Strålning

Inom fysiken är strålning  överföring av energi i form av vågor eller partiklar genom rymden eller genom ett materiellt medium. [1] [2] Detta koncept inkluderar:

Strålning klassificeras ofta som joniserande eller icke-joniserande , beroende på energin hos de emitterade partiklarna. Joniserande strålning bär mer än 10 eV , vilket är tillräckligt för att jonisera atomer och molekyler, samt bryta kemiska bindningar . Detta är en viktig skillnad på grund av den stora skillnaden i skadlighet för levande organismer. En vanlig källa till joniserande strålning är radioaktiva material som avger α-, β- eller γ-strålning , bestående av heliumkärnor , elektroner eller positroner respektive fotoner . Andra källor inkluderar röntgenstrålar från medicinska radiografistudier , såväl som myoner , mesoner , positroner, neutroner och andra partiklar som utgör sekundära kosmiska strålar , som bildas efter att primära kosmiska strålar interagerar med jordens atmosfär .

Gammastrålar, röntgenstrålar och det högre energiområdet för ultraviolett (UV) ljus utgör den joniserande delen av det elektromagnetiska spektrumet . Ordet "jonisera" syftar på borttagning av en eller flera elektroner från en atom, en process som kräver den relativt höga energi som tillhandahålls av elektromagnetiska vågor. Längre ner i spektrumet finns icke-joniserande energikällor från det lägre ultravioletta spektrumet, som inte kan jonisera atomer, men som kan bryta de interatomära bindningar som bildar molekyler och därigenom förstöra dem, inte atomer. Ett bra exempel på detta är solbränna orsakad av den långa våglängden solens ultravioletta strålar. Längre våglängder än UV i de synliga, infraröda och mikrovågsfrekvenserna kan inte bryta bindningar, men kan orsaka vibrationer i bindningarna som uppfattas som värme . Radiovågor och därunder anses i allmänhet inte vara skadliga för biologiska system. Men detta är inte en skarp avgränsning av energier, eftersom det finns andra effekter förknippade med sammanträffandet av vissa frekvenser [3] .

Ordet "strålning" kommer från fenomenet utgående vågor (det vill säga sprider sig i alla riktningar) från en källa. Denna aspekt leder till ett system av mätningar och fysiska enheter som är tillämpliga på alla typer av strålning. Eftersom sådan strålning expanderar när den passerar genom rymden och bevarar sin energi (i ett vakuum), följer intensiteten av alla typer av strålning från en punktkälla en omvänd kvadratisk lag med avseende på avståndet från dess källa. Liksom vilken ideal lag som helst, approximerar den omvända kvadratlagen den uppmätta strålningsintensiteten i samma utsträckning som om källan närmade sig en geometrisk punkt.

Joniserande strålning

Strålning med tillräckligt hög energi kan jonisera atomer; det vill säga det kan slå ut elektroner ur atomer och skapa joner. Jonisering uppstår när en elektron stöts ut (eller "slår ut") från elektronskalet på en atom, vilket lämnar atomen med en positiv nettoladdning. Eftersom levande celler , och ännu viktigare DNA i dessa celler, kan skadas av denna jonisering, tros exponering för joniserande strålning öka risken för att utveckla cancer . Således är "joniserande strålning" något artificiellt separerad från partikel- och elektromagnetisk strålning helt enkelt på grund av dess enorma potential för biologisk skada. Medan en enskild cell består av biljoner atomer, kommer endast en liten del av dem att joniseras vid låga eller medelhöga kraftnivåer. Sannolikheten för att joniserande strålning kommer att orsaka cancer beror på den absorberade stråldosen och beror på skadebenägenheten från typen av strålning och känsligheten hos den exponerade organismen eller vävnaden ( effektiv dos ).

Om källan till joniserande strålning är radioaktivt material eller en nukleär process som kärnklyvning eller fusion , måste hänsyn tas till partikelutsläpp. Partikelstrålning är strålningen från en subatomär partikel som accelereras av kärnreaktioner till relativistiska hastigheter. På grund av sin fart är de ganska kapabla att slå ut elektroner och joniserande material, men eftersom de flesta av dem har en elektrisk laddning har de inte den penetrerande kraften av joniserande strålning. Undantaget är neutrala partiklar; se nedan. Det finns flera typer av dessa partiklar, men de flesta av dem är alfapartiklar , beta-partiklar , neutroner och protoner . Grovt sett är fotoner och partiklar med energier över cirka 10 elektronvolt (eV) joniserande (vissa myndigheter använder en energi på 33 eV, motsvarande joniseringsenergin för vatten). Partikelutsläpp från radioaktivt material eller kosmisk strålning bär nästan alltid tillräckligt med energi för jonisering.

