Радиация

Иллюстрация относительной способности трех различных типов ионизирующего излучения проникать в твердое вещество. Типичные альфа-частицы (α) задерживаются листом бумаги, а бета-частицы (β) задерживаются алюминиевой пластиной. Гамма-излучение (γ) ослабляется при проникновении в свинец. Обратите внимание на оговорки в тексте об этой упрощенной схеме. ^{[ требуется разъяснение ]}

Международный символ типов и уровней излучения , которые являются опасными для неэкранированных людей. Радиация, как правило, присутствует в природе, например, в свете и звуке.

В физике , излучение представляет собой излучение или передача энергии в виде волн или частиц через пространство или через материальную среду. ^{[1] [2]} Сюда входят:

• электромагнитное излучение , такое как радиоволны , микроволны , инфракрасный , видимый свет , ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-излучение (γ)
• излучение частиц , такое как альфа-излучение (α) , бета-излучение (β) , протонное излучение и нейтронное излучение (частицы с ненулевой энергией покоя)
• акустическое излучение, такое как ультразвук , звук и сейсмические волны (в зависимости от физической среды передачи )
• гравитационное излучение , излучение, которое принимает форму гравитационных волн или ряби в кривизне пространства-времени.

Излучение часто классифицируется как ионизирующее или неионизирующее, в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение переносит более 10 эВ , чего достаточно для ионизации атомов и молекул и разрыва химических связей . Это важное различие из-за большой разницы в вредоносности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения являются радиоактивные материалы , испускающие α, β или γ-излучение , состоящее из ядер гелия , электронов или позитронов и фотонов соответственно. Другие источники включают рентгеновские лучи.от медицинских радиографических исследований и мюонов , мезонов , позитронов, нейтронов и других частиц, которые составляют вторичные космические лучи , которые образуются после взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли .

Гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет в более высоком диапазоне энергий составляют ионизирующую часть электромагнитного спектра . Слово «ионизация» относится к отрыву одного или нескольких электронов от атома, действия, которое требует относительно высоких энергий, которые поставляют эти электромагнитные волны. Далее по спектру неионизирующие более низкие энергии нижнего ультрафиолетового спектра не могут ионизировать атомы, но могут разрушать межатомные связи, которые образуют молекулы, тем самым разрушая молекулы, а не атомы; хороший пример этого - солнечный ожог, вызванный длинноволновойсолнечный ультрафиолет. Волны с большей длиной, чем УФ, в видимом свете, инфракрасных и микроволновых частотах не могут разорвать связи, но могут вызывать колебания в связях, которые воспринимаются как тепло . Радиоволны и ниже обычно не считаются вредными для биологических систем. Это не резкие границы энергий; есть некоторое перекрытие в эффектах определенных частот . ^[3]

Слово «излучение» возникает из-за явления волн, излучаемых (т. Е. Распространяющихся во всех направлениях) от источника. Этот аспект приводит к системе измерений и физических единиц , применимых ко всем типам излучения. Поскольку такое излучение расширяется при прохождении через пространство, а его энергия сохраняется (в вакууме), интенсивность всех типов излучения точечного источника подчиняется закону обратных квадратов в зависимости от расстояния от его источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов приближает измеренную интенсивность излучения до такой степени, что источник приближается к геометрической точке.

Ионизирующее излучение [ править ]

Излучение с достаточно высокой энергией может ионизировать атомы; то есть он может сбивать электроны с атомов, создавая ионы. Ионизация происходит, когда электрон отрывается (или «выбивается») из электронной оболочки атома, который оставляет атом с чистым положительным зарядом. Поскольку живые клетки и, что более важно, ДНК в этих клетках могут быть повреждены этой ионизацией, считается, что воздействие ионизирующего излучения увеличивает риск рака . Таким образом, «ионизирующее излучение» в некоторой степени искусственно отделено от излучения частиц и электромагнитного излучения просто из-за его большого потенциала биологического повреждения. В то время как отдельная ячейка состоит из триллионоватомов, только небольшая часть из них будет ионизирована при мощности излучения от низкой до умеренной. Вероятность того, что ионизирующее излучение вызовет рак, зависит от поглощенной дозы излучения и является функцией повреждающей тенденции типа излучения ( эквивалентная доза ) и чувствительности облучаемого организма или ткани ( эффективная доза ).

Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, такой как деление или синтез , следует учитывать излучение частиц . Излучение частиц - это субатомные частицы, ускоренные до релятивистских скоростей ядерными реакциями. Из-за своего импульса они вполне способны выбивать электроны и ионизирующие материалы, но поскольку большинство из них имеют электрический заряд, они не обладают проникающей способностью ионизирующего излучения. Исключение составляют нейтронные частицы; Смотри ниже. Есть несколько различных видов этих частиц, но большинство из них - альфа-частицы , бета-частицы , нейтроны., и протоны . Грубо говоря, фотоны и частицы с энергией выше примерно 10 электрон-вольт (эВ) ионизируют (некоторые авторитеты используют 33 эВ, энергию ионизации для воды). Излучение частиц радиоактивного материала или космических лучей почти всегда несет достаточно энергии для ионизации.

Большая часть ионизирующего излучения исходит от радиоактивных материалов и космоса (космические лучи) и поэтому естественно присутствует в окружающей среде, поскольку большинство горных пород и почвы имеют небольшие концентрации радиоактивных материалов. Поскольку это излучение невидимо и не может быть непосредственно обнаружено человеческими органами чувств, для обнаружения его присутствия обычно требуются такие инструменты, как счетчики Гейгера . В некоторых случаях это может приводить к вторичному излучению видимого света при его взаимодействии с веществом, как в случае черенковского излучения и радиолюминесценции.

Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но при неправильном использовании представляет опасность для здоровья. Воздействие радиации вызывает повреждение живых тканей; высокие дозы приводят к острому лучевому синдрому (ОЛБ) с ожогами кожи, выпадением волос, недостаточностью внутренних органов и смертью, в то время как любая доза может привести к увеличению вероятности рака и генетических повреждений ; особая форма рака, рак щитовидной железы , часто возникает, когда ядерное оружие и реакторы являются источником излучения из-за биологической предрасположенности продукта деления радиоактивного йода, йода-131 . ^[4]Однако расчет точного риска и вероятности образования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, все еще недостаточно изучен, и в настоящее время оценки слабо определяются на основе данных о населении атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки и последующих действий после аварий реакторов, таких как как чернобыльская катастрофа . Международная комиссия по радиологической защитезаявляет, что «Комиссия осведомлена о неопределенностях и отсутствии точности моделей и значений параметров», «Коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и ее нецелесообразно использовать в прогнозировании рисков» и «в в частности, следует избегать подсчета числа смертей от рака на основе коллективных эффективных доз от незначительных индивидуальных доз ». ^[5]

Ультрафиолетовое излучение [ править ]

Ультрафиолет с длинами волн от 10 до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, заставляя его сильно поглощаться воздухом и, в частности, озоном (O ₃ ). Таким образом, ионизирующий ультрафиолетовый свет не проникает в атмосферу Земли в значительной степени, и его иногда называют вакуумным ультрафиолетом . Хотя эта часть УФ-спектра присутствует в космосе, она не имеет биологического значения, потому что она не достигает живых организмов на Земле.

Есть зона атмосферы, в которой озон поглощает около 98% неионизирующих, но опасных УФ-С и УФ-В. Этот так называемый озоновый слой начинается примерно с 20 миль (32 км) и простирается вверх. Часть ультрафиолетового спектра, которая достигает земли, является неионизирующей, но все же является биологически опасной из-за способности одиночных фотонов этой энергии вызывать электронное возбуждение в биологических молекулах и, таким образом, повреждать их посредством нежелательных реакций. Примером может служить образование димеров пиримидина.в ДНК, которая начинается на длинах волн ниже 365 нм (3,4 эВ), что значительно ниже энергии ионизации. Это свойство придает ультрафиолетовому спектру некоторые из опасностей ионизирующего излучения в биологических системах без реальной ионизации. Напротив, видимый свет и длинноволновое электромагнитное излучение, такое как инфракрасное, микроволны и радиоволны, состоят из фотонов со слишком малой энергией, чтобы вызывать разрушительное молекулярное возбуждение, и, таким образом, это излучение гораздо менее опасно на единицу энергии.

