Что такое излучение в физике? Виды излучений, источники, влияние на человека. Виды радиационного излучения Что такое излучение в физике определение
Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.
Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.
Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.
Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).
Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.
Рис. 12. Передача энергии путем излучения
Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.
В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.
Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.
Вопросы
- Как на опыте показать передачу энергии излучением?
- Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
- Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?
Упражнение 5
- Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
- Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
- Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?
Задание
С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.
Это любопытно...
Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).
Рис. 13. Устройство термоса
Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.
Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.
В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается - отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.
Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх - конвекции.
Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.
§ 1. Тепловое излучение
В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.
Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.
Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:
энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.
Вт/м 2 .
испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.
. 
.
Здесь
– это энергия излучения с длинами волн
от λ до
.
Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:
.
.
Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.
Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:
.
Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.
Поглощательная
способность абсолютно черного тела
а а.ч.т. (λ,Т)
равна единице. Это означает, что
универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности
абсолютно черного тела
.
Таким образом, для решения задачи
теплового излучения необходимо было
установить вид функции Кирхгофа или
испускательной способности абсолютно
чёрного тела.
Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана
,
.
В
1896-м году немецкие физики во главе с
Вильгельмом Вином создали суперсовременную
по тем временам экспериментальную
установку для исследования распределения
интенсивности излучения по длинам волн
(частотам) в спектре теплового излучения
абсолютно черного тела. Эксперименты,
выполненные на этой установке: во-первых,
подтвердили результат, полученный
австрийскими физиками Й.Стефаном и
Л.Больцманом; во-вторых, были полученны
графики распределения интенсивности
теплового излучения по длинам волн. Они
были удивительно похожи на полученные
ранее Дж. Максвеллом кривые распределения
молекул газа, находящегося в закрытом
объеме, по величинам скоростей.
Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.
Английские
классические физики лорд Рэлей
(1842-1919) и сэр Джеймс
Джинс
(1877-1946) применили к тепловому излучению
методы
статистической физики
(воспользовались
классическим законом о равнораспределении
энергии по степеням свободы). Рэлей и
Джинс применили метод статистической
физики к волнам подобно тому, как Максвелл
применил его к равновесному ансамблю
хаотически движущихся в замкнутой
полости частиц. Они предположили, что
на каждое электромагнитное колебание
приходится в среднем энергия равная kT
(
на электрическую энергию и
на магнитную энергию),. Исходя из этих
соображений, они получили следующую
формулу для испускательной способности
а.ч.т.:
.
Э
та
формула хорошо описывала ход
экспериментальной зависимости при
больших длинах волн (на низких частотах).
Но для малых длин волн (высокий частот
или в ультрафиолетовой области спектра)
классическая теория Рэлея и Джинса
предсказывала бесконечный рост
интенсивности излучения. Этот эффект
получил название ультрафиолетовой
катастрофы.
Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.
С
ледующую
попытку получения формулы зависимости
испускательной способности а.ч.т. от
длин волн предпринял Вин. С помощью
методов классической
термодинамики и электродинамики
Вину
удалось вывести соотношение, графическое
изображение которого удовлетворительно
совпадало с коротковолновой
(высокочастотной) частью полученных в
эксперименте данных, но абсолютно
расходилось с результатами опытов для
больших длин волн (низких частот).
.
Из этой формулы
было получено соотношение, связывающее
ту длину волны
,
которой соответствует максимум
интенсивности излучения, и абсолютную
температуру тела Т (закон смещения
Вина):
,
.
Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.
Но формулы, описывающей всю кривую, не было.
Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.
.
14 декабря 1900-го года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу. Так родилась квантовая физика.
Квант энергии
излучения, введенный Планком в физику,
оказался пропорциональным частоте
излучения
(и обратно пропорционален длине волны):
.
– универсальная
постоянная, называемая теперь постоянной
Планка. Она равна:
.
Свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Волновые параметры
– длина волны
,
частота света
и волновое число
.
Корпускулярные
характеристики
– энергия
и импульс
.
Волновые параметры света связаны с его корпускулярными характеристиками с помощью постоянной Планка:
.
Здесь
и
– волновое число.
Постоянной Планка принадлежит фундаментальная роль в физике. Эта размерная константа позволяет количественно оценить, насколько при описании каждой конкретной физической системы существенны квантовые эффекты.
Когда по условиям физической задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, достаточно классического (не квантового) описания.
Излучение
в широком смысле испускание быстро двигающихся заряженных частиц или волн и образование их полей. И. - форма выделения и распространения энергии. Существуют различные виды И. К механическим И. относятся шум, инфразвук, ультразвук. Вторую группу составляют электромагнитные и корпускулярные И. Основными характеристиками механических и электромагнитных И. являются частота и длина волн, действие любых И. зависит от их энергии. И. делятся также на ионизирующие и неионизирующие. Существует ряд форм И., в частности: видимое - оптическое И. с длиной волн от 740 нм (красный свет) до 400 нм (фиолетовый свет), обусловливающее зрительные ощущения человека; ультрафиолетовое - не видимое глазом электромагнитное И. в пределах длин волн от 400 до 10 нм; инфракрасное - оптическое И. с длиной волн от 770 нм (т. е. больше видимого), испускаемое нагретыми телами; звуковое - возбуждение звуковых волн в упругой (твердой жидкой и газовой) среде, включающее слышимый звук (от 16 до 20 кГц), инфразвук (менее 16 кГц), ультразвук (от 21 кГц до 1 ГГц) и гиперэвук (более 1 ГГц); ионизирующее - электромагнитная (рентгеновские и гамма- лучи) и корпускулярная (альфа- и бета-частицы, поток протонов и нейтронов) радиация, в той или иной степени проникающ в живые ткани и производящая в них изменения, связанные или с "выбиванием") электронов из атомов и молекул, или с прямым и опосредованным возникновением ионов; электромагнитное - процесс испускания электромагнитных волн и переменное поле этих волн.
EdwART. Словарь терминов МЧС , 2010
Синонимы :Антонимы :
Смотреть что такое "Излучение" в других словарях:
Электромагнитное, в классич. электродинамике образование эл. магн. волн ускоренно движущимися заряж. ч цами (или перем. токами); в квант. теории рождение фотонов при изменении состояния квант. системы; термин «И.» употребляется также для… … Физическая энциклопедия
Процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. В подавляющем большинстве случаев под излучением понимают электромагнитное излучение, которое в свою очередь можно разделить по источникам излучения на тепловое излучение,… … Википедия
Изливание, излитие, источение, свет, испускание, эманация, радиация, лучеиспускание, сноп, фонирование Словарь русских синонимов. излучение эманация (книжн.) Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е.… … Словарь синонимов
ИЗЛУЧЕНИЕ, излучения, ср. (книжн.). Действие по гл. излучить излучать и излучиться излучаться. Излучение солнцем теплоты. Тепловое излучение. Нетепловое излучение. Радиоактивное излучение. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
Современная энциклопедия
Электромагнитное процесс образования свободного электромагнитного поля; излучением называют также само свободное электромагнитное поле. Излучают ускоренно движущиеся заряженные частицы (напр., тормозное излучение, синхротронное излучение,… … Большой Энциклопедический словарь
Излучение - электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля, а также само свободное электромагнитное поле, существующее в форме электромагнитных волн. Излучения испускают ускоренно движущиеся заряженные частицы, а также атомы,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ИЗЛУЧЕНИЕ, перенос энергии ЭЛЕМЕНТАРНЫМИ ЧАСТИЦАМИ ИЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ. Любое ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ проходит через ВАКУУМ, что отличает его от таких явлений как ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, КОНВЕКЦИЯ и передача звука. В вакууме… … Научно-технический энциклопедический словарь
излучение - работающей радиоэлектронной аппаратуры. Тематики защита информации EN emanation … Справочник технического переводчика
ИЗЛУЧАТЬ, аю, аешь; несов., что. Испускать лучи, выделять лучистую энергию. И. свет И. тепло. Глаза излучают нежность (перен.). Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Лучеиспускание, радиация (Radiation, emanation) отдача телом в пространство заключенной в нем энергии в виде электромагнитных волн. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
Книги
- Излучение в астрофизической плазме , Железняков В.В.. В монографии последовательно, с единой точки зрения изложены общие принципы генерации и переноса излучения в астрофизической плазме. Она отвечает потребностям как радио -, так и рентгеновской…
Человек постоянно находится под воздействием разнообразных внешних факторов. Одни из них являются видимыми, например, погодные условия, и степень их воздействия можно контролировать. Другие же не видны человеческому глазу и носят название излучений. Каждый должен знать виды излучения, их роль и области применения.
Некоторые виды излучения человек может встретить повсеместно. Ярким примером являются радиоволны. Они представляют собой колебания электромагнитной природы, которые способны распределяться в пространстве со скоростью света. Такие волны несут в себе энергию от генераторов.
