Войти
Иллюстрация относительных возможностей трех различных типов ионизирующее излучение для проникновения 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 предостережения в тексте об этой упрощенной диаграмме. 
Международный символ типов и уровней излучения, которые небезопасны для неэкранированных людей. Радиация, как правило, присутствует в природе, например, в свете и звуке. В физике, излучение - это излучение или передача энергии в форма волн или частиц через пространство или материальную среду. Сюда входят:
Излучение часто подразделяется на ионизирующее или неионизирующее в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение переносит более 10 эВ, которого достаточно, чтобы ионизировать атомы и молекулы и разорвать химические связи. Это важное различие, связанное с Большая разница во вредоносности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения являются радиоактивные материалы, испускающие α, β или γ-излучение, состоящее из ядер гелия, электронов или позитроны и фотоны соответственно. Другие источники включают рентгеновские лучи от медицинских радиографических исследований и мюоны, мезоны, позитроны, нейтроны и другие. частицы, которые составляют вторичные космические лучи, которые образуются после взаимодействия первичных космических лучей с земной атмосферой.
Гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет в более высоком диапазоне энергий составляют ионизирующую часть электромагнитный спектр. 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; Хорошим примером этого является солнечный ожог, вызванный солнечным ультрафиолетом с длинной длиной волны. 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; существует некоторое перекрытие в эффектах определенных частот.
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, которые применимы ко всем типам излучения. Поскольку такое излучение расширяется при прохождении через пространство, а его энергия сохраняется (в вакууме), интенсивность всех типов излучения от точечного источника подчиняется закону обратных квадратов в зависимости от расстояния от источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов приближает измеренную интенсивность излучения до такой степени, что источник приближается к геометрической точке.
Некоторые виды ионизирующего излучения могут быть обнаружено в камере Вильсона .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 триллионов атомов, 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 облученный организм или ткань (эффективная доза ).
Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, такой как деление или синтез, существует излучение частиц, чтобы рассмотреть возможность. Излучение частиц - это субатомная частица, ускоренная до релятивистских скоростей ядерными реакциями. Из-за своих импульсов 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; увидеть ниже. Существует несколько различных видов этих частиц, но большинство из них - это альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны и протоны. Грубо говоря, фотоны и частицы с энергией выше примерно 10 электрон-вольт (эВ) являются ионизирующими (некоторые авторитетные источники 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 его обнаружения обычно требуются такие инструменты, как счетчики Гейгера. В некоторых случаях это может привести к вторичному излучению видимого света при его взаимодействии с веществом, как в случае черенковского излучения и радиолюминесценции.
График, показывающий взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но представляет опасность для здоровья при неправильном использовании. Воздействие радиации вызывает повреждение живых тканей; высокие дозы приводят к острому лучевому синдрому (ARS) с ожогами кожи, выпадением волос, недостаточностью внутренних органов и смертью, в то время как любая доза может привести к увеличению риска рака и генетического повреждения ; конкретная форма рака, рак щитовидной железы, часто возникает, когда ядерное оружие и реакторы являются источником радиации из-за биологической предрасположенности продукта деления радиоактивного йода, йода-131. Однако расчет точного риска и вероятности образования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, до сих пор недостаточно изучен, и в настоящее время оценки слабо определяются на основе данных о населении, полученных в результате атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, и последующих рост аварий на реакторах, таких как Чернобыльская катастрофа. Международная комиссия по радиологической защите заявляет, что «Комиссия осведомлена о неопределенностях и неточности моделей и значений параметров», «Коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и она неуместно использовать его в прогнозах риска "и" в частности, следует избегать расчета числа смертей от рака на основе коллективных эффективных доз от обычных индивидуальных доз ".
Ультрафиолет с длинами волн от 10 до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, заставляя его сильно поглощаться воздухом и, в частности, озоном (O 3). Следовательно, ионизирующее УФ-излучение 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.
В атмосфере есть зона, в которой озон поглощает около 98% неионизирующего, но опасного УФ-С и УФ-В. Этот так называемый озоновый слой начинается примерно на расстоянии 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 является образование димеров пиримидина в ДНК, которое начинается при длинах волн ниже 365 нм (3,4 эВ), что значительно ниже энергии ионизации. Это свойство придает ультрафиолетовому спектру некоторые опасности 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 вызвать разрушительное молекулярное возбуждение, и поэтому это излучение гораздо менее опасно на единицу энергии.
