РАДИАЦИЯ
Радиацията е форма на енергия, излъчена под формата на лъчи, електромагнитни вълни и/или частици. Като синоним на радиация се използва думата лъчение. В някои случаи лъчението може да се види (видима светлина) или да се усети (инфрачервена радиация). Други форми-като рентгенови и гама лъчи-не се виждат и могат да се наблюдават само със специално оборудване. И макар че радиацията може да има отрицателни ефекти както върху биологичните, така и върху механичните системи, тя също може внимателно да се използва, за да научим повече за всяка от тези системи.
В българския език много често, когато се говори за радиация, се разбира онази част от лъчението, която е йонизираща (йонизиращо лъчение). Все пак значението на думата зависи от смисъла, който се влага при употребата й. Например, под слънчева радиация разбираме не само поток от йонизиращо лъчение (във вид на частици), но и излъчена енергия във вид на електромагнитно лъчение.
КОСМИЧЕСКА РАДИАЦИЯ
Космическата радиация е форма на йонизираща радиация с произход извън земната атмосфера. Тя е съставена от високоенергетични заредени частици и фотони (Х-лъчи и гама-лъчи). Високоенергетичните частици са познати като космични лъчи, докато фотоните са известни с техните обичайни имена: гама-лъчи и Х-лъчи (рентгенови лъчи) [1,4]. За разлика от космичните лъчи, гама лъчите не са повлияни от магнитни полета, тъй като те нямат заряд. Приносът им в състава на космическата радиация е около 1%. Терминът „космични лъчи“ остава след историческото объркване относно природата на космическата радиация: преди да се докаже, че този тип радиация се състои основно от протони, тя първоначално се смята за гама лъчение, а малко по-късно – и за бета лъчение [2,4].
Космичните лъчи включват галактични космични лъчи (ГКЛ) и други типове частици: слънчеви частици, както и частици, ускорени в междупланетната среда [3,4]. Въпреки това терминът „космични лъчи“ често се употребява, за да обозначи единствено галактичните космични лъчи, произходът на които е от източници извън Слънчевата система [1, 3, 4].
Литература:
[1] Cosmic ray; https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray
[2] H. Alfvén, On the Origin of Cosmic Radiation (1954) Tellus, 6, no. 3 (1954), pp. 232-253.
[3] R.A. Mewaldt, Cosmic Rays, Macmillan Encyclopedia of Physics, 1996; http://www.srl.caltech.edu/personnel/rmewaldt/cos_encyc.html
[4] M. Бъчварова, Галактични космически лъчи в хелиосферата. Модели за предсказване нивото на галактичната радиация през слънчевия цикъл Светът на физиката, 44, no. 1 (2021), pp. 29-37.
ЙОНИЗИРАЩО И НЕЙОНИЗИРАЩО ЛЪЧЕНИЕ
Електромагнитнoто излъчване може да бъде категоризирано като йонизиращо (високоенергетично) или не-йонизиращо (нискоенергетично ) лъчение. Йонизиращото лъчение има достатъчно енергия, за да йонизира атоми или молекули чрез освобождаване от тях на електрони. При йонизация се освобождава енергия, която се абсорбира от материала, заобикалящ йонизирания атом или молекула.
По-малко енергетичното, нейонизиращо лъчение, може да има достатъчно енергия само за възбуждане на атома или молекулата, но няма достатъчно енергия, за да откъсне електрони от материала, който пресича. Нейонизиращото лъчение не променя структурата на атомите, но загрява материала и тъканите през които преминава и може да има вредни биологически последици.
Излагането на йонизиращо лъчение е опасно за хората, тъй като това може да причини увреждане на живата тъкан. Нейонизиращото лъчение не е толкова вредна за хората, колкото йонизиращото лъчение.
Фиг. 1. Електромагнитен спектър, показващ йонизиращото и нейонизиращо лъчение (Image Credit: Wikipedia).
