Záření: Definice, typy a příklady

Radiace mohla mít špatný rap z jaderných havárií, ale slovo „záření“ ve skutečnosti zahrnuje širokou škálu jevů. Záření je všude a spoléhá se na něj velké množství běžných elektronických zařízení. Bez záření ze slunce by život na Zemi vypadal velmi odlišně, pokud by vůbec existoval.

Základní definice záření je jednoduše emise energieve formě fotonů nebo jiných subatomárních částic. To, zda je záření nebezpečné, závisí na tom, kolik energie tyto částice mají. Typy záření se liší podle typů zúčastněných částic a jejich energií.

Elektromagnetické záření vyzařuje energii ve formě vln nazývaných elektromagnetické vlny nebo světlo. Podle kvantové mechaniky je světlo jak částice, tak vlna. Když se to považuje za částice, nazývá se to foton. Když se to považuje za vlnu, nazývá se to elektromagnetická vlna nebo světelná vlna.

Světlo je klasifikováno v závislosti na jeho vlnové délce, která je nepřímo úměrná jeho energii: Světlo s dlouhou vlnovou délkou má nižší energii ve srovnání se světlem s krátkou vlnovou délkou. Jeho spektrum vlnových délek se nejčastěji dělí na: rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření a paprsky gama. Když je světlo vyzařováno jako elektromagnetické záření, je toto záření klasifikováno také podle těchto kategorií.

Elektromagnetické záření (což, abychom znovu zdůraznili, je spravedlivé světlo) je všudypřítomný ve vesmíru i zde na Zemi. Žárovky vyzařují viditelné světlo; mikrovlny vyzařují mikrovlny. Dálkový ovladač vyzařuje infračervené záření a vysílá signál do televize. Tyto typy záření jsou nízkoenergetické a obecně nejsou škodlivé v množství, kterému jsou lidé obvykle vystaveni.

Část spektra s kratšími vlnovými délkami než viditelné světlo může způsobit poškození lidské tkáně. Ultrafialové světlo, hned vedle viditelného světla ve spektru, může způsobit spáleniny a rakovinu kůže.

Kromě rentgenových paprsků a paprsků gama je známo i záření z vysokoenergetického konce ultrafialového spektra. jako ionizující záření: Je dostatečně energický, aby dokázal srazit elektrony z atomů a přeměnit je na atomy ionty. Ionizující záření může poškodit DNA a způsobit řadu zdravotních problémů.

Astronomům je umožňuje vidět záření z hvězd, supernov a trysek černé díry. Například záblesky gama záření jsou velmi energetické exploze, které jsou nejjasnějšími radiačními událostmi, jaké se ve vesmíru vyskytují. Radiace detekovaná z dalekých sluncí umožňuje astronomům odvodit jejich věk, velikost a typ.

Prostor je také plný kosmické paprsky: Rychle se pohybující protony a atomová jádra, která procházejí vesmírem téměř rychlostí světla, která je mnohem, mnohem těžší než fotony. Díky své hmotnosti a rychlosti mají neuvěřitelně vysoké množství energie.

Na Zemi je nebezpečí představované kosmickými paprsky zanedbatelné. Energie těchto částic se většinou vynakládá na rozbití chemických vazeb v atmosféře. Pro člověka ve vesmíru jsou však kosmické paprsky hlavním faktorem.

Výlety na oběžné dráze nízké Země, včetně Mezinárodní vesmírné stanice, jsou stále chráněny před kosmickými paprsky několika faktory. Jakákoli dlouhodobá mise s posádkou mimo nízkou oběžnou dráhu Země, například na Mars nebo na Měsíc pro delší misi, však musí zmírnit zdravotní rizika kosmických paprsků svým astronautům.

Jádra radioaktivní látky nebo radioaktivního materiálu, jako je uran nebo radon, jsou nestabilní. Aby se stabilizovala, jádra podstoupí jaderné reakce, včetně spontánního rozpadu, a v případě, že dojde, uvolní energii. Tato energie je emitována ve formě částic. Částice emitované při rozpadu látky určují, o jaký typ rozpadu jde. Existují tři hlavní typy záření z jaderného rozpadu: záření alfa, záření beta a záření gama.

