Strålning: Definition, typer och exempel

Strålning kan ha fått en dålig rap från kärnkraftsolyckor, men ordet "strålning" omfattar faktiskt ett stort antal fenomen. Strålning finns överallt, och ett stort antal vardagliga elektroniska enheter litar på det. Utan solstrålning skulle livet på jorden se väldigt annorlunda ut om det existerade alls.

Den grundläggande definitionen av strålning är helt enkelt utsläpp av energii form av fotoner eller andra subatomära partiklar. Huruvida strålning är farlig eller inte beror på hur mycket energi dessa partiklar har. Strålningstyperna kännetecknas av de involverade partiklarna och deras energier.

Elektromagnetisk strålning avges energi i form av vågor som kallas elektromagnetiska vågor eller ljus. Enligt kvantmekanik är ljus både en partikel och en våg. När det betraktas som en partikel kallas det ett foton. När det betraktas som en våg kallas det en elektromagnetisk våg eller en ljusvåg.

Ljus klassificeras beroende på dess våglängd, vilket är omvänt proportionellt mot dess energi: Ljus med lång våglängd har lägre energi jämfört med ljus med kort våglängd. Dess våglängdsspektrum är oftast uppdelat i: radiovågor, mikrovågor, infrarött, synligt ljus, ultraviolett strålning, röntgen och gammastrålning. När ljus avges som elektromagnetisk strålning klassificeras denna strålning också efter dessa kategorier.

Elektromagnetisk strålning (som, för att åter betona, är rättvis ljus) är allestädes närvarande i universum och här på jorden. Glödlampor strålar synligt ljus; mikrovågor utstrålar mikrovågor. En fjärrkontroll utstrålar infraröd för att skicka en signal till en TV. Dessa typer av strålning är lågenergiska och är i allmänhet inte skadliga i de mängder som människor normalt utsätts för.

Den del av spektrumet med kortare våglängder än synligt ljus kan skada mänsklig vävnad. Ultraviolett ljus, precis bredvid synligt ljus i spektrumet, kan orsaka solbränna och hudcancer.

Strålning från ultraviolett spektrum med högre energi, förutom röntgenstrålar och gammastrålar, är känd som joniserande strålning: Det är tillräckligt energiskt för att kunna slå av elektroner från atomer och förvandla atomerna till joner. Joniserande strålning kan skada DNA och orsaka en mängd hälsoproblem.

Strålningen från stjärnor, supernovor och strålkastare i svart hål är det som gör det möjligt för astronomer att se dem. Gamma ray bursts är till exempel mycket energiska explosioner som är de ljusaste strålningshändelserna som man känner till i universum. Strålningen som upptäcks från avlägsna solar gör det möjligt för astronomer att härleda sin ålder, storlek och typ.

Utrymmet är också fullt av kosmiska strålar: Snabbt rörliga protoner och atomkärnor som zip genom kosmos med nästan ljusets hastighet som är mycket, mycket tyngre än fotoner. På grund av sin massa och hastighet har de oerhört stora mängder energi.

På jorden är faran med kosmiska strålar försumbar. Energin i dessa partiklar spenderas mestadels för att bryta upp kemiska bindningar i atmosfären. Men kosmiska strålar är en viktig faktor för människor i rymden.

Resor i låg jordbana, inklusive den internationella rymdstationen, är fortfarande skyddade från kosmiska strålar av flera faktorer. Emellertid måste varje långsiktigt bemannat uppdrag bortom jordbana, till exempelvis Mars, eller till månen för ett utökat uppdrag, mildra hälsofaror av kosmiska strålar till sina astronauter.

Kärnorna i ett radioaktivt ämne eller radioaktivt material, såsom uran eller radon, är instabila. För att stabilisera kommer kärnorna att genomgå kärnreaktioner, inklusive spontant att bryta sönder och släppa energi när de gör det. Denna energi avges i form av partiklar. Partiklarna som avges när ämnet förfaller avgör vilken typ av förfall det är. Det finns tre huvudtyper av strålning från kärnförfall: alfastrålning, beta-strålning och gammastrålning.

Gamma-strålning är det enklaste, eftersom det är en högenergifoton som sänds ut från den radioaktiva atomen med en våglängd i gammadelen av spektrumet.

Betastrålning är transmutationen av en proton till en neutron, vilket underlättas av emissionen av en elektron. Denna process kan också hända i omvänd riktning (omvandla en neutron till en proton) genom att avge en positron, som är en positivt laddad antimateriell motsvarighet till en elektron. Dessa partiklar kallas betapartiklar trots att de också har andra namn.

Alfastrålning är utsläpp av en "alfapartikel", som består av två neutroner och två protoner. Detta är också en standard heliumkärna. Efter detta sönderfall har den ursprungliga atomen sitt atomnummer minskat med 2, förändrat dess elementära identitet och dess atomvikt minskat med 4. Alla tre typer av förfallstrålning är joniserande.

Radioaktivt sönderfall har många användningsområden, inklusive strålbehandling, radiokolodatering och så vidare.

Värmeenergi kan överföras från en plats till en annan via elektromagnetisk strålning. Så här når värmen jorden genom rymdets vakuum från solen.

Objektets färg påverkar hur väl det kan absorbera värme. Vit reflekterar de flesta våglängder, medan svart absorberar. Silver och glänsande föremål reflekterar också. Ju mer reflekterande något är, desto mindre strålningsenergi absorberar det och desto mindre värms det upp när det utsätts för strålning. Det är därför som svarta föremål blir hetare i solen än vita föremål.

Bra ljusabsorbenter, som svarta föremål, är också bra sändare när de är varmare än omgivningen.

Om strålning passerar genom ett transparent eller halvtransparent material in i ett slutet område kan det fastna när det absorberas och släpps ut igen vid olika våglängder.

Det är därför din bil blir så varm i solen även om den bara är 70 ute; ytorna inuti din bil absorberar strålningen från solen, men släpper ut den igen som värme i våglängder som är för långa för att tränga igenom fönsterglaset. Så istället förblir värmeenergin fast i bilen.

Detta händer också med jordens atmosfär. Solvärmd jord och hav kommer att sända ut lite absorberad värme vid andra våglängder än vad solljuset ursprungligen hade. Detta gör det omöjligt för värmen att återvända genom atmosfären och hålla den instängd närmare jorden.

En svart kropp är en teoretisk, idealiskt objekt som absorberar alla ljusets våglängder och avger alla ljusets våglängder. Emellertid avger det ljus med olika våglängder vid olika intensiteter.

Ljusets intensitet, eller flöde, kan beskrivas som antalet fotoner per ytenhet som släpps ut från den svarta kroppen. Ett svart kroppsspektrum, med våglängd på x-axeln och flöde på y-axeln, kommer alltid att visa en topp vid en viss våglängd; fler fotoner släpps ut med denna energi än något annat energivärde.

Denna topp ändras beroende på svartkroppstemperaturen enligt Wins förskjutningslov: Toppen kommer att minska linjärt i våglängd när temperaturen på svartkroppen ökar.

Att känna till detta förhållande modellerar astronomer ofta stjärnor som perfekta svarta kroppar. Även om detta är en ungefärlig uppskattning, ger det dem en bra uppskattning av stjärnans temperatur, som kan berätta om var den är i sin livscykel.

En annan viktig svartkroppsrelation är Stefan-Boltzmann-lagen, som säger att den totala energin som utstrålas av ett svartkropp är proportionell mot dess temperatur som tas till den fjärde effekten: E ∝ T⁴.