Det mesta av joniserande strålning kommer från radioaktiva material och rymden (kosmisk strålning) och finns som sådan naturligt i miljön eftersom de flesta bergarter och jordar innehåller små koncentrationer av radioaktivt material. Eftersom denna strålning är osynlig och inte direkt kan upptäckas av de mänskliga sinnena, krävs vanligtvis instrument som Geigerräknare för att upptäcka dess närvaro. I vissa fall kan detta leda till sekundär emission av synligt ljus när det interagerar med materia, som i fallet med Cherenkov-strålning och radioluminescens.

Joniserande strålning har många praktiska användningsområden inom medicin, forskning och konstruktion, men är en hälsorisk om den används felaktigt. Exponering för strålning skadar levande vävnad; höga doser leder till akut strålsjuka med brännskador på huden, håravfall, organiskt misslyckande och dödsfall, medan vilken dos som helst kan leda till en ökning av sannolikheten för cancer och genetiska skador ; en speciell form av cancer, sköldkörtelcancer , uppstår ofta när kärnvapen och reaktorer är en strålkälla på grund av den biologiska aktiviteten hos den radioaktiva klyvningsprodukten av jod , jod-131 . [4] Men beräkningen av den exakta risken och sannolikheten för cancer i celler orsakad av joniserande strålning är fortfarande inte väl förstådd, och uppskattningar är för närvarande oprecisa fastställda från befolkningsdata baserade på atombombningarna av Hiroshima och Nagasaki och från efterföljande kärnkraftsolycka händelser., såsom Tjernobyl-katastrofen , Fukushima-olyckan (Fukushima-katastrofen). International Commission on Radiological Protection konstaterar att "Kommissionen är medveten om osäkerheten och bristen på noggrannhet i modeller och parametervärden", "Den samlade effektiva dosen är inte avsedd som ett verktyg för att bedöma epidemiologisk risk, och det är inte lämpligt att använda det i riskförutsägelser" och, "i synnerhet bör man undvika att beräkna antalet dödsfall i cancer på basis av kollektiva effektiva doser från enkla individuella doser." [5]

Ultraviolett strålning

Ultraviolett med en våglängd på 10 nm till 125 nm joniserar luftmolekyler, som ett resultat av vilket det absorberas starkt av luft och ozon (O 3 ) i synnerhet. Därför tränger inte joniserande ultraviolett strålning igenom jordens atmosfär i någon betydande utsträckning och kallas ibland för vakuum ultraviolett. Även om denna del av UV-spektrumet finns i rymden har den ingen biologisk betydelse eftersom den inte når levande organismer på jorden.

Det finns ett lager i atmosfären där ozon absorberar cirka 98 % av de icke-joniserande men farliga ultravioletta strålarna. Detta så kallade ozonskikt börjar ca 32 km från ytan och sträcker sig uppåt. Den del av det ultravioletta spektrumet som når jorden (den del som har energier över 3,1 eV, motsvarande våglängder under 400 nm) är icke-joniserande, men är fortfarande biologiskt farlig på grund av förmågan hos individuella fotoner av denna energi att orsaka elektroniska excitation i biologiska molekyler och därmed skada dem genom oönskade reaktioner. Ett exempel är bildningen av pyrimidindimerer i DNA, som börjar vid våglängder mindre än 365 nm (3,4 eV), vilket är långt under joniseringsenergin. Denna egenskap ger det ultravioletta spektrumet några av egenskaperna hos joniserande strålning i biologiska system utan faktisk jonisering. Däremot är synligt ljus och långvågig elektromagnetisk strålning, såsom infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor, sammansatta av fotoner med för lite energi för att orsaka skadlig molekylär excitation, och därför är dessa strålningar mycket mindre farliga per energienhet.

Röntgenstrålar

Röntgenstrålar är elektromagnetiska vågor med en våglängd mindre än cirka 10 −9 m (större än 3 × 10 17 Hz och 1240 eV). En kortare våglängd motsvarar en högre energi enligt ekvationen E = h c / λ . ("E" är energi; "h" är Plancks konstant; "c" är ljusets hastighet; "λ" är våglängd.) När en röntgenfoton kolliderar med en atom kan atomen absorbera fotonens energi och lyfta elektronen till en högre nivå, eller, om fotonen är mycket energisk, kan den helt slå ut elektronen ur atomen, vilket gör att atomen joniseras. I allmänhet är större atomer mer benägna att absorbera en röntgenfoton eftersom de har stora skillnader i energi mellan elektroner på olika nivåer. Mjuka vävnader i människokroppen består av atomer som är mindre än kalciumatomen som utgör ben, därför finns det en kontrast i absorptionen av röntgenstrålar. Röntgenapparater är speciellt utformade för att dra fördel av skillnaden i absorption mellan ben och mjukvävnad, vilket gör att läkare kan undersöka människokroppens struktur.

