В физике излучение — это излучение или передача энергии в виде волн или частиц через пространство или материальную среду. [1] [2] Сюда входит:
Излучение часто подразделяют на ионизирующее и неионизирующее в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение несет энергию более 10 электрон-вольт (эВ) , чего достаточно для ионизации атомов и молекул и разрыва химических связей . Это важное различие из-за большой разницы в вредности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения являются радиоактивные материалы , испускающие α-, β- или γ-излучение , состоящие из ядер гелия , электронов или позитронов и фотонов соответственно. Другие источники включают рентгеновские лучи от медицинских рентгенографических исследований, а также мюоны , мезоны , позитроны, нейтроны и другие частицы, составляющие вторичные космические лучи , образующиеся после взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли .
Гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет более высоких энергий составляют ионизирующую часть электромагнитного спектра . Слово «ионизация» относится к отрыву одного или нескольких электронов от атома, действию, которое требует относительно высоких энергий, которые обеспечивают эти электромагнитные волны. Дальше по спектру неионизирующие более низкие энергии нижнего ультрафиолетового спектра не могут ионизировать атомы, но могут разрушать межатомные связи, образующие молекулы, тем самым разрушая молекулы, а не атомы; Хорошим примером этого является солнечный ожог, вызванный длинноволновым солнечным ультрафиолетом. Волны с большей длиной волны, чем УФ, в видимом свете, инфракрасном и микроволновом диапазонах не могут разрушать связи, но могут вызывать вибрации в связях, которые воспринимаются как тепло . Радиоволны и ниже обычно не считаются вредными для биологических систем. Это не резкие разграничения энергий; есть некоторое перекрытие эффектов определенных частот . [3]
Слово «излучение» происходит от явления волн, исходящих (т. е. распространяющихся во всех направлениях) от источника. Этот аспект приводит к созданию системы измерений и физических единиц , применимых ко всем типам излучений. 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 по отношению к расстоянию от его источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов аппроксимирует измеренную интенсивность излучения в той степени, в которой источник приближается к геометрической точке.
Излучение достаточно высокой энергии может ионизировать атомы; то есть он может отбивать электроны от атомов, создавая ионы. Ионизация происходит, когда электрон отрывается (или «выбивается») из электронной оболочки атома, в результате чего атом остается с чистым положительным зарядом. Поскольку живые клетки и, что более важно, ДНК в этих клетках могут быть повреждены этой ионизацией, воздействие ионизирующего излучения увеличивает риск развития рака . Таким образом, «ионизирующее излучение» несколько искусственно отделено от излучения частиц и электромагнитного излучения просто из-за его большого потенциала биологического повреждения. Хотя отдельная клетка состоит из триллионов атомов, лишь небольшая часть из них будет ионизирована при низкой и умеренной мощности излучения. Вероятность того, что ионизирующая радиация вызовет рак, зависит от поглощенной дозы радиации и зависит от повреждающей способности типа излучения ( эквивалентная доза ) и чувствительности облучаемого организма или ткани ( эффективная доза ).
Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, такой как деление или синтез , следует учитывать излучение частиц . Излучение частиц — это субатомные частицы , ускоренные до релятивистских скоростей в результате ядерных реакций. Благодаря своим импульсам они вполне способны выбивать электроны и ионизировать материалы, но поскольку большинство из них имеют электрический заряд, они не обладают проникающей способностью ионизирующего излучения. Исключением являются нейтронные частицы; см. 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 10 электрон-вольт (эВ) ионизируются (некоторые авторы используют 33 эВ — энергию ионизации воды). Излучение частиц радиоактивных материалов или космических лучей почти всегда несет в себе достаточно энергии, чтобы вызвать ионизацию.
