Sevanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Ilustracija relativne sposobnosti treh različnih vrst ionizirajočega sevanja, da prodrejo v trdno snov. Tipične alfa delce (α) ustavi list papirja, beta delce (β) pa aluminijasta folija. Gama sevanje (γ) se oslabi, ko prodre v svinec. Upoštevajte opozorila v besedilu o tem poenostavljenem diagramu.
Mednarodni simbol za vrste in ravni sevanja, ki niso varni za nezaščitene ljudi. Sevanje, ki obstaja v naravi, vključuje svetlobo in zvok.

V fiziki je sevanje prenos energije v obliki valov ali delcev skozi prostor ali skozi materialno okolje. [1] [2] Ta koncept vključuje:

Sevanje je pogosto razvrščeno kot ionizirajoče ali neionizirajoče, odvisno od energije oddanih delcev. Ionizirajoče sevanje nosi več kot 10 eV , kar je dovolj za ioniziranje atomov in molekul ter prekinitev kemičnih vezi . To je pomembna razlika zaradi velike razlike v škodljivih učinkih na žive organizme. Pogost vir ionizirajočega sevanja so radioaktivni materiali, ki oddajajo α, β ali γ sevanje , sestavljeno iz helijevih jeder , elektronov ali pozitronov oziroma fotonov . Drugi viri vključujejo rentgenske žarke iz medicinske raziskovalne radiografije , pa tudi mione , mezone , pozitrone, nevtrone in druge delce, ki sestavljajo sekundarne kozmične žarke, ki nastanejo po interakciji primarnih kozmičnih žarkov z zemeljsko atmosfero .

Gama žarki, rentgenski žarki in višji energijski razpon ultravijolične (UV) svetlobe sestavljajo ionizirajoči del elektromagnetnega spektra . Beseda "ionizirati" se nanaša na ločitev enega ali več elektronov od atoma, proces, ki zahteva relativno visoko energijo, ki jo zagotavljajo elektromagnetni valovi. Nadalje vzdolž spektra so neionizirajoči viri energije iz nižjega ultravijoličnega spektra, ki ne morejo ionizirati atomov, lahko pa razbijejo medatomske vezi, ki tvorijo molekule, in s tem uničijo le-te in ne atome. Dober primer tega so sončne opekline, ki jih povzroča dolgovalovna ultravijolična svetloba sonca. Valovne dolžine, daljše od UV v vidnem, infrardečem in mikrovalovnem frekvenčnem območju, ne morejo prekiniti vezi, lahko pa povzročijo vibracije v vezi, ki se zaznavajo kot toplota . Radijski valovi in ​​nižje se na splošno ne štejejo za škodljive za biološke sisteme. Vendar ne gre za ostro diferenciacijo energij, saj obstajajo tudi drugi učinki, povezani s sovpadanjem določenih frekvenc [3] .

Beseda "sevanje" izvira iz pojava odhajajočih valov (to je, ki se širijo v vse smeri) iz vira. Ta vidik vodi do sistema meritev in fizikalnih enot, ki so uporabne za vse vrste sevanja. Ker se tako sevanje širi, ko prehaja skozi prostor, in ohranja svojo energijo (v vakuumu), intenzivnost vseh vrst sevanja iz točkovnega vira sledi zakonu inverznega kvadrata glede na razdaljo od njegovega vira. Kot pri vsakem idealnem zakonu, zakon inverznega kvadrata približa izmerjeno intenzivnost sevanja do te mere, da se je vir približal geometrijski točki.

Ionizirajoče sevanje

Določene vrste ionizirajočega sevanja je mogoče zaznati v Wilsonovi komori .

Sevanje z dovolj visoko energijo lahko ionizira atome; to pomeni, da lahko izbije elektrone iz atomov in ustvari ione. Ionizacija se pojavi, ko se elektron izvrže (ali "izbije") iz elektronske lupine atoma, tako da ostane atom z neto pozitivnim nabojem. Ker se s to ionizacijo lahko poškodujejo žive celice in, kar je še pomembneje, DNK v teh celicah, naj bi izpostavljenost ionizirajočemu sevanju povečala tveganje za raka . Tako je "ionizirajoče sevanje" nekoliko umetno ločeno od delcev in elektromagnetnega sevanja preprosto zaradi njegovega ogromnega potenciala za biološko škodo. Medtem ko je ena sama celica sestavljena iz bilijonov atomov, bo le majhen del le-teh ioniziran pri nizkih do srednjih močeh sevanja. Verjetnost, da bo ionizirajoče sevanje povzročilo raka, je odvisna od absorbirane doze sevanja in je odvisna od nagnjenosti k poškodbam, vrste sevanja in občutljivosti izpostavljenega organizma ali tkiva ( učinkovita doza ).