Рентгеновские лучи - это электромагнитные волны с длиной волны менее примерно 10 м (более 3х10 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, заставив атом ионизироваться. 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, что позволяет 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, обнаруженное в камере изопропанола Вильсона.Гамма (γ) -излучение состоит из фотонов с длиной волны менее 3х10 метров (более 10 Гц и 41,4 кэВ). 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 гораздо дальше, чем альфа- или бета-излучение.
Гамма-излучение может быть остановлено достаточно толстым или плотным слоем материала, где тормозная способность материала на заданную площадь в основном (но не полностью) зависит от общей массы на пути излучения, независимо от от того, имеет ли материал высокую или низкую 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 такой же массой менее плотных и материалы с более низким 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-частица, обнаруженная в камере изопропанола Вильсона Альфа-частицы - это ядра гелия-4 (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 повреждают живые ткани под ними. Некоторые альфа-частицы очень высокой энергии составляют около 10% космических лучей, и они способны проникать через тело и даже через тонкие металлические пластины. Однако они представляют опасность только для космонавтов, поскольку отклоняются магнитным полем Земли, а затем останавливаются ее атмосферой.
Альфа-излучение опасно, когда альфа-излучающие радиоизотопы проглатываются или вдыхаются (вдыхают или проглатывают). 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. См. относительная биологическая эффективность для обсуждения этого. Примерами очень ядовитых альфа-излучателей являются все изотопы радия, радона и полония из-за количества распада, которое происходит в этот короткий период полураспада. материалы.
Электроны (бета-излучение), обнаруженное в камере Вильсона изопропанолом Бета-минус (β) излучение состоит из энергичного электрона. Он более проникает, чем альфа-излучение, но меньше, чем гамма. Бета-излучение 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 от ускорителей линейных ускорителей гораздо более энергично и проникающе, чем естественное бета-излучение. Иногда он используется терапевтически в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.
Бета-плюс (β) излучение - это излучение позитронов, которые представляют собой антиматерию форму 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.
Нейтроны классифицируются по 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 цепная реакция активны 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, используемым для производства радиоактивных источников для использования в медицинских, академических и промышленных приложениях. Даже сравнительно низкая скорость тепловых нейтронов вызывает активацию нейтронов (фактически, 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 для кислорода требуется два дополнительных поглощения. Таким образом, вода очень слабо способна к активации. С другой стороны, натрий в соли (как 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.
Есть два источника частиц высокой энергии, попадающих в атмосферу Земли из космоса: Солнце и глубокий космос. Солнце непрерывно испускает частицы, в основном свободные протоны, в солнечном ветре и иногда сильно увеличивает поток за счет корональных выбросов (CME).
Частицы из глубокого космоса (меж- и внегалактического) гораздо реже, но имеют гораздо более высокие энергии. Эти частицы также в основном являются протонами, а большая часть остального состоит из гелионов (альфа-частиц). Присутствуют несколько полностью ионизированных ядер более тяжелых элементов. Происхождение этих галактических космических лучей еще не до конца изучено, но они, похоже, являются остатками сверхновых и особенно гамма-всплесков (GRB), которые содержат магнитные поля, способные создавать огромные ускорения, измеренные этими частицами. Они также могут быть порождены квазарами, которые представляют собой реактивные явления в масштабах всей галактики, похожие на гамма-всплески, но известные своими гораздо большими размерами, и которые, по-видимому, являются неотъемлемой частью ранней истории Вселенной.
Электромагнитный спектр 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.
Даже «неионизирующее» излучение способно вызывать 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. Знакомым примером термической ионизации является ионизация пламенем при обычном огне и реакции потемнения в обычных пищевых продуктах, вызванные инфракрасным излучением, во время приготовления на гриле.
Электромагнитный спектр - это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения. 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 отделять электроны от атомов или молекул и, следовательно, вызывать их ионизация. 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 являются ионизирующими.
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).
Как отмечалось выше, нижняя часть ультрафиолетового спектра, называемая мягким УФ-излучением, от 3 эВ до примерно 10 эВ, неионизирует. 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.
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. В более широком смысле, физики используют термин «свет» для обозначения электромагнитного излучения всех длин волн, видимого или невидимого.
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, воспринимающие инфракрасное излучение, 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.
В электромагнитном излучении (например, микроволнах от антенны, показанных здесь) термин " излучение "применяется только к тем частям электромагнитного поля, которые излучаются в бесконечное пространство и уменьшаются по закону обратных квадратов мощности, так что полная энергия излучения, которое проходит через воображаемая сферическая поверхность остается неизменной, независимо от того, как далеко от антенны нарисована сферическая поверхность. Электромагнитное излучение включает в себя часть дальнего поля электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть "ближнего поля" вблизи передатчика является частью изменяющегося электромагнитного поля, но не считается электромагнитным излучением. Микроволны - это электромагнитные волны с длиной волны от одного миллиметра до длины один метр, что соответствует диапазону частот от 300 МГц до 300 ГГц. Это широкое определение включает как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), но в разных источниках используются другие ограничения. Во всех случаях микроволны включают как минимум всю полосу сверхвысоких частот (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), при этом в радиотехнике часто нижняя граница составляет 1 ГГц (30 см), а верхняя - около 100 ГГц ( 3 мм).
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 (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 диапазон мириаметров или мириаметровая волна, поскольку длины волн находятся в диапазоне от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).
Чрезвычайно низкая частота (СНЧ) - это частоты излучения от 3 до 30 Гц (от 10 до 10 метров соответственно). В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение от 3 Гц до 3 кГц. В соответствующей науке о магнитосфере считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации ниже ~ 3 Гц) лежат 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 - это общий синоним 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 - это идеализированный спектр излучения, излучаемого 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 Планка излучения. 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 абсолютно черного тела является максимальным, определяется законом смещения Вина и 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 испускать 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 до красного (2500K), желтого (5800K), белого и сине-белого (15000K) по мере прохождения максимальной яркости. те 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.
Электромагнитное излучение с длиной волны, отличной от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю, астроному. Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году до Лондонского королевского общества. Гершель, как и Риттер, использовал призму для преломления света Солнца и обнаружил инфракрасный (за пределами красной части спектра) за счет повышения температуры, зафиксированной термометром.
В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолет, заметив, что лучи от призмы затемняются хлорид серебра готовится 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 на радиочастоте. диапазон, следующие формулы, предложенные уравнениями Джеймс Клерк Максвелл.
Вильгельм Рентген обнаружил и назвал рентгеновские лучи. Во время экспериментов с высокими напряжениями, подаваемыми 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 определенных минералов, проникают в черную бумагу и вызывают запотевание неэкспонированной фотопластинки. 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 настурановой обманки и определил, что лучи, создаваемые источником, проникают в материалы по-разному. 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, которое Беккерель впервые обнаружил у солей урана. В 1900 году французский ученый Поль Виллар открыл 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 названные гамма-лучами.
Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи являются быстрыми электронами, в то время как Резерфорд и Томас Ройдс доказали в 1909 году, что альфа-частицы представляют собой ионизированный гелий. Резерфорд и Эдвард Андрейд 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 существует в 1912 году, когда ученый Виктор Гесс перенес электрометр на различные высоты в бесплатный полет на воздушном шаре. Природа этих излучений стала понятной только в последующие годы.
Нейтронное излучение было обнаружено вместе с нейтроном Чедвиком в 1932 году. Ряд других видов излучения частиц высокой энергии, таких как позитроны, мюоны и пионы, были обнаружены Вскоре после этого исследование в камере Вильсона реакций с космическими лучами и других типов излучения частиц было произведено искусственно в ускорителях частиц в течение последней половины двадцатого века.
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. Врачи также обнаруживают определенные заболевания, вводя радиоактивное вещество и контролируя излучение, выделяемое при движении вещества по телу. 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.
Все современные системы связи используют 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.
Исследователи используют радиоактивные атомы для определения возраста материалов, которые когда-то были частью живого организм. 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 особенностей (даже некоторых искусственных объектов); это называется Радиометрическое датирование. 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 частицами, называемыми нейтронами. Некоторые атомы в образце поглощают нейтроны и становятся радиоактивными. Ученые могут идентифицировать элементы в образце, изучая испускаемое излучение.
Ионизирующее излучение в определенных условиях может вызвать повреждение живых организмов, вызывая рак или генетические повреждения.
Неионизирующий радиация в определенных условиях также может причинить вред живым организмам, например ожоги. В 2011 году Международное агентство по изучению рака (IARC) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление о добавлении радиочастотных электромагнитных полей (включая микроволновые и миллиметровые волны) к своим список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека.
Веб-сайт EMF-Portal RWTH Ахенского университета представляет одну из крупнейших баз данных о воздействии электромагнитного излучения. По состоянию на 12 июля 2019 года он насчитывает 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований по воздействию электромагнитных полей.
