Strahlung

Illustration der relativen Fähigkeiten von drei verschiedenen Arten von ionisierende Strahlung Eindringliche Materie durchdringen. Typische Alpha -Partikel (α) werden von einem Blatt Papier gestoppt, während Beta -Partikel (β) von einer Aluminiumplatte gestoppt werden. Die Gammastrahlung (γ) wird gedämpft, wenn sie in Blei eindringt. Beachten Sie Vorbehalte im Text zu diesem vereinfachten Diagramm.^{[Klarstellung erforderlich]}

Das internationale Symbol für Typen und Ebenen der ionisierenden Strahlung (Radioaktivität), die für nicht sicher sind ungeschützt Menschen. Die Strahlung existiert im Allgemeinen in der Natur, wie beispielsweise in Licht und Schall.

Im Physik, Strahlung ist die Emission oder Übertragung von Energie in Form von Wellen oder Partikel durch den Raum oder durch ein materielles Medium.^[1][2] Das beinhaltet:

• elektromagnetische Strahlung, wie zum Beispiel Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenaufnahmen, und Gammastrahlung (γ)
• Partikelstrahlung, wie zum Beispiel Alpha -Strahlung (α), Beta -Strahlung (β), Protonenstrahlung und Neutronenstrahlung (Teilchen der Ruheenergie ungleich Null)
• akustisch Strahlung, wie zum Beispiel Ultraschall, Klang, und Seismische Wellen (Abhängig von einem physischen Übertragungsmedium)
• Gravitationsstrahlung, das hat die Form von Gravitationswellen oder Wellen in der Krümmung von Freizeit

Strahlung wird oft als beide kategorisiert ionisieren oder nicht ionisierend Abhängig von der Energie der abgestrahlten Partikel. Ionisierende Strahlung trägt mehr als 10 ev, was ausreicht, um ionisieren Atome und Moleküle und brechen chemische Bindungen. Dies ist eine wichtige Unterscheidung aufgrund des großen Unterschieds in der Schädlichkeit zu lebenden Organismen. Eine häufige Quelle ionisierender Strahlung ist radioaktive Materialien das emittiert α, β oder γ -Strahlung, bestehend aus Heliumkerne, Elektronen oder Positronen, und Photonen, beziehungsweise. Andere Quellen sind Röntgenaufnahmen von Medizin Radiographie Prüfungen und Myonen, Mesons, Positronen, Neutronen und andere Partikel, die die Sekundär darstellen kosmische Strahlung die produziert werden, nachdem primäre kosmische Strahlen mit interagieren Erdatmosphäre.

Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und der höhere Energiebereich von Ultraviolettlicht bilden den ionisierenden Teil der elektromagnetisches Spektrum. Das Wort "ionisieren" bezieht sich auf das Brechen eines oder mehrerer Elektronen von einem Atom, eine Aktion, die die relativ hohen Energien erfordert, die diese elektromagnetischen Wellen erfüllen. Weiter unten im Spektrum können die nichtionisierenden niedrigeren Energien des unteren ultravioletten Spektrums Atome nicht ionisieren, können jedoch die interatomaren Bindungen stören, die Moleküle bilden, wodurch Moleküle anstelle von Atomen abgebaut werden; Ein gutes Beispiel dafür ist Sonnenbrand, der durch lange verursacht wird.Wellenlänge Solar -Ultraviolett. Die Wellen mit längerer Wellenlänge als UV in sichtbarem Licht, Infrarot- und Mikrowellenfrequenzen können Bindungen nicht brechen, sondern können Vibrationen in den Bindungen verursachen, die als als erfasst werden Wärme. Funkwellenlängen und unten werden im Allgemeinen nicht als schädlich für biologische Systeme angesehen. Dies sind keine scharfen Abgrenzungen der Energien; Die Auswirkungen von spezifisch sind einige Überschneidungen Frequenzen.^[3]

Das Wort "Strahlung" ergibt sich aus dem Phänomen von Wellen Ausstrahlung (d. h. nach außen in alle Richtungen reisen) aus einer Quelle. Dieser Aspekt führt zu einem System von Messungen und physische Einheiten die für alle Arten von Strahlung anwendbar sind. Da sich eine solche Strahlung ausdehnt, wenn sie den Raum durchläuft und seine Energie (im Vakuum) erhalten wird, die Intensität aller Arten von Strahlung von a Punktquelle folgt an Inverse-Quadrat-Gesetz in Bezug auf die Entfernung von seiner Quelle. Wie jedes ideale Gesetz nähert sich das Inverse-Quadrat-Gesetz einer gemessenen Strahlungsintensität in dem Maße, in dem die Quelle einem geometrischen Punkt annähert.

Ionisierende Strahlung

Einige Arten von ionisieren Strahlung kann in a erkannt werden Nebelkammer.

Strahlung mit ausreichend hoher Energie kann ionisieren Atome; Das heißt, es kann klopfen Elektronen Aus Atomen, Ionen erschaffen. Die Ionisation tritt auf, wenn ein Elektron aus einer Elektronenschale des Atoms entfernt wird (oder "ausgeschaltet"), wodurch das Atom mit einer positiven Nettoladung zurücklässt. Weil leben Zellen und was noch wichtiger ist, die DNA in diesen Zellen kann durch diese Ionisation beschädigt werden Krebs. Somit ist "ionisierende Strahlung" etwas künstlich von Partikelstrahlung und elektromagnetischer Strahlung getrennt, einfach aufgrund ihres großen Potenzials für biologische Schäden. Während eine einzelne Zelle aus besteht aus Billionen Von Atomen wird nur ein kleiner Teil davon bei niedrigen bis mittelschweren Strahlungskräften ionisiert. Die Wahrscheinlichkeit einer ionisierenden Strahlung, die Krebs verursacht absorbierte Dosis der Strahlung und ist eine Funktion der schädlichen Tendenz der Art der Strahlung (Äquivalente Dosis) und die Empfindlichkeit des bestrahlten Organismus oder Gewebes (Wirksame Dosis).