Рентген [ править ]

Рентгеновские лучи - это электромагнитные волны с длиной волны менее примерно 10 ^-9 м (более 3х10 ¹⁷ Гц и 1240 эВ). Меньшая длина волны соответствует большей энергии согласно уравнению E = h c / λ. («E» - энергия; «h» - постоянная Планка; «c» - скорость света; «λ» - длина волны.) Когда рентгеновский фотон сталкивается с атомом, атом может поглотить энергию фотона. и поднять электрон на более высокий орбитальный уровень, или, если фотон чрезвычайно энергичен, он может вообще выбить электрон из атома, вызывая ионизацию атома. Как правило, более крупные атомы с большей вероятностью поглощают рентгеновский фотон, поскольку они имеют большую разницу в энергии между орбитальными электронами. Мягкие ткани человеческого тела состоят из атомов меньшего размера, чем атомы кальция, из которых состоит кость, поэтому поглощение рентгеновских лучей отличается. Рентгеновские аппараты специально разработаны для использования разницы в абсорбции между костью и мягкими тканями,позволяя врачам исследовать структуру человеческого тела.

Рентгеновские лучи также полностью поглощаются толщиной земной атмосферы, что предотвращает попадание на поверхность рентгеновского излучения Солнца, меньшего по количеству, чем у УФ, но, тем не менее, мощного.

Гамма-излучение [ править ]

Гамма (γ) излучение состоит из фотонов с длиной волны менее 3x10 ^-11 метров (больше , чем 10 ¹⁹ Гц и 41,4 кэВ). ^[4] Эмиссия гамма-излучения - это ядерный процесс, который происходит с целью избавления нестабильного ядра от избыточной энергии после большинства ядерных реакций. Как альфа-, так и бета-частицы обладают электрическим зарядом и массой, поэтому вполне вероятно, что они будут взаимодействовать с другими атомами на своем пути. Гамма-излучение, однако, состоит из фотонов, которые не имеют ни массы, ни электрического заряда и, как следствие, проникают через вещество намного дальше, чем альфа- или бета-излучение.

Гамма-излучение может быть остановлено достаточно толстым или плотным слоем материала, где тормозная способность материала на данной площади зависит в основном (но не полностью) от общей массы на пути излучения, независимо от того, имеет ли материал высокая или низкая плотность. Однако, как и в случае с рентгеновскими лучами, материалы с высоким атомным номером, такие как свинец или обедненный уран, добавляют умеренное (обычно от 20% до 30%) количество тормозной способности по сравнению с одинаковой массой материалов с меньшей плотностью и меньшим атомным весом ( например, вода или бетон). Атмосфера поглощает все гамма-лучи, приближающиеся к Земле из космоса. Даже воздух способен поглощать гамма-лучи, уменьшая вдвое энергию таких волн, проходя в среднем через 500 футов (150 м).

Альфа-излучение [ править ]

Альфа - частицы являются гелий-4 ядра (два протона и два нейтрона). Они сильно взаимодействуют с веществом благодаря своим зарядам и общей массе, и при их обычных скоростях проникают только в несколько сантиметров воздуха или несколько миллиметров материала с низкой плотностью (например, тонкий слюдяной материал, который специально помещается в некоторые трубки счетчика Гейгера. чтобы пропустить альфа-частицы). Это означает, что альфа-частицы от обычного альфа-распада не проникают через внешние слои мертвых клеток кожи и не вызывают повреждения живых тканей под ними. Некоторые альфа-частицы очень высоких энергий составляют около 10% космических лучей., а они способны пробивать тело и даже тонкие металлические пластины. Однако они представляют опасность только для космонавтов, поскольку отклоняются магнитным полем Земли, а затем останавливаются ее атмосферой.

