Sevanje: opredelitev, vrste in primeri

Zaradi jedrskih nesreč je lahko sevanje slabo prišlo, toda beseda "sevanje" dejansko zajema širok spekter pojavov. Sevanje je povsod in nanj se zanaša veliko število vsakdanjih elektronskih naprav. Brez sončnega sevanja bi bilo življenje na Zemlji videti povsem drugače, če bi sploh obstajalo.

Osnovna opredelitev sevanja je preprosto emisija energije, v obliki fotonov ali drugih subatomskih delcev. Ali je sevanje nevarno ali ne, je odvisno od tega, koliko energije imajo ti delci. Vrste sevanja ločimo po vrstah vključenih delcev in njihovih energijah.

Elektromagnetno sevanje oddaja energijo v obliki valov, imenovanih elektromagnetno valovanje ali svetloba. Glede na kvantno mehaniko je svetloba tako delček kot val. Ko ga obravnavamo kot delček, ga imenujemo foton. Ko ga obravnavamo kot val, se imenuje elektromagnetni val ali svetlobni val.

Svetloba je razvrščena glede na njeno valovno dolžino, ki je obratno sorazmerna z njeno energijo: Svetloba z dolgimi valovi ima nižjo energijo v primerjavi s svetlobo s kratko valovno dolžino. Njegov spekter valovnih dolžin najpogosteje delimo na: radijske valove, mikrovalovne pečice, infrardečo, vidno svetlobo, ultravijolično sevanje, rentgenske žarke in gama žarke. Ko se svetloba oddaja kot elektromagnetno sevanje, je to sevanje razvrščeno tudi po teh kategorijah.

Elektromagnetno sevanje (kar je še enkrat poudariti, je pravično svetloba) je povsod v vesolju in tukaj na zemlji. Žarnice oddajajo vidno svetlobo; mikrovalovi sevajo mikrovalove. Daljinski upravljalnik oddaja infrardečo povezavo, da pošlje signal televiziji. Te vrste sevanja so nizkoenergijske in na splošno niso škodljive v količinah, ki so jim ljudje običajno izpostavljeni.

Del spektra s krajšimi valovnimi dolžinami od vidne svetlobe lahko poškoduje človeško tkivo. Ultravijolična svetloba, tik ob vidni svetlobi v spektru, lahko povzroči sončne opekline in kožni rak.

Znano je tudi sevanje z višjeenergijskega konca ultravijoličnega spektra, poleg rentgenskih in gama žarkov kot ionizirajoče sevanje: dovolj je energično, da lahko odbije elektrone od atomov in jih spremeni v ioni. Ionizirajoče sevanje lahko poškoduje DNA in povzroči številne zdravstvene težave.

Sevanje zvezd, supernov in curkov črne luknje je tisto, kar astronomom omogoča, da jih vidijo. Na primer, izbruhi gama žarkov so zelo energične eksplozije, ki so najsvetlejši sevalni dogodki, za katere je znano, da se dogajajo v vesolju. Sevanje, zaznano iz oddaljenih sonc, astronomom omogoča, da ugotovijo njihovo starost, velikost in vrsto.

Tudi prostora je polno kozmični žarki: Hitro premikajoči se protoni in atomska jedra, ki se skozi vesolje premikajo s skoraj svetlobno hitrostjo, ki so veliko, veliko težji od fotonov. Zaradi svoje mase in hitrosti imajo neverjetno veliko energije.

Na zemlji je nevarnost, ki jo predstavljajo kozmični žarki, zanemarljiva. Energija teh delcev se večinoma porabi za razbijanje kemičnih vezi v ozračju. Vendar so kozmični žarki glavni dejavnik za ljudi v vesolju.

Izleti v orbiti nizke Zemlje, vključno z Mednarodno vesoljsko postajo, so pred kozmičnimi žarki še vedno zaščiteni z več dejavniki. Vendar mora vsaka dolgoročna misija posadke, ki presega orbito nizke Zemlje, na primer na Mars ali na Luno za podaljšano misijo, ublažiti nevarnosti za zdravje kozmičnih žarkov svojim astronavtom.

