Stråling: Definition, typer og eksempler

Stråling kunne have fået en dårlig rap fra nukleare ulykker, men ordet "stråling" omfatter faktisk en lang række fænomener. Stråling er overalt, og et stort antal hverdags elektroniske enheder er afhængige af det. Uden stråling fra solen ville livet på Jorden se meget anderledes ud, hvis det overhovedet eksisterede.

Den grundlæggende definition af stråling er simpelthen emission af energii form af fotoner eller andre subatomære partikler. Hvorvidt stråling er farlig eller ej, afhænger af hvor meget energi disse partikler har. Strålingstyperne er kendetegnet ved de involverede typer af partikler og deres energi.

Elektromagnetisk stråling udsendes energi i form af bølger kaldet elektromagnetiske bølger eller lys. Ifølge kvantemekanik er lys både en partikel og en bølge. Når det betragtes som en partikel, kaldes det et foton. Når det betragtes som en bølge, kaldes det en elektromagnetisk bølge eller en lysbølge.

Lys klassificeres afhængigt af dets bølgelængde, som er omvendt proportional med dets energi: Lys med lang bølgelængde har lavere energi sammenlignet med lys med kort bølgelængde. Dens bølgelængdespektrum er oftest opdelt i: radiobølger, mikrobølger, infrarødt, synligt lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler. Når lys udsendes som elektromagnetisk stråling, klassificeres denne stråling også efter disse kategorier.

Elektromagnetisk stråling (som for at understrege igen er retfærdig lys) er allestedsnærværende i universet og her på jorden. Pærer udstråler synligt lys; mikrobølger udstråler mikrobølger. En fjernbetjening udstråler infrarød for at sende et signal til et fjernsyn. Disse typer af stråling er lavenergi og er generelt ikke skadelige i de mængder, som mennesker normalt udsættes for.

Den del af spektret med kortere bølgelængder end synligt lys kan skade menneskeligt væv. Ultraviolet lys, lige ved siden af ​​synligt lys på spektret, kan forårsage solforbrændinger og hudkræft.

Stråling fra den højere energi ende af det ultraviolette spektrum, ud over røntgenstråler og gammastråler, er kendt som ioniserende stråling: Det er energisk nok til at være i stand til at banke elektroner ud af atomer og gøre atomerne til ioner. Ioniserende stråling kan beskadige DNA og forårsage en lang række sundhedsmæssige problemer.

Strålingen fra stjerner, supernovaer og jetstråler er det, der gør det muligt for astronomer at se dem. Gamma ray bursts er for eksempel meget energiske eksplosioner, der er de lyseste strålingshændelser, der vides at forekomme i universet. Strålingen registreret fra fjerne soler giver astronomer mulighed for at udlede deres alder, størrelse og type.

Rummet er også fuld af kosmiske stråler: Hurtige protoner og atomkerner, der lynlåser gennem kosmos med næsten lysets hastighed, der er meget, meget tungere end fotoner. På grund af deres masse og hastighed har de utroligt store mængder energi.

På jorden er faren ved kosmiske stråler ubetydelig. Energien i disse partikler bruges mest på at bryde kemiske bindinger i atmosfæren. Imidlertid er kosmiske stråler en vigtig overvejelse for mennesker i rummet.

Ture i en bane med lav jord, herunder den internationale rumstation, er stadig beskyttet mod kosmiske stråler af flere faktorer. Enhver langvarig bemandet mission ud over kredsløb omkring jorden, for eksempel til Mars eller til Månen for en udvidet mission, skal dog afbøde sundhedsfarer af kosmiske stråler til sine astronauter.

Kerne af et radioaktivt stof eller radioaktivt materiale, såsom uran eller radon, er ustabile. For at stabilisere sig gennemgår kernerne kernereaktioner, herunder spontant at bryde fra hinanden og frigive energi, når de gør det. Denne energi udsendes i form af partikler. De partikler, der udsendes, når stoffet henfalder, bestemmer, hvilken type henfald det er. Der er tre hovedtyper af stråling fra nukleart henfald: alfa-stråling, beta-stråling og gammastråling.

