Strahlung mag durch nukleare Unfälle einen schlechten Ruf bekommen haben, aber das Wort "Strahlung" umfasst tatsächlich eine große Bandbreite von Phänomenen. Strahlung ist allgegenwärtig, und viele elektronische Geräte des Alltags sind darauf angewiesen. Ohne die Strahlung der Sonne würde das Leben auf der Erde ganz anders aussehen, wenn es überhaupt existieren würde.
Die grundlegende Definition von Strahlung ist einfach die Energieabgabe, in Form von Photonen oder anderen subatomaren Teilchen. Ob Strahlung gefährlich ist oder nicht, hängt davon ab, wie viel Energie diese Teilchen haben. Die Strahlungsarten werden durch die beteiligten Teilchenarten und deren Energien unterschieden.
Elektromagnetische Strahlung
Elektromagnetische Strahlung ist Energie in Form von Wellen, die als elektromagnetische Wellen oder Licht bezeichnet werden. Licht ist in der Quantenmechanik sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Wenn es als Teilchen betrachtet wird, wird es als Photon bezeichnet. Wenn es als Welle betrachtet wird, wird es als elektromagnetische Welle oder Lichtwelle bezeichnet.
Licht wird nach seiner Wellenlänge klassifiziert, die umgekehrt proportional zu seiner Energie ist: Langwelliges Licht hat eine geringere Energie als kurzwelliges Licht. Sein Wellenlängenspektrum wird am häufigsten unterteilt in: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Wenn Licht als elektromagnetische Strahlung emittiert wird, wird diese Strahlung ebenfalls in diese Kategorien eingeteilt.
Elektromagnetische Strahlung (die, um es noch einmal zu betonen, nur Licht) ist im Universum und hier auf der Erde allgegenwärtig. Glühbirnen strahlen sichtbares Licht aus; Mikrowellen strahlen Mikrowellen aus. Eine Fernbedienung strahlt Infrarot aus, um ein Signal an einen Fernseher zu senden. Diese Strahlungsarten sind niederenergetisch und in den Mengen, denen der Mensch normalerweise ausgesetzt ist, im Allgemeinen nicht schädlich.
Der Teil des Spektrums mit kürzeren Wellenlängen als sichtbares Licht kann menschliches Gewebe schädigen. Ultraviolettes Licht, direkt neben sichtbarem Licht im Spektrum, kann Sonnenbrand und Hautkrebs verursachen.
Strahlung aus dem energiereicheren Ende des ultravioletten Spektrums ist neben Röntgen- und Gammastrahlen bekannt als ionisierende Strahlung: Sie ist energiereich genug, um Elektronen von Atomen abschlagen zu können und die Atome in Ionen. Ionisierende Strahlung kann die DNA schädigen und eine Vielzahl von Gesundheitsproblemen verursachen.
Strahlung aus dem Weltraum
Die Strahlung von Sternen, Supernovae und Schwarzen-Loch-Jets ermöglicht es Astronomen, sie zu sehen. Gammastrahlenausbrüche zum Beispiel sind sehr energiereiche Explosionen, die die hellsten Strahlungsereignisse sind, die im Universum bekannt sind. Die von weit entfernten Sonnen detektierte Strahlung ermöglicht es Astronomen, ihr Alter, ihre Größe und ihren Typ abzuleiten.
Der Platz ist auch voll von kosmische Strahlung: Schnelle Protonen und Atomkerne, die mit fast Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos sausen und viel, viel schwerer sind als Photonen. Aufgrund ihrer Masse und Geschwindigkeit haben sie unglaublich viel Energie.
Auf der Erde ist die Gefahr durch die kosmische Strahlung vernachlässigbar. Die Energie dieser Teilchen wird hauptsächlich dafür verwendet, chemische Bindungen in der Atmosphäre aufzubrechen. Kosmische Strahlung ist jedoch eine wichtige Überlegung für den Menschen im Weltraum.
Reisen in erdnahe Umlaufbahnen, einschließlich der Internationalen Raumstation, sind nach wie vor durch mehrere Faktoren vor kosmischer Strahlung geschützt. Allerdings muss jede langfristige Mission mit Besatzung jenseits der erdnahen Umlaufbahn, zum Beispiel zum Mars oder für eine ausgedehnte Mission zum Mond, die Gesundheitsgefahren der kosmischen Strahlung an seine Astronauten.
Radioaktiver Zerfall
Die Kerne einer radioaktiven Substanz oder eines radioaktiven Materials wie Uran oder Radon sind instabil. Zur Stabilisierung durchlaufen die Kerne Kernreaktionen, einschließlich des spontanen Auseinanderbrechens und der Abgabe von Energie, wenn dies geschieht. Diese Energie wird in Form von Teilchen abgegeben. Die beim Zerfall emittierten Partikel bestimmen, um welche Zerfallsart es sich handelt. Beim Kernzerfall gibt es drei Hauptarten von Strahlung: Alphastrahlung, Betastrahlung und Gammastrahlung.
Gammastrahlung ist die einfachste, da es sich um ein hochenergetisches Photon handelt, das vom radioaktiven Atom mit einer Wellenlänge im Gammabereich des Spektrums emittiert wird.
Betastrahlung ist die Umwandlung eines Protons in ein Neutron, die durch die Emission eines Elektrons ermöglicht wird. Dieser Prozess kann auch in umgekehrter Richtung erfolgen (Umwandlung eines Neutrons in ein Proton), indem ein Positron emittiert wird, das das positiv geladene Antimaterie-Gegenstück eines Elektrons ist. Diese Partikel werden als Beta-Partikel bezeichnet, obwohl sie auch andere Namen haben.
Alphastrahlung ist die Emission eines "Alphateilchens", das aus zwei Neutronen und zwei Protonen besteht. Dies ist auch ein Standard-Heliumkern. Nach diesem Zerfall wird die Ordnungszahl des ursprünglichen Atoms um 2 verringert, wodurch seine elementare Identität geändert wird, und sein Atomgewicht verringert sich um 4. Alle drei Arten von Zerfallsstrahlung sind ionisierend.
Radioaktiver Zerfall hat viele Anwendungen, einschließlich Strahlentherapie, Radiokarbon-Datierung und so weiter.
Strahlungswärmeübertragung
Über elektromagnetische Strahlung kann Wärmeenergie von einem Ort zum anderen übertragen werden. Auf diese Weise erreicht die Wärme die Erde durch das Vakuum des Weltraums von der Sonne.
Die Farbe eines Objekts beeinflusst, wie gut es Wärme aufnehmen kann. Weiß reflektiert die meisten Wellenlängen, während Schwarz absorbiert. Auch silberne und glänzende Gegenstände reflektieren. Je reflektierender etwas ist, desto weniger Strahlungsenergie nimmt es auf und desto weniger erwärmt es sich, wenn es Strahlung ausgesetzt wird. Deshalb werden schwarze Objekte in der Sonne heißer als weiße Objekte.
Gute Lichtabsorber, wie beispielsweise schwarze Objekte, sind auch gute Emitter, wenn sie wärmer als ihre Umgebung sind.
Der Treibhauseffekt
Wenn Strahlung durch ein transparentes oder halbtransparentes Material in einen umschlossenen Bereich gelangt, kann sie bei Absorption und Reemission bei unterschiedlichen Wellenlängen eingefangen werden.
Deshalb wird Ihr Auto in der Sonne so heiß, auch wenn es draußen nur 70 ist; Die Oberflächen in Ihrem Auto absorbieren die Sonnenstrahlung, geben sie jedoch als Wärme mit Wellenlängen wieder ab, die zu lang sind, um die Fensterscheibe zu durchdringen. Stattdessen bleibt die Wärmeenergie im Auto eingeschlossen.
Dies geschieht auch mit der Erdatmosphäre. Von der Sonne erwärmte Erde und Ozeane werden etwas absorbierte Wärme mit anderen Wellenlängen als das Sonnenlicht ursprünglich wieder abgeben. Dadurch wird es unmöglich, dass die Wärme durch die Atmosphäre zurückkehrt und sie näher an der Erde gefangen bleibt.
Schwarzkörperstrahlung
Ein schwarzer Körper ist ein theoretisch, ideales Objekt, das alle Wellenlängen des Lichts absorbiert und alle Wellenlängen des Lichts emittiert. Es emittiert jedoch Licht unterschiedlicher Wellenlänge mit unterschiedlicher Intensität.
Die Intensität des Lichts oder Flusses kann als die Anzahl der Photonen pro Flächeneinheit beschrieben werden, die vom schwarzen Körper emittiert werden. Ein Schwarzkörperspektrum mit einer Wellenlänge auf der x-Achse und einem Fluss auf der y-Achse zeigt immer einen Peak bei einer bestimmten Wellenlänge; Bei dieser Energie werden mehr Photonen emittiert als bei jedem anderen Energiewert.
Dieser Peak ändert sich abhängig von der Temperatur des Schwarzen Körpers gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz: Der Peak nimmt in der Wellenlänge linear ab, wenn die Temperatur des Schwarzen Körpers ansteigt.
In Kenntnis dieser Beziehung modellieren Astronomen Sterne oft als perfekte schwarze Körper. Dies ist zwar eine Näherung, aber es gibt ihnen eine gute Schätzung für die Temperatur des Sterns, die ihnen sagen kann, wo er sich in seinem Lebenszyklus befindet.
Eine weitere wichtige Schwarzkörper-Beziehung ist das Stefan-Boltzmann-Gesetz, das besagt, dass die von einem Schwarzen Körper abgestrahlte Gesamtenergie seiner Temperatur in vierter Potenz proportional ist:4.