Большая часть ионизирующего излучения исходит из радиоактивных материалов и космоса (космические лучи) и естественным образом присутствует в окружающей среде, поскольку большинство камней и почвы содержат небольшие концентрации радиоактивных материалов. Поскольку это излучение невидимо и не может быть непосредственно обнаружено человеческими органами чувств, для обнаружения его присутствия обычно требуются такие инструменты, как счетчики Гейгера . В некоторых случаях это может приводить к вторичному излучению видимого света при его взаимодействии с веществом, как в случае черенковского излучения и радиолюминесценции.
Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но при неправильном использовании оно представляет опасность для здоровья. Воздействие радиации вызывает повреждение живых тканей; высокие дозы приводят к острому лучевому синдрому (ОЛС) с ожогами кожи, выпадением волос, недостаточностью внутренних органов и смертью, тогда как любая доза может привести к увеличению вероятности развития рака и генетических повреждений ; Особая форма рака, рак щитовидной железы , часто возникает, когда ядерное оружие и реакторы являются источником радиации из-за биологической склонности радиоактивного продукта деления йода, йода-131 . [4] Однако расчет точного риска и вероятности образования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, до сих пор не совсем понятен, и в настоящее время оценки в общих чертах определяются популяционными данными об атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки , а также последующими наблюдениями. аварий на реакторах, таких как Чернобыльская катастрофа . Международная комиссия по радиологической защите заявляет, что «Комиссия осознает неопределенности и недостаточную точность моделей и значений параметров», «Коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и ее нецелесообразно использовать в прогнозы риска» и «в частности, следует избегать расчета количества смертей от рака на основе коллективных эффективных доз из тривиальных индивидуальных доз». [5]
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, вызывая его сильное поглощение воздухом и, в частности, озоном (O 3 ). Поэтому ионизирующее ультрафиолетовое излучение не проникает в значительной степени в атмосферу Земли, и его иногда называют вакуумным ультрафиолетом . Хотя эта часть спектра UVA присутствует в космосе, она не имеет биологического значения, поскольку не достигает живых организмов на Земле.
Существует зона атмосферы, в которой озон поглощает около 98% неионизирующих, но опасных УФ-С и УФ-В. Этот озоновый слой начинается примерно на высоте 20 миль (32 км) и простирается вверх. Часть ультрафиолетового спектра, достигающего земли, не ионизируется, но по-прежнему биологически опасна из-за способности одиночных фотонов этой энергии вызывать электронное возбуждение в биологических молекулах и, таким образом, повреждать их посредством нежелательных реакций. Примером может служить образование димеров пиримидина в ДНК, которое начинается при длинах волн ниже 365 нм (3,4 эВ), что значительно ниже энергии ионизации. Это свойство придает ультрафиолетовому спектру некоторую опасность ионизирующего излучения в биологических системах без фактической ионизации. Напротив, видимый свет и более длинноволновое электромагнитное излучение, такое как инфракрасное, микроволновое и радиоволны, состоят из фотонов со слишком малой энергией, чтобы вызвать разрушительное молекулярное возбуждение, и, следовательно, это излучение гораздо менее опасно на единицу энергии.
Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны менее 10–9 м (более 3x10 17 Гц и 1240 эВ). Меньшая длина волны соответствует более высокой энергии согласно уравнению E = h c / λ . («E» — энергия; «h» — постоянная Планка; «c» — скорость света; «λ» — длина волны.) Когда рентгеновский фотон сталкивается с атомом, атом может поглотить энергию фотона. и поднять электрон на более высокий орбитальный уровень, или, если фотон чрезвычайно энергичен, он может вообще выбить электрон из атома, вызывая ионизацию атома. Как правило, более крупные атомы с большей вероятностью поглощают рентгеновские фотоны, поскольку у них большая разница в энергии между орбитальными электронами. Мягкие ткани человеческого тела состоят из атомов меньшего размера, чем атомы кальция, из которых состоят кости, поэтому существует контраст в поглощении рентгеновских лучей. Рентгеновские аппараты специально разработаны для использования разницы в поглощении между костями и мягкими тканями, что позволяет врачам исследовать структуру человеческого тела.
