Stråling: definisjon, typer og eksempler

Stråling kan ha fått en dårlig rap fra atomulykker, men ordet "stråling" omfatter faktisk et stort utvalg av fenomener. Stråling er overalt, og et stort antall hverdagselektroniske enheter er avhengige av det. Uten stråling fra solen, ville livet på jorden se veldig annerledes ut, hvis det i det hele tatt eksisterte.

Den grunnleggende definisjonen av stråling er ganske enkelt utslipp av energi, i form av fotoner eller andre subatomære partikler. Hvorvidt stråling er farlig eller ikke, avhenger av hvor mye energi partiklene har. Strålingstypene kjennetegnes av de involverte partikeltypene og deres energier.

Elektromagnetisk stråling sendes ut energi i form av bølger som kalles elektromagnetiske bølger, eller lys. I følge kvantemekanikken er lys både en partikkel og en bølge. Når det blir vurdert som en partikkel, kalles det foton. Når det betraktes som en bølge, kalles det en elektromagnetisk bølge eller en lysbølge.

Lys klassifiseres avhengig av bølgelengden, som er omvendt proporsjonal med energien: Langbølgelengde har lavere energi sammenlignet med kort bølgelengde. Dens bølgelengdespekter er oftest delt inn i: radiobølger, mikrobølger, infrarødt, synlig lys, ultrafiolett stråling, røntgenstråler og gammastråler. Når lys sendes ut som elektromagnetisk stråling, klassifiseres denne strålingen også etter disse kategoriene.

Elektromagnetisk stråling (som, for å understreke på nytt, er rettferdig lys) er allestedsnærværende i universet og her på jorden. Lyspærer utstråler synlig lys; mikrobølger utstråler mikrobølger. En fjernkontroll utstråler infrarød for å sende et signal til en TV. Disse typer stråling er lite energi og er vanligvis ikke skadelige i mengder som mennesker normalt utsettes for.

Den delen av spekteret med kortere bølgelengder enn synlig lys kan skade menneskelig vev. Ultrafiolett lys, rett ved siden av synlig lys i spekteret, kan forårsake solbrenthet og hudkreft.

Stråling fra den høyere energienden av det ultrafiolette spekteret, i tillegg til røntgenstråler og gammastråler, er kjent som ioniserende stråling: Det er energisk nok til å kunne slå elektroner av atomer, og gjøre atomer til ioner. Ioniserende stråling kan skade DNA og forårsake en rekke helseproblemer.

Strålingen fra stjerner, supernovaer og sorte hullstråler er det som lar astronomer se dem. Gamma ray bursts, for eksempel, er veldig energiske eksplosjoner som er de lyseste strålingshendelsene man vet om å forekomme i universet. Strålingen oppdaget fra fjerne soler lar astronomer utlede alder, størrelse og type.

Plassen er også full av kosmiske stråler: Protoner og atomkjerner som beveger seg raskt, som glir gjennom kosmos med nesten lyshastigheten som er mye, mye tyngre enn fotoner. På grunn av sin masse og hastighet har de utrolig store mengder energi.

På jorden er faren fra kosmiske stråler ubetydelig. Energien til disse partiklene brukes mest på å bryte opp kjemiske bindinger i atmosfæren. Imidlertid er kosmiske stråler en viktig faktor for mennesker i rommet.

Turer i bane rundt jorden, inkludert den internasjonale romstasjonen, er fortsatt beskyttet mot kosmiske stråler av flere faktorer. Imidlertid må ethvert langsiktig mannskapsoppdrag utover bane rundt jorden, for eksempel til Mars, eller til månen for et utvidet oppdrag, redusere helsefarer av kosmiske stråler til astronautene.

Kjernene til et radioaktivt stoff eller radioaktivt materiale, som uran eller radon, er ustabile. For å stabilisere seg, vil kjernene gjennomgå kjernefysiske reaksjoner, inkludert spontant å bryte fra hverandre, slippe energi når de gjør det. Denne energien sendes ut i form av partikler. Partiklene som avgis når stoffet forfaller, bestemmer hvilken type forfall det er. Det er tre hovedtyper av stråling fra kjerneforfall: alfastråling, betastråling og gammastråling.