Röntgenstrålar absorberas också helt av jordens atmosfärs tjocklek, vilket resulterar i att solröntgenstrålning, mindre än ultraviolett strålning men ändå kraftfull, hindras från att nå ytan.

Gammastrålning

Gammastrålning (γ) består av fotoner med en våglängd på mindre än 3 × 10 −11 meter (större än 10 19 Hz och 41,4 keV). [4] Gammastrålning är en kärnprocess som sker för att befria en instabil kärna från överskottsenergi från de flesta kärnreaktioner. Både alfa- och beta-partiklar har en elektrisk laddning och massa, och därför är det troligt att de interagerar med andra atomer på vägen. Gammastrålning består dock av fotoner som varken har massa eller elektrisk laddning och som ett resultat penetrerar materia mycket djupare än alfa- eller betastrålning.

Gammastrålar kan stoppas av ett tillräckligt tjockt eller tätt materiallager, där materialets stoppkraft i ett givet frekvensområde till stor del (men inte helt) beror på den totala massan i strålningens väg, om materialet är av hög eller låg densitet. Men som med röntgenstrålar tillför material med högt atomnummer som bly eller utarmat uran en måttlig (vanligtvis 20 till 30 %) bromskraft jämfört med en lika stor massa mindre täta material med lägre atomvikt (som vatten eller betong). Atmosfären absorberar alla gammastrålar som närmar sig jorden från rymden. Även luft kan absorbera gammastrålar, halvera energin hos sådana vågor och passera i genomsnitt 150 m.

Alfastrålning

Alfa-partiklar är helium-4 kärnor (två protoner och två neutroner). De interagerar starkt med materia på grund av deras laddningar och totala massa, och penetrerar vid normala hastigheter endast några centimeter luft eller några millimeter lågdensitetsmaterial (t.ex. en tunn glimmerplatta, speciellt placerad i vissa geigerrör för att inte fånga in dem och tillåter upptäckt). Detta innebär att alfapartiklar från normalt alfasönderfall inte tränger in i de yttre lagren av döda hudceller och orsakar djupare skador på levande vävnad. Vissa alfapartiklar med mycket hög energi utgör cirka 10 % av den kosmiska strålningen , och de kan penetrera kroppen och även tunna metallplattor. De utgör dock bara en fara för astronauter, eftersom de avleds av jordens magnetfält och sedan stoppas av dess atmosfär.

Alfastrålning är farlig när alfa-strålande radioisotoper intas, andas in eller sväljs. Detta för radioisotopen tillräckligt nära känslig levande vävnad för att alfastrålningen kan skada cellerna. Per energienhet är alfapartiklar minst 20 gånger effektivare för att skada celler än gamma- och röntgenstrålar. Se relativ biologisk effektivitet för en diskussion om denna effekt. Exempel på mycket giftiga alfasändare är alla isotoper av radium , radon och polonium , på grund av antalet sönderfall som uppstår i dessa korta halveringstider.

Betastrålning

Beta minus (β - ) strålning består av en energisk elektron. Den är mer genomträngande än alfastrålning, men mindre än gamma. Betastrålning från radioaktivt sönderfall kan stoppas med några centimeter plast eller några millimeter metall. Det uppstår när en neutron sönderfaller till en proton i kärnan och frigör en beta-partikel och en antineutrino . Betastrålning från en linjäraccelerator är mycket mer energisk och genomträngande än naturlig betastrålning. Ibland används det terapeutiskt, nämligen vid strålbehandling för behandling av ytliga tumörer.

Beta plus (β + ) strålning är strålningen av positroner , som är antipartikeln för elektronen. När en positron saktar ner till hastigheter liknande de för elektroner i ett material, förintas positronen med elektronen och frigör två 511 keV gammafotoner i processen. Dessa två gammafotoner kommer att färdas i (ungefär) motsatta riktningar. Gammastrålning från positronförintelse består av högenergifotoner och är även joniserande.

Neutronstrålning

Neutroner klassificeras efter deras hastighet eller energi. Neutronstrålning består av fria neutroner . Dessa neutroner kan sändas ut under spontan eller inducerad kärnklyvning. Neutroner är sällsynta partiklar av strålning; de produceras endast i stora mängder där fissions- eller kedjereaktionsfusionsreaktioner är aktiva ; detta sker inom cirka 10 mikrosekunder i en termonukleär explosion eller ständigt inuti en fungerande kärnreaktor; neutronproduktionen i reaktorn upphör nästan omedelbart när kärnbränslemassan blir okritisk.