Альфа-излучение опасно при проглатывании или вдыхании альфа-излучающих радиоизотопов (вдыхании или проглатывании). Это приближает радиоизотоп достаточно близко к чувствительной живой ткани, чтобы альфа-излучение могло повредить клетки. На единицу энергии альфа-частицы по крайней мере в 20 раз более эффективны при повреждении клеток, чем гамма-лучи и рентгеновские лучи. Смотрите относительную биологическую эффективность для обсуждения этого. Примерами очень ядовитых альфа-излучателей являются все изотопы радия , радона и полония из-за количества распада, которое происходит в этих материалах с коротким периодом полураспада.

Бета-излучение [ править ]

Бета-минус (β ^- ) излучение состоит из энергичного электрона. Он более проникающий, чем альфа-излучение, но меньше, чем гамма-излучение. Бета-излучение от радиоактивного распада можно остановить с помощью нескольких сантиметров пластика или нескольких миллиметров металла. Это происходит, когда нейтрон распадается на протон в ядре, высвобождая бета-частицу и антинейтрино . Бета-излучение линейных ускорителей гораздо более энергично и проникающе, чем естественное бета-излучение. Иногда его используют в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.

Бета-плюс (β ⁺ ) излучение - это испускание позитронов , которые являются формой антивещества электронов. Когда позитрон замедляется до скоростей, аналогичных скорости электронов в материале, позитрон аннигилирует электрон, выделяя при этом два гамма-фотона с энергией 511 кэВ. Эти два гамма-фотона будут двигаться (примерно) в противоположном направлении. Гамма-излучение от аннигиляции позитронов состоит из фотонов высокой энергии и также является ионизирующим.

Нейтронное излучение [ править ]

Нейтроны классифицируются в зависимости от их скорости / энергии. Нейтронное излучение состоит из свободных нейтронов . Эти нейтроны могут испускаться как при спонтанном, так и при вынужденном делении ядер. Нейтроны - редкие радиационные частицы; они производятся в больших количествах только там, где активны цепные реакции деления или синтеза; это происходит примерно 10 микросекунд при термоядерном взрыве или непрерывно внутри работающего ядерного реактора; производство нейтронов прекращается почти сразу в реакторе, когда он становится некритическим.

Нейтроны могут сделать другие объекты или материалы радиоактивными. Этот процесс, называемый нейтронной активацией , является основным методом производства радиоактивных источников для использования в медицинских, академических и промышленных приложениях. Даже относительно низкоскоростные тепловые нейтронывызывают активацию нейтронов (на самом деле, они вызывают ее более эффективно). Нейтроны не ионизируют атомы так же, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (путем возбуждения электрона), потому что нейтроны не имеют заряда. Именно из-за их поглощения ядрами, которые затем становятся нестабильными, они вызывают ионизацию. Следовательно, нейтроны называют «косвенно ионизирующими». Даже нейтроны, не обладающие значительной кинетической энергией, косвенно ионизируют и, таким образом, представляют значительную радиационную опасность. Не все материалы способны к нейтронной активации; в воде, например, наиболее распространенные изотопы присутствующих атомов обоих типов (водорода и кислорода) захватывают нейтроны и становятся более тяжелыми, но остаются стабильными формами этих атомов. Только поглощение более одного нейтрона, статистически редкое явление, может активировать атом водорода,в то время как кислород требует двух дополнительных абсорбций. Таким образом, вода очень слабо способна к активации. С другой стороны, натрий в соли (как и в морской воде) должен поглотить всего один нейтрон, чтобы стать Na-24, очень интенсивным источником бета-распада с периодом полураспада 15 часов.

