Радиация - Radiation

Для использования в других целях см. Радиация (значения).
Не путать с Ионизирующего излучения.

Иллюстрация относительных способностей трех разных типов ионизирующего излучения проникать в твердое вещество. Типичные альфа-частицы (α) задерживаются листом бумаги, а бета-частицы (β) задерживаются алюминиевой пластиной. Гамма-излучение (γ) ослабляется при проникновении в свинец. Обратите внимание на оговорки в тексте об этой упрощенной схеме.[требуется разъяснение ]
Международный символ типов и уровней излучения, небезопасных для неэкранированный люди. Радиация, как правило, присутствует в природе, например, в свете и звуке.

В физика, радиация это выброс или передача энергия в виде волны или же частицы через пространство или через материальную среду.[1][2] Это включает в себя:

Радиацию часто классифицируют как ионизирующий или же неионизирующий в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение переносит более 10 эВ, чего достаточно, чтобы ионизировать атомы и молекулы и ломаются химические связи. Это важное различие из-за большой разницы в вредоносности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения является радиоактивные материалы которые излучают α, β или γ-излучение, состоящий из ядра гелия, электроны или же позитроны, и фотоны, соответственно. Другие источники включают Рентгеновские лучи из медицинских рентгенография экзамены и мюоны, мезоны, позитроны, нейтроны и другие частицы, составляющие вторичный космические лучи которые образуются после взаимодействия первичных космических лучей с Атмосфера Земли.

Гамма-лучи, рентгеновские лучи и более высокий диапазон энергий ультрафиолетового света составляют ионизирующую часть электромагнитный спектр. Слово «ионизация» относится к отрыву одного или нескольких электронов от атома, действия, которое требует относительно высоких энергий, которые поставляют эти электромагнитные волны. Далее по спектру неионизирующие более низкие энергии нижнего ультрафиолетового спектра не могут ионизировать атомы, но могут разрушать межатомные связи, которые образуют молекулы, тем самым разрушая молекулы, а не атомы; хороший пример этого солнечный ожог вызвано длительнымдлина волны солнечный ультрафиолет. Волны с большей длиной, чем УФ, в видимом свете, инфракрасных и микроволновых частотах не могут разорвать связи, но могут вызывать колебания в связях, которые воспринимаются как высокая температура. Радиоволны и ниже обычно не считаются вредными для биологических систем. Это не резкие границы энергий; есть некоторое совпадение в эффектах конкретных частоты.[3]

Слово «излучение» происходит от явления волн. излучающий (т. е. движение во всех направлениях) от источника. Этот аспект приводит к системе измерения и физические единицы которые применимы ко всем видам излучения. Поскольку такое излучение расширяется при прохождении через пространство, а его энергия сохраняется (в вакууме), интенсивность всех типов излучения от точечный источник следует за закон обратных квадратов в зависимости от расстояния от источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов приближает измеренную интенсивность излучения до такой степени, что источник приближается к геометрической точке.

Ионизирующего излучения

Основная статья: Ионизирующего излучения
Некоторые виды ионизирующий излучение может быть обнаружено в камера тумана.

Излучение с достаточно высокой энергией может ионизировать атомы; то есть он может стучать электроны от атомов, создавая ионы. Ионизация происходит, когда электрон отрывается (или «выбивается») из электронной оболочки атома, который оставляет атом с чистым положительным зарядом. Потому что живу клетки и, что более важно, ДНК в этих клетках может быть повреждена этой ионизацией; считается, что воздействие ионизирующего излучения увеличивает риск рак. Таким образом, «ионизирующее излучение» в некоторой степени искусственно отделено от излучения частиц и электромагнитного излучения просто из-за его большого потенциала биологического повреждения. В то время как отдельная ячейка состоит из триллионы атомов, только небольшая часть из них будет ионизирована при мощности излучения от низкой до умеренной. Вероятность ионизирующего излучения, вызывающего рак, зависит от поглощенная доза излучения, и является функцией повреждающей способности типа излучения (эквивалентная доза ) и чувствительность облученного организма или ткани (эффективная доза ).

Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, например деление или же слияние, есть излучение частиц учитывать. Излучение частиц субатомная частица ускорился до релятивистские скорости ядерными реакциями. Из-за их импульсы они вполне способны выбивать электроны и ионизирующие материалы, но поскольку большинство из них имеют электрический заряд, они не обладают проникающей способностью ионизирующего излучения. Исключение составляют нейтронные частицы; Смотри ниже. Есть несколько разных видов этих частиц, но большинство из них альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, и протоны. Грубо говоря, фотоны и частицы с энергией выше примерно 10 электрон-вольт (эВ) являются ионизирующими (некоторые органы используют 33 эВ, энергию ионизации для воды). Излучение частиц радиоактивного материала или космических лучей почти всегда несет достаточно энергии для ионизации.

Большая часть ионизирующего излучения исходит от радиоактивных материалов и космоса (космические лучи), и поэтому естественно присутствует в окружающей среде, поскольку большинство горных пород и почвы имеют небольшие концентрации радиоактивных материалов. Поскольку это излучение невидимо и не может быть непосредственно обнаружено человеческими органами чувств, такие инструменты, как Счетчики Гейгера обычно требуются для обнаружения его присутствия. В некоторых случаях это может привести к вторичному излучению видимого света при его взаимодействии с веществом, как в случае Черенковское излучение и радиолюминесценция.

График, показывающий взаимосвязь между радиоактивностью и обнаруженным ионизирующим излучением

Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но представляет опасность для здоровья при неправильном использовании. Воздействие радиации вызывает повреждение живых тканей; высокие дозы приводят к Острый лучевой синдром (ОРС) с ожогами кожи, выпадением волос, недостаточностью внутренних органов и смертью, при этом любая доза может привести к увеличению риска рака и генетическое повреждение; конкретная форма рака, рак щитовидной железы, часто возникает, когда ядерное оружие и реакторы являются источником радиации из-за биологической склонности продукта деления радиоактивного йода, йод-131.[4] Однако расчет точного риска и вероятности формирования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, до сих пор не совсем понятен, и в настоящее время оценки слабо определяются на основе данных, полученных от населения. атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки а также после аварий реакторов, таких как Чернобыльская катастрофа. В Международная комиссия по радиологической защите заявляет, что «Комиссия осведомлена о неопределенностях и отсутствии точности моделей и значений параметров», «Коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и ее нецелесообразно использовать при прогнозировании рисков» и «в в частности, следует избегать подсчета числа смертей от рака на основе коллективных эффективных доз от незначительных индивидуальных доз ».[5]

Ультрафиолетовая радиация

Основная статья: Ультрафиолетовый

Ультрафиолет с длинами волн от 10 до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, заставляя его сильно поглощаться воздухом и озоном (O3) особенно. Поэтому ионизирующее УФ-излучение в значительной степени не проникает в атмосферу Земли, и иногда его называют вакуумный ультрафиолет. Хотя эта часть УФ-спектра присутствует в космосе, она не имеет биологического значения, потому что она не достигает живых организмов на Земле.

Есть зона атмосферы, в которой озон поглощает около 98% неионизирующих, но опасных УФ-С и УФ-В. Это так называемое озоновый слой начинается примерно с 20 миль (32 км) и тянется вверх. Часть ультрафиолетового спектра, которая достигает земли, является неионизирующей, но все же является биологически опасной из-за способности одиночных фотонов этой энергии вызывать электронное возбуждение в биологических молекулах и, таким образом, повреждать их посредством нежелательных реакций. Примером может служить формирование димеры пиримидина в ДНК, которая 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 реальной ионизации. Напротив, видимый свет и длинноволновое электромагнитное излучение, такое как инфракрасное, микроволны и радиоволны, состоят из фотонов со слишком малой энергией, чтобы вызывать разрушительное молекулярное возбуждение, и, таким образом, это излучение гораздо менее опасно на единицу энергии.

Рентгеновские лучи

Основная статья: рентгеновский снимок

Рентгеновские лучи - это электромагнитные волны с длиной волны менее 10−9 м (более 3х1017 Гц и 1240 эВ). Меньшая длина волны соответствует более высокой энергии согласно уравнению E =час 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 рентгеновский фотон, поскольку они имеют большую разницу в энергии между орбитальными электронами. Мягкие ткани человеческого тела состоят из атомов меньшего размера, чем атомы кальция, из которых состоит кость, поэтому поглощение рентгеновских лучей отличается. Рентгеновские аппараты специально разработаны для использования разницы в абсорбции между костью и мягкими тканями, что позволяет врачам исследовать структуру человеческого тела.