Če je vir ionizirajočega sevanja radioaktivni material ali jedrski proces, kot je cepitev ali fuzija jeder, je treba upoštevati sevanje delcev. Sevanje delcev je sevanje subatomskega delca, ki ga jedrske reakcije pospešijo do relativistične hitrosti. Zaradi svojih impulzov so precej sposobni izločiti elektrone in ionizirajoče materiale, ker pa jih je večina električno nabitih, nimajo prodorne moči ionizirajočega sevanja. Izjema so nevtralni delci; glej spodaj. Obstaja več vrst teh delcev, večina pa so alfa delci , beta delci , nevtroni in protoni . Grobo rečeno, fotoni in delci z energijami nad približno 10 elektron voltov (eV) ionizirajo (nekateri avtorji uporabljajo 33 eV, kar ustreza ionizacijski energiji za vodo). Sevanje delcev radioaktivnega materiala ali kozmičnih žarkov skoraj vedno nosi dovolj energije za ionizacijo.

Večina ionizirajočega sevanja prihaja iz radioaktivnih materialov in vesolja (kozmični žarki) in je kot taka naravno prisotna v okolju, saj večina kamnin in tal vsebuje majhne koncentracije radioaktivnih snovi. Ker je to sevanje nevidno in ga človeška čutila ne morejo neposredno zaznati, so za zaznavanje njegove prisotnosti običajno potrebni instrumenti, kot so Geigerjevi števci . V nekaterih primerih lahko to privede do sekundarne emisije vidne svetlobe, ko le-ta deluje s snovjo, kot v primeru Čerenkovega sevanja in radioluminiscence.

Graf, ki prikazuje razmerje med radioaktivnostjo in zaznanim ionizirajočim sevanjem

Ionizirajoče sevanje ima veliko praktičnih uporab v medicini, raziskavah in gradbeništvu, vendar predstavlja nevarnost za zdravje, če se zlorablja. Izpostavljenost sevanju poškoduje živo tkivo; visoki odmerki vodijo v akutno sevalno bolezen z opeklinami kože, izpadanjem las, organsko odpovedjo in smrtjo, medtem ko lahko vsak odmerek poveča verjetnost raka in genetskih poškodb ; posebna oblika raka, rak ščitnice , se pogosto pojavi, ko jedrsko orožje in reaktorji oddajajo sevanje zaradi biološke aktivnosti radioaktivnega cepitvenega produkta joda , joda-131 . [4] Vendar izračun natančnega tveganja in verjetnosti raka v celicah, ki ga povzroča ionizirajoče sevanje, še vedno ni povsem jasen, trenutno pa so ocene napačno določene iz podatkov o populaciji, ki temeljijo na atomskih bombnih napadih Hirošime in Nagasakija ter iz kasnejših dogodkov jedrske nesreče, kot je černobilska nesreča . Mednarodna komisija za radiološko zaščito navaja, da se "Komisija zaveda negotovosti in nezadostne natančnosti modelov in vrednosti parametrov", "Kolektivna efektivna doza ni mišljena kot orodje za ocenjevanje epidemiološkega tveganja in je neprimerno uporabljati v napovedi tveganja" in "zlasti izračunu smrti zaradi raka na podlagi skupnih učinkovitih odmerkov iz preprostih individualnih odmerkov se je treba izogibati." [5]

Ultravijolično sevanje

Ultravijolično z valovno dolžino od 10 nm do 125 nm ionizira molekule zraka, zaradi česar ga močno absorbira zrak in zlasti ozon (O 3 ). Zato ionizirajoče ultravijolično sevanje ne prodre v zemeljsko atmosfero v veliki meri in se včasih imenuje vakuumsko ultravijolično. Čeprav je ta del UV spektra prisoten v vesolju, nima biološkega pomena, saj ne doseže živih organizmov na Zemlji.

