Säteily: Määritelmä, tyypit ja esimerkit

Säteily on voinut saada huono rap ydinonnettomuuksista, mutta sana "säteily" käsittää itse asiassa suuren määrän ilmiöitä. Säteily on kaikkialla, ja suuri osa jokapäiväisistä elektronisista laitteista luottaa siihen. Ilman auringon säteilyä elämä maapallolla näyttäisi hyvin erilaiselta, jos sitä olisi ollenkaan olemassa.

Säteilyn perusmäärittely on yksinkertaisesti energian päästöt, fotonien tai muiden subatomisten hiukkasten muodossa. Säteilyn vaarallisuus riippuu siitä, kuinka paljon energiaa näillä hiukkasilla on. Säteilytyypit erotetaan mukana olevien hiukkastyyppien ja niiden energian perusteella.

Sähkömagneettinen säteily lähettää energiaa aaltojen muodossa, joita kutsutaan sähkömagneettisiksi aaltoiksi tai valoksi. Kvanttimekaniikan mukaan valo on sekä hiukkanen että aalto. Kun sitä pidetään hiukkasena, sitä kutsutaan fotoniksi. Kun sitä pidetään aallona, ​​sitä kutsutaan sähkömagneettiseksi aalloksi tai valoaalloksi.

Valo luokitellaan sen aallonpituuden mukaan, joka on kääntäen verrannollinen sen energiaan: Pitkän aallonpituuden valolla on pienempi energia kuin lyhyen aallonpituudella. Sen aallonpituusspektri on jaettu yleisimmin: radioaallot, mikroaallot, infrapuna, näkyvä valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteet ja gammasäteet. Kun valo lähtee sähkömagneettisena säteilynä, tämä säteily luokitellaan myös näihin luokkiin.

Sähkömagneettinen säteily (joka korostetaan uudelleen, on oikeudenmukaista kevyt) on kaikkialla maailmassa ja täällä maan päällä. Hehkulamput säteilevät näkyvää valoa; mikroaallot säteilevät mikroaaltoja. Kaukosäädin säteilee infrapunaa lähettääkseen signaalin televisioon. Tämäntyyppiset säteilyt ovat vähäenergiaisia ​​eivätkä yleensä ole haitallisia ihmisille normaalisti altistuvina määrinä.

Spektrin osa, jolla on lyhyempi aallonpituus kuin näkyvällä valolla, voi vahingoittaa ihmiskudosta. Ultraviolettivalo, aivan spektrin näkyvän valon vieressä, voi aiheuttaa auringonpolttamia ja ihosyöpää.

Säteily ultraviolettispektrin korkeamman energian päästä, röntgensäteiden ja gammasäteiden lisäksi, tunnetaan ionisoivana säteilynä: Se on tarpeeksi energinen voidakseen lyödä elektronit pois atomista, muuttamalla atomit ioneja. Ionisoiva säteily voi vahingoittaa DNA: ta ja aiheuttaa lukuisia terveysongelmia.

Tähtien, supernoovien ja mustien aukkojen suihkutus antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden nähdä ne. Esimerkiksi gammasäteily on erittäin energinen räjähdys, joka on kirkkain säteilytapahtuma, jonka tiedetään esiintyvän maailmankaikkeudessa. Kaukaisista auringoista havaittu säteily antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden päättää iän, koon ja tyypin.

Avaruus on myös täynnä kosmiset säteet: Nopeasti liikkuvat protonit ja atomiytimet, jotka vetävät kosmosen läpi lähes valon nopeudella, joka on paljon, paljon raskaampaa kuin fotonit. Massansa ja nopeutensa vuoksi heillä on uskomattoman suuri määrä energiaa.

Maapallolla kosmisten säteiden aiheuttama vaara on merkityksetön. Näiden hiukkasten energia käytetään enimmäkseen hajottamalla kemialliset sidokset ilmakehässä. Kosmiset säteet ovat kuitenkin tärkein näkökohta ihmisille avaruudessa.

Matkat matalan maan kiertoradalla, mukaan lukien Kansainvälinen avaruusasema, ovat edelleen suojattuja kosmisilta säteiltä useilla tekijöillä. Kaikkien pitkäaikaisten miehistöoperaatioiden, jotka ovat matalan Maan kiertoradan ulkopuolella, esimerkiksi Marsiin tai Kuuhun laajennettua tehtävää varten, on lievennettävä terveysvaarat kosmisista säteistä sen astronautteille.

Radioaktiivisen aineen tai radioaktiivisen materiaalin, kuten uraanin tai radonin, ytimet ovat epävakaita. Vakauttamiseksi ytimille tehdään ydinreaktioita, mukaan lukien spontaani hajoaminen, päästämällä energia pois, kun ne tekevät. Tämä energia vapautuu hiukkasten muodossa. Aineen hajoamisen yhteydessä vapautuvat hiukkaset määräävät minkä tyyppisen hajoamisen se on. Ytimen hajoamisesta on kolme päätyyppiä: alfa-, beeta- ja gammasäteily.