Рентгеновские лучи также полностью поглощаются толщиной атмосферы Земли, что предотвращает попадание на поверхность рентгеновского излучения Солнца, меньшего по количеству, чем УФ, но, тем не менее, мощного.

Гамма-излучение

Основная статья: Гамма-луч
Гамма-излучение обнаружено в изопропанол камера тумана.

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 с целью избавления от нестабильного ядро избыточной энергии после большинства ядерных реакций. Как альфа-, так и бета-частицы обладают электрическим зарядом и массой, поэтому вполне вероятно, что они будут взаимодействовать с другими атомами на своем пути. Гамма-излучение, однако, состоит из фотонов, которые не имеют ни массы, ни электрического заряда и, как следствие, проникают через вещество гораздо дальше, чем альфа- или бета-излучение.

Гамма-излучение может быть остановлено достаточно толстым или плотным слоем материала, где тормозная способность материала на данной площади зависит в основном (но не полностью) от общей массы на пути излучения, независимо от того, имеет 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 добавить умеренное (обычно от 20% до 30%) количество тормозной способности к равной массе менее плотных материалов с более низким атомным весом (таких как вода или бетон). Атмосфера поглощает все гамма-лучи, приближающиеся к Земле из космоса. Даже воздух способен поглощать гамма-лучи, уменьшая вдвое энергию таких волн, проходя в среднем на 500 футов (150 м).

Альфа-излучение

Основная статья: Альфа-распад
Альфа-частица обнаружен в изопропанол камера тумана

Альфа-частицы гелий-4 ядра (два протона и два нейтрона). Они сильно взаимодействуют с веществом благодаря своим зарядам и общей массе, и при их обычных скоростях проникают только в несколько сантиметров воздуха или несколько миллиметров материала с низкой плотностью (например, тонкий слюдяной материал, который специально помещается в некоторые трубки счетчика Гейгера. чтобы пропустить альфа-частицы). Это означает, что альфа-частицы из обычных альфа-распад не проникают через внешние слои мертвых клеток кожи и не повреждают живые ткани внизу. Некоторые альфа-частицы очень высоких энергий составляют около 10% космические лучи, а они способны пробивать тело и даже тонкие металлические пластины. Однако они представляют опасность только для космонавтов, поскольку отклоняются магнитным полем Земли, а затем останавливаются ее атмосферой.

Альфа-излучение опасно при альфа-излучении радиоизотопы проглатываются или вдыхаются (вдыхают или проглатывают). Это приближает радиоизотоп достаточно близко к чувствительной живой ткани, чтобы альфа-излучение могло повредить клетки. На единицу энергии альфа-частицы по крайней мере в 20 раз более эффективны при повреждении клеток, чем гамма-лучи и рентгеновские лучи. Видеть относительная биологическая эффективность для обсуждения этого. Примерами очень ядовитых альфа-излучателей являются изотопы радий, радон, и полоний, из-за количества распада, которое происходит в материалах с коротким периодом полураспада.

Бета-излучение

Основная статья: Бета-распад
Электроны (бета-излучение) обнаружено в изопропанол камера тумана

Бета-минус (β−) излучение состоит из энергичного электрона. Он более проникающий, чем альфа-излучение, но меньше, чем гамма-излучение. Бета-излучение от радиоактивный распад можно остановить несколькими сантиметрами пластика или несколькими миллиметрами металла. Это происходит, когда нейтрон распадается на протон в ядре, высвобождая бета-частицу и антинейтрино. Бета-излучение от линейный ускоритель ускорители намного более энергичны и проникают, чем естественное бета-излучение. Иногда его используют в терапевтических целях лучевая терапия для лечения поверхностных опухолей.

