Radiace - Radiation

Ilustrace relativních schopností tří různých typů ionizujícího záření pronikat do pevné hmoty. Typické částice alfa (α) jsou zastaveny listem papíru, zatímco částice beta (β) jsou zastaveny hliníkovou deskou. Gama záření (γ) je při průniku olovem tlumeno. Všimněte si v textu upozornění na tento zjednodušený diagram.

Mezinárodní symbol pro typy a úrovně ionizujícího záření (radioaktivity), které jsou pro nestíněného člověka nebezpečné . Radiace obecně existuje v celé přírodě, například ve světle a zvuku.

Ve fyzice je záření emise nebo přenos energie ve formě vln nebo částic prostorem nebo přes hmotné médium. To zahrnuje:

• elektromagnetické záření , jako je například radiové vlny , mikrovlny , infračervené , viditelné světlo , ultrafialové , rentgenové záření a gama záření (γ)
• záření částic , jako je záření alfa (α) , záření beta (β) , protonové záření a neutronové záření (částice nenulové klidové energie)
• akustické záření, jako je ultrazvuk , zvuk a seismické vlny (v závislosti na fyzickém přenosovém médiu )
• gravitační záření , záření, které má formu gravitačních vln, nebo vlnění v zakřivení časoprostoru

Záření je často rozděleno na ionizující nebo neionizující v závislosti na energii vyzařovaných částic. Ionizující záření nese více než 10 eV , což stačí k ionizaci atomů a molekul a rozbití chemických vazeb . Toto je důležité rozlišení vzhledem k velkému rozdílu škodlivosti pro živé organismy. Společným zdrojem ionizujícího záření jsou radioaktivní materiály, které vyzařují záření α, β nebo γ , skládající se z jader helia , elektronů nebo pozitronů , respektive fotonů . Mezi další zdroje patří rentgenové záření z lékařských radiografických vyšetření a miony , mezony , pozitrony, neutrony a další částice, které tvoří sekundární kosmické paprsky, které vznikají poté, co primární kosmické paprsky interagují se zemskou atmosférou .

Gama paprsky, rentgenové paprsky a vyšší energetický rozsah ultrafialového světla tvoří ionizující část elektromagnetického spektra . Slovo „ionizovat“ označuje odlomení jednoho nebo více elektronů od atomu, což je činnost, která vyžaduje relativně vysoké energie, které tyto elektromagnetické vlny dodávají. Dále ve spektru neionizující nižší energie nižšího ultrafialového spektra nemohou ionizovat atomy, ale mohou narušit meziatomové vazby, které vytvářejí molekuly, čímž rozkládají spíše molekuly než atomy; dobrým příkladem je spálení sluncem způsobené slunečním ultrafialovým paprskem s dlouhou vlnovou délkou . Vlny delší vlnové délky než UV ve viditelném světle, infračervených a mikrovlnných frekvencích nemohou přerušit vazby, ale mohou způsobit vibrace ve vazbách, které jsou vnímány jako teplo . Rádiové vlnové délky a nižší obecně nejsou považovány za škodlivé pro biologické systémy. Nejde o ostrá vymezení energií; dochází k určitému překrývání účinků konkrétních frekvencí .

Slovo záření pochází z fenoménu vln vyzařujících (tj. Cestujících ven všemi směry) ze zdroje. Tento aspekt vede k systému měření a fyzikálních jednotek, které jsou použitelné pro všechny typy záření. Protože se takové záření při průchodu prostorem rozšiřuje a jeho energie je zachována (ve vakuu), intenzita všech typů záření z bodového zdroje se řídí zákonem o inverzním čtverci ve vztahu ke vzdálenosti od jeho zdroje. Jako každý ideální zákon, zákon inverzního čtverce aproximuje naměřenou intenzitu záření do té míry, že se zdroj blíží geometrickému bodu.

Ionizující radiace

V oblakové komoře lze detekovat některé druhy ionizujícího záření .

Záření s dostatečně vysokou energií může ionizovat atomy; to znamená, že může srazit elektrony z atomů a vytvořit ionty. K ionizaci dochází, když je elektron odizolován (nebo „vyřazen“) z elektronového obalu atomu, který opouští atom s čistým kladným nábojem. Protože živé buňky, a co je důležitější, DNA v těchto buňkách může být touto ionizací poškozena, je expozice ionizujícím zářením považována za zvýšení rizika rakoviny . „Ionizující záření“ je tedy poněkud uměle odděleno od záření částic a elektromagnetického záření, jednoduše kvůli velkému potenciálu biologického poškození. Zatímco jednotlivá buňka je vyrobena z bilionů atomů, jen malá část z nich bude ionizována při nízkých až středních radiačních silách. Pravděpodobnost ionizujícího záření způsobujícího rakovinu závisí na absorbované dávce záření a je funkcí škodlivé tendence typu záření ( ekvivalentní dávka ) a citlivosti ozářeného organismu nebo tkáně ( účinná dávka ).

