH и линии передачи Zn:
70
(ЗЛ)

Степень согласования характеризуется коэффициентом стоячей волны
(КСВ) или коэффициентом бегущей волны (КБВ), которые
определяют с помощью измерительной линии. Ток детектора измерительной
линии обычно связан с подводимой к нему ЭДС соотношением
I = AU\ (3.2)
где Л — коэффициент пропорциональности. Поэтому в стоячей волне
КСВ= -^L = Лш*Г. (3.3)
^min у ^min
Измерение микроволновой мощности в линии производят
непосредственно, когда измеритель мощности включается в основную линию
в качестве оконечной нагрузки, или косвенным путем. В последнем
случае измеритель связывается с линией при помощи направленного
ответвителя или какого-либо другого элемента связи.
Количественной характеристикой интенсивности СВЧ-облучения, как
уже отмечалось, является вектор Умова—Пойнтинга, т. е. плотность
потока мощности излучения (ППМ), измеряемая в единицах Вт/м2,
мВт/см2 или мкВт/см2. Если облучение проводится в СВЧ-тракте, его
интенсивность определяют через удельную поглощенную мощность
(УПМ) в единице объема или массы объекта и выражают в единицах
Вт/м3 или Вт/кг. Дозу поглощения выражают через энергию
микроволн, которая поглощается определенной массой объекта (Дж/кг).
Расчет ППМ производят с учетом общей излучаемой мощности,
диаграммы направленности антенны и расстояния от излучателя до
объекта. В случае использования излучателей, дающих неравномерный поток
мощности, относительное распределение интенсивности в пределах
облучаемого участка дополнительно оценивается измерением
температуры поверхностных тканей.
Один из методов, обеспечивающих дозирование удельной
поглощенной мощности в сантиметровом диапазоне, разработан А. С. Пресманом
(1961). При этом микроволновая энергия от генератора по
коаксиальному кабелю передается в коаксиально-волноводный переходник, где
возбуждаемые волны типа Н01 проходят по тракту, состоящему из
аттенюатора, измерительной линии, индикатора мощности и
трансформатора полных сопротивлений, и поступают в вол ново дную ячейку
с поршнем, куда помещается пробирка с раствором белка. СВЧ-мощ-
ность дозируется аттенюатором и контролируется индикатором,
градуированным в единицах мощности. Градуировка осуществляется при
помощи направленного ответвителя, включаемого между
измерительной линией и индикатором мощности.
Для интенсивного облучения биологических жидкостей предложена
экспериментальная установка, разработанная на базе источника СВЧ-
энергии "Хазар-2 р" с выходной мощностью 2,5 кВт (А. П. Пиденко,
1977). Установка позволяет довольно равномерно и с высокой
скоростью нагревать жидкость в потоке или отдельными дозами.
71

ГП S\ 7\ г
Г"3! 1 Г
р£^т^ я\
\_^ ю]
Рис. 3.2. Структурная схема экспериментальной установки для дозированного
СВЧ-облучения биологических объектов:
1 - генератор микроволн; 2 - аттенюатор; 3 - звуковой генератор; 4 -
генератор прямоугольных импульсов; 5 - осциллограф; б - направленный ответви-
тель; 7 - измеритель мощности; 8 - измерительная линия; 9 - рупорная антенна;
10 - металлическая камера-экран; 11 - трансформатор импедансов; 12 -
коаксиальная ячейка; 13 - экранирующий термостат; 14 - объект
В наших исследованиях использована широкополосная СВЧ-установ-
ка, позволяющая дозировать облучение в единицах ППМ или УПМ
(рис. 3.2). Источником микроволн в ней служат выпускаемые серийно
генераторы стандартных сигналов, которые позволяют осуществлять
генерацию электромагнитных колебаний к непрерьюном режиме, а(так-
же в режимах синусоидальной и импульсной модуляции. Для
возбуждения модулированных колебаний используют звуковой генератор и
генератор прямоугольных импульсов. Величину и форму
модулирующих сигналов контролируют осциллографом. Плавная регулировка
выходной мощности осуществляется с помощью аттенюатора,
установленного на выходе генератора.
С аттенюатора микроволновая энергия подается на направленный
ответвитель, связанный с индикатором мощности. Градуировка
индикатора в единицах мощности проводится измерителем микроволновой
мощности. От направленного ответвителя СВЧ-колебания передаются
на измерительную линию, к которой подсоединяется оконечная нагрузка
в виде коаксиальной ячейки с образцом. Для лучшего согласования
нагрузки с передающей линией на участке между измерительной линией
и ячейкой с облучаемым образцом дополнительно включается
трансформатор импедансов. Излучение микроволн производится с помощью
пирамидальной рупорной антенны. Для предотвращения проникновения
микроволнового излучения в окружающую среду коаксиальная ячейка
помещена в экранирующий термостат, а рупорная антенна — в
металлическую камеру-экран.
3.3. Электрические и магнитные свойства клеток и тканей
Для понимания специфики взаимодействия ЭМП с биологическими
объектами и расчета поглощенной в них СВЧ-энергии необходимо
знание электрических свойств тканей организма, которые во многом опре-
72

деляются количественным содержанием в них минеральных ионов,
воды, а также других заряженных и дипольных молекул.
По содержанию воды ткани условно можно подразделить на жидкие
(кровь, лимфа), с высоким содержанием воды (внутренние органы,
мышцы и др.) и содержащие мало воды (жировая ткань, кости,
костный мозг) [16].
Рассеивание электромагнитной энергии в ткани в основном связано
с колебаниями зарядов (потери проводимости) и релаксацией
дипольных молекул (диэлектрические потери), соотношение между которыми
выражают tg5. Для биологических тканей с высоким содержанием
воды тангенс угла потерь в СВЧ-диапазоне близок к единице.
Диэлектрическая проницаемость и электропроводность
биологических объектов меняются с частотой ЭМП, т. е. имеет место дисперсия
электропроводности (табл. 3.2 и 3.3). На рис. 3.3 изображена типичная
кривая дисперсии диэлектрической проницаемости в области от
низких до сверхвысоких частот. На ней хорошо видны три основные
области релаксации: до 103, 105—107 и 1010 Гц, которые соответственно
называются областями а-, (3- и 7-дисперсии. В СВЧ-диапазоне
дополнительный вклад в дисперсию е' вносит область S-дисперсии (300—
2000 МГц).
Рассмотрим подробнее результаты исследования рассеивания
энергии дециметровых волн в области 6 -дисперсии растворов белка,
изложенные в [24]. На частотах выше 20 МГц диэлектрическая
проницаемость белка е' не зависит от частоты и равна 2,5. Для свободной воды
б0 = 80, а б», = 5. Поэтому в диапазоне частот от 20 МГц до нескольких
единиц гигагерц раствор белка в воде будет иметь значения
эффективной диэлектрической проницаемости е' в интервале от 2,5 до 80 в
зависимости от концентрации раствора и исследуемой частоты. Например,
при равных объемах белка и воды рассчитанная в соответствии с гою-
скопараллельной слоистой моделью строения образца величина е'
составляет 41,3.
В целях выяснения механизмов S-дисперсии Б. Пеннок и Г. Шван
исследовали электрические свойства раствора, очищенного
перекристаллизацией гемоглобина (НЬ) лошади в диапазоне частот от 0,5 до
1200 МГц при концентрациях гемоглобина от 7,5 до 26,6% по массе
и температурах 7, 16 и 25 °С. В области частот 300-1200 МГц
комплексную диэлектрическую проницаемость измеряли мостовым методом
с использованием коаксиальной линии. Точность измерения е'
находилась в пределах 0,25%, а а составляла около 2-3%.
Исследования показали, что при повышении частоты ЭМП от 1 до
1000 МГц диэлектрическая проницаемость 22^-ного раствора
гемоглобина в зависимости от температуры уменьшается примерно от 80
до 62-66 (рис. 3.4). Причем измеренные значения диэлектрической
проницаемости в области 500—1000 МГц заметно ниже расчетных.
Авторы считают, что единственным механизмом, который может вызвать
73

Таблица 3.2. Диэлектрическая проницаемость б' различных тканей при 37°С (Шван, 1980)
Ткань
Мышцы
Сердечная мышца
Печень
Селезенка
Почки
Легкие
Головной мозг
Жир
Костный мозг
25
103-115
—
136-138
>200
>200
>160
-
-
50
85-97
-
88-93
135-140
119-132
110-114
11-13
6,8-7,7
100
71-76
-
76-79
100-101
87-92
81-83
-
-
2Q0
55
59-63
50-55
-
62
35
-
4,5-7,5
-
Частота, МГц
400
52-54
52-54
44-51
-
53-55
35
-
4-7
-
700
52-53
50-55
42-51
50-53
34
-
-
-
1000
49-52
-
46-47
—
-
-
5,3-7,5
4,3-7,3
3000
45-48
-
42-43
—
-
-
3,9-7,2
4,2-5,8
8500
40-42
-
34-38
—
-
-
3,5-4,5
4,4-5,4
Ткань
Таблица 3.3. Проводимость а различных тканей при 37 °С, мСм/см (Шван, 1980)
Частота, МГц
25
50
100
200
400
700
1000
3000
8500
Мышцы
Сердечная мышца
Печень
Селезенка
Почки
Легкие
Головной мозг
Жир
Костный мозг
6,80-6,85 - 9,52-10,5 11,1-11,8 12,7-13,7
8,7-10,5 10-11,8 10,5-12,8
4,76-5,41 5,13-5,78 5,59-6,49 6,67-9,09 7,69-9,52 8,7-11,8
6,62-7,81 -
6,9-11,1 - 11,1 11,8 1,3-1,32
2,22-3,85 - 6,25 7Д4 7,69
4,55 4,76-5,26 5,13-5,53 -
0,4-0,59 - 0,29-0,95 0,36-11,1 -
0,2-0,36 -
12,7-13,3 21,7-23,3 83,3
9,43-10,2 20,0-20,4 58,8-66,7
0,83-1,49 1,11-2,27 2,7-4,17
0,43-1,0 1,16-2,25 1,67-4,76

e'
iO*\
|^4*
Г ^^*
j-
"*^^4
J
_ If
10*
10°
частота, Гц
iO*
10 100
частота, МГц
Рис. 3.3. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости б'
биологической ткани. Пунктир - расчетная кривая
Рис. 3.4. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости €' 22%-ного
раствора гемоглобина лошади при температуре 7, 16 и 25° С. Горизонтальными
линиями около частоты 1000 МГц указаны значения, рассчитанные по (3.4) без учета
гидратации гемоглобина (Pennock, Schwan, 1969)
такое уменьшение €', должно быть рассеяние СВЧ-энергии в слое воды,
связанном с гемоглобином.
Измеренные значения е' и о можно соотнести с диэлектрической
постоянной и проводимостью гидратной оболочки белка и окружающего
его раствора электролита с помощью уравнений Максвелла—Вагнера.
Для комплексной диэлектрической проницаемости ek уравнения имеют
вид
ек ~ ekw
€k+2€kw
€ке ~ €kb
еке+2€кЪ
= Pi
\R+d)
*ке *kw
-ke+2€kw
з
*кр ~ ckb
€kp + 2€kb
(3.4)
(3.5)
где R — радиус, молекулы гемоглобина; d — толщина слоя связанной
с белком воды; рг — объемная доля гидратированного белка. Индексы
у ек обозначают следующее: р — чистый гемоглобин; Ъ — связанная
вода; w — растворитель (свободная вода); е - гидратированный
гемоглобин; ек - измеренная диэлектрическая проницаемость. Для расчета
ек использованы значения е' = 2,5 и ор = 1(Г9 См/см, взятые из
литературы. Соотношения, аналогичные (3.4) и (3.5), можно записать и
для о.
Найденные значения эффективной диэлектрической проницаемости
гемоглобина зависят от количества гидратированной воды,
учитываемой при оценке объемной доли гемоглобина (рис. 3.5). Вычисления
показывают, что на частоте 900 МГц проводимость связанной воды
составляет примерно 20 мСм/см, е' уменьшается с понижением степени
гидратации белка.
75

Рис. 3.5. Частотная
зависимость €' гемоглобина
лошади, содержащего 0,25 г
связанной воды на 1 г белка
при разных температурах. На
частотах 50 и 1000 МГц
указаны значения €' при
гидратации 0,35 и 0,15 г Н20/г НЬ
50 70 100 JO0 500 1000
Частота, МГц
На основании полученных результатов авторы приходят к выводу,
что рассеивание СВЧ-энергии в растворе гемоглобина на частотах выше
100 МГц определяется релаксацией молекул связанной воды. Причем
релаксация распространяется на более высокие частоты, чем
утверждалось ранее, когда характеристическая частота связанной воды
считалась равной 600 МГц. Этот вывод основан на более точном
определении е'е на частоте 900 МГц: вместо ранее вычисленного Шваном
значения менее 10 оно оказалось равным 10-15.
На частотах от 100 до 30 МГц рассеивание энергии ЭМП в растворе
НЬ определяется релаксацией полярных группировок белковых
молекул, а ниже 30 МГц - дипольным характером молекул гемоглобина.
Макромолекулы и клетки характеризуются асимметрическим
распределением заряда, вследствие чего они. обладают дипольными
моментами, во много раз превышающими значения ^"молекул воды. Так,
измеренные дипольные моменты молекул белка, вирусов и
бактериальных клеток равны соответственно 102—103,104 и 106-107Д
Магнитные свойства клеток и тканей выражены слабо, так как вода
и многие органические вещества являются диамагнитными. Однако
некоторые важные составные компоненты биологических объектов
являются парамагнитными (молекулярный кислород, растворы
электролитов, свободные радикалы) и даже ферромагнитными (Fe, Co,
соединения Мп). Железо, например, входит в состав многих хромо- и
металлопротеидов и определяет их магнитные свойства. Это
гемоглобин, миоглобин, цитохромы, ферритин и другие соединения, играющие
большую роль в метаболизме клетки. Всего в организме человека
содержится до 4—5 г Fe, которое в основном связано с белковым
компонентом. У растений содержание железа в 1000 раз меньше. Атомы
Mg, входящие в состав хлорофилла зеленых растений, наряду с другими
щелочноземельными металлами обладают слабо выраженным
парамагнетизмом электронной проводимости, называемым парамагнетизмом
Паули.
25
2о\
15
10
5
0^5 =
- 0,15~_ ^^ч^
-
i i i
25°Z 16QZ
' i
7°С
:ш
1Щ
76

По оценкам, ориентирующее действие внешнего магнитного поля
средней напряженности (8-105 А/м) на магнитные частицы,
содержащиеся в биологических тканях, на два порядка ниже, чем разупорядо-
чивающее влияние тепловой энергии. Это обстоятельство, в частности,
считается одним из существенных затруднений при объяснении
физических механизмов биологического действия магнитных полей
средней и малой интенсивности, которое с достоверностью установлено
многими исследователями [25,33,34].
Значения магнитных моментов /i клеток очень малы. Магнитный
момент эритроцитов, например, равен примерно КГ18 Гс или 10"22 Тл
[14]. Рассеивание энергии переменного магнитного поля в
биологической ткани связано с магнитными свойствами микрочастиц,
определяющих ее магнитную вязкость.
3.4. Поглощение СВЧ-энергии в биологическом объекте
Доля поглощенной СВЧ-энергии и ее относительное распределение
в различных тканях и органах зависят от формы и размеров объекта,
его ориентации в поле, длины волны, а также электрических свойств
тканей [18]. В микроволновом диапазоне линейные размеры
облучаемого объекта сравнимы с длиной волны X или превьппают ее. В случае
плоской электромагнитной волны количественной мерой поглощения
может служить отношение поглощенной в объекге мощности к общей
мощности, падающей на его поперечное сечение в плоскости,
перпендикулярной направлению распространения волны. Это отношение
называют сечением относительного эффективного поглощения и
обозначают через 5Эф. Величина 5эф зависит от параметра KR, связывающего
размеры объекта и длину волны. В случае приближения формы объекта
к сферической
KR = 2nR/\, (3.6)
где R — радиус сферы. В зависимости от соотношения 5эф и KR можно
выделить три случая: S^<KR, S3$- KR и 5эф > KR. В первом
случае длина волны меньше размеров объекта и часть излучения отражается
от его поверхности. Коэффициент отражения #0тр определяется
значением комплексной диэлектрической проницаемости среды. При
падении излучения по нормали к поверхности коэффициент отражения не
зависит от поляризации пучка ЭМП и равен
__ (У^-1)2
(\/£^+п:
Общую величину поглощенной мощности Ри при этом рассчитывают
из соотношения
Л|=(1-*отр)П0$, (3.8)
77

где П0 - значение ППМ у поверхности объекта; S - площадь его
сечения. Раздельную оценку мощности, рассеиваемой в электрическом Е
и магнитном Н полях СВЧ ЭМП можно произвести с помощью равенств
P3 = w€0e"E\ (3.9)
Рм="»о»2Н2. (ЗЛО)
Для объектов, сравнимых с телом человека, на частотах выше
1000 МГц А^отр слабо зависит от их электрических свойств и в
широком диапазоне частот остается примерно равным 0,5.
При KR < 1 длина волны больше размеров объекта и с увеличением
частоты £Эф возрастает. Если значения KR приближаются к единице,
5Эф проходит через несколько максимумов, число и величина которых
зависят от размеров объекта и слоистости его структуры (рис. 3.6).
В области максимумов 5эф превышает уровень энергии, падающей
на поперечное сечение, т. е. облучаемый объект как бы втягивает в себя
электромагнитное поле. Для человека и лабораторных животных эта
область частот лежит в пределах 400—4000 МГц.
В сязи с тем что различные ткани организма обладают разной
толщиной, диэлектрической проницаемостью и проводимостью, максимумы
поглощения могут возникать и внутри тела. Так, на частоте 918 МГц
максимум поглощения для головы человека (R = 7 см) локализован
в центральной областа головы и составляет 0,458 мВт/см3 при ППМ
облучения 1 мВт/см2, в то время как среднее значение УПМ равно
0,117 мВт/см3 (Lin, Guy, Kraft, 1973).
В гомогенной ткани поглощенная мощность Р с глубиной убывает
по экспоненциальному закону
где г - расстояние от поверхности; Ьс - глубина проникновения.
Напомним, что глубиной проникновения называют глубину, на которой
энергия проникающего излучения уменьшается в е раз.
В табл. 3.4 приведены данные по глубине проникновения СВЧ-энер-
гии в различные поля. В слоистой среде часть энергии ЭМП отражается
также от внутренних границ раздела тканей. Например, на границах
кожа—жир и жир—мышцы на частоте 1000 МГц коэффициенты
отражения составляют 0,231 и 0,261 соответственно [16]. В результате таких
отражений в тканях могут возникать стоячие волны и связанные с ними
максимумы поглощения.
Ввиду указанных особенностей дозиметрия поглощенной в живом
организме энергии дециметровых и сантиметровых волн довольно
сложна. Поэтому в качестве одного из методов количественной
характеристики поглощенной энергии используется термография, позволяющая
учесть количество рассеиваемой в объекте микроволновой энергии.
78

ТаблицаЗ.4. Глубина проникновения СВЧ ЭМП в различные ткани, см (А. С. Пресман, 1968)
Частота, МГц
Ткань
Костный мозг
Головной мозг
Хрусталик глаза
Стекловидное тело
Жир
Мышцы
Цельная кровь
Кожа
100
22,90
3,55
9,42
2,17
20,45
3,45
2,86
3,76
24)0
20,66
4,13
4,39
1,69
12,53
2,32
2,15
2,78
400
18,73
2,07
4,23
1,41
8,52
1,84
1,79
2,18
1000
11,90
1,93
2,91
1,23
6,42
1,46
1,40
1,64
3000
9,924
0,476
0,500
0,535
2,450
-
0,780
0,646
10 000
0,340
0,168
0,174
0,195
1,100
0,314
0,148
0,189
24 000
0,145
0,075
0,071
0,045
0,342
-
0,060
0,072
35 000
0,073
0,038
0,038
0,031
-
-
0,027
-
Таблица 3.5. Длина волны СВЧ ЭМП в тканях, соответствующая различным частотам, м (А. С. Пресман, 1968)
Частота, МГц
Костный мозг
Головной мозг
Хрусталик глаза
Стекловидное тело
Жир
Мышцы
Цельная кровь
Кожа
100
116,1
31,7
33,1
21,7
96,0
27,6
25,1
28,1
200
62,2
19,4
22,3
13,0
57,1
16,3
15,3
17,9
400
32,19
11,16
12,53
7,96
30,90
9,41
8,89
10,12
1000
12,63
4,97
5,28
3,41
12,42
4,09
3,87
4,41
3000
3,87
1,74
1,75
1,18
3,79
-
1,36
1,49
10 000
1,250
0,595
0,575
0,395
1,450
0,616
0,449
0,506
24 000
0,368
0,200
0,200
0,146
0,680
-
0,214
0,250
35 000
0,388
0,201
0,201
0,154
-
-
0,167
-

0,1 0,2
5 KR
d,CM
Рис. 3.7. Поглощение СВЧ-энергии W в
зависимости от толщины d подкожного жирового
слоя. Толщина кожи принята равной 2 мм
(Шван, 1971)
Рис. 3.6. Зависимость 5эф от параметра KR для однородных сфер радиуса 3 см (7)
и 10 см (4), а также шестислойных сфер радиуса 3 см (2) и 10 см (3) (Well, 1975)
Величину удельной поглощенной мощности Р в первом
приближении можно связать с приростом температуры объекта следующим
эмпирическим соотношением [18]:
Р = 4186САГД,
(3.12)
где С — удельная теплоемкость ткани; AT — прирост температуры;
t — время облучения.
Существенную роль в поглощении СВЧ-энергии тканями организма
играет толщина подкожного жирового слоя (рис. 3.7). Значения е и /i
биологических тканей больше единицы. Поэтому фазовая скорость
излучения и длина волны в ткани меньше, чем в воздухе (табл. 3.5).
4АСТЫ1
БИОФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛН
Под влиянием СВЧ-излучений средней и высокой интенсивности
наблюдается значительное повышение температуры биологических
объектов. Поэтому многие исследователи вначале объясняли
биологическое действие микроволн наличием тепловых эффектов, которые
возникали при интенсивности 10 мВт/см2 и более [17]. Однако со
временем накопился значительный клинический и экспериментальный
материал, не укладывавшийся в рамки тепловой концепции [16, 18—
21]. Во-первых, было обнаружено отчетливое действие на организм
СВЧ-излучений малой интенсивности, когда температура повышалась
несущественно. Во-вторых, дажо в случае нагревания биологических
объектов выраженность и направленность СВЧ-эффектов, а иногда
даже их характер существенно отличались от эффектов действия
конвективного тепла при одинаковой действующей энергии [25-48].
Наблюдалась также зависимость эффектов от модуляционно-временных
параметров облучения.
80

Наиболее наглядно нетепловое действие микроволн проявляется на
организменном и частично клеточном уровнях; в меньшей мере — на
молекулярном уровне. По мнению А. С. Пресмана, это обстоятельство
объясняется тем, что действие ЭМП на живую ткань носит не только
энергетический, но и информационный характер [16, 39].
ГЛАВА 4
ВЛИЯНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ
4.1. Нервные клетки
Микроволны разной интенсивности вызывают различные нарушения
структуры и функции нервных клеток, которые не всегда можно
интерпретировать как чисто тепловые [16, 18, 33, 34, 54, 55]. В серии
экспериментов, проведенных У. Р. Эйди и другими исследователями и
обобщенных в [54], показано наличие частотных и энергетических окон
при воздействии низкоинтенсивных модулированных электромагнитных
полей на головной мозг. При этом наиболее отчетливые реакции клеток
в мозговой ткани наблюдаются в сдучае модулирования СВЧ-полей
диапазона 150—450 МГц частотами от 1 до 20 Гц при интенсивности
микроволн 0,1—1 мВт/см2, что соответствует наведенной в ткани мозга
напряженности электрической составляющей 1—10"В/м. Для
сверхнизкочастотно модулированных СВЧ-полей окно интенсивности
выявляется также при напряженности 0,1—1 В/м.
Одним из интересных и функционально-значимых СВЧ-эффектов
является выход ионов кальция из мозговой ткани под влиянием
модулированных микроволн. Так, облучение мозга новорожденных цыплят,
выдержанного в физиологическом растворе, содержащем 45Са2*,
синусоидально-модулированными СВЧ-волнами частотой 147 МГц с ППМ
0,8 мВт/см2 и модулирующими частотами 0,5-35 Гц (глубина
модуляции 80—90%), вызьшает статистически достоверный выход Са из ткани
мозга. В полосе модулирующих частот от 6 до 16 Гц происходит
постепенное нарастание эффекта, а затем его уменьшение. Немодулирован-
ные поля и поля, модулированные более низкими частотами (0,5—
3 Гц), не вызывают существенный выход Са. При обработке тканей
мозга 10~4 М раствором цианида, ингибирующего работу цитохромной
системы ферментов дыхательной цепи, наблюдается аналогичная
реакция мозга. Это дало основание предположить, что изменение
содержания ионов кальция в мозговой ткани при СВЧ-облучении не зависит
от уровня внутриклеточного метаболизма и определяется изменением
степени связывания Са в мембране нейрона и примембранном слое —
гликокаликсе. Если учесть, что концентрация кальция внутри клетки
значительно меньше его концентрации во внеклеточной жидкости, то
вероятнее всего, что выход Са из ткани должен определяться
изменением степени его связывания с молекулярными компонентами наруж-
81

