Žiarenie: definícia, typy a príklady

Radiačné žiarenie by mohlo mať zlý vplyv na jadrové nehody, ale slovo „žiarenie“ v skutočnosti zahŕňa širokú škálu javov. Žiarenie je všade a spolieha sa na neho veľké množstvo bežných elektronických zariadení. Bez žiarenia zo slnka by život na Zemi vyzeral veľmi odlišne, ak by vôbec existoval.

Základná definícia žiarenia je jednoducho emisia energie, vo forme fotónov alebo iných subatomárnych častíc. To, či je alebo nie je žiarenie nebezpečné, závisí od toho, koľko energie tieto častice majú. Typy žiarenia sa rozlišujú podľa typov zahrnutých častíc a ich energií.

Elektromagnetické žiarenie emituje energiu vo forme vĺn nazývaných elektromagnetické vlny alebo svetlo. Podľa kvantovej mechaniky je svetlo častica aj vlna. Keď sa to považuje za časticu, nazýva sa to fotón. Keď sa to považuje za vlnu, nazýva sa to elektromagnetická vlna alebo svetelná vlna.

Svetlo sa klasifikuje v závislosti od jeho vlnovej dĺžky, ktorá je nepriamo úmerná jeho energii: Svetlo s dlhou vlnovou dĺžkou má nižšiu energiu v porovnaní so svetlom s krátkou vlnovou dĺžkou. Jeho spektrum vlnových dĺžok sa najčastejšie delí na: rádiové vlny, mikrovlnné rúry, infračervené žiarenie, viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenové lúče a gama lúče. Keď je svetlo emitované ako elektromagnetické žiarenie, je toto žiarenie tiež klasifikované podľa týchto kategórií.

Elektromagnetické žiarenie (ktoré je, aby sa znovu zdôraznilo, spravodlivé svetlo) je všadeprítomný vo vesmíre a tu na zemi. Žiarovky vyžarujú viditeľné svetlo; mikrovlny vyžarujú mikrovlny. Diaľkové ovládanie vyžaruje infračervené žiarenie a vysiela signál do televízie. Tieto typy žiarenia sú nízkoenergetické a spravidla nie sú škodlivé v množstvách, ktorým sú ľudia bežne vystavení.

Časť spektra s kratšími vlnovými dĺžkami ako viditeľné svetlo môže spôsobiť poškodenie ľudského tkaniva. Ultrafialové svetlo, hneď vedľa viditeľného svetla v spektre, môže spôsobiť popáleniny od slnka a rakovinu kože.

Je známe aj žiarenie z vysokoenergetického konca ultrafialového spektra, okrem röntgenových lúčov a gama lúčov. ako ionizujúce žiarenie: Je dostatočne energický na to, aby dokázal zraziť elektróny z atómov a premeniť ich na atómy ióny. Ionizujúce žiarenie môže poškodiť DNA a spôsobiť množstvo zdravotných problémov.

Astronómom ich umožňuje vidieť žiarenie hviezd, supernov a prúdov čiernych dier. Napríklad výbuchy gama žiarenia sú veľmi energetické výbuchy, ktoré sú najjasnejšími radiačnými javmi, aké sa vo vesmíre vyskytujú. Žiarenie detekované z ďalekých slnečných lúčov umožňuje astronómom odvodiť ich vek, veľkosť a typ.

Priestoru je tiež plno kozmické lúče: Rýchlo sa pohybujúce protóny a atómové jadrá, ktoré prechádzajú vesmírom takmer rýchlosťou svetla, ktorá je oveľa, oveľa ťažšia ako fotóny. Vďaka svojej hmotnosti a rýchlosti majú neuveriteľne vysoké množstvo energie.

Na Zemi je nebezpečenstvo predstavované kozmickými lúčmi zanedbateľné. Energia týchto častíc sa väčšinou trávi rozkladom chemických väzieb v atmosfére. Kozmické žiarenie je však pre ľudí vo vesmíre hlavným hľadiskom.

Výlety na obežnej dráhe nízkej Zeme vrátane Medzinárodnej vesmírnej stanice sú stále chránené pred kozmickým žiarením niekoľkými faktormi. Akákoľvek dlhodobá misia s posádkou mimo obežnej dráhy nízkej Zeme, napríklad na Mars alebo na Mesiac na predĺženú misiu, však musí zmierniť zdravotné riziká kozmických lúčov svojim astronautom.