Gama záření je nejjednodušší, protože se jedná o vysokoenergetický foton emitovaný z radioaktivního atomu s vlnovou délkou v gama části spektra.

Beta záření je transmutace protonu na neutron, usnadněná emisí elektronu. K tomuto procesu může dojít také obráceně (transformace neutronu na proton) emitováním pozitronu, který je pozitivně nabitým antihmotovým protějškem elektronu. Tyto částice jsou označovány jako beta částice, přestože mají i jiná jména.

Alfa záření je emise „alfa částice“, která je tvořena dvěma neutrony a dvěma protony. Toto je také standardní jádro helia. Po tomto rozpadu se původnímu atomu snížilo atomové číslo o 2, což změnilo jeho elementární identitu, a jeho atomová hmotnost se snížila o 4. Všechny tři druhy rozpadového záření jsou ionizující.

Radioaktivní rozpad má mnoho využití, včetně radiační terapie, datování radiokarbonem atd.

Tepelná energie může být přenášena z jednoho místa na druhé prostřednictvím elektromagnetického záření. Takto se teplo dostává na Zemi vakuem vesmíru od Slunce.

Barva objektu ovlivňuje, jak dobře může absorbovat teplo. Bílá odráží většinu vlnových délek, zatímco černá absorbuje. Stříbrné a lesklé předměty se také odrážejí. Čím více je něco reflexní, tím méně radiační energie absorbuje a tím méně se zahřívá, když je vystaveno záření. Proto se černé objekty na slunci zahřívají více než bílé objekty.

Dobré absorbéry světla, jako jsou černé předměty, jsou také dobrými zářiči, pokud jsou teplejší než jejich okolí.

Pokud záření prochází průhledným nebo poloprůhledným materiálem do uzavřené oblasti, může se zachytit, když je absorbováno a znovu emitováno při různých vlnových délkách.

Proto je vaše auto na slunci tak horké, i když je venku jen 70; povrchy uvnitř vašeho vozu absorbují záření ze slunce, ale znovu je emitují jako teplo na vlnových délkách, které jsou příliš dlouhé na to, aby pronikly okenním sklem. Místo toho tedy tepelná energie zůstává uvězněna v autě.

To se také děje s atmosférou Země. Země a oceán ohřátý sluncem znovu vyzařují absorbované teplo při různých vlnových délkách, než mělo původně sluneční světlo. Tím znemožníte návratu tepla atmosférou a udržíte ji uvězněnou blíže k Zemi.

Černé tělo je teoretický, ideální objekt, který absorbuje všechny vlnové délky světla a vyzařuje všechny vlnové délky světla. Vyzařuje však světlo různých vlnových délek při různých intenzitách.

Intenzitu světla nebo toku lze popsat jako počet fotonů na jednotku plochy emitovaných z černého tělesa. Spektrum černého tělesa, s vlnovou délkou na ose x a tokem na ose y, bude vždy vykazovat vrchol při určité vlnové délce; s touto energií je emitováno více fotonů než jakákoli jiná hodnota energie.

Tento vrchol se mění v závislosti na teplotě černého tělesa podle Wienova zákonu posunutí: Pík se bude snižovat lineárně ve vlnové délce se zvyšováním teploty černého tělesa.

Astronomové znají tento vztah a často modelují hvězdy jako dokonalé černé tělesa. I když se jedná o přiblížení, poskytuje jim dobrý odhad teploty hvězdy, který jim může říci o tom, kde se v jejím životním cyklu nachází.

Dalším důležitým vztahem černého tělesa je Stefan-Boltzmannův zákon, který říká, že celková energie vyzařovaná černým tělesem je úměrná jeho teplotě převzaté do čtvrté síly: E ∝ T⁴.