Бета-плюс (β+) излучение - это испускание позитроны, которые являются антивещество форма электронов. Когда позитрон замедляется до скоростей, аналогичных скорости электронов в материале, позитрон аннигилирует электрон, выделяя при этом два гамма-фотона с энергией 511 кэВ. Эти два гамма-фотона будут двигаться (примерно) в противоположном направлении. Гамма-излучение от аннигиляции позитронов состоит из фотонов высокой энергии и также является ионизирующим.

Нейтронное излучение

Основные статьи: Нейтронное излучение и Температура нейтронов

Нейтроны классифицируются по их скорости / энергии. Нейтронное излучение состоит из свободные нейтроны. Эти нейтроны могут испускаться как при спонтанном, так и при вынужденном делении ядер. Нейтроны - редкие радиационные частицы; массово их выпускают только там, где цепная реакция реакции деления или синтеза активны; это происходит примерно 10 микросекунд при термоядерном взрыве или непрерывно внутри работающего ядерного реактора; производство нейтронов прекращается почти сразу в реакторе, когда он становится некритическим.

Нейтроны могут сделать другие объекты или материалы радиоактивными. Этот процесс, называемый нейтронная активация, является основным методом производства радиоактивных источников для использования в медицинских, академических и промышленных целях. Даже сравнительно низкая скорость тепловые нейтроны вызывают активацию нейтронов (на самом деле, они вызывают ее более эффективно). Нейтроны не ионизируют атомы так же, как заряженные частицы, такие как протоны и электроны (путем возбуждения электрона), потому что нейтроны не имеют заряда. Именно из-за их поглощения ядрами, которые затем становятся нестабильными, они вызывают ионизацию. Следовательно, нейтроны называют «косвенно ионизирующими». Даже нейтроны, не обладающие значительной кинетической энергией, косвенно ионизируют и, таким образом, представляют значительную радиационную опасность. Не все материалы способны к нейтронной активации; в воде, например, наиболее распространенные изотопы присутствующих атомов обоих типов (водорода и кислорода) захватывают нейтроны и становятся более тяжелыми, но остаются стабильными формами этих атомов. Только поглощение более одного нейтрона, статистически редкое явление, может активировать атом водорода, в то время как для кислорода требуется два дополнительных поглощения. Таким образом, вода очень слабо способна к активации. С другой стороны, натрий в соли (как и в морской воде) должен поглотить всего один нейтрон, чтобы стать Na-24, очень интенсивным источником бета-распада с периодом полураспада 15 часов.

Кроме того, нейтроны высокой энергии (высокоскоростные) обладают способностью непосредственно ионизировать атомы. Один из механизмов, с помощью которого нейтроны высокой энергии ионизируют атомы, состоит в том, чтобы ударить по ядру атома и выбить атом из молекулы, оставив один или несколько электронов в качестве химическая связь сломан. Это приводит к производству химических свободные радикалы. Кроме того, нейтроны очень высоких энергий могут вызывать ионизирующее излучение за счет «нейтронного расщепления» или нокаута, при котором нейтроны вызывают испускание протонов высокой энергии из ядер атомов (особенно ядер водорода) при ударе. Последний процесс передает большую часть энергии нейтрона протону, как и протону. бильярдный шар поражая другого. Заряженные протоны и другие продукты таких реакций непосредственно ионизируются.

Нейтроны высоких энергий очень проникающие и могут преодолевать большие расстояния в воздухе (сотни или даже тысячи метров) и умеренные расстояния (несколько метров) в обычных твердых телах. Обычно они требуют защиты, богатой водородом, например из бетона или воды, чтобы заблокировать их на расстоянии менее метра. Обычный источник нейтронного излучения находится внутри ядерный реактор, где слой воды толщиной в несколько метров используется в качестве эффективной защиты.

Космическое излучение

Основная статья: Космические лучи

Есть два источника частиц высокой энергии, попадающих в атмосферу Земли из космоса: солнце и дальний космос. Солнце непрерывно испускает частицы, в основном свободные протоны, в солнечный ветер, и иногда сильно увеличивает поток за счет выбросы корональной массы (CME).