Jadrá rádioaktívnej látky alebo rádioaktívneho materiálu, ako sú urán alebo radón, sú nestabilné. Na stabilizáciu budú jadrá podrobené jadrovým reakciám, vrátane spontánneho rozpadu a následného vypúšťania energie. Táto energia je emitovaná vo forme častíc. O aký typ rozpadu ide, určujú častice emitované pri rozpade látky. Existujú tri hlavné typy žiarenia z nukleárneho rozpadu: alfa žiarenie, beta žiarenie a gama žiarenie.

Gama žiarenie je najjednoduchšie, pretože ide o vysokoenergetický fotón emitovaný z rádioaktívneho atómu s vlnovou dĺžkou v gama časti spektra.

Beta žiarenie je transmutácia protónu na neutrón, ktorú uľahčuje emisia elektrónu. Tento proces sa môže uskutočniť aj opačne (transformácia neutrónu na protón) emitovaním pozitrónu, ktorý je kladne nabitým antihmotovým náprotivkom elektrónu. Tieto častice sa označujú ako častice beta napriek tomu, že majú aj iné názvy.

Alfa žiarenie je emisia „alfa častice“, ktorá je tvorená dvoma neutrónmi a dvoma protónmi. Toto je tiež štandardné jadro hélia. Po tomto rozpade sa pôvodnému atómu znížilo atómové číslo o 2, čím sa zmenila jeho elementárna identita, a atómová hmotnosť sa znížila o 4. Všetky tri druhy rozpadového žiarenia sú ionizujúci.

Rádioaktívny rozpad má mnoho využití, vrátane rádioterapie, rádiokarbónového datovania atď.

Tepelná energia sa môže prenášať z jedného miesta na druhé prostredníctvom elektromagnetického žiarenia. Takto sa teplo dostáva na Zem vákuom vesmíru od Slnka.

Farba predmetu ovplyvňuje, ako dobre dokáže absorbovať teplo. Biela odráža väčšinu vlnových dĺžok, zatiaľ čo čierna absorbuje. Odrazia sa aj strieborné a lesklé predmety. Čím je niečo reflexívnejšie, tým menej žiarivej energie absorbuje a tým menej sa bude pri vystavení žiareniu zahrievať. Preto sa čierne objekty na slnku zahrievajú viac ako biele objekty.

Dobré absorbéry svetla, ako napríklad čierne predmety, sú tiež dobrými žiaričmi, keď sú teplejšie ako ich okolie.

Ak žiarenie prechádza cez priehľadný alebo polopriehľadný materiál do uzavretej oblasti, môže sa zachytiť, keď je absorbované a opätovne emitované pri rôznych vlnových dĺžkach.

Preto je vaše auto na slnku také horúce, aj keď je vonku iba 70; povrchy vo vašom aute absorbujú žiarenie zo slnka, ale znova ho emitujú ako teplo pri vlnových dĺžkach, ktoré sú príliš dlhé na to, aby prenikli do okenného skla. Takže namiesto toho zostáva tepelná energia uviaznutá v automobile.

To sa deje aj s atmosférou Zeme. Slnkom ohriata Zem a oceán budú znova emitovať absorbované teplo pri rôznych vlnových dĺžkach, ako malo pôvodne slnečné svetlo. Toto znemožní návrat tepla cez atmosféru a udrží ho uväznené bližšie k Zemi.

Čierne telo je teoretický, ideálny objekt, ktorý absorbuje všetky vlnové dĺžky svetla a vyžaruje všetky vlnové dĺžky svetla. Vydáva však svetlo rôznych vlnových dĺžok s rôznou intenzitou.

Intenzitu svetla alebo toku možno opísať ako počet fotónov na jednotku plochy emitovaných z čierneho telesa. Spektrum čierneho tela s vlnovou dĺžkou na osi x a tokom na osi y bude vždy vykazovať vrchol pri určitej vlnovej dĺžke; s touto energiou je emitovaných viac fotónov ako akákoľvek iná hodnota energie.

Tento vrchol sa mení v závislosti na teplote čierneho telesa podľa Wienovho zákona posunu: Pík bude klesať lineárne s vlnovou dĺžkou, keď sa teplota čierneho tela zvyšuje.

Poznajúc tento vzťah, astronómovia často modelujú hviezdy ako dokonalé čierne telesá. Aj keď je to len približné, poskytuje im dobrý odhad teploty hviezdy, ktorý im môže povedať, kde sa v jej životnom cykle nachádza.

Ďalším dôležitým vzťahom k čiernemu telu je Stefan-Boltzmannov zákon, ktorý hovorí, že celková energia vyžarovaná čiernym telom je úmerná jeho teplote prijatej do štvrtej sily: E ∝ T⁴.