Les radiations ont peut-être eu mauvaise réputation à cause des accidents nucléaires, mais le mot « radiation » englobe en fait un large éventail de phénomènes. Les radiations sont partout et un grand nombre d'appareils électroniques quotidiens en dépendent. Sans le rayonnement solaire, la vie sur Terre serait très différente, si elle existait.
La définition de base du rayonnement est simplement la émission d'énergie, sous forme de photons ou d'autres particules subatomiques. Le fait que le rayonnement soit dangereux ou non dépend de la quantité d'énergie que possèdent ces particules. Les types de rayonnement se distinguent par les types de particules impliquées et leurs énergies.
Un rayonnement électromagnétique
Le rayonnement électromagnétique est une énergie émise sous forme d'ondes appelées ondes électromagnétiques, ou lumière. Selon la mécanique quantique, la lumière est à la fois une particule et une onde. Lorsqu'il est considéré comme une particule, on l'appelle photon. Lorsqu'elle est considérée comme une onde, elle est appelée onde électromagnétique ou onde lumineuse.
La lumière est classée en fonction de sa longueur d'onde, qui est inversement proportionnelle à son énergie: la lumière à longue longueur d'onde a une énergie plus faible que la lumière à courte longueur d'onde. Son spectre de longueur d'onde est le plus souvent divisé en: ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, rayonnement ultraviolet, rayons X et rayons gamma. Lorsque la lumière est émise sous forme de rayonnement électromagnétique, ce rayonnement est également classé dans ces catégories.
Le rayonnement électromagnétique (qui, pour le souligner à nouveau, est juste lumière) est omniprésent dans l'univers et ici sur terre. Les ampoules émettent de la lumière visible; les micro-ondes émettent des micro-ondes. Une télécommande émet des infrarouges pour envoyer un signal à un téléviseur. Ces types de rayonnement sont de faible énergie et ne sont généralement pas nocifs dans les quantités auxquelles les humains sont normalement exposés.
La partie du spectre avec des longueurs d'onde plus courtes que la lumière visible peut endommager les tissus humains. La lumière ultraviolette, juste à côté de la lumière visible sur le spectre, peut provoquer des coups de soleil et le cancer de la peau.
Le rayonnement de l'extrémité à haute énergie du spectre ultraviolet, en plus des rayons X et des rayons gamma, est connu comme rayonnement ionisant: il est suffisamment énergétique pour pouvoir éliminer les électrons des atomes, transformant les atomes en ions. Les rayonnements ionisants peuvent endommager l'ADN et causer une multitude de problèmes de santé.
Rayonnement de l'espace
Le rayonnement des étoiles, des supernovae et des jets de trous noirs est ce qui permet aux astronomes de les voir. Les sursauts de rayons gamma, par exemple, sont des explosions très énergétiques qui sont les événements de rayonnement les plus brillants connus pour se produire dans l'univers. Le rayonnement détecté par les soleils lointains permet aux astronomes d'en déduire leur âge, leur taille et leur type.
L'espace est aussi plein de rayons cosmiques: Des protons en mouvement rapide et des noyaux atomiques qui traversent le cosmos à presque la vitesse de la lumière qui sont beaucoup, beaucoup plus lourds que les photons. En raison de leur masse et de leur vitesse, ils ont des quantités d'énergie incroyablement élevées.
Sur terre, le danger posé par les rayons cosmiques est négligeable. L'énergie de ces particules est principalement dépensée pour briser les liaisons chimiques dans l'atmosphère. Cependant, les rayons cosmiques sont une considération majeure pour les humains dans l'espace.
Les voyages en orbite terrestre basse, y compris la Station spatiale internationale, sont toujours protégés des rayons cosmiques par plusieurs facteurs. Cependant, toute mission en équipage de longue durée au-delà de l'orbite terrestre basse, vers Mars par exemple, ou vers la Lune pour une mission prolongée, doit atténuer les danger pour la santé de rayons cosmiques à ses astronautes.
Désintégration radioactive
Les noyaux d'une substance radioactive ou d'une matière radioactive, comme l'uranium ou le radon, sont instables. Pour se stabiliser, les noyaux subiront des réactions nucléaires, y compris la rupture spontanée, libérant de l'énergie lorsqu'ils le font. Cette énergie est émise sous forme de particules. Les particules émises lorsque la substance se désintègre déterminent de quel type de désintégration il s'agit. Il existe trois principaux types de rayonnement provenant de la désintégration nucléaire: le rayonnement alpha, le rayonnement bêta et le rayonnement gamma.