Wenn die Quelle der ionisierenden Strahlung ein radioaktives Material oder ein nuklearer Prozess ist, wie z. Fission oder Verschmelzung, Es gibt Partikelstrahlung berücksichtigen. Partikelstrahlung ist subatomare Partikel beschleunigt zu Relativistische Geschwindigkeiten durch Kernreaktionen. Wegen ihrer momenta Sie sind durchaus in der Lage, Elektronen und ionisierende Materialien auszuschalten, aber da die meisten eine elektrische Ladung haben, haben sie nicht die durchdringende Kraft der ionisierenden Strahlung. Die Ausnahme sind Neutronenpartikel; siehe unten. Es gibt verschiedene Arten dieser Partikel, aber die Mehrheit sind Alpha -Partikel, Beta -Partikel, Neutronen, und Protonen. Grob gesagt Photonen und Partikel mit über 10 über 10 Energien Elektronenvolt (EV) sind ionisieren (einige Behörden verwenden 33 eV, die Ionisationsenergie für Wasser). Die Partikelstrahlung aus radioaktivem Material oder kosmischen Strahlen trägt fast immer genügend Energie, um ionisieren zu können.

Die meisten ionisierenden Strahlung stammen aus radioaktiven Materialien und Raum (kosmische Strahlen) und ist als solche natürlich in der Umwelt vorhanden, da die meisten Gesteine ​​und Boden kleine Konzentrationen an radioaktiven Materialien aufweisen. Da diese Strahlung unsichtbar ist und nicht direkt durch menschliche Sinne, Instrumente, wie z. Geiger Theken sind normalerweise erforderlich, um seine Anwesenheit zu erkennen. In einigen Fällen kann es zu einer sekundären Emission von sichtbarem Licht auf seine Wechselwirkung mit Materie führen, wie im Fall von Cherenkov radiation und Radio-Lumineszenz.

Grafik zeigt Beziehungen zwischen Radioaktivität und erkannter ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung hat viele praktische Verwendungszwecke in der Medizin, Forschung und Konstruktion, stellt jedoch ein Gesundheitsrisiko dar, wenn sie nicht ordnungsgemäß eingesetzt werden. Die Exposition gegenüber Strahlung führt zu Schäden am lebenden Gewebe; hohe Dosen führen zu Akutes Strahlungssyndrom (ARS) mit Hautverbrennungen, Haarausfall, Innenorganversagen und Tod, während jede Dosis zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Krebs führen kann und genetischer Schaden; eine bestimmte Form von Krebs, Schilddrüsenkrebs, häufig auftreten, wenn Atomwaffen und Reaktoren aufgrund der biologischen Neigungen des radioaktiven Jodspaltungsprodukts die Strahlungsquelle sind. Iodin-131.^[4] Die Berechnung des genauen Risikos und der Wahrscheinlichkeit einer Krebsbildung in Zellen, die durch ionisierende Strahlung verursacht werden Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki und aus der Nachverfolgung von Reaktorunfällen wie der Tschernobyl Katastrophe. Das Internationale Kommission für radiologische Schutz stellt fest, dass "die Kommission sich der Unsicherheiten und der Mangel an Genauigkeit der Modelle und Parameterwerte bewusst ist", "kollektive effektive Dosis ist nicht als Instrument zur epidemiologischen Risikobewertung gedacht, und es ist unangemessen, sie in Risikoprojektionen und" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in" in "in Insbesondere sollte die Berechnung der Anzahl der Krebs -Todesfälle auf kollektiven wirksamen Dosen aus trivialen Einzeldosen vermieden werden. "^[5]

UV-Strahlung

Ultraviolett von Wellenlängen von 10 nm bis 125 nm ionisiert Luftmoleküle, was dazu führt, dass sie stark von Luft und Ozon absorbiert wird (o₃) im Speziellen. Ionisierende UV durchdringt daher nicht in erheblichem Maße die Erdatmosphäre und wird manchmal als als bezeichnet Vakuum -Ultraviolett. Obwohl im Weltraum vorhanden ist, ist dieser Teil des UVA -Spektrums nicht von biologischer Bedeutung, da er keine lebenden Organismen auf der Erde erreicht.

Es gibt eine Zone der Atmosphäre, in der Ozon etwa 98% nichtionalisierender, aber gefährlicher UV-C und UV-B absorbiert. Das sogenannte Ozonschicht beginnt bei etwa 32 km und erstreckt sich nach oben. Ein Teil des ultravioletten Spektrums, das den Boden erreicht, ist nichtionalisierend, aber aufgrund der Fähigkeit einzelner Photonen dieser Energie immer noch biologisch gefährlich, in biologischen Molekülen eine elektronische Anregung zu verursachen und sie somit durch unerwünschte Reaktionen zu beschädigen. Ein Beispiel ist die Bildung von Pyrimidin -Dimere in DNA, die bei Wellenlängen unter 365 nm (3,4 eV) beginnt, die deutlich unter der Ionisationsenergie liegt. Diese Eigenschaft gibt das ultraviolette Spektrum einige der Gefahren ionisierender Strahlung in biologischen Systemen ohne tatsächliche Ionisation auf. Im Gegensatz dazu besteht eine sichtbare Licht- und länger-Wellenlängen-elektromagnetische Strahlung wie Infrarot, Mikrowellen und Funkwellen aus Photonen mit zu wenig Energie, um eine schädliche molekulare Anregung zu verursachen, und daher ist diese Strahlung weitaus weniger gefährlich pro Energieeinheit.