ной стороны мембраны. Однако этот механизм является пока
гипотетическим, так как прямых исследований по изучению адсорбционной
емкости мембран или степени связывания мембранами ионов Са при
СВЧ-облучении нервных клеток не проведено.
Сходные результаты получены также при облучении мозга
цыпленка микроволнами частотой 450 МГц, модулированными
синусоидальным сигналом частотой 16 Гц (Bawin, Sheppard, Adey, 1978).
Модулированные микроволны индуцируют выход Са и из клеток нейробла-
стомы человека (Dulta, Subramoniam, Ghosh, Parshad, 1984).
Облучение нейробластом человека в монослойной культуре на частоте 915 МГц
амплитудно-модулированными (80%, 16 Гц) микроволнами при
уровнях поглощенной энергии 0,05-1 мВт/г вызывает значительный выход
кальция из клеток по сравнению с контролем. При смещении частоты
модуляции в ту или иную сторону наблюдается резкое снижение выхода
ионов, а при повышении уровня поглощенной энергии до 5 мВт/г эффект
не наблюдается вовсе. Эти данные указывают на наличие
непосредственного действия СВЧ-излучения на головной мозг, что отмечено
в [55].
Прямое действие микроволн на структуру нервных клеток
исследовали при облучении белых крыс-самцов сантиметровыми волнами
интенсивностью 10, 25, 50 и 1000мкВт/см2 в течение 2 мес ежесуточно
3 раза в сутки по 40 мин с интервалами 3—4 ч. Определяли влияние
СВЧ на ультраструктуру клеток трех слоев гиппокампа: альвеус, слой
полиморфных и слой пирамидных клеток головного мозга (В. С. Бе-
локриницкий, 1982). При интенсивности 1000 мкВт/см2 в слое альвеус
наблюдали изменения оболочек и вакуолизацию нервных волокон,
изменения нейрофибрилл осевых цилиндров, увеличение размеров и
числа митохондрий, участковую демиелинизацию мякотных нервных
волокон, отслоение нейрилеммы и фрагментацию нейрофибрилл.
Аналогичные изменения происходили также в слоях полиморфных и
пирамидных клеток. При более низких ППМ выраженность СВЧ-эффек-
тов существенно снижалась.
Действие излучения 12,6 см интенсивностью 80 мВт/см2 в течение
30 мин на половозрелых белых крыс вызывает выраженные
морфологические изменения нервных элементов глаза и его придатков
(Д. И. Рыжов, С. В. Логвинов, 1984). При этом на 1-4-е сутки после
облучения наблюдается появление вздутий и наплывов нейроплазмы
на осевых цилиндрах мякотных и безмякотных проводников в строме
слезных желез, стенке слезных канальцев, толще века и склере глаза.
Происходит повышение или утрата сродства осевых цилиндров к
солям серебра, появление в части волокон небольших вакуолей.
Выделяются нарушения структуры двигательных окончаний нервных
волокон на круговой мышце века и глазодвигательных мышцах.
На 4—10-е сутки изменения нервных элементов наиболее
выражены в сосудистой оболочке и склере глаза. Пуговчатые или колбовид-
82

ные нервные терминали, расположенные в склере вблизи лимба, явно
гипертрофированы и интенсивно зачернены серебром. Часть
рецепторов в стенке слезных канальцев и эффекторов на поперечно-полосатой
цилиарной мышце века подвержена деструктивным изменениям. При
этом осевые цилиндры нервных волокон значительно утолщены и фраг-
ментированы.
Морфологические изменения нервных клеток при многократном
облучении кроликов микроволнами интенсивностью 10 и 40 мВт/см2
возникают также в стволовой части и соответствующих сегментах
спинного мозга со спинальными ганглиями.
Р. Э. Тигранян и В. В. Тяжелов (1982) подтвердили описанное ранее
Ю. И. Каменским и другими авторами нетепловое действие микроволн
на параметры нервного импульса. Они выявили, что в изолированном
нерве лягушки через 25—30 мин после импульсного облучения скорость
проведения возбуждения и амплитуда потенциала действия уменьшаются
соответственно на 34 и 91%, а длительность абсолютной и относительной
рефракторных фаз увеличивается примерно на 200%. При этом
температура раствора с препаратом за 1 ч увеличивается примерно на 1°С.
В случае перепендикулярной ориентации объекта относительно
электрического вектора поля изменение параметров нервного проведения не
регистрируется. Наблюдаемые изменения авторы связывают с
нетепловым действием ЭМП.
При облучении нервно-мышечного препарата лягушки импульсными
микроволнами частотой 0,8 ГГц (X = 37 см) с ППМ 12 мВт/см2
наблюдается отдаление более чем на 40 мин блока проведения возбуждения
с нерва на мышцу, наблюдающееся в норме через 6—8 мин после
стимуляции нерва электрическими импульсами частотой 1 Гц (Р. Э. Тигранян,
Р. 3. Хафизов, В. В. Тяжелов, 1982). Авторы предполагают, что
причиной облегчения нервно-мышечной передачи при СВЧ-облучении
является увеличение проницаемости мембран для ионов Са при
комбинированном действии электростимуляции и импульсов СВЧ.
Действие на голову кроликов СВЧ-излучения (X = 12,5 см) с ППМ,
равной 40 мВт/см2, в течение 1 мин вызывает разнонаправленные и
непостоянные изменения частоты фоновой активности корковых
нейронов, регистрируемые посредством стеклянных жидкостных
микроэлектродов (Р. А. Чиженкова, 1982).
Имеются сведения, что амплитудно-модулированные шумами
микроволны (уровень модуляции 20%, частота 0—20 кГц) диапазона 2450 МГц
при УПМ, равной 6,8 и 14,4 мВт/г, вызывают появление
высокочастотных разрывов в спонтанной активности и возрастание на 7%
сопротивления мембраны нейронов из ганглия улитки при облучении в течение
30 мин (Iin James, Arber Simon, 1983).

4.2. Эритроциты и другие виды клеток
В диапазоне миллиметровых волн влияние СВЧ-облучения на
эритроциты исследовала С. М. Мотцкин (1979, 1980). Она выявила, что
облучение эритроцитов крови человека с расстояния 5,7 мм при 30°С
вызывает утечку из клеток гемоглобина. Величина эффекта зависит от
плотности потока излучения и длительности воздействия. Повышение
температуры контрольных эритроцитов без СВЧ-облучения до 35°С не
изменяет количество выходящего из них НЬ.
Воздействие миллиметровых волн (0,9-1,65 мм) интенсивностью
3 МВт/см2 в течение 3-3,5 ч на эритроциты человека при 36—36,5°С
вызывает заметное уменьшение осмотической устойчивости клеток
[84]. Эффект действия микроволн эквивалентен нагреву на 1°С. Так
как фактическое повышение температуры не превышало 0,1 °С, авторы
считают, что его нельзя объяснить нагревом суспензии.
Нами исследовано действие импульсно-модулированных микроволн
при средней интенсивности 10-400 мкВт/см2 и длине волны 18—22 см
на эритроциты человека [57]. Стабилизированную донорскую кровь
облучали в течение 1 ч при температуре от 23 до 30°С. Контрольные
варианты выдерживали при той же температуре, но без облучения или
в условиях "ложного облучения". После облучения во всех вариантах
отбирали пробы крови в количестве 8-9 мл и центрифугированием
осаждали эритроциты; затем в плазме крови определяли содержание
гемоглобина и ионов кальция. Оставшуюся часть крови инкубировали
в термостате в течение суток при 37°С или хранили в холодильнике
в течение двух суток при 4°С и затем также подвергали анализу.
В результате исследования выявлено определенное различие в
содержании в плазме Са и НЬ между облученным и необлученным образцами
крови. Это различие выявляется в основном при хранении крови. В
зависимости от интенсивности и модуляционных параметров облучения
наблюдаются положительные или отрицательные эффекты действия
микроволн. При одинаковой средней интенсивности содержание Са
и НЬ в плазме крови при непрерывном и импульсном облучении не
всегда одинаково. Наблюдаемые отклонения в содержании Са в плазме
крови при СВЧ-облучении определяются, на наш взгляд, изменением
в ту или иную сторону степени связывания ионов наружной стороной
плазматической мембраны.
Более детальный анализ усложняется тем обстоятельством, что с
ионизированными группами фосфолипидов и белков за связьюание
кальция у поверхности мембраны конкурируют гидроцитрат-ионы,
вносимые в кровь в виде двузамещенного цитрата натрия при ее
консервировании.
Повышение или понижение содержания гемоглобина, возможно,
связано с изменением деструкции старых эритроцитов при хранении
крови.
84

Действие микроволн на другие типы клеток изучалось в основном
при облучении целостного организма. Так, под влиянием
микроволнового облучения с ППМ, равной 0,05-50 мВт/см2 (В. П. Артюх,
Н. Ф. Стародуб, 1982), наблюдали уменьшение в эритроцитах общего
органического фосфата и повышение уровня неорганического
фосфата. Одновременно отмечали определенные сдвиги в соотношении
различных форм гемоглобинов.
Н. М. Гончар и А. А. Железняк (1982) исследовали уровень
гликогена и активность щелочной фосфатазы нейтрофилов переферической
крови крыс при воздействии на них микроволнами частотой 2375 МГц
в течение 30 сут при ППМ, равной 10, 50 и 500 мкВт/см2, и 90 сут при
ППМ, равной 1 и 5 мкВт/см2. При интенсивности 10 и 50 мкВт/см2
в нейтрофилах облученных животных наблюдали увеличение
содержания гликогена. Активность щелочной фосфатазы вначале повышалась,
а затем понижалась. ППМ, равная 500 мкВт/см2, вызывала
достоверное снижение среднего цитохимического коэффициента гликогена
в клетках с 7-х по 30-е сутки облучения животных. Показатели
гликогена и фосфатазная активность в этом случае оставались ниже
исходной величины в течение 90 сут. Изменения в нейтрофилах при СВЧ-об-
лучении интенсивностью 1 и 5 мкВт/см2 были выражены слабо и
быстро восстанавливались.
Изучено действие микроволн частотой 2375 МГц на клетки
паренхимы печени белых крыс-самцов в течение 1, 10, 20 и 45 сут ежесуточно
по 7 ч (Е. Н. Антипенко, И. В. Ковешникова, О. И. Тимченко, 1982).
Учет в срезах печени числа клеток с хромосомными аберрациями в ана-
телофазе показал, что при интенсивностях 50 и 500 мкВт/см2 (10 сут)
число клеток с хромосомными аберрациями не меняется, а при
10 мкВт/см2 заметно снижается.
О. А. Крылов, М. С. Голинская, С. М. Зубкова и др. (1982) на
препаратах сердца (митохондрии, гомогенаты) выявили, что под
действием дециметровых радиоволн интенсивностью 10—50 мВт/см3
происходят повышение кальцийсвязывающей способности мембран и
снижение перекисного окисления. В то же время показано, что
миллиметровые волны интенсивностью менее 100 мВт/см2 почти не влияют на
транспорт Са в митохондриях, а при мощности менее 5 мВт/см2 не
изменяют генерацию АТФ при окислительном фосфорилировании
(Motzcin, Benes. Block e. a.. 1983).
В обзоре биологических эффектов СВЧ-излучения С. М. Майкельсон
приводит данные многолетних исследований П. Черски и других
авторов по влиянию микроволнового облучения на иммунную систему.
В частности, при облучении микроволнами частотой 2950 МГц с ППМ,
равной 0,5 мВт/см2, инбредных швейцарских мышей,
иммунизированных эритроцитами овцы, происходит увеличение в гомогенатах димфа-
тических узлов числа клеток, продуцирующих антитела. Сходные
изменения были выявлены и у кроликов, облучавшихся СВЧ ЭМП в
течение 6 мес по 2 ч в сутки при ППМ, равной 3 МВт/см2.
85

При действии импульсного излучения на частоте 3000 МГц
наблюдали лимфобластоидные преобразования лимфоцитов человека, а при
облучении микроволнами частотой 2450 МГц - созревание
В-лимфоцитов и повышение количества лимфоидных клеток селезенки у
мышей [56].
4.3. Микроорганизмы
Действие СВЧ-поля на жизнеспособность и другие свойства бактерий
рассмотрено в [58]. В качестве источника микроволн авторы
использовали генератор ГЗ—10А. Биологические действие микроволн на
микроорганизмы оценивали по стерилизующей эффективности СВЧ-поля
при облучении в течение 10 мин. Жизнеспособность бактерий
определяли по количеству колоний, выросших в течение 2-х суток на
питательной среде. В результате проведенных исследований выявлено
выраженное бактерицидное действие импульсных и непрерывных
микроволн на культуры кишечной палочки и стафилококка.
Н. Г. Литвинов, А. С. Нелюбин, Т. В. Новикова и О. Ю. Чернова (1984)
провели экспериментальное исследование влияния сантиметровых
волн в непрерьшном режиме (частота 10,6 ГГц, ППМ =0,1^-5,5 мВт/см2)
на рост кишечной палочки М-17. Облучение проводили при 37°С в
термостатированной волноводной ячейке в течение 7 ч при плотности посева
104 клеток на мл. Авторами выявлена тенденция к уменьшению
процента живых микробов при низкоинтенсивном СВЧ облучении по
сравнению с контрольными вариантами.
В [59] изучалось действие дециметровБсс волн (X = 30 см)
интенсивностью 20—40 мВт/см2 на золотистый стафилококк штамма 209Р.
Было выявлено, что при многократном действии микроволнами из
культуры золотистого стафилококка получаются два варианта колоний
полиморфных форм бактерий, одна из которых имеет белую
пигментацию. При этом облученная культура стафилококка становилась
немного более устойчивой к пенициллину, стрептомицину и левомицетину.
Интересные данные по стимулирующему действию микроволн (X =
= 12,5 см) были получены в Центральном НИИ курортологии и
физиотерапии при облучении светящихся бактерий Photobacterium Fisheri
в течение 10 с с ППМ, равной 10 мВт/см2, в непрерьшном режиме, когда
нагрев суспензии не превышал 0,5° С [60].
Температурная зависимость свечения этих бактерий имеет вид одно-
оптимумной кривой с оптимумом в пределах 16-20°С. При
температурах выше оптимальной происходит постепенное уменьшение
интенсивности свечения.
СВЧ-облучение микроорганизмов в течение 10 с при 22°С повышало
интенсивность свечения бактерий, которая достигала своего максимума
через 40—180 с. Максимальное повышение свечения относительно
исходного уровня составляло 6—50%. Действие микроволн в данном случае
противоположно тепловому. Авторы связывают его с усилением фер-
86

ментативных окислительных процессов в бактериях. Исходный уровень
свечения микроорганизмов восстанавливается более плавно и носил
колебательный характер. В течение 45—60 мин величина свечения
продолжала колебаться около исходного уровня на 3—5%. Период
колебаний постепенно сокращался и к 35—40 мин наблюдения доходил до
1 мин.
Более длительное (8—30 мин) действие облучения СВЧ-полем
интенсивностью до 10 мВт/см2 на частоте 7 ГГц изучали на модели
светящихся бактерий Beneckea harveyi штамма 392 (Е. А. Воронова, С. В.
Ермолин, О. И. Сучкова, 1984). Регистрацию свечения бактерий проводили
в термостабилизированной волноводной ячейке сечением 35x15 мм
в течение 6—7 ч, в которой температура поддерживалась с точностью до
± 0,01°С. Под влиянием микроволн происходило обратимое увеличение
интенсивности свечения; изменялся уровень метаболической
активности клетки. Сходные эффекты наблюдали и при увеличении
температуры.
Действие мощного ЭМП с используемой в промышленности и
бытовых приборах частотой 2375 МГц при скорости нагрева до 30°С/с
вызывает значительные нарушения проницаемости мембран и более быструю
гибель бактерий по сравнению с эквивалентным терморадиационным
нагревом [61]. При нагреве водных суспензий или высушенных клеток
до температуры порядка 100° С создается возможность появления му-
танных форм микроорганизмов.
Сантиметровые волны от медицинского терапевтического генератора
"Луч-58" (X = 12,6 см) усиливают мутагенное действие нитрозометил-
мочевины в концентрации 70 мкг/мл на клетки кандида тропикалис
Д-2 [62]. При обработке клеток одной нитрозометилмочевиной в
течение первых трех часов наблюдается увеличение количества
микроорганизмов на 20—25% по сравнению с контролем. Облучение микробов
с ППМ, равной 90—100 мВт/см2, в течение 30 мин на фоне действия
мутагена усиливает эффект нитрозометилмочевины. Наблюдаемый
стимулирующий эффект зависит от физиологического состояния клеток,
состава и количественного содержания в них липидов. Более
длительное воздействие на клетки нитрозометилмочевины приводит к
образованию мутаций и гибели микроорганизмов. Мутагенный и летальный
эффекты достоверно увеличиваются при совместном действии ЭМП и
нитрозометилмочевины.
Стимулирующее влияние СВЧ-поля на некоторые биохимические
свойства хересных дрожжей выявлено в диапазоне 250-500 МГц
(Ш. А. Абрамов, В. И. Рыбникова, А. М. Макуев, Э. Ш. Исмаилов, 1982).
Установлено (А. с. СССР № 765352), что обработка хересных дрожжей
СВЧ-полем интенсивностью 20—60 мВт/см2 в течение 5—20 мин
вызывает ускорение развития хересных дрожжей и улучшение процесса
формирования и качества вина типа херес вследствие увеличения
содержания в нем ацеталей до 300% и снижения отношения альдегидов
к ацеталям от 14,2 в контроле до 4,6-5,9 в опыте.
87

При действии миллиметровых волн на микроорганизмы,
используемые в спиртовом производстве и медицинской промышленности,
установлено, что СВЧ-облучение увеличивает ферементативную активность
продуцентов ферментов. Это позволяет отобрать измененные формы
микроорганизмов с полезными свойствами (А. К. Брюхова, Е. А. Двад-
цатова, М. Б. Голант, 1982).
Интересные данные по нетепловому действию низкоинтенсивных
микроволн на рост дроидкей приведены в [44]. В качестве СВЧ-источ-
ника авторы использовали лампу обратной волны с мощностью
излучения 50 мВт в диапазоне 40—60 ГГц. Дрожжевую суспензию облучали
в кювете с помощью поверхности около 10 см2 с помощью
погруженной диэлектрической антенны, подававшей СВЧ-излучение из
округлого медного волновода, который оканчивался над поверхностью
суспензии. ППМ составляла не менее 2 мВт/см2, температура — от 30,5
до 34,0°С.
Объектом исследования служил диплоидный гомозиготный штамм
дрожжей типа 211, размножающийся вегетативным способом только
путем митоза. Рост клеток наблюдали в жидкой среде с рН=6,1 при
32,1 °С и исходной концентрации от 2,3 до 4,5-105 клеток/см3. Рост
культуры дрожжей наблюдали в течение 10 ч путем измерения
светорассеяния или экстинкции суспензии Е на длине волны 525 нм.
Разброс экспериментальных значений скорости роста культуры составлял
± 3%; повышение температуры суспензии при облучении не превышало
0,2-0,7°С.
Исследования показали, что в начальный период выращивания
дрожжей экстинкция возрастает слабо, а затем — почти по
экспоненциальному закону. Замедление роста наступало в результате истощения среды
при Е ^ 0,9. Были выявлены многочисленные максимумы эффекта,
определяемые авторами как резонансные пики, в интервале частот от
41,64 до 42,49 ГГц. При этом в зависимости от частоты наблюдалось
увеличение или замедление скорости роста дрожжевой культуры.
В более поздней работе [63] вновь получены аналогичные данные.
Было показано, что ширина резонансов в области 42 ГГц составляет
8 МГц. Максимум увеличения роста, равный 10%, выявлен на частоте
41,69 ГГц. Авторы считают, что изменение скорости роста дрожжей
нельзя объяснить тепловыми эффектами, а предполагаемые резонансы
связаны с наличием когерентных молекулярных колебаний в живой
клетке.
При облучении взвеси кишечной палочки штамма Е. coli/53/?386
в капилляре, помещенном в волноводный тракт, обнаружен летальный
эффект, четко зависящий от времени экспозиции и в определенном
интервале интенсивностей не связанный с мощностью действующего
поля (И. О. Лунева, Г. М. Шуб, 1982). Под влиянием ЭМП у4данного
штамма, устойчивого к тетрациклину, были получены клоны с более
выраженной или меньшей устойчивостью к антибиотику, отличак__щиеся
88

от исходной культуры скоростью размножения. Полученные клоны
были нестабильны и после двух-трех пассажей на неселективной среде
восстанавливали первоначальную чувствительность.
ГЛАВА 5
ДЕЙСТВИЕ МИКРОВОЛН НА МЕМБРАНЫ
5.1. Мембранный транспорт
Основные результаты в этой области связаны с исследованием
действия СВЧ-излучения на проницаемость мембран для катионов. Хотя
термин "проницаемость" в строгом смысле слова подразумевает
прохождение веществ через мембрану, в более широком плане он
охватывает всю проблему распределения веществ между клеткой и средой
[64]. Нами было исследовано влияние непрерывных и
модулированных микроволн разной интенсивности на проницаемость эритроцитов
для ионов калия и натрия [65—68]. Объектом исследования служила
стабилизированная донорская кровь, из которой готовили суспензию
эритроцитов (модифицированный раствор Рингера, фосфатной буфер
с рН=7,4), хранившуюся до облучения в холодильнике при +4°С.
Облучение проводили в коаксиальной ячейке микроволнами диапазона
1000—2000 МГц разной интенсивности при 37 ± 0,5°С в течение 30 мин.
Контрольные варианты выдерживали при той же температуре в
термостате. О влиянии микроволн на проницаемость студили по изменению
концентрации ионов К и Na в среде, которую определяли методом
фотометрии пламени.
Суспензию эритроцитов готовили в концентрации примерно
6,5 млн/мм3 с таким расчетом, чтобы на единицу объема
внутриклеточной воды приходился приблизительно такой же объем среды. Перед
облучением температуру суспензии эритроцитов доводили до комнатной.
Тепловая инкубация суспензии при 37° С в течение 30 мин вызывает
уменьшение в среде содержания К на 0,17 ±0,028 мМ и повышение
содержания Na на 0,23 ± 0,19 мМ. Это, видимо, связано с
восстановлением нормальных градиентов ионов на мембране, обусловленных
поступлением в клетки калия и выходом из них натрия. Как известно,
в эритроцитах свежей крови человека содержание калия составляет
136 мМ/кг внутриклеточной воды, а содержание Na - 19 мМ/кг. В
плазме крови содержится 4-6 мМ К и 120-140 мМ Na [64, 69, 70].
В условиях стационарного равновесия градиент ионов на мембране
сохраняется постоянным во времени, так как активный транспорт
покрывает соответствующие утечки ионов по электрохимическому
градиенту [71]. На активный транспорт тратится около 7%
производимой эритроцитом энергии.
Инкубация эритроцитов при низкой температуре или действие
ингибиторов активного транспорта, например моноиодацетата, вызывает
89

