Le radiazioni potrebbero aver ricevuto una brutta reputazione da incidenti nucleari, ma la parola "radiazioni" in realtà comprende una vasta gamma di fenomeni. Le radiazioni sono ovunque e un gran numero di dispositivi elettronici di tutti i giorni fa affidamento su di esse. Senza le radiazioni del sole, la vita sulla Terra sarebbe molto diversa, se mai esistesse.
La definizione di base di radiazione è semplicemente la emissione di energia, sotto forma di fotoni o altre particelle subatomiche. Il fatto che le radiazioni siano pericolose o meno dipende da quanta energia hanno quelle particelle. I tipi di radiazione si distinguono per i tipi di particelle coinvolte e le loro energie.
Radiazioni elettromagnetiche
La radiazione elettromagnetica è energia emessa sotto forma di onde chiamate onde elettromagnetiche o luce. Secondo la meccanica quantistica, la luce è sia una particella che un'onda. Quando viene considerato come una particella, viene chiamato fotone. Quando viene considerata come un'onda, viene chiamata onda elettromagnetica o onda luminosa.
La luce è classificata in base alla sua lunghezza d'onda, che è inversamente proporzionale alla sua energia: la luce a lunghezza d'onda lunga ha un'energia inferiore rispetto alla luce a lunghezza d'onda corta. Il suo spettro di lunghezze d'onda è più comunemente suddiviso in: onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, radiazioni ultraviolette, raggi X e raggi gamma. Quando la luce viene emessa come radiazione elettromagnetica, anche questa radiazione viene classificata in queste categorie.
Radiazione elettromagnetica (che, per ribadire, è solo leggero) è onnipresente nell'universo e qui sulla terra. Le lampadine irradiano luce visibile; le microonde irradiano le microonde. Un telecomando irradia infrarossi per inviare un segnale a un televisore. Questi tipi di radiazioni sono a bassa energia e generalmente non sono dannosi nelle quantità a cui gli esseri umani sono normalmente esposti.
La parte dello spettro con lunghezze d'onda più corte rispetto alla luce visibile può danneggiare i tessuti umani. La luce ultravioletta, proprio accanto alla luce visibile sullo spettro, può causare scottature solari e cancro della pelle.
Oltre ai raggi X e ai raggi gamma, è nota la radiazione proveniente dall'estremità ad energia più alta dello spettro ultravioletto come radiazione ionizzante: è abbastanza energico da essere in grado di eliminare gli elettroni dagli atomi, trasformando gli atomi in ioni. Le radiazioni ionizzanti possono danneggiare il DNA e causare una moltitudine di problemi di salute.
Radiazioni dallo spazio
La radiazione di stelle, supernove e getti di buchi neri è ciò che consente agli astronomi di vederli. I lampi di raggi gamma, ad esempio, sono esplosioni molto energetiche che sono gli eventi di radiazione più luminosi noti che si verificano nell'universo. La radiazione rilevata da soli lontani consente agli astronomi di dedurne l'età, le dimensioni e il tipo.
Anche lo spazio è pieno di Raggi cosmici: Protoni in rapido movimento e nuclei atomici che sfrecciano attraverso il cosmo quasi alla velocità della luce che sono molto, molto più pesanti dei fotoni. A causa della loro massa e velocità, hanno quantità di energia incredibilmente elevate.
Sulla terra, il pericolo rappresentato dai raggi cosmici è trascurabile. L'energia di queste particelle viene per lo più spesa per rompere i legami chimici nell'atmosfera. Tuttavia, i raggi cosmici sono una considerazione importante per gli esseri umani nello spazio.
I viaggi in orbita terrestre bassa, inclusa la Stazione Spaziale Internazionale, sono ancora protetti dai raggi cosmici da diversi fattori. Tuttavia, qualsiasi missione con equipaggio a lungo termine oltre l'orbita terrestre bassa, su Marte, ad esempio, o sulla Luna per una missione estesa, deve mitigare il pericoli per la salute di raggi cosmici ai suoi astronauti.
Decadimento radioattivo
I nuclei di una sostanza radioattiva o di un materiale radioattivo, come l'uranio o il radon, sono instabili. Per stabilizzarsi, i nuclei subiranno reazioni nucleari, inclusa la rottura spontanea, rilasciando energia quando lo fanno. Questa energia viene emessa sotto forma di particelle. Le particelle emesse quando la sostanza decade determinano di che tipo di decadimento si tratta. Esistono tre tipi principali di radiazioni da decadimento nucleare: radiazioni alfa, radiazioni beta e radiazioni gamma.