Jedra radioaktivne snovi ali radioaktivne snovi, kot sta uran ali radon, so nestabilna. Za stabilizacijo bodo jedra podvržena jedrskim reakcijam, vključno s spontanim lomljenjem, ko bodo sproščale energijo. Ta energija se oddaja v obliki delcev. Delci, ki se oddajajo ob razpadu snovi, določajo, za katero vrsto razpada gre. Obstajajo tri glavne vrste sevanja zaradi jedrskega razpada: alfa sevanje, beta sevanje in gama sevanje.

Gama sevanje je najpreprostejše, saj gre za visokoenergijski foton, ki ga oddaja radioaktivni atom z valovno dolžino v gama delu spektra.

Beta sevanje je pretvorba protona v nevtron, ki jo olajša emisija elektrona. Ta postopek se lahko zgodi tudi obratno (pretvorba nevtrona v proton) z oddajanjem pozitrona, ki je pozitivno naelektren antimaterijski dvojnik elektrona. Ti delci se imenujejo beta delci, čeprav imajo tudi druga imena.

Alfa sevanje je oddajanje "delca alfa", ki je sestavljen iz dveh nevtronov in dveh protonov. To je tudi standardno jedro helija. Po tem razpadu se atomsko število izvornega atoma zmanjša za 2, spremeni se njegova elementarna identiteta, njegova atomska teža pa se zmanjša za 4. Vse tri vrste razpadajočega sevanja so ionizirajoče.

Radioaktivni razpad ima veliko uporab, vključno z radioterapijo, radiokarbonskim datiranjem itd.

Toplotna energija se lahko z elektromagnetnega sevanja prenaša z ene lokacije na drugo. Tako toplota doseže Zemljo skozi vakuum prostora od Sonca.

Barva predmeta vpliva na to, kako dobro lahko absorbira toploto. Bela odseva večino valovnih dolžin, črna pa absorbira. Odsevajo tudi srebrni in sijoči predmeti. Bolj ko je nekaj odsevno, manj sevalne energije bo vsrkalo in manj se segrelo, ko bo izpostavljeno sevanju. Zato se črni predmeti na soncu segrejejo bolj kot beli predmeti.

Dobri absorberji svetlobe, na primer črni predmeti, so tudi dobri sevalci, kadar so toplejši od njihove okolice.

Če sevanje preide skozi prozoren ali polprozoren material v zaprto območje, se lahko ujame in absorbira in ponovno odda v različnih valovnih dolžinah.

Zato se v vašem avtomobilu tako segreje na soncu, tudi če je zunaj le 70 let; površine v vašem avtomobilu absorbirajo sončno sevanje, vendar ga ponovno oddajajo kot toploto na valovnih dolžinah, ki so predolge, da prodrejo skozi okensko steklo. Namesto tega toplotna energija ostane ujeta v avtomobilu.

To se zgodi tudi z Zemljino atmosfero. Sonce ogreta zemlja in ocean bosta ponovno oddajala nekaj absorbirane toplote pri različnih valovnih dolžinah, kot jih je imela prvotno sončna svetloba. To bo onemogočilo, da bi se toplota vrnila skozi ozračje in ostala ujeta bližje Zemlji.

Črno telo je teoretični, idealen objekt, ki absorbira vse valovne dolžine svetlobe in oddaja vse valovne dolžine svetlobe. Vendar oddaja svetlobo različnih valovnih dolžin z različno jakostjo.

Intenzivnost svetlobe ali pretoka lahko opišemo kot število fotonov na enoto površine, ki jih oddaja črno telo. Spekter črnega telesa z valovno dolžino na osi x in pretokom na osi y bo vedno prikazal vrh pri določeni valovni dolžini; s to energijo se odda več fotonov kot katera koli druga vrednost energije.

Ta vrh se spreminja glede na temperaturo črnega telesa po Wienovem zakonu o premikanju: Vrh se bo linearno zmanjšal v valovni dolžini, ko se bo temperatura črnega telesa povečala.

Ker poznajo to razmerje, astronomi zvezde pogosto modelirajo kot popolna črna telesa. Čeprav je to približek, jim daje dobro oceno temperature zvezde, ki jim lahko pove, kje je v svojem življenjskem ciklu.

Druga pomembna povezava s črnimi telesi je zakon Štefana-Boltzmanna, ki pravi, da je celotna energija, ki jo seva črno telo, sorazmerna z njegovo temperaturo, odvzeto četrti stopnji:⁴.