Primer lesson: promieniowanie

Promieniowanie to energia, która przemieszcza się w postaci fal lub cząstek i jest częścią naszego codziennego środowiska. Ludzie są narażeni na promieniowanie kosmiczne, a także na materiały radioaktywne znajdujące się w glebie, wodzie, żywności, powietrzu, a także wewnątrz ciała. Źródła promieniowania wytworzone przez człowieka są szeroko stosowane w medycynie, przemyśle i badaniach.

Cele kształcenia:

Co to jest promieniowanie?
Energia i promieniowanie
Rodzaje promieniowania
Przykłady promieniowania w życiu codziennym
Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Różnica między promieniowaniem a promieniotwórczością

Co to jest promieniowanie?

Promieniowanie to energia, która pochodzi ze źródła i przemieszcza się w przestrzeni w postaci fal, promieni lub cząstek. Z tą energią związane jest pole elektryczne i pole magnetyczne oraz ma ona właściwości falowe. Można również nazwać promieniowanie „falami elektromagnetycznymi”.

Ta metoda przekazywania energii nie polega na jakimkolwiek kontakcie między źródłem energii a obiektem, jak ma to miejsce w przypadku przewodzenia i konwekcji. Ponadto, gdy transfer energii odbywa się przez promieniowanie, nie ma ośrodka przewodzącego (tak jak w kosmosie). Ten brak medium oznacza, że nie ma materii, przez którą mogłoby przechodzić ciepło. W procesie promieniowania nie zachodzi wymiana masy i nie jest wymagane żadne medium.

Energia i promieniowanie

Promieniowanie to energia w ruchu.

Promieniowanie elektromagnetyczne (EMR) odnosi się do energii, która przemieszcza się w postaci fal. Innym sposobem myślenia o EMR jest postrzeganie go jako nieważnej wiązki energii zwanej fotonem. Foton to „pakiet” energii, który przenosi energię w przestrzeni.
Drugim rodzajem promieniowania jest promieniowanie cząstek stałych, w których energię przenoszą małe cząstki (elektrony, cząstki alfa). Promieniowanie cząstek stałych może pochodzić z materiałów radioaktywnych i akceleratorów liniowych.

Rodzaje promieniowania

Istnieją dwa główne rodzaje promieniowania: promieniowanie niejonizujące i promieniowanie jonizujące

Promieniowanie niejonizujące
Promieniowanie niejonizujące to promieniowanie w tej części widma elektromagnetycznego, w której nie ma wystarczającej energii do wywołania jonizacji. Obejmuje pola elektryczne i magnetyczne, fale radiowe, mikrofale i promieniowanie optyczne, które składa się z promieniowania podczerwonego, widzialnego i ultrafioletowego.
Promieniowanie niejonizujące ma dłuższą długość fali/niższą częstotliwość i niższą energię.
Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące to rodzaj energii uwalnianej przez atomy, która przemieszcza się w postaci fal elektromagnetycznych (promienie gamma lub rentgenowskie) lub cząstek (neutrony, beta lub alfa). Promieniowanie jonizujące może usuwać elektrony z atomów, tj. może jonizować atomy.

Promieniowanie jonizujące to energia o krótkiej długości fali/wysokiej częstotliwości.

Jeśli chodzi o naturalne źródła promieniowania, w środowisku występuje ponad 60 różnych naturalnie występujących materiałów radioaktywnych, przy czym gaz radon ma największy udział w narażeniu ludzi.

Istnieją trzy rodzaje promieniowania jonizującego:

Promieniowanie alfa (α).	Są one naładowane dodatnio i składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów z jądra atomu. Chociaż cząstki alfa są bardzo energetyczne, są tak ciężkie, że zużywają swoją energię na krótkich dystansach i nie są w stanie podróżować bardzo daleko od atomu. Mogą zostać zatrzymane przez skórę. Cząsteczki dostające się do organizmu przez pokarm lub płuca mogą być niebezpieczne.
Promieniowanie beta (β).	to małe, szybko poruszające się cząstki o ujemnym ładunku elektrycznym, które są emitowane z jądra atomu podczas rozpadu radioaktywnego. Cząstki beta są bardziej penetrujące niż cząstki alfa, ale są mniej szkodliwe dla żywych tkanek i DNA, ponieważ wytwarzane przez nie jonizacje są bardziej rozłożone. Przemieszczają się dalej w powietrzu niż cząstki alfa, ale mogą zostać zatrzymane przez warstwę odzieży lub cienką warstwę substancji, takiej jak aluminium.
Promieniowanie gamma (γ).	Są to nieważkie pakiety energii zwane fotonami. W przeciwieństwie do cząstek alfa i beta, które mają zarówno energię, jak i masę, promienie gamma są czystą energią. Promienie gamma są podobne do światła widzialnego, ale mają znacznie wyższą energię. Stanowią zagrożenie radiacyjne dla organizmu człowieka. Promienie gamma mogą całkowicie przejść przez ludzkie ciało; gdy przechodzą, mogą powodować jonizacje, które uszkadzają tkankę i DNA.

Promieniowanie jonizujące ma wystarczającą energię do wytworzenia jonów w materii na poziomie molekularnym. Jeśli ta materia jest człowiekiem, mogą wystąpić znaczne szkody, w tym uszkodzenie DNA i denaturacja białek. Nie oznacza to, że promieniowanie niejonizujące nie może powodować obrażeń u ludzi, ale obrażenia są ogólnie ograniczone do uszkodzeń termicznych, tj. oparzeń.