Gamma-stråling er den enkleste, da det er en højenergifoton, der udsendes fra det radioaktive atom med en bølgelængde i gammadelen af ​​spektret.

Betastråling er transmutationen af ​​en proton til en neutron, letter ved udsendelsen af ​​en elektron. Denne proces kan også ske i omvendt retning (omdanne en neutron til en proton) ved at udsende en positron, som er en positivt ladet antimateriale modstykke til en elektron. Disse partikler kaldes betapartikler på trods af at de også har andre navne.

Alpha-stråling er udsendelsen af ​​en "alfapartikel", som er lavet af to neutroner og to protoner. Dette er også en standard heliumkerne. Efter dette henfald har det oprindelige atoms atomnummer reduceret med 2, ændret dets elementære identitet, og dets atomvægt faldt med 4. Alle tre slags henfaldstråling er ioniserende.

Radioaktivt henfald har mange anvendelser, herunder strålebehandling, radiocarbon-datering osv.

Varmeenergi kan overføres fra et sted til et andet via elektromagnetisk stråling. Sådan når varmen jorden gennem vakuumet fra rummet.

En genstands farve påvirker, hvor godt den kan absorbere varme. Hvid reflekterer de fleste bølgelængder, mens sort absorberer. Sølv og skinnende genstande reflekterer også. Jo mere reflekterende noget er, jo mindre strålingsenergi absorberer det, og jo mindre opvarmes det, når det udsættes for stråling. Dette er grunden til, at sorte genstande bliver varmere i solen end hvide genstande.

Gode ​​lysdæmpere, såsom sorte genstande, er også gode udsendere, når de er varmere end deres omgivelser.

Hvis stråling passerer gennem et gennemsigtigt eller halvgennemsigtigt materiale ind i et lukket område, kan det blive fanget, når det absorberes og genudsendes ved forskellige bølgelængder.

Dette er grunden til, at din bil bliver så varm i solen, selvom den kun er 70 udenfor; overfladerne inde i din bil absorberer strålingen fra solen, men udsender den igen som varme i bølgelængder, der er for lange til at trænge ind i vinduesglasset. Så i stedet forbliver varmeenergien fanget inde i bilen.

Dette sker også med Jordens atmosfære. Solopvarmet jord og hav vil udsende noget absorberet varme i forskellige bølgelængder end sollys oprindeligt havde. Dette vil gøre det umuligt for varmen at vende tilbage gennem atmosfæren og holde den fanget tættere på jorden.

En sort krop er en teoretisk, ideelt objekt, der absorberer alle lysets bølgelængder og udsender alle lysets bølgelængder. Imidlertid udsender det lys med forskellige bølgelængder i forskellige intensiteter.

Lysets eller fluxens intensitet kan beskrives som antallet af fotoner pr. Arealenhed, der udsendes fra den sorte krop. Et sortkropsspektrum med bølgelængde på x-aksen og flux på y-aksen vil altid vise en top ved en bestemt bølgelængde; flere fotoner udsendes med denne energi end nogen anden energiværdi.

Denne top ændrer sig afhængigt af temperaturen på den sorte krop i henhold til Wien's forskydningslov: Toppen falder lineært i bølgelængde, når temperaturen på den sorte krop stiger.

Kendskab til dette forhold modellerer astronomer ofte stjerner som perfekte blackbodies. Selvom dette er en tilnærmelse, giver det dem et godt skøn over stjernens temperatur, som kan fortælle dem om, hvor den er i dens livscyklus.

En anden vigtig sortkropsforhold er Stefan-Boltzmann-loven, der siger, at den samlede energi, der udstråles af et sortkrop, er proportional med dens temperatur taget til den fjerde effekt: E⁴.