Кроме того, нейтроны высокой энергии (высокоскоростные) обладают способностью непосредственно ионизировать атомы. Один из механизмов, с помощью которого нейтроны высокой энергии ионизируют атомы, состоит в том, чтобы ударить по ядру атома и выбить атом из молекулы, оставив один или несколько электронов после разрыва химической связи . Это приводит к образованию химических свободных радикалов . Кроме того, нейтроны очень высоких энергий могут вызывать ионизирующее излучение за счет «нейтронного расщепления» или нокаута, при котором нейтроны вызывают испускание протонов высокой энергии из ядер атомов (особенно ядер водорода) при ударе. Последний процесс передает большую часть энергии нейтрона протону, подобно тому, как один бильярдный шар ударяется о другой. Заряженные протоны и другие продукты таких реакций ионизируются напрямую.

Нейтроны высоких энергий очень проникающие и могут преодолевать большие расстояния в воздухе (сотни или даже тысячи метров) и умеренные расстояния (несколько метров) в обычных твердых телах. Обычно они требуют защиты, богатой водородом, такой как бетон или вода, чтобы заблокировать их на расстоянии менее метра. Обычный источник нейтронного излучения находится внутри ядерного реактора , где слой воды толщиной в несколько метров используется в качестве эффективной защиты.

Космическое излучение [ править ]

Есть два источника частиц высокой энергии, попадающих в атмосферу Земли из космоса: солнце и дальний космос. Солнце непрерывно испускает частицы, в первую очередь свободные протоны, в солнечном ветре и иногда сильно увеличивает поток за счет корональных выбросов массы (CME).

Частицы из дальнего космоса (межгалактического и внегалактического) встречаются гораздо реже, но имеют гораздо более высокие энергии. Эти частицы также в основном являются протонами, а большая часть остальной части состоит из гелионов (альфа-частиц). Присутствуют несколько полностью ионизированных ядер более тяжелых элементов. Происхождение этих галактических космических лучей еще не до конца изучено, но похоже, что они являются остатками сверхновых звезд и особенно гамма-всплесков (GRB), которые обладают магнитными полями, способными создавать огромные ускорения, измеренные этими частицами. Они также могут быть созданы квазарами , которые представляют собой джет-феномены в масштабах всей галактики, похожие на гамма-всплески, но известные своими гораздо большими размерами, и которые кажутся неотъемлемой частью ранней истории Вселенной.

Неионизирующее излучение [ править ]

Кинетическая энергия частиц неионизирующего излучения слишком мала для образования заряженных ионов при прохождении через вещество. Для неионизирующего электромагнитного излучения (см. Типы ниже) связанные частицы (фотоны) обладают достаточной энергией только для изменения вращательной, колебательной или электронной валентной конфигурации молекул и атомов. Влияние неионизирующих форм излучения на живую ткань изучено совсем недавно. Тем не менее, разные биологические эффекты наблюдаются для разных типов неионизирующего излучения. ^{[4] [6]}

Даже «неионизирующее» излучение способно вызвать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергии ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, которое требует, чтобы только отдельные частицы вызывали ионизацию. Знакомый пример термической ионизации - это ионизация пламенем при обычном огне и реакции потемнения в обычных пищевых продуктах, вызванные инфракрасным излучением, во время приготовления на гриле.

Электромагнитный спектр является диапазоном всех возможных частот электромагнитного излучения. ^[4] Электромагнитный спектр (обычно просто спектр) объекта - это характерное распределение электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.

Неионизирующая часть электромагнитного излучения состоит из электромагнитных волн, которые (как отдельные кванты или частицы, см. Фотон ) не обладают достаточной энергией, чтобы отрывать электроны от атомов или молекул и, следовательно, вызывать их ионизацию. К ним относятся радиоволны, микроволны, инфракрасный и (иногда) видимый свет. Более низкие частоты ультрафиолетового света могут вызывать химические изменения и молекулярные повреждения, подобные ионизации, но технически не ионизируют. Самые высокие частоты ультрафиолетового света, а также все рентгеновские лучи и гамма-лучи ионизируют.

Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их количества. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизацию, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если только они не поднимут температуру тела до точки, достаточно высокой для ионизации небольших фракций атомов или молекул в процессе ионизации. термическая ионизация (это, однако, требует относительно экстремальных интенсивностей излучения).

Ультрафиолетовый свет [ править ]

Как отмечалось выше, нижняя часть ультрафиолетового спектра, называемая мягким УФ-излучением, от 3 эВ до примерно 10 эВ, неионизируется. Однако влияние неионизирующего ультрафиолета на химию и повреждение подвергшихся воздействию биологических систем (включая окисление, мутации и рак) таковы, что даже эту часть ультрафиолета часто сравнивают с ионизирующим излучением.

Видимый свет [ править ]

Свет, или видимый свет, представляет собой очень узкий диапазон электромагнитного излучения с длиной волны, видимой человеческим глазом, или 380–750 нм, что соответствует диапазону частот от 790 до 400 ТГц соответственно. ^{[4] В} более широком смысле, физики используют термин «свет» для обозначения электромагнитного излучения всех длин волн, видимого или невидимого.

Инфракрасный [ править ]

Инфракрасный (ИК) свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 микрометров, что соответствует диапазону частот от 430 до 1 ТГц соответственно. Длины волн ИК-диапазона длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн. Инфракрасное излучение можно обнаружить на расстоянии от излучающих объектов "наощупь". Змеи, чувствительные к инфракрасному излучению, могут обнаруживать и фокусировать инфракрасное излучение с помощью линзы-обскуры в голове, называемой «ямками». Яркий солнечный свет обеспечивает освещенность чуть более 1 киловатта на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 53% составляет инфракрасное излучение, 44% - видимый свет и 3% - ультрафиолетовое излучение. ^[4]

Микроволновая печь [ править ]

Микроволны - это электромагнитные волны с длиной волны от одного миллиметра до одного метра, что соответствует частотному диапазону от 300 МГц до 300 ГГц. Это широкое определение включает в себя как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), но в различных источниках используются другие ограничения. ^[4] Во всех случаях микроволны включают как минимум всю полосу сверхвысоких частот (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), причем радиотехника часто устанавливает нижнюю границу на 1 ГГц (30 см), а верхнюю - около 100 ГГц (3 мм).

Радиоволны [ править ]

Радиоволны - это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре больше, чем у инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они движутся со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или некоторыми астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокационных и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и множества других приложений. Кроме того, почти любой провод, по которому проходит переменный ток, будет излучать часть энергии в виде радиоволн; в основном это называется помехой. Радиоволны разных частот имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли;длинные волны могут изгибаться со скоростью кривизны Земли и могут очень равномерно покрывать часть Земли, более короткие волны распространяются по миру путем многократных отражений от ионосферы и Земли. Волны с гораздо меньшей длиной изгибаются или отражаются очень мало и проходят вдоль линии обзора.

Очень низкая частота [ править ]

Очень низкая частота (VLF) относится к частотному диапазону от 30 Гц до 3 кГц, что соответствует длинам волн от 100 000 до 10 000 метров соответственно. Поскольку в этом диапазоне радиочастотного спектра нет большой полосы пропускания, могут передаваться только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известна как мириаметровая полоса или мириаметровая волна, поскольку длины волн находятся в диапазоне от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).

Чрезвычайно низкая частота [ править ]

Чрезвычайно низкая частота (КНЧ) - это частоты излучения от 3 до 30 Гц (от 10 ⁸ до 10 ⁷ метров соответственно). В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение от 3 Гц до 3 кГц. ^[4] В соответствующей науке о магнитосфере низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, возникающие ниже ~ 3 Гц) считаются лежащими в диапазоне УНЧ, который, таким образом, также определяется иначе, чем диапазоны радиосвязи МСЭ. Массивная военная антенна СНЧ в Мичигане излучает очень медленные сообщения на недоступные иным образом приемники, такие как подводные лодки.

Тепловое излучение (тепло) [ править ]

Тепловое излучение является общим синонимом инфракрасного излучения, испускаемого объектами при температурах, часто встречающихся на Земле. Термическое излучение относится не только к самому излучению, но и к процессу, при котором поверхность объекта излучает свою тепловую энергию в виде излучения черного тела. Инфракрасное или красное излучение от обычного домашнего радиатора или электрического обогревателя является примером теплового излучения, как и тепло, излучаемое работающей лампой накаливания. Тепловое излучение генерируется, когда энергия движения заряженных частиц внутри атомов преобразуется в электромагнитное излучение.

Как отмечалось выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызвать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Распространенными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные « потемнением » во время приготовления пищи, что представляет собой химический процесс, который начинается с большой составляющей ионизации.

Излучение черного тела [ править ]

Излучение черного тела - это идеализированный спектр излучения, испускаемого телом с однородной температурой. Форма спектра и общее количество энергии, излучаемой телом, зависят от абсолютной температуры этого тела. Излучаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность излучения (мощность на единицу площади) на заданной частоте описывается законом излучения Планка . Для данной температуры абсолютно черного тела существует определенная частота, на которой испускаемое излучение имеет максимальную интенсивность. Эта максимальная частота излучения смещается в сторону более высоких частот по мере увеличения температуры тела. Частота, при которой излучение черного тела является максимальным, определяется законом смещения Винаи является функцией абсолютной температуры тела. Черное тело - это такое тело, которое при любой температуре испускает максимально возможное количество излучения на любой заданной длине волны. Черное тело также будет поглощать максимально возможное падающее излучение на любой заданной длине волны. Таким образом, черное тело с температурой, равной или ниже комнатной, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать падающий свет и не будет излучать достаточно излучения в видимых длинах волн, чтобы его могли обнаружить наши глаза. Теоретически черное тело излучает электромагнитное излучение во всем спектре, от радиоволн очень низкой частоты до рентгеновских лучей, создавая непрерывный поток излучения.

Цвет излучающего черного тела говорит о температуре его излучающей поверхности. Он отвечает за цвет звезд , который варьируется от инфракрасного через красный (2500K), до желтого (5800K), белого и сине-белого (15000K), когда пиковая яркость проходит через эти точки в видимом спектре. . Когда пик находится ниже видимого спектра, тело становится черным, а когда оно выше тела - сине-белым, так как все видимые цвета представлены от синего до красного.

Открытие [ править ]

Электромагнитное излучение с длиной волны, отличной от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильямом Гершелем , в астрономии . Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель, как и Риттер, использовал призму для преломления солнечного света и обнаружил инфракрасное излучение (за пределами красной части спектра) через повышение температуры, зарегистрированное термометром .

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер сделал открытие ультрафиолета, заметив, что лучи от призмы затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранними предшественниками того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что УФ-лучи способны вызывать химические реакции.

Первые обнаруженные радиоволны были получены не из естественного источника, а были созданы намеренно и искусственно немецким ученым Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний в радиодиапазоне, по формулам, предложенным уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. .

Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . Во время экспериментов с высоким напряжением, подаваемым на откачанную трубку 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из стекла с покрытием. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей, которые мы понимаем по сей день.

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что лучи, исходящие от некоторых минералов, проникают в черную бумагу и вызывают запотевание неэкспонированной фотографической пластинки. Его докторант Мария Кюри обнаружила, что только определенные химические элементы испускают эти лучи энергии. Она назвала это поведение радиоактивностью .

Альфа-лучи (альфа-частицы) и бета-лучи ( бета-частицы ) были дифференцированы Эрнестом Резерфордом посредством простых экспериментов в 1899 году. Резерфорд использовал общий радиоактивный источник урановой обманки и определил, что лучи, создаваемые источником, имеют различное проникновение в материалы. Один тип имел короткое проникновение (его остановила бумага) и положительный заряд, который Резерфорд назвал альфа-лучами. Другой был более проникающим (мог открывать пленку через бумагу, но не через металл) и имел отрицательный заряд, и этот тип Резерфорд назвал бета. Это было излучение, впервые обнаруженное Беккерелем из солей урана. В 1900 году французский ученый Поль Виллароткрыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения радия, и после того, как он его описал, Резерфорд понял, что это должен быть еще третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами .

Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи - это быстрые электроны, а Резерфорд и Томас Ройдс в 1909 году доказали, что альфа-частицы представляют собой ионизированный гелий. Резерфорд и Эдвард Андраде доказали в 1914 году, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.

Излучение космических лучей, падающее на Землю из космоса, было окончательно признано и доказано, что оно существует в 1912 году, когда ученый Виктор Гесс перенес электрометр на различные высоты в полете на свободном воздушном шаре. В последующие годы природа этих излучений стала понятной только постепенно.

Нейтронное излучение было обнаружено с помощью нейтрона Чедвиком в 1932 году. Вскоре после этого путем изучения реакций космических лучей в камере Вильсона был обнаружен ряд других видов излучения частиц высокой энергии, таких как позитроны, мюоны и пионы , и были получены другие типы излучения частиц искусственно в ускорителях элементарных частиц в течение последней половины двадцатого века.

Приложения [ править ]

Медицина [ править ]

Радиация и радиоактивные вещества используются для диагностики, лечения и исследований. Рентгеновские лучи, например, проходят через мышцы и другие мягкие ткани, но задерживаются плотными материалами. Это свойство рентгеновских лучей позволяет врачам находить сломанные кости и обнаруживать раковые образования, которые могут разрастаться в организме. ^[7] Врачи также обнаруживают определенные заболевания, вводя радиоактивное вещество и контролируя излучение, выделяемое при движении вещества по телу. ^[8]Излучение, используемое для лечения рака, называется ионизирующим излучением, потому что оно образует ионы в клетках тканей, через которые проходит, поскольку оно вытесняет электроны из атомов. Это может убить клетки или изменить гены, поэтому клетки не могут расти. Другие формы излучения, такие как радиоволны, микроволны и световые волны, называются неионизирующими. У них не так много энергии, поэтому они не могут ионизировать клетки.

Связь [ править ]

Во всех современных системах связи используются формы электромагнитного излучения. Изменения интенсивности излучения представляют собой изменения в звуке, изображениях или другой передаваемой информации. Например, человеческий голос можно посылать в виде радиоволн или микроволн, заставляя волну изменяться в соответствии с соответствующими вариациями голоса. Музыканты также экспериментировали с ультразвуковой обработкой гамма-лучами или ядерным излучением для создания звука и музыки. ^[9]

Наука [ править ]

Исследователи используют радиоактивные атомы для определения возраста материалов, которые когда-то были частью живого организма. Возраст таких материалов можно оценить, измерив количество содержащегося в них радиоактивного углерода в процессе, называемом радиоуглеродным датированием . Аналогичным образом, используя другие радиоактивные элементы, можно определить возраст горных пород и других геологических характеристик (даже некоторых искусственных объектов); это называется радиометрическим датированием . Ученые -экологи используют радиоактивные атомы, известные как атомы-индикаторы , для определения путей, по которым загрязняющие вещества проходят через окружающую среду.

Радиация используется для определения состава материалов в процессе, называемом нейтронно-активационным анализом . В этом процессе ученые бомбардируют образец вещества частицами, называемыми нейтронами. Некоторые атомы в образце поглощают нейтроны и становятся радиоактивными. Ученые могут идентифицировать элементы в образце, изучая испускаемое излучение.

Возможный ущерб здоровью и окружающей среде от некоторых видов излучения [ править ]

Ионизирующее излучение в определенных условиях может нанести вред живым организмам, вызвать рак или генетические повреждения. ^[4]

Неионизирующее излучение в определенных условиях также может вызвать повреждение живых организмов, например ожоги . В 2011 году Международное агентство по изучению рака (IARC) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, в котором добавлены радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в свой список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека. ^[10]

Веб-сайт EMF-Portal RWTH Ахенского университета представляет одну из самых больших баз данных о влиянии электромагнитного излучения . По состоянию на 12 июля 2019 года в нем насчитывается 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований о влиянии электромагнитных полей. ^[11]

См. Также [ править ]

Примечания и ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Радиация в наше время на BBC
• Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
• Ионизирующее излучение и радон от Всемирной организации здравоохранения
• Вопросы и ответы: воздействие радиации на здоровье , BBC News , 21 июля 2011 г.