Zračenje: definicija, vrste i primjeri

Zračenje je možda loše prošlo zbog nuklearnih nesreća, ali riječ "zračenje" zapravo obuhvaća širok spektar pojava. Zračenje je posvuda i na njega se oslanja veliki broj svakodnevnih elektroničkih uređaja. Bez zračenja sunca život na Zemlji izgledao bi sasvim drugačije, da uopće postoji.

Osnovna definicija zračenja jednostavno je emisija energije, u obliku fotona ili drugih subatomskih čestica. Je li zračenje opasno ili ne, ovisi o tome koliko energije imaju te čestice. Vrste zračenja razlikuju se po vrstama uključenih čestica i njihovim energijama.

Elektromagnetsko zračenje emitira energiju u obliku valova koji se nazivaju elektromagnetski valovi ili svjetlost. Prema kvantnoj mehanici, svjetlost je i čestica i val. Kad se smatra česticom, naziva se foton. Kad se smatra valom, naziva se elektromagnetski val ili svjetlosni val.

Svjetlost se klasificira ovisno o valnoj duljini, koja je obrnuto proporcionalna njezinoj energiji: Svjetlost duge valne duljine ima nižu energiju u usporedbi sa svjetlošću kratke valne duljine. Njegov spektar valnih duljina najčešće se dijeli na: radiovalove, mikrovalne, infracrvene, vidljivo svjetlo, ultraljubičasto zračenje, x-zrake i gama zrake. Kada se svjetlost emitira kao elektromagnetsko zračenje, i to se zračenje klasificira prema ovim kategorijama.

Elektromagnetsko zračenje (što je, da ponovno naglasim, pravedno svjetlo) je sveprisutan u svemiru i ovdje na zemlji. Žarulje zrače vidljivom svjetlošću; mikrovalne pećnice zrače mikrovalnim pećnicama. Daljinski upravljač zrači infracrveno kako bi poslao signal na televizor. Te vrste zračenja su niskoenergetske i uglavnom nisu štetne u količinama kojima su ljudi obično izloženi.

Dio spektra kraćih valnih duljina od vidljive svjetlosti može naštetiti ljudskom tkivu. Ultraljubičasto svjetlo, neposredno uz vidljivo svjetlo u spektru, može uzrokovati opekline i rak kože.

Poznato je zračenje s visokoenergetskog kraja ultraljubičastog spektra, uz rendgenske i gama zrake kao ionizirajuće zračenje: Dovoljno je energično da može odbiti elektrone od atoma, pretvarajući atome u ioni. Jonizirajuće zračenje može oštetiti DNA i prouzrokovati mnoštvo zdravstvenih problema.

Zračenje zvijezda, supernova i mlaznica crnih rupa ono je što omogućava astronomima da ih vide. Na primjer, eksplozije gama zraka vrlo su energične eksplozije koje su najsjajniji događaji zračenja za koje se zna da se događaju u svemiru. Zračenje otkriveno s dalekih sunca omogućava astronomima da utvrde svoju dob, veličinu i vrstu.

Prostora je također puno kozmičke zrake: Protoni i atomske jezgre koje se brzo kreću i prolaze kroz kozmos gotovo brzinom svjetlosti koje su mnogo, puno teže od fotona. Zbog svoje mase i brzine imaju nevjerojatno velike količine energije.

Na zemlji je opasnost koju predstavljaju kozmičke zrake zanemariva. Energija ovih čestica uglavnom se troši na razbijanje kemijskih veza u atmosferi. Međutim, kozmičke zrake su glavna briga za ljude u svemiru.

Putovanja u orbiti niske Zemlje, uključujući Međunarodnu svemirsku postaju, i dalje su zaštićena od kozmičkih zraka nekoliko čimbenika. Međutim, svaka dugoročna misija posade izvan orbite niske Zemlje, na primjer, na Mars ili na Mjesec za produženu misiju, mora ublažiti opasnosti po zdravlje kozmičkih zraka svojim astronautima.