Рентгеновские лучи также полностью поглощаются толщиной земной атмосферы, в результате чего рентгеновские лучи Солнца, меньшие по количеству, чем УФ, но, тем не менее, мощные, не достигают поверхности.
Гамма-(γ)-излучение состоит из фотонов с длиной волны менее 3х10-11 метров (более 1019 Гц и 41,4 кэВ). [4] Эмиссия гамма-излучения — это ядерный процесс, который происходит, чтобы избавить нестабильное ядро от избыточной энергии после большинства ядерных реакций. И альфа-, и бета-частицы обладают электрическим зарядом и массой и поэтому вполне могут 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 в материю гораздо дальше, чем альфа- или бета-излучение.
Гамма-лучи могут быть остановлены достаточно толстым или плотным слоем материала, где останавливающая способность материала на данной площади зависит в основном (но не полностью) от общей массы на пути излучения, независимо от того, является ли материал высокая или низкая плотность. Однако, как и в случае с рентгеновскими лучами, материалы с высоким атомным номером, такие как свинец или обедненный уран, добавляют скромное (обычно от 20% до 30%) тормозное действие по сравнению с равной массой менее плотных материалов 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, вдвое уменьшая энергию таких волн, проходя в среднем 500 футов (150 м).
Альфа-частицы — это ядра гелия-4 (два протона и два нейтрона). Они сильно взаимодействуют с веществом из-за своих зарядов и объединенной массы и при своих обычных скоростях проникают лишь на несколько сантиметров воздуха или на несколько миллиметров материала низкой плотности (например, тонкого слюдяного материала, который специально помещается в некоторые трубки счетчиков Гейгера). чтобы позволить альфа-частицам войти). Это означает, что альфа-частицы обычного альфа-распада не проникают через внешние слои омертвевших клеток кожи и не причиняют вреда живым тканям ниже. Некоторые альфа-частицы очень высоких энергий составляют около 10% космических лучей и способны проникать в тело и даже тонкие металлические пластины. Однако они представляют опасность только для космонавтов, так как отклоняются магнитным полем Земли, а затем останавливаются ее атмосферой.
Альфа-излучение опасно при проглатывании или вдыхании (вдыхании или проглатывании) альфа-излучающих радиоизотопов . Это приближает радиоизотоп к чувствительной живой ткани, чтобы альфа-излучение могло повредить клетки. На единицу энергии альфа-частицы по меньшей мере в 20 раз эффективнее повреждают клетки, чем гамма-лучи и рентгеновские лучи. См. относительную биологическую эффективность для обсуждения этого вопроса. Примерами очень ядовитых альфа-излучателей являются все изотопы радия , радона и полония из-за количества распада, происходящего в этих материалах с коротким периодом полураспада.
Бета-минус (β - ) излучение состоит из энергичного электрона. Оно более проникающее, чем альфа-излучение, но менее проникающее, чем гамма-излучение. 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 линейных ускорителей гораздо более энергично и проникающе, чем естественное бета-излучение. Иногда его используют в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.
Бета-плюс (β + ) излучение — это излучение позитронов , которые являются формой антивещества электронов. Когда позитрон замедляется до скоростей, аналогичных скорости электронов в материале, позитрон аннигилирует электрон, высвобождая при этом два гамма-фотона с энергией 511 кэВ. Эти два гамма-фотона будут двигаться в (приблизительно) противоположном направлении. Гамма-излучение от аннигиляции позитронов состоит из фотонов высокой энергии и также является ионизирующим.
Нейтроны классифицируются в зависимости от их скорости/энергии. Нейтронное излучение состоит из свободных нейтронов . Эти нейтроны могут испускаться во время спонтанного или индуцированного деления ядер. Нейтроны — редкие радиационные частицы; они производятся в больших количествах только там, где активны цепные реакции деления или синтеза; это происходит в течение примерно 10 микросекунд при термоядерном взрыве или непрерывно внутри действующего ядерного реактора; производство нейтронов в реакторе почти сразу прекращается, когда он становится некритическим.