Gammasäteily on yksinkertaisinta, koska se on radioaktiivisesta atomista lähtevä suurenerginen fotoni, jonka aallonpituus on spektrin gammaosassa.

Beetasäteily on protonin transmutaatio neutroniksi, jota helpottaa elektronin emissio. Tämä prosessi voi tapahtua myös päinvastaisessa järjestyksessä (muuntamalla neutroni protoniksi) emittoimalla positroni, joka on elektronin positiivisesti varautunut antimateriaalinen vastine. Näitä hiukkasia kutsutaan beetahiukkasiksi, vaikka niillä on myös muita nimiä.

Alfa-säteily on "alfa-hiukkasen" säteily, joka koostuu kahdesta neutronista ja kahdesta protonista. Tämä on myös tavallinen heliumydin. Tämän hajoamisen jälkeen alkuperäisen atomin atomiluku pienenee 2: lla, muuttaen sen alkuaineidentiteettiä, ja sen atomipaino pienenee 4: llä. Kaikki kolme erilaista hajoamissäteilyä ovat ionisoiva.

Radioaktiivisella hajoamisella on monia käyttötarkoituksia, mukaan lukien sädehoito, radiohiilikuittaus ja niin edelleen.

Lämpöenergia voidaan siirtää paikasta toiseen sähkömagneettisen säteilyn kautta. Näin lämpö saavuttaa maapallon avaruuden tyhjiön kautta auringosta.

Esineen väri vaikuttaa siihen, kuinka hyvin se voi absorboida lämpöä. Valkoinen heijastaa suurinta osaa aallonpituuksia, kun taas musta absorboi. Hopea ja kiiltävät esineet heijastavat myös. Mitä enemmän heijastavaa on, sitä vähemmän säteilyenergiaa se absorboi ja sitä vähemmän se lämpenee altistettaessa säteilylle. Siksi mustat esineet kuumenevat auringossa kuin valkoiset esineet.

Hyvät valoa absorboivat aineet, kuten mustat esineet, ovat myös hyviä säteilijöitä, kun ne ovat ympäristöään lämpimämpiä.

Jos säteily kulkee läpinäkyvän tai osittain läpinäkyvän materiaalin läpi suljetulle alueelle, se voi jäädä loukkuun absorboituneena ja uudelleen emittoivana eri aallonpituuksilla.

Siksi autosi kuumenee auringossa, vaikka ulkona olisi vain 70; autosi sisällä olevat pinnat absorboivat auringon säteilyä, mutta lähettävät sitä uudelleen lämpönä aallonpituuksilla, jotka ovat liian pitkiä tunkeutumaan ikkunalasiin. Joten sen sijaan lämpöenergia pysyy loukussa auton sisällä.

Tämä tapahtuu myös maapallon ilmakehän kanssa. Auringon lämmitetty maa ja valtameri lähettävät uudelleen absorboitunutta lämpöä eri aallonpituuksilla kuin auringonvalo alun perin oli. Tämän vuoksi lämmön paluu ilmakehän läpi on mahdotonta ja pitää sen loukussa lähempänä maata.

Musta runko on a teoreettinen, ihanteellinen esine, joka absorboi kaikki valon aallonpituudet ja lähettää kaikki valon aallonpituudet. Se kuitenkin lähettää eri aallonpituuksien valoa eri intensiteeteillä.

Valon voimakkuutta tai virtausta voidaan kuvata fotonien lukumäärästä mustasta rungosta emittoituvaa pinta-alayksikköä kohti. Mustan kappaleen spektri, jonka aallonpituus on x-akselilla ja virtaus y-akselilla, näyttää aina piikin tietyllä aallonpituudella; tällä fotolla tuotetaan enemmän fotoneja kuin mikään muu energian arvo.

Tämä huippu muuttuu mustan rungon lämpötilan mukaan Wienin siirtolain mukaan: Huippu laskee lineaarisesti aallonpituudella, kun mustan rungon lämpötila nousee.

Tietäen tämän suhteen tähtitieteilijät mallinnavat tähtiä täydellisinä mustarunkoina. Vaikka tämä on likiarvo, se antaa heille hyvän arvion tähden lämpötilasta, mikä voi kertoa heille missä se on sen elinkaaressa.

Toinen tärkeä mustan rungon suhde on Stefan-Boltzmannin laki, jonka mukaan mustan kappaleen säteilemä kokonaisenergia on verrannollinen sen lämpötilaan, joka otetaan neljänteen voimaan: E ∝ T⁴.