Pokud je zdrojem ionizujícího záření radioaktivní materiál nebo jaderný proces, jako je štěpení nebo fúze , je třeba vzít v úvahu částicové záření . Částicové záření jsou subatomární částice zrychlené na relativistické rychlosti jadernými reakcemi. Vzhledem ke své hybnosti jsou docela schopné vyřadit elektrony a ionizující materiály, ale protože většina z nich má elektrický náboj, nemají penetrační sílu ionizujícího záření. Výjimkou jsou částice neutronů; viz. níže. Existuje několik různých druhů těchto částic, ale většinou jde o alfa částice , beta částice , neutrony a protony . Zhruba řečeno, fotony a částice s energiemi nad asi 10 elektronvoltů (eV) jsou ionizující (některé úřady používají 33 eV, ionizační energii pro vodu). Částicové záření z radioaktivního materiálu nebo kosmického záření téměř vždy nese dostatek energie k ionizaci.

Většina ionizujícího záření pochází z radioaktivních materiálů a vesmíru (kosmické paprsky) a jako taková je přirozeně přítomna v prostředí, protože většina hornin a půdy má malé koncentrace radioaktivních materiálů. Protože toto záření je neviditelné a není přímo detekovatelné lidskými smysly, jsou k detekci jeho přítomnosti obvykle zapotřebí nástroje jako Geigerovy čítače . V některých případech to může vést k sekundární emisi viditelného světla po jeho interakci s hmotou, jako v případě Čerenkovova záření a radioluminiscence.

Grafika znázorňující vztahy mezi radioaktivitou a detekovaným ionizujícím zářením

Ionizující záření má mnoho praktických použití v medicíně, výzkumu a stavebnictví, ale při nesprávném použití představuje zdravotní riziko. Vystavení radiaci způsobuje poškození živé tkáně; vysoké dávky mají za následek syndrom akutního ozáření (ARS) s popáleninami kůže, vypadáváním vlasů, selháním vnitřních orgánů a smrtí, zatímco jakákoli dávka může mít za následek zvýšenou šanci na rakovinu a genetické poškození ; zvláštní forma rakoviny, rakovina štítné žlázy , se často vyskytuje, když jsou jaderné zbraně a reaktory zdrojem záření kvůli biologickým sklonům štěpného produktu radioaktivního jódu, jodu-131 . Výpočet přesného rizika a pravděpodobnosti vzniku rakoviny v buňkách způsobených ionizujícím zářením však stále není dobře srozumitelný a v současné době jsou odhady volně stanoveny na základě populačních údajů z atomových bombových útoků na Hirošimu a Nagasaki a z následných opatření po haváriích reaktoru, jako je jako černobylská katastrofa . Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu uvádí, že „Komise si je vědoma nejistoty a nedostatek přesnosti modelů a hodnot parametrů“, „Kolektivní efektivní dávka není zamýšlen jako nástroj pro epidemiologické hodnocení rizik, a to není vhodné jej používat v prognózy rizika “a„ zejména je třeba se vyhnout výpočtu počtu úmrtí na rakovinu na základě kolektivních účinných dávek z triviálních jednotlivých dávek “.

Ultrafialová radiace

Ultrafialové záření o vlnových délkách od 10 nm do 125 nm ionizuje molekuly vzduchu, což způsobuje, že je silně absorbován vzduchem a zejména ozonem (O ₃ ). Ionizující UV záření proto neproniká do zemské atmosféry do značné míry a někdy je označováno jako vakuové ultrafialové záření . Ačkoli je tato část UV spektra přítomna ve vesmíru, nemá biologický význam, protože se nedostává k živým organismům na Zemi.

Existuje zóna atmosféry, ve které ozón absorbuje přibližně 98% neionizujících, ale nebezpečných UV-C a UV-B. Tato takzvaná ozonová vrstva začíná asi 32 kilometrů a pokračuje nahoru. Část ultrafialového spektra, které se dostává na zem, je neionizující, ale stále je biologicky nebezpečná kvůli schopnosti jednotlivých fotonů této energie způsobovat elektronické buzení v biologických molekulách, a tím je poškozovat nežádoucími reakcemi. Příkladem je tvorba pyrimidinových dimerů v DNA, která začíná na vlnových délkách pod 365 nm (3,4 eV), což je hluboko pod ionizační energií. Tato vlastnost dává ultrafialovému spektru některá nebezpečí ionizujícího záření v biologických systémech, aniž by docházelo ke skutečné ionizaci. Naproti tomu viditelné světlo a elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, jako je infračervené záření, mikrovlny a rádiové vlny, se skládá z fotonů s příliš malou energií, která by způsobila škodlivé molekulární buzení, a proto je toto záření na jednotku energie mnohem méně nebezpečné.