Нейтроны могут сделать другие объекты или материалы радиоактивными. Этот процесс, называемый нейтронной активацией , является основным методом производства радиоактивных источников для использования в медицинских, академических и промышленных целях. Даже сравнительно низкоскоростные тепловые нейтроны вызывают активацию нейтронов (на самом деле они вызывают ее более эффективно). Нейтроны не ионизируют атомы так, как это делают заряженные частицы, такие как протоны и электроны (путем возбуждения электрона), поскольку нейтроны не имеют заряда. Именно благодаря их поглощению ядрами, которые затем становятся нестабильными, они вызывают ионизацию. Следовательно, нейтроны называются «косвенно ионизирующими». Даже нейтроны без значительной кинетической энергии косвенно ионизируются и, таким образом, представляют значительную радиационную опасность. Не все материалы способны активировать нейтронами; в воде, например, наиболее распространенные изотопы обоих типов атомов (водород и кислород) захватывают нейтроны и становятся тяжелее, но остаются стабильными формами этих атомов. Только поглощение более одного нейтрона, что является статистически редким явлением, может активировать атом водорода, в то время как кислород требует двух дополнительных поглощений. Таким образом, вода лишь очень слабо способна к активации. С другой стороны, натрию в соли (как и в морской воде) достаточно поглотить всего один нейтрон, чтобы превратиться в Na-24, очень интенсивный источник бета-распада с периодом полураспада 15 часов.
Кроме того, нейтроны высокой энергии (высокоскоростные) обладают способностью непосредственно ионизировать атомы. Один из механизмов ионизации атомов нейтронами высокой энергии заключается в том, что они поражают ядро атома и выбивают атом из молекулы, оставляя после себя один или несколько электронов, поскольку химическая связь разрывается. Это приводит к образованию химических свободных радикалов . Кроме того, нейтроны очень высокой энергии могут вызывать ионизирующее излучение путем «нейтронного расщепления» или выбивания, при этом нейтроны вызывают выброс протонов высокой энергии из атомных ядер (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 непосредственно ионизируются.
Нейтроны высоких энергий обладают высокой проникающей способностью и могут преодолевать большие расстояния в воздухе (сотни и даже тысячи метров) и умеренные расстояния (несколько метров) в обычных твердых телах. Обычно им требуется защита, богатая водородом, такая как бетон или вода, чтобы блокировать их на расстоянии менее метра. Распространенный источник нейтронного излучения находится внутри ядерного реактора , где в качестве эффективной защиты используется слой воды толщиной в несколько метров.
Есть два источника частиц высокой энергии, попадающих в атмосферу Земли из космоса: Солнце и глубокий космос. Солнце постоянно испускает частицы, в первую очередь свободные протоны, в солнечном ветре и иногда значительно усиливает поток корональными выбросами массы (КВМ).
Частицы из глубокого космоса (межгалактического и внегалактического) встречаются гораздо реже, но имеют гораздо более высокие энергии. Эти частицы также в основном состоят из протонов, а большая часть остальной части состоит из гелионов (альфа-частиц). Присутствуют несколько полностью ионизированных ядер более тяжелых элементов. Происхождение этих галактических космических лучей еще не совсем понятно, но они, по-видимому, являются остатками сверхновых и особенно гамма-всплесков (GRB), которые имеют магнитные поля, способные создавать огромные ускорения, измеряемые этими частицами. Они также могут быть вызваны квазарами — струйными явлениями, охватывающими всю галактику, похожими на гамма-всплески, но известными своими гораздо большими размерами и, по-видимому, являющимися бурной частью ранней истории Вселенной.
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) имеют энергию, достаточную только для изменения вращательной, колебательной или электронной валентной конфигурации молекул и атомов. Влияние неионизирующих форм радиации на живые ткани изучается лишь недавно. Тем не менее, для разных типов неионизирующего излучения наблюдаются разные биологические эффекты. [4] [6]
Даже «неионизирующее» излучение способно вызвать тепловую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла, чтобы поднять температуру до энергии ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, для которого требуются только отдельные частицы, чтобы вызвать ионизацию. Известным примером термической ионизации является ионизация пламенем обычного огня и реакции потемнения обычных продуктов питания, вызванные инфракрасным излучением во время приготовления на гриле.