La radiazione gamma è la più semplice, poiché è un fotone ad alta energia emesso dall'atomo radioattivo con una lunghezza d'onda nella parte gamma dello spettro.
La radiazione beta è la trasmutazione di un protone in un neutrone, facilitata dall'emissione di un elettrone. Questo processo può avvenire anche al contrario (trasformando un neutrone in un protone) emettendo un positrone, che è la controparte di antimateria caricata positivamente di un elettrone. Queste particelle sono indicate come particelle beta nonostante abbiano anche altri nomi.
La radiazione alfa è l'emissione di una "particella alfa", che è composta da due neutroni e due protoni. Anche questo è un nucleo di elio standard. Dopo questo decadimento, l'atomo originale ha il suo numero atomico diminuito di 2, cambiando la sua identità elementare, e il suo peso atomico diminuito di 4. Tutti e tre i tipi di radiazione di decadimento sono ionizzante.
Il decadimento radioattivo ha molti usi, tra cui la radioterapia, la datazione al radiocarbonio e così via.
Trasferimento di calore radiativo
L'energia termica può essere trasferita da un luogo all'altro tramite radiazione elettromagnetica. Questo è il modo in cui il calore raggiunge la Terra attraverso il vuoto dello spazio dal Sole.
Il colore di un oggetto influisce sulla capacità di assorbire il calore. Il bianco riflette la maggior parte delle lunghezze d'onda, mentre il nero assorbe. Riflettono anche gli oggetti argentati e lucidi. Più qualcosa è riflettente, meno energia radiativa assorbirà e meno si riscalderà quando esposto alle radiazioni. Questo è il motivo per cui gli oggetti neri diventano più caldi al sole rispetto agli oggetti bianchi.
Buoni assorbitori di luce, come gli oggetti neri, sono anche buoni emettitori quando sono più caldi dell'ambiente circostante.
L'effetto serra
Se la radiazione passa attraverso un materiale trasparente o semitrasparente in una regione chiusa, può rimanere intrappolata quando viene assorbita e riemessa a diverse lunghezze d'onda.
Questo è il motivo per cui la tua auto diventa così calda al sole anche se fuori ci sono solo 70 anni; le superfici all'interno dell'auto assorbono la radiazione solare, ma la riemettono sotto forma di calore a lunghezze d'onda troppo lunghe per penetrare nel vetro del finestrino. Quindi, invece, l'energia termica rimane intrappolata all'interno dell'auto.
Questo accade anche con l'atmosfera terrestre. La terra e l'oceano riscaldati dal sole emetteranno nuovamente del calore assorbito a diverse lunghezze d'onda rispetto a quelle originariamente possedute dalla luce del sole. Ciò renderà impossibile il ritorno del calore attraverso l'atmosfera, mantenendolo intrappolato più vicino alla Terra.
Radiazione del corpo nero
Un corpo nero è un teorico, oggetto ideale che assorbe tutte le lunghezze d'onda della luce ed emette tutte le lunghezze d'onda della luce. Tuttavia, emette luce di diverse lunghezze d'onda a diverse intensità.
L'intensità della luce, o flusso, può essere descritta come il numero di fotoni per unità di area emessi dal corpo nero. Uno spettro di corpo nero, con lunghezza d'onda sull'asse x e flusso sull'asse y, mostrerà sempre un picco ad una certa lunghezza d'onda; più fotoni vengono emessi con questa energia rispetto a qualsiasi altro valore di energia.
Questo picco cambia a seconda della temperatura del corpo nero secondo la legge di spostamento di Wien: il picco diminuirà linearmente in lunghezza d'onda all'aumentare della temperatura del corpo nero.
Conoscendo questa relazione, gli astronomi spesso modellano le stelle come corpi neri perfetti. Sebbene questa sia un'approssimazione, fornisce loro una buona stima della temperatura della stella, che può dire loro dove si trova nel suo ciclo di vita.
Un'altra importante relazione del corpo nero è la legge di Stefan-Boltzmann, che dice che l'energia totale irradiata da un corpo nero è proporzionale alla sua temperatura portata alla quarta potenza: E ∝ T4.