Излучение: определение, типы и примеры

Радиация могла получить плохую репутацию из-за ядерных аварий, но слово «радиация» на самом деле охватывает широкий спектр явлений. Радиация присутствует повсюду, и огромное количество бытовых электронных устройств полагается на нее. Без солнечного излучения жизнь на Земле выглядела бы совсем иначе, если бы вообще существовала.

Основное определение излучения - это просто выброс энергии, в виде фотонов или других субатомных частиц. Опасность излучения зависит от того, сколько энергии у этих частиц. Типы излучения различаются по типам частиц и их энергии.

Электромагнитное излучение - это излучаемая энергия в форме волн, называемых электромагнитными волнами или светом. Согласно квантовой механике, свет - это и частица, и волна. Когда его рассматривают как частицу, его называют фотоном. Когда это рассматривается как волна, это называется электромагнитной волной или световой волной.

Свет классифицируется в зависимости от его длины волны, которая обратно пропорциональна его энергии: длинноволновый свет имеет меньшую энергию по сравнению с коротковолновым светом. Его спектр длин волн обычно делится на: радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Когда свет излучается как электромагнитное излучение, это излучение также классифицируется по этим категориям.

Электромагнитное излучение (которое, подчеркнем еще раз, просто свет) повсеместно встречается во Вселенной и здесь, на Земле. Лампочки излучают видимый свет; микроволны излучают микроволны. Пульт дистанционного управления излучает инфракрасное излучение для передачи сигнала на телевизор. Эти типы излучения имеют низкую энергию и, как правило, не вредны в тех количествах, которым обычно подвергаются люди.

Часть спектра с более короткими длинами волн, чем видимый свет, может повредить ткани человека. Ультрафиолетовый свет рядом с видимым светом в спектре может вызвать солнечные ожоги и рак кожи.

Известно излучение более высокоэнергетического конца ультрафиолетового спектра, помимо рентгеновских лучей и гамма-лучей. как ионизирующее излучение: оно достаточно энергично, чтобы сбивать электроны с атомов, превращая атомы в ионы. Ионизирующее излучение может повредить ДНК и вызвать множество проблем со здоровьем.

Излучение звезд, сверхновых и струй черных дыр позволяет астрономам их видеть. Например, гамма-всплески - это очень мощные взрывы, которые являются самыми яркими радиационными событиями, которые происходят во Вселенной. Излучение, обнаруженное от далеких солнц, позволяет астрономам определить их возраст, размер и тип.

Пространство также полно космические лучи: Быстро движущиеся протоны и атомные ядра, проносящиеся через космос почти со скоростью света, намного тяжелее фотонов. Из-за своей массы и скорости они обладают невероятно большим количеством энергии.

На Земле опасность, исходящая от космических лучей, ничтожна. Энергия этих частиц в основном расходуется на разрыв химических связей в атмосфере. Тем не менее, космические лучи - главное, что нужно людям в космосе.

Полеты на околоземную орбиту, включая Международную космическую станцию, по-прежнему защищены от космических лучей несколькими факторами. Однако любая долгосрочная миссия с экипажем за пределами низкой околоземной орбиты, например, на Марс или на Луну для продолжительной миссии, должна смягчать последствия опасность для здоровья космических лучей своим космонавтам.

Ядра радиоактивного вещества или радиоактивного материала, такого как уран или радон, нестабильны. Чтобы стабилизироваться, ядра будут подвергаться ядерным реакциям, включая спонтанное разрушение, при этом выделяя энергию. Эта энергия излучается в виде частиц. Частицы, испускаемые при распаде вещества, определяют его тип распада. Есть три основных типа излучения от ядерного распада: альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение.

Гамма-излучение является самым простым, так как это высокоэнергетический фотон, испускаемый радиоактивным атомом с длиной волны в гамма-части спектра.

Бета-излучение - это превращение протона в нейтрон, чему способствует испускание электрона. Этот процесс также может происходить в обратном направлении (преобразование нейтрона в протон) путем испускания позитрона, который является положительно заряженным аналогом электрона на антивеществе. Эти частицы называются бета-частицами, хотя у них есть и другие названия.

Альфа-излучение - это испускание «альфа-частицы», состоящей из двух нейтронов и двух протонов. Это тоже стандартное ядро ​​гелия. После этого распада атомный номер исходного атома уменьшился на 2, что изменило его элементную идентичность, а его атомный вес уменьшился на 4. Все три вида распадающего излучения ионизирующий.

Радиоактивный распад имеет множество применений, включая лучевую терапию, радиоуглеродное датирование и так далее.

Тепловая энергия может передаваться из одного места в другое посредством электромагнитного излучения. Вот как тепло достигает Земли через космический вакуум от Солнца.

Цвет объекта влияет на то, насколько хорошо он может поглощать тепло. Белый отражает большинство длин волн, а черный поглощает. Серебряные и блестящие предметы тоже отражают. Чем более отражающей является что-то, тем меньше энергии излучения оно будет поглощать и тем меньше будет нагреваться при воздействии излучения. Вот почему черные предметы нагреваются на солнце сильнее, чем белые.

Хорошие поглотители света, такие как черные предметы, также являются хорошими источниками излучения, когда они теплее, чем их окружение.

Если излучение проходит через прозрачный или полупрозрачный материал в замкнутую область, оно может попасть в ловушку при поглощении и повторном излучении на разных длинах волн.

Вот почему ваша машина так сильно нагревается на солнце, даже если на улице всего 70; Поверхности внутри вашего автомобиля поглощают солнечное излучение, но повторно излучают его в виде тепла на длинах волн, которые слишком велики для проникновения через оконное стекло. Таким образом, вместо этого тепловая энергия остается внутри автомобиля.

То же самое происходит с атмосферой Земли. Нагретые солнцем Земля и океан будут повторно излучать некоторое количество поглощенного тепла на разных длинах волн, чем первоначально было у солнечного света. Это сделает невозможным возврат тепла через атмосферу, удерживая его ближе к Земле.

Черное тело - это теоретический, идеальный объект, который поглощает все длины волн света и излучает все длины волн света. Однако он излучает свет разной длины волны с разной интенсивностью.

Интенсивность света или потока можно описать как количество фотонов на единицу площади, испускаемых черным телом. Спектр абсолютно черного тела с длиной волны по оси x и потоком по оси y всегда будет иметь пик на определенной длине волны; с этой энергией испускается больше фотонов, чем с любым другим значением энергии.

Этот пик изменяется в зависимости от температуры черного тела в соответствии с законом смещения Вина: пик будет линейно уменьшаться по длине волны по мере увеличения температуры черного тела.

Зная об этой связи, астрономы часто моделируют звезды как совершенные черные тела. Хотя это приблизительное значение, оно дает им хорошую оценку температуры звезды, которая может рассказать им о том, на каком этапе ее жизненного цикла находится звезда.

Другим важным соотношением черного тела является закон Стефана-Больцмана, который гласит, что полная энергия, излучаемая черным телом, пропорциональна его температуре, взятой в четвертой степени: E ∝ T⁴.