Випромінювання – це фізичний процес, результатом якого є передача енергії за допомогою електромагнітних хвиль. Зворотний випромінювання процес називається поглинанням. Розглянемо це питання докладніше, а також наведемо приклади випромінювання у побуті та природі.
Фізика виникнення випромінювання
Будь-яке тіло складається з атомів, які у свою чергу утворені ядрами, зарядженими позитивно, і електронами, які утворюють електронні оболонки навколо ядер і заряджені негативно. Атоми влаштовані таким чином, що вони можуть перебувати в різних енергетичних станах, тобто мати як більшу, так і меншу енергію. Коли атом має найменшу енергію, то говорять про його основний стан, будь-який інший енергетичний стан атома називається збудженим.
Існування різних енергетичних станів атома пов'язані з тим, що його електрони можуть розташовуватися тих чи інших енергетичних рівнях. Коли електрон переходить з вищого рівня на нижчий, то атом втрачає енергію, яку він випромінює в навколишній простір у вигляді фотона - частки-носія електромагнітних хвиль. Навпаки, перехід електрона з нижчого на вищий рівень супроводжується поглинанням фотона.
Перевести електрон атома на вищий енергетичний рівень можна кількома способами, які передбачають передачу енергії. Це може бути як вплив на атом зовнішнього електромагнітного випромінювання, що розглядається, так і передача йому енергії механічним або електричним способами. Крім того, атоми можуть отримувати, а потім виділяти енергію внаслідок хімічних реакцій.
Електромагнітний спектр
Перш ніж переходити до прикладів випромінювання у фізиці, слід зазначити, кожен атом випускає певні порції енергії. Це тому, що стану, у яких може бути електрон в атомі, не довільними, а суворо певними. Відповідно перехід між цими станами супроводжується випромінюванням певної кількості енергії.
З атомної фізики відомо, що фотони, що породжуються в результаті електронних переходів в атомі, мають енергію, яка прямо пропорційна їх частоті коливань і обернено пропорційна довжині хвилі (фотон - це електромагнітна хвиля, яка характеризується швидкістю поширення, довжиною і частотою). Оскільки атом речовини може випромінювати лише певний набір енергій, отже, довжини хвиль випущених фотонів теж є конкретними. Набір цих довжин називається електромагнітним спектром.
Якщо довжина хвилі фотона лежить між 390 нм і 750 нм, то говорять про видиме світло, оскільки його здатна сприймати людина на власні очі, якщо довжина хвилі менше 390 нм, то такі електромагнітні хвилі мають велику енергію і називаються ультрафіолетовим, рентгенівським або гамма-випромінюванням. Для довжин більше 750 нм характерна невелика енергія фотонів, вони звуться інфрачервоного, мікро- або радіовипромінювання.
Теплове випромінювання тіл
Будь-яке тіло, яке має деяку відмінну від абсолютного нуля температуру, випромінює енергію, у цьому випадку говорять про теплове або температурне випромінювання. При цьому температура визначає як електромагнітний спектр теплового випромінювання, так і кількість енергії, що випускається тілом. Чим більша температура, тим більшу енергію випромінює тіло в навколишній простір, і тим сильніше його електромагнітний спектр зміщується високочастотну область. Процеси теплового випромінювання описуються законами Стефана-Больцмана, Планка та Вина.
Приклади випромінювання у побуті
Як вище було сказано, енергію у вигляді електромагнітних хвиль випромінює абсолютно будь-яке тіло, проте бачити неозброєним оком цей процес можна не завжди, оскільки температури навколишніх тіл, як правило, занадто маленькі, тому їх спектр лежить у низькочастотній невидимій для людини області.
Яскравим прикладом випромінювання у видимому діапазоні є електрична лампа розжарювання. Проходячи по спіралі, електричний струм розігріває вольфрамову нитку до 3000 К. Така висока температура призводить до того, що нитка починає випускати електромагнітні хвилі, максимум яких посідає довгохвильову частину видимого спектру.
Ще один приклад випромінювання в побуті – мікрохвильова піч, яка випромінює мікрохвилі, невидимі для людського ока. Ці хвилі поглинаються об'єктами, що містять воду, тим самим збільшуючи їхню кінетичну енергію і, як наслідок, температуру.