Электромагнитный спектр – это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения. [4] Электромагнитный спектр (обычно просто спектр) объекта — это характерное распределение электромагнитного излучения, излучаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.
Неионизирующая часть электромагнитного излучения состоит из электромагнитных волн, которые (как отдельные кванты или частицы, см. фотон ) недостаточно энергичны, чтобы отрывать электроны от атомов или молекул и, следовательно, вызывать их ионизацию. К ним относятся радиоволны, микроволны, инфракрасный и (иногда) видимый свет. Более низкие частоты ультрафиолетового света могут вызывать химические изменения и молекулярные повреждения, подобные ионизации, но технически они не ионизируют. Ультрафиолетовое излучение высочайшей частоты, а также все рентгеновские и гамма-лучи являются ионизирующими.
Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их числа. 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 достаточно высокой точки, чтобы ионизировать небольшие фракции атомов или молекул в процессе ионизации. термическая ионизация (однако для этого необходимы относительно экстремальные интенсивности излучения).
Как отмечалось 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 биологическим системам, подвергающимся его воздействию (включая окисление, мутацию 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. [4] 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-излучения длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволнового излучения. Инфракрасное излучение можно обнаружить на расстоянии от излучающих объектов путем «ощущения». Змеи, чувствительные к инфракрасному излучению, могут обнаруживать и фокусировать инфракрасное излучение с помощью линзы-обскуры в голове, называемой «ямкой». Яркий солнечный свет обеспечивает интенсивность излучения 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]
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 разные источники используют разные другие пределы. [4] Во всех случаях микроволны охватывают как минимум весь сверхвысокочастотный диапазон (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), при этом радиочастотная инженерия часто устанавливает нижнюю границу на уровне 1 ГГц (30 см), а верхнюю около 100 ГГц (3 мм).
Радиоволны — это тип электромагнитного излучения, длина волны которого в электромагнитном спектре превышает длину инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они распространяются со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или некоторыми астрономическими объектами. Искусственно генерируемые радиоволны используются в фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещании, радиолокационных и других навигационных системах, спутниковой связи, компьютерных сетях и во многих других приложениях. Кроме того, почти любой провод, по которому течет переменный ток, излучает часть энергии в виде радиоволн; в основном это называется вмешательством. Различные частоты радиоволн имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут изгибаться со скоростью кривизны Земли и могут очень последовательно покрывать часть Земли, более короткие волны распространяются по всему миру за счет многократного отражения от ионосферы и Земли. Гораздо более короткие волны очень мало изгибаются или отражаются и распространяются вдоль луча зрения.
Очень низкая частота (ОНЧ) относится к диапазону частот от 30 Гц до 3 кГц, что соответствует длинам волн от 100 000 до 10 000 метров соответственно. Поскольку полоса пропускания в этом диапазоне радиоспектра невелика, можно передавать только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известен как диапазон мириаметра или волна мириаметра, поскольку длины волн варьируются от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).
Крайне низкая частота (КНЧ) – это излучение частотой от 3 до 30 Гц (от 10 8 до 10 7 метров соответственно). В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение: от 3 Гц до 3 кГц. [4] В соответствующей науке о магнитосфере считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, возникающие ниже ~ 3 Гц) лежат в диапазоне УНЧ, который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны МСЭ. Массивная военная антенна ELF в Мичигане очень медленно передает сообщения на недоступные в противном случае приемники, например, на затопленные подводные лодки.
Тепловое излучение — общий синоним инфракрасного излучения, испускаемого объектами при температурах, часто встречающихся на Земле. Тепловое излучение относится не только к самому излучению, но и к процессу, посредством которого поверхность объекта излучает свою тепловую энергию в виде излучения черного тела. Инфракрасное или красное излучение обычного бытового радиатора или электрического обогревателя является примером теплового излучения, равно 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. Типичными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные «потемнением » во время приготовления пищи, которое представляет собой химический процесс, который начинается с большого компонента ионизации.