Гама лъчите, рентгеновите лъчи и по-високата ултравиолетова част от електромагнитния спектър са йонизиращи лъчения, докато ниско енергийните ултравиолетови лъчи, видимата светлина, почти всички видове лазерна светлина, инфрачервените лъчи, микровълните и радиовълните са нейонизиращи лъчения. Границата между йонизиращо и нейонизиращо лъчение в ултравиолетовата зона не е ясно определена, тъй като различните молекули и атоми йонизират при различни енергии, но е между 10 електронволта (eV) и 33 eV [Източник: Йонизиращо лъчение, Wikipedia]
Йонизиращото лъчение може също да съществува и под формата на частици, като протони, неутрони и алфа и бета частици.
ЕЛЕКТРОМАГНИТНО ИЗЛЪЧВАНЕ
Електромагнитното излъчване е разпространяваща се през пространството вълна с електрическа и магнитна компонента. Тези компоненти осцилират под прав ъгъл една спрямо друга, както и спрямо посоката на разпространение на вълната.
Изразът електромагнитно излъчване също се използва като синоним за електромагнитни вълни в по-общ смисъл, дори когато последните не се излъчват или разпространяват в откритото пространство.
В действителност електромагнитното излъчване проявява корпускулярно-вълнов характер, т.е. в в определени
случаи проявява вълнови, а в други – корпускулярни свойства.
*********************************************************************************************************************************************************************
Малко история……..
През 1900 г. Макс Планк обяснява излъчването на абсолютно черно тяло. Допуска че излъчването на електромагнитно лъчение от атомите и молекулите на абсолютно черното тяло става не непрекъснато, а на отделни порции, наречени „кванти“. Енергията E на всеки квант е равна на честотата ν на електромагнитното излъчване, умножена по константата на Планк h, т.е. E = hν. Общото количество енергия, което веществото излъчва или абсорбира, е цял брой кванти.
В началото формулата на Планк, предизвиква недоумение: честотата е непрекъсната величина, а съгласно формулата енергията става дискретна величина! Ето защо отначало хипотезата на Планк се възприема само като удобна математическа фикция. Но след няколко години идеята на Планк за квантите намира приложение при много други физични явления, не само при излъчване на абсолютно черно тяло.
Първият учен, който приема новата идея за квантите е Алберт Айнщайн. В прочутата си от 1905 г. статия , за да обясни закономерностите на фотоефекта, Айнщайн обобщава идеите на Планк: излъчването, поглъщането и разпространението на светлината става на порции (кванти). Айнщайн пише: “Според разглежданото тук предположение, при разпространението на един светлинен лъч, излъчен от точков източник, енергията не се разпределя непрекъснато в един увеличаващ се пространствен обем, а се състои от краен брой светлинни кванти, локализирани в точки от пространството, които се движат без да се делят и могат да се поглъщат или излъчват само като завършено цяло.”
Забележете, че Айнщайн използва термина светлинни кванти. Преди него Планк използва термина квант енергия. Терминът фотон се появява чак през 1926г. в работата на американския химик Джилберт Люис, в която той говори за “закон за запазване на фотоните” (?), какъвто всъщност няма.
Експериментално, през 1922 г., се установява, че при взаимодействие с веществото квантите се подчиняват на същите кинематични закони, както и обикновените материални частици. Така квантите се проявяват като частици с определена енергия. “Светлинните кванти” на Айнщайн няма да бъдат наречени фотони до 1926 г., но така през 1905 г. вече се заражда съвременната представа за природата на светлината, а именно че светлината има двойнствена природа, т. е. тя има свойствата и на вълна, и на частица.
Впоследствие се установява, че подобни свойства имат не само фотоните (частиците на светлината), но и всички други елементарни частици. Формулира се корпускулярно-вълновият дуализъм: „Фотоните, електроните и всички микрочастици имат двойствена природа: те проявяват свойства както на вълни, така и на частици.“ Тези свойства са взаимноизключващи се и се проявяват отделно при отделни обстоятелства: т. е. в определен случай се проявяват като частици, а в друг случай се държат като вълни – наблюдават се явленията дифракция и интерференция. Корпускуларно-вълновия дуализъм е принцип, въведен при разработването на квантовата механика. Терминът квантова механика е използван за първи път от Макс Борн през 1924 година.
