Promieniowanie: definicja, typy i przykłady

Promieniowanie mogło mieć złą opinię w wyniku wypadków jądrowych, ale słowo „promieniowanie” w rzeczywistości obejmuje szeroki zakres zjawisk. Promieniowanie jest wszędzie i korzysta z niego wiele urządzeń elektronicznych codziennego użytku. Bez promieniowania słonecznego życie na Ziemi wyglądałoby zupełnie inaczej, gdyby w ogóle istniało.

Podstawowa definicja promieniowania to po prostu emisja energii, w postaci fotonów lub innych cząstek subatomowych. To, czy promieniowanie jest niebezpieczne, zależy od tego, ile energii mają te cząstki. Rodzaje promieniowania rozróżnia się według rodzajów zaangażowanych cząstek i ich energii.

Promieniowanie elektromagnetyczne to emitowana energia w postaci fal zwanych falami elektromagnetycznymi lub światłem. Według mechaniki kwantowej światło jest zarówno cząsteczką, jak i falą. Kiedy jest uważany za cząsteczkę, nazywa się go fotonem. Kiedy jest uważana za falę, nazywa się ją falą elektromagnetyczną lub falą świetlną.

Światło jest klasyfikowane w zależności od długości fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do jego energii: Światło o długiej fali ma niższą energię w porównaniu ze światłem o krótkiej długości fali. Jego widmo długości fali dzieli się najczęściej na: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promienie gamma. Gdy światło jest emitowane jako promieniowanie elektromagnetyczne, to promieniowanie również jest klasyfikowane do tych kategorii.

Promieniowanie elektromagnetyczne (które, podkreślmy, jest po prostu lekki) jest wszechobecny we wszechświecie i tu na ziemi. Żarówki emitują światło widzialne; mikrofale promieniują mikrofale. Pilot emituje podczerwień, aby wysłać sygnał do telewizora. Te rodzaje promieniowania są niskoenergetyczne i generalnie nie są szkodliwe w ilościach, na które normalnie narażeni są ludzie.

Część widma o krótszych długościach fal niż światło widzialne może uszkodzić ludzką tkankę. Światło ultrafioletowe, tuż obok światła widzialnego w widmie, może powodować oparzenia słoneczne i raka skóry.

Promieniowanie z wysokoenergetycznego końca widma ultrafioletowego, oprócz promieni rentgenowskich i promieni gamma, jest znane jako promieniowanie jonizujące: jest wystarczająco energetyczne, aby móc wybijać elektrony z atomów, zamieniając je w jony. Promieniowanie jonizujące może uszkadzać DNA i powodować wiele problemów zdrowotnych.

Promieniowanie gwiazd, supernowych i dżetów czarnych dziur pozwala astronomom je zobaczyć. Na przykład rozbłyski gamma to bardzo energetyczne eksplozje, które są najjaśniejszymi zdarzeniami radiacyjnymi, jakie występują we wszechświecie. Promieniowanie wykryte z odległych słońc pozwala astronomom wydedukować ich wiek, wielkość i typ.

Przestrzeń też jest pełna promieniowanie kosmiczne: Szybko poruszające się protony i jądra atomowe, które przedzierają się przez kosmos prawie z prędkością światła, które są znacznie cięższe niż fotony. Ze względu na swoją masę i szybkość mają niewiarygodnie duże ilości energii.

Na Ziemi niebezpieczeństwo stwarzane przez promienie kosmiczne jest znikome. Energia tych cząstek jest w większości zużywana na rozbijanie wiązań chemicznych w atmosferze. Jednak promienie kosmiczne są głównym problemem dla ludzi w kosmosie.

Podróże na niskiej orbicie okołoziemskiej, w tym Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, są nadal chronione przed promieniowaniem kosmicznym przez kilka czynników. Jednak każda długoterminowa misja załogowa poza niską orbitą okołoziemską, na przykład na Marsa lub na Księżyc w przypadku dłuższej misji, musi złagodzić zagrożenia dla zdrowia promieni kosmicznych do swoich astronautów.

Jądra substancji radioaktywnej lub materiału radioaktywnego, takiego jak uran lub radon, są niestabilne. Aby się ustabilizować, jądra przejdą reakcje jądrowe, w tym spontaniczne rozpadanie się, uwalniając energię, gdy to zrobią. Ta energia jest emitowana w postaci cząstek. Cząstki emitowane podczas rozpadu substancji określają rodzaj rozpadu. Istnieją trzy główne rodzaje promieniowania z rozpadu jądrowego: promieniowanie alfa, promieniowanie beta i promieniowanie gamma.

Promieniowanie gamma jest najprostsze, ponieważ jest to wysokoenergetyczny foton emitowany z radioaktywnego atomu o długości fali w części gamma widma.

Promieniowanie beta to transmutacja protonu w neutron, ułatwiona przez emisję elektronu. Proces ten może również zachodzić w odwrotnej kolejności (przekształcenie neutronu w proton) poprzez emisję pozytonu, który jest dodatnio naładowanym antymaterii odpowiednikiem elektronu. Cząstki te są określane jako cząstki beta, mimo że mają również inne nazwy.

Promieniowanie alfa to emisja „cząstki alfa”, która składa się z dwóch neutronów i dwóch protonów. To też jest standardowe jądro helu. Po tym rozpadzie liczba atomowa pierwotnego atomu zmniejszyła się o 2, zmieniając swoją tożsamość pierwiastkową, a jego masa atomowa spadła o 4. Wszystkie trzy rodzaje promieniowania rozpadu są jonizujący.

Rozpad radioaktywny ma wiele zastosowań, w tym radioterapię, datowanie radiowęglowe i tak dalej.

Energia cieplna może być przekazywana z jednego miejsca do drugiego za pomocą promieniowania elektromagnetycznego. W ten sposób ciepło dociera do Ziemi przez próżnię kosmiczną ze Słońca.

Kolor przedmiotu wpływa na to, jak dobrze może pochłaniać ciepło. Biel odbija większość długości fal, podczas gdy czerń pochłania. Odbijają się również srebrne i błyszczące przedmioty. Im bardziej coś odbija, tym mniej energii promieniowania pochłonie i mniej się nagrzeje pod wpływem promieniowania. To dlatego czarne obiekty stają się gorętsze na słońcu niż białe.

Dobre pochłaniacze światła, takie jak czarne przedmioty, są również dobrymi emiterami, gdy są cieplejsze niż otoczenie.

Jeśli promieniowanie przechodzi przez przezroczysty lub półprzezroczysty materiał do zamkniętego obszaru, może zostać uwięzione, gdy zostanie pochłonięte i ponownie wyemitowane przy różnych długościach fal.

To dlatego twój samochód nagrzewa się tak bardzo na słońcu, nawet jeśli na zewnątrz jest tylko 70; powierzchnie wewnątrz samochodu pochłaniają promieniowanie słoneczne, ale ponownie emitują je w postaci ciepła o długości fali, która jest zbyt długa, aby przeniknąć przez szybę. Zamiast tego energia cieplna pozostaje uwięziona w samochodzie.

Dzieje się tak również z atmosferą Ziemi. Ogrzana słońcem ziemia i ocean będą ponownie emitować trochę pochłoniętego ciepła na innych długościach fal niż pierwotnie promieniowało światło słoneczne. Uniemożliwi to powrót ciepła przez atmosferę, utrzymując je bliżej Ziemi.

Czarne ciało to teoretyczny, idealny obiekt, który pochłania wszystkie długości fal światła i emituje wszystkie długości fal światła. Emituje jednak światło o różnych długościach fal i różnym natężeniu.

Intensywność światła lub strumień można opisać jako liczbę fotonów na jednostkę powierzchni emitowanych z ciała doskonale czarnego. Widmo ciała doskonale czarnego, z długością fali na osi x i strumieniem na osi y, zawsze pokaże pik przy określonej długości fali; z tą energią emitowanych jest więcej fotonów niż jakakolwiek inna wartość energii.

Ten pik zmienia się w zależności od temperatury ciała doskonale czarnego, zgodnie z Prawem Przemieszczenia Wiena: pik będzie zmniejszał się liniowo w długości fali wraz ze wzrostem temperatury ciała doskonale czarnego.

Znając tę ​​zależność, astronomowie często modelują gwiazdy jako doskonałe ciała doskonale czarne. Chociaż jest to przybliżenie, daje im dobre oszacowanie temperatury gwiazdy, które może im powiedzieć, gdzie jest w swoim cyklu życia.

Inną ważną relacją na ciało doskonale czarne jest prawo Stefana-Boltzmanna, które mówi, że całkowita energia wypromieniowana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do jego temperatury wziętej do czwartej potęgi: E ∝ T⁴.