Röntgenaufnahmen

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 10^–9 m (größer als 3x10¹⁷ Hz und 1.240 eV). Eine kleinere Wellenlänge entspricht einer höheren Energie gemäß der Gleichung E=h c/λ. ("E" ist Energie; "H" ist Plancks Konstante; "C" ist die Lichtgeschwindigkeit; "λ" ist Wellenlänge.) Wenn ein Röntgenphoton mit einem Atom kollidiert, kann das Atom die Energie des Photons absorbieren und steigern Sie ein Elektron auf einen höheren Orbitalniveau oder wenn das Photon extrem energisch ist, kann es ein Elektron aus dem Atom insgesamt schlagen, wodurch das Atom ionisieren kann. Im Allgemeinen nehmen größere Atome eher ein Röntgenphoton ab, da sie größere Energieunterschiede zwischen Orbitalelektronen aufweisen. Das Weichgewebe im menschlichen Körper besteht aus kleineren Atomen als den Kalziumatomen, aus denen sich der Knochen besteht, sodass ein Kontrast bei der Absorption von Röntgenstrahlen besteht. Röntgenmaschinen sind speziell ausgelegt, um den Absorptionsunterschied zwischen Knochen und Weichgewebe zu nutzen, sodass Ärzte die Struktur im menschlichen Körper untersuchen können.

Röntgenstrahlen werden auch vollständig von der Dicke der Erdatmosphäre absorbiert, was zur Vorbeugung der Röntgenleistung der Sonne führt, die kleiner ist als die von UV, aber dennoch kraftvoll, die Oberfläche zu erreichen.

Gammastrahlung

Gammastrahlung in einem erkannt Isopropanol Nebelkammer.

Die Gamma (γ) -Anstrahlung besteht aus Photonen mit einer Wellenlänge von weniger als 3x10^–11 Meter (mehr als 10¹⁹ Hz und 41,4 kev).^[4] Die Gammastrahlungsemission ist ein nuklearer Prozess, der auftritt, um einen instabilen zu befreien Kern von überschüssiger Energie nach den meisten Kernreaktionen. Sowohl Alpha- als auch Beta -Partikel haben eine elektrische Ladung und Masse und interagieren daher mit anderen Atomen auf ihrem Weg. Die Gammastrahlung besteht jedoch aus Photonen, die weder Massen- noch elektrische Ladung aufweisen und infolgedessen viel weiter durch die Materie eindringen als Alpha- oder Beta -Strahlung.

Gammastrahlen können durch eine ausreichend dicke oder dichte Materialschicht gestoppt werden, wobei die Stoppleistung des Materials pro gegebener Bereich hauptsächlich (aber nicht vollständig) von der Gesamtmasse entlang des Weges der Strahlung abhängt, unabhängig davon, ob das Material ist hohe oder niedrige Dichte. Wie bei Röntgenstrahlen, Materialien mit einer hohen Atomzahl wie Blei oder erschöpftes Uran Fügen Sie eine bescheidene (typischerweise 20% bis 30%) Menge an Stoppleistung über eine gleiche Masse von weniger dichten und niedrigeren Atomgewichtsmaterialien (wie Wasser oder Beton) hinzu. Die Atmosphäre absorbiert alle Gammastrahlen, die sich der Erde aus dem Raum nähern. Sogar Luft kann Gammastrahlen absorbieren und die Energie solcher Wellen durchschnittlich durchschnittlich 500 Fuß (150 m) durchlaufen.

Alpha -Strahlung

Alpha -Partikel in einem erkannt Isopropanol Nebelkammer

Alpha -Partikel sind Helium-4 Kerne (zwei Protonen und zwei Neutronen). Sie interagieren aufgrund ihrer Ladungen und ihrer kombinierten Masse stark mit Materie und dringen bei ihren üblichen Geschwindigkeiten nur ein paar Zentimeter Luft oder ein paar Millimeter mit niedrigem Dichte ein (wie das dünne Glimmermaterial, das speziell in einigen Geiger -Zählerröhrchen platziert ist Alpha -Partikel in). Dies bedeutet, dass Alpha -Partikel von gewöhnlich Alpha -Verfall In die äußeren Schichten abgestorbener Hautzellen nicht eindringen und die lebenden Gewebe unten nicht beschädigen. Einige sehr hohe Energie -Alpha -Partikel machen ungefähr 10% von aus kosmische Strahlungund diese sind in der Lage, den Körper und sogar dünne Metallplatten zu durchdringen. Sie sind jedoch nur für Astronauten gefährdet, da sie vom Magnetfeld der Erde abgelenkt und dann durch seine Atmosphäre gestoppt werden.

Alpha-Strahlung ist gefährlich, wenn Alpha-Emitting Radioisotope werden aufgenommen oder eingefügt (atmet oder verschluckt). Dies bringt das Radioisotop nahe genug an empfindliches lebendes Gewebe für die Alpha -Strahlung, um Zellen zu beschädigen. Die Alpha-Partikel pro Energieeinheit sind bei Zellschaden mindestens 20-mal effektiver als Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Sehen relative biologische Wirksamkeit für eine Diskussion darüber. Beispiele für hochgiftige Alpha-Emitter sind alle Isotope von Radium, Radon, und Polonium, aufgrund der Menge an Zerfall, die in diesen kurzen Halbwertsmaterialien auftritt.