Нарешті прикладом випромінювання в побуті в інфрачервоному діапазоні є радіатор батареї опалення. Його випромінювання ми бачимо, але відчуваємо це тепло.
Природні випромінюючі об'єкти
Мабуть, найяскравішим прикладом випромінювання у природі є наша зірка – Сонце. Температура на поверхні Сонця тому його максимум випромінювання припадає на довжину хвилі 475 нм, тобто лежить всередині видимого спектру.
Сонце розігріває планети, що знаходяться навколо нього, і їхні супутники, які теж починають світитися. Тут слід відрізняти відбите світло та теплове випромінювання. Так нашу Землю можна бачити з космосу у вигляді блакитної кулі саме завдяки відбитому сонячному світлу. Якщо ж говорити про теплове випромінювання планети, воно також має місце, але лежить в області мікрохвильового спектру (близько 10 мкм).
Крім відбитого світла, цікаво навести ще один приклад випромінювання в природі, який пов'язаний із цвіркунами. Видимий світ, що ними випромінюється, ніяк не пов'язаний з тепловим випромінюванням і є результатом хімічної реакції між киснем повітря і люциферином (речовина, що міститься в клітинах комах). Це явище зветься біолюмінесценції.
Іонізуюче випромінювання (далі - ІІ) - це випромінювання, взаємодія якого з речовиною призводить до іонізації атомів та молекул, тобто. ця взаємодія призводить до збудження атома та відриву окремих електронів (негативно заряджених частинок) з атомних оболонок. В результаті, позбавлений одного або декількох електронів, атом перетворюється на позитивно заряджений іон - відбувається первинна іонізація. До ІІ відносять електромагнітне випромінювання (гама-випромінювання) та потоки заряджених та нейтральних частинок - корпускулярне випромінювання (альфа-випромінювання, бета-випромінювання, а також нейтронне випромінювання).
Альфа-випромінюваннявідноситься до корпускулярних випромінювань. Це потік важких позитивно заряджених а-часток (ядер атомів гелію), що виникає внаслідок розпаду атомів важких елементів, таких як уран, радій та торій. Оскільки частки важкі, то пробіг альфа-частинок у речовині (тобто шлях, на якому вони виробляють іонізацію) виявляється дуже коротким: соті частки міліметра в біологічних середовищах, 2,5-8 см у повітрі. Таким чином, затримати ці частинки здатний звичайний аркуш паперу або зовнішній шар шкіри, що омертвів.
Однак речовини, що випускають альфа-частинки, є довгоживучими. Внаслідок попадання таких речовин усередину організму з їжею, повітрям або через поранення вони розносяться по тілу струмом крові, депонуються в органах, що відповідають за обмін речовин і захист організму (наприклад, селезінка або лімфатичні вузли), викликаючи, таким чином, внутрішнє опромінення організму . Небезпека внутрішнього опромінення організму висока, т.к. ці альфа-частинки створюють дуже велику кількість іонів (до кількох тисяч пар іонів на 1 мікрон шляху в тканинах). Іонізація, у свою чергу, зумовлює ряд особливостей тих хімічних реакцій, які протікають у речовині, зокрема, у живій тканині (утворення сильних окислювачів, вільного водню та кисню та ін.).
Бета-випромінювання(бета-промені, або потік бета-часток) також відноситься до корпускулярного типу випромінювання. Це потік електронів (β-випромінювання, або, найчастіше, просто β-випромінювання) або позитронів (β+-випромінювання), що випускаються при радіоактивному бета-розпаді ядер деяких атомів. Електрони або позитрони утворюються в ядрі при перетворенні нейтрону на протон або протону на нейтрон відповідно.
Електрони значно менші за альфа-частки і можуть проникати вглиб речовини (тіла) на 10-15 сантиметрів (пор. з сотими частками міліметра у а-часток). При проходженні через речовину бета-випромінювання взаємодіє з електронами і ядрами його атомів, витрачаючи це свою енергію і уповільнюючи рух до повної зупинки. Завдяки таким властивостям для захисту від бета-випромінювання достатньо мати відповідну товщину екран з органічного скла. На цих же властивостях засноване застосування бета-випромінювання в медицині для поверхневої, внутрішньотканинної та внутрішньопорожнинної променевої терапії.