Така физиците от 19 -ти век в опитите си да обяснят фотоефекта, използвайки класическата физика (без успех!), в крайна сметка дават началото на съвременното описание на електромагнитното излъчване, което има свойствата както на вълна, така и на частица. Според квантова механика, електромагнитните вълни също могат да се разглеждат и като поток от частици, наречени фотони.
*********************************************************************************************************************************************************************
И въпреки че вълновите свойства са доминиращи в поведението на радиовълните, а фотонните аспекти определят поведението на рентгенови лъчи и гама лъчите, целият диапазон от електромагнитни вълни се управлява от едни и същи закономерности.
Електромагнитните вълни обикновено се описват с някоя от следните три характеристики: честота (f) (понякога представена чрез гръцката буква nu, ν), дължина на вълната (λ) или енергия (E). Тези три величини описват различни свойства на електромагнитното лъчение, въпреки че са свързани математически. Пример, електромагнитното лъчение може да бъде описана чрез квантовите си свойства (енергия за фотон в единици eV) или вълнови свойства (дължина на вълната и честота; дължината на вълната λ е обратно пропорционална на вълновата честота ν; ν = c/λ). От това следва, че е коректно да се говори за енергия на рентгеновите лъчи, дължина на вълната на микровълните и честота на радиовълните.
В действителност рентгеновите и гама-лъчите обикновено се описват по отношение на енергията, оптичната и инфрачервената светлина по отношение на дължината на вълната, а радиовълните по отношение на честотата.
Повече за основните характеристики на вълните, можете да прочетете тук, а за интересните свойства на електромагнитното излъчване-от тук.
Физиката на електромагнитното излъчване се нарича електродинамика, дял от теоретичната физика, описваща свойствата и параметрите на електромагнитното излъчване. Обикновено под електродинамика се разбира класическата електродинамика. Квантовата електродинамика, другата от двете трактовки на електродинамиката, е свързана с откриването на квантовата механика и началото и е поставено през 20-те години на XX век.
Въпреки че физиката на електромагнитното излъчване е предмет на електродинамиката, свойствата на излъчването в отделните области на електромагнитния спектър са предмет на изучаване от по-специализирани раздели от физиката, като оптика, радиофизика или физиката на високите енергии (описва късовълновия край на спектъра). Освен това съществуват и много други научни области-фундаментални и приложни, които изучават свойствата и поведението на отделни области от електромагнитния спектър, а също и тяхното приложение в практиката. Например, гама лъчението се изучава преди всичко от ядрената физика, но от други позиции- медицински и биологични, електромагнитното излъчване се изследва и използва и в радиологията.
За разлика от физиците повечето химици се интересуват по-малко от физиката, която стои зад този вид енергия-електромагнитната и са много по-заинтересовани от това как тези вълни взаимодействат с материята. По-конкретно, химиците изучават как различните форми на електромагнитно лъчение взаимодействат с атомите и молекулите. От тези взаимодействия химик може да получи информация за структурата на молекулата, както и за видовете химически връзки, които тя съдържа.
ФОТОН
Работата на Планк e основата за по-късното откриване на фотона. Фотонът е елементарна частица, квант електромагнитна енергия и преносител на електромагнитно взаимодействие. Eнергията на фотона е неговата главна характеристика. Фотоните съществуват само като движещи се частици; нямат маса на покой, а във вакуум се движат със скоростта на светлината. Въпреки че във вакуум всички фотони се движат със скоростта на светлината, отделните фотони са с характерни енергии, които зависят от честотата на излъчването. Те могат да се движат с различни дължини на вълните, респ. с различни честоти.
Фотоните с различни дължини на вълните взаимодействат с материята по различни начини. Например фотоните с дължина на вълната от около 380 nm до около 750 nm се приемат от човешкото око и се обработват от човешкия мозък като цветове. “Цветът” на фотона зависи от дължината на вълната му. Фотоните от видимия спектър с най-висока енергия са във виолетовата област, а тези с най-ниска енергия са в червената област.