Poniższa ilustracja pokazuje, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje na ciało:

Przykłady promieniowania w życiu codziennym

Czy wiesz, że w życiu codziennym jesteśmy stale narażeni na promieniowanie pochodzące z różnych źródeł?

Słońce - Jednym z najważniejszych źródeł energii jest Słońce. Promieniowanie kosmiczne emitowane przez Słońce jest mieszaniną fal elektromagnetycznych; które wahają się od podczerwieni (IR) do promieni ultrafioletowych (UV). Ponadto emituje światło widzialne. Większość promieniowania emitowanego przez Słońce jest pochłaniana przez atmosferę. Jednak część, która nie została wchłonięta przez atmosferę, dociera do ziemi. Ludzie są narażeni na tę część promieniowania prawie cały czas.
Palnik - Podczas gotowania wody lub jedzenia ponownie jesteś narażony na promieniowanie. Widoczną oznaką promieniowania jest podgrzanie substancji tak bardzo, jak to możliwe, na przykład długie ogrzewanie pieca spowoduje, że zacznie świecić na czerwono. Jest to widoczna oznaka promieniowania. Jednak nawet jeśli wyraźnie się nie jarzy, wówczas też promieniuje ciepłem.
Telewizja - Telewizja stała się jedną z najpopularniejszych form rozrywki w ciągu ostatnich kilku lat. Telewizja też emituje promieniowanie. Stare telewizory emitują fale rentgenowskie, które mogą być łatwo absorbowane przez organizm ludzki, a także są szkodliwe. Jednak nowoczesne telewizory wykorzystują wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD) lub plazmowe, które nie tylko są mniej szkodliwe niż starsze telewizory, ale także nie są w stanie wytwarzać promieni rentgenowskich.
Ognisko i świeca — za każdym razem, gdy wybierałeś się na biwak, być może miałeś okazję rozpalić ognisko i wygrzewać się razem z przyjaciółmi. Siedząc wokół ogniska, jesteś narażony na promieniowanie. To samo dzieje się, gdy zapalasz świecę. Narażenie na ogień prowadzi również do narażenia na promieniowanie
Obrazowanie medyczne - Nie ma wątpliwości, że podczas obrazowania medycznego dana osoba jest narażona na promieniowanie o wysokim poziomie. Podczas prześwietlenia rentgenowskiego, tomografii komputerowej i obrazowania jądrowego narządy wewnętrzne i struktury ciała są ujawniane przez penetrację fal o wysokiej energii lub cząstek.
Stereo - Fale radiowe są najczęściej używane w komunikacji. Telewizja, telefony komórkowe i radia wykorzystują fale radiowe i z kolei przekształcają je w wibracje, dzięki czemu można tworzyć fale dźwiękowe. Sztuczne źródła fal radiowych obejmują generatory elektryczne, linie energetyczne, urządzenia i nadajniki radiowe.
Piekarnik — do podgrzewania żywności w kuchence mikrofalowej stosuje się wysokie poziomy promieniowania. Jedzenie w kuchence mikrofalowej jest podgrzewane, gdy mikrofale są pochłaniane przez wodę zawartą w żywności. Absorpcja mikrofal powoduje, że cząsteczki wody wibrują, a tym samym wytwarzają ciepło.
Telefony komórkowe — To może nie być dla Ciebie zaskoczeniem, że telefony komórkowe emitują promieniowanie niejonizujące ze swoich anten. Ekspozycja na promieniowanie o częstotliwości radiowej powoduje nagrzewanie się obszaru ciała, w którym trzymany jest telefon komórkowy, np. w pobliżu ucha. Jednak ilość wypromieniowanego ciepła nie jest wystarczająca do podniesienia temperatury ciała.
Router Wi-Fi — wraz z postępem technologicznym routery Wi-Fi znalazły swoje miejsce w każdym gospodarstwie domowym. Nie można zaprzeczyć, że Wi-Fi stało się ważną częścią naszego codziennego życia. Jednak możesz być zaskoczony, wiedząc, że routery Wi-Fi emitują również promieniowanie elektromagnetyczne. Narażenie na takie promieniowanie elektromagnetyczne może mieć również konsekwencje dla zdrowia ludzkiego.
Wiązka laserowa - Emisja promieniowania stymulowana wzmocnieniem światła (LASER) również wytwarza promieniowanie. Ekspozycja na laser często była przyczyną czasowej ślepoty, dezorientacji i bólów głowy. Jednak lasery znalazły szerokie zastosowanie w druku, optyce, sekwencjonowaniu DNA, medycynie i chirurgii oraz cięciu laserowym.

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Ciało doskonale czarne definiuje się jako doskonały emiter i pochłaniacz promieniowania. Przy określonej temperaturze i długości fali żadna powierzchnia nie może emitować więcej energii niż ciało doskonale czarne. Ciało doskonale czarne jest emiterem rozproszonym, co oznacza, że emituje promieniowanie równomiernie we wszystkich kierunkach. Ponadto ciało doskonale czarne pochłania całe padające promieniowanie, niezależnie od długości fali i kierunku.

Różnica między promieniowaniem a radioaktywnością

Promieniowanie to uwalnianie energii, niezależnie od tego, czy przybiera formę fal, czy cząstek. Radioaktywność odnosi się do rozpadu lub rozszczepienia jądra atomowego. Materiał promieniotwórczy emituje promieniowanie podczas rozpadu. Przykłady rozpadu obejmują rozpad alfa, rozpad beta, rozpad gamma, uwolnienie neutronów i spontaniczne rozszczepienie. Wszystkie izotopy promieniotwórcze emitują promieniowanie, ale nie każde promieniowanie pochodzi z promieniotwórczości.