Ακτινοβολία: Ορισμός, Τύποι & Παραδείγματα

Η ακτινοβολία μπορεί να είχε πάρει ένα κακό ραπ από πυρηνικά ατυχήματα, αλλά η λέξη "ακτινοβολία" περιλαμβάνει πραγματικά ένα μεγάλο φάσμα φαινομένων. Η ακτινοβολία είναι παντού και βασίζεται σε μεγάλο αριθμό καθημερινών ηλεκτρονικών συσκευών. Χωρίς ακτινοβολία από τον ήλιο, η ζωή στη Γη θα ήταν πολύ διαφορετική, αν υπήρχε καθόλου.

Ο βασικός ορισμός της ακτινοβολίας είναι απλά το εκπομπή ενέργειας, με τη μορφή φωτονίων ή άλλων υποατομικών σωματιδίων. Το αν η ακτινοβολία είναι επικίνδυνη εξαρτάται από το πόση ενέργεια έχουν αυτά τα σωματίδια. Οι τύποι ακτινοβολίας διακρίνονται από τους τύπους σωματιδίων που εμπλέκονται και τις ενέργειές τους.

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται ενέργεια με τη μορφή κυμάτων που ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή φως. Σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, το φως είναι τόσο σωματίδιο όσο και κύμα. Όταν θεωρείται σωματίδιο, ονομάζεται φωτόνιο. Όταν θεωρείται κύμα, ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό κύμα ή κύμα φωτός.

Το φως ταξινομείται ανάλογα με το μήκος κύματος του, το οποίο είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ενέργειά του: Το φως μήκους κύματος έχει χαμηλότερη ενέργεια σε σύγκριση με το φως μικρού μήκους κύματος. Το φάσμα μήκους κύματος του διαιρείται συνήθως σε: ραδιοκύματα, μικροκύματα, υπέρυθρο, ορατό φως, υπεριώδη ακτινοβολία, ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα. Όταν το φως εκπέμπεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αυτή η ακτινοβολία ταξινομείται επίσης από αυτές τις κατηγορίες.

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (η οποία, για να τονίσουμε εκ νέου, είναι δίκαιη φως) είναι πανταχού παρούσα στο σύμπαν και εδώ στη γη. Οι λάμπες εκπέμπουν ορατό φως. μικροκύματα ακτινοβολούν μικροκύματα. Ένα τηλεχειριστήριο ακτινοβολεί υπέρυθρες για να στείλει ένα σήμα σε μια τηλεόραση. Αυτοί οι τύποι ακτινοβολίας είναι χαμηλής ενέργειας και γενικά δεν είναι επιβλαβείς στις ποσότητες στις οποίες εκτίθενται συνήθως οι άνθρωποι.

Το τμήμα του φάσματος με μικρότερα μήκη κύματος από το ορατό φως μπορεί να προκαλέσει βλάβη στον ανθρώπινο ιστό. Το υπεριώδες φως, ακριβώς δίπλα στο ορατό φως στο φάσμα, μπορεί να προκαλέσει ηλιακά εγκαύματα και καρκίνο του δέρματος.

Η ακτινοβολία από το άκρο υψηλότερης ενέργειας του υπεριώδους φάσματος, εκτός από τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γάμμα, είναι γνωστή ως ιονίζουσα ακτινοβολία: Είναι αρκετά ενεργητικό για να μπορεί να χτυπάει ηλεκτρόνια από άτομα, μετατρέποντας τα άτομα σε ιόντα. Η ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί να βλάψει το DNA και να προκαλέσει πλήθος προβλημάτων υγείας.

Η ακτινοβολία από αστέρια, σουπερνόβα και πίδακες μαύρων οπών είναι αυτό που επιτρέπει στους αστρονόμους να τα δουν. Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, για παράδειγμα, είναι πολύ ενεργητικές εκρήξεις που είναι τα πιο φωτεινά γεγονότα ακτινοβολίας που είναι γνωστό ότι συμβαίνουν στο σύμπαν. Η ακτινοβολία που ανιχνεύεται από μακρινούς ήλιους επιτρέπει στους αστρονόμους να συμπεράνουν την ηλικία, το μέγεθος και τον τύπο τους.

Ο χώρος είναι επίσης γεμάτος κοσμικές ακτίνες: Γρήγορα κινούμενα πρωτόνια και ατομικοί πυρήνες που περνούν μέσα από τον Κόσμο σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός που είναι πολύ, πολύ βαρύτερη από τα φωτόνια. Λόγω της μάζας και της ταχύτητάς τους, έχουν απίστευτα υψηλή ποσότητα ενέργειας.

Στη γη, ο κίνδυνος από τις κοσμικές ακτίνες είναι αμελητέος. Η ενέργεια αυτών των σωματιδίων καταναλώνεται ως επί το πλείστον διαλύοντας χημικούς δεσμούς στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, οι κοσμικές ακτίνες αποτελούν σημαντικό παράγοντα για τον άνθρωπο στο διάστημα.

Ταξίδια σε τροχιά χαμηλής γης, συμπεριλαμβανομένου του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού, εξακολουθούν να προστατεύονται από κοσμικές ακτίνες από διάφορους παράγοντες. Ωστόσο, οποιαδήποτε μακροχρόνια αποστολή πληρώματος πέρα ​​από την τροχιά χαμηλής Γης, για παράδειγμα στον Άρη, ή στη Σελήνη για μια εκτεταμένη αποστολή, πρέπει να μετριάσει την κίνδυνοι για την υγεία κοσμικών ακτίνων στους αστροναύτες του.

Οι πυρήνες μιας ραδιενεργού ουσίας ή ραδιενεργού υλικού, όπως το ουράνιο ή το ραδόνιο, είναι ασταθείς. Για να σταθεροποιηθεί, οι πυρήνες θα υποστούν πυρηνικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της αυθόρμητης διάσπασης, αφήνοντας ενέργεια όταν το κάνουν. Αυτή η ενέργεια εκπέμπεται με τη μορφή σωματιδίων. Τα σωματίδια που εκπέμπονται όταν η ουσία αποσυντίθεται καθορίζουν τον τύπο της αποσύνθεσης. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι ακτινοβολίας από την πυρηνική διάσπαση: η ακτινοβολία άλφα, η ακτινοβολία βήτα και η ακτινοβολία γάμμα.

Η ακτινοβολία γάμμα είναι η απλούστερη, καθώς είναι ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας που εκπέμπεται από το ραδιενεργό άτομο με μήκος κύματος στο τμήμα γάμμα του φάσματος.

Η βήτα ακτινοβολία είναι η μετάδοση ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο, που διευκολύνεται από την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου. Αυτή η διαδικασία μπορεί επίσης να συμβεί αντίστροφα (μετατρέποντας ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο) εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο, το οποίο είναι το θετικά φορτισμένο αντίσωμα αντιύλης ενός ηλεκτρονίου. Αυτά τα σωματίδια αναφέρονται ως βήτα σωματίδια παρά το ότι έχουν και άλλα ονόματα.

Η άλφα ακτινοβολία είναι η εκπομπή ενός «σωματιδίου άλφα», το οποίο αποτελείται από δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια. Αυτός είναι επίσης ένας τυπικός πυρήνας ηλίου. Μετά από αυτήν την αποσύνθεση, το αρχικό άτομο έχει μειωθεί ο ατομικός του αριθμός κατά 2, αλλάζοντας τη στοιχειώδη ταυτότητά του και το ατομικό του βάρος μειώθηκε κατά 4. Και τα τρία είδη ακτινοβολίας αποσύνθεσης είναι ιονίζω.

Η ραδιενεργή διάσπαση έχει πολλές χρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της ακτινοθεραπείας, της ραδιοανθρακικής γνωριμίας και ούτω καθεξής.

Η θερμική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από τη μία θέση στην άλλη μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Έτσι η θερμότητα φτάνει στη Γη μέσω του κενού του διαστήματος από τον Ήλιο.

Το χρώμα ενός αντικειμένου επηρεάζει πόσο καλά μπορεί να απορροφήσει τη θερμότητα. Το λευκό αντανακλά τα περισσότερα μήκη κύματος, ενώ το μαύρο απορροφά. Ασημένια και γυαλιστερά αντικείμενα αντανακλούν επίσης. Όσο πιο ανακλαστικό είναι κάτι, τόσο λιγότερη ενέργεια ακτινοβολίας θα απορροφήσει και τόσο λιγότερο θα θερμαίνεται όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία. Γι 'αυτό τα μαύρα αντικείμενα γίνονται πιο καυτά στον ήλιο από τα λευκά αντικείμενα.

Οι καλοί απορροφητές φωτός, όπως τα μαύρα αντικείμενα, είναι επίσης καλοί πομποί όταν είναι θερμότεροι από το περιβάλλον τους.

Εάν η ακτινοβολία διέρχεται από ένα διαφανές ή ημιδιαφανές υλικό σε μια κλειστή περιοχή, μπορεί να παγιδευτεί όταν απορροφάται και εκπέμπεται εκ νέου σε διαφορετικά μήκη κύματος.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το αυτοκίνητό σας ζεσταίνεται τόσο πολύ στον ήλιο ακόμη και αν είναι μόνο 70 εξωτερικά. οι επιφάνειες μέσα στο αυτοκίνητό σας απορροφούν την ακτινοβολία από τον ήλιο, αλλά την εκπέμπουν εκ νέου ως θερμότητα σε μήκη κύματος που είναι πολύ μεγάλα για να διαπεράσουν το τζάμι του παραθύρου. Αντ 'αυτού, η θερμική ενέργεια παραμένει παγιδευμένη μέσα στο αυτοκίνητο.

Αυτό συμβαίνει επίσης με την ατμόσφαιρα της Γης. Η γη και ο ωκεανός που θερμαίνεται από τον ήλιο θα εκπέμψει ξανά απορροφούμενη θερμότητα σε διαφορετικά μήκη κύματος από ό, τι είχε αρχικά το ηλιακό φως. Αυτό θα καταστήσει αδύνατη την επιστροφή της θερμότητας από την ατμόσφαιρα, διατηρώντας την παγιδευμένη πιο κοντά στη Γη.

Ένα μαύρο σώμα είναι ένα θεωρητικός, ιδανικό αντικείμενο που απορροφά όλα τα μήκη κύματος του φωτός και εκπέμπει όλα τα μήκη κύματος του φωτός. Ωστόσο, εκπέμπει φως διαφορετικών μηκών κύματος σε διαφορετικές εντάσεις.

Η ένταση του φωτός ή της ροής μπορεί να περιγραφεί ως ο αριθμός των φωτονίων ανά μονάδα επιφάνειας που εκπέμπεται από το μαύρο σώμα. Ένα φάσμα μαύρου σώματος, με μήκος κύματος στον άξονα x και ροή στον άξονα y, θα δείχνει πάντα μια κορυφή σε ένα ορισμένο μήκος κύματος. περισσότερα φωτόνια εκπέμπονται με αυτήν την ενέργεια από οποιαδήποτε άλλη τιμή ενέργειας.

Αυτή η κορυφή αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία του μαύρου σώματος σύμφωνα με τον νόμο περί μετατόπισης του Wien: Η κορυφή θα μειωθεί γραμμικά στο μήκος κύματος καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του μαύρου σώματος.

Γνωρίζοντας αυτήν τη σχέση, οι αστρονόμοι μοντελοποιούν συχνά τα αστέρια ως τέλεια blackbodies. Ενώ αυτή είναι μια προσέγγιση, τους δίνει μια καλή εκτίμηση για τη θερμοκρασία του αστεριού, η οποία μπορεί να τους πει για το πού βρίσκεται στον κύκλο ζωής του.

Μια άλλη σημαντική σχέση με το μαύρο σώμα είναι ο νόμος Stefan-Boltzmann, ο οποίος λέει ότι η συνολική ενέργεια που ακτινοβολείται από ένα μαύρο σώμα είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία που μεταφέρεται στην τέταρτη ισχύ:⁴.