Класическата eлектродинамика описва фотона като электромагнитна вълна. От гледна точка на квантовата механика за фотона като квантова частица е присъщ корпускулярно-вълновия дуализм: фотоните проявяват свойства както на частици, така и на вълни.
Квантовата електродинамика, основана на Квантовата теория на полето и Стандартния модел, описва фотона като калибровъчен бозон, носител на електромагнитното взаимодействие.
Съвременната наука разглежда фотона като фундаментална частица, непритежаваща размер и вътрешна структура.
Фотоните са най-добре обяснени от квантовата механика и проявяват корупускулярно-вълнов дуализъм, тяхното поведение включва свойствата както на вълните, така и на частиците.
Енергията на фотона се пренася на порции, наречени кванти (не може да се пренася на части от кванта!) и зависи от четотата на излъчване. Фотонът се дефинира като квант (порция енергия) от електромагнитно излъчване и съществува в широка област от енергии: от нискочестотната област на радиовълните до високоенергетичните гама кванти. Енергията Е на фотона е основна негова характеристика и се дава като произведение от константата на Планк h и честотата на електромагнитната вълна ν, т.е. E = hν; ν = c / λ, c е скоростта на светлината.
Следователно енергията на фотона е пропорционална на честотата на електромагнитната вълна и обратно пропорционална на нейната дължина на вълната, т.е. фотоните с най-висока енергия съответстват на най-късите дължини на вълните. Нискоенергетичните фотони, като радиофотоните например, имат поведение по-скоро на вълни, докато фотоните с по-висока енергия (като например рентгеновите лъчи) се държат по-скоро като частици. Това е една от причините, поради която не използваме понятието “рентгенови вълни”. Вместо това говорим за рентгенови лъчи и за тяхната енергия.
Енергията на фотона е отговорна за много характеристики на ЕМ излъчване (електромагнитното излъчване с различни честоти, респ.енергии, взаимодейства с материята по различен начин) и е особено забележима при високи честоти.
Квантовите ефекти при фотоните са най-силно изразени за по-високите честоти, например гама лъчи и обикновено са пренебрежими за радиовълните от края на електромагнитния спектър.
На практика е почти невъзможно да се открият отделни фотони с честоти под микровълновата честота, поради тяхната много ниска енергия (много трудно, почти невъзможно е тази енергия да бъде измерена; например, квантите на микровълните притежават енергия от порядъка на 0,00001 еV). Но фотоните ги има. Една непрекъсната ЕМ вълна винаги може да бъде моделирана като поток от фотони. При ниски честоти обаче EM вълни обикновено се възприемат без забележимо квантуване (ако макроскопичните енергии се квантуват, квантовите стъпки са твърде малки, за да бъдат забелязани!). Подробни обяснения относно това, ще намерите тук.
Скоростта на фотона не зависи от неговата енергия, а от средата в която се движи. Във вакуум скоростта му е равна на скоростта на светлината.
(Background image Credit: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet)
ЕЛЕКТРОМАГНИТЕН СПЕКТЪР
Електромагнитен спектър се нарича диапазонът (обхватът) на всички възможни електромагнитни излъчвания, подредени според честотата и дължината на вълната и съответната им енергия на фотоните [виж Фиг. 2].
Следователно електромагнитния спектър обхваща всички типове електромагнитно лъчение. По принцип всички електромагнитни вълни се движат със скоростта на светлината във вакуум. Въпреки това, стойностите на съответните дължини на вълните, честотите и енергията на фотоните варират за различните видове електромагнитни вълни.
Електромагнитният спектър може да се изрази посредством енергия, дължина на вълната или честота.
На Фиг. 2 дължините на вълните са в метри и в дробните на метъра, а честотите в херци (Hz). Енергията на фотона, съответстваща на различните честоти, е дадена в единици електронволт (eV).
Електромагнитният спектър съдържа електромагнитни вълни с всички възможни честоти – от няколко херца (дълговълновата граница на спектъра) до честотите на гама-лъчите (късовълновата граница на спектъра), съответстващи на дължини на вълната с размер от хиляди километри до такива, съизмерими с размера на атомното ядро и дори по-малки. Въпреки че спектърът по принцип е безкраен, за граница на дълговълновата част е приет размерa на Вселената, докато се смята, че границата на късите вълни е в близост до дължината на Планк.
На Фиг. 2 са дадени обектите, размерите на които са съотносими към съответстващите им от спектъра дължини на вълните.
От Фиг. 2 се вижда, че видимият спектър, т.е. светлината, която можем да видим с очите си – представлява само малка част от различните видове излъчвания, които съществуват. Вдясно от видимата област откриваме видовете енергия, които са по-ниски по честота (и следователно с по-големи дължини на вълната) от видимата светлина. Тези типове енергия включват инфрачервени (IR) лъчи (топлинни вълни, излъчвани от топлинни тела), микровълни и радиовълни. Този вид излъчване постоянно ни заобикаля и не е вредно, защото неговите честоти са много ниски. Вълните с по-ниска честота са с по-ниска енергия и по този начин не са опасни за здравето ни.
Вляво от видимия спектър имаме ултравиолетови (UV) лъчи, рентгенови лъчи и гама-лъчи. Този тип радиация е вредна за живите организми поради нейните изключително високи честоти (и следователно, високи енергии). Гама-лъчите имат най-високи честоти и енергии и са най-вредни. За щастие нашата атмосфера абсорбира гама-лъчите от космоса и така ни предпазва от разрушителната радиация.
ОБЛАСТИ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНИЯ СПЕКТЪР
Електромагнитният спектър е разделен на области, като във всяка честотна област електромагнитите вълни се наричат с различни имена; започвайки от нискочестотния край на спектъра, това са: радиовълни, микровълни, инфрачервени лъчи, видима светлина, ултравиолетови лъчи, рентгенови лъчи и гама лъчи в края на високочестотната област. Eдинствената разлика между радиовълните, видимата светлина и гама лъчите е енергията на фотоните, респ. честотата/дължината на вълната. Радиовълните имат фотони с най-ниска енергия. Микровълните имат малко повече енергия от радиовълните. Фотоните на инфрачервените лъчи са с по-висока енергия, следвани от видимите светлинни лъчи, ултравиолетови, рентгенови и гама лъчи.
Електромагнитните вълни във всяка област имат различни характеристики, като например как са възникнали, как взаимодействат с материята, какви са техните практически приложения. Границите между отделните области от спектъра не са строго определени и е възможно припокриване между спектрални области.
В общия случай гама-лъчите са с по-висока енергия от рентгеновите лъчи, но има и област на припокриване между тях. Можем да ги различим по техния произход: традиционно се смята, че фотоните, излъчени от атомното ядро, се наричат гама-лъчи, а фотоните, излъчени от електрони извън ядрото – рентгенови лъчи (разбира се тази конвенция не е универсална и има и някои изключения; например, космическите лъчи включват и високоенергийни фотони, които също се наричат гама-лъчи, независимо дали са произлезли от ядрен процес или процес извън ядрото). По-подробна информация можете да намерите тук. По принцип електромагнитният спектър е непрекъснат и не е чак толкова наложително да определяме дали фотонът принадлежи към гама областта или към рентгеновата област.
Радиовълните се изследват от класическата електродинамика. Инфрачервените и ултравиолетовите лъчения-както от класическата оптика, така и квантовата физика. Рентгеновата и гама радиация се изследва от квантовата и ядрената физика.
Гама-лъчите, рентгеновите лъчи и някои видове ултравиолетови лъчи се класифицират като йонизиращо лъчение, тъй като техните фотони имат достатъчно енергия за йонизиране на атомите, причинявайки химични реакции.
По-подробна и нформация за спектъра на електромагнитните вълни можете да намерите тук или тук.
Също така под електромагнитен спектър (обикновено – само спектър) на даден обект се разбира обхватът на електромагнитно лъчение, който той излъчва (емисионен спектър), отразява, пропуска или поглъща (абсорбционен спектър). Слънцето, земята и други тела излъчват електромагнитна енергия с различна дължина на вълните.
Интересни факти за явлението радиация: тук