Нейтронне випромінювання- Ще один вид корпускулярного типу випромінювань. Нейтронне випромінювання є потік нейтронів (елементарних частинок, що не мають електричного заряду). Нейтрони не надають іонізуючої дії, проте дуже значний іонізуючий ефект відбувається за рахунок пружного та непружного розсіювання на ядрах речовини.
Речовини, що опромінюються нейтронами, можуть набувати радіоактивних властивостей, тобто отримувати так звану наведену радіоактивність. Нейтронне випромінювання утворюється під час роботи прискорювачів елементарних частинок, в ядерних реакторах, промислових і лабораторних установках, при ядерних вибухах тощо. буд. Нейтронне випромінювання має найбільшу проникаючу здатність. Найкращими для захисту від нейтронного випромінювання є водородсодержащие матеріали.
Гамма випромінювання та рентгенівське випромінюваннявідносяться до електромагнітних випромінювань.
Принципова різниця між цими двома видами випромінювання полягає в механізмі їх виникнення. Рентгенівське випромінювання - позаядерне походження, гамма випромінювання - продукт розпаду ядер.
Рентгенівське випромінювання відкрито в 1895 році фізиком Рентгеном. Це невидиме випромінювання, здатне проникати, хоч і по-різному, у всі речовини. Є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку від - від 10 -12 до 10 -7 . Джерело рентгенівських променів - рентгенівська трубка, деякі радіонукліди (наприклад, бета-випромінювачі), прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання).
У рентгенівській трубці є два електроди - катод та анод (негативний та позитивний електроди відповідно). При нагріванні катода відбувається електронна емісія (явище випромінювання електронів поверхнею твердого тіла чи рідини). Електрони, що вилітають з катода, прискорюються електричним полем і ударяються поверхню анода, де відбувається їх різке гальмування, внаслідок чого виникає рентгенівське випромінювання. Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Це одна з властивостей, основне для медицини - те, що воно є проникаючим випромінюванням і відповідно пацієнта можна просвічувати з його допомогою, а т.к. різні за щільністю тканини по-різному поглинають рентгенівське випромінювання - ми можемо діагностувати на ранній стадії багато видів захворювань внутрішніх органів.
Гамма випромінювання має внутрішньоядерне походження. Воно виникає при розпаді радіоактивних ядер, переході ядер із збудженого стану в основний, при взаємодії швидких заряджених частинок з речовиною, анігіляції електронно-позитронних пар тощо.
Висока проникаюча здатність гамма-випромінювання пояснюється малою довжиною хвилі. Для ослаблення потоку гамма-випромінювання використовуються речовини, що відрізняються значним масовим числом (свинець, вольфрам, уран та ін.) та всілякі склади високої густини (різні бетони з наповнювачами з металу).
Раніше люди, щоб пояснити те, що вони не розуміють, вигадували різні фантастичні речі – міфи, богів, релігію, чарівні істоти. І хоча в ці забобони все ще вірить велика кількість людей, зараз нам відомо, що все має своє пояснення. Однією з найцікавіших, таємничих та дивовижних тем є випромінювання. Що воно є? Які її види існують? Що таке випромінювання у фізиці? Як воно поглинається? Чи можна захиститись від випромінювання?
Загальна інформація
Отже, виділяють такі види випромінювань: хвильовий рух середовища, корпускулярне та електромагнітне. Найбільша увага буде приділена останньому. Щодо хвильового руху середовища можна сказати, що воно виникає як результат механічного руху певного об'єкта, що викликає послідовне розрідження або стиснення середовища. Як приклад можна навести інфразвук чи ультразвук. Корпускулярне випромінювання - це потік атомних частинок, таких як електрони, позитрони, протони, нейтрони, альфа, що супроводжується природним та штучним розпадом ядер. Про цих двох поки що й поговоримо.
Вплив
Розглянемо сонячне проміння. Це потужний оздоровчий та профілактичний фактор. Сукупність супутніх фізіологічних та біохімічних реакцій, що протікають за участю світла, назвали фотобіологічними процесами. Вони беруть участь у синтезі біологічно важливих сполук, служать для отримання інформації та орієнтації в просторі (зір), а також можуть викликати шкідливі наслідки, як-от поява шкідливих мутацій, руйнування вітамінів, ферментів, білків.