Rentgenové paprsky

Rentgenové paprsky jsou elektromagnetické vlny s vlnovou délkou menší než asi ^10-9 m (větší než 3x10 ¹⁷ Hz a 1240 eV). Menší vlnová délka odpovídá vyšší energii podle rovnice E = h c / λ . („E“ je energie; „h“ je Planckova konstanta; „c“ je rychlost světla; „λ“ je vlnová délka.) Když se rentgenový foton srazí s atomem, atom může absorbovat energii fotonu a posílit elektron na vyšší orbitální úroveň, nebo pokud je foton extrémně energetický, může z atomu úplně srazit elektron, což způsobí ionizaci atomu. Obecně platí, že větší atomy pravděpodobně absorbují rentgenový foton, protože mají větší energetické rozdíly mezi orbitálními elektrony. Měkká tkáň v lidském těle je složena z menších atomů než atomy vápníku, které tvoří kost, takže v absorpci rentgenových paprsků existuje kontrast. Rentgenové přístroje jsou speciálně navrženy tak, aby využívaly výhody absorpčního rozdílu mezi kostí a měkkou tkání, což lékařům umožňuje zkoumat strukturu v lidském těle.

Rentgenové paprsky jsou také zcela absorbovány tloušťkou zemské atmosféry, což má za následek zabránění rentgenovému výstupu slunce, menšího množství než UV, ale přesto silného, ​​dostat se na povrch.

Gama záření

Gama záření detekované v izopropanolové oblačné komoře .

Gama (γ) záření se skládá z fotonů s vlnovou délkou menší než 3x10 ⁻¹¹ metrů (větší než 10 ¹⁹ Hz a 41,4 keV). Emise záření gama je jaderný proces, při kterém dochází k odstranění nestabilního jádra přebytečné energie po většině jaderných reakcí. Částice alfa i beta mají elektrický náboj a hmotnost, a proto je docela pravděpodobné, že budou interagovat s jinými atomy v jejich dráze. Gama záření je však složeno z fotonů, které nemají hmotnost ani elektrický náboj a v důsledku toho pronikají hmotou mnohem dále než záření alfa nebo beta.

Gama paprsky mohou být zastaveny dostatečně silnou nebo hustou vrstvou materiálu, kde zastavovací síla materiálu na danou oblast závisí převážně (ale ne zcela) na celkové hmotnosti podél dráhy záření, bez ohledu na to, zda materiál má vysoká nebo nízká hustota. Nicméně, jak je tomu v případě rentgenových paprsků, materiály s vysokým atomovým číslem, jako je olovo nebo ochuzený uran, přidávají skromné ​​(typicky 20% až 30%) množství brzdné síly na stejnou hmotnost materiálů s nižší hustotou a nižší atomovou hmotností (jako je voda nebo beton). Atmosféra absorbuje všechny paprsky gama, které se blíží k Zemi z vesmíru. Dokonce i vzduch je schopen absorbovat paprsky gama a snížit energii těchto vln na polovinu průchodem v průměru 150 stop.

Záření alfa

Alfa částice detekovány v izopropanolové oblačné komoře

Částice alfa jsou jádra helium-4 (dva protony a dva neutrony). Silně interagují s hmotou díky svým nábojům a kombinované hmotě a při svých obvyklých rychlostech pronikají jen několik centimetrů vzduchu nebo několik milimetrů materiálu s nízkou hustotou (jako je tenký slídový materiál, který je speciálně umístěn v některých Geigerových protitrubkách aby dovnitř vstoupily částice alfa). To znamená, že alfa částice z běžného alfa rozpadu nepronikají do vnějších vrstev odumřelých kožních buněk a nezpůsobují žádné poškození živých tkání níže. Některé částice alfa s velmi vysokou energií skládají asi 10% kosmických paprsků a jsou schopny proniknout do těla a dokonce i do tenkých kovových desek. Jsou však nebezpečná pouze pro astronauty, protože jsou odkloněni magnetickým polem Země a poté zastaveni její atmosférou.

Alfa záření je nebezpečné při požití nebo vdechnutí radioizotopů emitujících alfa (vdechování nebo polykání). To přináší radioizotop dostatečně blízko k citlivé živé tkáni, aby záření alfa poškodilo buňky. Na jednotku energie jsou částice alfa nejméně 20krát účinnější při poškození buněk jako gama paprsky a rentgenové paprsky. Diskuse o tom viz relativní biologická účinnost . Příklady vysoce jedovatých alfa zářičů jsou všechny izotopy radia , radonu a polonia v důsledku množství rozpadu, ke kterému dochází v těchto materiálech s krátkým poločasem rozpadu.

