قد يكون الإشعاع قد حصل على سمعة سيئة من الحوادث النووية ، لكن كلمة "إشعاع" تشمل في الواقع مجموعة كبيرة من الظواهر. الإشعاع موجود في كل مكان ، ويعتمد عليه عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية اليومية. بدون إشعاع الشمس ، ستبدو الحياة على الأرض مختلفة تمامًا ، إذا كانت موجودة أصلاً.
التعريف الأساسي للإشعاع هو ببساطة انبعاث الطاقة، على شكل فوتونات أو جسيمات دون ذرية أخرى. يعتمد ما إذا كان الإشعاع خطيرًا أم لا على مقدار الطاقة التي تمتلكها هذه الجسيمات. تتميز أنواع الإشعاع بأنواع الجسيمات المعنية وطاقاتها.
الاشعاع الكهرومغناطيسي
الإشعاع الكهرومغناطيسي هو الطاقة المنبعثة على شكل موجات تسمى الموجات الكهرومغناطيسية ، أو الضوء. وفقًا لميكانيكا الكم ، فإن الضوء عبارة عن جسيم وموجة. عندما يتم اعتباره جسيمًا ، يطلق عليه الفوتون. عندما يتم اعتبارها موجة ، فإنها تسمى موجة كهرومغناطيسية أو موجة ضوئية.
يُصنف الضوء وفقًا لطوله الموجي ، والذي يتناسب عكسياً مع طاقته: الضوء ذو الطول الموجي الطويل له طاقة أقل مقارنةً بالضوء ذي الطول الموجي القصير. ينقسم طيف الطول الموجي بشكل شائع إلى: موجات الراديو ، الموجات الدقيقة ، الأشعة تحت الحمراء ، الضوء المرئي ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة السينية وأشعة جاما. عندما ينبعث الضوء كإشعاع كهرومغناطيسي ، يتم تصنيف هذا الإشعاع حسب هذه الفئات أيضًا.
الإشعاع الكهرومغناطيسي (الذي يجب إعادة التأكيد عليه هو أمر عادل ضوء) موجود في كل مكان في الكون وهنا على الأرض. تشع المصابيح الضوئية الضوء المرئي ؛ تشع الموجات الدقيقة الموجات الدقيقة. يشع جهاز التحكم عن بعد الأشعة تحت الحمراء لإرسال إشارة إلى التلفزيون. هذه الأنواع من الإشعاع منخفضة الطاقة وهي غير ضارة بشكل عام بالكميات التي يتعرض لها الإنسان في العادة.
يمكن أن يتسبب جزء الطيف ذي الأطوال الموجية الأقصر من الضوء المرئي في إلحاق الضرر بالأنسجة البشرية. يمكن للأشعة فوق البنفسجية ، بجوار الضوء المرئي على الطيف ، أن تسبب حروق الشمس وسرطان الجلد.
يُعرف الإشعاع الصادر من طرف الطاقة الأعلى للطيف فوق البنفسجي ، بالإضافة إلى الأشعة السينية وأشعة جاما كإشعاع مؤين: إنه نشيط بما يكفي ليكون قادرًا على طرد الإلكترونات من الذرات ، وتحويل الذرات إلى الأيونات. يمكن للإشعاع المؤين أن يدمر الحمض النووي ويسبب العديد من المشاكل الصحية.
إشعاع من الفضاء
الإشعاع الصادر عن النجوم والمستعرات الأعظمية ونفثات الثقب الأسود هو ما يسمح لعلماء الفلك برؤيتها. انفجارات أشعة جاما ، على سبيل المثال ، هي انفجارات نشطة للغاية تعد من أكثر الأحداث الإشعاعية سطوعًا التي تحدث في الكون. يسمح الإشعاع المكتشف من شموس بعيدة لعلماء الفلك باستنتاج عمرهم وحجمهم ونوعهم.
الفضاء مليء أيضا الأشعة الكونية: بروتونات سريعة الحركة ونواة ذرية تتنقل عبر الكون بسرعة الضوء التي هي أثقل بكثير من الفوتونات. بسبب كتلتها وسرعتها ، لديها كميات عالية بشكل لا يصدق من الطاقة.
على الأرض ، الخطر الذي تشكله الأشعة الكونية ضئيل. يتم إنفاق طاقة هذه الجسيمات في الغالب على تكسير الروابط الكيميائية في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، تعتبر الأشعة الكونية أحد الاعتبارات الرئيسية للإنسان في الفضاء.
لا تزال الرحلات في مدار أرضي منخفض ، بما في ذلك محطة الفضاء الدولية ، محمية من الأشعة الكونية بعدة عوامل. ومع ذلك ، فإن أي مهمة طويلة المدى مأهولة خارج مدار الأرض المنخفض ، إلى المريخ ، على سبيل المثال ، أو إلى القمر لمهمة ممتدة ، يجب أن تخفف من مخاطر صحية من الأشعة الكونية لرواد الفضاء.
الاضمحلال الإشعاعي
نوى مادة مشعة أو مادة مشعة ، مثل اليورانيوم أو الرادون ، غير مستقرة. لتحقيق الاستقرار ، ستخضع النوى لتفاعلات نووية ، بما في ذلك التفكك التلقائي ، وإطلاق الطاقة عند حدوثها. تنبعث هذه الطاقة على شكل جسيمات. تحدد الجسيمات المنبعثة عندما تتحلل المادة نوع الاضمحلال. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الإشعاع من الاضمحلال النووي: إشعاع ألفا وإشعاع بيتا وإشعاع جاما.
إشعاع جاما هو الأبسط ، لأنه فوتون عالي الطاقة ينبعث من ذرة مشعة بطول موجي في جزء جاما من الطيف.
إشعاع بيتا هو تحويل البروتون إلى نيوترون ، والذي يسهله انبعاث الإلكترون. يمكن أن تحدث هذه العملية أيضًا بشكل عكسي (تحويل النيوترون إلى بروتون) عن طريق إصدار بوزيترون ، وهو نظير المادة المضادة موجب الشحنة للإلكترون. يشار إلى هذه الجسيمات باسم جسيمات بيتا على الرغم من وجود أسماء أخرى لها.
إشعاع ألفا هو انبعاث "جسيم ألفا" ، والذي يتكون من نيوترونين واثنين من البروتونات. هذه أيضًا نواة هيليوم قياسية. بعد هذا الاضمحلال ، انخفض العدد الذري للذرة الأصلية بمقدار 2 ، مما أدى إلى تغيير هويتها الأولية ، وانخفض وزنها الذري بمقدار 4. جميع أنواع إشعاع الاضمحلال الثلاثة مؤين.
للاضمحلال الإشعاعي العديد من الاستخدامات ، بما في ذلك العلاج الإشعاعي ، والتأريخ بالكربون المشع ، وما إلى ذلك.
نقل الحرارة الإشعاعي
يمكن نقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذه هي الطريقة التي تصل بها الحرارة إلى الأرض من خلال فراغ الفضاء من الشمس.
يؤثر لون الجسم على مدى قدرته على امتصاص الحرارة. يعكس اللون الأبيض معظم الأطوال الموجية بينما يمتص الأسود. كما تعكس الأشياء الفضية واللمعة. كلما كان الشيء أكثر انعكاسًا ، قلت الطاقة الإشعاعية التي يمتصها ، وكلما قلت درجة حرارته عند تعرضه للإشعاع. هذا هو السبب في أن الأجسام السوداء تصبح أكثر سخونة في الشمس من الأجسام البيضاء.
الماصات الجيدة للضوء ، مثل الأجسام السوداء ، هي أيضًا بواعث جيدة عندما تكون أكثر دفئًا من محيطها.
تأثير الصوبة الزجاجية
إذا مر الإشعاع عبر مادة شفافة أو شبه شفافة إلى منطقة مغلقة ، فيمكن أن تصبح محاصرة عند امتصاصها وإعادة إصدارها بأطوال موجية مختلفة.
هذا هو سبب ارتفاع درجة حرارة سيارتك في الشمس حتى لو كانت 70 فقط بالخارج ؛ تمتص الأسطح داخل سيارتك الإشعاع من الشمس ، لكن تعيد إصدارها كحرارة بأطوال موجية طويلة جدًا لاختراق زجاج النافذة. لذلك ، بدلاً من ذلك ، تظل الطاقة الحرارية محصورة داخل السيارة.
يحدث هذا أيضًا مع الغلاف الجوي للأرض. ستعيد الأرض والمحيطات التي ترتفع درجة حرارتها من الشمس إصدار بعض الحرارة الممتصة بأطوال موجية مختلفة عن أشعة الشمس الأصلية. هذا سيجعل من المستحيل عودة الحرارة عبر الغلاف الجوي ، مما يجعلها محاصرة بالقرب من الأرض.
إشعاع الجسم الأسود
الجسم الأسود هو نظري، جسم مثالي يمتص كل الأطوال الموجية للضوء ويبعث كل الأطوال الموجية للضوء. ومع ذلك ، فإنه يصدر ضوءًا بأطوال موجية مختلفة بكثافة مختلفة.
يمكن وصف شدة الضوء ، أو التدفق ، على أنها عدد الفوتونات لكل وحدة مساحة تنبعث من الجسم الأسود. إن طيف الجسم الأسود ، مع الطول الموجي على المحور السيني والتدفق على المحور الصادي ، سيُظهر دائمًا ذروة عند طول موجي معين ؛ تنبعث فوتونات بهذه الطاقة أكثر من أي قيمة أخرى للطاقة.
تتغير هذه الذروة اعتمادًا على درجة حرارة الجسم الأسود وفقًا لقانون النزوح في فيينا: ستنخفض الذروة خطيًا في الطول الموجي مع زيادة درجة حرارة الجسم الأسود.
بمعرفة هذه العلاقة ، غالبًا ما يصمم علماء الفلك النجوم كأجسام سوداء مثالية. في حين أن هذا تقدير تقريبي ، إلا أنه يمنحهم تقديرًا جيدًا لدرجة حرارة النجم ، والذي يمكن أن يخبرهم عن مكانه في دورة حياته.
علاقة أخرى مهمة بالجسم الأسود هي قانون ستيفان بولتزمان ، الذي ينص على أن الطاقة الكلية التي يشعها الجسم الأسود تتناسب مع درجة حرارته المأخوذة إلى القوة الرابعة: E ∝ T4.