В физике излучение — это излучение или передача энергии в форме волн или частиц через пространство или материальную среду. [1] [2] Сюда входит:
Радиация часто классифицируется как ионизирующая или неионизирующая в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение несет более 10 электронвольт (эВ) , чего достаточно для ионизации атомов и молекул и разрыва химических связей . Это важное различие из-за большой разницы во вредности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения являются радиоактивные материалы , которые испускают α-, β- или γ-излучение , состоящее из ядер гелия , электронов или позитронов и фотонов соответственно. Другие источники включают рентгеновские лучи от медицинских рентгенографических исследований и мюоны , мезоны , позитроны, нейтроны и другие частицы, которые составляют вторичные космические лучи , которые производятся после взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли .
Гамма-лучи, рентгеновские лучи и более высокий энергетический диапазон ультрафиолетового света составляют ионизирующую часть электромагнитного спектра . Слово «ионизировать» относится к отрыву одного или нескольких электронов от атома, действие, 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, которые образуют 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, инфракрасных и микроволновых частотах не могут разрушать связи, но могут вызывать колебания в связях, которые ощущаются как тепло . Радиоволны и ниже обычно не считаются вредными для биологических систем. Это не четкие разграничения энергий; есть некоторое перекрытие в эффектах определенных частот . [3]
Слово «излучение» происходит от явления волн, излучаемых (т. е. распространяющихся наружу во всех направлениях) из источника. Этот аспект приводит к системе измерений и физических единиц , которые применяются ко всем типам излучения. Поскольку такое излучение расширяется при прохождении через пространство, и поскольку его энергия сохраняется (в вакууме), интенсивность всех типов излучения от точечного источника следует закону обратных квадратов по отношению к расстоянию от его источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов приближает измеренную интенсивность излучения в той степени, в которой источник приближается к геометрической точке.
Излучение с достаточно высокой энергией может ионизировать атомы; то есть оно может выбивать электроны из атомов, создавая ионы. Ионизация происходит, когда электрон отрывается (или «выбивается») от электронной оболочки атома, что оставляет атом с чистым положительным зарядом. Поскольку живые клетки и, что еще важнее, ДНК в этих клетках могут быть повреждены этой ионизацией, воздействие ионизирующего излучения увеличивает риск возникновения рака . Таким образом, «ионизирующее излучение» несколько искусственно отделено от корпускулярного излучения и электромагнитного излучения просто из-за его большого потенциала биологического повреждения. Хотя отдельная клетка состоит из триллионов атомов, только небольшая часть из них будет ионизирована при низкой или средней мощности излучения. Вероятность того, что ионизирующее излучение вызовет рак, зависит от поглощенной дозы излучения и является функцией повреждающей тенденции типа излучения ( эквивалентной дозы ) и чувствительности облученного организма или ткани ( эффективной дозы ).
Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, такой как деление или синтез , следует рассмотреть корпускулярное излучение . Корпускулярное излучение — 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 — альфа-частицы , бета-частицы , нейтроны и протоны . Грубо говоря, фотоны и частицы с энергией выше примерно 10 электронвольт (эВ) являются ионизирующими (некоторые специалисты используют 33 эВ, энергию ионизации для воды). Корпускулярное излучение от радиоактивного материала или космических лучей почти всегда несет достаточно энергии, чтобы быть ионизирующим.
Большая часть ионизирующего излучения исходит от радиоактивных материалов и космоса (космические лучи), и как таковое естественным образом присутствует в окружающей среде, поскольку большинство горных пород и почв содержат небольшие концентрации радиоактивных материалов. Поскольку это излучение невидимо и не обнаруживается непосредственно человеческими органами чувств, для его обнаружения обычно требуются такие приборы, 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.
Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но представляет опасность для здоровья при неправильном использовании. Воздействие радиации приводит к повреждению живых тканей; высокие дозы приводят к острому лучевому синдрому (ОЛС) с ожогами кожи, выпадением волос, отказом внутренних органов и смертью, в то время как любая доза может привести к увеличению вероятности рака и генетических повреждений ; особая форма рака, рак щитовидной железы , часто возникает, когда источником радиации являются ядерное оружие и реакторы из-за биологических свойств продукта деления радиоактивного йода, йода-131 . [4] Однако расчет точного риска и вероятности образования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, до сих пор не очень хорошо изучен, и в настоящее время оценки приблизительно определяются на основе данных о населении, полученных в результате атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, а также в результате последующих аварий на реакторах, таких как катастрофа на Чернобыльской АЭС . Международная комиссия по радиологической защите заявляет, что «Комиссия осознает неопределенность и недостаточную точность моделей и значений параметров», «коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и ее нецелесообразно использовать в прогнозах риска» и «в частности, следует избегать расчета числа случаев смерти от рака на основе коллективных эффективных доз из незначительных индивидуальных доз». [5]
Ультрафиолет с длиной волны от 10 нм до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, в результате чего он сильно поглощается воздухом и озоном (O 3 ) в частности. Поэтому ионизирующий УФ не проникает в атмосферу Земли в значительной степени и иногда его называют вакуумным ультрафиолетом . Хотя эта часть спектра УФА присутствует в космосе, она не имеет биологического значения, поскольку не достигает живых организмов на Земле.
Существует зона атмосферы, в которой озон поглощает около 98% неионизирующего, но опасного УФ-С и УФ-В. Этот озоновый слой начинается примерно в 20 милях (32 км) и простирается вверх. Часть ультрафиолетового спектра, которая достигает земли, является неионизирующей, но все же биологически опасной из-за способности отдельных фотонов этой энергии вызывать электронное возбуждение в биологических молекулах и, таким образом, повреждать их посредством нежелательных реакций. Примером является образование пиримидиновых димеров в ДНК, которое начинается на 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 фактической ионизации. Напротив, видимый свет и электромагнитное излучение с большей длиной волны, такое как инфракрасное, микроволны и радиоволны, состоят из фотонов со слишком малой энергией, чтобы вызвать разрушительное молекулярное возбуждение, и, таким образом, это излучение гораздо менее опасно на единицу энергии.
Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны с длиной волны менее 10−9 м (более3 × 10 17 Гц и1240 эВ ). Меньшая длина волны соответствует большей энергии в соответствии с уравнением 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 поглотят рентгеновский фотон, поскольку у них большая разница в энергии между орбитальными электронами. Мягкие ткани в организме человека состоят из более мелких атомов, чем атомы кальция, из которых состоит кость, поэтому существует контраст в поглощении рентгеновских лучей. Рентгеновские аппараты специально разработаны для использования разницы в поглощении между костью и мягкой тканью, что позволяет врачам исследовать структуру в организме человека.
Рентгеновские лучи также полностью поглощаются толщей земной атмосферы, в результате чего рентгеновское излучение Солнца, меньшее по количеству, чем ультрафиолетовое, но не менее мощное, не достигает поверхности.
Гамма (γ) излучение состоит из фотонов с длиной волны меньше3 × 10−11 м (более 1019 Гц и 41,4 кэВ). [4] Гамма-излучение — это ядерный процесс, который происходит для избавления нестабильного ядра от избыточной энергии после большинства ядерных реакций. Как альфа-, так и бета-частицы имеют электрический заряд и массу, и 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, проникает гораздо дальше через вещество, чем альфа- или бета-излучение.
Гамма-лучи могут быть остановлены достаточно толстым или плотным слоем материала, где тормозная способность материала на заданную площадь зависит в основном (но не полностью) от общей массы вдоль пути излучения, независимо 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 скромное (обычно 20–30%) количество тормозной способности по сравнению с равной массой менее плотных и более низкоатомных материалов (таких как 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 только на несколько сантиметров воздуха или на несколько миллиметров материала с низкой плотностью (например, тонкого слюдяного материала, который специально помещают в некоторые счетчики Гейгера, чтобы пропускать альфа-частицы). Это означает, что альфа-частицы от обычного альфа-распада не проникают во внешние слои мертвых клеток кожи и не наносят вреда живым тканям под ними. Некоторые очень высокоэнергетические альфа-частицы составляют около 10% космических лучей , и они способны проникать в тело и даже тонкие металлические пластины. Однако они представляют опасность только для астронавтов, поскольку они отклоняются магнитным полем Земли, а затем останавливаются ее атмосферой.