Про електромагнітне випромінювання
Надалі стаття буде присвячена виключно йому. Що таке випромінювання у фізиці робить, як впливає на нас? ЕМІ є електромагнітні хвилі, що випускаються зарядженими молекулами, атомами, частинками. Як великі джерела можуть виступати антени або інші випромінюючі системи. Довжина хвилі випромінювання (частота коливання) разом із джерел надає вирішальне значення. Так, залежно від цих параметрів, виділяють гамма, рентгенівське, оптичне випромінювання. Останнє ділиться на низку інших підвидів. Так, це інфрачервоне, ультрафіолетове, радіовипромінювання, а також світло. Діапазон знаходиться в межах до 10-13. Гамма-випромінювання генерують збуджені атомні ядра. Рентгенівські промені можна одержати при гальмуванні прискорених електронів, і навіть за її переході не вільні рівні. Радіохвилі залишають свій слід під час руху провідниками випромінюючих систем (наприклад, антен) змінних електричних струмів.
Про ультрафіолетове випромінювання
У біологічному відношенні найактивнішими є УФ-промені. При попаданні на шкіру вони можуть викликати місцеві зміни тканинних та клітинних білків. Крім цього фіксується вплив на рецептори шкіри. Воно рефлекторним шляхом впливає цілий організм. Оскільки це неспецифічний стимулятор фізіологічних функцій, він сприятливо впливає на імунну систему організму, і навіть на мінеральний, білковий, вуглеводний і жировий обмін. Все це проявляється у вигляді загальнооздоровчої, тонізуючої та профілактичної дії сонячного випромінювання. Слід згадати і про окремі специфічні властивості, що є у певного діапазону хвиль. Так, вплив випромінювань на людину при довжині від 320 до 400 нанометрів сприяє еритемно-загарної дії. При діапазоні від 275 до 320 нм фіксуються слабо бактерицидний та антирахітичний ефекти. А ось ультрафіолетове випромінювання від 180 до 275 нм ушкоджує біологічну тканину. Тому, слід бути обережними. Тривале пряме сонячне випромінювання навіть у безпечному спектрі може призвести до вираженої еритеми з набряками шкірного покриву та суттєвим погіршенням стану здоров'я. Аж до підвищення ймовірності розвитку раку шкіри.
Реакція на сонячне світло
Насамперед слід згадати інфрачервоне випромінювання. На організм воно має теплову дію, що залежить від ступеня поглинання променів шкірою. Для характеристики його впливу використовується слово опік. Видимий спектр впливає на зоровий аналізатор та функціональний стан центральної нервової системи. А за допомогою ЦНС і на всі системи та органи людини. Слід зазначити, що на нас впливає не лише ступінь освітленості, а й колірна гама сонячного світла, тобто весь спектр випромінювання. Так, від довжини хвилі залежить відчуття кольору і виявляється вплив на нашу емоційну діяльність, а також функціонування різних систем організму.
Червоний колір збуджує психіку, посилює емоції та дарує відчуття тепла. Але він швидко втомлює, сприяє напрузі мускулатури, почастішання дихання та підвищення артеріального тиску. Помаранчевий колір викликає відчуття добробуту та веселощів, жовтий піднімає настрій та стимулює нервову систему та зір. Зелений заспокоює, корисний під час безсоння, під час перевтоми, підвищує загальний тонус організму. Фіолетовий колір має розслаблюючий вплив на психіку. Блакитний заспокоює нервову систему та підтримує м'язи в тонусі.
Невеликий відступ
Чому розглядаючи, що таке випромінювання у фізиці, ми говоримо переважно про ЕМІ? Справа в тому, що саме його здебільшого і мають на увазі, коли звертаються до теми. Те ж саме корпускулярне випромінювання і хвильовий рух середовища є на порядок менш масштабним і відомим. Дуже часто, коли говорять про види випромінювань, то мають на увазі виключно ті, на які ділиться ЕМІ, що неправильно. Адже говорячи про те, що таке випромінювання у фізиці, слід приділяти увагу всім аспектам. Але одночасно робиться наголос саме на найважливіших моментах.
Про джерела випромінювання
Продовжуємо розглядати електромагнітне випромінювання. Ми знаємо, що воно є хвилями, що виникають при обуренні електричного або магнітного поля. Цей процес сучасною фізикою трактується з погляду теорії корпускулярно-хвильового дуалізму. Так визнається, що мінімальна порція ЕМІ – це квант. Але водночас вважається, що він є і частотно-хвильові властивості, яких залежить основні характеристики. Для покращення можливостей класифікації джерел виділяють різні спектри випромінювання частот ЕМІ. Так це:
- Жорстке випромінювання (іонізоване);
- Оптичне (видиме оком);
- Теплове (воно інфрачервоне);
- Радіочастотне.
Частину з них уже було розглянуто. Кожен спектр випромінювання має свої унікальні характеристики.
Природа джерел
Залежно від свого походження електромагнітні хвилі можуть виникати у двох випадках:
- Коли спостерігається обурення штучного походження.
- Реєстрація випромінювання, що від природного джерела.
Що можна сказати про перші? Штучні джерела найчастіше є побічним явищем, що виникає внаслідок роботи різних електричних приладів та механізмів. Випромінювання природного походження генерує магнітне поле Землі, електропроцеси в атмосфері планети, ядерний синтез у надрах сонця. Від рівня потужності джерела залежить рівень напруженості електромагнітного поля. Умовно, випромінювання, що реєструється, поділяють на низькорівневе та високорівневе. Як перші можна навести:
- Майже всі пристрої, обладнані ЕПТ екраном (як, наприклад, комп'ютер).
- Різна побутова техніка, починаючи від кліматичних систем і закінчуючи прасками;
- Інженерні системи, що забезпечують подачу електроенергії до різних об'єктів. Як приклад можна навести кабель електропередач, розетки, електролічильники.
Високорівневе електромагнітне випромінювання має:
- Лінії електропередач.
- Весь електротранспорт та його інфраструктура.
- Радіо- та телевежі, а також станції мобільного та пересувного зв'язку.
- Ліфти та інше підйомне обладнання, де використовуються електромеханічні силові установки.
- Прилади перетворення напруги в мережі (хвилі, що походять від розподільної підстанції або трансформатора).
Окремо виділяють спеціальне обладнання, що використовується в медицині та випромінює жорстке випромінювання. Як приклад можна навести МРТ, рентгенівські апарати тощо.
Вплив електромагнітного випромінювання на людину
У ході численних досліджень вчені дійшли сумного висновку – тривалий вплив ЕМІ сприяє справжньому вибуху хвороб. При цьому багато порушень відбуваються на генетичному рівні. Тому актуальним є захист електромагнітного випромінювання. Це відбувається через те, що ЕМІ має високий рівень біологічної активності. При цьому результат впливу залежить від:
- Характер випромінювання.
- Тривалість та інтенсивність впливу.
Специфічні моменти впливу
Все залежить від локалізації. Поглинання випромінювання може бути місцевим чи загальним. Як приклад другого випадку, можна привести ефект, що надають лінії електропередачі. Як приклад місцевого впливу можна навести електромагнітні хвилі, що випускають електронний годинник або мобільний телефон. Слід згадати і про термальний вплив. За рахунок вібрації молекул енергія поля перетворюється на тепло. За цим принципом працюють НВЧ випромінювачі, що використовуються для нагрівання різних речовин. Слід зазначити, що при впливі на людину термальний ефект завжди є негативним і навіть згубним. Слід зазначити, що ми постійно опромінюємося. На виробництві, будинки, переміщаючись містом. Згодом негативний ефект лише посилюється. Тому все актуальнішим стає захист від електромагнітного випромінювання.
Як же можна убезпечити себе?