существенное снижение градиента К и Na на мембране эритроцита,
а последующая тепловая инкубация постепенно восстанавливает
нормальные градиенты (табл. 5.1). При часовой инкубации эритроцитов
убыль К в среде составляет уже 0,24 ±0,031 мМ, а возрастание Na —
0,46 ±0,18 мМ. Под влиянием микроволн интенсивностью 45±
±10 мВт/см3, наоборот, наблюдается повышение концентрации К в
среде на 0^6 ± 0,030 мМ и уменьшение содержания Na на 0,78 ± 0,21 мМ.
Таблица 5.1. Изменение содержания Na и К в эритроцитах человека
под влиянием различных факторов (А. А. Веренинов, 1978)
Условия инкубации
Кровь человека свежая
Тоже20чпри20°С
То же 6 сутпри4°С
Тоже18сутпри 20°С
после 6 сут при 4°С
То же 18 ч при 20°С после
6 сут
при 4°С + 0,8 мМ моноиодацетат
То же 7 сут при 4°С
То же 24 ч при 20°С после
при4°С
7 сут
Внутриклеточная
концентрация,
~Na
12,0
11,2
54,0
19,0
74,0
48,5
24,0
мМ/л клеток
~К
101,0
102,0
62,0
91,0
-
69,5
81,0
Изменение
концентра-
ции, мМ/л клеток
~~Na~
_
-
-
-35,0
+ 20,0
+ 36,5
-24,5
К
_
-
-
+29,0
-6,0
-31,5
+ 12,5
Дополнительное выдерживание облученных эритроцитов в течение
30 мин при 37°С приводит к нарастанию эффекта: содержание к среде
возрастает на 0,57 ±0,033 мМ. Последующая инкубация облученной
суспензии при 37°С вызывает постепенное сближение концентрации
ионов в среде в контрольных и опытных вариантах (рис. 5.1).
Таким образом, действие СВЧ-поля на проницаемость эритроцитов
человека проявляется в уменьшении градиента концентрации ионов К
и Na на мембране клеток, что, по-видимому, связано с выходом ионов
К из эритроцитов и поступлением ионов Na в клетки. Наблюдаемое
смещение стационарного равновесия возможно вследствие двух
причин: ингибирования активного транспорта или ускорения утечки ионов
по концетрационному градиенту за счет увеличения пассивной
проницаемости мембраны.
Для выяснения механизма изменения проницаемости в специальной
серии экспериментов суспензию эритроцитов облучали на фоне ингиби-
рующего действия моноиодацетата, который добавляли в среду за 0,5 ч
до облучения. Будучи алкилирующим агентом, моноиодацетат ингиби-
рует гликолиз вследствие угнетения работы глицеральдегид-3-фосфат
дегидрогеназы, участвующей в превращении глицеральдегид-3-фосфата
в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. Конечная концентрация
ингибитора в среде составляла примерно 1 мМ.
90

Рис. 5.1. Изменение содержания К+ ( )
и Na+ ( ) в среде под влиянием
микроволн СО и тепла (2)
Полученные результаты показали, что при ингибировании активного
транспорта тепловая обработка вызывает повышение концентрации
ионов К и понижение содержания Na в среде. При совместном
действии микроволн и моноиодацетата повышение содержания калия и
понижение концентрации Na в среде еще выше. Видимо, дополнительный
выход К в среду по сравнению С тепловым воздействием связан с
ускорением диффузии ионов по градиенту концентрации под влиянием
микроволн. Анализ полученных данных показывает, что влияние
микроволн на проницаемость мембраны эритроцитов на 40—50% связано
с нарушением активного транспорта, а на 50% — с изменением
диффузионного потока.
Под влиянием импульсных микроволн наблюдается сходный эффект,
наблюдаемый и при низкоинтенсивном импульсном СВЧ-облучении
стабилизированной донорской крови в течение 1 ч при комнатной
температуре [57]. При этом характер и выраженность изменений ионного
состава среды зависят от интенсивности и модуляционных параметров
ЭМП.
В работе [72] изучали действие микроволн частотой 3 ГГц и
интенсивностью 1,5 и 10 мВт/см2 в течение 15-180 мин на проницаемость
эритроцитов и гранулоцитов кролика. Было выявлено, что СВЧ-излу-
чение снижает осмотическую устойчивость эритроцитов и вызывает
выход из клеток К. Наблюдаемые эффекты возрастают при
повышении интенсивности и Длительности воздействия. Причем выход К из
эритроцитов регистрируется уже при облучении в течение 15 мин с
ППМ, равной 1 мВт/см2.
Облучение гранулоцитов при интенсивности 5 мВт/см2 через 60 мин
после начала воздействия вызывает гибель до 80% исходных клеток.
Одновременно изменяется ферментативная активность щелочной и
кислой фосфатазы и лизоцима соответственно на 35, 98 и 90% с
одновременным выходом этих ферментов в среду. Наблюдаемые
изменения авторы связывают с нетепловым нарушением работы натриевого
насоса и другими изменениями в клеточной мембране.
Исследовалось действие СВЧ ЭМП на транспорт тетрафенилбората
через бислойные липидные мембраны [73]. При ориентации плоскости
мембраны перпендикулярно электрическому вектору Е микроволны
частотой 0,9 ГГц при УПМ, равной 200 Вт/кг, и 27°С в растворе
91

с рН=7,8 наблюдалось повышение проводимости липидной мембраны,
определяемой тетрафенилборатом. Авторы считают, что выявленное
действие ЭМП на транспорт тетрафенил бората связано с перегревом
мембраны и прилегающих к ней неперемешивающихся слоев
электролита.
Сравнительное исследование влияния непрерывного и импульсно-
модулированного СВЧ ЭМП (частота 2375 МГц, средняя УПМ равна
50—400 мВт/г) и температуры на потребление кислорода и
мембранную проницаемость переживающей печени крыс не выявило
преимущественного влияния микроволн на потребление кислорода и
перенос К в клетках печени (М. Л. Какушкина, Ю. А. Хитров, Р. И. Ураз-
манови др., 1982).
Исследования влияния миллиметровых волн на проницаемость
биологических мембран проведены в Институте радиотехники и
электроники АН СССР (Н. Д. Девятков, О. В. Бецкий, А. В. Путвинский, 1982;
Н. Д. Девятков, 3. С. Чернов, О. В. Бецкий, А. В. Путвинский, 1982
и др.). В частности, исследовано действие мощных СВЧ-импульсов
(время импульса 10 не, длина волны 7—14 мм) на нервно -мышечный
препарат, изолированную кожу лягушки 'и модельные мембраны
(К. Д. Казаринов, В. С. Шаров, А. В. Путвинский, 1982) и выявлено
возбуждение нервно-мышечного препарата и обратимое ускорение
транспорта ионов Na через кожу лягушки при СВЧ-облучении. Эти
данные, а также результаты опытов с бислойными липидными и
синтетическими ионообменными мембранами дали авторам основание
предположить, что влияние импульсных микроволн связано с нетеп-
.ловым увеличением ионной проницаемости мембран.
Подробно изучено изменение скорости переноса ионов Na через
кожу лягушки при СВЧ-облучегаш регистрацией разности
потенциалов между омывающими растворами и тока короткого замыкания
ТКЗ [74]. Под действием миллиметрового излучения (X = 7,2-8,5 мм,
УПМ равна 1—20 мВт/см2) наблюдалось ускорение
трансэпителиального переноса Na, что выразалось в возрастании ТКЗ и увеличении
потенциала </>, полностью обратимого после прекращения облучения.
Эффект увеличения «р проявлялся начиная с мощности 1 мВт/см2, а
с 4—6 мВт/см2 происходило увеличение крутизны характеристики.
Причем чувствительность к излучению наблюдали на внешней стороне
кожи, содержащей клетки эпителия, транспортирующие ионы Na.
Облучение кожи на фоне частичного ингибирования активного
транспорта 2,4-динитрофенолом, снижающим потенциал в 2 раза,
приводило к полному снятию эффекта ускорения переноса Na при всех
уровнях мощности (К. Д. Казаринов, В. С. Шаров, А. В. Путвинский,
О. В. Бецкий, 1984). Полуяенные результаты авторы объясняют
ускорением конвективного переноса ионов через водные примембранные
слои, имитирующие поток Na через кожу лягушки.

5.2. Электрическая проводимость
Основные результаты по влиянию СВЧ-излучений на бислойные фос-
фолипидные мембраны (БЛМ) получены в Институте биофизики АН
СССР под руководством И. Г. Акоева [50, 75-77]. СВЧ-излучение на
частоте 820 МГц вызывает увеличением проводимости БЛМ,
образованных фрагментами синаптических мембран, связывающих глутамат
[76]. После прекращения облучения проводимость каналов вновь
уменьшается. Было предположено, что действие микроволн обусловлено
нетепловым изменением свойств синапса глутамата и связано с
увеличением проводимости постсинаптической мембраны.
Последующая экспериментальная проверка этого предположения на
частотах 0,4 и 0,75 ГГц (УПМ равна 0-300 Вт/кг) показала, что
электропроводность модельной постсинаптической мембраны в СВЧ-поле
действительно повышается до 1400 пСм, а после прекращения действия
ЭМП возвращается в исходное состояние (О. В. Коломыткин,
И. Г. Акоев, В. И. Кузнецов, П. Г. Григорьев, 1982). Повторные
включения ЭМП вызывают такой же эффект. Характерно, что наблюдаемые
эффекты являются быстрыми и полностью обратимыми. Скорость
нагрева всего раствора после включения ЭМП составляла не более
0,025 К/с, электролита в районе отверстия в тефлоновой перегородке
примерно 0,3 К/с, а самой мембраны 1,5 К/с.
При неизменном количестве выделяемого тепла увеличение
молярной концентрации КС1 от 0,1 до 2 М вызывало нелинейное повышение
относительной электропроводности ионного канала, что указывает на
существование не только тепловых, но и других эффектов действия
ЭМП на проводимость мембран.
На одиночном канале, образуемом амфотерицином Б, показано, что
с увеличением мощности СВЧ-излучения проводимость канала линейно
растет [77]. Увеличение проводимости фосфолипидных мембран,
модифицированных аламетицином, зависит от параллельной или
перпендикулярной ориентации плоскости мембраны электрическому вектору
ЭМП [50, 75]. По мнению авторов, изменения проводимости БЛМ
являются следствием микротепловых эффектов: если вектор
^"перпендикулярен плоскости мембраны, то СВЧ-эффект определяется
нагревом содержимого поры, если параллелен — нагревом самой мембраны
или примембранных слоев. Следует отметить, что микротепловые
эффекты СВЧ не совсем согласуются с принятыми в классической
теплофизике значениями теплопроводности.
Под влиянием высокоинтенсивных микроволн (840 Вт/кг, Х =
= 12,6 см) наблюдается обратимое уменьшение проводимости
искусственных мембран, модифицированных аламетицином (В. И. Мирутенко,
С. И. Алексеев, Т. В. Удовиченко, 1982). При длительности
воздействия ЭМП, равной 1 с, уменьшение проводимости зависит от молярной
концентрации электролита и для солей КС1 и NaCl составляет
соответственно 70—90 и 20—70%. При используемых интенсивностях нагрев
93

мембраны и примембранных слоев электролита оказывает
существенное влияние на среднестатистическое время жизни каналов
проводимости.
В диапазоне частот 0,2-0,82 ГГц проводимость модифицированных
фосфолипидных мембран исследовали при облучении образцов в по-
лосковой линии (М. А. Большаков, Е. П. Хижняк, В. В. Тяжелое, 1982).
Выявлено, что изменение проводимости мембран наблюдается во всем
исследованном диапазоне. При этом с уменьшением частоты эффект
возрастает независимо от природы модификаторов, вида
ионов-переносчиков тока и других параметров мембраны и электролита при
постоянной амплитуде воздействующего поля в электролите. Авторы
считают, что "поведение экспериментальных кривых" величина
эффекта - частота" совпадает с теоретическими оценками локальных
перегревов электролита в области мембраны для разных частот". Это
утверждение требует, на наш взгляд, более глубокого обоснования.
В миллиметровом диапазоне (X = 6,0-г8,5 мм) СВЧ-излучение
интенсивностью до 100 мВт/см2 не влияет на проводимость немодифи-
цированных черных БЛМ, получаемых из смеси суммарных фосфо-
липидов крупных яиц и холестерина, взятых в соотношении 2:1
(О. В. Бецкий, В. А. Казаринов, К. Д. Казаринов и др., 1983). При
действии на бислои валиномицина или 2,4-динитрофенола происходит
обратимое снижение проводимости на 15% при ППМ, равной 40 и
100 мВт/см2.
Увеличение проводимости недавно обнаружено также при СВЧ-облу-
чении биологических мембран (Arber Simon, Lin James, 1983). В
качестве объекта исследования использовали нейроны из ганглия улитки
Helix aspersa, которые облучали на частоте 2450 МГц при УПМ, равной
12,9 МВт/г. Выявлено, что СВЧ-поле вызывает зависимое от
.температуры снижение сопротивления* мембраны, но не влияет на величину
мембранного потенциала. При температурах 8 и 21° С снижение
сопротивления мембраны составляло соответственно 9 и 17%, а при 28° С
изменение этого показателя становилось незначительным. Авторы считают,
что наблюдаемые изменения могут быть опосредованы через
температурные эффекты.
5.3. Структурные изменения мембран
Большинство исследований по влиянию микроволн на структуру
биологических мембран проведено на эритроцитах. В работе [78]
исследовали электрофоретическую подвижность (ЭП) эритроцитов
консервированной крови человека при действии СВЧ ЭМП частотой 1009 МГц
при 37°С в зависимости от интенсивности и длительности облучения.
Выявлено, что значения ЭП необлученных эритроцитов,
инкубированных при 37°С в течение 2-30 мин, лежат в пределах 1,28 ±0,03-
1,33 ± 0,04-10"8 м2 -В"! -с"1, что согласуется с литературными данными
(С. С. Харамоменко, А. А. Ракитянская, 1974).
94

При СВЧ-облучении в течение 8 мин интенсивностью 45 ± 10 мВт/см3
значение ЭП, регистрируемое сразу после прекращения облучения,
равно 1,30 ± 0,04-10'8 м^В'1^'1, что соответствует контрольному
уровню. При увеличении длительности действия до 30 мин ЭП
поднимается выше контрольной и составляет 1,45 ±0,03-10"8 м^В"1^"1,
а при ее уменьшении до 4 мин становится ниже контроля на 8—10%.
После прекращения облучения наблюдаются фазовые изменения ЭП,
имеющие затухающий характер.
Облучение суспензии эритроцитов с УПМ, равной 10 и 20 мВт/см3,
в течение 30 мин также не вызывает изменение подвижности клеток;
при дальнейшем снижении УПМ наблюдается заметное уменьшение ЭП
клеток относительно контроля. Так, электрофоретическая
подвижность клеток при УПМ, равной 5 и 2 мВт/см3, равна соответственно
1,12 ±0,03 и 1,20 ±0,02-10"8 м^В"1^"1. Более выраженное снижение
ЭП (до 30%) было обнаружено при облучении эритроцитов
микроволнами диапазона 2375 МГц интенсивностью 4 мВт/см2 (А. Н. Гусев,
Г. В. Глинский, А. Б. Иванова и др., 1983).
Наблюдаемые изменения электрофоретической подвижности можно
объяснить возможным изменением степени связывания ионов Са
наружной поверхностью мембраны облученных клеток, что приводит
к изменению дебаевской длины 5, определяющей толщину двойного
электрического слоя:
где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная
температура; F — число Фарадея; z — заряд иона; с — его концентрация.
В работе [79] показано, что изменение количественного
содержания Са в среде действительно существенным образом влияет на ЭП
клеток. Так, при увеличении концентрации ионов Са в среде от 3 до
6 мМ наблюдается почти двукратное снижение ЭП ЗТЗ-мышиных фиб-
робластов.
В гл. 4 приведены экспериментальные данные по существенному
влиянию микроволн на степень связывания Са нервными клетками
и в определенной мере эритроцитами человека. Косвенным
подтверждением этого влияния служат данные по изменению прочности связи
гликокаликса с мембраной эритроцита под действием
миллиметрового (6-7,5 мм) излучения интенсивностью менее 5 мВт/см2,
регистрируемого методами ИК-спектроскопии и спиновых зондов
(С. А. Ильина, А. В. Путвинский, Т. Б. Ченская, 1982).
Ионам Са отводят существенную роль в стабилизации структуры
мембраны вследствие образования солевых мостиков. Поэтому
повышение степени связьюания Са должно стабилизировать структуру
мембраны и одновременно несколько снижать значение ЭП клеток
95

дополнительной экранировкой части отрицательных зарядов
поверхности мембраны. В случае уменьшения степени связывания кальция,
наоборот, будет происходить демаскировка ионизированных
фосфатных групп или отрицательных зарядов белков мембраны,
определяющих общую величину поверхностного заряда клеток, в результате чего
ЭП эритроцитов будет возрастать.
Исследование крови белых беспородных крыс массой 150—200 г
в возрасте 2—3 мес показало, что СВЧ-излучение частотой 2,45 ГГц
также вызывает изменение электрофоретической подвижности
эритроцитов [80]. Облучение крови в течение 30 мин с УПМ, равной 130—
230 мВт/см3, при 40±0,5°С вызывает уменьшение ЭП эритроцитов
более чем на 20% по сравнению с температурным контролем.
Авторы связывают наблюдаемый эффект с изменением
коэффициента диффузии ионов внутри клеток и во внеклеточной среде. При
этом для расчетов они предлагают формулу
U= -p-(\+dy\ (5.2)
где U— электрофоретическая подвижность; е — диэлектрическая
проницаемость; £ — дзетта-потенциал; г\ — вязкость среды; d = Dj/2De, где
Dj и De — коэффициенты диффузии ионов внутри и вне клетки. Из
формулы (5.2) видно, что при относительном увеличении D/ будет
происходить уменьшение U, а при его уменьшении — повышение
электрофоретической подвижности.
В. А. Сигал и П. В. Осадчий (1984) связывают электрофоретическую
подвижность эритроцита с вязкоупругими свойствами его мембраны
с помощью следующих соотношений:
п= е* 3(1 + \)+2Р(1+2\)
67ГТ7 3 + 2р ' V'*'
\=(<7-1)/(2<?+1), (5.4)
Р = Ф', (5.5)
Я = о/а'9 (5.6)
где о и V — удельная проводимость и вязкость среды; а'и т?'-их
значения внутри клетки. Для эритроцита в норме р - 0,3; q — 1,7.
В рассматриваемой модели повышение ЭП клеток объясняется
нарушением соотношения между оно' таким образом, что q < 1, а ее
понижение - условием q > 2. При q — 1 определяются условия, при которых
изменение ЭП не будет наблюдаться.
Если при СВЧ-облучении среда и клетка будут нагреваться
по-разному, изменения электрофоретической подвижности могут определяться
и нарушением соотношения 17/77'.
96

В целом для конкретизации механизма изменения
электроповерхностных свойств эритроцитов под влиянием СВЧ-излучения требуются
дополнительные исследования.
В работе [81] с помощью методов ИК-спектроскопии и водород-дей-
териевого (H-D) обмена исследована возможность прямого влияния
микроволн на мембраны эритроцитов человека. В качестве объекта
исследования были взяты тени эритроцитов, получаемые из
консервированной крови человека с помощью модифицированного метода Пар-
парта (Roelofsen, Gier, van Deenen, 1964). Для этого цитратную кровь
центрифугировали при 2500# в течение 10 мин и удаляли плазму крови.
Эритроциты троекратно отмывали 0,9%-ным раствором NaCl. Гемолиз
производили разбавлением эритроцитов в 20 объемах
дистиллированной воды, насыщенной С02 при 5°С, и последующим выдерживанием
в холодильнике в течение 12 ч для осаждения теней. Затем
центрифугированием (2500g, 15 мин) их отделяли от надосадочной жидкости и
для удаления следов гемоглобина промывали изотоническим
раствором до тех пор, пока надосадочная жидкость переставала
окрашиваться.
Полученную суспензию теней облучали непрерывными и
импульсными микроволнами разной интенсивности на частоте 1009 МГц в течение
30 мин в коаксиальной ячейке при 25°С. Облученные и контрольные
образцы наносили затем на флюоритовые пластинки и выдерживанием
при комнатной температуре в течение суток получали воздушно -сухие
пленки теней. ИК-спектры регистрировали на приборе "Спектро-
мом-2000"; дейтерирование проводили в герметической кювете
толщиной 20 мкм с жидкой РгО или в специальной камере в атмосфере D2O
при 22°С. Кинетику дейтерирования исследовали путем определения
убыли интенсивности полосы амид II в процессе обмена пептидных
атомов водорода на дейтерий. Понижение интенсивности полосы амид II
оценивали при 1540 и 1550 см"1, а также по уменьшению площади под
кривой пика этой полосы. В качестве базовой линии амида I строили
касательную к максимумам пропускания в области 1500 и 1600 см"1
(И. Дехант, Р. Данц, В. Киммер, Р. Шмольке, 1976). "Полное"
дейтерирование проводили дополнительным выдерживанием пленок в
атмосфере Е>2 О при 60°С в течение 1 ч.
Следует отметить, что появление полос амид I и амид II на спектрах
теней эритроцитов связано с колебаниями атомов кислорода и водорода
(С-О-растяжение и N-H-изгиб) в пептидных группах белковых
молекул мембраны клеток.
Отношение интенсивности полосы амид II к интенсивности полосы
амид I довольно постоянно, а коэффициенты поглощения «зависят от
типа белка и окружающих условий (Хвидт, Нильсен, 1969). Для
многих типов белков отношение коэффициента поглощения полосы амид II
к коэффициенту поглощения полосы амид I находится в пределах
0,4-0,5.
97

20
a:
о
60
w
1
V. -"■
I —~i . . _.
1400 1600 1800
Волновое число, см"у
о)
20
40
60
L
U^
I \J
i - I
ff\
//m
V H
и
A
\V—
i i
1400 1600 1800
Волновое число, см"у
в)
Рис. 5.2. Инфракрасные спектры теней эритроцитов в контроле ( ) и при
непрерывном СВЧ-облучении ( ) в течение 30 мин интенсивностью 45 мВт/см3 (а)
и 75 мВт/см3 (б)
Исследования показали, что в процессе приготовления теней
эритроцитов и пленок из них не происходит конформационного перехода
а-спирали (или клубка) в 0-форму, о чем свидетельствует
локализация максимума полосы амид I около 1650 см"1 (Maddy, Malcolm, 1965;
Chapman, Kamat, Levene, 1968). Вследствие чувствительности полосы
амид I к окружению 0-конформации соответствует максимум этой
полосы около 1630 см"1, который на спектрах теней не
обнаруживается (рис. 5.2). Полоса амид II локализована на 1540 см"1. Заметно
выражено плечо при 1740 см"1, обусловленное деформированными
колебаниями С—О-групп в эфирных связях жирных кислот.
Под влиянием облучения 30 мин непрерывными и импульсными
микроволнами интенсивностью до 75 мВт/см3 ни в одном из
вариантов не наблюдается смещения полосы амид I в длинноволновую
область, что свидетельствует об отсутствии влияния микроволн на общую
конформацию белковых молекул в мембране эритроцитов.
В молекулах белков обычно наблюдают два типа H-D-обмена:
быстрый и медленный. Скорость обмена медленно обмениваемых амидных
атомов водорода может служить мерой количества пептидных групп,
которые по каким-либо причинам трудно дейтерируются, т. е. мерой
компактности белковых молекул. Однако она не может служить в
качестве критерия оценки самой структуры молекулы, так как в
некоторых областях полипептидной цепи, окруженной гидрофобными
связями, возможен медленный обмен независимо от конформации
(Г. Сузи, 1973; Blout, de Loze, Asadourian, 1961).
В живых клетках структура мембраны в значительной мере
стабилизирована гидрофобным белок-липидным взаимодействием [82, 83].
Поэтому доступность части пептидных атомов водорода для дейтери-
рования затруднена.
По нашим данным, дейтерирование пленок теней эритроцитов
вызывает небольшое смещение максимума амид I при 1650 см"1 в
длинноволновую область, а максимума амид II около 1540 см"1 в более ко-
98

