Зрачење: дефиниција, типови и примери

Зрачење је можда лоше прошло због нуклеарних несрећа, али реч „зрачење“ заправо обухвата широк спектар појава. Зрачење је свуда и на њега се ослања велики број свакодневних електронских уређаја. Без зрачења сунца, живот на Земљи изгледао би сасвим другачије, да уопште постоји.

Основна дефиниција зрачења је једноставно емисија енергије, у облику фотона или других субатомских честица. Да ли је зрачење опасно или не, зависи од тога колико енергије имају те честице. Врсте зрачења разликују се по врстама честица и њиховим енергијама.

Електромагнетно зрачење се емитује у облику таласа који се називају електромагнетни таласи или светлост. Према квантној механици, светлост је и честица и талас. Када се сматра честицом, назива се фотон. Када се сматра таласом, назива се електромагнетни талас или светлосни талас.

Светлост се класификује у зависности од таласне дужине, која је обрнуто пропорционална њеној енергији: Светлост дуге таласне дужине има нижу енергију у поређењу са светлошћу кратких таласа. Његов спектар таласних дужина најчешће се дели на: радио таласе, микроталасе, инфрацрвену, видљиву светлост, ултраљубичасто зрачење, рендген и гама зраке. Када се светлост емитује као електромагнетно зрачење, ово зрачење се такође класификује по овим категоријама.

Електромагнетно зрачење (што је, да поново нагласим, праведно светло) је свеприсутан у универзуму и овде на земљи. Сијалице зраче видљивом светлошћу; микроталаси зраче микроталасима. Даљински управљач зрачи инфрацрвено како би послао сигнал на телевизор. Ове врсте зрачења су нискоенергетске и углавном нису штетне у количинама којима су људи обично изложени.

Део спектра краћих таласних дужина од видљиве светлости може нанети штету људском ткиву. Ултраљубичасто светло, непосредно поред видљиве светлости у спектру, може изазвати опекотине од сунца и рак коже.

Познато је зрачење са високоенергетског краја ултраљубичастог спектра, поред рендгенских и гама зрака. као јонизујуће зрачење: Довољно је енергично да може одбити електроне од атома, претварајући атоме у јони. Јонизујуће зрачење може оштетити ДНК и проузроковати мноштво здравствених проблема.

Зрачење звезда, супернова и млазова црних рупа је оно што омогућава астрономима да их виде. На пример, експлозије гама зрака су врло енергетске експлозије које су најсјајнији догађаји зрачења за које се зна да се догађају у свемиру. Зрачење откривено са далеких сунца омогућава астрономима да утврде своју старост, величину и врсту.

Простора је такође пуно космички зраци: Протони и атомска језгра која се брзо крећу и која пролазе кроз космос готово брзином светлости која је много, много тежа од фотона. Због своје масе и брзине имају невероватно велике количине енергије.

На земљи је опасност коју представљају космички зраци занемарљива. Енергија ових честица углавном се троши на разбијање хемијских веза у атмосфери. Међутим, космички зраци су главна брига за људе у свемиру.

Путовања у орбити ниске Земље, укључујући Међународну свемирску станицу, и даље су заштићена од космичких зрака неколико фактора. Међутим, било која дугорочна мисија посаде изван орбите ниске Земље, на пример, на Марс или на Месец за продужену мисију, мора да ублажи опасности по здравље космичких зрака својим астронаутима.

Језгра радиоактивне супстанце или радиоактивног материјала, попут уранијума или радона, су нестабилна. Да би се стабилизовале, језгра ће проћи кроз нуклеарне реакције, укључујући спонтано распадање, испуштање енергије када се то деси. Ова енергија се емитује у облику честица. Честице емитоване када се супстанца распада одређују о којој врсти распадања је реч. Постоје три главне врсте зрачења од нуклеарног распада: алфа зрачење, бета зрачење и гама зрачење.

Гама зрачење је најједноставније, јер се ради о високоенергетском фотону који се емитује из радиоактивног атома са таласном дужином у гама делу спектра.

Бета зрачење је трансмутација протона у неутрон, олакшана емисијом електрона. Овај процес се такође може догодити обрнуто (трансформишући неутрон у протон) емитујући позитрон, који је позитивно наелектрисани антиматерија. Ове честице се називају бета честицама иако имају и друга имена.

Алфа зрачење је емисија „алфа честице“, која је направљена од два неутрона и два протона. Ово је такође стандардно језгро хелијума. После овог распада, атомском броју атома се смањује за 2, мењајући свој елементарни идентитет, а атомска тежина се смањује за 4. Све три врсте распадајућег зрачења су јонизујуће.

Радиоактивни распад има много примена, укључујући терапију зрачењем, датирање радио-угљеником и тако даље.

Топлотна енергија се може преносити са једног места на друго помоћу електромагнетног зрачења. Тако топлота долази до Земље кроз вакуум простора од Сунца.

Боја предмета утиче на то колико добро може да упије топлоту. Бела боја одражава већину таласних дужина, док црна упија. Сребрни и сјајни предмети се такође одражавају. Што је нешто више рефлектујуће, то ће мање зрачне енергије апсорбовати, а мање ће се загрејати када је изложено зрачењу. Због тога црни предмети постају топлији на сунцу од белих.

Добри апсорбери светлости, попут црних предмета, такође су добри емитери када су топлији од своје околине.

Ако зрачење прође кроз прозирни или полупрозирни материјал у затворени регион, може се заглавити када се апсорбује и поново емитује на различитим таласним дужинама.

Због тога се ваш аутомобил толико загрева на сунцу чак и ако је вани само 70; површине у вашем аутомобилу упијају зрачење сунца, али га поново емитују као топлоту на таласним дужинама које су предуге да би продрле кроз стакло. Дакле, уместо тога, топлотна енергија остаје заробљена у аутомобилу.

То се такође дешава са Земљином атмосфером. Сунцем загрејана земља и океан ће поново емитовати неку апсорбовану топлоту на различитим таласним дужинама него што је сунчева светлост првобитно имала. То ће онемогућити повратак топлоте кроз атмосферу, задржавајући је заробљеном ближе Земљи.

Црно тело је теоријска, идеалан објекат који апсорбује све таласне дужине светлости и емитује све таласне дужине светлости. Међутим, он емитује светлост различитих таласних дужина са различитим интензитетима.

Интензитет светлости или флукса може се описати као број фотона по јединици површине који се емитују из црног тела. Спектар црних тела, са таласном дужином на к-оси и флуксом на и-оси, увек ће показивати врх на одређеној таласној дужини; са овом енергијом се емитује више фотона него било која друга вредност енергије.

Овај врх се мења у зависности од температуре црног тела према Виен-овом закону о померању: Врх ће се линеарно смањивати у таласној дужини како се температура црног тела повећава.

Познавајући ову везу, астрономи често моделирају звезде као савршена црна тела. Иако је ово апроксимација, даје им добру процену температуре звезде која им може рећи о томе где се налази у њеном животном циклусу.

Још један важан однос црних тела је Стефан-Болтзманн-ов закон, који каже да је укупна енергија коју зрачи црно тело пропорционална његовој температури одведеној у четврту степен: Е ∝ Т⁴.