Obstaja plast atmosfere, v kateri ozon absorbira približno 98 % neionizirajočih, a nevarnih ultravijoličnih žarkov. Ta tako imenovana ozonska plast se začne na približno 32 km od površine in sega v višino. Del ultravijoličnega spektra, ki doseže zemljo (del, ki ima energije nad 3,1 eV, kar ustreza valovni dolžini manj kot 400 nm), ne ionizira, je pa še vedno biološko nevaren zaradi sposobnosti posameznih fotonov te energije. povzroči elektronsko vzbujanje v bioloških molekulah in jih tako z neželenimi reakcijami poškoduje. Primer je tvorba pirimidinskih dimerov v DNK, ki se začne pri valovnih dolžinah manj kot 365 nm (3,4 eV), kar je precej pod ionizacijsko energijo. Ta lastnost daje UV spektru nekatere značilnosti ionizirajočega sevanja v bioloških sistemih brez dejanske ionizacije. Nasprotno pa so vidna svetloba in dolgovalovno elektromagnetno sevanje, kot so infrardeče sevanje, mikrovalovi in ​​radijski valovi, sestavljeni iz fotonov s premalo energije, da bi povzročili škodljivo molekularno vzbujanje, zato je to sevanje veliko manj nevarno na enoto energije.

Rentgensko sevanje

Rentgenski žarki so elektromagnetno valovanje z valovnimi dolžinami manj kot približno 10 −9 m (več kot 3 × 10 17 Hz in 1240 eV). Krajša valovna dolžina ustreza višji energiji po enačbi E = h c / λ . ("E" je energija; "h" je Planckova konstanta; "c" je svetlobna hitrost; "λ" je valovna dolžina.) Ko rentgenski foton trči v atom, lahko atom absorbira energijo fotona in dvigne elektron na višjo raven ali, če je foton zelo energičen, lahko popolnoma izbije elektron iz atoma, kar povzroči ionizacijo atoma. Na splošno je večja verjetnost, da bodo večji atomi absorbirali rentgenski foton, ker imajo velike razlike v energiji med elektroni na različnih ravneh. Mehka tkiva v človeškem telesu so sestavljena iz atomov, manjših od atoma kalcija, ki sestavlja kost, zato obstaja kontrast pri absorpciji rentgenskih žarkov. Rentgenski aparati so posebej zasnovani tako, da izkoristijo razliko v absorpciji kosti in mehkih tkiv, kar zdravnikom omogoča pregled strukture človeškega telesa.

Rentgenske žarke v celoti absorbira tudi debelina zemeljske atmosfere, kar preprečuje, da bi rentgensko sevanje sonca, ki je manj kot ultravijolično sevanje, a še vedno močno, doseglo površje.

Gama sevanje

Gama sevanje, zaznano v Wilsonovi komori z izopropanolom .

Gama (γ) sevanje je sestavljeno iz fotonov z valovnimi dolžinami manj kot 3 × 10 −11 metrov (več kot 10 19 Hz in 41,4 keV). [4] Gama sevanje je jedrski proces, ki poteka, da se nestabilno jedro znebi odvečne energije po večini jedrskih reakcij. Tako alfa kot beta delci imajo električni naboj in maso, zato je verjetno, da na poti medsebojno delujejo z drugimi atomi. Gama sevanje pa je sestavljeno iz fotonov, ki nimajo ne mase ne električnega naboja in posledično prodrejo skozi snov veliko globlje kot alfa ali beta sevanje.

Gama žarke lahko ustavi dovolj debela ali gosta plast materiala, pri čemer je zavorna moč materiala v danem frekvenčnem območju odvisna predvsem (vendar ne v celoti) od skupne mase na poti sevanja, ne glede na to, ali ima material visoka ali nizka gostota. Vendar pa, tako kot pri rentgenskih žarkih, materiali z visokim atomskim številom, kot sta svinec ali osiromašeni uran, dodajo zmerno (običajno 20 do 30 %) zavorne moči v primerjavi z enako maso manj gostih materialov z nižjo atomsko maso (kot so voda ali beton). Atmosfera absorbira vse žarke gama, ki se približujejo Zemlji iz vesolja. Celo zrak je sposoben absorbirati gama žarke in prepoloviti energijo takšnih valov, ki v povprečju prehajajo 150 m.