Рис. 5.3! ИК-спектры необлученных теней эритроцитов без дейтерирования (1) и
при дейтерировании в течение 2-3 мин (2), 5 мин (S), 25 мин (4), 50 мин (5) и
75 мин (б)
ротковолновую. Интенсивность полосы амид I для одного и того же
образца при дейтерировании со временем практически не меняется,
что согласуется с ранее полученными данными (Miyazava, Blout, 1961).
Так, в одном из контрольных образцов интенсивность амид I около
1650 см""1 для шести спектрбв, регистрировавшихся последовательно
от начала дейтерирования, составляет 0,51; 0,51; 0,52; 0,54; 0,55; 0,55
(рис. 5.3). Аналогичная картина наблюдается и в облученных пленках.
Дополнительное дейтерирование при 60° С вызывает снижение
интенсивности полосы амид I на 5—10%. Интенсивность полосы амид II на
1540 см"1 опускается к уровню базовой линии с отклонениями от нее
на 5—6%, а на 1550 см"1 остается выше базовой линии на 10—15%, что,
видимо, объясняется неполным дейтерированием. Более четкие
результаты получаются при определении интенсивности полосы амид II по
площади под кривой относительно базовой линии » области 1500—
1600 см"1.
Исследование зависимости логарифма интенсивности амид II от
времени показывает, что быстрый обмен Н—D завершается за 4—5 мин.
При СВЧ-облучении наблюдается тенденция к увеличению доли быстро
обмениваемых атомов водорода в образцах при интенсивности
15 мВт/см3 и выше.
Константы скорости медленного обмена к, определяемые на
1540 см~! (кх), 1550 см"1 (к2) и по площади амид II (к3) в темпера-
99

2,0
Время обмена, мин Время обмена, мин
а) 5)
Рис. 5.4. Уменьшение интенсивности полосы амид II при дейтерировании теней
эритроцитов на 1540 см""1 (/), 1550 см"1 (2) и в области 1500-1600 см"1 (3)
в контроле (а) и при СВЧ-облучении интенсивностью 45 мВт/см3 в течение 30 мин
(б); D и Do - соответственно интенсивности полосы при дейтерировании и до его
начала
турном контроле близки друг к другу и составляют соответственно:
10"2; 0,90-10"2и0,83-10"2 мин"1 (рис. 5.4,*).
Под влиянием микроволн интенсивностью 5 мВт/см3 в течение 30 мин
скорость медленного обмена в основном сохраняется такой же, как и
в контроле: константы кг, к2 и къ равны соответственно: 0,97-10"2;
0,80-10" 2 и 0,76-10" 2 мин"1. Это означает, что при данной
интенсивности влияние микроволн на степень гидрофобного бёлок-липидного
взаимодействия в мембранах эритроцитов не обнаруживается.
Увеличение интенсивности микроволн до 15 мВт/см3 вызывает заметное
ускорение медленного обмена и соответствующие константы скорости
равны 1,26-10"2; 0,90-10"2 и 1,07-10"2 мин"1. Константа к3 по
сравнению с контролем увеличивается примерно на 25%, что указьюает на
возможное изменение гидрофобного окружения интегральных белков
мембраны.
Еще более ускоряется медленный обмен при увеличении
интенсивности облучения до 45 мВт/см3 (рис. 5.4,6). В этом случае константы
скорости кх, к2 и къ существенно выше, чем в контроле, и составляют
соответственно 1,75-Ю"2; 1,16-Ю"2 и 1,61-10"2 мин"х. При
интенсивности 75 мВт/см3 СВЧ-эффект явно заметен уже после облучения в
течение 8 мин (рис. 5.5).
В целом, полученные данные свидетельствуют об отсутствии
действия микроволн на вторичную структуру белка в мембране эритроците
и указывают на возможность более тонких изменений молекулярной
организации мембран вследствие нарушения белок-липидного и белок-
белкового взаимодействий в мембране (Э. Ш. Исмаилов, 1982).
Конформационные перестройки в мембранах теней эритроцитов
человека, индуцированные СВЧ-излучением частотой 333 МГц с УПМ,
100

1400
1600
1800.
Волновое число, см'
Рис. 5.5. ИК-спектры теней эритроцитов
в контроле (7) и при СВЧ-облучении
интенсивностью 75 мВт/см3 в течение 2 мин
(2) и 8 мин (3). Время дейтерирования
36-38 мин
равной 15 Вт/кг, выявлены методом
адиабатной сканирующей
микрокалориметрии (Г. Г.Жадан,И.Г.Акоев,
Ю. А. Ким, В. Л. Шныров, 1982).
После облучения теней эритроцитов
на термограмме отчетливо
наблюдаются изменения интенсивности и местоположения максимума тепло-
поглощения около 63°С, отражающего, по литературным данным,
характер белок-липидных взаимодействий в мембранах клеток.
С. М. Зубкова (1979) методом флуоресцентных зондов исследовала
конформационные изменения в митохондриальной мембране при
действии СВЧ-поля частотой 50 МГц с ППМ, равной 10 мВт/см2 [18]. При
использовании нейтральных молекул 3-метоксибензантрона (МБА)
изменения флуоресценции зонда в мембране облученных митохондрий
становятся более выраженными с увеличением рН среды. Так, для рН,
равного 6,4; 7,4 и 8,4, они соответствуют 28, 34 и 50%. Изменения
полуширины и смещения максимума флуоресценции МБА при этом
не наблюдается. Термостатирование митохондрий при 34°С в течение
10 мин вызывает противоположный эффект, величина которого
составляет 36—40%.
Для одновременного наблюдения за конформационным состоянием
мембраны и электрохимическим потенциалом митохондрий был
использован 1-анилинонафталин-8-сульфонат (АНС), заряженный отрицательно.
Спектр флуоресценции этого зонда, связанного с мембраной,
представляет собой однооптимумную кривую с максимумом 455 нм и плечом
в области 490-510 нм. Термостатирование митохондрий при 34°С
в течение 10 мин вызывает появление второго, более слабого
максимума на 510 нм. СВЧ-облучение интенсивностью 5 и 10 мВт/см2 при
тех же условиях восстанавливает однооптимумныи характер спектра
флуоресценции АНС за счет "сглаживания" длинноволнового
максимума.
Более интенсивное облучение (30—40 мВт/см2) вызывает усиление
флуоресценции АНС и смещение максимума флуоресценции к 510 нм
(табл. 5.2). Анализ приведенных данных показывает, что при
СВЧ-облучении зависимость "доза-эффект" имеет S -образный характер с
порогом изменения флуоресценции заряженных и незаряженных зондов
около 5-10 мВт/см2. Наблюдаемые изменения флуоресценции МБА
и АНС под влиянием микроволн свидетельствуют о возникновении
101

Таблица 5.2. Интенсивность флуоресценции АНС в мембранах
митохондрий (С. М. Зубкова, 1979)
Серия
СВЧ-облу-
чение,
мВт/см
Интенсивность
флуоресценции / при длине вол-
hsslhw
455
65 ±5
63 ±5
60±6
60±5
62 ±5
73±6
510
55 ±5
60 ±5
47 ±5
47±6
о9±7
80±5
1,2
1,0
1,3
1,3
1,0
0,9
Митохондрии на льду
Митохондрии при 34° С
Митохондрии при 34° С
сППМ
5
10
20
40
Таблица5.3. Параметры зондов в облученных и
необлученных тенях эритроцитов крыс
Зонд
2,6-ТНС
Пирен
ДФГТ
ФИТЦ
Параметр
Интенсивность, отн. ед.
Время жиз-"
ни, не:

модуляционное
фазовое
Интенсивность, отн. ед.
Эксимеризация
Микровязкость, П
Поляризация
Контроль
1,0 .
8,50 ±0,07
7,20+0,06
1,0
0,191 ±0,052
0,260 ±0,012
3,60 ±0,55
3,61 ±0,08
0,457 ±0,029
ЭМИ
0,85 ±0,04
8,46 ±0,09
7,14+0,07
0,91 ±0,03
0,189 ±0,049
3,35 ±0,74
-
0,459 ±0,032
небольших молекулярных перестроек в лабильных участках мембраны
митохондрий, не связанных с изменением общей конфигурации и
вязкости белковых молекул.
Более подробно влияние микроволн на различные уровни
организации мембран эритроцитов рассмотрено в [51]. Исследования проводили
на полученных по методу Доджа тенях эритроцитов крыс,
суспендированных в 15 мМ фосфатном буфере с рН=7,4, содержащем 135 мм
NaCl. Концентрация белка в суспензии составляла 100-150 мкг/мл.
Образцы облучали в поле плоского конденсатора микроволнами
частотой 465 МГц с УПМ, равной 90-95 Вт/кг, в течение 20-25 мин. В
качестве зондов использовали 2-толуидинонафталин-6-сульфонат
(2,6-ТНС), пирен, 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриен (ДФГТ) и флуоресцеин-
тиосульфонат (ФИТЦ). В отдельной серии исследовали тени
эритроцитов, меченные ФИТЦ-Кон А (конканавалином А, меченным ФИТЦ).
Флуоресценцию зондов измеряли спектрофлуориметром. Полученные
результаты сведены в табл. 5.3.
Согласно этим данным, СВЧ-облучение теней эритроцитов вызывает
заметное снижение флуоресценции 3,6-ТНС и пирена, локализующихся
102

на границе липид—вода. Подвижность пирена (ксимеризация) и
микровязкость липидной фазы, измеренная с помощью ДФГТ, меняются
слабо, а степень поляризации ФИТЦ-Кон А в облученных и контрольных
вариантах практически одинакова.
Авторы считают, что изменение интенсивности флуоресценции 2,6-ТНС
при действии ЭМИ нельзя объяснить интегральным нагревом суспензии
теней эритроцитов.
Мощные короткие импульсы микроволн частотой 2,7 ГГц (1 мкс,
частота повторения 330 с"*1, напряженность 1,7-3,9 кВ/см) вызывают
более серьезные повревдения ультраструктуры биологических мембран
(Webber, Mucta, Barnes Frank, 1982). При этом в клетках нейтробласто-
мы мыши наблюдается пробой клеточных мембран и митохондрий,
не связанный с действием теплового шока, так как эквивалентное
нагревание клеток не вызывает подобный эффект.
Недавно обнаружено, что низкоинтенсивное миллиметровое
излучение (X = 6,5 мм) при ППМ, равной 0,5 мВт/см2, вызывает авто-и
фотоокисление липосом, которое маскируется на фоне интенсивного
перемешивания суспензии (В. С. Шаров, К. Д. Казаринов, В. Е. Андреев,
1983). Наблюдаемый эффект связьюают с ускорением поступления
02 в кювету с липосомами, физический механизм которого пока еще
не изучен. В целом материал гл. 5 с убедительностью свидетельствует
о высокой чувствительности биологических мембран к СВЧ-излучению,
что, вероятно, служит одним из основных механизмов биологического
действия микроволн.
ГЛАВА 6
ВЛИЯНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ
6.1. Структура и свойства воды
В механизмах поглощения СВЧ-энергии биологическими объектами
существенную, роль играет вода. Она вносит определяющий вклад в
диэлектрические потери СВЧ-энергии в биологической ткани. По данным
А. С. Пресмана [16], доля поглощения Н20 на частоте 1 ГГц составляет
50% общих потерь энергии микроволн, на частоте 10 ГГц - 90%, а на
частоте 30 ГГц - около 98%.
Релаксация дипольных молекул воды и колебания свободных
зарядов в СВЧ-поле наиболее наглядно определяют тепловой эффект ЭМИ.
При этом в результате нагревания клеток и тканей организма
происходит изменение физико-химических свойств биологических структур,
нарушается термодинамика и кинетика биофизических и
биохимических процессов в организме. В мощных полях эти изменения
приобретают необратимый характер и вызывают гибель организма.
Основной особенностью СВЧ-нагрева в дециметровом и частично
в сантиметровом диапазонах является его объемный эффект. Время
103

разогрева объекта по всему объему в этом случае значительно
меньше, чем при нагреве традиционными способами, сильно зависящими
от конвекции. По этой причине СВЧ-нагрев биологического объекта
вызывает изменения, которые не наблюдаются при других формах
подвода тепла.
В миллиметровом диапазоне основное количество тепла
выделяется в поверхностном слое, толщина которого во много раз меньше
размеров исследуемого объекта. Так, при облучении суспензии
эритроцитов в кювете с толщиной исследуемого слоя 1 мм поверхностный
слой при ПММ, равной 1 и 10 мВт/см2, нагревается соответственно
на 0,1 и 1°С, что в несколько раз превышает средний нагрев слоя [84].
Ввиду малой проникающей способности миллиметровых волн
тепловые эффекты в этом диапазоне опосредованы процессами конвекции
в поверхностном слое облучаемого объекта (К. Д. Казаринов, В. С.
Шаров, А. В. Путвинский, О. В. Бецкий, 1984).
Однако участие воды в механизмах биологического действия СВЧ-из-
лучений не исчерпывается тепловыми эффектами. Теоретические и
экспериментальные данные свидетельствуют о том, что вода играет ведущую
роль и в проявлении нетепловых эффектов, когда общая температура
облучаемого объекта меняется несущественно. Эта роль связана с
некоторыми особенностями структурной организации воды, гидратирующей
молекулярные компоненты в биологических системах.
Согласно двухструктурной (клатратной) модели О. Я. Самойлова
[85], структура жидкой воды формируется в результате плавления
льда, когда часть молекул Н2 О из узлов кристаллической решетки
переходит в пустоты или междоузлия, вследствие чего структура каркаса
жидкой воды приближается к гексагональной структуре льда, размытой
тепловым движением молекул. По подсчетам (Frank, Quist, 1961),
при температуре 4°С в мевдоузлия переходит 18% молекул Н20. Дело-
кализованные молекулы воды преимущественно заполняют додекаэд-
рические пустоты, обрамленные 20 молекулами воды, характерные для
каркаса клатратных гидратов I. Термодинамические характеристики
молекул в пустотах не отличаются от состояния молекул Н20,
образующих основной каркас. Главным достоинством модели Самойлова
является то, что она предполагает сохранение в жидкой воде тетраэдрич-
ности и направленности водородных связей, характерных для
кристаллического состояния.
В кристаллической решетке льда молекула воды может принимать
6 различных положений, что создает большой набор возможных
ориентации для атомов водорода [86]. Элементарная ячейка такого кристалла
имеет размеры 0,352x0,737 нм и состоит из 4 молекул Н20. Средний
объем одной молекулы равен 0,032 нм2; молярный объем льда\юстав-
ляет 19,65 см3. Длина водородных связей в кристалле равна 0,18 нм,
а расстояние мевду двумя соседними атомами кислорода - 0,282 нм.
Экспериментально найденное значение энергии водородной связи во
104

льду составляет около 25 кДж/моль. Теплоемкость льда Ср вблизи 0°С
равна 38 кДж/моль и с понижением температуры уменьшается.
Период колебаний молекул в кристаллической решетке тк равен
2-Ю"*8 с, а их вращательные и трансляционные переходы гп при 0°С —
2-Ю"5 с.
Эйзенберг и Кауцман (1975) выделяют три типа структур льда:
/, V и D. Структура J является динамичной и хараюгеризует истинное
состояние воды. Она поддается наблюдению в течение времени t < гк.
В этом случае фиксируемые расстояния между соседними молекулами
воды могут более чем на 15% отличаться от равновесного. При
усреднении положения молекул за время rK < t < гп получается
колебательно-усредненная К-структура, а при t > гп - диффузионно-усредненная
D-структура.
Плавление льда при 0°С сопровождается разрывом примерно 15%
водородных связей и скачкообразным увеличением теплоемкости
в 2 раза. Кроме того, происходит увеличение плотности упаковки
молекул Н20, вследствие чего молярный объем воды снижается до
18,02 см3.
Одной из последних моделей структуры жидкой воды, получившей
признание исследователей, является континуальная модель [87].
Согласно этой модели, вода является структурно -однородной жидкостью,
в которой существует непрерьюная трехмерная приблизительно тетра-
эдрическая сетка водородных связей. Геометрические характеристики
этих связей распределены примерно так же, как и характеристики
кристаллов, в которых молекулы Н20 соединены водородными
связями. Кавдая молекула способна к образованию четырех водородных
связей. В двух связях она выступает в качестве донора, а в двух
других — в качестве акцептора. Несколько процентов молекул не образуют
водородных связей вовсе.
Распределение молекул воды по энергиям имеет один максимум.
7П в жидкой воде имеет порядок 10"1 ° с, а тк ^ 2 • 10"* 3 с. При
моделировании на ЭВМ чуть больше 1% молекул в /-структуре Н20 образуют
пять водородных связей, из которых две донорные и три акцепторные.
Одна из акцепторных связей сильно искривлена. В редких случаях
молекулы могут образовывать три донорные связи, одна из которых
является "вилочковой".
Трансляционные и либрационные колебания вызывают сравнительно
небольшие смещения молекул воды, вследствие чего жидкая вода
подобно льду характеризуется усредненной F-структурой. Найденные
методами молекулярной динамики F-структуры являются
непрерывными сетками, содержащими пяти-восьмичленные кольца, в которых
каждая молекула Н20 образует в среднем 3,6 водородных связей [87].
Основная часть воды, содержащейся в клетках и тканях, является
"объемной", т. е. находится в свободном состоянии. Максимум
диэлектрических потерь в свободной воде наблюдается на частоте примерно
20 ГГц (А. С. Пресман, 1964).
105

Небольшая доля воды, контактирующая с поверхностью
макромолекул и биологических мембран, является гидратированной. Она
связана с поверхностью заряд-дипольным и диполь-дипольным
взаимодействиями и образует высокоупорядоченную структуру. По данным
ЯМР-спектроскопии, гидратация белков невысокая. Так, для оваль-
бумина, гемоглобина и лизоцима она составляет соответственно 0,33;
0,42 и 0,34 г на 1 г белка [86]. Каждая молекула фосфолипида
связывает 6—10 молекул воды.
Недавно с помощью классического метода Монте-Карло была
исследована гидратация, в системе липидный монослой—вода, содержащей
140 молекул Н20 и 88 твердых сфер, моделирующих липидную фазу
[88]. В этой модели среднее расстояние мевду полярной головкой и
концом хвоста фосфолипида равно 1,8 нм, что соответствует толщине
бислоя 3,6 нм. Поверхностный слой, образованный слоем полярных
головок и первым гидратным слоем, имеет толщину примерно 0,7 нм.
Но расчетам, к каждой полярной головке фосфолипида примыкает
около четырех молекул Н20. Это ниже данных, полученных для фосфо-
липидов экспериментальными методами. В гидратации наружной и
внутренней поверхностей биологических мембран участвуют как
белковые молекулы, так и молекулы липида, что служит одним из важных
факторов стабилизации ее структуры [82, 83, 89].
Времена перехода гп молекул связанной воды имеют порядок 10~9 с,
а ее характеристическая частота, по данным Г. Швана [19, 21, 24],
расположена в области 500—2000 МГц. Следовательно, относительные
потери энергии дециметровых волн в гидратированной воде должны быть
значительно выше, чем в свободной, что может вызывать плавление
гидратных оболочек макромолекул [21]. Причем в этом случае вовсе
не обязательно общее повышение температуры облучаемого объекта.
В конечном счете изменение степени гидратации молекул может
привести к изменениям поверхностного натяжения и других
физико-химических свойств границы раздела мембрана—раствор, определяющих
высокую избирательность биологических мембран. Возникающие при
этом СВЧ-эффекты будут зависеть от абсолютной величины и
направления изменения энтальпии Н и энтропии S, определяющих
стандартную свободную энергию процессов, возникающих в системе при СВЧ-об-
лучении:
AG0 = АН0 - TAS0. (6.1)
6.2. Действие на молекулы белков и нуклеиновых кислот
Прямое влияние СВЧ-излучения на структуру белковых молекул
исследовано в миллиметровом диапазоне при облучении сухого, лио-
фильно-высушенного или растворенного НЬ (Л. Г. Коренева, В. И.
Гайдук, 1970; А. П. Андреева, М. Г. Дмитриева, С. А. Ильина и др., 1971;
В. А. Кудряшова, С. А. Ильина, А. С. Фалеев и др., 1972; В. И. Гайдук,
106

Ю. И. Хургин, В. А. Кудряиюва, 1973; Н. Д. Девятков, В. И. Гайдук,
В. А. Кудряшова, 1974). При этом авторы выявили тенденцию к
укреплению связи между гемом и глобином на волне 7,5 мм, что, возможно,
связано с резонансным воздействием микроволн на молекулу НЬ.
В целях дальнейшего изучения этого эффекта проведены
дополнительные исследования действия ЭМИ интенсивностью 3 мВт/см2 на
структуру НЬ на волнах 0,9; 1,13; 1,58 и 1,65 мм [84]. Раствор облучали в теф-
лоновых кюветах при 37°С в течение 4 ч. Глубину расщепления
гемоглобина на белковую часть и простетическую группу определяли по
эмпирической формуле
х= (1- В/А) 100, (6.2)
где А и В — концентрации исходного и нерасщепившегося НЬ.
Результаты исследования подтвердили наличие достаточно
выраженной тенденции к изменению прочности связи гем—глобин в молекуле
НЬ под влиянием миллиметровых волн. При этом на волне 1,13 мм
связь заметно ослабевает, а на волне 1,58 мм упрочивается. Недавно
обнаружено резонансное взаимодействие микроволн с некольцевыми
молекулами ДНК Е. coli в растворе (Weisburd, 1984). Для двух
характерных длин молекул при 3 ГГц получены абсолютные кривые с
пиком поглощения. Колебания молекул ДНК имеют слабое затухание.
Гак, на частоте 11 ГГц коэффициент поглощения СВЧ-энергии
молекулами ДНК в 400 раз больше, чем для раствора соли. По данным автора,
имеются также предварительные сообщения о резонансном поглощении
СВЧ-излучения в кольцевых плазмидах.
Изменение комплексной диэлектрической проницаемости при
облучении 0,002 и 0,02%-ных растворов ДНК, содержащих 0,14 М NaCl и
0,014 М цитрата Na, микроволнами в области 14,1—14,6 и 15—15,5 см
указывает на возможность конформационных изменений ДНК в поле
ЭМИ, способных, в свою очередь, вызывать изменение дипольного
момента молекул (Staniszewska Maria, Karczewsky lerry, 1982). Методом
равновесной седиментации выявлено, что под влиянием СВЧ-излучения
происходит изменение аффинности гемагглютинирующих
иммуноглобулинов (Н. П. Диденко, М. Е. Гуревич, В. И. Зеленцов и др., 1982).
6.3. Ферментативная активность
До настоящего времени в литературе нет достоверных сведений по
нетепловому влиянию СВЧ-излучений на ферментативную активность
in vitro, полученных прямыми методами.
Так, Элдер и Джозеф (1975) при исследовании действия микроволн
частотой 2450 МГц с ППМ, равной 10 и 50 мВт/см2, не выявили
изменений дыхательной и фосфорилирующей активности изолированных
митохондрий печени. Аналогичные результаты получены и при
использовании миллиметровых волн интенсивностью менее 5 мВт/см2
(Motzkin, Benes, Block е. а., 1983).