Neutroner är den enda typen av joniserande strålning som kan göra andra föremål eller material radioaktiva. Denna process, som kallas neutronaktivering, är den huvudsakliga metoden som används för att producera radioaktiva källor för medicinska, vetenskapliga och industriella ändamål. Även termiska neutroner med jämförelsevis låg energi orsakar neutronaktivering (i själva verket orsakar de det mer effektivt än snabba). Neutroner joniserar inte atomer på samma sätt som laddade partiklar som protoner och elektroner gör (genom excitation av en elektron), eftersom neutroner inte har någon laddning. Det är genom deras absorption av kärnorna, som sedan blir instabila, som de orsakar jonisering. Därför anses neutroner vara "indirekt joniserande". Även neutroner utan betydande kinetisk energi joniserar indirekt materia och utgör därmed en betydande strålningsrisk. Inte alla material är kapabla till neutronaktivering; till exempel, i vatten, fångar de vanligaste isotoperna av båda typerna av atomer (väte och syre) neutroner och blir tyngre, men förblir relativt stabila former av dessa atomer. Endast absorption av mer än en neutron - en statistiskt sällsynt händelse - kan aktivera en väteatom, medan syre kräver ytterligare två absorptioner. Vatten har alltså en mycket svag förmåga att aktiveras. Natriumsalter (som i havsvatten) behöver å andra sidan bara absorbera en neutron för att bli Na-24, som är en mycket intensiv källa till beta-sönderfall, med en halveringstid på 15 timmar.

Dessutom har högenergi- (höghastighets) neutroner förmågan att direkt jonisera atomer. En mekanism genom vilken högenergineutroner joniserar atomer är att träffa kärnan i en atom och slå ut atomen ur molekylen, lämnar en eller flera elektroner bakom sig och bryter den kemiska bindningen . Detta leder till bildandet av kemiska fria radikaler . Dessutom kan neutroner med mycket hög energi producera joniserande strålning genom "neutronsplittring" eller knockout, där neutroner orsakar att högenergiprotoner stöts ut från atomkärnor (särskilt vätekärnor) vid kollisionen. Den senare processen överför det mesta av neutronens energi till protonen, ungefär som att en biljardboll träffar en annan. Laddade protoner och andra produkter av sådana reaktioner orsakar direkt jonisering.

Högenergineutroner är mycket penetrerande och kan färdas långa sträckor i luft (hundratals eller till och med tusentals meter) och måttliga avstånd (flera meter) i vanliga fasta ämnen. De kräver vanligtvis avskärmning med ett väterikt ämne som betong eller vatten för att blockera deras färd på avstånd på mindre än en meter. En vanlig källa för neutronstrålning finns inuti en kärnreaktor , där ett flera meter tjockt vattenlager används som en effektiv sköld.

Kosmisk strålning

Det finns två källor till högenergipartiklar som kommer in i jordens atmosfär från rymden: solen och rymden. Solen sänder kontinuerligt ut partiklar, framför allt fria protoner i solvinden, och ökar ibland kraftigt flödet med koronala massutstötningar .

Partiklar från rymden (intergalaktiska och extragalaktiska) är mycket sällsynta, men har mycket högre energier. Dessa partiklar är också mestadels protoner, med det mesta av kvarlevan består av helioner (alfapartiklar). Flera helt joniserade kärnor av tyngre grundämnen finns också. Ursprunget till dessa galaktiska kosmiska strålar är ännu inte väl förstått, men de verkar vara resterna av supernovor och särskilt gammastrålningskurar , som har magnetfält som kan göra enorma accelerationer, mätt med närvaron av dessa partiklar. De kan också genereras av kvasarer , som är ett galaxbrett fenomen som liknar gammastrålningskurar men som är kända för sin mycket större storlek och som verkar vara en intensiv del av universums tidiga historia.

Icke-joniserande strålning

Den kinetiska energin hos icke-joniserande strålningspartiklar är för liten för att skapa laddade joner när de passerar genom materia. För icke-joniserande elektromagnetisk strålning (se typerna nedan) har de associerade partiklarna (fotoner) bara tillräckligt med energi för att ändra rotations-, vibrations- eller elektroniska valenskonfigurationer för molekyler och atomer. Inverkan av icke-joniserande former av strålning på levande vävnader har blivit föremål för studier först nyligen. Olika biologiska effekter observeras dock för olika typer av icke-joniserande strålning. [4] [6]

Även "icke-joniserande" strålning kan orsaka termisk jonisering om den avger tillräckligt med värme för att höja temperaturen till joniseringsenergier. Dessa reaktioner sker vid mycket högre energier än med joniserande strålning, som bara kräver enskilda partiklar för att orsaka jonisering. Ett välbekant exempel på termisk jonisering är flamjoniseringen av konventionell eld och brunfärgningsreaktionerna i konventionella livsmedel orsakade av infraröd strålning under stekning av mat.