Alfa sevanje

Alfa delci so jedra helija-4 (dva protona in dva nevtrona). Zaradi svojih nabojev in skupne mase močno sodelujejo s snovjo in pri normalni hitrosti prodrejo le v nekaj centimetrov zraka ali nekaj milimetrov materiala nizke gostote (na primer, tanka sljuda plošča je namerno nameščena v nekatere Geigerjeve cevi, tako da da jih ne ujamejo in omogočijo odkrivanje). To pomeni, da alfa delci normalnega alfa razpada ne prodrejo v zunanje plasti odmrlih kožnih celic in ne povzročajo globlje poškodbe živega tkiva. Nekateri alfa delci z zelo visoko energijo sestavljajo približno 10 % kozmičnih žarkov in so sposobni prodreti v telo in celo tanke kovinske plošče. Vendar pa predstavljajo nevarnost le za astronavte, saj jih zemeljsko magnetno polje odbije in jih nato ustavi njena atmosfera.

Alfa sevanje je nevarno pri zaužitju, vdihavanju ali zaužitju radioizotopov, ki oddajajo alfa. To dovolj približa radioizotop občutljivemu živemu tkivu, da lahko alfa sevanje poškoduje celice. Na enoto energije so alfa delci vsaj 20-krat učinkovitejši pri poškodovanju celic kot gama in rentgenski žarki. Glejte relativno biološko učinkovitost za razpravo o tem učinku. Primeri zelo strupenih alfa sevalcev so vsi izotopi radija , radona in polonija zaradi količine razpada, ki se pojavi v teh kratkih razpolovnih časih.

Beta sevanje

Elektroni (beta sevanja) zazna z Wilson komoro z izopropanolom .

Beta minus (β - ) sevanje je sestavljeno iz energičnega elektrona. Je bolj prodoren kot alfa sevanje, vendar manj kot gama. Бета-излучение от радиоактивного распада может быть остановлено с помощью нескольких сантиметров пластика или нескольких миллиметров металла. Оно возникает, когда нейтрон распадается на протон в ядре, высвобождая бета-частицу и антинейтрино . Бета-излучение от линейного ускорителя гораздо более энергетичное и проникающее, чем естественное бета-излучение. Иногда оно используется терапевтически, а именно в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.

Бета-плюс (β + ) излучение — это излучение позитронов , которые являются античастицей для электрона. Когда позитрон замедляется до скоростей, аналогичных скоростям электронов в материале, позитрон аннигилирует с электроном, высвобождая при этом процессе два гамма-фотона с энергией 511 кэВ. Эти два гамма-фотона будут путешествовать в (приблизительно) противоположных направлениях. Гамма-излучение от аннигиляции позитронов состоит из фотонов высокой энергии, и также является ионизирующим.

Нейтронное излучение

Нейтроны классифицируются в соответствии с их скоростью или энергией. Нейтронное излучение состоит из свободных нейтронов . Эти нейтроны могут испускаться во время самопроизвольного или индуцированного ядерного деления. Нейтроны — это редкие частицы излучения; они производятся в больших количествах только там, где активны реакции деления или синтеза цепной реакции ; это происходит в течение примерно 10 микросекунд при термоядерном взрыве или постоянно внутри работающего ядерного реактора; производство нейтронов в реакторе практически сразу прекращается, когда масса ядерного топлива становится некритической.