Gamma-stråling er den enkleste, ettersom det er en høgenergifoton som sendes ut fra det radioaktive atomet med en bølgelengde i gammadelen av spekteret.

Betastråling er transmutasjon av en proton til et nøytron, som blir lettere ved emisjon av et elektron. Denne prosessen kan også skje i omvendt retning (transformere et nøytron til et proton) ved å avgi et positron, som er et positivt ladet antimateriale motstykke til et elektron. Disse partiklene blir referert til som betapartikler til tross for at de også har andre navn.

Alfastråling er utslipp av en "alfapartikkel", som er laget av to nøytroner og to protoner. Dette er også en standard heliumkjerne. Etter dette forfallet har det opprinnelige atomet sitt atomnummer redusert med 2, og endret dets elementære identitet, og dets atomvekt redusert med 4. Alle tre typer forfallstråling er ioniserende.

Radioaktivt forfall har mange bruksområder, inkludert strålebehandling, radiokarbondatering og så videre.

Varmenergi kan overføres fra ett sted til et annet via elektromagnetisk stråling. Slik når varmen jorden gjennom vakuumet fra rommet.

Fargen på et objekt påvirker hvor godt det kan absorbere varme. Hvit reflekterer de fleste bølgelengder, mens svart absorberer. Sølv og skinnende gjenstander reflekterer også. Jo mer reflekterende noe er, desto mindre strålingsenergi vil det absorbere, og jo mindre vil det varme opp når det utsettes for stråling. Dette er grunnen til at svarte gjenstander blir varmere i solen enn hvite gjenstander.

Gode ​​lysabsorbenter, som for eksempel svarte gjenstander, er også gode sendere når de er varmere enn omgivelsene.

Hvis stråling passerer gjennom et gjennomsiktig eller semi-gjennomsiktig materiale inn i et lukket område, kan det bli fanget når det absorberes og sendes ut på nytt med forskjellige bølgelengder.

Dette er grunnen til at bilen din blir så varm i solen selv om den bare er 70 utenfor; overflatene i bilen absorberer strålingen fra solen, men sender den ut igjen som varme i bølgelengder som er for lange til å trenge inn i vindusglasset. Så i stedet forblir varmeenergien fanget i bilen.

Dette skjer også med jordens atmosfære. Soloppvarmet jord og hav vil avgi noe absorbert varme i andre bølgelengder enn sollyset opprinnelig hadde. Dette vil gjøre det umulig for varmen å komme tilbake gjennom atmosfæren, og holde den fanget nærmere jorden.

En svart kropp er en teoretisk, ideelt objekt som absorberer alle lysbølgelengder og avgir alle bølgelengder av lys. Imidlertid avgir den lys med forskjellige bølgelengder i forskjellige intensiteter.

Lysets intensitet, eller strømning, kan beskrives som antall fotoner per arealenhet som sendes ut fra den svarte kroppen. Et sortkroppsspektrum, med bølgelengde på x-aksen og fluss på y-aksen, vil alltid vise en topp ved en viss bølgelengde; det sendes ut flere fotoner med denne energien enn noen annen verdi av energi.

Denne toppen endres avhengig av temperaturen på den svarte kroppen i henhold til Wien's Displacement Law: Toppen vil avta lineært i bølgelengde når temperaturen på den svarte kroppen øker.

Å vite dette forholdet, astronomer modellerer ofte stjerner som perfekte blackbodies. Selv om dette er en tilnærming, gir det dem et godt estimat for stjernens temperatur, som kan fortelle dem om hvor den er i livssyklusen.

En annen viktig svartkroppsforhold er Stefan-Boltzmann-loven, som sier at den totale energien som utstråles av et svartkropp er proporsjonal med temperaturen tatt til den fjerde kraften: E ∝ T⁴.