Спочатку потрібно знати, з чим доводиться мати справу. У цьому допоможе спеціальний прилад вимірювання випромінювання. Він дозволить оцінити ситуацію із безпекою. На виробництві захисту використовуються поглинаючі екрани. Але, на жаль, використання в домашніх умовах вони не розраховані. Як початок можна дотримуватися трьох рекомендацій:
- Слід перебувати на безпечній відстані від пристроїв. Для ЛЕП, теле- та радіовеж це як мінімум 25 метрів. З ЕПТ моніторами та телевізорами достатньо тридцяти сантиметрів. Електронний годинник повинен бути не ближче 5 см. А радіо та стільникові телефони не рекомендується підносити ближче, ніж на 2,5 сантиметра. Підібрати місце можна за допомогою спеціального приладу – флюксметра. Допустима доза випромінювання, фіксована ним, має перевищувати 0,2мкТл.
- Намагайтеся скоротити час, коли доводиться опромінюватися.
- Завжди слід вимикати електроприлади, що не використовуються. Адже навіть, будучи неактивними, вони продовжують випускати ЕМІ.
Про тихого вбивцю
І завершимо статтю важливою, хоч і досить слабо відомою у широких колах темою – радіаційним випромінюванням. Протягом усього свого життя, розвитку та існування, людина опромінювалася природним фоном. Природне радіаційне випромінювання може бути умовно поділено на зовнішнє та внутрішнє опромінення. До першого відносяться космічне випромінювання, сонячна радіація, вплив земної кори та повітря. Навіть будівельні матеріали, з яких створюються будинки та споруди, генерують певний фон.
Радіаційне випромінювання має значну проникаючу силу, тому зупинити його проблематично. Так, щоб повністю ізолювати промені, необхідно сховатися за стіною зі свинцю, завтовшки 80 сантиметрів. Внутрішнє опромінення виникає у випадках, коли природні радіоактивні речовини потрапляють усередину організму разом із продуктами харчування, повітрям, водою. У земних надрах можна знайти радон, торон, уран, торій, рубідій, радій. Всі вони поглинаються рослинами, можуть бути у воді – і при вживанні харчових продуктів потрапляють у наш організм.
Випромінювання, у найзагальнішому вигляді, можна уявити як виникнення та поширення хвиль, що призводить до обурення поля. Поширення енергії виражається у вигляді електромагнітного, іонізуючого, гравітаційного випромінювань та випромінювання по Хокінгу. Електромагнітні хвилі – це обурення електромагнітного поля. Вони бувають радіохвильовими, інфрачервоними (теплове випромінювання), терагерцевими, ультрафіолетовими, рентгенівськими та видимими (оптичними). Електромагнітна хвиля має властивість поширюватися у будь-яких середовищах. Характеристиками електромагнітного випромінювання є частота, поляризація та довжина. Найбільш професійно та глибоко природу електромагнітного випромінювання вивчає наука квантова електродинаміка. Вона дозволила підтвердити ряд теорій, які широко використовуються у різних галузях знань. Особливості електромагнітних хвиль: взаємна перпендикулярність трьох векторів - хвильового та напруженості електричного поля та магнітного поля; хвилі є поперечними, а вектора напруженості в них здійснюють коливання перпендикулярно до напряму її поширення.
Теплове випромінювання виникає за рахунок внутрішньої енергії самого тіла. Теплове випромінювання – це випромінювання суцільного спектру, максимум якого відповідає температурі тіла. Якщо випромінювання та речовина термодинамічні, випромінювання – рівноважне. Це визначає закон Планка. Але на практиці термодинамічна рівновага не дотримується. Так гарячому тілу властиво остигати, а холоднішому, навпаки, нагріватися. Ця взаємодія визначена в законі Кірхгофа. Таким чином, тіла мають поглинаючу здатність і відбиваючу здатність. Іонізуюче випромінювання - це мікрочастинки та поля, що мають здатність іонізувати речовину. До нього відносять: рентген та радіоактивне випромінювання з альфа, бета та гамма променями. При цьому ренгенівське випромінювання та гамма-промені є короткохвильовими. А бета та альфа частинки є потоками частинок. Існують природні та штучні джерела іонізації. У природі це: розпад радіонуклідів, промені космосу, термоядерна реакція на Сонце. Штучні це: випромінювання рентгенівського апарату, ядерні реактори та штучні радіонукліди. У побуті використовуються спеціальні датчики та дозиметри радіоактивного випромінювання. Усім відомий Лічильник Гейгера здатний ідентифікувати коректно лише гамма-промені. У науці використовуються сцинтилятори, які відмінно поділяють промені за енергіями.