Частицы из дальнего космоса (межгалактического и внегалактического) встречаются гораздо реже, но имеют гораздо более высокие энергии. Эти частицы также в основном являются протонами, а большая часть остального состоит из гелионов (альфа-частиц). Присутствуют несколько полностью ионизированных ядер более тяжелых элементов. Происхождение этих галактических космических лучей еще недостаточно изучено, но, похоже, они являются остатками космических лучей. сверхновые и особенно гамма-всплески (GRB), которые обладают магнитными полями, способными создавать огромные ускорения, измеренные этими частицами. Они также могут быть созданы квазары, которые представляют собой джет-феномены в масштабах всей галактики, похожие на гамма-всплески, но известные своими гораздо большими размерами и представляющие собой жестокую часть ранней истории Вселенной.

Неионизирующее излучение

Основные статьи: Неионизирующее излучение и Электромагнитное излучение
В электромагнитный спектр

Кинетическая энергия частиц неионизирующего излучения слишком мала для образования заряженных ионов при прохождении через вещество. Для неионизирующего электромагнитного излучения (см. Типы ниже) связанные частицы (фотоны) обладают достаточной энергией только для изменения вращательной, колебательной или электронной валентной конфигурации молекул и атомов. Влияние неионизирующих форм излучения на живую ткань изучено совсем недавно. Тем не менее, разные биологические эффекты наблюдаются для разных типов неионизирующего излучения.[4][6]

Даже «неионизирующее» излучение способно вызвать термическую ионизацию, если оно выделяет достаточно тепла для повышения температуры до энергии ионизации. Эти реакции происходят при гораздо более высоких энергиях, чем при ионизирующем излучении, которое требует, чтобы только отдельные частицы вызывали ионизацию. Знакомый пример термической ионизации - это ионизация пламенем обычного огня, и потемнение реакции в обычных пищевых продуктах, вызванные инфракрасным излучением, во время жарки.

В электромагнитный спектр - 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 ) не обладают достаточной энергией, чтобы отделять 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 не ионизируют. Самые высокие частоты ультрафиолетового света, а также все рентгеновские лучи и гамма-лучи ионизируют.

Возникновение ионизации зависит от энергии отдельных частиц или волн, а не от их количества. Интенсивный поток частиц или волн не вызовет ионизацию, если эти частицы или волны не несут достаточно энергии для ионизации, если только они не поднимут температуру тела до точки, достаточно высокой для ионизации небольших фракций атомов или молекул в процессе ионизации. термическая ионизация (это, однако, требует относительно экстремальных интенсивностей излучения).

Ультрафиолетовый свет

Основная статья: Ультрафиолетовый

Как отмечалось выше, нижняя часть ультрафиолетового спектра, называемая мягким УФ-излучением, от 3 эВ до примерно 10 эВ, неионизируется. Однако влияние неионизирующего ультрафиолета на химию и повреждение подвергшихся воздействию биологических систем (включая окисление, мутации и рак) таковы, что даже эту часть ультрафиолета часто сравнивают с ионизирующим излучением.

Видимый свет

Основная статья: Свет

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

Основная статья: Инфракрасный

Инфракрасный (ИК) свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 0,7 до 300 микрометров, что соответствует диапазону частот от 430 до 1 ТГц соответственно. Длины волн ИК-диапазона длиннее, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн. Инфракрасное излучение можно обнаружить на расстоянии от излучающих объектов "наощупь". Инфракрасные змейки могут обнаруживать и фокусировать инфракрасное излучение с помощью линзы-обскуры в головах, называемой «ямками». Яркий солнечный свет обеспечивает освещенность чуть более 1 киловатта на квадратный метр на уровне моря. Из этой энергии 53% составляет инфракрасное излучение, 44% - видимый свет и 3% - ультрафиолетовое излучение.[4]

СВЧ

Основная статья: СВЧ
В электромагнитном излучении (например, микроволнах от антенны, показанной здесь) термин «излучение» применяется только к частям электромагнитное поле которые излучаются в бесконечное пространство и уменьшаются в интенсивности на закон обратных квадратов мощности, так что полная энергия излучения, которое проходит через воображаемую сферическую поверхность, остается неизменной, независимо от того, как далеко от антенны отведена сферическая поверхность. Электромагнитное излучение включает дальнее поле часть электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть «ближнего поля» рядом с передатчиком является частью изменяющегося электромагнитного поля, но не считается электромагнитным излучением.

Микроволны - это электромагнитные волны с длиной волны от одного миллиметра до одного метра, что соответствует диапазону частот от 300 МГц до 300 ГГц. Это широкое определение включает как УВЧ, так и КВЧ (миллиметровые волны), но в разных источниках используются другие ограничения.[4] Во всех случаях микроволны включают как минимум всю полосу сверхвысоких частот (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см), при этом в радиотехнике часто нижняя граница составляет 1 ГГц (30 см), а верхняя - около 100 ГГц ( 3 мм).

Радиоволны

Основная статья: Радиоволны

Радиоволны - это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре больше, чем у инфракрасного света. Как и все другие электромагнитные волны, они движутся со скоростью света. Естественные радиоволны создаются молниями или некоторыми астрономическими объектами. Искусственно созданные радиоволны используются для фиксированной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокационных и других навигационных систем, спутниковой связи, компьютерных сетей и множества других приложений. Кроме того, почти любой провод, по которому проходит переменный ток, будет излучать часть энергии в виде радиоволн; в основном это называется помехой. Радиоволны разных частот имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут изгибаться со скоростью кривизны Земли и могут очень равномерно покрывать часть Земли, более короткие волны распространяются по миру путем многократных отражений от ионосферы и Земли. Волны с гораздо меньшей длиной изгибаются или отражаются очень мало и проходят вдоль линии обзора.

Очень низкая частота

Очень низкая частота (VLF) относится к частотному диапазону от 30 Гц до 3 кГц, что соответствует длинам волн от 100 000 до 10 000 метров соответственно. Поскольку в этом диапазоне радиочастотного спектра нет большой полосы пропускания, могут передаваться только самые простые сигналы, например, для радионавигации. Также известен как мириаметр полосы или мириаметровая волна, поскольку длины волн находятся в диапазоне от десяти до одного мириаметра (устаревшая метрическая единица, равная 10 километрам).

Чрезвычайно низкая частота

Основная статья: Чрезвычайно низкая частота

Чрезвычайно низкая частота (КНЧ) - это частоты излучения от 3 до 30 Гц (108 до 107 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 ниже ~ 3 Гц) лежат в диапазоне УНЧ, который, таким образом, также определяется иначе, чем диапазоны радиосвязи МСЭ. Массивная военная антенна СНЧ в Мичигане излучает очень медленные сообщения на недоступные иным образом приемники, такие как подводные лодки.

Тепловое излучение (тепло)

Основная статья: Тепловое излучение

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

Как отмечалось выше, даже низкочастотное тепловое излучение может вызвать температурную ионизацию всякий раз, когда оно выделяет достаточно тепловой энергии для повышения температуры до достаточно высокого уровня. Типичными примерами этого являются ионизация (плазма), наблюдаемая в обычном пламени, и молекулярные изменения, вызванные "потемнение «во время приготовления пищи, то есть химический процесс, который начинается с ионизации.

Излучение черного тела

Основная статья: Излучение черного тела

Черное тело радиация представляет собой идеализированный спектр излучения, испускаемого телом с однородной температурой. Форма спектра и общее количество энергии, излучаемой телом, зависят от абсолютной температуры этого тела. Испускаемое излучение покрывает весь электромагнитный спектр, а интенсивность излучения (мощность / единица площади) на заданной частоте описывается выражением Закон планка излучения. Для данной температуры абсолютно черного тела существует определенная частота, на которой испускаемое излучение имеет максимальную интенсивность. Эта максимальная частота излучения смещается в сторону более высоких частот по мере увеличения температуры тела. Частота, при которой излучение черного тела является максимальным, определяется выражением Закон смещения Вина и является функцией абсолютной температуры тела. Черное тело - это такое тело, которое при любой температуре испускает максимально возможное количество излучения на любой заданной длине волны. Черное тело также будет поглощать максимально возможное падающее излучение на любой заданной длине волны. Таким образом, черное тело с температурой, равной или ниже комнатной, будет казаться абсолютно черным, поскольку оно не будет отражать падающий свет и не будет излучать достаточно излучения в видимых длинах волн, чтобы его могли обнаружить наши глаза. Теоретически черное тело излучает электромагнитное излучение во всем спектре, от радиоволн очень низкой частоты до рентгеновских лучей, создавая непрерывный поток излучения.

Цвет излучающего черного тела говорит о температуре его излучающей поверхности. Он отвечает за цвет звезды, которые меняются от инфракрасного через красный (2500K), до желтого (5800K), белого и сине-белого (15000K), когда пиковая яркость проходит через эти точки в видимом спектре. Когда пик находится ниже видимого спектра, тело становится черным, а когда оно выше тела - сине-белым, так как все видимые цвета представлены от синего до красного.

Открытие

Электромагнитное излучение с длиной волны, отличной от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывают Уильям Гершель, то астроном. Гершель опубликовал свои результаты в 1800 году до Лондонское королевское общество. Гершель, как и Риттер, использовал призма к преломлять свет от солнце и обнаружил инфракрасный (за пределами красный части спектра), за счет увеличения температуры, регистрируемой термометр.

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер сделал открытие ультрафиолета, заметив, что лучи от призмы затемняют хлорид серебра препараты быстрее фиолетового света. Эксперименты Риттера были ранними предшественниками того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что УФ-лучи способны вызывать химические реакции.

Первые обнаруженные радиоволны были не из естественного источника, а были созданы намеренно и искусственно немецким ученым. Генрих Герц в 1887 году, используя электрические схемы, рассчитанные для генерации колебаний в радиодиапазоне, следуя формулам, предложенным уравнениями Джеймс Клерк Максвелл.

Вильгельм Рентген обнаружен и назван Рентгеновские лучи. Во время экспериментов с высоким напряжением, подаваемым на откачанную трубку 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из стекла с покрытием. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей, которые мы понимаем по сей день.

В 1896 г. Анри Беккерель обнаружили, что лучи, исходящие от определенных минералов, проникают в черную бумагу и вызывают запотевание неэкспонированной фотографической пластины. Его докторант Мари Кюри обнаружили, что только определенные химические элементы испускают эти лучи энергии. Она назвала это поведение радиоактивность.

Альфа-лучи (альфа-частицы) и бета-лучи (бета-частицы ) были дифференцированы Эрнест Резерфорд посредством простых экспериментов в 1899 году. Резерфорд использовал обычный радиоактивный источник настурановой обманки и определил, что лучи, создаваемые источником, проникают в материалы по-разному. Один тип имел короткое проникновение (он был остановлен бумагой) и положительный заряд, который Резерфорд назвал альфа-лучи. Другой был более проникающим (мог открывать пленку через бумагу, но не через металл) и имел отрицательный заряд, и этот тип Резерфорд назвал бета. Это было излучение, впервые обнаруженное Беккерелем из солей урана. В 1900 году французский ученый Поль Вильярд открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения 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 излучение.

Сам Анри Беккерель доказал, что бета-лучи - это быстрые электроны, а Резерфорд и Томас Ройдс в 1909 году доказал, что альфа-частицы представляют собой ионизированный гелий. Резерфорд и Эдвард Андраде в 1914 году доказал, что гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн.

Излучение космических лучей, падающее на Землю из космоса, было окончательно признано и доказано, что существует в 1912 году, как сказал ученый. Виктор Гесс нес электрометр на различные высоты в свободном полете на воздушном шаре. Природа этих излучений стала понятной только в последующие годы.

Нейтронное излучение было обнаружено вместе с нейтроном Чедвиком в 1932 году. Ряд других видов излучения твердых частиц высокой энергии, таких как позитроны, мюоны, и пионы были обнаружены в результате исследования реакций космических лучей в камере Вильсона вскоре после этого, а другие типы излучения частиц были созданы искусственно в ускорители частиц, через последнюю половину двадцатого века.

Приложения

Лекарство

Основные статьи: Медицинская рентгенография и Ученый-радиолог

Радиация и радиоактивные вещества используются для диагностики, лечения и исследований. Рентгеновские лучи, например, проходят через мышцы и другие мягкие ткани, но задерживаются плотными материалами. Это свойство рентгеновских лучей позволяет врачам находить сломанные кости и обнаруживать раковые образования, которые могут разрастаться в организме.[7] Врачи также обнаруживают определенные заболевания, вводя радиоактивное вещество и контролируя излучение, испускаемое при движении вещества по телу.[8] Излучение, используемое для лечения рака, называется ионизирующим излучением, потому что оно образует ионы в клетках тканей, через которые проходит, поскольку оно вытесняет электроны из атомов. Это может убить клетки или изменить гены, поэтому клетки не могут расти. Другие формы излучения, такие как радиоволны, микроволны и световые волны, называются неионизирующими. У них не так много энергии, поэтому они не могут ионизировать клетки.

Коммуникация

Во всех современных системах связи используются формы электромагнитного излучения. Изменения интенсивности излучения представляют собой изменения в звуке, изображениях или другой передаваемой информации. Например, человеческий голос можно посылать в виде радиоволн или микроволн, заставляя волну изменяться в соответствии с соответствующими вариациями голоса. Музыканты также экспериментировали с ультразвуковой обработкой гамма-лучами или ядерным излучением для создания звука и музыки.[9]

Наука

Исследователи используют радиоактивные атомы для определения возраста материалов, которые когда-то были частью живого организма. Возраст таких материалов можно оценить, измерив количество радиоактивного углерода, которое они содержат в процессе, называемом радиоуглеродное датирование. Аналогичным образом, используя другие радиоактивные элементы, можно определить возраст горных пород и других геологических характеристик (даже некоторых искусственных объектов); это называется Радиометрическое датирование. Ученые-экологи используют радиоактивные атомы, известные как трассирующие атомы, чтобы определить пути распространения загрязняющих веществ через окружающую среду.

Радиация используется для определения состава материалов в процессе, называемом нейтронно-активационный анализ. 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.

Возможный ущерб здоровью и окружающей среде от некоторых видов излучения

Смотрите также: Электромагнитное излучение и здоровье

Ионизирующее излучение в определенных условиях может причинить вред живым организмам, вызвать рак или генетические повреждения.[4]

Неионизирующее излучение в определенных условиях также может причинить вред живым организмам, таким как ожоги. В 2011 г. Международное агентство по изучению рака (МАИР) Всемирная организация здоровья (ВОЗ) опубликовала заявление, в котором добавила радиочастотные электромагнитные поля (включая микроволновые и миллиметровые волны) в свой список вещей, которые могут быть канцерогенными для человека.[10]

Веб-сайт EMF-Portal RWTH Ахенского университета представляет одну из крупнейших баз данных о влиянии Электромагнитное излучение. По состоянию на 12 июля 2019 года в нем насчитывается 28 547 публикаций и 6 369 резюме отдельных научных исследований о влиянии электромагнитных полей.[11]

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Радиация». Мир физики Эрика Вайсштейна. Wolfram Research. Получено 11 января 2014.
  2. ^ «Радиация». Бесплатный словарь от Farlex. Farlex, Inc. Получено 11 января 2014.
  3. ^ «Электромагнитный спектр». Центры по контролю и профилактике заболеваний. 7 декабря 2015 г.. Получено 29 августа 2018.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я Кван-Хунг Нг (20–22 октября 2003 г.). «Неионизирующие излучения - источники, биологические эффекты, выбросы и воздействия» (PDF). Материалы Международной конференции по неионизирующим излучениям в UNITEN ICNIR2003 Электромагнитные поля и наше здоровье.
  5. ^ "Публикация МКРЗ 103 Рекомендации Международной комиссии по защите 2007 г." (PDF). МКРЗ. Получено 12 декабря 2013.
  6. ^ Моулдер, Джон Э. «Статические электрические и магнитные поля и здоровье человека». Архивировано из оригинал 14 июля 2007 г.
  7. ^ Рентгенография
  8. ^ Ядерная медицина
  9. ^ Данн, Питер (2014). "Создание ядерной музыки". Часть MIT. Получено 29 августа 2018.
  10. ^ «МАИР классифицирует радиочастотные электромагнитные поля как потенциально канцерогенные для человека» (PDF) (Пресс-релиз). ВОЗ / Международное агентство по изучению рака (IARC). 31 мая 2011 г.
  11. ^ «ЭМФ-Портал». Получено 12 июля 2019.

внешняя ссылка