Beta -Strahlung

Elektronen (Beta -Strahlung) in einem erkannt Isopropanol Nebelkammer

Beta-Minus (β⁻) Strahlung besteht aus einem energiegeladenen Elektron. Es ist mehr durchdringend als Alpha -Strahlung, aber weniger als Gamma. Beta -Strahlung von radioaktiver Zerfall Kann mit ein paar Zentimetern Plastik oder ein paar Millimeter Metall gestoppt werden. Es tritt auf, wenn ein Neutron in einem Proton in einem Kern zerfällt und das Beta -Partikel freigibt und ein Antineutrino. Beta -Strahlung von Linac Beschleuniger sind weitaus energischer und durchdringender als natürliche Beta -Strahlung. Es wird manchmal therapeutisch in verwendet Strahlentherapie zur Behandlung von oberflächlichen Tumoren.

Beta-Plus (β⁺) Strahlung ist die Emission von Positronen, die die sind Antimaterie Form von Elektronen. Wenn sich ein Positron an Geschwindigkeiten verlangsamt, die denen der Elektronen im Material ähneln, vernichtet das Positron ein Elektron und setzt zwei Gamma -Photonen von 511 keV frei. Diese beiden Gamma -Photonen reisen in (ungefähr) entgegengesetzte Richtung. Die Gammastrahlung aus der Positron -Vernichtung besteht aus hochsenksamen Photonen und ist auch ionisieren.

Neutronenstrahlung

Neutronen werden nach ihrer Geschwindigkeit/Energie kategorisiert. Neutronenstrahlung besteht aus Kostenlose Neutronen. Diese Neutronen können entweder während spontaner oder induzierter Kernspaltung emittiert werden. Neutronen sind seltene Strahlenteilchen; Sie werden in großer Zahl nur dort hergestellt Kettenreaktion Spalt- oder Fusionsreaktionen sind aktiv; Dies geschieht für etwa 10 Mikrosekunden in einer thermonukleären Explosion oder kontinuierlich in einem operativen Kernreaktor; Die Produktion der Neutronen stoppt fast sofort im Reaktor, wenn es nicht kritisch wird.

Neutronen können andere Objekte oder Materialien radioaktiv machen. Dieser Prozess, genannt Neutronenaktivierung, ist die Hauptmethode, mit der radioaktive Quellen für die Verwendung in medizinischen, akademischen und industriellen Anwendungen hergestellt werden. Auch vergleichsweise niedrige Geschwindigkeit Thermische Neutronen verursachen Neutronenaktivierung (tatsächlich verursachen sie sie effizienter). Neutronen ionisieren Atome nicht auf die gleiche Weise wie geladene Partikel wie Protonen und Elektronen (durch Anregung eines Elektrons), da Neutronen keine Ladung haben. Durch ihre Absorption durch Kerne, die dann instabil werden, verursachen sie Ionisation. Daher sollen Neutronen "indirekt ionisieren" sein. Selbst Neutronen ohne signifikante kinetische Energie sind indirekt ionisieren und somit eine signifikante Strahlungsrisiko. Nicht alle Materialien können eine Neutronenaktivierung in der Lage sind; In Wasser beispielsweise fangen die häufigsten Isotope beider Artenatome (Wasserstoff und Sauerstoff) Neutronen ein und werden schwerer, bleiben jedoch stabile Formen dieser Atome. Nur die Absorption von mehr als einem Neutron, einem statistisch seltenen Auftreten, kann ein Wasserstoffatom aktivieren, während Sauerstoff zwei zusätzliche Absorptionen erfordert. Somit ist Wasser nur sehr schwach in der Lage. Das Natrium in Salz (wie im Meerwasser) muss dagegen nur ein einzelnes Neutron absorbieren, um Na-24 zu werden, eine sehr intensive Quelle für Beta-Zerfall, mit einer Halbwertszeit von 15 Stunden.

Darüber hinaus können energiereiche (Hochgeschwindigkeits-) Neutronen Atome direkt ionisieren. Ein Mechanismus, mit dem Hochenergie -Neutronen Atome ionisieren, besteht darin, den Kern eines Atoms zu schlagen und das Atom aus einem Molekül zu werfen, wobei ein oder mehrere Elektronen als die hinter sich lassen chemische Bindung ist kaputt. Dies führt zur Produktion von Chemikalien freie Radikale. Darüber hinaus können sehr hohe Energie-Neutronen durch "Neutronenspallation" oder Knockout ionisierende Strahlung verursachen, wobei Neutronen eine Emission hochbedingter Protonen aus Atomkern (insbesondere Wasserstoffkern) auf den Aufprall verursachen. Der letzte Prozess verleiht dem Proton den größten Teil der Energie des Neutrons, ähnlich wie einer Billiard Ball einen anderen schlagen. Die geladenen Protonen und andere Produkte solcher Reaktionen sind direkt ionisieren.

Niedrige Neutronen sind sehr durchdringend und können große Entfernungen in Luft (Hunderte oder sogar Tausende von Metern) und mäßige Entfernungen (mehrere Meter) bei gemeinsamen Feststoffen zurücklegen. Sie erfordern typischerweise Wasserstoffabweiche wie Beton oder Wasser, um sie innerhalb von weniger als einem Meter zu blockieren. Eine häufige Quelle für Neutronenstrahlung tritt innerhalb a Kernreaktor, wo eine meterdicke Wasserschicht als wirksame Abschirmung verwendet wird.

Kosmische Strahlung

Es gibt zwei Quellen mit energiegeladenen Partikeln, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringen: Sonne und tiefes Raum. Die Sonne emittelt kontinuierlich Partikel, hauptsächlich freie Protonen, im Sonnenwind und erhöht gelegentlich den Fluss mit großer Bedeutung mit Koronale Massenektionen (CME).