Излучение черного тела — это идеализированный спектр излучения, испускаемого телом, имеющим однородную температуру. Форма спектра и общее количество энергии, излучаемой телом, являются функцией абсолютной температуры этого тела. Испускаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность излучения (мощность на единицу площади) на заданной частоте описываетсяизлучения Планка . Для данной температуры черного тела существует определенная частота, на которой испускаемое излучение имеет максимальную интенсивность. Эта максимальная частота излучения перемещается в сторону более высоких частот по мере повышения температуры тела. Частота, на которой излучение черного тела максимально, определяется законом смещения Вина и является функцией абсолютной температуры тела. Черное тело — это тело, которое при любой температуре излучает 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 комнатной температуре или ниже, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать падающий свет и не будет излучать достаточно излучения в видимых длинах волн, чтобы наши глаза могли его обнаружить. Теоретически черное тело излучает электромагнитное излучение во всем спектре — от очень низкочастотных радиоволн до рентгеновских лучей, создавая континуум излучения.
Цвет излучающего черного тела определяет температуру его излучающей поверхности. Он отвечает за цвет звезд , который варьируется от инфракрасного до красного (2500 К), желтого (5 800 К), белого и сине-белого (15 000 К), когда пиковое сияние проходит через эти точки видимого спектра. . Когда пик находится ниже видимого спектра, тело черное, а когда выше — сине-белое, поскольку все видимые цвета представлены от синего, уменьшающегося до красного.
Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Уильяму Гершелю . Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель, как и Риттер, использовал призму для преломления света Солнца и обнаруживал инфракрасное излучение (за пределами красной части спектра) посредством увеличения температуры, регистрируемой термометром .
В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер сделал открытие ультрафиолета, отметив, что лучи призмы затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранним предшественником того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи способны вызывать химические реакции.
Первые обнаруженные радиоволны не имели естественного источника, а были созданы намеренно и искусственно немецким ученым Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний в радиочастотном диапазоне по формулам, предложенным уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. .
Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . Экспериментируя с высоким напряжением, приложенным к вакуумной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластинке стекла с покрытием. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей, которые мы понимаем по сей день.
В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что лучи, исходящие от некоторых минералов, проникают через черную бумагу и вызывают запотевание неэкспонированной фотопластинки. Его аспирантка Мария Кюри обнаружила, что только определенные химические элементы испускают эти лучи энергии. Она назвала такое поведение радиоактивностью .
Альфа-лучи (альфа-частицы) и бета-лучи ( бета-частицы ) были различены Эрнестом Резерфордом посредством простого эксперимента в 1899 году. Резерфорд использовал обычный радиоактивный источник в виде настурана и определил, что лучи, производимые источником, имеют различное проникновение в материалы. Один тип имел короткое проникновение (оно останавливалось бумагой) и положительный заряд, который Резерфорд назвал альфа-лучами. Другой был более проникающим (способен просвечивать пленку через бумагу, но не через металл) и имел отрицательный заряд, и этот тип Резерфорд назвал бета. Это было излучение, которое впервые обнаружил Беккерель в солях урана. В 1900 году французский учёный Поль Виллар открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения радия, а после его описания Резерфорд понял, что это, должно быть, ещё третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами .
Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи — это быстрые электроны, а Резерфорд и Томас Ройдс в 1909 году доказали, что альфа-частицы — это ионизированный гелий. Резерфорд и Эдвард Андраде доказали в 1914 году, что гамма-лучи подобны рентгеновским лучам, но с более короткими длинами волн.
Излучение космических лучей, попадающее на Землю из космоса, было окончательно признано и подтверждено в 1912 году, когда ученый Виктор Гесс поднял электрометр на различные высоты во время свободного полета на воздушном шаре. Природа этих излучений стала понятна лишь постепенно в последующие годы.
Нейтронное и нейтронное излучение были открыты Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Вскоре после этого с помощью исследования реакций космических лучей в камере Вильсона был обнаружен ряд других излучений частиц высокой энергии, таких как позитроны , мюоны и пионы , и были произведены другие типы излучения частиц. искусственно в ускорителях частиц в течение второй 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 клетки, которые могут расти в организме. [7] Врачи также выявляют определенные заболевания, вводя радиоактивное вещество и наблюдая за излучением, выделяемым при движении вещества по организму. [8] Излучение, используемое для лечения рака, называется ионизирующим излучением, поскольку оно образует ионы в клетках тканей, через которые проходит, выбивая 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. У них не так много энергии, поэтому они не способны ионизировать клетки. [9]
Все современные системы связи используют формы электромагнитного излучения. Изменения интенсивности излучения представляют собой изменения в звуке, изображении или другой передаваемой информации. Например, человеческий голос можно передать в виде радиоволны или микроволнового излучения, заставив волну изменяться в соответствии с соответствующими вариациями голоса. Музыканты также экспериментировали с ультразвуковой обработкой гамма-лучами или использованием ядерного излучения для создания звука и музыки. [10]
Исследователи используют радиоактивные атомы, чтобы определить возраст материалов, которые когда-то были частью живого организма. Возраст таких материалов можно оценить, измерив количество содержащегося в них радиоактивного углерода в процессе, называемом радиоуглеродным датированием . Аналогичным образом, используя другие радиоактивные элементы, можно определить возраст горных пород и других геологических особенностей (даже некоторых рукотворных объектов); это называется радиометрическим датированием . Ученые-экологи используют радиоактивные атомы, известные как атомы-индикаторы , для определения путей, по которым загрязняющие вещества проходят через окружающую среду.
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.
Радиация не всегда опасна, и не все виды радиации одинаково опасны, вопреки нескольким распространённым медицинским мифам. [11] [12] [13] Например, хотя бананы содержат встречающиеся в природе радиоактивные изотопы , особенно калий-40 ( 40 К), которые испускают ионизирующее излучение при радиоактивном распаде, уровни такого излучения слишком низки, чтобы вызвать радиацию . отравление , а бананы не представляют радиационной опасности . Физически невозможно съесть достаточное количество бананов, чтобы вызвать радиационное отравление, поскольку доза радиации от бананов не суммируется . [14] [15] [16] Радиация на Земле распространена повсеместно, и люди приспособлены к выживанию при нормальных низких и умеренных уровнях радиации, обнаруженных на поверхности Земли. Зависимость между дозой и токсичностью часто нелинейна , и многие вещества, токсичные в очень высоких дозах, на самом деле оказывают нейтральное или положительное воздействие на здоровье или являются биологически незаменимыми в умеренных или низких дозах. Есть некоторые свидетельства, позволяющие предположить, что это справедливо и для ионизирующего излучения: нормальные уровни ионизирующего излучения могут стимулировать и регулировать активность механизмов репарации ДНК . Однако достаточно высокие уровни любого вида радиации в конечном итоге станут смертельными. [17] [18] [19]
Ионизирующее излучение в определенных условиях может повредить живые организмы, вызывая рак или генетические повреждения. [4]
Неионизирующее излучение в определенных условиях также может вызвать повреждение живых организмов, например ожоги . В 2011 году Международное агентство по исследованию рака (IARC) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, включив радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в список веществ, которые могут быть канцерогенными для человека. [20]
На веб-сайте портала EMF Университета RWTH Ахена представлена одна из крупнейших баз данных о воздействии электромагнитного излучения . По состоянию на 12 июля 2019 года он имеет 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований о воздействии электромагнитных полей. [21]
Важно осознавать, что содержание калия в организме находится под строгим гомеостатическим контролем и не зависит от изменений уровня окружающей среды. По этой причине доза от 40 К в организме постоянна.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )