Kiirgus: määratlus, tüübid ja näited

Kiirgus võis tuumaõnnetustest halva räpi saada, kuid sõna "kiirgus" hõlmab tegelikult paljusid nähtusi. Kiirgus on kõikjal ja sellele tuginevad paljud igapäevased elektroonikaseadmed. Ilma päikesekiirguseta näeks elu Maal hoopis teistsugune, kui see üldse olemas oleks.

Kiirguse põhiline määratlus on lihtsalt energia emissioon, footonite või muude subatomaarsete osakeste kujul. Kas kiirgus on ohtlik või mitte, sõltub sellest, kui palju neil osakestel energiat on. Kiirguse tüüpe eristatakse osalevate osakeste tüüpide ja nende energia järgi.

Elektromagnetkiirgus kiirgab energiat lainete kujul, mida nimetatakse elektromagnetlaineteks ehk valguseks. Kvantmehaanika järgi on valgus nii osake kui ka laine. Kui seda peetakse osakeseks, nimetatakse seda footoniks. Kui seda peetakse laineks, nimetatakse seda elektromagnetlaineks või valguslaineks.

Valgus klassifitseeritakse sõltuvalt selle lainepikkusest, mis on pöördvõrdeline selle energiaga: Pika lainepikkusega valguse energia on lühikese lainepikkusega võrreldes väiksem. Selle lainepikkuse spekter jaguneb kõige sagedamini: raadiolaineteks, mikrolaineahjudeks, infrapuna-, nähtavaks valgus-, ultraviolettkiirguseks, röntgen- ja gammakiirteks. Kui valgus eraldub elektromagnetkiirgusena, klassifitseeritakse see kiirgus ka nende kategooriate järgi.

Elektromagnetkiirgus (mis uuesti rõhutamiseks on õiglane valgus) on universumis ja siin maa peal kõikjal. Lambipirnid kiirgavad nähtavat valgust; mikrolaineahjud kiirgavad mikrolaineahjusid. Telerile signaali saatmiseks kiirgab kaugjuhtimispult infrapuna. Seda tüüpi kiirgus on madala energiaga ega ole tavaliselt kahjulik kogustes, millega inimesed tavaliselt kokku puutuvad.

Spektri osa, mille lainepikkused on lühemad kui nähtaval valgusel, võib kahjustada inimese kudesid. Ultraviolettvalgus, otse spektri nähtava valguse kõrval, võib põhjustada päikesepõletust ja nahavähki.

Lisaks röntgenkiirtele ja gammakiirtele on teada ultraviolettkiirguse spektri kõrgema energiaga otsast tulev kiirgus kui ioniseeriv kiirgus: see on piisavalt energiline, et oleks võimalik elektronid aatomitest maha lüüa, muutes aatomid ioonid. Ioniseeriv kiirgus võib kahjustada DNA-d ja põhjustada paljusid terviseprobleeme.

Tähtede, supernoovade ja mustade aukude joade kiirgus võimaldab astronoomidel neid näha. Näiteks gammakiirte pursked on väga energeetilised plahvatused, mis on kõige eredamad teadaolevalt universumis esinevad kiirgusüritused. Kaugete päikeste tuvastatud kiirgus võimaldab astronoomidel järeldada nende vanust, suurust ja tüüpi.

Kosmos on ka täis kosmilised kiired: Kiirelt liikuvad prootonid ja aatomituumid, mis tõmbuvad läbi kosmose peaaegu valguskiirusel, mis on palju, palju raskem kui footonid. Oma massi ja kiiruse tõttu on neil uskumatult palju energiat.

Maal on kosmiliste kiirtega kaasnev oht tühine. Nende osakeste energia kulub enamasti atmosfääris keemiliste sidemete purustamiseks. Kosmilised kiired on aga kosmoses viibivate inimeste jaoks peamine kaalutlus.

Reisid madalal Maa orbiidil, sealhulgas Rahvusvaheline Kosmosejaam, on endiselt kosmilise kiirguse eest kaitstud mitme teguri poolt. Kuid mis tahes pikaajaline meeskonnaga missioon väljaspool Maa madalat orbiiti, näiteks Marsile või pikendatud missiooniks Kuule, peab leevendama ohud tervisele oma astronautidele.

Radioaktiivse aine või radioaktiivse materjali, näiteks uraani või radooni tuumad on ebastabiilsed. Stabiliseerumiseks läbivad tuumad tuumareaktsioonid, sealhulgas spontaanselt lagunevad, lastes energia ära, kui nad seda teevad. See energia eraldub osakeste kujul. Aine lagunemisel eralduvad osakesed määravad, mis tüüpi lagunemine see on. Tuumade lagunemisel on kolm peamist tüüpi kiirgust: alfa-, beeta- ja gammakiirgus.

Gammakiirgus on kõige lihtsam, kuna see on radioaktiivsest aatomist eralduv suure energiaga footon, mille lainepikkus on spektri gammaosas.

Beetakiirgus on prootoni transmutatsioon neutroniks, mida hõlbustab elektronemissioon. See protsess võib toimuda ka vastupidises suunas (muundades neutroni prootoniks), eraldades positroni, mis on elektroni positiivselt laetud antiaine vaste. Nendele osakestele viidatakse beetaosakestele, vaatamata sellele, et neil on ka teisi nimetusi.

Alfa-kiirgus on "alfa-osakese" kiirgus, mis koosneb kahest neutronist ja kahest prootonist. See on ka tavaline heeliumituum. Pärast seda lagunemist on algse aatomi aatomite arv vähenenud 2 võrra, muutes selle elementaarset identiteeti, ja aatommass vähenes 4 võrra. Kõik kolm lagunemiskiirust on ioniseeriv.

Radioaktiivsel lagunemisel on palju kasutusvõimalusi, sealhulgas kiiritusravi, radiosüsiniku dateerimine jne.

Soojusenergiat saab elektromagnetkiirguse kaudu ühest kohast teise edastada. Nii jõuab soojus Maalt läbi kosmose vaakumi Päikesest.

Eseme värv mõjutab seda, kui hästi see soojust neelab. Valge peegeldab enamikku lainepikkustest, must aga neelab. Peegeldavad ka hõbedased ja läikivad esemed. Mida rohkem midagi peegeldavat on, seda vähem kiirgusenergiat see neelab ja seda vähem kuumutatakse kiirgusega kokku puutudes. Sellepärast muutuvad mustad esemed päikese käes kuumaks kui valged esemed.

Head valguse neelajad, näiteks mustad esemed, on ka ümbritsevast soojemad, kui nad on soojemad.

Kui kiirgus läbib läbipaistvat või poolläbipaistvat materjali suletud piirkonda, võib see erineval lainepikkusel neeldumisel ja uuesti eraldumisel jääda kinni.

Sellepärast muutub teie auto päikese käes nii kuumaks, isegi kui väljas on ainult 70; teie auto sisemuses asuvad pinnad neelavad päikesekiirgust, kuid eraldavad seda uuesti soojusena lainepikkustel, mis on aknaklaasist tungimiseks liiga pikad. Niisiis jääb soojusenergia autosse kinni.

See juhtub ka Maa atmosfääriga. Päikesesoojendusega maa ja ookean eraldavad taas osa neeldunud soojusest erineva lainepikkusega, kui päikesevalgus algselt oli. See muudab soojuse tagasituleku atmosfääri kaudu võimatuks, hoides seda Maale lähemal.

Mustkeha on a teoreetiline, ideaalne objekt, mis neelab kõik valguse lainepikkused ja kiirgab kõik valguse lainepikkused. Kuid see kiirgab erineva lainepikkusega valgust erineva intensiivsusega.

Valguse intensiivsust ehk voogu võib kirjeldada kui mustast kehast eralduvate footonite arvu pindalaühiku kohta. Mustkeha spektri lainepikkus x-teljel ja voog y-teljel näitab alati teatud lainepikkusel piiki; selle energiaga eraldub rohkem footoneid kui mis tahes muu energia väärtus.

See tipp muutub sõltuvalt mustkeha temperatuurist vastavalt Viini nihutusseadusele: Piik langeb lineaarselt lainepikkuses, kui musta keha temperatuur tõuseb.

Teades seda suhet, modelleerivad astronoomid tähti täiuslike mustkehadena. Kuigi see on ligikaudne, annab see neile tähe temperatuuri hea hinnangu, mis annab neile teada, kus see on oma elutsüklis.

Teine oluline mustkeha seos on Stefan-Boltzmanni seadus, mis ütleb, et musta keha kiiratav koguenergia on võrdeline tema neljanda astmega võetud temperatuuriga: E ∝ T⁴.