Beta záření

Elektrony (beta záření) detekované v izopropanolové oblačné komoře

Beta-minus (β ^- ) záření se skládá z energetického elektronu. Je pronikavější než záření alfa, ale méně než gama. Beta záření z radioaktivního rozpadu lze zastavit několika centimetry plastu nebo několika milimetry kovu. K tomu dochází, když se neutron rozpadne na proton v jádru, čímž se uvolní částice beta a antineutrino . Beta záření z urychlovačů linac je mnohem energetičtější a pronikavější než přirozené beta záření. Někdy se terapeuticky používá v radioterapii k léčbě povrchových nádorů.

Beta-plus (β ⁺ ) záření je emise pozitronů , což jsou antihmotové formy elektronů. Když pozitron zpomalí na rychlost podobnou rychlosti elektronů v materiálu, pozitron zničí elektron a uvolní přitom dva gama fotony 511 keV. Tyto dva gama fotony budou cestovat v (přibližně) opačném směru. Gama záření z anihilace pozitronů se skládá z fotonů s vysokou energií a je také ionizující.

Neutronové záření

Neutrony jsou rozděleny do kategorií podle jejich rychlosti/energie. Neutronové záření se skládá z volných neutronů . Tyto neutrony mohou být emitovány během spontánního nebo indukovaného jaderného štěpení. Neutrony jsou vzácné částice záření; jsou vyráběny ve velkém počtu pouze tam, kde jsou aktivní štěpné nebo fúzní reakce řetězové reakce ; toto se děje asi 10 mikrosekund při termonukleárním výbuchu nebo nepřetržitě uvnitř fungujícího jaderného reaktoru; produkce neutronů se zastaví téměř okamžitě v reaktoru, když se stane nekritickým.

Neutrony mohou dělat jiné objekty nebo materiál radioaktivní. Tento proces, nazývaný aktivace neutronů , je primární metodou používanou k výrobě radioaktivních zdrojů pro použití v lékařských, akademických a průmyslových aplikacích. I relativně nízké rychlosti tepelných neutronů způsobují aktivaci neutronů (ve skutečnosti to způsobují efektivněji). Neutrony neionizují atomy stejným způsobem jako nabité částice, jako jsou protony a elektrony (excitací elektronu), protože neutrony nemají žádný náboj. Právě jejich absorpce jádry, která se pak stanou nestabilní, způsobí ionizaci. Proto se říká, že neutrony jsou „nepřímo ionizující“. I neutrony bez významné kinetické energie jsou nepřímo ionizující, a jsou tedy významným radiačním nebezpečím. Ne všechny materiály jsou schopné aktivace neutronů; ve vodě například nejběžnější izotopy přítomných atomů obou typů (vodík a kyslík) zachycují neutrony a stávají se těžšími, ale zůstávají stabilními formami těchto atomů. Pouze absorpce více než jednoho neutronu, statisticky vzácný výskyt, může aktivovat atom vodíku, zatímco kyslík vyžaduje další dvě absorpce. Voda je tedy jen velmi slabě schopná aktivace. Sodík v soli (jako v mořské vodě) naopak potřebuje pouze jeden neutron, aby se stal Na-24, velmi intenzivním zdrojem rozpadu beta, s poločasem rozpadu 15 hodin.

Kromě toho mají vysokoenergetické (vysokorychlostní) neutrony schopnost přímo ionizovat atomy. Jedním z mechanismů, kterými vysokoenergetické neutrony ionizují atomy, je zasáhnout jádro atomu a vyrazit atom z molekuly a zanechat jeden nebo více elektronů za sebou, protože je narušena chemická vazba . To vede k produkci chemických volných radikálů . Navíc velmi vysokoenergetické neutrony mohou způsobit ionizující záření „sparlací neutronů“ nebo knockoutem, přičemž neutrony způsobí při dopadu emisi vysokoenergetických protonů z atomových jader (zejména jader vodíku). Poslední proces předává většinu neutronové energie protonu, podobně jako jedna kulečníková koule udeří druhou. Nabité protony a další produkty z takových reakcí jsou přímo ionizující.

Vysokoenergetické neutrony jsou velmi pronikavé a mohou běžnými pevnými látkami cestovat na velké vzdálenosti vzduchem (stovky nebo dokonce tisíce metrů) a středně daleko (několik metrů). K jejich blokování ve vzdálenosti menší než jeden metr obvykle vyžadují stínění bohaté na vodík, například beton nebo vodu. Běžný zdroj neutronového záření se vyskytuje uvnitř jaderného reaktoru , kde se jako účinné stínění používá metr silná vodní vrstva.

Kosmické záření

Existují dva zdroje vysokoenergetických částic vstupujících do zemské atmosféry z vesmíru: slunce a hluboký vesmír. Slunce nepřetržitě vydává ve slunečním větru částice, primárně volné protony, a příležitostně výrazně zvyšuje tok pomocí ejekcí koronální hmoty (CME).