Альфа-излучение опасно, когда альфа-излучающие радиоизотопы попадают в организм человека или вдыхаются (вдыхаются или глотаются). 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 в повреждении клеток, чем гамма-лучи и рентгеновские лучи. См. Относительная биологическая эффективность для обсуждения этого вопроса. Примерами крайне ядовитых альфа-излучателей являются все изотопы радия , радона и полония из-за количества распада, которое происходит 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 от радиоактивного распада можно остановить несколькими сантиметрами пластика или несколькими миллиметрами металла. Оно происходит, когда нейтрон распадается на протон в ядре, высвобождая бета-частицу и антинейтрино . Бета-излучение от линейных ускорителей гораздо более энергичное и проникающее, чем естественное бета-излучение. Иногда его используют в терапевтических целях в радиотерапии для лечения поверхностных опухолей.
Бета-плюс (β + ) излучение — это испускание позитронов , которые являются формой антиматерии электронов. Когда позитрон замедляется до скоростей, аналогичных скоростям электронов в материале, позитрон аннигилирует электрон, высвобождая в процессе два гамма-фотона по 511 кэВ. Эти два гамма-фотона будут двигаться в (приблизительно) противоположных направлениях. 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 во время спонтанного, так и вынужденного ядерного деления. Нейтроны — редкие частицы излучения; они производятся в больших количествах только там, где активны цепные реакции деления или реакции синтеза; это происходит в течение 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 активацией нейтронов , является основным методом, используемым для 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 таким же образом, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (возбуждением электрона), поскольку нейтроны не имеют заряда. Именно через их поглощение ядрами, которые затем становятся нестабильными, они вызывают ионизацию. Поэтому говорят, что нейтроны являются «косвенно ионизирующими». Даже нейтроны без значительной кинетической энергии являются косвенно ионизирующими и, таким образом, представляют значительную опасность радиации. Не все материалы способны к активации нейтронов; в воде, например, наиболее распространенные изотопы обоих типов присутствующих атомов (водород и кислород) захватывают нейтроны и становятся тяжелее, 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 лишь очень слабо способна к активации. Натрию в соли (как в морской воде), с другой стороны, достаточно поглотить один нейтрон, чтобы стать Na-24, очень интенсивным источником бета-распада с периодом полураспада 15 часов.
Кроме того, высокоэнергетические (высокоскоростные) нейтроны обладают способностью напрямую ионизировать атомы. Один из механизмов, посредством которого высокоэнергетические нейтроны ионизируют атомы, заключается в ударе по ядру атома и выбивании атома из молекулы, оставляя один или несколько электронов позади, поскольку химическая связь разрывается. Это приводит к образованию химических свободных радикалов . Кроме того, очень высокоэнергетические нейтроны могут вызывать ионизирующее излучение путем «нейтронного расщепления» или выбивания, при котором нейтроны вызывают испускание высокоэнергетических протонов 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 являются непосредственно ионизирующими.
Высокоэнергетические нейтроны обладают большой проникающей способностью и могут преодолевать большие расстояния в воздухе (сотни или даже тысячи метров) и умеренные расстояния (несколько метров) в обычных твердых телах. Обычно для их блокировки на расстоянии менее 1 м требуется богатая водородом защита, например, бетон или вода. Обычный источник нейтронного излучения находится внутри ядерного реактора , где в качестве эффективной защиты используется слой воды толщиной в несколько метров.
Существует два источника высокоэнергетических частиц, поступающих в атмосферу Земли из внешнего космоса: солнце и глубокий космос. Солнце непрерывно испускает частицы, в основном свободные протоны, в солнечном ветре и время от времени значительно увеличивает поток корональными выбросами массы (CME).
Частицы из глубокого космоса (меж- и внегалактические) встречаются гораздо реже, но обладают гораздо более высокими энергиями. Эти частицы также в основном протоны, а большая часть остатка 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 характеризуются магнитными полями, способными создавать огромные ускорения, измеренные по этим частицам. Они также могут быть созданы квазарами , которые представляют собой явления струйного типа по всей галактике, похожие на GRB, но известные своим гораздо большим размером, и которые, по-видимому, являются 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 с ним частицы (фотоны) обладают лишь достаточной энергией для изменения вращательных, колебательных или электронных валентных конфигураций молекул и атомов. Влияние неионизирующих форм излучения на живую ткань было изучено лишь недавно. Тем не менее, для разных типов неионизирующего излучения наблюдаются различные биологические эффекты. [4] [6]
Даже «неионизирующее» излучение способно вызывать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергий ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, которому для ионизации требуются только отдельные частицы. Известным примером термической ионизации является пламенная ионизация обычного огня и реакции потемнения обычных пищевых продуктов, вызванные инфракрасным излучением во время приготовления пищи на открытом огне.
Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот электромагнитного излучения. [4] Электромагнитный спектр (обычно просто спектр) объекта — это характерное распределение электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого этим конкретным объектом.
Неионизирующая часть электромагнитного излучения состоит из электромагнитных волн, которые (как отдельные кванты или частицы, см. фотон ) недостаточно энергичны, чтобы оторвать электроны от атомов или молекул и, следовательно, вызвать их ионизацию. К ним относятся радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение и (иногда) видимый свет. Низкие частоты ультрафиолетового света могут вызывать химические изменения и молекулярные повреждения, подобные ионизации, но технически не являются ионизирующими. 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 ионизации, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии, чтобы быть ионизирующими, если только они не повышают температуру тела до точки, достаточно высокой, чтобы ионизировать небольшие фракции атомов или молекул в процессе термической ионизации (это, однако, требует относительно экстремальных интенсивностей излучения).
Как отмечено выше, нижняя часть спектра ультрафиолета, называемая мягким УФ, от 3 эВ до примерно 10 эВ, является неионизирующей. Однако воздействие 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, видимых или невидимых.
Инфракрасный (ИК) свет — это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 мкм, что соответствует диапазону частот от 430 до 1 ТГц соответственно. Длина волны ИК длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн. Инфракрасное излучение можно обнаружить на расстоянии от излучающих объектов «на ощупь». Инфракрасные чувствительные змеи могут обнаруживать и фокусировать инфракрасное излучение с помощью линз-точечных отверстий в своих головах, называемых «ямками». Яркий солнечный свет обеспечивает облученность чуть более 1 кВт/м 2 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 1 мм до 1 м, что соответствует диапазону частот от 300 МГц до 300 ГГц. Это широкое определение включает как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), но различные источники используют другие различные пределы. [4] Во всех случаях микроволны включают весь сверхвысокочастотный диапазон (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см) как минимум, при этом инженеры радиочастот часто устанавливают нижнюю границу в 1 ГГц (30 см), а верхнюю — около 100 ГГц (3 мм).
Радиоволны — это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре длиннее инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они распространяются со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или некоторыми астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, вещания, радиолокации и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и бесчисленного множества других приложений. Кроме того, почти любой провод, по которому передается переменный ток, будет излучать часть энергии в виде радиоволн; это в основном называется помехами. Различные частоты радиоволн имеют различные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут изгибаться со скоростью кривизны Земли и могут покрывать часть Земли очень последовательно, более короткие волны распространяются по всему миру путем многократного отражения от ионосферы и Земли. Гораздо более короткие длины волн изгибаются или отражаются очень мало и распространяются вдоль линии прямой видимости.
Очень низкая частота (ОНЧ) относится к диапазону частот от 30 Гц до 3 кГц, что соответствует длинам волн100 000–10 000 м соответственно. Поскольку в этом диапазоне радиоспектра не так много полосы пропускания, могут передаваться только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известен как мириаметровый диапазон или мириаметровая волна, поскольку длины волн находятся в диапазоне от 100 км до 10 км (устаревшая метрическая единица, равная 10 км).
Крайне низкая частота (ELF) — это частоты излучения от 3 до 30 Гц (от 10 8 до 10 7 м соответственно). В науке об атмосфере обычно дается альтернативное определение — от 3 Гц до 3 кГц. [4] В смежной науке о магнитосфере считается, что низкочастотные электромагнитные колебания (пульсации, происходящие ниже ~3 Гц) лежат в диапазоне ULF, который, таким образом, также определяется иначе, чем радиодиапазоны МСЭ. Массивная военная антенна ELF в Мичигане излучает очень медленные сообщения на иным образом недоступные приемники, такие как затопленные подводные лодки.
Тепловое излучение — это 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 форме излучения черного тела. Инфракрасное или красное излучение от обычного бытового радиатора или электронагревателя является примером теплового излучения, как и тепло, испускаемое работающей лампой накаливания. Тепловое излучение генерируется, когда энергия от движения заряженных частиц внутри атомов преобразуется в электромагнитное излучение.
Как отмечено выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызывать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Обычными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные «потемнением » во время приготовления пищи, что является химическим процессом, который начинается с большого компонента ионизации.
Излучение черного тела — это идеализированный спектр излучения, испускаемого телом, имеющим однородную температуру. Форма спектра и общее количество энергии, испускаемой телом, являются функцией абсолютной температуры этого тела. Испускаемое излучение охватывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность излучения (мощность/единица площади) на заданной частоте описывается законом излучения Планка . Для заданной температуры 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, на которой излучение черного тела достигает максимума, задается законом смещения Вина и является функцией абсолютной температуры тела. Черное тело — это 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. Черное тело с температурой, равной или ниже комнатной, таким образом, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать падающий свет и не будет испускать достаточного количества излучения на видимых длинах волн, чтобы наши глаза могли его обнаружить. Теоретически черное тело испускает электромагнитное излучение по всему спектру от очень низкочастотных радиоволн до рентгеновских лучей, создавая континуум излучения.
Цвет излучающего черного тела говорит о температуре его излучающей поверхности. Он отвечает за цвет звезд , который варьируется от инфракрасного до красного (2500 К ), до желтого (5800 К ), до белого и до сине-белого (15 000 К ), поскольку пиковая яркость проходит через эти точки в видимом спектре. Когда пик находится ниже видимого спектра, тело черное, а когда он выше, тело сине-белое, поскольку все видимые цвета представлены от синего, уменьшаясь до красного.
Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от видимого света, было открыто в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается Уильяму Гершелю , астроному . Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . Гершель, как и Риттер, использовал призму для преломления света от Солнца и обнаружил инфракрасное излучение (за пределами красной части спектра) через увеличение температуры, регистрируемое термометром .
В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер сделал открытие ультрафиолета, заметив, что лучи из призмы затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранним предшественником того, что впоследствии стало фотографией. Риттер заметил, что ультрафиолетовые лучи способны вызывать химические реакции.
Первые обнаруженные радиоволны не имели естественного источника, а были намеренно и искусственно созданы немецким ученым Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний в радиочастотном диапазоне в соответствии с формулами, предложенными уравнениями Джеймса Клерка Максвелла .
Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . Экспериментируя с высокими напряжениями, приложенными к вакуумной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из покрытого стекла. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей, которые мы понимаем и 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 это поведение радиоактивностью .
Альфа-лучи (альфа-частицы) и бета-лучи ( бета-частицы ) были дифференцированы Эрнестом Резерфордом с помощью простого эксперимента в 1899 году. Резерфорд использовал обычный радиоактивный источник на основе урана и определил, что лучи, производимые источником, имеют различную проникающую способность в материалах. Один тип имел короткую проникающую способность (он останавливался бумагой) и положительный заряд, который Резерфорд назвал альфа-лучами . Другой был более проникающим (способным экспонировать пленку через бумагу, но не через металл) и имел отрицательный заряд, и этот тип Резерфорд назвал бета-лучами . Это было излучение, которое впервые было обнаружено Беккерелем из солей урана. В 1900 году французский ученый Поль Виллар открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения из радия, и после того, как он описал его, Резерфорд понял, что это должен быть еще третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами .
Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи — это быстрые электроны, а Резерфорд и Томас Ройдс доказали в 1909 году, что альфа-частицы — это ионизированный гелий. Резерфорд и Эдвард Андраде доказали в 1914 году, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.
Космические лучи, падающие на Землю из космоса, были окончательно признаны и доказаны в 1912 году, когда ученый Виктор Гесс поднял электрометр на разные высоты в свободном полете на воздушном шаре. Природа этих излучений была постепенно понята только в последующие годы.
Нейтрон и нейтронное излучение были открыты Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Вскоре после этого в ходе изучения реакций космических лучей в камере Вильсона был обнаружен ряд других видов корпускулярного излучения высокой энергии, таких как позитроны , мюоны и пионы , а другие типы корпускулярного излучения были получены искусственно в ускорителях частиц в течение второй половины двадцатого века.