Die Partikel aus dem tiefen Raum (inter- und extra Galaktisch) sind viel seltener, aber von viel höheren Energien. Diese Partikel sind auch hauptsächlich Protonen, wobei ein Großteil des Restes aus Helions (Alpha -Partikel) besteht. Einige vollständig ionisierte Kerne mit schwereren Elementen sind vorhanden. Der Ursprung dieser galaktischen kosmischen Strahlen ist noch nicht gut verstanden, aber sie scheinen Überreste von zu sein Supernovae und speziell Gammastray platzt (GRB) mit Magnetfeldern, die mit den enormen Beschleunigungen aus diesen Partikeln in der Lage sind. Sie können auch von generiert werden von Quasare, die galaxyweite Jet-Phänomene sind ähnlich wie GRB, aber für ihre viel größere Größe bekannt und die ein gewalttätiger Teil der frühen Geschichte des Universums zu sein scheinen.

Nichtionisierende Strahlung

Das elektromagnetisches Spektrum

Die kinetische Energie von Partikeln nichtionisierender Strahlung ist zu klein, um geladene Ionen beim Durchlaufen von Materie zu produzieren. Für nichtionisierende elektromagnetische Strahlung (siehe Typen unten) haben die zugehörigen Partikel (Photonen) nur ausreichende Energie, um die Rotations-, Schwingungs- oder elektronischen Valenzkonfigurationen von Molekülen und Atomen zu ändern. Die Wirkung nichtionalisierender Strahlungsformen auf das lebende Gewebe wurde erst kürzlich untersucht. Dennoch werden verschiedene biologische Effekte für verschiedene Arten von nichtionalisierender Strahlung beobachtet.^[4][6]

Selbst "nichtionisierende" Strahlung kann eine Thermalionisierung verursachen, wenn sie genügend Wärme ablegt, um die Temperaturen auf Ionisationsenergien zu erhöhen. Diese Reaktionen treten bei weitaus höheren Energien auf als bei Ionisationsstrahlung, was nur einzelne Partikel erfordert, um Ionisation zu verursachen. Ein vertrautes Beispiel für die thermische Ionisation ist die Flammeionisierung eines gemeinsamen Feuers und die Bräunung Reaktionen in gemeinsamen Nahrungsmitteln, die durch Infrarotstrahlung während des Kochens des Bratens induziert wurden.

Das elektromagnetisches Spektrum ist der Bereich aller möglichen elektromagnetischen Strahlungsfrequenzen.^[4] Das elektromagnetische Spektrum (normalerweise nur Spektrum) eines Objekts ist die charakteristische Verteilung der elektromagnetischen Strahlung, die durch dieses bestimmte Objekt emittiert oder von absorbiert wird.

Der nichtionisierende Teil der elektromagnetischen Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, die (als einzelne Quanten oder Partikel siehe Photon) sind nicht energisch genug, um Elektronen von Atomen oder Molekülen zu lösen und damit ihre Ionisierung zu verursachen. Dazu gehören Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot und (manchmal) sichtbares Licht. Die niedrigeren Frequenzen von ultraviolettem Licht können chemische Veränderungen und molekulare Schäden verursachen, die der Ionisation ähneln, sind jedoch technisch nicht ionisierend. Die höchsten Frequenzen von ultraviolettem Licht sowie alle Röntgenstrahlen und Gammastrahlen sind ionisieren.

Das Auftreten der Ionisation hängt von der Energie der einzelnen Partikel oder Wellen und nicht von ihrer Anzahl ab. Eine intensive Flut von Partikeln oder Wellen verursacht keine Ionisierung, wenn diese Partikel oder Wellen nicht genug Energie tragen, um die Temperatur eines Körpers auf einen Punkt zu erhöhen, der hoch genug ist, um kleine Fraktionen von Atomen oder Molekülen durch den Prozess von zu ionisieren Die Thermoionisation (dies erfordert jedoch relativ extreme Strahlungsintensitäten).

Ultraviolettes Licht

Wie oben erwähnt, ist der untere Teil des Ultraviolett-Spektrums, so genannten UV, von 3 eV bis etwa 10 eV, nichtionalisierend. Die Auswirkungen von nichtionisierendem Ultraviolett auf die Chemie und die Schädigung biologischer Systeme, die ihm ausgesetzt sind (einschließlich Oxidation, Mutation und Krebs), sind jedoch so, dass selbst dieser Teil des Ultravioletts häufig mit der ionisierenden Strahlung verglichen wird.

Sichtbares Licht

Licht oder sichtbares Licht ist ein sehr schmaler Bereich der elektromagnetischen Strahlung einer Wellenlänge, die für das menschliche Auge sichtbar ist, oder 380–750 nm, was einem Frequenzbereich von 790 bis 400 THz entspricht.^[4] Im weiteren Sinne verwenden Physiker den Begriff "Licht", um eine elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen zu bedeuten, ob sichtbar oder nicht.

Infrarot

Infrarot (IR) -Leuchten ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,7 und 300 Mikrometern, was einem Frequenzbereich zwischen 430 bzw. 1 THz entspricht. Die IR -Wellenlängen sind länger als die von sichtbarem Licht, aber kürzer als die von Mikrowellen. Infrarot kann in einem Abstand von den strahlenden Objekten durch "Gefühl" erkannt werden. Infrarot -Erfassungsschlangen kann Infrarot durch Verwendung eines Lochobjektivs in den Köpfen erkennen und fokussieren. Helles Sonnenlicht sorgt für eine Bestrahlungsanstrengung von etwas mehr als 1 Kilowatt pro Quadratmeter auf Meereshöhe. Von dieser Energie ist 53% Infrarotstrahlung, 44% sichtbares Licht und 3% sind ultraviolette Strahlung.^[4]

Mikrowelle

Bei elektromagnetischer Strahlung (wie hier dargestellten Mikrowellen aus einer Antenne) gilt der Begriff "Strahlung" nur für die Teile der Teile der elektromagnetisches Feld das ausstrahlt in unendlichen Raum und verringert die Intensität durch eine Inverse-Quadrat-Gesetz der Macht, so dass die Gesamtstrahlungsenergie, die durch eine imaginäre kugelförmige Oberfläche überquert, gleich ist, egal wie weit die Antenne entfernt ist, die kugelförmige Oberfläche wird gezeichnet. Elektromagnetische Strahlung Beinhaltet die Fernfeld Teil des elektromagnetischen Feldes um einen Sender. Ein Teil des "Nahfeldes" in der Nähe des Senders ist Teil des sich ändernden elektromagnetischen Feldes, zählt jedoch nicht als elektromagnetische Strahlung.

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen, die von nur einem Millimeter bis zu einem Meter reichen, was einem Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz entspricht. Diese breite Definition umfasst sowohl UHF als auch EHF (Millimeter -Wellen), aber verschiedene Quellen verwenden verschiedene andere Grenzen.^[4] In allen Fällen umfassen Mikrowellen das gesamte Superhochfrequenzband (3 bis 30 GHz oder 10 bis 1 cm) mindestens, wobei RF -Engineering häufig die untere Grenze bei 1 GHz (30 cm) und die obere etwa 100 GHz (obere etwa 100 GHz ( 3 mm).

Radiowellen

Funkwellen sind eine Art elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum länger als infrarotes Licht. Wie alle anderen elektromagnetischen Wellen reisen sie mit Lichtgeschwindigkeit. Natürlich vorkommende Funkwellen werden durch Blitz oder bestimmte astronomische Objekte gemacht. Künstlich generierte Funkwellen werden für feste und mobile Funkkommunikation, Rundfunk, Radar und andere Navigationssysteme, Satellitenkommunikation, Computernetzwerke und unzählige andere Anwendungen verwendet. Darüber hinaus wird fast jeder Draht, der abwechselndes Strom transportiert, einen Teil der Energie als Funkwellen ausstrahlt. Diese werden größtenteils als Interferenz bezeichnet. Unterschiedliche Frequenzen von Funkwellen haben unterschiedliche Ausbreitungsmerkmale in der Erdatmosphäre. Lange Wellen können sich mit der Geschwindigkeit der Krümmung der Erde beugen und einen Teil der Erde sehr konstant bedecken, kürzere Wellen durch mehreren Reflexionen aus der Ionosphäre und der Erde um die Welt reisen. Viel kürzere Wellenlängen beugen sich oder reflektieren sehr wenig und reisen entlang der Sichtlinie.

Sehr niedrige Frequenz

Sehr niedrige Frequenz (VLF) bezieht sich auf einen Frequenzbereich von 30 Hz bis 3 kHz, was Wellenlängen von 100.000 bis 10.000 Metern entspricht. Da es in diesem Bereich des Funkspektrums nicht viel Bandbreite gibt, können nur die einfachsten Signale übertragen werden, z. B. für die Funknavigation. Auch bekannt als die Myriameter Band- oder Myriameterwelle, da die Wellenlängen von zehn bis ein Myriameter reichen (eine veraltete metrische Einheit, die 10 Kilometer entspricht).

Extrem niedrige Frequenz

Extrem niedrige Frequenz (ELF) sind Strahlungsfrequenzen von 3 bis 30 Hz (10)⁸ bis 10⁷ Meter jeweils). In der Atmosphärenwissenschaft wird normalerweise eine alternative Definition von 3 Hz bis 3 kHz angegeben.^[4] In der verwandten Magnetosphärenwissenschaft wird angesehen, dass die elektromagnetischen Oszillationen mit niedrigerer Frequenz (Pulsationen, die unter ~ 3 Hz auftreten) im ULF -Bereich liegen, der daher auch unterschiedlich als die ITU -Funkbänder definiert ist. Eine massive militärische Elfenantenne in Michigan strahlt sehr langsame Botschaften an ansonsten nicht erreichbare Empfänger aus, wie z. B. untergetauchte U -Boote.

Wärmestrahlung (Hitze)

Wärmestrahlung ist ein häufiges Synonym für Infrarotstrahlung, die von Objekten bei Temperaturen emittiert werden, die häufig auf der Erde auftreten. Wärmestrahlung bezieht sich nicht nur auf die Strahlung selbst, sondern auch auf den Prozess, durch den die Oberfläche eines Objekts seine ausstrahlt Wärmeenergie in Form von schwarzer Körperstrahlung. Infrarot oder rote Strahlung aus einem gemeinsamen Haushaltskühler oder elektrischen Heizung ist ein Beispiel für die Wärmestrahlung, ebenso wie die Wärme, die durch eine operative Glühlampe emittiert wird. Die thermische Strahlung wird erzeugt, wenn Energie aus der Bewegung geladener Partikel in Atomen in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird.

Wie oben erwähnt, kann selbst eine thermische Strahlung mit niedriger Frequenz zu einer Temperaturionisation führen, wenn sie ausreichende Wärmeenergie ablegt, um die Temperaturen auf ein ausreichend ausreichend ausreichendes Niveau zu erhöhen. Häufige Beispiele hierfür sind die Ionisation (Plasma) in gemeinsamen Flammen und die durch das "verursachten molekularen Veränderungen"Bräunung"Während des Lebensmittelkostens ist ein chemischer Prozess, der mit einer großen Ionisationskomponente beginnt.

Schwarzkörperstrahlung

Schwarzkörper Strahlung ist ein idealisiertes Strahlungsspektrum von einem Körper, der eine gleichmäßige Temperatur hat. Die Form des Spektrums und die Gesamtmenge der vom Körper emittierten Energie sind eine Funktion der absoluten Temperatur dieses Körpers. Die emittierte Strahlung deckt das gesamte elektromagnetische Spektrum ab und die Intensität der Strahlung (Leistung/Einheitsbereich) bei einer bestimmten Frequenz wird durch beschrieben Plancks Gesetz von Strahlung. Für eine gegebene Temperatur eines Schwarzkörpers gibt es eine bestimmte Frequenz, bei der die emittierte Strahlung in maximaler Intensität ist. Diese maximale Strahlungsfrequenz bewegt sich mit zunehmender Temperatur des Körpers zu höheren Frequenzen. Die Frequenz, bei der die Schwarzkörperstrahlung maximal ist Wiens Verschiebungsgesetz und ist eine Funktion der absoluten Temperatur des Körpers. Ein Schwarzkörper ist einer, der bei jeder Temperatur die maximal mögliche Strahlungsmenge bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Ein Schwarzkörper absorbiert auch die maximal mögliche einfallende Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge. Ein Schwarzkörper mit einer Temperatur bei oder unter der Raumtemperatur würde somit absolut schwarz erscheinen, da sie weder ein vorgenommenes Licht widerspiegeln würde noch ausreichend Strahlung bei sichtbaren Wellenlängen für unsere Augen zum Nachweis. Theoretisch emittiert ein Schwarzkörper die elektromagnetische Strahlung über das gesamte Spektrum von sehr niedrigen Funkwellen bis hin zu Röntgenstrahlen, wodurch ein Kontinuum der Strahlung erzeugt wird.

Die Farbe eines strahlenden Schwarzkörpers zeigt die Temperatur seiner strahlenden Oberfläche. Es ist verantwortlich für die Farbe von Sterne, die von Infrarot über rot (2.500.000) bis zu Gelb (5.800 K) bis zu Weiß und zu Blau-Weiß (15.000 k) variieren, wenn die Spitzenstrahlung diese Punkte im sichtbaren Spektrum durchläuft. Wenn der Gipfel unter dem sichtbaren Spektrum liegt, ist der Körper schwarz, während wenn er über dem Körper blauweiß ist, da alle sichtbaren Farben aus blauem zu rot abnehmen.

Entdeckung

Im frühen 19. Jahrhundert wurde eine elektromagnetische Strahlung der Wellenlängen als sichtbares Licht entdeckt. Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird auf William Herschel, das Astronom. Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1800 vor dem Royal Society of London. Herschel benutzte wie Ritter a Prisma zu brechen Licht aus dem Sonne und entdeckte das Infrarot (jenseits der rot Teil des Spektrums) durch eine Erhöhung der durch a aufgezeichneten Temperatur Thermometer.

1801 der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter machte die Entdeckung von Ultraviolett, indem er feststellte, dass die Strahlen aus einem Prisma verdunkelt wurden Silberchlorid Vorbereitungen schneller als violettes Licht. Die Experimente von Ritter waren ein früher Vorläufer für das, was zu Fotografie werden würde. Ritter stellte fest, dass die UV -Strahlen in der Lage waren, chemische Reaktionen zu verursachen.

Die ersten entdeckten Funkwellen stammten nicht aus einer natürlichen Quelle, sondern wurden absichtlich und künstlich vom deutschen Wissenschaftler produziert Heinrich Hertz 1887 unter Verwendung von elektrischen Schaltungen, die so berechnet wurden, dass sie Oszillationen im Funkfrequenzbereich erzeugen, gemäß den Formeln, die durch die Gleichungen von vorgeschlagen wurden James Clerk Maxwell.

Wilhelm Röntgen entdeckt und benannt Röntgenaufnahmen. Während er mit hohen Spannungen am 8. November 1895 experimentierte, bemerkte er eine Fluoreszenz auf einer nahe gelegenen Platte aus beschichtetem Glas. Innerhalb eines Monats entdeckte er die wichtigsten Eigenschaften von Röntgenstrahlen, die wir bis heute verstehen.

1896, Henri Becquerel fanden heraus, dass Strahlen, die von bestimmten Mineralien stammen, in Schwarzpapier durchdrungen und eine nicht exponierte fotografische Platte veranlasst wurden. Sein Doktorand Marie Curie entdeckte, dass nur bestimmte chemische Elemente diese Energiestrahlen abgaben. Sie nannte dieses Verhalten Radioaktivität.

Alpha -Strahlen (Alpha -Partikel) und Beta -Strahlen (Beta -Partikel) wurden differenziert durch Ernest Rutherford Durch einfache Experimente im Jahr 1899 verwendete Rutherford eine generische pitchblende -radioaktive Quelle und stellte fest, dass die von der Quelle erzeugten Strahlen unterschiedliche Materialdaten aufwiesen. Ein Typ hatte eine kurze Penetration (es wurde durch Papier gestoppt) und eine positive Ladung, die Rutherford nannte Alpha -Strahlen. Der andere war eindringlicher (in der Lage, Filme durch Papier, aber nicht Metall freizulegen) und hatte eine negative Ladung, und dieser Typ Rutherford wurde benannt Beta. Dies war die Strahlung, die Becherel aus Uransalzen erstmals festgestellt hatte. Im Jahr 1900 der französische Wissenschaftler Paul Villard Entdeckte eine dritte neutral geladene und insbesondere eindringende Strahlung aus Radium, und nachdem er es beschrieben hatte, erkannte Rutherford, dass es sich noch um eine dritte Art von Strahlung handeln muss, die 1903 Rutherford nannte gamma Strahlen.

Henri Becquerel selbst hat bewiesen, dass Beta -Strahlen schnelle Elektronen sind, während Rutherford und Thomas Royds bewiesen 1909, dass Alpha -Partikel ionisiertes Helium sind. Rutherford und Edward Andrade 1914 bewiesen, dass Gammastrahlen wie Röntgenstrahlen sind, jedoch mit kürzeren Wellenlängen.

Kosmische Strahlenstrahlungen, die die Erde aus dem Weltraum steigern Victor Hess trug an Elektrometer zu verschiedenen Höhen in einem freien Ballonflug. Die Art dieser Strahlen wurde erst in späteren Jahren allmählich verstanden.

Das Neutron und Neutronenstrahlung wurden entdeckt von James Chadwick Im Jahr 1932. eine Reihe anderer energiegeladener Partikelstrahlungen wie z. Positronen, Myonen, und Pions wurden kurz darauf durch Untersuchung der Wolkenkammer untersuchte Partikelbeschleunigerdurch die letzte Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Anwendungen

Medizin

Strahlungs- und radioaktive Substanzen werden zur Diagnose, Behandlung und Forschung verwendet. Röntgenstrahlen zum Beispiel gehen durch Muskeln und andere Weichgewebe, werden jedoch durch dichte Materialien gestoppt. Diese Eigenschaft von Röntgenstrahlen ermöglicht Ärzten, Knochenbrüche zu finden und Krebs zu lokalisieren, die möglicherweise im Körper wachsen.^[7] Ärzte finden auch bestimmte Krankheiten, indem sie eine radioaktive Substanz injizieren und die abgegebene Strahlung überwachen, wenn sich die Substanz durch den Körper bewegt.^[8] Strahlung für die Krebsbehandlung wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, da sie Ionen in den Zellen der Gewebe bildet, die sie durchläuft, wenn sie Elektronen von Atomen ableuchten. Dies kann Zellen töten oder Gene verändern, damit die Zellen nicht wachsen können. Andere Formen von Strahlung wie Funkwellen, Mikrowellen und Lichtwellen werden als nichtionalisierend bezeichnet. Sie haben nicht so viel Energie, so dass sie keine Zellen ionisieren können.^[9]

Kommunikation

Alle modernen Kommunikationssysteme verwenden Formen der elektromagnetischen Strahlung. Variationen in der Intensität der Strahlung stellen Änderungen des Klangs, der Bilder oder anderer Informationen dar, die übertragen werden. Beispielsweise kann eine menschliche Stimme als Radiowelle oder Mikrowelle gesendet werden, indem die Welle zu entsprechenden Variationen der Stimme variiert. Musiker haben auch mit Gammastrahlen -Sonifikation oder nuklearen Strahlung experimentiert, um Klang und Musik zu erzeugen.^[10]

Wissenschaft

Forscher verwenden radioaktive Atome, um das Alter der Materialien zu bestimmen, die einst Teil eines lebenden Organismus waren. Das Alter solcher Materialien kann geschätzt werden, indem die Menge an radioaktivem Kohlenstoff gemessen wird, die sie in einem Prozess genannt werden Radiokohlenstoffdatierung. In ähnlicher Weise können das Alter der Gesteine ​​und andere geologische Merkmale (sogar einige von Menschen verursachte Objekte) unter Verwendung anderer radioaktiver Elemente bestimmt werden. das nennt man Radiometrische Datierung. Umweltwissenschaftler verwenden radioaktive Atome, bekannt als als Tracer -Atome, um die Wege zu identifizieren, die von Schadstoffen durch die Umwelt aufgenommen wurden.

Strahlung wird verwendet, um die Zusammensetzung von Materialien in einem Prozess zu bestimmen, der genannt wird Neutronenaktivierungsanalyse. In diesem Prozess bombardieren Wissenschaftler eine Substanzprobe mit Partikeln, die als Neutronen bezeichnet werden. Einige der Atome in der Probe absorbieren Neutronen und werden radioaktiv. Die Wissenschaftler können die Elemente in der Stichprobe identifizieren, indem sie die emittierte Strahlung untersuchen.

Mögliche Schäden an Gesundheit und Umwelt durch bestimmte Strahlungsarten

Ionisierende Strahlung unter bestimmten Bedingungen kann lebende Organismen schädigen und Krebs oder genetische Schäden verursachen.^[4]

Nichtionisierende Strahlung unter bestimmten Bedingungen kann auch lebende Organismen schädigen, wie z. brennt. Im Jahr 2011 die Internationale Agentur für Krebsforschung (Iarc) der Weltgesundheitsorganisation (WHO) veröffentlichte eine Aussage, die elektromagnetische Funkfrequenzfelder (einschließlich Mikrowellen- und Millimeterwellen) zu ihrer Liste der Dinge hinzugefügt hat, die möglicherweise für den Menschen krebserregend sind.^[11]

Die EMF-Portal-Website der RWTH Aachen University präsentiert eine der größten Datenbank über die Auswirkungen von Elektromagnetische Strahlung. Ab dem 12. Juli 2019 haben 28.547 Veröffentlichungen und 6.369 Zusammenfassungen einzelner wissenschaftlicher Studien zu den Auswirkungen elektromagnetischer Felder.^[12]

Siehe auch

Notizen und Referenzen

Externe Links

• Strahlung an In unserer Zeit Bei der BBC
• Website der Gesundheit der Gesundheit Physics Society öffentliche Bildung Website
• Ionisierende Strahlung und Radon von der Weltgesundheitsorganisation
• Q & A: gesundheitliche Auswirkungen der Strahlenexposition, BBC News, 21. Juli 2011.
• John Tyndall (1865), Bei Strahlung: Der "Rede" -Vervortrag im Senat vor der Universität von Cambridge am 16. Mai 1865 am Tusseday, am 16. Mai 1865, Vorlesung rede (1. Aufl.), London: Longman, Lccn 05005356, OCLC 4920745, WikidataQ19086230