Částice z hlubokého vesmíru (inter- a extra-galaktické) jsou mnohem méně časté, ale mají mnohem vyšší energie. Tyto částice jsou také většinou protony, přičemž velkou část zbytku tvoří heliony (částice alfa). Je přítomno několik zcela ionizovaných jader těžších prvků. Původ těchto galaktických kosmických paprsků není dosud dobře znám, ale zdá se, že jsou pozůstatky supernov a zejména záblesků gama záření (GRB), které obsahují magnetická pole schopná obrovských zrychlení měřených z těchto částic. Mohou být také generovány kvazary , což jsou tryskové jevy v celé galaxii podobné GRB, ale známé pro jejich mnohem větší velikost a které se zdají být násilnou součástí rané historie vesmíru.

Neionizující záření

Elektromagnetické spektrum

Kinetická energie částic neionizujícího záření je příliš malá na to, aby při průchodu hmotou produkovala nabité ionty. U neionizujícího elektromagnetického záření (viz typy níže) mají přidružené částice (fotony) pouze dostatek energie ke změně rotačních, vibračních nebo elektronických valenčních konfigurací molekul a atomů. Vliv neionizujících forem záření na živou tkáň byl studován teprve nedávno. Přesto jsou u různých typů neionizujícího záření pozorovány různé biologické efekty.

I „neionizující“ záření je schopné způsobit tepelnou ionizaci, pokud ukládá dostatek tepla ke zvýšení teploty ionizačním energiím. K těmto reakcím dochází při mnohem vyšších energiích než u ionizačního záření, které k ionizaci vyžaduje pouze jednotlivé částice. Známým příkladem tepelné ionizace je plamenová ionizace běžného ohně a reakce hnědnutí v běžných potravinách vyvolané infračerveným zářením během grilování.

Elektromagnetické spektrum je rozsah všech možných elektromagnetického záření frekvencí. Elektromagnetické spektrum (obvykle jen spektrum) objektu je charakteristická distribuce elektromagnetického záření vyzařovaného nebo absorbovaného konkrétním objektem.

Neionizující část elektromagnetického záření se skládá z elektromagnetických vln, které (jako jednotlivá kvanta nebo částice, viz foton ) nejsou dostatečně energetické, aby oddělily elektrony od atomů nebo molekul, a proto způsobily jejich ionizaci. Patří sem rádiové vlny, mikrovlnné trouby, infračervené záření a (někdy) viditelné světlo. Nižší frekvence ultrafialového světla mohou způsobit chemické změny a molekulární poškození podobné ionizaci, ale technicky neionizují. Nejvyšší frekvence ultrafialového světla, jakož i všech rentgenových a gama paprsků jsou ionizující.

Výskyt ionizace závisí na energii jednotlivých částic nebo vln, a ne na jejich počtu. Intenzivní záplava částic nebo vln nezpůsobí ionizaci, pokud tyto částice nebo vlny nenesou dostatek energie k ionizaci, pokud nezvýší teplotu těla na dostatečně vysoký bod, aby ionizovaly malé frakce atomů nebo molekul procesem tepelná ionizace (to však vyžaduje relativně extrémní intenzity záření).

Ultrafialové světlo

Jak je uvedeno výše, spodní část spektra ultrafialového záření, nazývaná měkké UV záření, od 3 eV do asi 10 eV, je neionizující. Účinky neionizujícího ultrafialového záření na chemii a poškození biologických systémů, které jsou mu vystaveny (včetně oxidace, mutací a rakoviny), jsou však takové, že i tato část ultrafialového záření je často srovnávána s ionizujícím zářením.

Viditelné světlo

Světlo nebo viditelné světlo je velmi úzký rozsah elektromagnetického záření o vlnové délce viditelné lidským okem nebo 380–750 nm, což odpovídá frekvenčnímu rozsahu 790 až 400 THz. V širším slova smyslu fyzici používají termín „světlo“ k označení elektromagnetického záření všech vlnových délek, ať už viditelných nebo ne.

Infračervený

Infračervené (IR) světlo je elektromagnetické záření s vlnovou délkou mezi 0,7 a 300 mikrometrů, což odpovídá frekvenčnímu rozsahu mezi 430 a 1 THz. Vlnové délky IR jsou delší než u viditelného světla, ale kratší než u mikrovln. Infračervené záření může být detekováno na dálku od vyzařujících předmětů pomocí „pocitu“. Infračervení hadi mohou detekovat a zaostřit infračerveně pomocí dírkové čočky v jejich hlavách, nazývané „jámy“. Jasné sluneční světlo poskytuje na hladině moře ozařování jen něco málo přes 1 kilowatt na metr čtvereční. Z této energie je 53% infračerveného záření, 44% je viditelné světlo a 3% je ultrafialové záření.

