Излучение — физическое явление¶
Излучение — это процесс испускания и распространения в пространстве частиц или электромагнитных волн, несущих энергию. Термин применяется в физике, астрономии, биологии и медицине для описания переноса энергии излучаемым телом (источником) в окружающее пространство. Излучение является одним из трёх основных способов теплообмена (наряду с теплопроводностью и конвекцией) и одним из фундаментальных взаимодействий в природе.
¶Основные виды излучения
По физической природе излучение подразделяют на три основных типа:
- Электромагнитное излучение — волны электромагнитного поля (радиоволны, микроволны, инфракрасное, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи), распространяющиеся со скоростью света.
- Корпускулярное (частицами) излучение — потоки элементарных и ядерных частиц: альфа-частицы, бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны, протоны, ионы.
- Акустическое излучение — механические волны в среде (звук, инфразвук, ультразвук).
В квантовой физике электромагнитное и корпускулярное излучения объединяются понятием фотонного излучения: электромагнитное излучение квантами — фотонами.
¶Электромагнитный спектр
Электромагнитное излучение описывается спектром, определяемым длиной волны (или частотой). Диапазон спектра огромен — от километровых радиоволн до гамма-лучей с длиной волны порядка атомных ядер.
| Диапазон | Длина волны | Источники |
|---|---|---|
| Радиоволны | > 1 мм | Антенны, космические объекты |
| Микроволны | 1 мм — 1 мкм | Магнетроны, космическое фоновое излучение |
| Инфракрасное | 1 мкм — 760 нм | Нагретые тела, Солнце |
| Видимый свет | 760 — 380 нм | Солнце, лампы, светодиоды |
| Ультрафиолет | 380 — 10 нм | Солнце, ртутные лампы |
| Рентгеновское | 10 нм — 0,01 нм | Рентгеновские трубки, тормозное излучение |
| Гамма-излучение | < 0,01 нм | Ядра радиоактивных элементов, ядерные реакции |
¶Закон излучения
Ключевым законом теплового излучения является закон Стефана — Больцмана: мощность излучения абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры:
M = σ·T⁴, где σ = 5,67 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана.
Закон Вина устанавливает связь между температурой тела и длиной волны, на которую приходится максимум излучения: при нагреве тела максимум спектра смещается в сторону более коротких волн (отсюда «красное накаление» при умеренных температурах и «белое» — при высоких).
Планковский закон описывает распределение энергии по частотам в спектре абсолютно чёрного тела и привёл к созданию квантовой физики: Макс Планк в 1900 году предположил, что энергия излучается дискретными порциями — квантами.
¶Корпускулярное излучение
Радиоактивное излучение, открытое Анри Беккерелем в 1896 году и изученное Пьером и Марией Кюри, включает три типа:
- Альфа-излучение — потоки ядер гелия (два протона и два нейтрона). Проникающая способность низкая (лист бумаги), ионизирующая способность высокая.
- Бета-излучение — потоки электронов или позитронов. Проникает сквозь бумагу, задерживается алюминием.
- Гамма-излучение — электромагнитные кванты высокой энергии. Проникает через металл, задерживается свинцом и бетоном.
Источники излучения делятся на естественные (радон, космическое излучение, радиоактивные элементы в породах) и искусственные (ядерные реакторы, медицинские установки, промышленные источники).
¶Применение
Излучение находит широкое использование в различных областях:
- Медицина — рентгенодиагностика, компьютерная томография, радиотерапия онкологических заболеваний, стерилизация инструментов.
- Энергетика — ядерная энергетика, солнечные батареи, преобразующие видимое и инфракрасное излучение в электрический ток.
- Связь и вещание — радиосвязь, телевидение, мобильная связь, спутниковая навигация.
- Промышленность — неразрушающий контроль сварных швов, радиография, измерение толщины материалов.
- Наука — спектроскопия, астрономия (наблюдения объектов во всём диапазоне спектра), радиолокация.
- Быт — микроволновые печи, инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления.
¶Воздействие на живые организмы
Ионизирующее излучение при превышении определённых доз вызывает повреждение клеток и молекул ДНК. Дозу измеряют в зивертах (Зв). Хроническое воздействие повышенных доз связано с повышенным риском лучевой болезни и онкологических заболеваний. Одновременно контролируемое применение излучения лежит в основе лучевой терапии.
Неионизирующее излучение (видимый свет, радиоволны, инфракрасное) при обычных уровнях интенсивности не разрушает молекулы, но может вызывать нагрев тканей и другие эффекты.
¶Излучение в астрономии
Астрономические объекты излучают во всём электромагнитном спектре. Наблюдения в разных диапазонах позволяют изучать процессы, недоступные оптическим телескопам: пульсары излучают в радиодиапазоне, чёрные дыры и активные ядра галактик — в рентгеновском, межзвёздный газ — в ультрафиолете. Космическое микроволновое фоновое излучение, открытое в 1965 году, является реликтовым излучением ранней Вселенной.
Источники:
- Франкфурт У. И. Квантовая механика для физиков
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Большая российская энциклопедия