Гравітаційним вважається випромінювання, в якому обурення просторово-тимчасового поля відбувається зі швидкістю світла. У загальній теорії відносності гравітаційне випромінювання обумовлено рівняннями Ейнштейна. Що характерно, гравітація притаманна будь-якій матерії, яка рухається прискорено. Але велику амплітуду гравітаційної хвилі може надати тільки випромінювати великої маси. Зазвичай гравітаційні хвилі дуже слабкі. Прилад, здатний зареєструвати їх, - це детектор. Випромінювання Хокінга ж є швидше гіпотетичну можливість випускати частинки чорною діркою. Ці процеси вивчає квантова фізика. Відповідно до цієї теорії чорна діра лише поглинає матерію до певного моменту. При обліку квантових моментів виходить, що вона здатна випромінювати елементарні частки.
Сьогодні поговоримо про те, що таке випромінювання у фізиці. Розкажемо про природу електронних переходів та наведемо електромагнітну шкалу.
Божество та атом
Будова речовини стала предметом інтересу вчених понад дві тисячі років тому. Давньогрецькі філософи ставили питання, чим повітря відрізняється від вогню, а земля від води, чому мармур білий, а вугілля чорне. Вони створювали складні системи взаємозалежних компонентів, спростовували чи підтримували одна одну. А найнезрозуміліші явища, наприклад, удар блискавки чи схід сонця приписували дії богів.
Одного разу, довгі роки спостерігаючи за сходами храму, один учений помітив: кожна нога, що встає на камінь, забирає крихітну частинку речовини. Згодом мармур змінював форму, прогинався посередині. Ім'я цього вченого - Левкіпп, і він назвав найдрібніші частки атомами, неподільними. З цього почався шлях до вивчення того, що таке випромінювання у фізиці.
Великдень та світло
Потім настали темні часи, науку закинули. Усіх, хто намагався вивчати сили природи, охрестили відьмами та чаклунами. Але, як не дивно, саме релігія дала поштовх подальшому розвитку науки. Дослідження у тому, що таке випромінювання у фізиці, почалося з астрономії.
Час святкування Великодня обчислювалося на той час щоразу по-різному. Складна система взаємовідносин між днем весняного рівнодення, 26-денним місячним циклом та 7-денним тижнем не дозволяла складати таблиці дат для святкування Великодня більш ніж на кілька років. Але церкві треба було все заздалегідь планувати. Тому Папа Римський Лев X замовив складання точніших таблиць. Це вимагало ретельно спостереження за рухом Місяця, зірок та Сонця. І, зрештою, Микола Коперник зрозумів: Земля не плоска і не центр всесвіту. Планета - куля, що обертається навколо Сонця. А Місяць – сфера на орбіті Землі. Звичайно, можна запитати: «Яке відношення все це має до того, що таке випромінювання у фізиці?» Зараз розкриємо.
Овал і промінь
Пізніше Кеплер доповнив систему Коперника, встановивши, що планети рухаються овальними орбітами, і рух це нерівномірне. Але саме цей перший крок прищепив людству інтерес до астрономії. А там недалеко було і до запитань: Що таке зірка? Чому люди бачать її промені? і «Чим одне світило відрізняється від іншого?». Але спочатку доведеться перейти від величезних об'єктів до найменших. І потім підійдемо до випромінювання, поняття у фізиці.
Атом та родзинки
Наприкінці дев'ятнадцятого століття накопичилося достатньо знань про найменші хімічні одиниці речовини - атоми. Було відомо, що вони є електронейтральними, але містять як позитивно, так і негативно заряджені елементи.
Припущень висувалося безліч: і що позитивні заряди розподілені в негативному полі, як родзинки у булці, і що атом - це крапля з різнорідно заряджених рідких частин. Але все пояснив досвід Резерфорда. Він довів, що в центрі атома знаходиться позитивне важке ядро, а довкола нього розташовуються легкі негативні електрони. І конфігурація оболонок кожного атома своя. Тут і криються особливості випромінювання у фізиці електронних переходів.
Бор та орбіта
Коли вчені з'ясували, що легкі негативні частини атома – це електрони, постало інше питання – чому вони не падають на ядро. Адже, згідно з теорією Максвелла, будь-який заряд, що рухається, випромінює, отже, втрачає енергію. Але атоми існували стільки ж, як всесвіт, і не збиралися анігілювати. На допомогу прийшов Бор. Він постулював, що електрони знаходяться на деяких стаціонарних орбітах навколо атомного ядра, і можуть перебувати тільки на них. Перехід електрона між орбітами здійснюється ривком із поглинанням чи випромінюванням енергії. Цією енергією може бути, наприклад, квант світла. По суті ми зараз виклали визначення випромінювання у фізиці елементарних частинок.
Водень та фотографія
Спочатку технологію фотографії було придумано як комерційний проект. Люди хотіли залишитись у віках, але замовити портрет у художника було не кожному по кишені. А фотографії були дешеві і не вимагали таких великих вкладень. Потім мистецтво скла та нітрату срібла поставило собі на службу військову справу. А потім і наука почала користуватися перевагами світлочутливих матеріалів.
Насамперед фотографувати стали спектри. Вже давно було відомо, що гарячий водень випромінює конкретні лінії. Відстань з-поміж них підпорядковувалося певному закону. Але спектр гелію був більш складним: він містив той же набір ліній, що і водень, і ще один. Друга серія не підкорялася закону, виведеному першої серії. На допомогу прийшла теорія Бора.
З'ясувалося, що електрон в атомі водню один, і може переходити з усіх вищих збуджених орбіт однією нижню. Це була перша серія ліній. Тяжкіші атоми влаштовані складніше.
Лінза, грати, спектр
Таким чином було започатковано застосування випромінювання у фізиці. Спектральний аналіз - один із найпотужніших і надійних способів визначення складу, кількості та структури речовини.
- Електронний емісійний спектр розповість, що міститься в об'єкті і який відсоток того чи іншого компонента. Цей спосіб використовують абсолютно всі галузі науки: від біології та медицини до квантової фізики.
- Спектр поглинання розповість, які іони та на яких позиціях присутні у ґратах твердого тіла.
- Обертальний спектр продемонструє, наскільки далеко знаходяться молекули всередині атома, скільки і яких зв'язків є у кожного елемента.
А діапазонів застосування електромагнітного випромінювання і не злічити:
- радіохвилі досліджують структуру дуже далеких об'єктів та надра планет;
- теплове випромінювання розповість про енергію процесів;
- видиме світло підкаже, у яких напрямах лежать найяскравіші зірки;
- ультрафіолетові промені дадуть зрозуміти, що відбуваються високоенергетичні взаємодії;
- рентгенівський спектр сам по собі дозволяє людям вивчати структуру речовини (у тому числі і людського тіла), а наявність цих променів у космічних об'єктах сповістять вчених, що у фокусі телескопа нейтронна зірка, спалах наднової чи чорна діра.
Абсолютно чорне тіло
Але є особливий розділ, що вивчає, що таке теплове випромінювання у фізиці. На відміну від атомного, теплове випромінювання світла має безперервний спектр. І найкращим модельним об'єктом для розрахунків є чорне тіло. Це такий об'єкт, який «ловить» весь світ, що потрапляє на нього, але не випускає назад. Як не дивно, чорне тіло випромінює, і максимум довжини хвилі залежатиме від температури моделі. У класичній фізиці теплове випромінювання породжувало парадокс Виходило, що будь-яка нагріта річ повинна була випромінювати все більше і більше енергії, поки в ультрафіолетовому діапазоні її енергія не зруйнувала б всесвіт.
Дозволити парадокс зміг Макс Планк. У формулу випромінювання він запровадив нову величину, квант. Не надаючи їй особливого фізичного значення, він відкрив цілий світ. Нині квантування величин – основа сучасної науки. Вчені зрозуміли, що поля та явища складаються з неподільних елементів, квантів. Це призвело до глибших досліджень матерії. Наприклад, сучасний світ належить напівпровідникам. Раніше все було просто: метал проводить струм, решта речовин – діелектрики. А речовини типу кремнію та германію (якраз напівпровідники) поводяться незрозуміло по відношенню до електрики. Щоб навчитися керувати їх властивостями, потрібно було створити цілу теорію і розрахувати всі можливості p-n переходів.