Mikrovlnná trouba

V elektromagnetickém záření (například mikrovlnách z antény, zde zobrazeno) se termín „záření“ vztahuje pouze na části elektromagnetického pole, které vyzařují do nekonečného prostoru a snižují intenzitu pomocí inverzního čtvercového zákona síly, takže celkové záření energie, která prochází pomyslnou sférickou plochou, je stejná, bez ohledu na to, jak daleko od antény je sférická plocha nakreslena. Elektromagnetické záření zahrnuje část vzdáleného pole elektromagnetického pole kolem vysílače. Část „blízkého pole“ poblíž vysílače je součástí měnícího se elektromagnetického pole, ale nepočítá se jako elektromagnetické záření.

Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny s vlnovou délkou od jednoho milimetru do jednoho metru, což odpovídá frekvenčnímu rozsahu 300 MHz až 300 GHz. Tato široká definice zahrnuje UHF i EHF (milimetrové vlny), ale různé zdroje používají různá další omezení. Ve všech případech mikrovlny zahrnují celé super vysokofrekvenční pásmo (3 až 30 GHz nebo 10 až 1 cm) minimálně, přičemž vysokofrekvenční inženýrství často stanoví spodní hranici na 1 GHz (30 cm) a horní kolem 100 GHz ( 3 mm).

Rádiové vlny

Rádiové vlny jsou typem elektromagnetického záření s vlnovými délkami v elektromagnetickém spektru delšími než infračervené světlo. Stejně jako všechny ostatní elektromagnetické vlny se pohybují rychlostí světla. Přirozeně se vyskytující rádiové vlny jsou vytvářeny blesky nebo určitými astronomickými objekty. Uměle generované rádiové vlny se používají pro pevnou a mobilní rádiovou komunikaci, vysílací, radarové a jiné navigační systémy, satelitní komunikaci, počítačové sítě a nespočet dalších aplikací. Kromě toho bude téměř jakýkoli drát, který vede střídavý proud, vyzařovat část energie pryč jako rádiové vlny; většinou se jedná o rušení. Různé frekvence rádiových vln mají v zemské atmosféře různé charakteristiky šíření; dlouhé vlny se mohou ohýbat rychlostí zakřivení Země a mohou pokrývat část Země velmi důsledně, kratší vlny cestují po celém světě vícenásobnými odrazy mimo ionosféru a Zemi. Mnohem kratší vlnové délky se velmi málo ohýbají nebo odrážejí a cestují podél zorného pole.

Velmi nízká frekvence

Velmi nízká frekvence (VLF) označuje frekvenční rozsah 30 Hz až 3 kHz, což odpovídá vlnovým délkám 100 000 až 10 000 metrů. Protože v tomto rozsahu rádiového spektra není velká šířka pásma, lze přenášet pouze velmi nejjednodušší signály, například pro radionavigaci. Také známý jako pás myriametru nebo myriametrová vlna, protože vlnové délky se pohybují od deseti do jednoho myriametru (zastaralá metrická jednotka rovnající se 10 kilometrům).

Extrémně nízká frekvence

Extrémně nízká frekvence (ELF) jsou radiační frekvence od 3 do 30 Hz (10 ⁸ až 10 ⁷ metrů). Ve vědě o atmosféře se obvykle uvádí alternativní definice, od 3 Hz do 3 kHz. V související vědě o magnetosféře jsou elektromagnetické oscilace s nižší frekvencí (pulzace vyskytující se pod ~ 3 Hz) považovány za ležící v rozsahu ULF, který je tedy také definován odlišně od rádiových pásem ITU. Masivní vojenská anténa ELF v Michiganu vyzařuje velmi pomalé zprávy do jinak nedostupných přijímačů, jako jsou ponořené ponorky.

Tepelné záření (teplo)

Tepelné záření je běžným synonymem pro infračervené záření vyzařované objekty při teplotách, se kterými se na Zemi často setkáváme. Tepelné záření se netýká pouze samotného záření, ale také procesu, kterým povrch předmětu vyzařuje svou tepelnou energii ve formě záření černého tělesa. Infračervené nebo červené záření z běžného domácího radiátoru nebo elektrického ohřívače je příkladem tepelného záření, stejně jako teplo vyzařované provozní žárovkou. Tepelné záření je generováno, když je energie z pohybu nabitých částic v atomech přeměněna na elektromagnetické záření.

Jak bylo uvedeno výše, dokonce i nízkofrekvenční tepelné záření může způsobit teplotní ionizaci, kdykoli ukládá dostatek tepelné energie ke zvýšení teplot na dostatečně vysokou úroveň. Běžnými příklady jsou ionizace (plazma) pozorovaná v běžných plamenech a molekulární změny způsobené „ hnědnutím “ během vaření jídla, což je chemický proces, který začíná velkou složkou ionizace.

Radiace černého těla

Záření černého tělesa je idealizované spektrum záření vyzařované tělem, které má stejnou teplotu. Tvar spektra a celkové množství energie emitované tělem je funkcí absolutní teploty tohoto těla. Vyzařované záření pokrývá celé elektromagnetické spektrum a intenzita záření (výkon/oblast jednotky) na dané frekvenci je popsána Planckovým zákonem záření. Pro danou teplotu černého tělesa existuje konkrétní frekvence, při které je vyzařované záření na maximální intenzitě. Tato maximální frekvence záření se pohybuje směrem k vyšším frekvencím, jak se zvyšuje teplota těla. Frekvence, při které je záření černého tělesa na maximu, je dána Wienovým posunovým zákonem a je funkcí absolutní teploty těla. Černé těleso je takové, které při jakékoli teplotě vyzařuje maximální možné množství záření na dané vlnové délce. Černé těleso bude také absorbovat maximální možné dopadající záření na jakékoli dané vlnové délce. Černé těleso s teplotou při pokojové teplotě nebo nižší by tedy vypadalo naprosto černé, protože by neodráželo žádné dopadající světlo ani nevyzařovalo dostatečné záření na viditelných vlnových délkách, které by naše oči dokázaly detekovat. Černé těleso teoreticky vyzařuje elektromagnetické záření v celém spektru od velmi nízkofrekvenčních rádiových vln po rentgenové paprsky, čímž vytváří kontinuum záření.

Barva vyzařujícího černého tělesa udává teplotu jeho vyzařujícího povrchu. Je zodpovědný za barvu hvězd , která se liší od infračervené přes červenou (2500 K), přes žlutou (5800 K), po bílou a modrobílou (15 000 K), protože vrchol záření prochází těmito body ve viditelném spektru . Když je vrchol pod viditelným spektrem, tělo je černé, zatímco když je nad, tělo je modrobílé, protože všechny viditelné barvy jsou zastoupeny od modré až po červenou.

Objev

Elektromagnetické záření vlnových délek jiných než viditelné světlo bylo objeveno na počátku 19. století. Objev infračerveného záření je připisováno William Herschel , na astronoma . Herschel publikoval své výsledky v roce 1800 před Královskou společností v Londýně . Herschel, stejně jako Ritter, použil hranol k lámání světla od Slunce a detekoval infračervené záření (mimo červenou část spektra), a to zvýšením teploty zaznamenané teploměrem .

V roce 1801 provedl německý fyzik Johann Wilhelm Ritter objev ultrafialového záření tím, že poznamenal, že paprsky z hranolu ztmavly přípravky chloridu stříbrného rychleji než fialové světlo. Ritterovy experimenty byly raným předchůdcem toho, co se stane fotografií. Ritter poznamenal, že UV paprsky jsou schopné způsobovat chemické reakce.

První detekované rádiové vlny nepocházely z přírodního zdroje, ale byly záměrně a uměle vytvořeny německým vědcem Heinrichem Hertzem v roce 1887 pomocí elektrických obvodů vypočítaných tak, aby vytvářely oscilace v oblasti rádiových frekvencí, podle vzorců navržených podle rovnic Jamese Clerka Maxwella .

Wilhelm Röntgen objevil a pojmenoval rentgenové paprsky . Při experimentování s vysokým napětím aplikovaným na evakuovanou trubici dne 8. listopadu 1895 si všiml fluorescence na blízké desce z natíraného skla. Do měsíce objevil hlavní vlastnosti rentgenových paprsků, kterým rozumíme dodnes.

V roce 1896 Henri Becquerel zjistil, že paprsky vycházející z určitých minerálů pronikají do černého papíru a způsobují zamlžování neexponované fotografické desky. Jeho doktorandka Marie Curie zjistila, že tyto paprsky energie vydávají pouze určité chemické prvky. Toto chování pojmenovala radioaktivita .

Alfa paprsky (alfa částice) a beta paprsky ( beta částice ) byly rozlišeny Ernestem Rutherfordem jednoduchým experimentováním v roce 1899. Rutherford použil generický radioaktivní zdroj smolného blendu a určil, že paprsky produkované zdrojem měly různé penetrace v materiálech. Jeden typ měl krátkou penetraci (byla zastavena papírem) a kladný náboj, který Rutherford pojmenoval alfa paprsky. Druhý byl průbojnější (schopný vystavit film papíru, ale ne kovovým) a měl záporný náboj, a tento typ Rutherford pojmenoval beta. To bylo záření, které Becquerel poprvé detekoval z uranových solí. V roce 1900 objevil francouzský vědec Paul Villard třetí neutrálně nabitý a zvláště pronikavý typ záření z radia, a poté, co ho popsal, si Rutherford uvědomil, že to musí být ještě třetí typ záření, který v roce 1903 pojmenoval Rutherford gama paprsky .

Sám Henri Becquerel dokázal, že beta paprsky jsou rychlé elektrony, zatímco Rutherford a Thomas Royds v roce 1909 dokázali, že částice alfa jsou ionizované helium. Rutherford a Edward Andrade v roce 1914 dokázali, že gama paprsky jsou jako rentgenové paprsky, ale s kratšími vlnovými délkami.

Záření kosmického záření dopadající na Zemi z vesmíru bylo nakonec definitivně uznáno a prokázáno, že existuje v roce 1912, protože vědec Victor Hess nesl elektroměr do různých výšek při volném letu balónem. Charakter těchto záření byl v pozdějších letech chápán jen postupně.

Neutronů a neutronového záření byly objeveny James Chadwick v roce 1932. počet A dalším záření s vysokou energií částic, jako jsou pozitrony , miony a piony byly objeveny mlžné komory zkoumání kosmického záření reakcí krátce nato, a další byly vyrobeny typy částic záření uměle v urychlovačích částic , přes poslední polovinu dvacátého století.

Aplikace

Lék

Radiační a radioaktivní látky se používají k diagnostice, léčbě a výzkumu. Rentgenové paprsky například procházejí svaly a jinou měkkou tkání, ale jsou zastaveny hustými materiály. Tato vlastnost rentgenových paprsků umožňuje lékařům najít zlomené kosti a lokalizovat rakoviny, které mohou v těle růst. Lékaři také zjišťují určitá onemocnění injekcí radioaktivní látky a sledováním vyzařovaného záření při pohybu látky tělem. Radiace používaná k léčbě rakoviny se nazývá ionizující záření, protože vytváří ionty v buňkách tkání, kterými prochází, když uvolňuje elektrony z atomů. To může zabíjet buňky nebo měnit geny, takže buňky nemohou růst. Jiné formy záření, jako jsou rádiové vlny, mikrovlny a světelné vlny, se nazývají neionizující. Nemají tolik energie, takže nejsou schopni ionizovat buňky.

Sdělení

Všechny moderní komunikační systémy používají formy elektromagnetického záření. Změny v intenzitě záření představují změny přenášeného zvuku, obrázků nebo jiných informací. Například lidský hlas může být vyslán jako rádiová vlna nebo mikrovlnná trouba tím, že se vlna mění podle odpovídajících variací hlasu. Hudebníci také experimentovali se sonifikací gama paprsků nebo pomocí jaderného záření k produkci zvuku a hudby.

Věda

Vědci pomocí radioaktivních atomů určují stáří materiálů, které kdysi byly součástí živého organismu. Stáří takových materiálů lze odhadnout měřením množství radioaktivního uhlíku, které obsahují, v procesu zvaném radiokarbonové datování . Podobně lze pomocí jiných radioaktivních prvků určit stáří hornin a další geologické prvky (dokonce i některé předměty vytvořené člověkem); tomu se říká radiometrické seznamování . Vědci v oblasti životního prostředí používají radioaktivní atomy, známé jako stopovací atomy , k identifikaci cest znečišťujících látek v životním prostředí.

Radiace se používá ke stanovení složení materiálů v procesu nazývaném analýza aktivace neutronů . V tomto procesu vědci bombardují vzorek látky částicemi nazývanými neutrony. Některé atomy ve vzorku absorbují neutrony a stanou se radioaktivními. Vědci mohou identifikovat prvky ve vzorku studiem vyzařovaného záření.

Možné poškození zdraví a životního prostředí některými druhy záření

Ionizující záření za určitých podmínek může způsobit poškození živých organismů, což může způsobit rakovinu nebo genetické poškození.

Neionizující záření za určitých podmínek může také způsobit poškození živých organismů, například popáleniny . V roce 2011 vydala Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) Světové zdravotnické organizace (WHO) prohlášení, v němž do svého seznamu věcí, které jsou pro člověka pravděpodobně karcinogenní, přidává radiofrekvenční elektromagnetická pole (včetně mikrovlnných a milimetrových vln).

Web EMF-Portal RWTH Aachen University představuje jednu z největších databází o účincích elektromagnetického záření . Ke dni 12. července 2019 má 28 547 publikací a 6369 souhrnů jednotlivých vědeckých studií o účincích elektromagnetických polí.

Viz také

Poznámky a reference

externí odkazy

• Radiace v naší době v BBC
• Zdravotně fyzikální společnost Web pro veřejné vzdělávání
• Ionizující záření a radon od Světové zdravotnické organizace
• Otázky a odpovědi: Účinky ozáření na zdraví , BBC News , 21. července 2011.
• John Tyndall (1865), o radiační , Rede přednáška , London (1. vyd.): Longman , LCCN  05005356 , OCLC  4920745 , wikidata  Q19086230