В опытах in vitro и in vivo исследовалось влияние СВЧ-излучения на
активность транспортных Na+-, K+- и Са2+- АГФаз головного мозга крыс
и крупного рогатого скота [90]. Объекты облучались в безэховой
камере в условиях постоянной температуры и влажности воздуха.
В результате исследования изменение активности Na+-, К+-АТФазы
in vitro не выявлено. Наблюдаемое при облучении организма in vivo
повышение активности АТФаз авторы считают следствием не прямого,
а опосредованного действия микроволн. Имеются и другие данные об
отсутствии нетеплового действия СВЧ-излучений на ферментативную
активность in vitro.
6.4. Реакция комплексообразования в СВЧ-поле
В целях выяснения молекулярных механизмов биологического
действия микроволн проведено сравнительное исследование влияния СВЧ-
излучения и тепла на реакцию комплексообразования в системе 4-(2-пи-
ридилазо)-резорцин (ПАР)-Сг3+ [91].
Отличительной особенностью реакции комплексообразования
органического реагента ПАР с трехвалентным хромом является то, что
при комнатной температуре ПАР очень медленно реагирует с ионом
хрома, так как он присутствует в воде в виде довольно прочного аква-
комплекса. Заметный выход продукта реакции наблюдается только
через несколько суток. Значительное ускорение процесса происходит
при нагревании системы выше 80°С. Максимальный эффект реакции
с образованием яркоокрашенного комплекса ПАР—Сг достигается
кипячением раствора при 100° С в течение 5 мин. Соотношение Сг:ПАР,
установленное методами изомолярных серий и переменных
концентраций, отвечает соотношению 1:2 (Р. Р. Абдулаев, 1972).
Взаимодействие каждой из двух молекул ПАР с ионом хрома
предположительно осуществляется замещением протона оксигруппы в орто-
положении к азогруппе и координации атома азота азогруппы,
наиболее удаленного от пиридинового ядра (рис. 6.1).
При кипячении максимальный выход продукта реакции наблюдается
при рН, равном 4,5—5,5. Максимум поглощения комплекса в
зависимости от реакции среды колеблется от 510—520 до 540—550 нм.
Молярный коэффициент поглощения комплекса ПАР—Сг равен 2,35-104,
а константа нестойкости — 1,4 • 10"14.
Облучение смеси ПАР—Сг3+ проводили непрерывными
микроволнами диапазона 1000-2000 МГц в течение 5-20 мин при 40-46° С и
УПМ 100 мВт/см3. Контрольную смесь выдерживали в термостате при
той же температуре. Максимум выхода продукта в температурном
контроле определяли кипячением раствора в течение 5 мин.
Результаты исследования показали, что нагревание исходного
раствора ПАР-Сг3+ в течение 30 мин при 40-48°С вызывает образование
комплекса с выходом до 13—17% максимального. Синтез продукта
108

но
Н20 Сг ОН
Рис. 6.1. Предполагаемая структура комплекса
ПАР-Сг
400 500 600
Длина волны, нм
Рис. 6.2. Спектры поглощения смеси ПАР-Сг (i) и растворов комплекса
ПАР-Сг, полученных при кипячении в течение 5 мин при 100° (2), а также
нагревании (3) и действием микроволн (4) при42°С
в СВЧ-поле при 46°С в течение 10 мин в 4-5 раз превышает это
значение. В исследованном диапазоне частот наибольший эффект отмечен
на частоте 1430 МГц. Действие СВЧ-поля частотой 1430 МГц при 42°С
в течение 20 мин вызьшает в 2 раза больший выход комплекса, чем
при кипячении (рис. 6.1) [122].
Зависимость количества синтезируемого комплекса от
интенсивности и длительности действия микроволн на рассматриваемую реакцию
неоднозначна. В разных сериях отмечается значительный разброс
выхода комплекса в СВЧ-поле.
Рассмотренные данные указьюают на большую эффективность
влияния СВЧ-энергии на скорость образования комплекса ПАР—Сг по
сравнению с эквивалентным теплом. При этом максимум поглощения
продукта реакции, получаемого под действием микроволн, на 10—15 нм
сдвинут в более коротковолновую область, что указывает на
возможную модификацию структуры комплекса, синтезируемого в СВЧ-поле.
Наблюдаемые эффекты ЭМИ связаны, на наш взгляд, с плавлением
гидратной оболочки в аква-комплеасе, что значительно повышает
реакционную способность Сг3+ при сравнительно невысокой температуре.
На волне примерно 21 см in vitro исследовано образование комплекса
гемоглобина с кислородом (оксигенация) при СВЧ-облучении
стабилизированной донорской крови (С. Д. Захаров, С. Н. Перов, Э. Ш. Исмаи-
лов и др., 1984, 1985). Контроль оксигенации осуществляли при
помощи разработанного в лаборатории лазерной хирургии Физического
института АН СССР оптического оксигемометра "ОДЭР-а" с двумя
датчиками, работающими в диапазонах красного и инфракрасного
излучения. Исследовательский стенд включал в себя перистальтический насос
109

для создания циркуляции крови с постоянной скоростью, оксигена-
ционную ячейку для насыщения крови кислородом, совмещенную
с ячейкой для облучения крови, и два термостата, в которые помещали
всю систему в целях поддержания постоянной температуры, равной
37±0,5°С.
Полный объем крови в исследовательском контуре составлял
11,5 см3, из которого 1,5 см3 приходилось на облучаемую ячейку.
Суммарная поглощаемая мощность составляла 0,25 Вт; скорость
циркуляции крови 1000 мл/ч. При СВЧ-облучении температура крови
повышалась на 1,6—1,9°С. В процессе оксигенации концентрация окси-
гемоглобина во всех сериях увеличивалась от 25 до 95%.
Выявлено, что под влиянием микроволн происходит изменение
спектральных характеристик молекул гемоглобина, не связанное с
нагреванием облучаемой крови. Наиболее сильные изменения спектра
поглощения НЬ были заметны в инфракрасном диапазоне волн.
Описанные эффекты действия микроволн на реакции комплексообразова-
ния в водных растворах нельзя объяснить только СВЧ-нагревом
облучаемой системы.
ГЛАВА 7
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МИКРОВОЛН
Рассмотренный в гл. 4—6 материал указывает на наличие выраженных
клеточных и молекулярных эффектов действия СВЧ-излучений,
непосредственно не связанных с повышением температуры облучаемых
объектов. Наиболее отчетливо эти эффекты в клетке проявляются на
уровне плазматических мембран.
7.1. Взаимодействие микроволн
с молекулярными компонентами мембран
Действие СВЧ-излучения на биологические мембраны во многом
обусловлено особенностями структурной организации и
функционирования мембран, представляющих собой высокоупорядоченные
надмолекулярные ансабли, обладающие выраженными векторными
свойствами. Все свойства мембран определяются их молекулярной
организацией.
Многочисленными исследованиями показано, что мембраны клеток
на 93% и более состоят из белков и липидов, соотношение между
которыми изменяется в зависимости от типа клеток. Мембраны
эритроцитов человека содержат 49% белков, 44% липидов и около 7% углеводов
[92]. В плазматической мембране клеток печени и миелине быка
содержится соответственно 60 и 22% белка и 40 и 78% липидов.
НО

Основными липидами мембраны являются фосфолипиды, глико-
липиды и холестерин. Из полярных липидов в мембрану включены
фосфатидилхолин или лецитин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтанол-
амин, кардиолипин, ганглиозиды, фосфатидная кислота и др.
В мембранах эритроцитов человека содержится по 15—16% фосфа-
тидилхолина, фосфатидилэтаноламина и сфингомиелина, 7—8% фосфа-
тидилсерина, около 25% холестерина, до 10% гликолипидов, а также
небольшие количества фосфатидилинозита, фосфатидной кислоты,
свободных жирных кислот и других липидов [92, 93]. Объем,
занимаемый одной молекулой фосфолипида, имеет порядок 102 нм. Так,
в двойном липидном слое молекула яичного лецитина при 25° С
занимает объем, равный 1,265 нм3, а его полярная группа — примерно
0,36 нм3 [96].
Распределение положительных и отрицательных зарядов на молекулах
полярных липидов определяется значениями рКа ионизируемых
функциональных групп. Отметим, что рКа функциональной группы есть
величина рН, при которой ионизирована половина всех таких групп.
Молекулы фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и
сфингомиелина содержат по одной фосфатидной группе, способной нести
отрицательный заряд, и по одной амино- или триметиламмониевой группе,
несущей положительный заряд. В целом эти молекулы являются цвит-
терионами и характеризуются изоэлектрической точкой. Изоэлектри-
ческая точка равна полусумме рКа катионной и анионной групп. В
табл. 7.1 даны значения рКа для некоторых ионизированных липидов.
Они показывают, что при нейтральных рН фосфатидилхолин, фосфа-
тидилэтаноламин и сфингомиелин почти электронейтральны, а
"кислые" фосфолипиды фосфатидилсерин, фосфатидилглицерин,
кардиолипин, фосфатидилинозит и фосфатидная кислота заряжены
отрицательно.
Для полярной части молекул лецитина, сфингомиелина и
фосфатидилэтаноламина энергетически наиболее выгодна не полностью
вытянутая конформация, а типа "клешни", называемая гош-конформацией
[96]. Например, для молекулы фосфатидилэтаноламина такая форма
полярной "головки" будет стабилизирована водородными связями
и электростатическим притяжением и даст энергетический выигрьпи
около 60 ккал/моль. Гидратация молекулы меняет конформацию
фосфорилэтаноламинного остатка. Конформация фосфорилхолинового
остатка определяется более слабым электростатическим
взаимодействием, поэтому при гидратации она практически не меняется [94]. В
липидном бислое энергетический барьер вращения полярной головки
лецитина вокруг обеих Р-О-связей по расчетам не превышает
5 ккал/моль, вследствие чего ориентация диполя Р" . . . >Г-фосфорил-
холина относительно плоскости бислоя в сильной степени зависит от
межмолекулярных взаимодействий.
Хотя наиболее распространенными в природе являются
пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты, часто в состав клеток и их мем-
111

Таблица 7.1. рКа ионизированных групп в молекулах липидов
(В. Г. Ивков и Г. Н. Берестовский, 1981)
Ионизированная группа
Пример
РК0
Отрицательный заряд
Первый протон фосфатной Фосфатидная кислота, трифос- 2,1
группы фоинозитид, дифосфоинозитид
-О- Р-О"
I
ОН
Второй протон фосфатной
группы
О
II
-О- Р-О"
I
о
Фосфатная группа с двумя
эфирными связями
О
II
-О-Р-О-Х
I
о
Карбоксильная
Первичный амин
-NH^
Вторичный амин
-NH2
Третичный амин
-NH+
Тоже
Лецитин, сфингомиелин, фос-
фатидилэтаноламин, фосфати-
дилинозит, фосфатидилсерин,
фосфатидилглицерин
Фосфатидилсерин,
жирные кислоты
Положительный заряд
Фосфатидил этанол амин,
аминокислотные эфиры
фосфатидил глицерина
Диацилглицерил фо сфорил-N-
метилэтаноламин
Диацилглицерил фосфорил-N-
ди метил этанол амин
7,2
2,1
2,2
4,9
10,6
10,7
9,8
Четвертичный амин
-N+(CH3)3
Лецитин, сфингомиелин
13,9
бран включаются и другие насыщенные и ненасыщенные жирные
кислоты (табл. 7.2). В мембранах эритроцитов человека различные фосфо-
липиды содержат разное количество насыщенных и ненасыщенных
жирных кислот (табл. 7.3).
В насыщенных жирных кислотах углы между соседними одинарными
С—С-связями составляют 111°, а проекция связи на продольную ось
молекулы в транс-конформации равна 0,127 нм. Длина насыщенных
жирнокислотных цепей или "хвостов", отсчитываемая от середины
ближайшей к карбоксильной группе С—С-связи, для пальмитиновой, стеа-
112

Таблица 7.2. Некоторые природные жирные кислоты (Уайт, Хендлер, Смит и др., 1981)
Суммарная
формула
Тривиальное
название
Название по женевской
номенклатуре
Структурная формула
С14Н28О2
Ci6H3202
С18Нзб02
С20Н40О2
С22Н44О2
С24Н48О2
С26Н52О2
C28Hs502H
С16Н30О2
Ci8H3402
С18Н3402
С18Н3402
С18Н3202
С18Н30О2
С18Н30О2
С18Н30О2
С20Н32О2
С24Н4602
Мири становая
Пальмитиновая
Стеариновая
Ар ахи новая
Бегеновая
Лигноцеринов ая
Цероти новая
Монтановая
Пальмитоолеиновая
Олеиновая
Элаиди новая
Вакценовая
Линолевая
а-Линоленовая
7-Линоленовая
Элеостеариновая
Арахидонов ая
Нервоновая
н -Тетрадекановая
н - Гексадекановая
н -Октадекановая
н-Эйкозановая
н-Докозановая
н -Тетракозановая
н -Гексакозанов ая
н -Октакозановая
9 - Гексадеценов ая
цис -9-Октадеценовая
транс - 9- Октадеценов ая
11-Гексадодеценовая
^мс,^с-9,12-Октадекадиеновая
9,12,15-Октадекатриеновая
6,9,12 -Октадекатриеновая
9,11,13 - О ктадекатри енов ая
5,8,11,14-ЭЙкозантетраеновая
цис-15-Тетракозеновая
CH3(CH2)i2COOH
CH3(CH2)i4COOH
CH3(CH2)i6COOH
СН3(СН2)18СООН
СН3(СН2)2оСООН.
СН3(СН2)22СООН
СН3(СН2)24СООН
СН3(СН2)2бСООН
СНз(СН2)5СН=СН(СН2)7СООН
СНз (СН2) 7СН-СН(СН2) 7СООН
СН3 (СН2) 7СН=СН(СН2) 7СООН
СНз (СН2) 5СН=СН (СН2) 9СООН
СНз (СН2)4СН-СНСН2СН=СН(СН2) 7СООН
СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН-СН (СН2) 7СООН
СНз (СН2) 4СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН (СН2) 4СООН
СНз (СН2) 3СН=СН=СН=СН=СН=СН(СН2) 7СООН
СН3 (СН2) 4СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=
=СН(СН2)зСООН
СН3(СН2)7СН=СН(СН2) 1зСООН

Таблица 7.3. Относительное содержание некоторых насыщенных
и ненасыщенных жирных кислот, %, в фосфолипидах эритроцитов человека
(Котык, Яначек, 1980)
Фосфолипид
Фосфата дал хо лин
Фосфатидал этанол амин
Фосфата дал серии
Сфинго миелин
Целая мембрана
Отношение числа углеродных атомов в цепочке
к числу двойных связей в кислоте
16:0
33,0
18,9
7,1
41,3
28,2
16:1
1,0
0,6
0,4
0,1
0,7
18:0
11,7
8,0
41,6
9,1
15,1
i
18:1
20,6
25,2
13,0
5,2
18,3
18:2
18,2
7,0
2,8
3,7
10,6
Фосфолипид
Фосфатидал хо лин
Фосфатидал этанол амин
Фосфатидал серии
Сфинго миелин
Целая мембрана
Отношение числа угдеродных атомов в цепочке
к числу двойных связей в кислоте
20:4
5,0
21,9
19,7
0,1
10,8
22:0
4,7
8,0
22:5
5,4
3,1
2,9
4,0
22:6
1Д
2,9
4,2
2,1
24:0
15,0
24:1
1,55
риновой и бегеновой кислот в транс-конформации равна соответственно
2,05; 2,3 и 2,8 нм (целые молекулы этих липидов в диссоциированной
форме имеют длину 2,30-2,36; 2,55-2,62 и 3,06-3,12 нм) [96].
В ненасыщенных жирных кислотах при цис-конфигурации С-С-свя-
зи цепь изгибается примерно на 45°. Продольный размер молекул
холестерина составляет около 1,7 нм. Его полярные свойства
определяются наличием гидроксильной группы в 0-положении. Относительно
малая длина молекулы и небольшие размеры ее полярной части
позволяют холестерину хорошо заполнять пустоты в жирнокислотнои части
липидного бислоя.
Низкий энергетический барьер для вращения вокруг С-С-связей
(2,9 ккал/моль) приводит к образованию ротационных изомеров
(модель кинков) липидов. В случае перехода от трансконформации к гош-
изомерам создаются "2з7-кинки" вследствие вращения углеводородной
цепочки вокруг С—С-связей на 120°, в результате чего происходит
сокращение цепи на длину одного звена СН2 [101]. Кинки создают в
углеводородной фазе полости объемом 0,025-0,05 нм3 и возрастание
средней площади молекулы липида от 4,8 до 5,8 нм. Л. И.
Богуславский считает, что хотя все мембранные липиды клеток животных при
обычной температуре находятся в жидкокристаллическом состоянии,
мембрану в целом нельзя представить как просто
жидкокристаллическую структуру. Жидкокристаллические состояния можно приписать
только отдельным ее участкам.
11'

Таблица 7.4. Аминокислотный состав, %, плазматических мембран
эритроцитов человека (А), клеток асцитной опухоли Эрлиха (Б)
и пекарских дрожжей (В) (Котык, Яначек, 1980)
Аминокислота
Лизин
Гистидин
Аргинин
Аспарагиновая
кислота
Глутаминовая
кислота
NH3 из амидов
Треонин
Серии
Цистеин
Глицин
А
5,2
2,4
4,5
8,5
12,2
6,9
5,9
6,3
1,1
6,7
Б
6,3
2,6
4,7
8,8
10,1
14,7
5,5
6,6
в
7,4
2,5
4,2
10,8
10,2
10,9
Следы 1,0
8,5
8,3
Аминокислота
Тирозин
Фенилаланин
Метионин
Лейцин
Изоленцин
Ал анин
В алии
Триптофан
Пролин
А
2,4
4,2
2,0
п,з
5,3
8,2
7,1
2,5
4,3
Б
3,1
4,8
2,7
10,1
6,1
7,8
6,6
1,5
5,2
В
7,8
1,5
9,6
5,5
7,7
6,1
1,2
5,1
Липиды относительно легко экстрагируются из мембран ацетоном,
третичным амиловым спиртом, и-бутанолом, эфиром и другими
органическими растворителями. При солюбилизации липидов
биологическую ткань гомогенезируют в смеси хлороформа с этанолом (2:1 по
объему) при 20-кратном избытке растворителя. Для удаления
растворимых в воде компонентов полученный раствор промывают водой,
которую обычно берут в количестве 1/5 части общего объема раствора.
Высвобождение полифосфорилированных и других производных фос-
фатидилинозита, входящих в состав клеток мозга, почек и других
тканей и органов, может быть произведено при использовании смеси
хлороформа, метанола и соляной кислоты [92].
Белки мембран представлены преимущественно гликопротеидами и
подразделяются на два вида: поверхностные, или периферические, и
интегральные. Они выполняют ферментативную, транспортную, рецеп-
торную и другие важные функции в клетке.
Периферические белки локализованы в поверхностных слоях
мембраны и довольно легко экстрагируются водными растворителями, не
содержащими поверхностно-активных веществ (ПАВ). Интегральные
белки прошивают мембрану насквозь и экспонированы как ъ
цитоплазму, так и во внеклеточную среду. Поэтому для их солюбилизации
необходимо предварительное разрушение липидного бислоя с помощью ПАВ
[93].
Из одного и того же типа мембран можно выделить до 30 различных
белков, в состав которых включены практически все природные
аминокислоты (табл. 7.4). Молекулярные массы мембранных белков
изменяются от 10 000 до более чем 250 000 дальтон.
В эритроцитах обнаруживается более 100 различных "ферментных
активностей", часть из которых связана с мембраной. Это Na+-,
К+-АТФаза, Са2+-АТФаза, ацетилхолинэстераза и др. Гликолитические
115

Поверхностные Интегральные
белки: белки:
Главные Главные
Минорные _ Минорные
(спектрин) 1
2
АТФаза
t da о /анионный канал)ЛУа
< PAS~j(еликофорин A) Md
4 PAS-4
(неохарактеризо-
__ "*Е Шнные еликопеп-
(актин) б Ж <™-2тиеы)
(GSPD) 6
7
A PAS-J
Рис. 7.1. Разделение полипептидных цепей из мембран эритроцитов человека
методом гель-электрофореза в додецилсульфате Na. Каждый из главных
поверхностных и интегральных белков обозначен номером:
PAS - периодная кислота, используемая для обнаружения углеводов (реактив
Шиффа); АХЭ - ацетилхолинэстераза; G3PD - глицеральдегид-3-фосфатдегидро-
геназа (Уайт, Хендлер, Смит и др., 1981)
ферменты слабо связаны с мембраной и локализованы в основном во
внутреннем примембранном слое [89]. По подсчетам, на 1 мкм2
поверхности эритроцита приходится около 4200 частиц белка, а в среднем
на 1 эритроцит - около 600000 частиц (Л. Д. Бергельсон, 1982).
Используя гель-электрофорез в додецилсульфате Na и другие
методы, из мембран эритроцитов выделено до 20 различных
полипептидов. При этом выявлено, что основная часть периферических белков
локализована на внутренней, цитоплазматической поверхности
мембраны.
На фореграмме, полученной методом гель-электрофореза
полипептидных цепей мембран эритроцитов (рис. 7.1), хорошо выделяется
один из главных периферических белков - спектрин с молекулярной
массой 225 000—250000 (полосы 1 и 2). Он относится к миозиновому
классу и образует весьма прочную ассоциацию с актинопэдобным
белком (полоса 5), способным стимулировать АТФазную а* тивность
мышечного миозина [93]. Комплекс спектрина с "актином", как
полагают, обладает многими свойствами актомиозиновой сисгемы и
участвует в регуляции подвижности связанных со спектрином
интегральных белков. На долю спектрина приходится 20-30% общего белка
мембраны.
Из интегральных белков мембраны эритроцитов наиболее хорошо
изучен гликофорин, являющийся, видимо, субъединицей PAS-1 (см.
рис. 7.1). Его молекула состоит из остатков 131 аминокислоты и
содержит 16 олигосахаридных боковых цепей, т. е. 60% массы всей мо-
116

Рис. 7.2. Мозаичная модель плазматической мембраны:
1 - интегральный белок; 2 - периферический белок; 3 - липидный бислой;
4 - холестерин; 5 - микрофиламенты и микротрубочки; б - гликолипид; 7 -
гликопротеид (Singer, Nicolson, 1972, Singer, 1974; Nicolson, 1976; Крепе, 1981;
Уайт, Хендлер и др., 1981)
лекулы. Гликофорин очень богат сиаловой кислотой: на его долю
приходится около 75% всей сиаловой кислоты гликопротеидов мембраны
эритроцитов. Полоса 3 также образована интегральным белком с
молекулярной массой примерно 95 000, содержащим 5—8% углеводов.
Предполагают, что этот гликопротеид является димером и участвует
в транспорте анионов, а возможно, и глюкозы.
В настоящее время наиболее приемлемой моделью строения
плазматической мембраны является жидкомозаичная модель (рис. 7.2),
предложенная Зингером и Николсоном (1972, 1974, 1976). Согласно
этой модели, липиды в мембране образуют бимолекулярный слой,
пронизанный в определенных участках молекулами интегральных
белков. Значительная часть липидного бислоя ламеллярна; полярные
головки молекул липида в бислое выступают наружу, а гидрофобные
"хвосты" спрятаны внутри липидного матрикса и направлены
перпендикулярно плоскости мембраны. При неизменной температуре в одной
гидрофобной цепи молекулы липида может появиться от 4 до 10 гош-
конформаций [100]. При этом гидрофобные хвосты как бы
извиваются относительно полярной головки молекулы. Более 2/3 полярных
головок закрыто периферическими белками, которые частично
погружены в липидную фазу. Остальные липиды экспонированы прямо
в среду.
117

Таблица 7.5. Расщепление фосфолипидов эритроцитов человека
фосфолипазами в отсутствие гемолиза (Цваал, Роулофсен, 1979)
Фермент Степень расщепления, %
Время ин-
кубации, Фосфо- Сфинго- Общая Сфинго- Фосфати- Фосфати- Фосфати-
мин липаза миелина- фракция миелин дилхолин дилэта- дилсерии
Аг (Naja за (S. фосфо- ноламин
naja aureus) липидов
О —г— 0 0 0 0 0
60 I —I— 20 0 68 0 0
120 Т У 48 82 76 20 0
Таблица 7.6. Аминокислотный состав, %, сиалогликопротеида (А)
и его растворимого (Б) и нерастворимого (В) пептидов
из мембраны эритроцитов человека (Робинсон, 1978)
Аминокислота
Аспарагиновая кислота
Глутаминовая кислота
Лизин
Аргинин
Гистидин
Тирозин
Цистеин
Итого, ионизированные
Серин
Треонин
Итого, полярные
А
6,0
10,0
3,5
4,1
3,8
3,6
0
31,0
13,6
13,8
27,4
Б
7,6
4,7
4,3
3,3
4,9
1,5
0
26,3
23,8
23,8
47,6
в
2,4
7,0
2,0
3,9
3,8
2,4
0
21,5
6,0
6,2
12,2
Аминокислота
Глицин
Алании
В алии
Лейцин
Изолейцин
Метионин
Про лин
Фенил ал анин
Триптофан
Итого, неполярные
Всего
А
6,8
6,8
7,7
4,5
4,5
0
6,5
3,5
-
40,3
98,7
Б
3,5
6,1
4,9
1,6
2,8
0
4,0
0,0
-
22,9
96,8
В
10,7
7,9
8,1
11,6
14,3
2,1
4,5
5,1
-
64,3
98,0
В наружном и внутреннем слоях мембраны отдельные липиДы
распределены неравномерно. В частности, при обработке мембран
эритроцитов фосфолипазой А2 и сфингомиелиназой выявлено [102], что
в наружном слое содержится 48% всех фосфолипидов мембраны, из
которых основную долю составляют фосфатидилхолин и сфингомие-
лин, а все 100% фосфатидилсерина сосредоточены на внутренней
стороне (табл. 7.5).
Белки и липиды взаимодействуют друг с другом посредством
электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Вокруг белков фомируется
слой менее подвижных,липидов- называемых анулярными. Пептидные
цепи интегральных белков, погруженные в углеводородный матрикс,
значительно более богаты нейтральными Д-группами аминокислот,
чем участки молекул, выступающие из липида наружу. Эти группы
формируют основную часть участка поверхности интегрального белка,
погруженного в липид, что способствует возникновению в толще
мембраны гидрофобного взаимодействия между белком и липидом. Так,
при солюбилизации сиалогликопротеида с молекулярной массой 31400
из мембран эритроцита выявлено [103], что его растворимый пептид
118

с молекулярной массой 10000, экспонированный в среду, содержит
73,9% полярных и ионизированных R -групп, а погруженный в липид-
ный бислой нерастворимый пептид — всего лишь 33,7% (табл. 7.6).
Большую роль в стабилизации структуры мембраны играют при-
мембранные слои воды, образующие ажурную сетку вокруг зарядов
и диполей мембраны, а также катионы Са, Mg, К, Na и другие ионы.
В бислое общие липиды эритроцитов человека гидратируют до 80%
Н20 с толщиной слоя, равной 19 нм [96]. Ионы Са, связываясь с
мембранами, вызывают снижение отрицательного заряда и дегидратацию
поверхности мембраны. Они образуют солевые мостики между двумя
соседними отрицательно заряженными группами белков и липидов
[89].
В мембране эритроцитов 80% Са связывается белками, а 15-20% -
липидами. С внутренней стороны мембрана стабилизирована также
сетью спектрина, который связывается с поверхностью мембраны
посредством кальциевых мостиков и других ионных связей.
Имеются данные, что значительную роль в стабилизации мембран
эритроцитов играет гемоглобин, хотя он непосредственно не включен
в липопротеиновый гидрофобный остов мембраны [89].
Как известно, глобулярная молекула Hb состоит из четырех субьеди-
ниц: двух а- и двух 0-цепей. Эти полипептиды включают соответственно
по 141 и 146 остатков аминокислот, в том числе и довольно большие
количества кислых аминокислот (табл. 7.7). Каждая цепь имеет восемь
спирализованных сегментов, обозначаемых А, В, С, D, Е, F, G и Я.
Связь белка с гемогруппой осуществляется с помощью
координационной связи атомов азота проксимального (F8) и дистального (Е1)
остатков гистидина с атомом железа, а также гидрофобных контактов
алифатических и ароматических R -групп, выстилающих внутреннюю
часть гемового кармана, с пиррольными кольцами гема.
Участие НЬ в стабилизации мембраны эритроцита обусловлено,
по-видимому, связыванием его на внутренней поверхности мембраны
вследствие .образования солевых мостиков между ионизированными
фосфатными группами кислых фосфолипидов мембраны и
карбоксильными группами остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот
сегментов Е и F и остатка пропионовой кислоты гемогруппы 0- цепей
белка глобина. С обеих сторон к мембране примыкают примембран-
ные слои, в состав которых входят белки, гликопротеиды, гликолипи-
ды, связанная вода и минеральные ионы.
Поверхностное натяжение монослоев на границе липид—вода
составляет около 50 дин/см и характеризует величину свободной
поверхностной энергии, определяемой межмолекулярным взаимодействием. В
биологической мембране поверхностное натяжение значительно ниже этого
значений вследствие экранировки образующихся вновь гидрофобных
участков липидного бислоя белковыми молекулами.
Полярные головки молекул липидов в мембране совершают
кооперативные вращательные движения со временем корреляции порядка
119

Таблица 7.7. Содержание аминокислот в гемоглобине человека
(Уайт, Хендлер, Смит и др., 1981)
Содер- Число Содер- Число
жание, остатков, жание, остатков,
% приходя- % приходя-
Аминокислота щихся на Аминокислота щихся на
одну мо- одну мо-
Алании
ЫНз из амидов
Аргинин
Аспарагин
Аспарагиновая кислота
Цистеин
Цистин
Глутаминовая кислота
Глутамин
Глицин
Гистидин
Изолейцин
9,0
0,9
3,3
-
9,6
1,0
0
6,6
-
4,2
8,8
0
лекулу
72
-
12
20
30
6
-
24
8
40
38
-
Лейцин
Лизин
Метионин
Фениланин
Пролин
Серии
Треонин
Триптофан
Тирозин
В алии
Всего*
14,0
9,6
1,2
7,3
4,8
4,4
5,2
1,9
2,9
10,3
105,0
лекулу
72
44
6
30
28
32
32
6
12
62
574
* Суммарное содержание, превышающее 100%, объясняется присоединением
воды.
10"9 с. Кроме того, молекулы белка и липида способны к латеральной
диффузии. Перескок липидов из одного положения в другое вДоль
мембраны происходит около 107 раз в 1 с, что соответствует константе
латеральной диффузии D - 1,8 ±0,6-10"8 см2/с [89]. Энергетический
барьер диффузии липидов в мембране составляет около 7 ккал/моль.
Латеральная диффузия интегральных белков ограничена. Так, в
мембране эритроцита на это движение влияет сеть спектрина, которая
придает мембране упругость. Конформация молекул спектрина в сильной
степени зависит от баланса гидрофобных и электростатических сил
[95].
Мембрана эритроцита обладает большим сопротивлением к
изменению площади: значение поверхностного модуля ее упругого сжатия
составляет примерно 102 дин/см. Вместе с тем она легко деформируется
при изгибах или растяжении без изменения общей площади поверхности,
так как поверхностный модуль сдвига мал и имеет порядок 10"2 дин/см.
Характерно, что с увеличением температуры модуль сдвига не
увеличивается, как у простого эластомера, а уменьшается. Это значит, что
обратимая теплота растяжения мембраны и энтропия этого процесса
положительны. Эти данные показывают, что физико-химические свойства
мембран эритроцитов весьма чувствительны к различным энергетическим
воздействиям.
В опытах с БЛМ было показано, что вследствие концентрации
электрического поля Е в области отверстия в тефлоновом стаканчике, где
формируется бислойная мембрана, при УПМ, равной 200 Вт/кг, и диа-
120

метре отверстия 0,5 мм на частоте 0,9 ГГц возможен перегрев мембраны
примерно на 6°С [104]. Величину перегрева рассчитывали по изменению
мембранной разности потенциалов, возникающих на БЛМ, разделяющей
0,16 и 1,6 М растворы КС1. Величина потенциалов составляла 43 мВ
в случае модификации мембран грамицидином и 45 мВ - при
модификации валиномицином. Уменьшение градиента электролита на мембране
вызывало снижение СВЧ-эффекта. Так, при одинаковой концентрации
КС1 по обе стороны мембраны, равной 0,16 М, увеличение мембранного
потенциала составляло 0,45-0,55 мВ, что соответствует изменению
температуры только на 3-3,5°С.
Авторы предполагают, что локальные концентрации микроволнового
поля и микроперегревы следует ожидать и в биологических системах.
Биологические мембраны характеризуются гетерогенностью
электрических свойств. По величине диэлектрической проницаемости и
проводимости в мембране можно выделить три слоя: центральный, толщиной
4-4,5 нм, и два поверхностных (наружный и внутренний), толщиной
по 1,5—2 нм. Центральный слой образован хвостами молекул липидов
и погруженными s липид участками белковых молекул с водными
порами и каналами ионной проводимости. Диэлектрическая проницаемость
и проводимость этого слоя должны занимать промежуточные значения
между е' и.а липида и белка, содержащих небольшие количества воды.
На частоте 1000 МГц е' и а жировой ткани с малым содержанием воды
равны примерно 6 и 10~5 См/м [21]. Значения е'иа слабо гидратиро-
ванного белка по оценкам должны быть примерно в 2 раза больше
диэлектрической проницаемости и проводимости жира. Например,
в области 1000 МГц е' гемоглобина при гидратации 0,15 г Н20/г и
температуре 25°С составляет около 12 [24].
Расчеты показывают, что в центральном слое при комнатной
температуре е' - 7-40; о - 1-^2-10"s См/м. Это значит, что с учетом
поглощения в водных порах и ионных каналах удельное поглощение СВЧ-
энергии в центральном слое не сильно отличается от поглощения в
растворе электролита (плазме).
Поверхностные слои мембраны образованы полярными головками
липидов, молекулами белков, гидратированной водой и
адсорбированным мембраной слоем минеральных ионов. Вследствие концентрации
заряда проводимость поверхности мембраны больше или равна
проводимости среды. Для плазмы экспериментально найденное значение о
составляет примерно 18-Ю"5 См/м [16]. По своим диэлектрическим
свойствам наружный и внутренний слои мембраны приближаются
к свойствам сильно гидратированного белка. Для гемоглобина,
например, при гидратации 0,35 г Н20/г на частоте 1000 МГц е' ^ 18 [24].
Поэтому по приблизительным оценкам в поверхностных слоях4 е' равна
18-22, а о > 2-Ю"4 См/м. Соответственно в наружном и внутреннем
слоях мембраны прямое поглощение СВЧ-энергии должно быть не
менее чем в 4 раза больше по сравнению с электролитической средой.
121

В результате прямого избирательного поглощения СВЧ-энергии
тепловыделение в мембране при микроволновом облучении будет в
несколько раз интенсивнее, чем в окружающей среде, что, в принципе, может
быть причиной возникновения локальных перегревов как самой
мембраны, так и примембранных слоев.
Однако доказательство реальной возможности перегрева мембраны
("микротепловых" эффектов) сталкивается со значительными
трудностями. Так, в теплотехнике повышение температуры в слое
толщиной 6 относительно среды за время г рассчитывают по формуле
где qv — тепловыделение, Вт/м3; а — коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2-К); Ср - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); р - плотность,
кг/м3.
Если в уравнение (7.1) подставить значение а ^ 103 Вт/(м2-К),
соответствующее по порядку величины коэффициенту теплоотдачи от
нагретой стенки в воде, то при 6 = 20-10"10 М локальный перегрев
мембраны или отдельных ее частей при используемых в эксперименте
интенсивностях должен практически отсутствовать.
Следовательно, основная часть поглощаемой в мембране избыточной
СВЧ-энергии сразу же рассеивается в среду, повышая общую
температуру объекта. При этом весьма вероятно, что механизмы диссипации
энергии в поверхностных слоях мембраны включают процесс
"плавления" связанной воды в СВЧ-поле, что влечет за собой
перераспределение электрических сил, участвующих в стабилизации мембраны. В
результате меняется степень связывания К+, Са2+ и других ионов в
мембране (в том числе и ионных каналах), а также возникают локальные
изменения физико-химических свойств поверхности мембраны
(микровязкость, рН, поверхностное натяжение, эффективный заряд). Так,
транспорт ионов К в плазматической мембране ограничен их
адсорбцией в примембранной области и перемещением по поверхности ко
входу в канал (А. А. Лев, 1975, 1976). Прохождение К через
мембрану, возможно, осуществляется в две стадии [99]. На первой стадии
происходит вовлечение иона в канал включением его в комплекс на
границе раздела мембрана-раствор. Вторая стадия связана с
перемещением иона в самом канале с участием электрических сил.
Согласно одной из последних моделей функционирования Na,
К-АТФазы - модели фиксированной поры Скоу, "ключевым
моментом функционирования ионного насоса является перераспределение
зарядов внутри канала, который формируется из одной или
нескольких молекул фермента в процессе транспорта ионов" [100].
Изменение степени гидратации на поверхности мембраны, в канале
проводимости и фиксированных порах АТФазы в СВЧ-поле может послужить
одной из основных причин изменения картины распределения полей,
122

определяющих кинетику включения ионов К в комплексы и
вовлечения их в транспортные системы и каналы проводимости, а также
прохождения ионов по самому каналу [97].
По нашим -данным, изменение проницаемости эритроцитов для К
при СВЧ-облучении чувствительно к малым интенсивностям и
наблюдается уже при интенсивности 10"1 Вт/м2. Изменение степени
связывания Са клетками нейтробластомы человека в культуре также
может происходить при малых уровнях поглощенной мощности порядка
5-10"2 Вт/кг (Dutta, Subramoniam, Ghosh, Parshad, 1984). При этих
интенсивностях какой-либо перегрев мембраны, очевидно,
исключается.
Результаты экспериментальных исследований с БЛМ и данные по
влиянию микроволн на структуру биомембран, приведенные в гл. 5,
указывают на то, что при высоких интенсивностях поля возможен
перегрев мембраны, прямое поглощение микроволн в мембране клетки
является одной из причин нарушения гидрофобного белок-липидного
взаимодействия в мембране эритроцитов, влияющего на текучесть ее
двойного липидного слоя. Отметим, что в биомембране
внутримолекулярное движение относительно каждой С—С-связи в цепи жирных
кислот осуществляется со скоростью 1012—1013 с"1, а латеральная
диффузия целых фосфолипидных молекул имеет скорость 107 с"*1 [95].
Конечный эффект действия СВЧ-излучений на биологические
мембраны зависит от типа мембраны, свойств среды, а также интенсивности
и других параметров воздействующего поля. При определенном
сочетании всех этих факторов наблюдаются как нормализующее действие
микроволн, так и неблагоприятное влияние ЭМИ на биологические
объекты.
По теоретическим оценкам, пороговое значение интенсивности не-
модулированного СВЧ ЭМП, вызывающего биологические эффекты,
имеет порядок 10~4 В/м [39]. Экспериментально выявленные пороги
на три порядка выше этого значения и составляют 10" * В/м.
7.2.0 резонансном поглощении микроволн
Теоретический и экспериментальный материал по проблеме
биологического действия микроволн свидетельствует, что нетепловое
поглощение СВЧ-излучения должно иметь резонансный характер. Напомним,
что резонанс — это относительно большой селективный отклик
колебательной системы на периодическое воздействие с частотой, близкой
к частоте собственных колебаний осциллятора [6]. Резонанс вызывает
резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний системы.
Биологические макромолекулы и надмолекулярные системы имеют
некоторые собственные частоты колебаний, лежащие в диапазоне СВЧ.
Так, в биомембранах полярные головки фосфолипидов совершают
вращательные движения с частотой примерно 109 Гц, а
характеристическая частота связанной воды лежит в области 108—109 Гц. Для сво-
123

бодной воды она имеет порядок 1010 Гц. В области 1010—1011 Гц
расположены характеристические частоты — СОСГ, -NHJ и других
функциональных групп, играющих важную роль в функционировании
белковых молекул.
Кинетика элементарных актов ферментативного катализа
характеризуется следующими временами [98]:
взаимное узнавание фермента и субстрата, их сближение и
образование фермент-субстратного комплекса - 10~8-1(Г9 с;
локальные микрохимические изменения в активном центре - 10"1 °-
10"м с;
конформационная релаксация в фермент-субстратном комплексе -
10""3-10"7 с.
Следовательно, в биологическом объекте резонансное поглощение
энергии СВЧ-излучения теоретически возможно во всем диапазоне
волн: дециметровом, сантиметровом и миллиметровом. "Однако в
реальных условиях всегда существуют факторы, ограничивающие
амплитуду колебаний и определяющие возможность существования резонан-
сов. Это прежде всего диссипация энергии (трение) в системе и
неточное совпадение вынуждающей силы с собственной частотой
осциллятора (расстройка частоты)" [6]. Поэтому в большинстве случаев в
клетках и тканях, обладающих вязкостью, происходит "сильное
затухание, вследствие чего теоретически возможные резонансы вырождаются
в сглаженную характеристику релаксационного типа" [19].
Вместе с тем анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что
в определенных случаях в биологическом объекте реализуются условия
СВЧ-резонанса [20]. В эксперименте наиболее широко изучено
резонансное действие миллиметровых волн [41-45, 105]. Однако при этом
во многих случаях, вероятно, требуется конкретизация свойств
осцилляторов и условий наблюдаемых резонансов.
7.3. Роль структурной организации биосистем
в реализации СВЧ-эффектов
Биологическое действие низкоинтенсивного СВЧ-излучения, как
правило, отчетливо выражено не на молекулярном, а на клеточном и орга-
низменном уровнях, т. е. проявляется на надмолекулярном уровне
организации биосистем. По мнению А. С. Пресмана, зависимость
чувствительности биосистем к внешнему полю от уровня организации свя
зана с наличием информационного типа взаимодействия ЭМИ с живыми
организмами [16, 39]. Предполагают, что в основе информационного
влияния микроволн лежит синхронизация во внешнем поле колебаний
осцилляторов, существующих в организме.
Как известно, синхронизация колебаний двух или нескольких
систем возможна только в случае их связи или взаимодействия. При этом
в системах устанавливается и поддерживается такой режим колебаний,
при котором их частоты равны, кратны или находятся в рациональном
124

отношении друг с другом [6]. В отсутствие взаимодействия частоты
колебаний систем могут быть любыми. Синхронизация является
принудительной, когда одна из систем (синхронизирующая) влияет на
другую (синхронизируемую), и взаимной, если каждая из систем
действует на все остальные. В первом случае устанавливаются колебания
с частотой синхронизирующей системы; во втором — частота
синхронизации колебаний отличается от исходных частот. Если два связанных
генератора сильно различаются по мощности, то и при взаимной
синхронизации более мощный генератор играет роль синхронизирующего.
Синхронизация колебаний двух систем наблюдается в определенном
интервале значений разности их собственных частот Aw = Wi - w2.
Ширина этого интервала, называемая полосой синхронизации, тем
больше, чем сильнее связь между системами.
Роль синхронизации в воздействии слабых электромагнитных
сигналов миллиметрового диапазона волн рассмотрена в [106]. Н. Д. Девят-
ков, М. Б. Голант и А. С. Тагер выдвинули гипотезу о том, что
первичное действие ЭМИ реализуется на клеточном уровне и связано с
элементами клеточных мембран, молекулами белков-ферментов и
другими структурами, представляющими собой элементарные
автогенераторы, собственные частоты колебаний которых лежат в области 0,5-
5-Ш10 Гц. При синхронизации внешнее поле ЭМИ меняет
спектральные характеристики этих осцилляторов. Центр полосы синхронизации
определяется средневзвешенной величиной парциальных частот какой-
либо определенной группы осцилляторов.
Синхронизация может сопровождаться фазировкой колебаний всех
элементарных автогенераторов, при которой фазы колебаний
автогенераторов совпадают с фазой внешнего поля в данном участке
биологического объекта. По мнению авторов, такие синфазные колебания
способны вызвать конформационные перестройки клеточных структур,
влиять на проницаемость мембран и служить информационным
сигналом для регуляторных систем организма.
На наш взгляд, синхронизация колебаний и связанное с ней
информационное взаимодействие ЭМИ с биосистемами возможны также в
дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. При этом
представляется не совсем точным мнение о том, что с информационной точки
зрения мощность СВЧ-излучения не играет особой роли. Более правильным
следует считать наличие определенного энергетического порога
информационного воздействия ЭМИ на организм. Пороговое значение
энергии, например в случае синхронизирующего информационного сигнала,
должно зависеть от конкретных молекулярных механизмов
взаимодействия внешнего поля с клеточными осцилляторами, модуляционно-
временных параметров ЭМП, уровня шумов в биологической системе,
а также разности частот синхронизирующего и синхрозируемых
колебаний. При наиболее благоприятном сочетании этих факторов
энергетические пороги будут соответствовать интенсивности 10~7 Вт/м2,
т. е. уровню естественного фона ЭМИ, как это справедливо отмечено
А. С. Пресманом [39].

ГЛАВА 8
СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОПРОСЫ ПРАКТИКИ
8.1. СВЧ-методы исследования.
Диэлектрическая радиоспектроскопия
В настоящее время СВЧ-методы нашли свое применение в различных
отраслях науки, техники и промышленного производства. Наиболее
широко они используются в медицине для измерения динамических
характеристик сердца, движений стенок артерий, параметров дыхания
и содержания жидкости в легких, для электромагнитной визуализации
органов грудной полости и наблюдения за развитием легочных
заболеваний [107], для обнанужения и термотерапии злокачественных
опухолей [108] и других целей. Методы СВЧ-радиометрии излучения
внутренних структур человеческого тела использовали для регистрации
изменения температуры внутри тела (0,6-1 ГГц), определения опухоли
молочной железы (1,3-3,3 и 1,7 ГГц) и получения термографического
изображения тела человека (45 ГГц).
В пищевой и других отраслях промышленности СВЧ-излучения
используют для тепловой обработки материалов [17, 19, 109]. Имеются
также данные о возможности использования нетепловых эффектов
микроволн в пищевой промышленности [110,111].
В биологических исследованиях микроволновую технику применяют
при изучении электрических свойств живых тканей и моделей
биологических объектов. Разработан и используется СВЧ-метод изучения
электрических процессов в гетерогенных биологических системах,
получивший название метода микроволновых фотопотерь (МФП). Этим
методом на частотах 1 и 10 ГГц исследована микроволновая фотопррводи-
мость, отражающая работу фотосинтетического аппарата (ФСА), листьев
гороха и традесканции зеленой, осуществляющих нормальный процесс
фотосинтеза, и клеток хлореллы при их различной увлажненности,
а также после денатурации объектов при 100°С в течение 10 мин [112].
Освещение образцов листовой пластинки лампой ДКСШ-1000 при 20°С
вызывает двухфазное изменение фотопроводимости о высечки из
свежего листа гороха на частоте 10 ГГц. При этом фотопроводимость
вначале повышается относительно исходного уровня, после чего понижается
на 10Гб см2-Ом"*1. На частоте 1 ГГц наблюдается только фаза
повышения фотопроводимости того же порядка с одним максимумом. По
мнению авторов, отрицательный участок сигнала МФП на частоте 10 ГГц
прямо не связан с функциональным состоянием ФСА и объясняется
тепловым эффектом поглощения в воде [ИЗ]. Начальный
положительный участок двухфазного сигнала на этой частоте и сигнал на частоте
1 ГГц выходят за рамки тривиального теплового эффекта и, возможно,
связаны с конформационными и зарядовыми изменениями ФСА и
фотопроводимостью.
126

При изучении рассеяния и поглощения СВЧ-энергии
диэлектрическими объектами в сферическом объеме V, а также однородными
моделями биологических объектов, имеющих форму вытянутого сфероида,
довольно распространенным является метод обобщенных граничных
условий, при котором поле рассеяния выражается через
соответствующие электрическое и магнитное поля на поверхности сферы (Waterman,
1969). Однако при исследовании биологических объектов этот метод
неудобен тем, что фактически ограничен областью дорезонансных
частот. Поэтому предложен "новый итеративный метод решения задачи,
позволяющей существенно повысить устойчивость решения метода
обобщенных граничных условий, в результате чего частотный диапазон
расширяется, охватывая резонансные и даже зарезонансные частоты" —
метод ИМОГУ [114]. При итерационном способе определения
внутренних полей, наведенных в объекте, объем сфероида V разбивается на
несколько сферических перекрывающихся подобластей V(*\
Аналитической основой методов граничных условий и ИМОГУ является одно
и то же уравнение. М. Ф. Искандер и другие продемонстрировали
устойчивость ИМОГУ при исследовании случая облучения плоской волной
с ^-поляризацией сфероидальной модели тела среднего человека,
содержащей девять перекрывающих сфер.
По измерениям е' и а можно также определить содержание воды
в жировой ткани [19]. Имеются попытки использования СВЧ-методов
для исследования возможных каналов связи между биологическими
системами [107].
Одним из перспективных СВЧ-методов, не получившгх еще должного
применения в биологии, является метод диэлектрической
радиоспектроскопии (ДР), основанный на изучении комплексной диэлектрической
проницаемости ек в диапазоне частот от 0 до — 101.1 Гц. Как известно,
в изотропном полярном несегнетоэлектрическом диэлектрике
среднеарифметическое значение поляризации (Р) = 0, а его среднее квадрати-
ческоезначение (Р2 > отлично от нуля [115].
Для однокомпонентной жидкости (W) связано со статической
диэлектрической проницаемостью е соотношением
47Г6 <Р) ,0 1Ч
где V - объем жидкости; к - константа Больцмана; Т - абсолютная
температура. Если в системе протекает только одна нормальная
реакция типа реакции ассоциации или комплексообразования,.то она должна
способствовать диэлектрической поляризации системы во внешнем
поле.
Методами ДР в СВЧ-диапазоне можно наблюдать ход реакций,
которые ведут к изменению среднеквадратичного электрического момента,
а значит, и € системы, т.е. для которых справедливо неравенство

где £ — степень полноты химической реакции, определяемая через
температуру Т, давление Р и электрический вектор Е, и равная
* = *о(Г,ЛЯ), (8-3)
где £0 — степень полноты реакции при достижении термодинамического
равновесия.
Фундаментальное изучение свойств чистых веществ в однокомпонент-
ной системе методом диэлектрической радиоспектроскопии проведено
в МГУ им. М. В. Ломоносова и лаборатории М. И. Шахпаронова. Часть
этих исследований рассмотрена в [115]. В частности, во всем
радиодиапазоне от низких до частот порядка 100 ГГц изучено строение
жидкой уксусной кислоты и спиртов ряда ROH, а также процессы
перестройки ассоциатов молекул, возникающих в спиртах с участием
водородных связей.
Исследование поглощения микроволн в растворах белка различной
концентрации позволило определить степень гидратации молекул белка
в растворе (см. гл. 3 и 6) и углубить существующие представления
о структуре и свойствах связанной воды [19]. Зарубежными учеными
методом ДР сделаны интересные попытки оценить изменение во времени
относительной доли молекул связанной воды при образовании
фермент-субстратных комплексов в ходе ферментативных реакций
(Vogelhut, 1964).
8.2. Применение микроволн в медицине
Электромагнитные поля сверхвысоких частот с успехом применяют
в физиотерапии для лечения многих заболеваний. По данным Л. А. Ску-
рихиной (1971), высокочастотная электротерапия возникла в 1891 г.
Вначале она включала в себя дарсонвализацию и диатермию. Затем
в 1947 г. возникли методы лечения сантиметровыми волнами (СМВ-те-
рапия), а в 1961 г. - дециметровыми (ДМВ-терапия). Клинические
аспекты сверхвысокочастотной электротерапии в нашей стране
разрабатываются в Центральном НИИ курортологии и физиотерапии и
других институтах и лечебных учреждениях. При этом серьезное внимание
обращено на выбор интенсивности и диапазона волн (А. Н. Обросов,
1971), а также распределение энергии воздействующего фактора во
времени (В. Г. Ясногородский, 1971). В нашей стране для лечебных
целей используют аппараты "Луч-2" и "Луч-58" (сантиметровый
диапазон) и "Волна-1", "Волна-2" (дециметровый диапазон).
Многие вопросы лечебного применения микроволн освещены в
[16, 18, 30]. Поэтому мы ограничимся рассмотрением только
некоторых работ, опубликованных после 1979 г. На кафедре физиотерапии
Киевского института усовершенствования врачей исследовано
лечебное действие СВЧ-излучения на больных гипертонией 1-й и 2-й стадии
(В. В. Оржешковский, Д. И. Чопик, А. Д. Фастыковский, В. П. Кова-
128

ленко, 1982). Были использованы микроволны сантиметрового
диапазона мощностью 20-45 Вт ("Луч-58") при лечении 95 больных и
дециметровые волны мощностью 15-45 Вт ("Волна-2") при лечении
76 больных. Курс лечения состоял из 12-15 процедур по 10 мин
ежесуточно. Другие лечебные методы в этот период больным не назначали.
В результате исследования выявлено, что под действием СВЧ-излуче-
ния у больных исчезают или значительно уменьшаются основные
симптомы заболевания: головные боли, головокружение, боли в области
сердца, сердцебиение, одышка, общая слабость и др. Оба диапазона
волн вызьюают гипотензию. При ДМВ-терапии максимальное давление
снижается на 27,3 ± 2,7, а минимальное — на 13,0 ± 1,7 мм рт. ст.; при
СМВ-терапии эти значения составляют соответственно 28,7 ± 2,3 и 8,3 ±
± 0,9 мм рт. ст. Отмечена тенденция к нормализации признаков
гипертрофии левого желудочка, изменений внутрижелудочковой
проводимости и нарушения коронарного кровообращения. Излучение
благоприятно действует на сократительную функцию миокарда.
Лечебный эффект более выражен в случае ДМВ-терапии. При этом
значительное улучшение состояния наблюдали у 42% больных, менее
выраженное улучшение - у 54%. При СМВ-терапии эти цифры составляли
30 и 66% соответственно. У 4% больных в обоих случаях лечебный
)ффект не проявлялся вовсе. На основе проведенных исследований
сафедрой разработаны и внедрены в лечебных учреждениях Украинской
ХР специальные методические рекомендации по применению СВЧ-гоь
чей в лечении больных гипертонической болезнью.
Методом термографии кожи с помощью термовизора "AGA-780"
(Швеция) изучали распределение СВЧ-энергии, падающей на
поверхность тела больных при лечении хронических заболеваний органов
дыхания (М. С. Буренков, В. В. Варецкий, В. Н. Дьяченко и др., 1982).
Авторы обнаружили, что в случае облучения дорсальной поверхности
тела аппаратом "Луч-2" в области проекции верЯушек легких в
разных участках кожи на противоположной стороне тела наблюдаются
неодинаковые изменения кожной температуры.
С использованием гистологических методов исследовано действие
многократного СВЧ-облучения интенсивностью 10 и 40 мВт/см2 на
процессы дегенерации и регенерации при перерезке седалищного нерва
кроликов (Г. С. Башманов, 1982). Выявлено, что непосредственно
после невротомии микроволны обеих интенсивностей вызьюают
значительное замедление процессов де- и регенерации поврежденного нерва,
а на 3—5-е сутки после операции, наоборот, наблюдается положительное
действие СВЧ ЭМП. При этом величина невромы и
соединительно-тканного рубца при облучении меньше, молодые нервные волокна имеют
более прямой ход, позже и реже возникают трофические язвы по
сравнению с необлученными вариантами.
В последние годы интересные результаты получены при
использовании СВЧ-гипертермии для лечения раковых опухолей. В опухолевой
129

ткани вследствие нарушения кровообращения наблюдается более
медленное рассеяние тепла. Например, для повышения температуры
опухоли диаметром 2 см на 5°С (от 37 до 42°С) в течение 1 мин требуется
мощность СВЧ-излучения не выше 1,5 Вт [108]. При этом окружающие
опухоль нормальные ткани нагреваются в меньшей степени.
Н. К. Муратходжаев, В. Н. Кузнецов, Г. М. Локтионов и др. (1984)
использовали локальную СВЧ-гипертермию для лечения
радиорезистентных и рецидивных новообразований наружной локализации.
Гипертермию области новообразования с повышением кожно/i температуры
над опухолью до 44-45°С сопровождали одновременной перфузией
химиопрепарата в течение сеанса гипертермии и последующей
радиотерапией (не позднее 10 мин после прогрева опухоли). В результате
лечения 46 больных у 5 отмечена полная регрессия новообразования,
у 6 - регрессия более 70%, у 10 - более 50% и у 16 - более 25%
исходного размера. У 9 больных объем опухоли не уменьшался, но
наблюдалось снижение интенсивности болевого синдрома и торможение
роста опухоли.
Более чувствительными к комплексной СВЧ-гипертермии оказались
лимфо-, ретикуло- и ангиосаркомы, а более резистентными — фибро- и
синовиальные саркомы. В группе больных, которым была проведена
операция удаления опухоли после гипертермии, в течение времени
от 3 мес до 1 года отмечали уменьшение количества рецидивов по
сравнению с контрольной группой. Появлявшиеся рецидивы быстрее
поддавались комплексной СВЧ-терапии.
Сравнение повреждающего и радиосенсибилизирующего действия
гипертермии на клетки мышиного лейкоза La выявило, что как
нагревание4 суспензии клеток в водяной бане, так и СВЧ-гипертермия
("Луч-58") в диапазоне температур 37-42°С повышает
чувствительность клеток к последующему 7-облучению 60Со (на установке
"Луч-1") в дозе 41 Гр (Л. В. Штейн, В. Е. Ключ, 1984).
Гипертермический эффект, оцениваемый по гибели клеток лейкоза или
повышению их чувствительности к у -облучению, при обоих способах
гипертермии мало различался. Эти данные указывают на основную роль
теплового компонента в механизме действия СВЧ-излучения на
клетки лейкоза.
Для лечения опухолей используют обычно дециметровые и
сантиметровые волны. Шорт и Тернер считают даже, что наиболее
интересным в этом отношении является диапазон частот 100-1000 МГц [21].
В то же время имеются данные, что для этих целей могут быть
использованы и миллиме!ровые волны. Так, СВЧ-облучение в
миллиметровом диапазоне в сочетании с противоопухолевыми препаратами
и рентгеновским излучением снимает поражение с клеток костного
мозга в 1,5-2 раза и способствует избирательному действию
указанных факторов на кроветворную систему интактных животных
(Л. А. Севастьянова, А. Г. Бородкина, Э. С. Зубенкова и др., 1982).
130

Комбинированное воздействие этими факторами на животных с
перевивными опухолями вызывает защиту клеток костного мозга с
одновременным торможением роста опухолей на 75—100%.
Фирмой Microwave Associates (США) разработана СВЧ-установка
для раннего обнаружения и лечения раковых опухолей [108]. В ее
состав входят высокочувствительный радиометрический приемник и
микроволновый генератор, выполняющий функцию передатчика
энергии при работе установки в режиме гипертермии и генератора
подсветки - при работе в режиме диагностики. СВЧ-радиометр работает на
частоте 4,7 ГГц, передатчик - на частоте 1,6 ГГц. Полоса пропускания
фильтра радиометра составляет 500 МГц; потери в этой полосе не
превышают 3 дБ. Максимальная термочувствительность радиометра при
постоянной времени г, равной 3 с, составляет около 0,04 К. С
повышением постоянной времени до 10 с чувствительность радиометра
повышается до 0,02 К, а при уменьшении т до 1 с - ухудшается до 0,07 К.
Выходная мощность СВЧ-передатчика с твердотельным источником
составляет 30 Вт. Воздействие на объект производится с помощью вол-
новодного облучателя типа ТЕю- Волноводный переход имеет сечение
12,95x6,48 см. Вследствие применения гребневого волновода и
заполнения его окисью алюминия А1203 с диэлектрической проницаемостью,
равной 9,8, размеры облучателя уменьшены до 3,66х 1,83 см.
Установка размещается в шкафу высотой 50 см и включает четыре
выдвижные панели. Включение передатчика на полную мощность
создает уровень облучения обслуживающего СВЧ-установку персонала
0,4 мВт/см2 на расстоянии 2,5 см от открытого конца волновода.
Как полагают (Тейлор,. 1980), лучшее пространственное
распределение температур, необходимое для гипертермии при лечении
злокачественных новообразований, можно получить с помощью
имплантированных излучателей. Для регулируемого локального СВЧ-нагрева
небольших объемов на частотах 0,4-3 ГГц можно использовать одиночный
излучатель, а в случае более крупных опухолей - излучающую решетку.
При этом необходимая мощность СВЧ-передатчика не превышает 8 Вт.
8.3. Биофизические основы
гигиенического нормирования микроволн
Большой клинический и экспериментальный материал, накопленный
исследователями, свидетельствует о возможности неблагоприятного
действия хронического СВЧ-облучения интенсивностью 1 мВт/см2 и
выше на организм человека и животных [16, 18, 21, 26, 27, 31, 33]. При
этом у людей возникают функциональные изменения нервной и
сердечно-сосудистой систем, получившие название радиоволновой болезни.
Возможны также и определенные генетические эффекты. Так, по
данным Б. А. Минина [31], в США исследовали связь между рождением
монголоидных детей (болезнь Дауна) и СВЧ-облучением их отцов.
Было выявлено, что у большинства таких детей отцы во время второй
мировой войны облучались радиополем локаторов. 131

Популяционно-генетическое обследование случайных выборок
населения в СССР также показало возможность генетических эффектов
микроволн (А. М. Шеметун, Г. И. Леонская, 1982). У населения,
проживающего в районе с повышенным фоном излучения, процент
хромосомных аберраций вдвое превьппал обычный уровень. Имеются данные
(Н. Г. Никитина, 1982), что прерывистое облучение микроволнами
частотой 9400 МГц оказывает в 1,7 раза более выраженное действие на
генеративную функцию белых крыс, чем непрерывное.
Измерения уровня ЭМП, проведенные в США, показали, что у
передатчиков фирмы Bell System, имеющих суммарную мощность 100 Вт,
при открытых волноводах ППМ на уровне глаз человека на частотах
4,6 и 11 ГГц составляет 2,5 мкВт/см2 на каждый ватт выходной
мощности (Р. С. Питерсен, 1980). Уровни излучения в радиорубках станций,
расположенных на верхних этажах высотных зданий, составляют около
10 мкВт/см2, а на крышах этих зданий - 40 мкВт/см2. В районе станций
связи с использованием тропосферного рассеяния даже за пределами
зоны ограждения в затененной области двух квадратных 18-метровых
параболических зеркальных антенн максимальная ППМ, наблюдаемая
в направлении линии, лежащей в плоскости раскрыва излучателя,
достигает 50 мк Вт/см2.
Такого же порядка электромагнитный фон был установлен и в СССР
при исследовании излучения РЛС на судах различных проектов и
назначений при использовании СВЧ-передатчиков типа "Океан", "Лоция",
"Миус", "Наяда" и "Дон" (В. Н. Никитина, Г. Г. Шапошник, И. Н.
Райков, 1982). В зависимости от архитектоники судна и высоты антенны
РЛС уровень излучения в районах пеленгаторной палубы, бака,
кормовых надстроек, переходных мостиков и других участков составлял от 1
до 20 мкВт/см2.
Гигиеническая оценка электромагнитной обстановки в 22 аэропортах
нашей страны выявила, что основным источником электромагнитного
излучения в районах размещения аэропортов являются используемые
в гражданской авиации трассовые и диспетчерские обзорные
радиолокаторы, работающие в диапазоне волн 10, 23 и 35 см (В. Н. Солдатченков,
1982). Во всех исследованных случаях интенсивность фона ЭМП
источников СВЧ намного ниже теплового порога.
Оценка опасности СВЧ-облучения с точки зрения т шловых эффектов
является самостоятельной задачей и включает количественный учет
зависимости повышения температуры тела от механизмов
терморегуляции, теплофизической характеристики тканей и временных параметров
облучения [116, 117].
В СССР с 1 января 1977 г. действует ГОСТ, который устанавливает
следующие уровни непрерьюного СВЧ-облучения лиц,
профессионально связанных с воздействием СВЧ-излучений:
в течение 8 ч - 10 мкВт/см2;
до 2 ч/сут - 100 мкВт/см2;
до 20 мин/сут - 1000 мкВт/см2.
132

В случае прерывистого облучения от вращающихся и сканирующих
антенн ПДУ составляют 100 мкВт/см2 при действии в течение 8 ч и
1000 мкВт/см2 при облучении до 2 ч/сут (Б. М. Савин, 1977). Такие же
или близкие нормативы действуют в ГДР, ЧССР и НРБ. ПДУ в ПНР
заметно выше принятых в СССР норм.
В США в 1966 г. Национальным институтом стандартов
рекомендовано в качестве базового значение 10 мВт/см2, которое было вновь
подтверждено в 1973 г. Американские гигиенисты рассматривают это
значение в качестве ПДУ облучения человека в течение 8 ч.
Стандарт США с небольшими изменениями принят также в Канаде,
Великобритании, ФРГ и некоторых других странах Западной Европы.
Сравнение ПДУ различных стран показывает, что нормативы США
и других капиталистических стран в 1000 раз превышают нормы,
принятые в СССР [118]. Такое сильное расхождение объясняется тем, что
в США в свое время биологическое действие СВЧ-излучения
связывалось только с тепловыми эффектами микроволн, а в качестве
теплового порога была принята интенсивность микроволн, равная 10 мВт/см2.
При этом не был учтен обширный материал советских и зарубежных
исследователей, который с достоверностью указывал на возможность
возникновения существенных изменений в организме под влиянием
микроволн меньшей интенсивности. Вместе с тем ПДУ, принятые
в СССР, вначале не были достаточно обоснованы биофизически.
На основе имеющихся данных по влиянию микроволн на клетки
ранее нами для дальнейшей проверки были предложены
скорректированные ПДУ СВЧюблучения [48]. Однако результаты последующей работы
показали, что ПДУ непрерывного СВЧюблучения, установленные ГОСТ
СССР, являются обоснованными, а для биофизического обоснования
предельно допустимых норм облучения прерывистыми к
модулированными микроволнами требуются дальнейшие исследования.
Гигиенические нормы, принятые в США и некоторых других
капиталистических странах, представляются опасными для здоровья
человека и других обитателей Земли и должны быть серьезно пересмотрены
в сторону понижения до безопасного уровня. При этом интенсивность
непрофессионального облучения населения вблизи искусственных
источников СВЧ-излучения не должна превышать 1—10 мкВт/см2.
Современное производство часто связано с комбинированным
воздействием на человека ионизирующего и неионизирующего излучения.
Исследования сочетанного действия СВЧ- и ионизирующего излучений
на организм показывают, что в зависимости от условий эксперимента
микроволны способны вызывать как радио протекторный, так и радио-
сенсибилизирующий эффекты.
Для обсуждения механизма действия радиопротекторов необходимо
установить, не влияют ли они на радиочувствительность (В. М.Фдосеев,
1980). В этом плане Ю. Г. Григорьев, П. Г. Плешанов, И. М. Дозморов
и Р. М. Салимов исследовали радиочувствительность крыс после
предварительного воздействия непрерывными микроволнами частотой
133

9,34 ГГц в течение 8 сут по 30 мин ежесуточно с ППМ, равной
200 мкВт/см2 [98]. После СВЧ-облучения на 9-е сутки животные
подвергались однократному 7-облучению в суммарной дозе 5,5 Гр. Было
выявлено, что микроволны в 1,5 раза снижают результирующее
количество погибших крыс от 7-облучения. Радиопротекторный эффект
СВЧ-излучений подтверждался и данными по исследованию
иммунологических показателей животных. При увеличении ППМ до
1450 мкВт/см2 модифицирующее действие ЭМП иммунологически не
выявлялось.
Авторы исследовали также индекс предпочтения или импринтинг
вылупившихся цыплят (цыплятам в течение первых суток предъявляли
зрительный импринт-стимул, а затем на вторые сутки определяли
предпочтение подходов к нему) при облучении куриных эмбрионов на 14-е
сутки инкубации СВЧ-полем интенсивностью 40 мкВт/см2 в течение
10 мин и последующем 7-облучении в дозе 0,36 Гр. В результате
выявлено радиосенсибилизирующее действие микроволн, выражающееся
в снижении индекса предпочтения. Этот индекс у интактных цыплят
равнялся 0,8, при 7-облучении - 0,54 и при комбинированном
действии - 0,36.
Результаты исследования различных авторов свидетельствуют о том,
что суммарный эффект при комбинированном действии микроволн и
ионизирующего излучения зависит от распределения этих факторов во
времени. По данным А. Г. Коноплянникова и А. Н. Деденкова (1984),
эффект радиосенсибилизации наиболее выражен при одновременном
действии ЭМП и 7-излучения или если излучения разделены небольшим
промежутком времени. СВЧ-воздействие после 7-облучения также
может усиливать деструктивные процессы в клетках (В. П. Федоров,
В. Г. Зуев, Л. В. Пахунова и др., 1984). Наблюдаемые эффекты
комбинированного действия СВЧ- и ионизирующих излучений связаны с
общностью и специфичностью действия обоих факторов на живые клетки.
Радиобиологами установлено (А. М. Кузин, 1980; Ю. Б. Кудряшов,
Б. С. Беренфельд, 1979; Е. Ф. Романцев, 1975 и др.), что существенная
роль в определении радиационных поражений клетки принадлежит
биологическим мембранам. Наблюдающиеся при этом структурные
изменения плазматической мембраны под действием ионизирующего
излучения систематизированы в [119]. Характерной особенностью этих
изменений является их стойкость во времени.
При СВЧ-облучении также происходит изменение структуры и
функции биомембран. Однако в этом случае наблюдаемые эффекты в
большинстве случаев обратимы. Поэтому результирующий эффект сочетан-
ного действия СВЧ- и ионизирующего излучения определяется
энергетическими и другими характеристиками излучений и их распределением
во времени.
ГОСТ СССР установлено, что при комбинированном воздействии
микроволн с рентгеновским излучением и высокой температурой
воздуха уровень СВЧ-облучения не должен превышать 100 мкВт/см2.
134

Непосредственное экспериментальное исследование
комбинированного действия различных факторов среды на человека предполагает
значительные материальные и интеллектуальные затраты, связанные
с использованием сложной дорогостоящей аппаратуры, необходимостью
разработки оптимальных планов эксперимента и проведения большого
объема предварительных экспериментов на животных (В. В. Антипов,
Б. И. Давыдов, В. Н. Карпов, И. Б. Ушаков, 1984). Поэтому
целесообразно применить для этих целей математические методы исследования.
Для оптимизации физических факторов при комбинированных
воздействиях В. Г. Петин и В. П. Комаров предложили математическую
модель, которую можно использовать для предсказания величины
синергизма тех воздействующих агентов, эксперименты с которыми
не были поставлены [120]. Авторы исходят из того, что выживаемость
клеток S в случае аддитивного действия двух факторов можно
выразить как
S = exp[-(Ni+N2)l (8.4)
где Nx и N2 - летальные повреищения, определяемые первым и
вторым факторами. При синергизме действия
5 = ехр[- (Nl+N2+mmiplNl\p2N2})], (8.5)
где Pi и р2 - сублетальные повреждения, определяемые
соответствующими факторами. Коэффициент синергизма к определяется выражением
_ Ni+N2+ min {piNj; p2N2] /g ^
Nx +N2 K ' }
В работе [120] показано, что максимальный синергизм действия двух
факторов наблюдается при условии
PiNx = P2N29 (8.7)
когда коэффициент синергизма становится максимальным:
*тах = -^- +1. (8.8)
Р\ +Р2
С учетом общности и специфичности воздействия аналогичный
подход можно использовать при количественном описании
комбинированного действия СВЧ- и ионизирующего излучений, вызывающих не
только летальные и сублетальные, но и иные повреищения в клетках и
биологических мембранах. Для эффективной реализации математического
подхода к рассматриваемому вопросу и более четкого биофизического
обоснования ПДУ СВЧ-облучения требуется, по-видимому,
конкретизировать критерии оценки биологического действия микроволн на
клеточном и субклеточном уровнях [121].
135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретические и экспериментальные исследования последних 10 лет
в области биофизического действия СВЧ-излучений с достоверностью
подтвердили сложившееся ранее представление, что микроволны
наряду с тепловым оказьюают и "специфическое" действие на
биологические объекты.
В качестве одного из основных механизмов действия СВЧ-излучения
на клеточном уровне нами была предложена концепция о ведущей роли
биологических мембран в реакциях биосистем на микроволновое
облучение [36-38], которая впоследствии получила развитие в работах
советских и зарубежных ученых [18, 23, 45, 47-53]. Суть этой концепции
состоит в том, что биомембраны способны к селективному поглощению
СВЧ-энергии, а это обеспечивается гетерогенностью электрических
и других физико-химических свойств мембраны и примембранных
слоев. Избирательное поглощение микроволн в мембранах включает
как тепловой, так и нетепловой компоненты. В основе нетеплового
поглощения СВЧ-энергии лежат резонансные явления, степень
проявления которых зависит от молекулярной организации микроструктур
облучаемого объекта и условий облучения. В зависимости от
интенсивности и модуляционно-временных параметров микроволны могут
оказывать нормализующее или неблагоприятное действие на организм.
В перспективе развитие биофизики СВЧ-излучения предполагает
решение трех основных задач.
1. Повышение эффективности исследований на основе выработки
единых критериев оценки механизмов биологического действия
микроволн.
2. Более широкое внедрение СВЧ-методов в практику.
3. Целенаправленное изучение предполагаемой информационной роли
ЭМИ в биосфере.
Под информационным подразумевается такое взаимодействие
электромагнитного излучения с живой системой, когда фактором,
определяющим ее ответную реакцию, является не энергия воздействующего
поля, а модуляционно-временные и другие параметры ЭМП. При этом
СВЧ-излучение с подобранными параметрами может служить как в
качестве первичного сигнала, запускающего внутренние регуляторные
механизмы биосистемы, так и в качестве непосредственного
регулятора некоторых важных процессов, протекающих в организме с
участием нервной системы.
Теоретические и экспериментальные исследования в данном
направлении представляются весьма интересными. Они должны с
достоверностью установить наличие информационного взаимодействия СВЧ-по-
лей и излучений с биологическими системами и определить пути
практического использования этого явления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976, 616 с.
2. Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1977, 592 с.
3. Астахов А. В., Широков Ю. М. Электромагнитное поле. М.: Наука, 1980, 360 с.
4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5.
Электричество и магнетизм. М.: Мир, 1966, 295 с.
5. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Т. 2. Электричество и магнетизм.
М.: Наука, 1983,416 с.
6. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983,
928 с.
7. Чернушенко А. М., Меланченко Н. Е., Малорацкий Н. Г., Петров Б. В.
Конструкции СВЧ-устройств и экранов. М.: Радио и связь, 1983, 400 с.
8. Матвеев А. Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1960, 383 с.
9. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия,
1983,792 с.
10. Астахов" А. В., Широков Ю. М. Квантовая физика. М.: Наука, 1983, 240 с.
11. Кнорре Д. Г., Крылова Л. Ф., Музыкантов В. С. Физическая химия. Ч. 1.
М.: Высшая школа, 1981, с. 3-163.
12. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука,
1976,623 с.
13. Вонсовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1984, 208 с.
14. Белов К. П., Бочкарев Н. Г. Магнетизм на Земле и в космосе. М.: Наука,
1983,192 с.
15. Флайгер У. Строение и динамика молекул. Т. 1-2/Пер. с англ. /М.: Мир,
1982,872 с.
16. Пресман А. С. Электромагнитные поля и живая природа. М.: Наука, 1968,
288 с.
17. Харвей А. Ф. Техника сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1965,
т. 1-2, 776 и 784 с.
18. Кудряшов Ю. Б., Исмаилов Э. Ш., Зубкова С. М. Биофизические основы
действия микроволн. М.: Изд-во МГУ, 1980, 160 с.
19. СВЧ-энергетика: Пер. с англ. /М.: Мир, 1971. Т. 1-3. С. 248, 272, 464.
20. Захаров С. Д., Поротиков В. И. Физика химико-биологических процессов.
М.: Знание, 1981,64 с.
21. Биологические эффекты электромагнитной энергии и медицина. - ТИИЭР,
1980, т. 68, №1.
22. Григорьев Ю. Г. Космическая радиобиология. М.: Энергоатомиздат, 1982,
176 с.
23. Радиация и организм. Комбинированное действие ионизирующих излучений
и других физических факторов среды. Обнинск, 1984, 101 с.
24. Bernard Е. Р., Неплал P. S. Further Observations on the Electrical Properties
of Hemoglobin - Bound Water. - J. Phys Chem., 1969, v. 73, № 8, p. 2600-2610.
25. Холодов Ю. А. Магнетизм в биологии. М.: Наука, 1970, 96 с.
137

26. Гигиена труда и биологическое действие электромагнитных волн
радиочастот. М.: Ин-т гигиены труда и профзаболеваний, 1968, 190 с.
27. Гигиена труда и биологическое действие электромагнитных волн
радиочастот. М.: Ин-т гигиены труда и профзаболеваний, 1972, 112 с.
28. Аливердиев А. А., Исмаилов Э. Ш. Влияние СВЧ- и УФ-излучений на организм
животных. Махачкала, 1974, 144 с.
29. Толгская М. С., Гордон 3. В. Морфологические изменения при действии
электромагнитных волн радиочастот. М.: Медицина, 1971, 135 с.
30. Вопросы высоко-, ультравысоко- и сверхвысокочастотной электротерапии.
М.:МЗ СССР, 1971,232 с.
31. Минин Б. А. СВЧ и безопасность человека. М.: Советское радио, 1974, 348 с.
32. Макаров П. С, Исмаилов Э. Ш., Швинка Н. Э. Биофизические основы
действия ультрафиолетового и ультразвукового излучений и сверхвысокочастотного
электромагнитного поля. Лекции по биофизике. Л.: Изд-во ЛГУ, 1968, с. 209-233.
33. Холодов Ю. А. Влияние электромагнитных и магнитных полей на
центральную нервную систему. М.: Наука, 1966, 284 с.
34. Холодов Ю. А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982, 121 с.
35. Зубкова С. М. Реакции возбудимой системы парамеций на микроволновое
облучение. Автореф. дис. . . . канд. биол. наук. М., 1967, 16 с.
36. Исмаилов Э. Ш. О влиянии микроволн на Opalina ranarum. Дис. . . . канд.
биол. наук. Л., 1967, 110с.
37. Исмаилов Э. Ш. Вопросы биовоздействия микроволн. - В кн.: Вопросы
биовоздействия физических факторов внешней среды. Вып. 1. Махачкала, 1970,
с. 10-21.
38. Исмаилов Э. Ш. К воздействию микроволн на нервную систему. Тезисы
докл. Всесоюз. конф. по пробл. биофиз. нейродинамики и общ. биофиз. Л.: Изд-во
ЛГУ, 1969, с. 27-29.
39. Пресман А. С. Электромагнитные поля в биосфере. М.: Знание, 1971, 64 с.
40. Макаров П. О., Исмаилов Э. Ш. О резонансном, избирательном поглощении
микроволн жгутиковыми Opalina ranarum. - Вестник ЛГУ, сер. биол., 1967, вып. 4,
№21, с. 150-152.
41. Девятков Н. Д. Влияние электромагнитного излучения миллиметрового0
диапазона длин волн на биологические объекты. - Успехи физ. наук, 1973, т. ПО,
вып. 3, с. 453-454.
42. Коренева Л. Г., Гайдук В. И. О принципиальной возможности резонансного
воздействия СВЧ-колебаний на гемоглобин. - Докл. АН СССР, 1970, т. 193, с. 465-
468.
43. Смолянская А. 3., Гельвич Э. А., Голант М. Б., Махов А. М. Резонансные
явления при действии электромагнитных волн миллиметрового диапазона на
биологические объекты. - Успехи соврем, биол., 1979, т. 87, вып. 3, с. 381-392.
44. Grundler W., Keilmann F. Nonthermal effects of millimeter microwaves on Jeast
Growth. - J. Naturforsch., 1978, № 33, p. 15-22.
45. Молекулярные и клеточные механизмы влияния физических факторов на
биологические объекты. Электромагнитные поля радиочастотного и оптического
диапазона, акустические волны; другие факторы внешней среды. Тезисы докл.
пленарн. лекций и симпозиальн. засед. I Всесоюз. биофиз. съезда. М.: АН СССР,
1982, с. 116-125.
46. Эйди У. Кооперативные механизмы восприимчивости мозговой ткани к
внешним и внутренним электрическим полям. - В кн.: Физиология человека.
Т. 1. 1975, с. 59-68.
47. Исмаилов Э. Ш., Зубкова С. М. Физико-химические механизмы
биологической активности микроволн. - Науч. докл. высш. школы. Биол. науки, 1977,
№6, с. 5-17.
48. Исмаилов Э. Ш. Физико-химические механизмы биологического действия
неионизируюших излучений. - В кн.: Современные вопросы радиобиологии. М.:
Наука, 1980, с. 78-87.
138

49. Макри Д. И. Исследования, проводимые в СССР и странах Восточной Европы
в области биологического действия СВЧ-излучений. - ТИИЭР, 1980, т. 68, № 1,
с. 96-104.
50. Тяжелов В. В., Алексеев С. И., Григорьев И. А. Изменение проводимости
фосфолипидных мембран, модифицированных аламетицином, под действием
высокочастотного электромагнитного поля. - Биофизика, 1982, т. 23, вып. 4,
с. 732-733.
51. Ким Ю. А., Фоменко Б. С, Акоев И. Г. Комбинированное действие 7-ра-
диации и электромагнитного излучения дециметрового диапазона на мембраны
эритроцитов. - В кн.: Радиация и организм. Обнинск, 1984, с. 18-20.
52. Биологическое действие электромагнитных полей. Тезисы докл. Всесоюз.
симпозиума. Пущино, 1982, с. 3-48.
53. Дональд М. Основные итоги научных исследований по проблеме и
перспективы гигиенического изучения физических факторов окружающей среды в США.
Материалы III советско-американского рабочего совещания по проблеме:
"Изучение биол. действ, физич. факторов окруж. среды". Киев: Здоровье, 1982, с. 17-21.
54. Эйди У. Р. Частотные и энергетические окна при воздействии слабых
электромагнитных полей на живую ткань. - ТИИЭР, 1980, т. 68, № 1, с. 140-148.
55. Ливанов М. Н., Цыпин А. Б., Григорьев Ю. Г. и др. К вопросу о действии
электромагнитного поля на биологическую активность коры головного мозга
кролика. - БЭБМ, 1960, т. 49, №5, с. 63-67.
56. Майкельсон С. М. Биологические эффекты СВЧ-излучения: Обзор. - ТИИЭР,
1980, т. 68, №1, с. 49-60.
57. Исмаилов Э. Ш., Буганов X. А., Гаджиев Я. М.-С, Гусейнов М. А. и др.
Исследование влияния модулированных микроволн малой интенсивности на
эритроциты (заключительный отчет). Махачкала: Дагестанский политехи, ин-т,
1985,22 с.
58. Белицкий Б. И., Педенко А. И., Лерина И. В. и др. Изучение действия СВЧ-по-
ля на микроорганизмы в импульсном и непрерывном режиме. - Биофизика,
1982, т. 27, вып. 5, с. 923.
59. Рыбникова В. И. Влияние микроволн на ультраструктуру и некоторые
биологические свойства бактерий. Автореф. дис. . . . канд. биол. наук. Махачкала,
1978,20 с.
60. Зубкова С. М., Журавлев А. И. Стимулирующее действие микроволн на
культуры клеток. — В кн.: Вопросы высоко-, ультравысоко- и сверхвысокочастоъ
ной электротерапии. М., МЗ СССР, 1971, с. 85-88.
61. Панасенко В. И., Садчикова О. А., Игнатов В. В., Пиденко А. П. Действие
мощного ЭМП с частотой 2375 МГц на микроорганизмы. - В кн.: Биологическое
действие электромагнитных полей. Пущино, 1982, с. 26-27.
62. Даниленко И. Им Мирутенко В. И. Воздействие электромагнитных полей
сантиметрового диапазона на клетки кандида тропикалис D-2 в процессе
мутагенеза. - Там же, с. 28-29.
63. Grundler W., Keillmann F., Putterlik V. e. a. Nonthermal resonant effects of
42 GHz microwaves on the growth of yeast cultures. "Coherent Excitat Biol. Syst".
Berlin, 1983, p. 21-37.
64. Никольский Н. Н. Распределение веществ между клеткой и средой
(проблема проницаемости). Руководство по цитологии. М.-Л.: Наука, 1965, т. 1, гл. 8,
с. 491-558.
65. Исмаилов Э. Ш. К механизму влияния микроволн на проницаемость
эритроцитов для ионов калия и натрия. - Науч. докл. высш. школы. Биол. науки, 1971,
№3, с. 58-60.
66. Исмаилов Э. Ш. Изменение проницаемости мембран эритроцитов под
влиянием микроволн и его механизмы. Тезисы докл. IV Междунар. биофиз. конгр.
М.: АН СССР, 1972. т. 4, с. 434- 435.
67. Исмаилов Э. Ш. К вопросу о физико-химическом воздействии микроволн
на биомембраны Биофиз. аспекты загрязнения биосферы. М.: Наука, 1973,

68. Исмаилов Э. Ш., Абдулатипова Д. М., Степурина Л. Е. и др.
Физико-химические механизмы действия СВЧ ЭМП на модельные системы и биологические
мембраны (промежуточный отчет). Махачкала: Дагестанский политехи, ин-т, 1980,
97 с.
69. Веренинов А. А. Транспорт ионов через клеточную мембрану. Анализ
потоков. Л.: Наука, 1978, 288 с.
70. Физиология системы крови. Л.: Наука, 1968, 280 с.
71. Лев А. А. Ионная избирательность протоплазматических мембран и
некоторых биополимеров. Автореф. дис... . докт. биол. наук. Л., 1971, 36 с.
72. Baranski S., Szmigielski S., Moneta J. Effects of mocrowave irradiation in vitro
on cell membrane permeability. Biologic effects and Health Hazards of Microwave
Radiation. Polish Med. Publ., Warshawa, 1974, p. 173-177.
73. Алексеев С. И., Тяжелое В. В., Фанзова Л. X., Чертищев В. В. Влияние
высокочастотного электромагнитного поля на транспорт тетрафенилбората через би-
слойные липидные мембраны. - Биофизика, 1982, т. 27, вып. 1, с. 162-163.
74. Казаринов К. Д., Шаров В. С. Ускорение трансэпителиального переноса
Na+ кожей лягушки при миллиметровом облучении низкой интенсивности. -
В кн.: Биологическое действие электромагнитных полей. Пушино, 1982, с. 43-44.
75. Тяжелое В. В., Алексеев С. И. К возможному механизму влияния
высокочастотного электромагнитного поля на проводимость каналов фосфолипидных
мембран. - В кн.: Межсистемные взаимодействия при радиационном поражении.
Пушино, 1978, с. 110-116.
76. Коломыткин О. В., Кузнецов В. И., Акоев И. Г. Действие
электромагнитного поля на ионные каналы в бислойнсй липидной мембране, образованные
фрагментами синаптических мембран, связывающих глутамат. -(Там же
с. 116-122.
77. Алексеев С. И., Тяжелов В. В., Ермишкин Л. Н. Влияние высокочастотного
электромагнитного поля на проводимость одиночного канала, образуемого амфо-
терицином Б. - Там же, с. 123-126.
78. Исмаилов Э. Ш. О влиянии сверхвысокочастотного электромагнитного
облучения на электрофоретическую подвижность эритроцитов. - Биофизика, 1977,
т. 22, вып. 3, с. 493-498.
79. Gerold A. Cooperative Transitions in Biological Membranes. Synergetics Cooperat.
Phenomena Multi Component Syst. - In: Proc. Sump. "Elman", 1973, p. 220-231.
30. Сигал В. Л., Осадчий П. В., Гусев А. Н. О механизме изменения электро-
форетической подвижности эритроцитов при СВЧ-облучении. - Биофизика, 1984,
т. 29, вып. 5, с. 852-856.
81. Исмаилов Э. Ш. Инфракрасные спектры теней эритроцитов в области полос
амид I и амид II при микроволновом облучении. - Там же, 1976, т. 21, вып. 5,
с. 940-942.
82. Боровягин В. Л. Клеточные мембраны. - Там же, 1971, т. 16, вып. 4,
с. 746-766.
83. Singer S. The molecular organisation of membranes. - Ann. Rev. Biochem..
1974, v. 43, p. 805-833.
84. Ильина С. А., Бакаушина Г. Ф., Гайдук В. И. и др. О возможной роли воды
в передаче воздействия излучения миллиметрового диапазона на биологические
объекты. - Биофизика, 1979, т. 24, вып. 3, с. 513-518.
85. Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация
ионов. М.: Изднво АН СССР, 1957,180 с.
86. Кяйвяряйнен А. И. Динамическое поведение белков в водной среде и их
функции. Л.: Наука, 1980, 272 с.
87. Маленков Г. Г. Структура воды. Физическая химия. Современные
проблемы. М.: Химия, 1984, с. 41-76.
88. Хуторский В. Е. Структура границы раздела фосфолипидная мембрана-
вода. - Биологические мембраны, 1985, т. 2, № 1,с. 104-113.
89. Левин С. В. Структурные изменения клеточных мембран. Л.: Наука, 1976,
224 с.

90. Артюх В. А., Назаренко В. И. Оценка механизма ответной реакции тканей
мозга крыс на воздействие микроволнового облучения, основанная на анализе
динамики активности транспортных аденозинтрифосфатаз. - В кн.:
Биологическое действие электромагнитных полей. Пущино, 1982, с. 19-20.
91. Исмаилов Э. Ш., Абдулаев Р. Р., Мирзаметова Р. М. и др. Сравнительное
исследование влияния СВЧ-излучения и тепла на реакцию комплексообразования
в системе ПАР-Сг (III). Радиация и организм. Обнинск, 1984, с. 15-16.
92. Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт: Пер. с чешек. М.: Мир, 1980,
344 с.
93. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э. и др. Основы биохимии. Т. 1-3.: Пер. с англ.
/М.: Мир, 1981,1877 с.
94. Ровин Ю. Г. Концентрация образования черных пятен и действие
детергентов на черные липидные мембраны. - Биофизика, 1978, т. 23, № 4, с. 638-640.
95. Сим Э. Биохимия мембран: Пер. с англ. /М.: Мир, 1985.
96. Ивков В. Г., Берестовский Г. Н. Динамическая структура липидного би-
слоя. М.: Наука, 1981, 296 с.
97. Исмаилов Э. Ш., Умаханова Н. С, Степурина Л. Е. К вопросу об общих и
специфических механизмах биологического действия ионизирующих и СВЧ-иэлу-
чений. Радиация и организм. Обнинск, 1984, с. 16-18.
98. Григорьев Ю. Г., Плешанов П. Г., Дозморов И. М., Салимов Р. М.
Некоторые подходы в оценке комбинированного действия электромагнитных полей
и других физических факторов среды. Материалы III советско-американского
рабочего совещания по проблеме: "Изучение биол. действ, физич. факторов окруж.
среды". Киев: Здоровье, 1982, с. 27-33.
99. Овчинников Ю. А., Иванов В. Т., Шкроб А. М. Мембрано-активные комплек-
соны. М.: Наука, 1974, 463 с.
100. Болдырев А. А., Лопина О. Д., Рубцов А. М., Свинухова И. А. Биохимия
активного транспорта ионов и транспортные АТФ-азы. М.: Изд-во МГУ, 1983,
128 с.
101. Богуславский Л. И. Биоэлектрохимические явления и граница раздела фаз.
М.: Наука, 1978,360 с.
102. Цваал Р., Роулофсен Б. Получение чистых фосфолипаз для изучения
мембран. Биохимическое исследование мембран: Пер. с англ. М.: 1979, с. 313-333.
103. Робинсон Дж. Б. Выделение и состав мембран. Биологические мембраны.
М.: Атомиздат, 1978, с. 13-37.
104. Алексеев С. И., Фаизова Л. X., Тяжелое В. В. О локальном тепловом
действии микроволнового поля. Биологическое действие электромагнитных полей.
Пущино, 1982, с. 9-10.
105. Смолянская А. 3., Гельвич Э. А., Голант М. Б., Махов А. М. Резонансные
явления при действии электромагнитных волн миллиметрового диапазона на
биологические объекты. - Успехи соврем, биол., 1979, т. 87, вып. 3, с. 381-390.
106. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Тагер А. С. Роль синхронизации в
воздействии слабых электромагнитных сигналов миллиметрового диапазона волн на живые
организмы. - Биофизика, 1983, т. 28, вып. 5, с. 895-896.
107. Искандер М. Ф., Дерни К. X. Электромагнитные методы медицинской
диагностики. - ТИИЭР, 1980, т. 68, № 1, с. 148-156.
108. СВЧ-установка для раннего обнаружения и лечения раковых опухолей.
Радиоэлектроника за рубежом. Вып. 3(949). М., 1982, с. 4-11.
109. Рогов И. А., Некрутман С. В., Лысов Г. В. Техника
сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981,
200 с.
110. Джаруллаев Д. С, Исмаилов Э. Ш. Влияние СВЧ излучения на осветление
напитков. Материалы 5-Й Всесоюзной научно-технической конференции
"Электрофизические методы обработки пищевых продуктов". М.: Государственный
комитет СССР по науке и технике. 1985, с. 62.
141

111. Абрамов Ш. А., Рыбникова В. И., Макуев А. М., Исмаилой Э. Ш. Способ
подготовки дрожжей к хересованию. А. с. СССР № 765352, 1978.
112. Дерябкин В. Н., Киреев В. Б., Скачков М. П., Трухан Э. М.
Микроволновые фотопотери в нативных листьях растений. - Докл. АН СССР, 1978, т. 240,
№4, с. 978-981.
113. Дерябкин В. Н., Киреев В. Б., Скачков М. П., Трухан Э. М. СВЧ-фотопро-
водимость в листьях растений. - Биофизика, 1979, т. 24, вып. 6. с. 1026-1029.
114. Искандер М. Ф., Лахтакиа А., Дерни К. X. Новый итеративный способ
решения задачи рассеяния и поглощения диэлектрическими ^объектами. ТИИЭР,
1982, т. 70, №11, с. 132-133.
115. Шахпаронов М. И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. М.:
Высшая школа, 198С, 352 с.
116. Шестиперов В. А., Тихончук В. С. Некоторые подходы к моделированию
теплового стресса при микроволновом облучении. - Биофизика, 1980, т. 25,
вып. 1, с. 59-62.
117. Иванов В. К., Петин В. Г., Рудаков И. А. Оценка теплового состояния
организма при воздействии СВЧ-радиации. - Там же, 1980, т. 25, вып. 6, с. 1060—
1063.
118. Иванов В. И., Холодов Ю. А. Предисловие к переводу. - ТИИЭР, 1980,
т. 68, № 1,с. 4-5.
119. Фоменко Б. С, Акоев И. Г. Структурные изменения плазматической
мембраны под действием ионизирующей радиации. - Успехи соврем, биол., 1982,
т. 93, вып. 2, с. 133-195.
120. Петин В. Г., Комаров В. П. Использование математических методов для
оптимизации физических факторов при комбинированных воздействиях.
Радиация и организм. Обнинск, 1984, с. 85-88.
121. Исмаилов Э. Ш., Степурииа Л. Е., Ахмедова Л. М. Электромагнитные
волны сверхвысокой частоты и вопросы охраны здоровья людей. Тезисы VIII научно-
практич. конф. по охране природы. Махачкала, 1985, с. 95-96.
122. Исмаилов Э. Ш., Абдуллаев Р. Р., Мирзаметова Р. М. и др. Исследование
действия СВЧ-излучения и тепла на реакцию комплексообразования в системе
ПАР-Сг (III). - В кн.: Физико-химические методы анализа и контроля
производства. Махачкала, 1984, с. 76-79.

СОДЕРЖАНИЕ
предисловие 3
Введение 5
Ч а с т ь I. Физико-химические основы биологического действия микроволн . . 9
Глава 1. Некоторые вопросы электромагнетизма 9
1.1. Взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле. ...... 9
1.2. Магнитное поле 17
1.3. Взаимопревращения электрических и магнитных полей. Уравнения
Максвелла 21
1.4. Электромагнитные колебания и волны. СВЧ-излученис 25
Г л а в а 2. Действие электромагнитного излучения на вещество 35
2Л. Электрические свойства молекул 35
2.2. Магнитные свойства вещества 45
2.3. Поляризация молекул в электрическом поле 48
2.4. Вещество в магнитном поле 54
2.5. Заряды в электромагнитном поле 57
2.6. Взаимодействие СВЧ-излучения с веществом. Диэлектрический нагрев . * 61
Глава 3. Физические аспекты действия микроволн на биологические
объекты 67
3.1. Живой организме СВЧ-поле 67
3.2. Дозиметрия СВЧ-излучений 69
3.3. Электрические и магнитные свойства клеток и тканей 72
3.4. Поглощение СВЧ-энергии в биологическом объекте 77
Ч а с 1 ь II. Биофизические эффекты действия микроволн SO
Г л а в а 4. Влияние СВЧ-излучений на клеточном уровне 81
4.1. Нервные клетки 81
4.2. Эритроциты и другие виды клеток 84
4.3. Микроорганизмы 86
Г л а в а 5. Действие микроволн на мембраны 89
5.1. Мембранный транспорт 89
5.2. Электрическая проводимость 93
5.3. Структурные изменения мембран 94
Г л а в а 6. Влияние СВЧ-излучений на молекулярном уровне ЮЗ
6.1. Структура и свойства воды ЮЗ
6.2. Действие на молекулы белков и нуклеиновых кислот Ю6
6.3. Ферментативная активность Ю7
6.4. Реакция комплексообразования в СВЧ-поле Ю8
Глава 7. Физико-химические механизмы биологической активности
микроволн НО
7.1. Взаимодействие микроволн с молекулярными компонентами
мембран ПО
7.2. О резонансном поглощении микроволн 123
7.3. Роль структурной организации биосистем в реализации СВЧ-эффектов 124
Г л а в а 8. СВЧ-излучения и вопросы практики 126
8.1. СВЧ-методы исследования. Диэлектрическая радиоспектроскопия ... 126
8.2. Применение микроволн в медицине 128
8.3. Биофизические основы гигиенического нормирования микроволн . . . 131
Заключение 136
Список литературы 137
143

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Эльдер Шафиевич Исмаилов
БИОФИЗИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ
Редактор Л. В. Лещинская
Художественный редактор А. Т. Кирьянов
Технический редактор М. П. Татаринова
Корректор С. В. Малышева
Оператор М. А. Панфилова
ИБ№1563
Набор выполнен в Энергоатомиздате на Композере ИБМ-82. Подписано в печать
17.07.86.Т«14960.Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная №2. Печать офсетная. Усл. печ.
л. 8,37. Усл. кр.-отт. 8,60. Уч.-изд. л. 9,90. Тираж 2250 экз. Заказ 3156. Цена 1 р. 50 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография №9 Союзполиграфпрома при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
109033, Москва, Ж-33, Волочаевская ул., 40