Jezgre radioaktivne tvari ili radioaktivnog materijala, poput urana ili radona, nestabilne su. Da bi se stabilizirale, jezgre će proći nuklearne reakcije, uključujući spontano raspadanje, ispuštajući energiju kad to učine. Ova se energija emitira u obliku čestica. Čestice koje se emitiraju kad se tvar raspada određuju o kojoj se vrsti raspada radi. Tri su glavne vrste zračenja od nuklearnog raspada: alfa zračenje, beta zračenje i gama zračenje.

Gama zračenje je najjednostavnije, jer je riječ o visokoenergijskom fotonu koji se emitira iz radioaktivnog atoma s valnom duljinom u gama dijelu spektra.

Beta zračenje je transmutacija protona u neutron, olakšana emisijom elektrona. Taj se postupak može dogoditi i obrnuto (pretvaranje neutrona u proton) emitiranjem pozitrona, koji je pozitivno nabijeni antimaterija. Te se čestice nazivaju beta česticama unatoč tome što imaju i druga imena.

Alfa zračenje je emisija "alfa čestice", koja se sastoji od dva neutrona i dva protona. Ovo je također standardna jezgra helija. Nakon ovog raspada, atomskom se broju izvornog atoma smanjio za 2, mijenjajući svoj elementarni identitet, a atomska težina smanjila se za 4. Sve tri vrste raspadajućeg zračenja su ionizirajuće.

Radioaktivni raspad ima brojne svrhe, uključujući terapiju zračenjem, datiranje radio-ugljikom i tako dalje.

Toplinska energija može se prenositi s jednog mjesta na drugo pomoću elektromagnetskog zračenja. Tako toplina dolazi do Zemlje kroz vakuum prostora od Sunca.

Boja predmeta utječe na to koliko dobro može apsorbirati toplinu. Bijela odražava većinu valnih duljina, dok crna upija. Srebrni i sjajni predmeti također se odražavaju. Što je nešto reflektirajuće, to će manje zračne energije apsorbirati, a manje će se zagrijavati kada je izloženo zračenju. Zbog toga crni predmeti postaju vrući na suncu od bijelih predmeta.

Dobri apsorberi svjetlosti, poput crnih predmeta, također su dobri zračnici kad su topliji od svoje okoline.

Ako zračenje prođe kroz prozirni ili poluprozirni materijal u zatvoreno područje, može se zarobiti kada se apsorbira i ponovno emitira na različitim valnim duljinama.

Zbog toga se vaš automobil toliko zagrijava na suncu, čak i ako je vani samo 70; površine unutar vašeg automobila upijaju zračenje sunca, ali ga ponovno emitiraju kao toplinu na valnim duljinama koje su preduge da bi prodrle kroz staklo prozora. Dakle, umjesto toga, toplinska energija ostaje zarobljena u automobilu.

To se također događa sa Zemljinom atmosferom. Suncem zagrijana zemlja i ocean ponovno će emitirati apsorbiranu toplinu na različitim valnim duljinama nego što ih je sunčeva svjetlost imala. To će onemogućiti povratak topline kroz atmosferu, zadržavajući je zarobljenom bliže Zemlji.

Crnac je teoretski, idealan objekt koji apsorbira sve valne duljine svjetlosti i emitira sve valne duljine svjetlosti. Međutim, emitira svjetlost različitih valnih duljina različitih intenziteta.

Intenzitet svjetlosti ili fluksa može se opisati kao broj fotona po jedinici površine koji se emitiraju iz crnog tijela. Spektar crnih tijela, s valnom duljinom na osi x i fluksom na osi y, uvijek će pokazivati ​​vrh na određenoj valnoj duljini; ovom se energijom emitira više fotona nego bilo koja druga vrijednost energije.

Ovaj se vrh mijenja ovisno o temperaturi crnog tijela prema Wienovom zakonu o istjerivanju: Vrh će se linearno smanjivati ​​u valnoj duljini kako se temperatura crnog tijela povećava.

Poznavajući tu vezu, astronomi često modeliraju zvijezde kao savršena crna tijela. Iako je ovo aproksimacija, daje im dobru procjenu temperature zvijezde koja im može reći o tome gdje se nalazi u svom životnom ciklusu.

Sljedeći važan odnos crnih tijela je Stefan-Boltzmannov zakon koji kaže da je ukupna energija koju zrači crno tijelo proporcionalna njegovoj temperaturi odvedenoj u četvrtu snagu: E ∝ T⁴.