Источники радиоволн можно разделить на две группы.
- Природные, к ним относятся молнии и астрономические единицы.
- Искусственные, то есть созданные человеком. Они включают в себя излучатели с переменным током. Это могут быть приборы радиосвязи, вещания, компьютеры и системы навигации.
Кожа человека способна осаждать на своей поверхности этот вид волн, поэтому есть ряд негативных последствий их воздействия на человека. Радиоволновое излучение способно замедлить деятельность мозговых структур, а также вызвать мутации на генном уровне.
Для лиц, у которых установлен кардиостимулятор, такое воздействие смертельно опасно. У этих приборов имеется четкий максимально допустимый уровень излучения, подъем выше него вносит дисбаланс в работу системы стимулятора и ведет к его поломке.
Все влияния радиоволн на организм были изучены только на животных, прямого доказательства их негативного действия на человека нет, но способы защиты ученые все же ищут. Как таковых эффективных способов пока нет. Единственное, что можно посоветовать, так это держаться подальше от опасных приборов. Поскольку бытовые приборы, включенные в сеть, тоже создают вокруг себя радиоволновое поле, то просто необходимо отключать питание устройств, которыми человек не пользуется в данный момент.
Излучение инфракрасного спектра
Все виды излучения тем или иным образом связаны между собой. Некоторые из них видны человеческому глазу. Инфракрасное излучение примыкает к той части спектра, которую глаз человека может уловить. Оно не только освещает поверхность, но и способно ее нагревать.
Основным естественным источником ИК-лучей является солнце. Человеком созданы искусственные излучатели, посредство которых достигается необходимый тепловой эффект.
Теперь нужно разобраться, насколько полезным или вредным является такой вид излучения для человека. Практически все длинноволновое излучение инфракрасного спектра поглощается верхними слоями кожи, поэтому не только безопасно, но и способно повысить иммунитет и усилить восстановительные процессы в тканях.
Что касается коротких волн, то они могут уходить глубоко в ткани и вызывать перегрев органов. Так называемый тепловой удар является следствием воздействия коротких инфракрасных волн. Симптомы этой патологии известны почти всем:
- появление кружения в голове;
- чувство тошноты;
- возрастание пульса;
- нарушения зрения, характеризующиеся потемнением в глазах.
Как же уберечь себя от опасного влияния? Нужно соблюдать технику безопасности, пользуясь теплозащитной одеждой и экранами. Применение коротковолновых обогревателей должно быть четко дозировано, нагревательный элемент должен быть прикрыт теплоизолирующим материалом, при помощи которого достигается излучение мягких длинных волн.
Если задуматься, все виды излучения способны проникать в ткани. Но именно рентгеновское излучение дало возможность использовать это свойство на практике в медицине.
Если сравнить лучи рентгеновского происхождения с лучами света, то первые имеют очень большую длину, что позволяет им проникать даже через непрозрачные материалы. Такие лучи не способны отражаться и преломляться. Данный вид спектра имеет мягкую и жесткую составляющую. Мягкая состоит из длинных волн, способных полностью поглощаться тканями человека. Таким образом, постоянное воздействие длинных волн приводит к повреждению клеток и мутации ДНК.
В настоящее время созданы приборы, позволяющие не только делать фиксированный снимок, например, конечности, но и наблюдать за происходящими с ней изменениями «онлайн». Эти устройства помогаю врачу выполнить оперативное вмешательство на костях под контролем зрения, не производя широких травматичных разрезов. При помощи таких приборов можно исследовать биомеханику суставов.
Что касается негативного воздействия рентгеновских лучей, то длительный контакт с ними может привести к развитию лучевой болезни, которая проявляется рядом признаков:
- нарушения неврологического характера;
- дерматиты;
- снижение иммунитета;
- угнетение нормального кроветворения;
- развитие онкологической патологии;
- бесплодие.
Чтобы защитить себя от страшных последствий, при контакте с этим видом излучения нужно использовать экранирующие щиты и накладки из материалов, не пропускающих лучи.
Данный вид лучей люди привыкли называть попросту – свет. Этот вид излучения способен поглощаться объектом воздействия, частично проходя через него и частично отражаясь. Такие свойства широко применяются в науке и технике, особенно при изготовлении оптических приборов.
Все источники оптического излучения делятся на несколько групп.
- Тепловые, имеющие сплошной спектр. Тепло в них выделяется за счет тока или процесса горения. Это могут быть электрические и галогенные лампы накаливания, а также пиротехнические изделия и электродосветные приборы.
- Люминесцентные, содержащие газы, возбуждаемые потоками фотонов. Такими источниками являются энергосберегающие приборы и катодолюминесцентные устройства. Что касается радио- и хемилюминесцентных источников, то в них потоки возбуждаются за счет продуктов радиоактивного распада и химических реакций соответственно.
- Плазменные, чьи характеристики зависят от температуры и давления плазмы, образующейся в них. Это могут быть газоразрядные, ртутные трубчатые и ксеноновые лампы. Не исключением являются и спектральные источники, а также приборы импульсного характера.
Оптическое излучение на организм человека действует в комплексе с ультрафиолетовым, что провоцирует выработку меланина в коже. Таким образом, положительный эффект длится до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение воздействия, за пределами которого находится риск ожогов и кожной онкопатологии.
Самым известным и широко применяемым излучением, воздействие которого можно встретить повсеместно, является ультрафиолетовое излучение. Данное излучение имеет два спектра, один из которых доходит до земли и участвует во всех процессах на земле. Второй задерживается слоем озона и не проходит через него. Слой озона обезвреживает этот спектр, тем самым выполняя защитную роль. Разрушение озонового слоя опасно проникновением вредных лучей на поверхность земли.
Естественный источник этого вида излучения – Солнце. Искусственных источников придумано огромное количество:
- Эритемные лампы, активизирующие выработку витамина Д в слоях кожи и помогающие лечению рахита.
- Солярии, не только позволяющие позагорать, но и имеющие лечебный эффект для людей с патологиями, вызванными недостатком солнечного света.
- Лазерные излучатели, используемые в биотехнологиях, медицине и электронике.
Что касается воздействия на организм человека, то оно двоякое. С одной стороны, недостаток ультрафиолета может вызвать различные болезни. Дозированная нагрузка таким излучением помогает иммунитету, работе мышц и легких, а также предотвращает гипоксию.
Все виды влияний делятся на четыре группы:
- способность убивать бактерий;
- снятие воспаления;
- восстановление поврежденных тканей;
- уменьшение боли.
К отрицательным воздействиям ультрафиолета можно отнести способность провоцировать рак кожи при длительном воздействии. Меланома кожи крайне злокачественный вид опухоли. Такой диагноз почти на 100 процентов означает грядущую смерть.
Что касается органа зрения, то чрезмерное воздействие лучей ультрафиолетового спектра повреждает сетчатку, роговицу и оболочки глаза. Таким образом, использовать этот вид излучения нужно в меру. Если при определенных обстоятельствах приходится длительно контактировать с источником ультрафиолетовых лучей, то необходимо защитить глаза очками, а кожу специальными кремами или одеждой.
Это так называемые космические лучи, несущие в себе ядра атомов радиоактивных веществ и элементов. Поток гамма-излучения имеет очень большую энергию и способен быстро проникать в клетки организма, ионизируя их содержимое. Разрушенные клеточные элементы действуют как яды, разлагаясь и отравляя весь организм. В процесс обязательно вовлекается ядро клеток, что ведет к мутациям в геноме. Здоровые клетки разрушаются, а на их месте образуются мутантные, не способные в полной мере обеспечить организм всем необходимым.
Данное излучение опасно тем, что человек его никак не ощущает. Последствия воздействия проявляются не сразу, а имеют отдаленное действие. В первую очередь страдают клетки кроветворной системы, волос, половых органов и лимфоидной системы.
Радиация очень опасна развитием лучевой болезни, но даже такому спектру нашли полезное применение:
- с его помощью стерилизуют продукты, оборудование и инструменты медицинского предназначения;
- измерение глубины подземных скважин;
- измерение длины пути космических аппаратов;
- воздействие на растения с целью выявления продуктивных сортов;
- в медицине такое излучение применяется для проведения лучевой терапии в лечении онкологии.
В заключение нужно сказать, что все виды лучей с успехом применяются человеком и являются необходимыми. Благодаря им существуют растения, животные и люди. Защита от чрезмерного воздействия должна быть приоритетным правилом при работе.
Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.
Божество и атом
Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.
Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.
Пасха и свет
Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.
Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.
Овал и луч
Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.
Атом и изюм
В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.
Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.
Бор и орбита
Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.
Водород и фотография
Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.
В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.
Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.
Линза, решетка, спектр
Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.
- Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
- Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
- Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.
А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:
- радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
- тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
- видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
- ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
- рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.
Абсолютно черное тело
Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.
Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.