Радиация и радиоактивные вещества используются для диагностики, лечения и исследований. Например, рентгеновские лучи проходят через мышцы и другие мягкие ткани, но задерживаются плотными материалами. Это свойство рентгеновских лучей позволяет врачам находить сломанные кости и локализовать раковые опухоли, которые могут расти в организме. [7] Врачи также находят определенные заболевания, вводя радиоактивное вещество и отслеживая излучение, выделяемое при прохождении вещества через организм. [8] Радиация, используемая для лечения рака, называется ионизирующим излучением, поскольку она образует ионы в клетках тканей, через которые она проходит, выбивая электроны из атомов. Это может убивать клетки или изменять гены, так что клетки не могут расти. Другие формы излучения, такие как радиоволны, микроволны и световые волны, называются неионизирующими. Они не обладают такой большой энергией, поэтому они не могут ионизировать клетки. [9]
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 передать как радиоволну или микроволну, заставив волну изменяться в соответствии с вариациями голоса. Музыканты также экспериментировали с гамма-излучением, или использованием ядерного излучения, для создания звука и музыки. [10]
Исследователи используют радиоактивные атомы для определения возраста материалов, которые когда-то были частью живого организма. Возраст таких материалов можно оценить, измерив количество содержащегося в них радиоактивного углерода в процессе, называемом радиоуглеродным датированием . Аналогичным образом, используя другие радиоактивные элементы, можно определить возраст горных пород и других геологических объектов (даже некоторых искусственных объектов); это называется радиометрическим датированием . Экологи используют радиоактивные атомы, известные как атомы-трассеры , для определения путей, по которым загрязняющие вещества распространяются в окружающей среде.
Радиация используется для определения состава материалов в процессе, называемом нейтронно-активационным анализом . В этом процессе ученые бомбардируют образец вещества частицами, называемыми нейтронами. Некоторые атомы в образце поглощают нейтроны и становятся радиоактивными. Ученые могут идентифицировать элементы в образце, изучая испускаемое излучение.
Радиация не всегда опасна, и не все виды радиации одинаково опасны, вопреки нескольким распространенным медицинским мифам. [11] [12] [13] Например, хотя бананы содержат природные радиоактивные изотопы , в частности калий-40 ( 40 K), которые испускают ионизирующее излучение при радиоактивном распаде, уровни такого излучения слишком низки, чтобы вызвать радиационное отравление , и бананы не представляют радиационной опасности . Было бы физически невозможно съесть достаточно бананов, чтобы вызвать радиационное отравление, поскольку доза радиации от бананов не является кумулятивной . [14] [15] [16] Радиация повсеместно распространена на Земле, и люди приспособлены к выживанию при обычных низких или умеренных уровнях радиации, обнаруженных на поверхности Земли. Связь между дозой и токсичностью часто нелинейна , и многие вещества, которые токсичны в очень высоких дозах, на самом деле имеют нейтральные или положительные эффекты для здоровья или являются биологически необходимыми в умеренных или низких дозах. Есть некоторые доказательства, позволяющие предположить, что это справедливо для ионизирующего излучения: нормальные уровни ионизирующего излучения могут служить для стимуляции и регулирования активности механизмов восстановления ДНК . Однако достаточно высокие уровни любого вида излучения в конечном итоге станут смертельными. [17] [18] [19]
Ионизирующее излучение при определенных условиях может нанести вред живым организмам, вызывая рак или генетические нарушения. [4]
Неионизирующее излучение в определенных условиях также может нанести вред живым организмам, например, вызвать ожоги . В 2011 году Международное агентство по изучению рака (МАИР) Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) опубликовало заявление, в котором добавило радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека. [20]
Веб-сайт EMF-Portal RWTH Aachen University представляет собой одну из крупнейших баз данных о влиянии электромагнитного излучения . По состоянию на 12 июля 2019 года он содержит 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований о влиянии электромагнитных полей. [21]
На Земле существуют различные источники радиации, как естественные, так и искусственные. Естественная радиация может исходить от Солнца, самой Земли или от космической радиации .
Важно признать, что содержание калия в организме находится под строгим гомеостатическим контролем и не зависит от изменений в уровнях окружающей среды. По этой причине доза 40 К в организме постоянна.