Нейтроны — это единственный тип ионизирующего излучения, которое может сделать другие объекты или материалы радиоактивными. Этот процесс, называемый нейтронной активацией, и является основным методом, используемым для производства радиоактивных источников для медицинских, научных и промышленных целей. Даже сравнительно низкоэнергетические тепловые нейтроны вызывают активацию нейтронов (фактически, они вызывают её более эффективно чем быстрые). Нейтроны не ионизируют атомы так же, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (путем возбуждения электрона), потому что нейтроны не имеют заряда. Именно благодаря их поглощению ядрами, которые затем становятся нестабильными, они вызывают ионизацию. Следовательно, нейтроны считаются «косвенно ионизирующими». Даже нейтроны без значительной кинетической энергии косвенно ионизируют вещество и, таким образом, представляют значительную радиационную опасность. Не все материалы способны к нейтронной активации; например, в воде наиболее распространенные изотопы присутствующих атомов обоих типов (водород и кислород) захватывают нейтроны и становятся тяжелее, но остаются относительно стабильными формами этих атомов. Только поглощение более чем одного нейтрона — статистически редкое явление — может активировать атом водорода, в то время как кислород требует двух дополнительных поглощений. Таким образом, вода обладает очень слабой способностью к активации. Соли натрия (как в морской воде), с другой стороны, должны поглощать только один нейтрон, чтобы стать Na-24, который является очень интенсивным источником бета-распада, с периодом полураспада 15 часов.

Кроме того, высокоэнергетические (высокоскоростные) нейтроны обладают способностью непосредственно ионизировать атомы. Один механизм, посредством которого нейтроны высокой энергии ионизируют атомы, состоит в том, чтобы ударить ядро атома и выбить атом из молекулы, оставляя один или несколько электронов позади, разрушая химическую связь . Это приводит к образованию химических свободных радикалов . Кроме того, нейтроны очень высокой энергии могут вызывать ионизирующее излучение в результате «расщепления нейтронов» или выбивания, при котором нейтроны вызывают выброс протонов высоких энергий из атомных ядер (особенно ядер водорода) при ударе. Последний процесс передает большую часть энергии нейтрона протону, так же, как один бильярдный шар ударяется о другой. Заряженные протоны и другие продукты таких реакций вызывают прямую ионизацию.

Нейтроны высокой энергии обладают высокой проникающей способностью и могут путешествовать на большие расстояния в воздухе (сотни или даже тысячи метров) и умеренные расстояния (несколько метров) в обычных твердых телах. Как правило, они требуют экранирования веществом, обогащенного водородом, такого как бетон или вода, чтобы блокировать их пробег на расстояниях менее метра. Обычный источник нейтронного излучения находится внутри ядерного реактора , где в качестве эффективного экранирования используется слой воды толщиной в несколько метров.

Космическое излучение

Существует 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 значительно увеличивает поток с выбросами корональной массы .

Частицы из дальнего космоса (меж- и внегалактические) встречаются гораздо реже, но имеют гораздо более высокие энергии. Эти частицы также в основном протоны, причем большая часть остатка состоит из гелионов (альфа-частиц). Несколько полностью ионизованных ядер более тяжелых элементов также присутствуют. Происхождение этих галактических космических лучей ещё недостаточно изучено, но они, кажется, являются остатками сверхновых и особенно гамма-всплесков , которые имеют магнитные поля, способные к огромным ускорениям, измеренным по наличию этих частиц. Они также могут генерироваться квазарами , которые представляют собой явление реактивной струи но в масштабе всей галактики, похожее на гамма-всплески явление, но известное своим гораздо большими размерами, и которые, по-видимому, являются интенсивной частью ранней истории Вселенной.

Неионизирующее излучение

Кинетическая энергия частиц неионизирующего излучения слишком мала, чтобы создавать заряженные ионы при прохождении через вещество. Для неионизирующего электромагнитного излучения (см. Типы ниже) ассоциированные частицы (фотоны) имеют только достаточную энергию для изменения вращательных, колебательных или электронных валентных конфигураций молекул и атомов. Влияние неионизирующих форм излучения на живые ткани стало предметом изучения лишь недавно. Тем не менее различные биологические эффекты наблюдаются для разных типов неионизирующих излучений. [4] [6]

Даже «неионизирующее» излучение способно вызвать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергий ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем с ионизирующим излучением, которое требует только отдельных частиц, чтобы вызвать ионизацию. Знакомый пример термической ионизации — ионизация пламенем обычного огня и реакции потемнения в обычных продуктах питания, вызванные инфракрасным излучением, во время прожарки пищи.

Электромагнитный спектр — это диапазон 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 ) недостаточно энергичны, чтобы отделить электроны от атомов или молекул и, следовательно, вызвать их ионизацию. К ним относятся радиоволны, микроволны, инфракрасный и (иногда) видимый свет. Более низкие частоты ультрафиолетового света могут вызвать химические изменения и молекулярное повреждение, подобное ионизации, но технически не ионизируют. Самые высокие частоты ультрафиолетового света, а также всех рентгеновских и гамма-лучей являются ионизирующими.

Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их количества. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизации, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если они не поднимают температуру тела до точки, достаточно высокой, чтобы ионизировать небольшую часть атомов или молекул в процессе термоионизация (однако это требует относительно экстремальных интенсивностей излучения).

Ультрафиолетовый свет

Как отмечено выше, нижняя часть спектра ультрафиолета, называемая мягким УФ, от 3 эВ до примерно 10 эВ, является неионизирующей. Однако влияние неионизирующего ультрафиолета на химию и ущерб, наносимый биологическим системам (включая окисление, мутации и рак), таковы, что даже эту часть ультрафиолета часто сравнивают с ионизирующим излучением.

Видимый свет

Свет, или видимый свет, представляет собой очень узкий диапазон электромагнитного излучения с длиной волны, видимой человеческому глазу, 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 нет.

Инфракрасное излучение

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. Длина волны ИК длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн. Инфракрасное излучение может быть обнаружено на расстоянии от излучающих объектов посредством «ощущения». Змеи, чувствительные к инфракрасному излучению, могут обнаруживать и фокусировать инфракрасное излучение с помощью линзы-обскуры в их головах, называемой «пит» ( англ. pit ). Яркий солнечный свет обеспечивает излучение 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]

СВЧ

В электромагнитном излучении (таком как микроволны от антенны, показанном здесь) термин «излучение» применяется только к частям электромагнитного поля, которые излучают в бесконечное пространство и уменьшают интенсивность по закону обратных квадратов , так что общее излучение энергии, которая проходит через воображаемую сферическую поверхность, одинакова, независимо от того, как далеко от антенны отводится сферическая поверхность. Электромагнитное излучение включает в себя часть дальнего поля электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть «ближнего поля», близкая к передатчику, является частью изменяющегося электромагнитного поля, но не считается электромагнитным излучением.

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

Радиоволны

Радиоволны представляют собой тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре длиннее, чем инфракрасный свет. Как и все другие электромагнитные волны, они движутся со скоростью света. Встречающиеся в природе радиоволны создаются молнией или некоторыми астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и множества других приложений. Кроме того, почти любой провод, несущий переменный ток, будет излучать часть энергии в виде радиоволн; это в основном называется интерференцией. Разные частоты радиоволн имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут изгибаться со скоростью искривления Земли и могут очень равномерно покрывать часть Земли, более короткие волны распространяются по всему миру путем многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Гораздо более короткие длины волн изгибаются или отражаются очень мало и движутся вдоль линии обзора.

Очень низкая частота

Очень низкая частота 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 пропускная способность невелика, то могут передаваться только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известный как полоса мириаметра или волна мириаметра, поскольку длины волн варьируются от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).

Чрезвычайно низкая частота

Чрезвычайно низкая частота — это частоты излучения от 3 до 30 Гц (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 считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, происходящие ниже ~3 Гц) лежат в диапазоне ULF, который, таким образом, также определяется иначе, чем полосы радиосвязи ITU. Массивная военная антенна ELF в Мичигане излучает очень медленные сообщения на недоступные на других частотах приемники, такие как подводные лодки.

Тепловое излучение (тепло)

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

Как отмечалось выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызывать температурную ионизацию всякий раз, когда оно отдает достаточное количество тепловой энергии, чтобы повысить температуру до достаточно высокого уровня. Типичными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени.

Излучение абсолютно чёрного тела

Излучение абсолютно черного тела — это идеализированный спектр излучения, излучаемого телом, имеющим одинаковую температуру. Форма спектра и общее количество энергии, излучаемой телом, является функцией абсолютной температуры этого тела. Излучаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность излучения (мощность/единица площади) на данной частоте описывается законом излучения Планка . Для данной температуры чёрного тела существует определённая частота, на которой излучаемое излучение имеет максимальную интенсивность. Эта максимальная частота излучения сдвигается к более высоким частотам, когда температура тела увеличивается. Частота, на которой излучение чёрного тела является максимальным, определяется законом смещения Вина и является функцией абсолютной температуры тела. Чёрное тело — это то, которое излучает при любой температуре максимально возможное количество излучения на любой данной длине волны. Чёрное тело также будет поглощать максимально возможное падающее излучение на любой заданной длине волны. Таким образом, чёрное тело с температурой, равной или ниже комнатной, будет казаться абсолютно чёрным, поскольку оно не будет отражать падающий свет и не будет излучать достаточно излучения на видимых длинах волн, чтобы наши глаза могли его обнаружить. Теоретически, чёрное тело испускает электромагнитное излучение по всему спектру от очень низких частот радиоволн до рентгеновских лучей, создавая континуум излучения.

Цвет излучающего чёрного тела говорит о температуре его излучающей поверхности. Он отвечает за цвет звезд , которые варьируются от инфракрасного до красного (2500 К), жёлтого (5800 К), белого и сине-белого (15 000 К), когда пиковое излучение проходит через эти точки в видимом спектре, Когда пик находится ниже видимого спектра, тело является чёрным, в то время как когда оно находится выше видимого спектра, то видится как сине-белое, так как все видимые цвета представлены от синего, уменьшающегося до красного.

Открытие

Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Вильяму Гершелю . Гершель доложил свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель, как и Риттер, использовал призму для преломления света от Солнца и обнаружил инфракрасное излучение (за пределами красной части спектра) через повышение температуры, зарегистрированное термометром .

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолетовое излучение, отметив, что лучи призмы затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранним предшественником того, что станет фотографией. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи способны вызывать химические реакции.

Первые обнаруженные радиоволны были получены не от естественного источника, а были специально искусственно созданы немецким ученым Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных для генерации колебаний в диапазоне радиочастот, в соответствии с уравнениями Джеймса Клерка Максвелла .

Вильгельм Рентген открыл излучение и назвал их X-лучи ( рентген ). Экспериментируя с высоким напряжением, приложенным к откачанной трубе 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из стекла с покрытием. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей.

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что лучи, исходящие от некоторых минералов, проникали в чёрную бумагу и вызывали запотевание неэкспонированной фотопластинки. Его докторант Мария Кюри обнаружила, что только определённые химические элементы испускают эти лучи энергии. Она назвала это поведение радиоактивностью .

Альфа-лучи (альфа-частицы) и бета-лучи ( бета-частицы ) были разделены Эрнестом Резерфордом путем простых экспериментов в 1899 году. Резерфорд использовал общий радиоактивный источник смолы и определил, что лучи, создаваемые источником, имеют различное проникновение в материалы. У одного типа было короткая глубина проникновения (оно останавливалось бумагой) и имело положительный заряд, который Резерфорд назвал альфа-лучами. Другой был более проникающим (способен экспонировать 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 Пол Виллар обнаружил третий тип излучения радия с нейтральным зарядом и особенно проникающим, и после того, как он описал его, Резерфорд понял, что это должен быть ещё один тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами .

Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи являются быстрыми электронами, а Резерфорд и Томас Ройдс в 1909 году доказали, что альфа-частицы являются ионизированным гелием. Резерфорд и Эдвард Андраде доказали в 1914 году, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.

Источники космических лучей, падающих на Землю из космоса, были окончательно признаны и доказали свое существование в 1912 году, когда ученый Виктор Гесс использовал свободный электрометр на различных высотах в полете на воздушном шаре. Природа этих излучений только постепенно стала понятна в последующие годы.

Нейтронное излучение было открыто вместе с нейтроном Чедвиком в 1932 году. Вскоре после этого в камере Вильсона при исследовании реакций космических лучей были обнаружены другие высокоэнергетические излучения частиц, такие как позитроны, мюоны и пионы , и были получены другие типы излучения частиц искусственно в ускорителях частиц , в течение второй половины двадцатого века.

Использование

Медицина

Радиация и радиоактивные вещества используются для диагностики, лечения и исследований. Например, рентгеновское излучение проходит через мышцы и другие мягкие ткани, но задерживается плотными материалами. Это свойство рентгеновских лучей позволяет врачам находить сломанные кости и обнаруживать раковые образования, которые могут расти в организме. [7] Врачи также обнаруживают определённые заболевания, вводя радиоактивное вещество и отслеживая излучение, выделяемое при движении вещества по организму. [8] Излучение, используемое для лечения рака, называется ионизирующим излучением, потому что оно образует ионы в клетках тканей, через которые оно проходит, поскольку оно выбивает электроны из атомов. Это может убить клетки или изменить гены, чтобы клетки не могли расти. Другие формы излучения, такие как радиоволны, микроволны и световые волны, называются неионизирующими. Они не имеют достаточно энергии и не способны ионизировать клетки.

Связь

Все современные системы связи используют формы электромагнитного излучения. Изменения в интенсивности излучения представляют собой изменения в звуке, изображениях или другой передаваемой информации. Например, человеческий голос передаётся как радиоволны или микроволны, заставляя волну варьироваться согласно соответствующим изменениям в голосе. Музыканты также экспериментировали с гамма-обработкой ультразвука или с использованием ядерного излучения для создания звука и музыки. [9]

Наука

Исследователи используют радиоактивные атомы, чтобы определить возраст материалов, которые когда-то были частью живого организма. Возраст таких материалов можно оценить, измерив количество радиоактивного углерода, которое они содержат, в процессе, называемом радиоуглеродным датированием . Точно так же, используя другие радиоактивные элементы, можно определить возраст горных пород и других геологических особенностей (даже некоторых искусственных объектов); это называется радиометрическим датированием . Ученые-экологи используют радиоактивные атомы, известные как индикаторные атомы , для определения путей, по которым загрязняющие вещества проходят через окружающую среду.

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

Возможный ущерб для здоровья и окружающей среды от определённых видов излучения

Ионизирующее излучение в определённых условиях может нанести ущерб живым организмам, вызвать рак или разрушить генетический материал [4] .

Неионизирующее излучение в определённых условиях также может привести к повреждению живых организмов, например к ожогам . В 2011 году Международное агентство по исследованию рака Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление о добавлении радиочастотных электромагнитных полей (включая микроволновые и миллиметровые волны) в свой список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека [10] . С 2013 года радиочастотные электромагнитные волны классифицируются как "возможно канцерогенный фактор для человека" [11] . Исследования в этой области продолжаются.

На веб-сайте EMF-Portal в Ахенском университете представлена одна из крупнейших баз данных о воздействии электромагнитного излучения . По состоянию на 12 июля 2019 года в нём насчитывалось 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований о воздействии электромагнитных полей [12] .

Примечания

  1. Weisstein. Radiation . Eric Weisstein's World of Physics . Wolfram Research. Дата обращения: 11 января 2014.
  2. Radiation . The free dictionary by Farlex . Farlex, Inc.. Дата обращения: 11 января 2014.
  3. The Electromagnetic Spectrum . Centers for Disease Control and Prevention (7 декабря 2015). Дата обращения: 29 августа 2018.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kwan-Hoong Ng. Non-Ionizing Radiations – Sources, Biological Effects, Emissions and Exposures (англ.) // Proceedings of the International Conference on Non-Ionizing Radiation at UNITEN (англ.) ICNIR2003 Electromagnetic Fields and Our Health : journal. — 2003. — 20 October.
  5. ICRP Publication 103 The 2007 Recommendations of the International Commission on Protection . ICRP. Дата обращения: 12 декабря 2013.
  6. Moulder, John E. Static Electric and Magnetic Fields and Human Health . Архивировано 14 июля 2007 года.
  7. Radiography
  8. Nuclear medicine
  9. Dunn. Making Nuclear Music . Slice of MIT. Дата обращения: 29 августа 2018.
  10. The WHO/International Agency for Research on Cancer (IARC) (31 May 2011). IARC Classifies Radiofrequency Electromagnetic Fields As Possibly Carcinogenic To Humans . Пресс-релиз .
  11. List of Classifications – IARC Monographs on the Identification of Carcinogenic Hazards to Humans . monographs.iarc.fr . Дата обращения: 17 июня 2020.
  12. EMF-Portal . Дата обращения: 12 июля 2019.

Ссылки