Det elektromagnetiska spektrumet  är intervallet för alla möjliga frekvenser av elektromagnetisk strålning. [4] Det elektromagnetiska spektrumet (vanligtvis bara spektrumet) för ett objekt är den karakteristiska fördelningen av elektromagnetisk strålning som sänds ut eller absorberas av det specifika objektet.

Den icke-joniserande delen av elektromagnetisk strålning består av elektromagnetiska vågor som (som enstaka kvanta eller partiklar, se foton ) inte är tillräckligt energiska för att separera elektroner från atomer eller molekyler och därför får dem att jonisera. Dessa inkluderar radiovågor, mikrovågor, infrarött och (ibland) synligt ljus. Lägre frekvenser av ultraviolett ljus kan orsaka kemiska förändringar och molekylära skador som liknar jonisering, men joniserar inte tekniskt. De högsta frekvenserna av ultraviolett ljus, liksom alla röntgen- och gammastrålar, är joniserande.

Förekomsten av jonisering beror på energin hos enskilda partiklar eller vågor, och inte på deras antal. Ett intensivt flöde av partiklar eller vågor kommer inte att orsaka jonisering om dessa partiklar eller vågor inte bär tillräckligt med energi för att jonisera, såvida de inte höjer kroppens temperatur till en punkt som är tillräckligt hög för att jonisera en liten del av atomerna eller molekylerna i processen termisk jonisering (dock kräver detta strålning med relativt extrema intensiteter).

Ultraviolett ljus

Som noterats ovan är den nedre delen av det ultravioletta spektrumet, som kallas mjuk UV, från 3 eV till cirka 10 eV, icke-joniserande. Emellertid är effekterna av icke-joniserande ultraviolett på kemi och skador på biologiska system (inklusive oxidation, mutation och cancer) sådana att även denna del av ultraviolett ljus ofta jämförs med joniserande strålning.

Synligt ljus

Ljus, eller synligt ljus, är ett mycket smalt område av elektromagnetisk strålning med en våglängd som är synlig för det mänskliga ögat, eller 380–750 nm, motsvarande ett frekvensområde på 790 till 400 THz, respektive [4] . I en vidare mening använder fysiker termen "ljus" för att hänvisa till elektromagnetisk strålning av alla våglängder, synlig eller inte.

Infraröd

Infrarött (IR) ljus är elektromagnetisk strålning med en våglängd på 0,7 till 300 mikrometer, motsvarande ett frekvensområde på 430 till 1 THz, respektive. Våglängden för IR är längre än för synligt ljus, men kortare än för mikrovågor. Infraröd strålning kan detekteras på avstånd från emitterande föremål genom "sense". Infrarödkänsliga ormar kan upptäcka och fokusera infraröd strålning med hjälp av en pinhole-lins i huvudet som kallas en " grop " .  Starkt solljus ger en strålning på drygt 1 kilowatt per kvadratmeter vid havsnivån. Av denna energi är 53 % infraröd strålning, 44 % är synligt ljus och 3 % är ultraviolett strålning. [fyra]

mikrovågsugn

Mikrovågor är elektromagnetiska vågor med en våglängd från en millimeter till en meter, motsvarande ett frekvensområde på 300 MHz till 300 GHz. Denna breda definition inkluderar både UHF och EHF (millimetervåg), men olika källor använder olika andra begränsningar [4] . I alla fall inkluderar mikrovågor hela mikrovågsbandet (3 till 30 GHz eller 10 till 1 cm) som ett minimum, med radiofrekvensteknik som ofta sätter den nedre gränsen vid 1 GHz (30 cm) och den övre vid cirka 100 GHz (3 mm). ).

Radiovågor

Radiovågor är en typ av elektromagnetisk strålning med våglängder i det elektromagnetiska spektrumet längre än infrarött ljus. Liksom alla andra elektromagnetiska vågor färdas de med ljusets hastighet. Naturligt förekommande radiovågor produceras av blixtar eller några astronomiska föremål. Artificiellt genererade radiovågor används för fast och mobil radiokommunikation, radiosändning, radar och andra navigationssystem, satellitkommunikation, datornätverk och en mängd andra applikationer. Dessutom kommer nästan alla ledningar som bär AC att utstråla en del av energin som radiovågor; detta kallas i grunden störningar. Olika frekvenser av radiovågor har olika utbredningsegenskaper i jordens atmosfär; långa vågor kan böjas i takt med jordens krökning och kan täcka en del av jorden mycket jämnt, kortare vågor fortplantar sig runt om i världen genom flera reflektioner från jonosfären och jordens yta. Mycket kortare våglängder böjer eller reflekterar väldigt lite och rör sig längs siktlinjen.

Mycket låg frekvens

Med mycket låg frekvens avses frekvensområdet 30 Hz till 3 kHz, motsvarande våglängder på 100 000 till 10 000 meter respektive. Eftersom bandbredden är låg i detta område av radiofrekvensspektrumet kan endast de enklaste signalerna sändas, till exempel för radionavigering. Även känt som myriameterbandet eller myriametervågen eftersom våglängderna sträcker sig från tio till en myriameter (en föråldrad metrisk enhet lika med 10 kilometer).

Extremt låg frekvens

Extremt lågfrekvent är strålningsfrekvenser från 3 till 30 Hz (10 8 respektive 10 7 meter). Inom atmosfärsvetenskapen ges vanligtvis en alternativ definition, från 3 Hz till 3 kHz. [4] Inom den relevanta magnetosfäriska vetenskapen anses lågfrekventa elektromagnetiska svängningar (ripplar som förekommer under ~3 Hz) ligga i ULF-bandet, som alltså också definieras annorlunda än ITU-radiobanden. En massiv militär ELF-antenn i Michigan sänder mycket långsamma meddelanden till mottagare som inte är tillgängliga på andra frekvenser, till exempel ubåtar.

Termisk strålning (värme)

Termisk strålning är en generisk synonym för infraröd strålning som sänds ut av föremål vid temperaturer som vanligtvis finns på jorden. Termisk strålning hänvisar inte bara till själva strålningen, utan också till den process genom vilken ytan på ett föremål utstrålar sin termiska energi i form av svart kroppsstrålning. Infraröd eller röd strålning från en vanlig hushållsradiator eller elvärmare är ett exempel på värmestrålning, liksom värmen som utstrålas från en glödlampa. Termisk strålning genereras när energi från rörelsen av laddade partiklar inuti atomer omvandlas till elektromagnetisk strålning.

Som nämnts ovan kan även lågfrekvent värmestrålning orsaka termisk jonisering närhelst den frigör tillräckligt med värmeenergi för att höja temperaturen till en tillräckligt hög nivå. Typiska exempel på detta är jonisering (plasma) som ses i en vanlig låga.

Svart kroppsstrålning

Svartkroppsstrålning är ett idealiserat spektrum av strålning  som sänds ut av en kropp som har samma temperatur. Spektrumets form och den totala mängden energi som emitteras av en kropp är en funktion av kroppens absoluta temperatur. Utstrålad strålning täcker hela det elektromagnetiska spektrumet, och strålningsintensiteten (effekt/enhetsarea) vid en given frekvens beskrivs av Plancks strålningslag . För en given svart kroppstemperatur finns det en viss frekvens vid vilken den utsända strålningen har en maximal intensitet. Denna maximala strålningsfrekvens skiftar till högre frekvenser när kroppstemperaturen ökar. Frekvensen vid vilken svartkroppsstrålning är maximal bestäms av Wiens förskjutningslag och är en funktion av kroppens absoluta temperatur. En svart kropp är en som vid vilken temperatur som helst sänder ut maximalt möjliga mängd strålning vid en given våglängd. En svart kropp kommer också att absorbera maximalt möjliga infallande strålning vid varje given våglängd. Således kommer en svart kropp vid eller under rumstemperatur att se helt svart ut eftersom den inte kommer att reflektera infallande ljus och inte avger tillräckligt med strålning vid synliga våglängder för våra ögon att upptäcka. Teoretiskt sett avger en svart kropp elektromagnetisk strålning över hela spektrumet från mycket låga frekvenser av radiovågor till röntgenstrålar, vilket skapar ett kontinuum av strålning.

Färgen på en strålande svart kropp indikerar temperaturen på dess strålande yta. Den är ansvarig för färgen på stjärnor , som sträcker sig från infraröd till röd (2500 K), gul (5800 K), vit och blå-vit (15 000 K) när strålningens topp passerar genom dessa punkter i det synliga spektrumet. toppen är under det synliga spektrumet, kroppen är svart, medan när den är över det synliga spektrumet ses den som blå-vit, eftersom alla synliga färger representeras från blått, avtagande till rött.

Upptäckt

Elektromagnetisk strålning med andra våglängder än synligt ljus upptäcktes i början av 1800-talet. Upptäckten av infraröd strålning tillskrivs astronomen William Herschel . Herschel rapporterade sina resultat 1800 innan Royal Society of London . Herschel, som Ritter, använde ett prisma för att bryta ljus från solen och upptäckte infraröd strålning (utanför den röda delen av spektrumet) genom temperaturökningen som registrerats av en termometer .

År 1801 upptäckte den tyske fysikern Johann Wilhelm Ritter ultraviolett strålning genom att notera att prismastrålar gör silverkloridberedningar mörkare snabbare än violett ljus. Ritters experiment var en tidig föregångare till vad som skulle bli fotografi. Ritter noterade att ultravioletta strålar kan orsaka kemiska reaktioner.

De första detekterade radiovågorna kom inte från en naturlig källa, utan skapades medvetet på konstgjord väg av den tyske forskaren Heinrich Hertz 1887, med hjälp av elektriska kretsar beräknade att generera svängningar i radiofrekvensområdet, enligt James Clerk Maxwells ekvationer .

Wilhelm Röntgen upptäckte strålning och döpte dem till röntgenstrålar ( röntgen ). När han experimenterade med en hög spänning på ett evakuerat rör den 8 november 1895, märkte han fluorescens på en närliggande platta av belagt glas. Inom en månad upptäckte han röntgenstrålningens grundläggande egenskaper.

1896 upptäckte Henri Becquerel att strålar från vissa mineraler penetrerade svart papper och fick den oexponerade fotografiska plattan att imma. Hans doktorand Marie Curie upptäckte att endast vissa kemiska grundämnen sänder ut dessa energistrålar. Hon kallade detta beteende för radioaktivitet .

Alfa-strålar (alfapartiklar) och beta-strålar ( betapartiklar ) separerades genom enkla experiment 1899 av Ernest Rutherford . Rutherford använde en vanlig radioaktiv hartskälla och fastställde att strålarna som producerades av källan hade varierande penetration i material. En typ hade ett kort penetrationsdjup (den stoppades av papper) och hade en positiv laddning, som Rutherford kallade alfastrålar. Den andra var mer genomträngande (kapabel att exponera film genom papper men inte genom metall) och hade en negativ laddning, en typ Rutherford som kallas beta. Detta var den strålning som först upptäcktes av Becquerel från uransalter. År 1900 upptäckte den franske forskaren Paul Villars en tredje typ av radiumstrålning, som var laddningsneutral och särskilt penetrerande, och efter att han beskrev den insåg Rutherford att det måste vara en annan typ av strålning, som 1903 Rutherford döpte till gammastrålar .

Henri Becquerel bevisade själv att beta-strålar är snabba elektroner, och Rutherford och Thomas Royds 1909 bevisade att alfapartiklar är joniserat helium. Rutherford och Edward Andrade bevisade 1914 att gammastrålar liknar röntgenstrålar men med kortare våglängder.

Källorna till kosmiska strålar som faller på jorden från yttre rymden erkändes äntligen och bevisade sin existens 1912, när vetenskapsmannen Victor Hess använde en fri elektrometer på olika höjder i en ballongflygning. Arten av dessa strålningar blev bara gradvis klar under de följande åren.

Neutronstrålning upptäcktes tillsammans med neutronen av Chadwick 1932. Kort därefter upptäcktes andra högenergipartikelutsläpp, såsom positroner, myoner och pioner , i en molnkammare medan man studerade kosmiska strålningsreaktioner , och andra typer av partikelutsläpp erhölls artificiellt i partikelacceleratorer , under andra hälften av tjugonde århundradet.

Användning

Medicin

Strålning och radioaktiva ämnen används för diagnos, behandling och forskning. Till exempel passerar röntgenstrålar genom muskler och andra mjuka vävnader men blockeras av täta material. Denna egenskap hos röntgenstrålar gör att läkare kan hitta brutna ben och upptäcka cancer som kan växa i kroppen. [7] Läkare upptäcker också vissa sjukdomar genom att injicera ett radioaktivt ämne och övervaka strålningen som avges när ämnet rör sig genom kroppen. [8] Strålningen som används för att behandla cancer kallas joniserande strålning eftersom den producerar joner i cellerna i vävnaderna den passerar genom när den slår ut elektroner ur atomer. Detta kan döda celler eller förändra gener så att celler inte kan växa. Andra former av strålning som radiovågor, mikrovågor och ljusvågor kallas icke-joniserande. De har inte tillräckligt med energi och kan inte jonisera celler.

Kommunikation

Alla moderna kommunikationssystem använder former av elektromagnetisk strålning. Förändringar i strålningsintensitet är förändringar i ljud, bilder eller annan överförd information. Till exempel sänds den mänskliga rösten som radiovågor eller mikrovågor, vilket gör att vågen varierar beroende på motsvarande förändringar i rösten. Musiker har också experimenterat med gammaljudbehandling eller att använda kärnstrålning för att skapa ljud och musik. [9]

Vetenskap

Forskare använder radioaktiva atomer för att bestämma åldern på material som en gång var en del av en levande organism. Åldern på sådana material kan uppskattas genom att mäta mängden radioaktivt kol de innehåller i en process som kallas radiokoldatering . På liknande sätt kan man genom att använda andra radioaktiva grundämnen bestämma åldern på stenar och andra geologiska egenskaper (även vissa konstgjorda föremål); detta kallas radiometrisk datering . Miljöforskare använder radioaktiva atomer, kända som spåratomer , för att bestämma de vägar som föroreningar tar genom miljön.

Strålning används för att bestämma materialsammansättningen i en process som kallas neutronaktiveringsanalys . I denna process bombarderar forskare ett prov av materia med neutroner. En del av atomerna i provet absorberar neutroner och blir radioaktiva. Forskare kan identifiera grundämnena i ett prov genom att studera strålningen som sänds ut.

Potentiella hälso- och miljöskador från vissa typer av strålning

Joniserande strålning kan under vissa förhållanden skada levande organismer, orsaka cancer eller förstöra genetiskt material [4] .

Icke-joniserande strålning kan under vissa förhållanden också orsaka skador på levande organismer, såsom brännskador . 2011 släppte Världshälsoorganisationens (WHO) internationella byrå för cancerforskning ett uttalande som lade till radiofrekventa elektromagnetiska fält (inklusive mikrovågor och millimetervågor) till sin lista över saker som kan vara cancerframkallande för människor [10] . Sedan 2013 har radiofrekventa elektromagnetiska vågor klassificerats som "möjligen cancerframkallande för människor" [11] . Forskning inom detta område pågår.

EMF-portalens webbplats vid universitetet i Aachen tillhandahåller en av de största databaserna om elektromagnetisk exponering . Den 12 juli 2019 fanns det 28 547 publikationer och 6 369 sammanfattningar av individuella vetenskapliga studier om effekterna av elektromagnetiska fält [12] .

Anteckningar

  1. ↑ Weisstein. Strålning . Eric Weissteins värld av fysik . Wolfram Research. Datum för åtkomst: 11 januari 2014. Arkiverad från originalet 4 januari 2019.
  2. ↑ Strålning . Den fria ordboken av Farlex . Farlex, Inc. Hämtad 11 januari 2014. Arkiverad från originalet 8 maj 2021.
  3. ↑ Det elektromagnetiska spektrumet . Centers for Disease Control and Prevention (7 december 2015). Hämtad 29 augusti 2018. Arkiverad från originalet 31 december 2015.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kwan-Hoong Ng. Icke-joniserande strålning – Källor, biologiska effekter, utsläpp och exponeringar  //  Proceedings of the International Conference on Non-ionizing Radiation at UNITENICNIR2003 Elektromagnetiska fält och vår hälsa: tidskrift. - 2003. - 20 oktober.
  5. ↑ ICRP-publikation 103 2007 års rekommendationer från den internationella kommissionen för skydd . ICRP. Tillträdesdatum: 12 december 2013. Arkiverad från originalet 15 december 2017.
  6. ↑ Moulder, John E. Statiska elektriska och magnetiska fält och mänsklig hälsa . Arkiverad från originalet den 14 juli 2007.
  7. ↑ Röntgen
  8. ↑ Kärnmedicin
  9. ↑ Dunn. Att göra nukleär musik . En bit av MIT. Hämtad 29 augusti 2018. Arkiverad från originalet 13 augusti 2019.
  10. ↑ WHO/International Agency for Research on Cancer (IARC) (31 maj 2011). IARC klassificerar radiofrekventa elektromagnetiska fält som möjligen cancerframkallande för människor . Pressmeddelande . Arkiverad från originalet den 1 juni 2011. Hämtad 2019-10-07 .
  11. ↑ Lista över klassificeringar – IARC-monografier om identifiering av cancerframkallande faror för människor . monografier.iarc.fr . Hämtad 17 juni 2020. Arkiverad från originalet 20 maj 2020.
  12. ↑ EMF-portal . Hämtad 12 juli 2019. Arkiverad från originalet 1 juni 2019.

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger