Stråling

I fysik er stråling  overførsel af energi i form af bølger eller partikler gennem rummet eller gennem et materielt medium. [1] [2] Dette koncept omfatter:

Stråling klassificeres ofte som ioniserende eller ikke-ioniserende afhængigt af energien af ​​de udsendte partikler. Ioniserende stråling bærer mere end 10 eV , hvilket er nok til at ionisere atomer og molekyler, samt bryde kemiske bindinger . Dette er en vigtig sondring på grund af den store forskel i skadelighed for levende organismer. En almindelig kilde til ioniserende stråling er radioaktive materialer , som udsender α-, β- eller γ-stråling , bestående af henholdsvis heliumkerner , elektroner eller positroner og fotoner . Andre kilder omfatter røntgenstråler fra medicinske røntgenundersøgelser , såvel som myoner , mesoner , positroner, neutroner og andre partikler, der udgør sekundære kosmiske stråler , som dannes efter primære kosmiske stråler interagerer med jordens atmosfære .

Gammastråler, røntgenstråler og det højere energiområde af ultraviolet (UV) lys udgør den ioniserende del af det elektromagnetiske spektrum . Ordet "ionisere" refererer til stripning af en eller flere elektroner fra et atom, en proces, der kræver den relativt høje energi, der leveres af elektromagnetiske bølger. Længere nede i spektret findes ikke-ioniserende energikilder fra det lavere ultraviolette spektrum, som ikke kan ionisere atomer, men kan bryde de interatomiske bindinger, der danner molekyler, og derved ødelægge dem, ikke atomer. Et godt eksempel på dette er solskoldning forårsaget af den lange bølgelængde solar ultraviolet. Længere bølgelængder end UV i de synlige, infrarøde og mikrobølgefrekvenser kan ikke bryde bindinger, men kan forårsage vibrationer i bindingerne, der opfattes som varme . Radiobølger og derunder anses generelt ikke for at være skadelige for biologiske systemer. Men dette er ikke en skarp afgrænsning af energier, da der er andre effekter forbundet med sammenfaldet af visse frekvenser [3] .

Ordet "stråling" kommer fra fænomenet udgående bølger (det vil sige udbredelse i alle retninger) fra en kilde. Dette aspekt fører til et system af målinger og fysiske enheder , der er anvendelige for alle typer stråling. Fordi sådan stråling udvider sig, når den passerer gennem rummet og bevarer sin energi (i et vakuum), følger intensiteten af ​​alle typer stråling fra en punktkilde en omvendt kvadratisk lov med hensyn til afstanden fra dens kilde. Som enhver ideel lov tilnærmer den omvendte kvadratlov den målte strålingsintensitet i samme grad, som hvis kilden nærmede sig et geometrisk punkt.

Ioniserende stråling

Stråling med en tilstrækkelig høj energi kan ionisere atomer; det vil sige, at den kan slå elektroner ud af atomer og skabe ioner. Ionisering opstår, når en elektron udstødes (eller "slået ud") fra et atoms elektronskal, hvilket efterlader atomet med en netto positiv ladning. Fordi levende celler , og endnu vigtigere DNA'et i disse celler, kan blive beskadiget af denne ionisering, menes udsættelse for ioniserende stråling at øge risikoen for at udvikle kræft . Således er "ioniserende stråling" noget kunstigt adskilt fra partikel- og elektromagnetisk stråling simpelthen på grund af dets enorme potentiale for biologisk skade. Mens en individuel celle består af billioner af atomer, vil kun en lille brøkdel af dem blive ioniseret ved lavt eller medium effektniveau. Sandsynligheden for, at ioniserende stråling vil forårsage kræft afhænger af den absorberede stråledosis og afhænger af skadestendensen fra typen af ​​stråling og følsomheden af ​​den eksponerede organisme eller væv ( effektiv dosis ).

Hvis kilden til ioniserende stråling er radioaktivt materiale eller en nuklear proces, såsom nuklear fission eller fusion , skal der tages hensyn til partikelemission. Partikelstråling er strålingen fra en subatomær partikel, der accelereres af nukleare reaktioner til relativistiske hastigheder. På grund af deres momentum er de ganske i stand til at slå elektroner og ioniserende materialer ud, men da de fleste af dem har en elektrisk ladning, har de ikke den gennemtrængende kraft af ioniserende stråling. Undtagelsen er neutrale partikler; se nedenunder. Der er flere typer af disse partikler, men de fleste af dem er alfapartikler , beta-partikler , neutroner og protoner . Groft sagt er fotoner og partikler med energier over omkring 10 elektronvolt (eV) ioniserende (nogle myndigheder bruger en energi på 33 eV, svarende til ioniseringsenergien for vand). Partikelemission fra radioaktivt materiale eller kosmiske stråler bærer næsten altid energi nok til ionisering.

Det meste ioniserende stråling kommer fra radioaktive materialer og rummet (kosmiske stråler) og er som sådan naturligt til stede i miljøet, da de fleste klipper og jordbund indeholder små koncentrationer af radioaktive materialer. Da denne stråling er usynlig og ikke kan detekteres direkte af de menneskelige sanser, kræves der normalt instrumenter som Geiger-tællere for at detektere dens tilstedeværelse. I nogle tilfælde kan dette føre til sekundær emission af synligt lys, når det interagerer med stof, som i tilfældet med Cherenkov-stråling og radioluminescens.

Ioniserende stråling har mange praktiske anvendelser inden for medicin, forskning og byggeri, men er en sundhedsfare, hvis den bruges forkert. Udsættelse for stråling beskadiger levende væv; høje doser fører til akut strålesyge med hudforbrændinger, hårtab, organisk svigt og død, mens enhver dosis kan føre til en stigning i sandsynligheden for kræft og genetiske skader ; en særlig form for kræft, kræft i skjoldbruskkirtlen , opstår ofte, når atomvåben og reaktorer er en kilde til stråling på grund af den biologiske aktivitet af det radioaktive fissionsprodukt af jod , jod-131 . [4] Imidlertid er beregningen af ​​den nøjagtige risiko og sandsynlighed for kræft i celler forårsaget af ioniserende stråling stadig ikke godt forstået, og estimater er i øjeblikket upræcist bestemt ud fra befolkningsdata baseret på atombomberne i Hiroshima og Nagasaki og fra efterfølgende atomulykke begivenheder., såsom Tjernobyl-katastrofen , Fukushima-ulykken (Fukushima-katastrofen). Den Internationale Kommission for Strålebeskyttelse udtaler, at "Kommissionen er opmærksom på usikkerheden og manglende nøjagtighed af modeller og parameterværdier", "Den samlede effektive dosis er ikke tænkt som et værktøj til at vurdere epidemiologisk risiko, og det er ikke hensigtsmæssigt at anvende det i risikoforudsigelser" og "især bør man undgå at beregne antallet af kræftdødsfald på grundlag af kollektive effektive doser fra simple individuelle doser." [5]

Ultraviolet stråling

Ultraviolet med en bølgelængde på 10 nm til 125 nm ioniserer luftmolekyler, hvilket resulterer i, at det absorberes stærkt af især luft og ozon (O 3 ). Derfor trænger ioniserende ultraviolet stråling ikke igennem jordens atmosfære i nævneværdigt omfang og omtales nogle gange som vakuum ultraviolet. Selvom denne del af UV-spektret er til stede i rummet, har den ingen biologisk betydning, fordi den ikke når levende organismer på Jorden.

Der er et lag af atmosfæren, hvor ozon absorberer omkring 98 % af de ikke-ioniserende, men farlige ultraviolette stråler. Dette såkaldte ozonlag begynder omkring 32 km fra overfladen og strækker sig opad. Den del af det ultraviolette spektrum, der når jorden (den del, der har energier over 3,1 eV, svarende til bølgelængder under 400 nm) er ikke-ioniserende, men er stadig biologisk farlig på grund af individuelle fotoner af denne energis evne til at forårsage elektronisk excitation i biologiske molekyler og dermed beskadige dem gennem uønskede reaktioner. Et eksempel er dannelsen af ​​pyrimidin-dimerer i DNA, som starter ved bølgelængder mindre end 365 nm (3,4 eV), hvilket er et godt stykke under ioniseringsenergien. Denne egenskab giver det ultraviolette spektrum nogle af egenskaberne ved ioniserende stråling i biologiske systemer uden egentlig ionisering. I modsætning hertil er synligt lys og langbølget elektromagnetisk stråling, såsom infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger, sammensat af fotoner med for lidt energi til at forårsage skadelig molekylær excitation, og derfor er disse strålinger meget mindre farlige per energienhed.

Røntgenstråler

Røntgenstråler er elektromagnetiske bølger med en bølgelængde mindre end omkring 10 −9 m (større end 3 × 10 17 Hz og 1240 eV). En kortere bølgelængde svarer til en højere energi ifølge ligningen E = h c / λ . ("E" er energi; "h" er Plancks konstant; "c" er lysets hastighed; "λ" er bølgelængde.) Når en røntgenfoton kolliderer med et atom, kan atomet absorbere fotonens energi og løfte sig elektronen til et højere niveau, eller, hvis fotonen er meget energisk, kan den slå elektronen fuldstændigt ud af atomet, hvilket får atomet til at ionisere. Generelt er større atomer mere tilbøjelige til at absorbere en røntgenfoton, fordi de har store forskelle i energi mellem elektroner på forskellige niveauer. Blødt væv i den menneskelige krop består af atomer, der er mindre end det calciumatom, der udgør knogle, og derfor er der en kontrast i absorptionen af ​​røntgenstråler. Røntgenmaskiner er specielt designet til at drage fordel af forskellen i absorption mellem knogler og blødt væv, hvilket gør det muligt for læger at undersøge strukturen af ​​den menneskelige krop.

Røntgenstråler absorberes også fuldstændigt af tykkelsen af ​​jordens atmosfære, hvilket resulterer i at forhindre solrøntgenstråling, mindre end ultraviolet stråling, men stadig kraftig, i at nå overfladen.

Gammastråling

Gamma (γ) stråling består af fotoner med en bølgelængde på mindre end 3 × 10 −11 meter (større end 10 19 Hz og 41,4 keV). [4] Gammastråling er en nuklear proces, der sker for at befri en ustabil kerne for overskydende energi fra de fleste nukleare reaktioner. Både alfa- og beta-partikler har en elektrisk ladning og masse, og dermed er det sandsynligt, at de interagerer med andre atomer undervejs. Gammastråling består dog af fotoner, der hverken har masse eller elektrisk ladning og som følge heraf trænger meget dybere ind i stoffet end alfa- eller betastråling.

Gammastråler kan stoppes af et tilstrækkeligt tykt eller tæt materialelag, hvor materialets standsekraft i et givet frekvensområde i høj grad (men ikke helt) afhænger af den samlede masse i strålingens vej, om materialet er af høj eller lav densitet. Men som med røntgenstråler tilføjer materialer med højt atomnummer såsom bly eller forarmet uran en moderat (typisk 20 til 30 %) mængde af bremseevne sammenlignet med en lige stor masse af mindre tætte materialer med lavere atomvægt (såsom vand eller beton). Atmosfæren absorberer alle gammastråler, der nærmer sig Jorden fra rummet. Selv luft er i stand til at absorbere gammastråler, halvere energien af ​​sådanne bølger og passere et gennemsnit på 150 m.

Alfastråling

Alfa-partikler er helium-4 kerner (to protoner og to neutroner). De interagerer stærkt med stof på grund af deres ladninger og samlede masse, og ved deres normale hastigheder trænger de kun ind i nogle få centimeter luft eller et par millimeter lavdensitetsmateriale (f.eks. en tynd glimmerplade, der er specielt placeret i nogle geigerrør for ikke at fange dem og tillade detektion). Det betyder, at alfapartikler fra normalt alfa-henfald ikke trænger ind i de ydre lag af døde hudceller og forårsager dybere skader på levende væv. Nogle meget højenergi-alfapartikler udgør omkring 10% af de kosmiske stråler , og de er i stand til at trænge ind i kroppen og endda tynde metalplader. De udgør dog kun en fare for astronauter, da de afbøjes af Jordens magnetfelt og derefter stoppes af dens atmosfære.

Alfa-stråling er farlig, når alfa-emitterende radioisotoper indtages, inhaleres eller sluges. Dette bringer radioisotopen tæt nok på følsomt levende væv til, at alfastrålingen kan beskadige cellerne. Per energienhed er alfapartikler mindst 20 gange mere effektive til at beskadige celler end gamma- og røntgenstråler. Se relativ biologisk effektivitet for en diskussion af denne effekt. Eksempler på meget giftige alfa-emittere er alle isotoper af radium , radon og polonium , på grund af antallet af henfald, der forekommer i disse korte halveringstider.

Betastråling

Beta minus (β - ) stråling består af en energisk elektron. Det er mere gennemtrængende end alfastråling, men mindre end gamma. Betastråling fra radioaktivt henfald kan stoppes med få centimeter plastik eller få millimeter metal. Det opstår, når en neutron henfalder til en proton i kernen og frigiver en beta-partikel og en antineutrino . Betastråling fra en lineær accelerator er meget mere energisk og gennemtrængende end naturlig betastråling. Nogle gange bruges det terapeutisk, nemlig i strålebehandling til behandling af overfladiske tumorer.

Beta plus (β + ) stråling er strålingen fra positroner , som er antipartiklen for elektronen. Når en positron sænkes til hastigheder svarende til elektronernes i et materiale, udslettes positronen med elektronen og frigiver to 511 keV gammafotoner i processen. Disse to gamma-fotoner vil bevæge sig i (ca.) modsatte retninger. Gammastråling fra positronudslettelse består af højenergifotoner og er også ioniserende.

Neutronstråling

Neutroner klassificeres efter deres hastighed eller energi. Neutronstråling består af frie neutroner . Disse neutroner kan udsendes under spontan eller induceret nuklear fission. Neutroner er sjældne partikler af stråling; de produceres kun i store mængder, hvor fissions- eller kædereaktionsfusionsreaktioner er aktive ; dette sker inden for omkring 10 mikrosekunder i en termonuklear eksplosion eller konstant inde i en fungerende atomreaktor; neutronproduktionen i reaktoren stopper næsten øjeblikkeligt, når massen af ​​nukleart brændsel bliver ukritisk.

Neutroner er den eneste type ioniserende stråling, der kan gøre andre genstande eller materialer radioaktive. Denne proces, kaldet neutronaktivering, er den vigtigste metode, der bruges til at producere radioaktive kilder til medicinske, videnskabelige og industrielle formål. Selv relativt lavenergi termiske neutroner forårsager neutronaktivering (faktisk forårsager de det mere effektivt end hurtige). Neutroner ioniserer ikke atomer på samme måde, som ladede partikler som protoner og elektroner gør (ved excitation af en elektron), fordi neutroner ikke har nogen ladning. Det er gennem deres absorption af kernerne, som så bliver ustabile, at de forårsager ionisering. Derfor betragtes neutroner som "indirekte ioniserende". Selv neutroner uden væsentlig kinetisk energi ioniserer indirekte stof og udgør dermed en betydelig strålingsfare. Ikke alle materialer er i stand til neutronaktivering; for eksempel i vand fanger de mest udbredte isotoper af begge typer atomer til stede (brint og oxygen) neutroner og bliver tungere, men forbliver relativt stabile former af disse atomer. Kun absorption af mere end én neutron - en statistisk sjælden forekomst - kan aktivere et brintatom, mens ilt kræver to yderligere absorptioner. Vand har således en meget svag evne til at aktivere. Natriumsalte (som i havvand) behøver på den anden side kun at absorbere én neutron for at blive Na-24, som er en meget intens kilde til beta-henfald, med en halveringstid på 15 timer.

Derudover har højenergi (højhastigheds) neutroner evnen til direkte at ionisere atomer. En mekanisme, hvormed højenergineutroner ioniserer atomer, er at ramme kernen af ​​et atom og slå atomet ud af molekylet, efterlader en eller flere elektroner bagved, og bryder den kemiske binding . Dette fører til dannelsen af ​​kemiske frie radikaler . Desuden kan neutroner med meget høj energi producere ioniserende stråling gennem "neutronopdeling" eller knockout, hvor neutroner forårsager, at højenergiprotoner udstødes fra atomkerner (især brintkerner) ved sammenstød. Sidstnævnte proces overfører det meste af neutronens energi til protonen, ligesom en billardkugle rammer en anden. Ladede protoner og andre produkter af sådanne reaktioner forårsager direkte ionisering.

Højenergineutroner er stærkt gennemtrængende og kan rejse lange afstande i luft (hundrede eller endda tusinder af meter) og moderate afstande (adskillige meter) i almindelige faste stoffer. De kræver typisk afskærmning med et brintrigt stof som beton eller vand for at blokere deres rejse i afstande på mindre end en meter. En almindelig kilde til neutronstråling er inde i en atomreaktor , hvor et lag af flere meter tykt vand bruges som et effektivt skjold.

Kosmisk stråling

Der er to kilder til højenergipartikler, der kommer ind i Jordens atmosfære fra rummet: Solen og det dybe rum. Solen udsender kontinuerligt partikler, især frie protoner i solvinden, og af og til øger fluxen kraftigt med koronale masseudstødninger .

Partikler fra det dybe rum (intergalaktiske og ekstragalaktiske) er meget sjældnere, men har meget højere energier. Disse partikler er også for det meste protoner, hvor det meste af resten består af helioner (alfapartikler). Adskillige fuldt ioniserede kerner af tungere grundstoffer er også til stede. Oprindelsen af ​​disse galaktiske kosmiske stråler er endnu ikke godt forstået, men de synes at være resterne af supernovaer og især gammastråleudbrud , som har magnetiske felter, der er i stand til enorme accelerationer, målt ved tilstedeværelsen af ​​disse partikler. De kan også genereres af kvasarer , som er et galaksedækkende jetsprængningsfænomen, der ligner gammastråleudbrud, men kendt for deres meget større størrelse, og som ser ud til at være en intens del af universets tidlige historie.

Ikke-ioniserende stråling

Den kinetiske energi af ikke-ioniserende strålingspartikler er for lille til at skabe ladede ioner, når de passerer gennem stof. For ikke-ioniserende elektromagnetisk stråling (se typer nedenfor) har de tilknyttede partikler (fotoner) kun energi nok til at ændre rotations-, vibrations- eller elektronisk valenskonfigurationer af molekyler og atomer. Indflydelsen af ​​ikke-ioniserende former for stråling på levende væv er først for nylig blevet genstand for undersøgelse. Imidlertid observeres forskellige biologiske effekter for forskellige typer ikke-ioniserende stråling. [4] [6]

Selv "ikke-ioniserende" stråling er i stand til at forårsage termisk ionisering, hvis den frigiver nok varme til at hæve temperaturen til ioniseringsenergier. Disse reaktioner sker ved meget højere energier end med ioniserende stråling, som kun kræver individuelle partikler for at forårsage ionisering. Et velkendt eksempel på termisk ionisering er flammeioniseringen af ​​konventionel ild og bruningsreaktionerne i konventionelle fødevarer forårsaget af infrarød stråling under stegning af mad.

Det elektromagnetiske spektrum  er området for alle mulige frekvenser af elektromagnetisk stråling. [4] Et objekts elektromagnetiske spektrum (normalt kun spektret) er den karakteristiske fordeling af elektromagnetisk stråling, der udsendes eller absorberes af det pågældende objekt.

Den ikke-ioniserende del af elektromagnetisk stråling består af elektromagnetiske bølger, der (som enkelte kvanter eller partikler, se foton ) ikke er energiske nok til at adskille elektroner fra atomer eller molekyler og derfor får dem til at ionisere. Disse omfatter radiobølger, mikrobølger, infrarødt og (nogle gange) synligt lys. Lavere frekvenser af ultraviolet lys kan forårsage kemiske ændringer og molekylær skade svarende til ionisering, men ioniserer ikke teknisk. De højeste frekvenser af ultraviolet lys, såvel som alle røntgen- og gammastråler, er ioniserende.

Forekomsten af ​​ionisering afhænger af energien af ​​individuelle partikler eller bølger og ikke af deres antal. En intens strøm af partikler eller bølger vil ikke forårsage ionisering, hvis disse partikler eller bølger ikke bærer nok energi til at ionisere, medmindre de hæver kroppens temperatur til et punkt højt nok til at ionisere en lille del af atomerne eller molekylerne i processen af termisk ionisering (men dette kræver relativt ekstreme intensiteter stråling).

Ultraviolet lys

Som nævnt ovenfor er den nederste del af det ultraviolette spektrum, kaldet blød UV, fra 3 eV til omkring 10 eV, ikke-ioniserende. Imidlertid er virkningerne af ikke-ioniserende ultraviolet på kemi og skaden på biologiske systemer (herunder oxidation, mutation og cancer) sådan, at selv denne del af ultraviolet ofte sammenlignes med ioniserende stråling.

Synligt lys

Lys, eller synligt lys, er et meget snævert område af elektromagnetisk stråling med en bølgelængde, der er synlig for det menneskelige øje, eller 380-750 nm, svarende til et frekvensområde på henholdsvis 790 til 400 THz [4] . I en bredere forstand bruger fysikere udtrykket "lys" til at henvise til elektromagnetisk stråling af alle bølgelængder, synlig eller ej.

Infrarød

Infrarødt (IR) lys er elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på 0,7 til 300 mikrometer, svarende til et frekvensområde på henholdsvis 430 til 1 THz. Bølgelængden af ​​IR er længere end for synligt lys, men kortere end for mikrobølger. Infrarød stråling kan detekteres på afstand fra emitterende genstande gennem "sans". Infrarød-følsomme slanger kan registrere og fokusere infrarød stråling ved hjælp af en pinhole linse i deres hoveder kaldet en " pit " .  Kraftig sollys giver stråling på lidt over 1 kilowatt per kvadratmeter ved havoverfladen. Af denne energi er 53 % infrarød stråling, 44 % er synligt lys og 3 % er ultraviolet stråling. [fire]

mikroovn

Mikrobølger er elektromagnetiske bølger med en bølgelængde fra en millimeter til en meter, svarende til et frekvensområde på 300 MHz til 300 GHz. Denne brede definition omfatter både UHF og EHF (millimeterbølge), men forskellige kilder anvender forskellige andre begrænsninger [4] . I alle tilfælde inkluderer mikrobølger hele mikrobølgebåndet (3 til 30 GHz eller 10 til 1 cm) som minimum, med radiofrekvensteknik, der ofte sætter den nedre grænse ved 1 GHz (30 cm) og den øvre ved omkring 100 GHz (3 mm). ).

Radiobølger

Radiobølger er en type elektromagnetisk stråling med bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum længere end infrarødt lys. Som alle andre elektromagnetiske bølger rejser de med lysets hastighed. Naturligt forekommende radiobølger produceres af lyn eller nogle astronomiske objekter. Kunstigt genererede radiobølger bruges til fast og mobil radiokommunikation, radioudsendelser, radar og andre navigationssystemer, satellitkommunikation, computernetværk og en række andre applikationer. Desuden vil næsten enhver ledning, der bærer AC, udstråle noget af energien som radiobølger; dette kaldes dybest set interferens. Forskellige frekvenser af radiobølger har forskellige udbredelseskarakteristika i Jordens atmosfære; lange bølger kan bøjes med jordens krumningshastighed og kan dække en del af jorden meget jævnt, kortere bølger forplanter sig rundt i verden ved flere refleksioner fra ionosfæren og jordens overflade. Meget kortere bølgelængder bøjer eller reflekterer meget lidt og bevæger sig langs synslinjen.

Meget lav frekvens

Meget lav frekvens refererer til frekvensområdet på 30 Hz til 3 kHz, svarende til bølgelængder på henholdsvis 100.000 til 10.000 meter. Da båndbredden er lav i dette område af radiofrekvensspektret, kan kun de simpleste signaler transmitteres, f.eks. til radionavigation. Også kendt som myriameterbåndet eller myriameterbølgen, da bølgelængderne varierer fra ti til én myriameter (en forældet metrisk enhed svarende til 10 kilometer).

Ekstremt lav frekvens

Ekstremt lav frekvens er strålingsfrekvenser fra 3 til 30 Hz (henholdsvis 10 8 til 10 7 meter). I atmosfærisk videnskab er der normalt givet en alternativ definition, fra 3 Hz til 3 kHz. [4] I den relevante magnetosfæriske videnskab anses lavfrekvente elektromagnetiske svingninger (bølger, der forekommer under ~3 Hz) for at ligge i ULF-båndet, som dermed også er defineret anderledes end ITU-radiobåndene. En massiv militær ELF-antenne i Michigan udsender meget langsomme beskeder til modtagere, der ikke er tilgængelige på andre frekvenser, såsom ubåde.

Termisk stråling (varme)

Termisk stråling er et generisk synonym for infrarød stråling, der udsendes af objekter ved temperaturer, der almindeligvis findes på Jorden. Termisk stråling refererer ikke kun til selve strålingen, men også til den proces, hvorved en genstands overflade udstråler sin termiske energi i form af sort kropsstråling. Infrarød eller rød stråling fra en almindelig husholdningsradiator eller elvarmer er et eksempel på varmestråling, ligesom den varme, der udstråles fra en glødepære. Termisk stråling genereres, når energi fra bevægelsen af ​​ladede partikler inde i atomer omdannes til elektromagnetisk stråling.

Som nævnt ovenfor kan selv lavfrekvent termisk stråling forårsage termisk ionisering, når den frigiver nok termisk energi til at hæve temperaturen til et højt nok niveau. Typiske eksempler på dette er ionisering (plasma) set i en almindelig flamme.

Sort kropsstråling

Sort kropsstråling er  et idealiseret spektrum af stråling, der udsendes af et legeme, der har samme temperatur. Spektrets form og den samlede mængde energi, der udsendes af et legeme, er en funktion af kroppens absolutte temperatur. Udstrålet stråling dækker hele det elektromagnetiske spektrum, og strålingsintensiteten (effekt/arealenhed) ved en given frekvens er beskrevet af Plancks strålingslov . For en given sort kropstemperatur er der en vis frekvens, hvor den udsendte stråling har en maksimal intensitet. Denne maksimale strålingsfrekvens skifter til højere frekvenser, når kropstemperaturen stiger. Frekvensen, ved hvilken sortlegemestråling er maksimal, bestemmes af Wiens forskydningslov og er en funktion af kroppens absolutte temperatur. Et sort legeme er et legeme, der ved enhver temperatur udsender den maksimalt mulige mængde stråling ved enhver given bølgelængde. Et sort legeme vil også absorbere den maksimalt mulige indfaldende stråling ved enhver given bølgelængde. Således vil en sort krop ved eller under stuetemperatur fremstå helt sort, fordi den ikke vil reflektere indfaldende lys og ikke udsende nok stråling ved synlige bølgelængder til, at vores øjne kan opdage. Teoretisk udsender et sort legeme elektromagnetisk stråling over hele spektret fra meget lave frekvenser af radiobølger til røntgenstråler, hvilket skaber et kontinuum af stråling.

Farven på et udstrålende sort legeme angiver temperaturen på dets udstrålende overflade. Den er ansvarlig for stjernernes farve , som spænder fra infrarød til rød (2500 K), gul (5800 K), hvid og blå-hvid (15.000 K), når topstrålingen passerer gennem disse punkter i det synlige spektrum. peak er under det synlige spektrum, kroppen er sort, mens når den er over det synlige spektrum, ses den som blå-hvid, da alle synlige farver er repræsenteret fra blå, aftagende til rød.

Discovery

Elektromagnetisk stråling med andre bølgelængder end synligt lys blev opdaget i begyndelsen af ​​det 19. århundrede. Opdagelsen af ​​infrarød stråling tilskrives astronomen William Herschel . Herschel rapporterede sine resultater i 1800 før Royal Society of London . Herschel brugte ligesom Ritter et prisme til at bryde lys fra Solen og detekterede infrarød stråling (uden for den røde del af spektret) gennem temperaturstigningen registreret af et termometer .

I 1801 opdagede den tyske fysiker Johann Wilhelm Ritter ultraviolet stråling ved at bemærke, at prismestråler mørkere sølvchloridpræparater hurtigere end violet lys. Ritters eksperimenter var en tidlig forløber for, hvad der ville blive fotografi. Ritter bemærkede, at ultraviolette stråler er i stand til at forårsage kemiske reaktioner.

De første detekterede radiobølger var ikke fra en naturlig kilde, men blev bevidst kunstigt skabt af den tyske videnskabsmand Heinrich Hertz i 1887 ved hjælp af elektriske kredsløb beregnet til at generere svingninger i radiofrekvensområdet, ifølge James Clerk Maxwells ligninger .

Wilhelm Roentgen opdagede stråling og kaldte dem røntgenstråler ( roentgen ). Mens han eksperimenterede med en højspænding påført et evakueret rør den 8. november 1895, bemærkede han fluorescens på en nærliggende plade af belagt glas. Inden for en måned opdagede han røntgenstrålernes grundlæggende egenskaber.

I 1896 opdagede Henri Becquerel , at stråler fra visse mineraler trængte ind i sort papir og fik den ueksponerede fotografiske plade til at dugge til. Hans ph.d.-studerende Marie Curie opdagede, at kun visse kemiske grundstoffer udsender disse energistråler. Hun kaldte denne adfærd radioaktivitet .

Alfa-stråler (alfapartikler) og beta-stråler ( beta-partikler ) blev adskilt ved simple eksperimenter i 1899 af Ernest Rutherford . Rutherford brugte en almindelig radioaktiv harpikskilde og fastslog, at strålerne produceret af kilden havde varierende indtrængning i materialer. En type havde en kort penetrationsdybde (den blev stoppet af papir) og havde en positiv ladning, som Rutherford kaldte alfastråler. Den anden var mere gennemtrængende (i stand til at eksponere film gennem papir, men ikke gennem metal) og havde en negativ ladning, en type Rutherford kaldet beta. Dette var den stråling, Becquerel først opdagede fra uransalte. I 1900 opdagede den franske videnskabsmand Paul Villars en tredje type radiumstråling, som var ladningsneutral og især gennemtrængende, og efter at han beskrev det, indså Rutherford, at det måtte være en anden type stråling, som i 1903 Rutherford kaldte gammastråler .

Henri Becquerel beviste selv, at beta-stråler er hurtige elektroner, og Rutherford og Thomas Royds beviste i 1909, at alfapartikler er ioniseret helium. Rutherford og Edward Andrade beviste i 1914, at gammastråler ligner røntgenstråler, men med kortere bølgelængder.

Kilderne til kosmiske stråler, der faldt på Jorden fra det ydre rum, blev endelig anerkendt og beviste deres eksistens i 1912, da videnskabsmanden Victor Hess brugte et frit elektrometer i forskellige højder i en ballonflyvning. Arten af ​​disse strålinger blev først gradvist klar i de efterfølgende år.

Neutronstråling blev opdaget sammen med neutronen af ​​Chadwick i 1932. Kort efter blev andre højenergipartikelemissioner, såsom positroner, myoner og pioner , opdaget i et skykammer, mens man studerede kosmiske strålereaktioner , og andre typer partikelemissioner blev opnået kunstigt i partikelacceleratorer i løbet af anden halvdel af tyvende århundrede.

Brug

Medicin

Stråling og radioaktive stoffer bruges til diagnosticering, behandling og forskning. For eksempel passerer røntgenstråler gennem muskler og andet blødt væv, men blokeres af tætte materialer. Denne egenskab ved røntgenstråler gør det muligt for læger at finde brækkede knogler og opdage kræftformer, der kan vokse i kroppen. [7] Læger opdager også visse sygdomme ved at injicere et radioaktivt stof og overvåge strålingen, der udsendes, når stoffet bevæger sig gennem kroppen. [8] Den stråling, der bruges til at behandle kræft, kaldes ioniserende stråling, fordi den producerer ioner i cellerne i det væv, den passerer igennem, mens den slår elektroner ud af atomer. Dette kan dræbe celler eller ændre gener, så cellerne ikke kan vokse. Andre former for stråling som radiobølger, mikrobølger og lysbølger kaldes ikke-ioniserende. De har ikke nok energi og er ikke i stand til at ionisere celler.