Le rayonnement gamma est le plus simple, car il s'agit d'un photon de haute énergie émis par l'atome radioactif avec une longueur d'onde dans la partie gamma du spectre.
Le rayonnement bêta est la transmutation d'un proton en neutron, facilitée par l'émission d'un électron. Ce processus peut également se produire en sens inverse (transformer un neutron en proton) en émettant un positron, qui est la contrepartie antimatière chargée positivement d'un électron. Ces particules sont appelées particules bêta bien qu'elles aient également d'autres noms.
Le rayonnement alpha est l'émission d'une « particule alpha », constituée de deux neutrons et de deux protons. C'est aussi un noyau d'hélium standard. Après cette désintégration, l'atome d'origine voit son numéro atomique diminué de 2, modifiant son identité élémentaire, et son poids atomique diminué de 4. Les trois types de rayonnement de désintégration sont ionisant.
La désintégration radioactive a de nombreuses utilisations, notamment la radiothérapie, la datation au radiocarbone, etc.
Transfert de chaleur radiatif
L'énergie thermique peut être transférée d'un endroit à un autre par rayonnement électromagnétique. C'est ainsi que la chaleur atteint la Terre à travers le vide de l'espace du Soleil.
La couleur d'un objet affecte sa capacité d'absorption de la chaleur. Le blanc réfléchit la plupart des longueurs d'onde, tandis que le noir absorbe. Les objets argentés et brillants se reflètent également. Plus quelque chose est réfléchissant, moins il absorbera d'énergie radiative et moins il chauffera lorsqu'il sera exposé au rayonnement. C'est pourquoi les objets noirs deviennent plus chauds au soleil que les objets blancs.
Les bons absorbeurs de lumière, comme les objets noirs, sont également de bons émetteurs lorsqu'ils sont plus chauds que leur environnement.
L'effet de serre
Si le rayonnement traverse un matériau transparent ou semi-transparent dans une région fermée, il peut être piégé lorsqu'il est absorbé et réémis à différentes longueurs d'onde.
C'est pourquoi votre voiture devient si chaude au soleil même s'il ne fait que 70 à l'extérieur; les surfaces à l'intérieur de votre voiture absorbent le rayonnement du soleil, mais le réémettent sous forme de chaleur à des longueurs d'onde trop longues pour pénétrer dans la vitre. Ainsi, au lieu de cela, l'énergie thermique reste piégée dans la voiture.
Cela se produit également avec l'atmosphère terrestre. La terre et l'océan réchauffés par le soleil réémettront de la chaleur absorbée à des longueurs d'onde différentes de celles de la lumière du soleil à l'origine. Cela rendra impossible le retour de la chaleur à travers l'atmosphère, la maintenant piégée plus près de la Terre.
Rayonnement du corps noir
Un corps noir est un théorique, objet idéal qui absorbe toutes les longueurs d'onde de la lumière et émet toutes les longueurs d'onde de la lumière. Cependant, il émet de la lumière de différentes longueurs d'onde à différentes intensités.
L'intensité de la lumière, ou flux, peut être décrite comme le nombre de photons par unité de surface émis par le corps noir. Un spectre de corps noir, avec une longueur d'onde sur l'axe des x et un flux sur l'axe des y, montrera toujours un pic à une certaine longueur d'onde; plus de photons sont émis avec cette énergie que toute autre valeur d'énergie.
Ce pic change en fonction de la température du corps noir selon la loi de déplacement de Wien: le pic diminuera linéairement en longueur d'onde à mesure que la température du corps noir augmente.
Connaissant cette relation, les astronomes modélisent souvent les étoiles comme des corps noirs parfaits. Bien qu'il s'agisse d'une approximation, cela leur donne une bonne estimation de la température de l'étoile, ce qui peut leur dire où elle se trouve dans son cycle de vie.
Une autre relation importante du corps noir est la loi de Stefan-Boltzmann, qui dit que l'énergie totale rayonnée par un corps noir est proportionnelle à sa température prise à la quatrième puissance: E ∝ T4.