Kommunikation

Alle moderne kommunikationssystemer bruger former for elektromagnetisk stråling. Ændringer i strålingsintensitet er ændringer i lyd, billeder eller anden transmitteret information. For eksempel transmitteres den menneskelige stemme som radiobølger eller mikrobølger, hvilket får bølgen til at variere i henhold til de tilsvarende ændringer i stemmen. Musikere har også eksperimenteret med gamma-sonikering eller brug af nuklear stråling til at skabe lyd og musik. [9]

Videnskab

Forskere bruger radioaktive atomer til at bestemme alderen på materialer, der engang var en del af en levende organisme. Alderen af ​​sådanne materialer kan estimeres ved at måle mængden af ​​radioaktivt kulstof, de indeholder i en proces kaldet radiocarbondatering . På samme måde kan man ved hjælp af andre radioaktive grundstoffer bestemme alderen på klipper og andre geologiske træk (selv nogle kunstige genstande); dette kaldes radiometrisk datering . Miljøforskere bruger radioaktive atomer, kendt som sporatomer , til at bestemme de veje, forurenende stoffer tager gennem miljøet.

Stråling bruges til at bestemme sammensætningen af ​​materialer i en proces kaldet neutronaktiveringsanalyse . I denne proces bombarderer forskere en prøve af stof med neutroner. Nogle af atomerne i prøven absorberer neutroner og bliver radioaktive. Forskere kan identificere grundstofferne i en prøve ved at studere den udsendte stråling.

Potentielle sundheds- og miljøskader fra visse typer stråling

Ioniserende stråling kan under visse forhold skade levende organismer, forårsage kræft eller ødelægge genetisk materiale [4] .

Ikke-ioniserende stråling kan under visse forhold også forårsage skade på levende organismer, såsom forbrændinger . I 2011 udgav Verdenssundhedsorganisationens (WHO) Internationale Agentur for Kræftforskning en erklæring, der tilføjede radiofrekvente elektromagnetiske felter (inklusive mikrobølger og millimeterbølger) til deres liste over ting, der kan være kræftfremkaldende for mennesker [10] . Siden 2013 er radiofrekvente elektromagnetiske bølger blevet klassificeret som "muligvis kræftfremkaldende for mennesker" [11] . Forskning på dette område er i gang.

EMF-portalens websted på universitetet i Aachen tilbyder en af ​​de største databaser om elektromagnetisk eksponering . Den 12. juli 2019 var der 28.547 publikationer og 6.369 resuméer af individuelle videnskabelige undersøgelser om virkningerne af elektromagnetiske felter [12] .

Noter

  1. ↑ Weisstein. Stråling . Eric Weissteins verden af ​​fysik . Wolfram Research. Dato for adgang: 11. januar 2014. Arkiveret fra originalen 4. januar 2019.
  2. ↑ Stråling . Den gratis ordbog af Farlex . Farlex, Inc. Hentet 11. januar 2014. Arkiveret fra originalen 8. maj 2021.
  3. ↑ Det elektromagnetiske spektrum . Centre for Disease Control and Prevention (7. december 2015). Hentet 29. august 2018. Arkiveret fra originalen 31. december 2015.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kwan-Hoong Ng. Ikke-ioniserende stråling – kilder, biologiske effekter, emissioner og eksponeringer  //  Proceedings of the International Conference on Non-ionizing Radiation at UNITENICNIR2003 Elektromagnetiske felter og vores sundhed: tidsskrift. - 2003. - 20. oktober.
  5. ↑ ICRP-publikation 103 The 2007 Recommendations of the International Commission on Protection . ICRP. Dato for adgang: 12. december 2013. Arkiveret fra originalen 15. december 2017.
  6. ↑ Moulder, John E. Statiske elektriske og magnetiske felter og menneskers sundhed . Arkiveret fra originalen den 14. juli 2007.
  7. ↑ Radiografi
  8. ↑ Nuklear medicin
  9. ↑ Dunn. At lave nuklear musik . Udsnit af MIT. Hentet 29. august 2018. Arkiveret fra originalen 13. august 2019.
  10. ↑ WHO/International Agency for Research on Cancer (IARC) (31. maj 2011). IARC klassificerer radiofrekvente elektromagnetiske felter som muligvis kræftfremkaldende for mennesker . Pressemeddelelse . Arkiveret fra originalen 1. juni 2011. Hentet 2019-10-07 .
  11. ↑ Liste over klassifikationer – IARC-monografier om identifikation af kræftfremkaldende farer for mennesker . monografier.iarc.fr . Hentet 17. juni 2020. Arkiveret fra originalen 20. maj 2020.
  12. ↑ EMF-portal . Hentet 12. juli 2019. Arkiveret fra originalen 1. juni 2019.

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger