RADIASI elektromagnetik,

1) dalam elektrodinamika klasik - proses pembentukan medan elektromagnetik bebas yang terjadi selama interaksi partikel bermuatan listrik (atau sistemnya); dalam teori kuantum - proses kelahiran (emisi) foton ketika keadaan sistem kuantum berubah;

2) medan elektromagnetik bebas - gelombang elektromagnetik.

Fondasi teori radiasi klasik - elektrodinamika - diletakkan pada paruh pertama abad ke-19 dalam karya M. Faraday dan J.K. Maxwell, yang mengembangkan ide-ide Faraday, memberikan hukum radiasi bentuk matematika yang ketat. Ini mengikuti dari persamaan Maxwell bahwa gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa di setiap kerangka acuan merambat pada kecepatan yang sama - pada kecepatan cahaya c = 3·108 m/s. Teori Maxwell menjelaskan banyak fenomena fisik, gabungan fenomena optik, listrik dan magnet, menjadi dasar teknik elektro dan radio, tetapi sejumlah fenomena (misalnya, spektrum atom dan molekul) hanya dapat dijelaskan setelah penciptaan kuantum. teori radiasi, yang fondasinya diletakkan oleh M. Plath, A. Einstein, N. Bohr, P. Dirac dan lain-lain.Teori radiasi sepenuhnya didukung dalam elektrodinamika kuantum, yang diselesaikan pada 1950-an dalam karya-karya R. F. Feynman, J. Schwinger, F. Dyson dan lainnya.

Karakteristik proses radiasi dan medan elektromagnetik bebas (intensitas radiasi, spektrum radiasi, distribusi energi di dalamnya, kerapatan fluks energi radiasi, dll.) bergantung pada sifat partikel bermuatan yang memancar (atau sistem partikel) dan kondisi interaksinya dengan medan listrik dan / atau magnet, yang mengarah ke radiasi. Jadi, ketika partikel bermuatan melewati suatu zat, sebagai akibat interaksi dengan atom-atom zat tersebut, kecepatan partikel berubah dan memancarkan apa yang disebut bremsstrahlung (lihat di bawah). Medan elektromagnetik bebas, tergantung pada rentang panjang gelombang , disebut emisi radio (lihat Gelombang radio), radiasi infra merah, radiasi optik, radiasi ultraviolet, radiasi sinar-X, radiasi gamma.

Medan elektromagnetik dari partikel bermuatan yang bergerak secara seragam dan lurus dalam ruang hampa pada jarak yang jauh darinya dapat diabaikan, dan kita dapat mengatakan bahwa medan yang ditahan olehnya bergerak dengan kecepatan yang sama. Sifat-sifat medan diri partikel bermuatan tersebut bergantung pada besar dan arah kecepatannya dan tidak berubah jika konstan; partikel seperti itu tidak memancar. Jika kecepatan partikel bermuatan telah berubah (misalnya, dalam tumbukan dengan partikel lain), maka medannya sendiri sebelum dan sesudah perubahan kecepatan berbeda - ketika kecepatan berubah, medannya sendiri diatur ulang sehingga bagiannya terlepas dan tidak lagi terhubung dengan partikel bermuatan - itu menjadi medan bebas. Jadi, pembentukan gelombang elektromagnetik terjadi ketika kecepatan partikel bermuatan berubah; alasan perubahan kecepatan bervariasi, sesuai dengan ini, berbagai jenis radiasi muncul (bremsstrahlung, bremsstrahlung magnetik, dll.). Radiasi suatu sistem partikel bergantung pada strukturnya; itu dapat dianalogikan dengan radiasi partikel, menjadi radiasi dipol (radiasi dipol) atau radiasi multipol (radiasi multipol).

Selama pemusnahan elektron dan positron (lihat Pemusnahan dan produksi pasangan), medan elektromagnetik bebas (foton) juga terbentuk. Energi dan momentum partikel pemusnah kekal, yaitu, mereka ditransfer ke medan elektromagnetik. Ini berarti bahwa medan radiasi selalu memiliki energi dan momentum.

Gelombang elektromagnetik yang terbentuk dalam proses radiasi membentuk aliran energi yang meninggalkan sumber, dengan kerapatan S(r,t) (vektor Poynting adalah energi yang mengalir per satuan waktu melalui permukaan satuan yang tegak lurus aliran) pada waktu t pada jarak r dari partikel bermuatan yang memancar sebanding dengan perkalian vektor kekuatan medan magnet H (r, t) dan medan listrik E (r, t):

Energi total W yang hilang oleh partikel bermuatan per satuan waktu selama radiasi dapat diperoleh dengan menghitung fluks energi melalui bola dengan radius r yang sangat besar.

dimana d. - elemen sudut padat, n - vektor satuan dalam arah perambatan radiasi Medan-sendiri dari sistem muatan pada jarak jauh berkurang dengan jarak lebih cepat dari 1/r, dan medan radiasi pada jarak jauh dari sumber berkurang sebagai 1 /r.

Koherensi emitor. Kerapatan fluks radiasi yang datang ke suatu titik tertentu dalam ruang dari dua sumber yang identik sebanding dengan perkalian vektor dari jumlah kekuatan listrik E 1 (r, t) dan E 2 (r, t) dan magnet H 1 ( r, t) dan H 2 (r, t) medan gelombang elektromagnetik dari sumber 1 dan 2:

Hasil penambahan dua gelombang bidang sinusoidal bergantung pada fase di mana mereka sampai pada suatu titik tertentu. Jika fase-fasenya sama, maka medan E dan H berlipat ganda, dan energi medan pada suatu titik tertentu meningkat 4 kali lipat dibandingkan dengan energi medan dari satu sumber. Dalam kasus ketika gelombang dari dua sumber yang berbeda datang ke detektor dengan fase yang berlawanan, produk silang dari medan dan [E 2 (r, t) H 1 (r, t)] dalam (3) menghilang. Akibatnya, energi dua kali lebih banyak datang dari dua emitor ke titik tertentu dibandingkan dari satu emitor. Dalam kasus pemancar N, gelombang yang datang pada titik tertentu dalam fase yang sama, energinya akan meningkat sebesar N 2 kali lipat. Pemancar seperti itu disebut koheren. Jika fase gelombang yang datang ke detektor dari setiap emitor adalah acak, maka medan dari emitor yang berbeda sebagian dibatalkan ketika ditambahkan di titik pengamatan. Kemudian, dari N sumber, detektor akan mencatat energi N kali lebih besar dari dari satu sumber. Sumber seperti itu (dan radiasinya) disebut tidak koheren. Ini mencakup hampir semua sumber cahaya konvensional (nyala lilin, lampu pijar, lampu neon, dll.); di dalamnya, momen waktu emisi setiap atom atau molekul (dan, karenanya, fase di mana gelombang radiasi mereka mencapai titik tertentu) adalah acak. Sumber radiasi koheren adalah laser, di mana kondisi diciptakan untuk penerangan simultan dari semua atom zat yang bekerja.

Reaksi radiasi. Sebuah partikel bermuatan yang memancar kehilangan energi, sehingga dalam proses radiasi tercipta gaya yang bekerja pada partikel, yang memperlambat kecepatannya dan disebut gaya reaksi radiasi atau gaya gesekan radiasi. Pada kecepatan nonrelativistik partikel bermuatan, gaya reaksi radiasi selalu kecil, tetapi pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, ia dapat memainkan peran utama. Dengan demikian, dalam medan magnet bumi, kehilangan energi akibat radiasi elektron sinar kosmik berenergi tinggi begitu besar sehingga elektron tidak dapat mencapai permukaan bumi. Partikel sinar kosmik dengan energi yang sama dan massa yang lebih besar memiliki energi yang hilang lebih sedikit untuk radiasi daripada elektron, dan mereka mencapai permukaan bumi. Dari sini dapat disimpulkan bahwa komposisi sinar kosmik yang terekam di permukaan bumi dan dari satelit bisa berbeda.

Panjang koherensi radiasi Proses radiasi pada kecepatan nonrelativistik dan ultrarelativistik dari partikel bermuatan berbeda dalam ukuran wilayah ruang di mana medan radiasi terbentuk. Dalam kasus nonrelativistik (ketika kecepatan v partikel rendah), medan radiasi meninggalkan muatan pada kecepatan cahaya dan proses radiasi berakhir dengan cepat, ukuran daerah pembentukan radiasi (panjang koherensi) L jauh lebih kecil daripada panjang gelombang radiasi , L~λv/s. Jika kecepatan partikel mendekati kecepatan cahaya (pada kecepatan relativistik), medan radiasi yang dihasilkan dan partikel yang membuatnya bergerak untuk waktu yang lama saling berdekatan dan menyimpang, setelah terbang dengan jarak yang cukup jauh. Pembentukan medan radiasi membutuhkan waktu lebih lama, dan panjang L jauh lebih besar daripada panjang gelombang, L~λγ (di mana = -1/2 adalah faktor Lorentz partikel).

Bremsstrahlung terjadi ketika partikel bermuatan menyebar pada atom materi. Jika waktu t selama partikel dengan muatan e selama hamburan mengubah kecepatannya dari v1 ke v2 jauh lebih kecil daripada waktu pembentukan radiasi L/v, maka perubahan kecepatan partikel bermuatan dapat dianggap seketika. Maka distribusi energi radiasi pada sudut dan frekuensi melingkar memiliki bentuk:

Mengalikan ekspresi ini dengan kemungkinan perubahan kecepatan partikel selama hamburan dari v 1 ke v 2 dan mengintegrasikan ekspresi yang dihasilkan pada semua v 2 , kita dapat memperoleh distribusi energi bremsstrahlung pada frekuensi dan sudut (tidak tergantung pada frekuensi). Partikel yang lebih ringan lebih mudah dibelokkan ketika berinteraksi dengan atom, sehingga intensitas bremsstrahlung berbanding terbalik dengan kuadrat massa partikel cepat. Bremsstrahlung adalah alasan utama hilangnya energi elektron relativistik dalam materi ketika energi elektron lebih besar dari beberapa energi kritis, yaitu 83 MeV untuk udara, 47 MeV untuk Al, dan 59 MeV untuk Pb.

Bremsstrahlung magnetik terjadi ketika partikel bermuatan bergerak dalam medan magnet yang membelokkan lintasan geraknya. Dalam medan magnet yang konstan dan seragam, lintasan partikel bermuatan dengan massa m adalah spiral, yaitu terdiri dari gerakan seragam sepanjang arah medan dan rotasi di sekitarnya dengan frekuensi H = eH/γmс.

Periodisitas gerak partikel mengarah pada fakta bahwa gelombang yang dipancarkannya memiliki frekuensi kelipatan H: = Mω H, di mana N=1,2,3 ... . radiasi partikel ultrarelativistik dalam medan magnet disebut radiasi sinkrotron. Ia memiliki spektrum frekuensi yang lebar dengan maksimum pada orde ω 3 dan fraksi utama dari energi yang dipancarkan terletak pada rentang frekuensi » Dalam hal ini, interval antara frekuensi yang berdekatan jauh lebih kecil daripada frekuensi, sehingga distribusi frekuensi dalam spektrum radiasi sinkrotron dapat dianggap kontinu. Dalam rentang frekuensi » 3 intensitas radiasi meningkat dengan frekuensi sebagai 2/3 , dan dalam rentang frekuensi » 3 intensitas radiasi menurun secara eksponensial dengan meningkatnya frekuensi. Radiasi sinkrotron memiliki divergensi sudut yang kecil (pada orde l/γ) dan tingkat polarisasi yang tinggi pada bidang orbit partikel. Bremsstrahlung magnetik pada kecepatan nonrelativistik partikel bermuatan disebut radiasi siklotron, frekuensinya adalah = H.

Radiasi undulator terjadi ketika partikel bermuatan ultrarelativistik bergerak dengan penyimpangan periodik transversal kecil, misalnya, ketika terbang dalam medan listrik yang berubah secara berkala (bidang seperti itu terbentuk, misalnya, dalam perangkat khusus - undulator). Frekuensi radiasi undulator berhubungan dengan frekuensi osilasi transversal 0 partikel dengan hubungan

di mana adalah sudut antara kecepatan partikel v dan arah rambat radiasi undulator. Analog dari jenis radiasi ini adalah radiasi yang terjadi ketika partikel bermuatan disalurkan dalam kristal tunggal, ketika partikel yang bergerak di antara bidang grafik kristal yang berdekatan mengalami getaran transversal karena interaksi dengan medan intrakristalin.

Radiasi Vavilov-Cherenkov diamati ketika partikel bermuatan bergerak secara seragam dalam medium dengan kecepatan melebihi kecepatan fase cahaya c/ε 1/2 dalam medium (ε adalah permitivitas medium). Dalam hal ini, bagian dari medan partikel itu sendiri tertinggal di belakangnya dan membentuk gelombang elektromagnetik yang merambat pada sudut terhadap arah gerak partikel (lihat radiasi Vavilov-Cherenkov), yang ditentukan oleh persamaan cos = /vε 1/2 . Untuk penemuan dan penjelasan jenis radiasi baru yang fundamental ini, yang telah menemukan aplikasi luas untuk mengukur kecepatan partikel bermuatan, I. E. Tamm, I. M. Frank dan P. A. Cherenkov dianugerahi Hadiah Nobel (1958).

radiasi transisi(diprediksi oleh V. L. Ginzburg dan I. M. Frank pada tahun 1946) muncul selama gerakan bujursangkar yang seragam dari partikel bermuatan di ruang angkasa dengan sifat dielektrik yang tidak homogen. Paling sering, ia terbentuk ketika sebuah partikel melintasi antarmuka antara dua media dengan permitivitas yang berbeda (seringkali radiasi inilah yang dianggap sebagai radiasi transisi; lihat Radiasi transisi). Medan diri partikel yang bergerak dengan kecepatan konstan di media yang berbeda berbeda, sehingga pada antarmuka antara media, medan diri diatur ulang, yang mengarah ke radiasi. Radiasi transisi tidak bergantung pada massa partikel cepat, intensitasnya tidak bergantung pada kecepatan partikel, tetapi pada energinya, yang memungkinkan untuk menciptakan metode unik yang akurat untuk mendeteksi partikel berenergi sangat tinggi berdasarkan basisnya.

Radiasi difraksi muncul selama perjalanan partikel bermuatan dalam ruang hampa di dekat permukaan suatu zat, ketika medan partikel itu sendiri berubah karena interaksinya dengan ketidakhomogenan permukaan. Radiasi difraksi berhasil digunakan untuk mempelajari sifat-sifat permukaan materi.

Radiasi sistem partikel bermuatan.

Sistem paling sederhana yang dapat memancar adalah dipol listrik dengan momen dipol variabel - sistem dua partikel berosilasi yang bermuatan berlawanan. Ketika medan dipol berubah, misalnya, ketika partikel bergetar sepanjang garis lurus (sumbu dipol) yang menghubungkannya satu sama lain, sebagian medan terputus dan gelombang elektromagnetik terbentuk. Radiasi tersebut non-isotropik, energinya dalam arah yang berbeda tidak sama: maksimum dalam arah tegak lurus terhadap sumbu osilasi partikel, dan tidak ada dalam arah tegak lurus, untuk arah menengah intensitasnya sebanding dengan sinθ 2 (θ adalah sudut antara arah radiasi dan sumbu osilasi partikel). Pemancar nyata, sebagai suatu peraturan, terdiri dari sejumlah besar partikel bermuatan berlawanan, tetapi sering memperhitungkan lokasi mereka dan detail gerakan menjauh dari sistem tidak signifikan; dalam hal ini, dimungkinkan untuk menyederhanakan distribusi yang sebenarnya dengan "menarik" muatan dengan nama yang sama ke beberapa pusat distribusi muatan. Jika sistem secara keseluruhan netral secara listrik, maka radiasinya dapat dianggap sebagai radiasi dipol listrik.

Jika tidak ada radiasi dipol dari sistem, maka itu dapat direpresentasikan sebagai quadrupole atau sistem yang lebih kompleks - multipole. Ketika muatan bergerak di dalamnya, radiasi kuadrupol atau multikutub listrik muncul. Sumber radiasi juga dapat berupa sistem dipol magnetik (misalnya, loop arus) atau multipol magnetik. Intensitas radiasi dipol magnet, sebagai suatu peraturan, adalah (v/c) 2 kali lebih kecil dari intensitas radiasi dipol listrik dan besarnya sama dengan radiasi kuadrupol listrik.

teori radiasi kuantum. Elektrodinamika kuantum mempertimbangkan proses radiasi oleh sistem kuantum (atom, molekul, inti atom, dll.), yang perilakunya tunduk pada hukum mekanika kuantum; dalam hal ini, medan elektromagnetik bebas direpresentasikan sebagai kumpulan kuanta medan ini - foton. Energi foton E sebanding dengan frekuensinya v (v = /2π), yaitu, E=hv (h adalah konstanta Planck), dan momentum p sebanding dengan vektor gelombang k: p = hk. Emisi foton disertai dengan transisi kuantum sistem dari keadaan dengan energi E 1 ke keadaan dengan energi yang lebih rendah E 2 =E 1 - hv (dari tingkat energi E 1 ke tingkat E 2). Energi sistem kuantum terikat (misalnya, atom) terkuantisasi, yaitu, hanya membutuhkan nilai-nilai diskrit; frekuensi radiasi dari sistem seperti itu juga diskrit. Dengan demikian, radiasi sistem kuantum terdiri dari garis spektral terpisah dengan frekuensi tertentu, yaitu, memiliki spektrum diskrit. Spektrum emisi kontinu (kontinu) diperoleh ketika salah satu (atau keduanya) urutan nilai energi awal dan akhir sistem di mana transisi kuantum terjadi adalah kontinu (misalnya, selama rekombinasi elektron bebas). dan ion).

Elektrodinamika kuantum memungkinkan untuk menghitung intensitas radiasi berbagai sistem, mempertimbangkan probabilitas transisi nonradiatif, proses transfer radiasi, menghitung apa yang disebut koreksi radiasi, dan karakteristik lain dari radiasi sistem kuantum.

Semua keadaan atom, kecuali keadaan dasar (keadaan dengan energi minimum), yang disebut keadaan tereksitasi, tidak stabil. Berada di dalamnya, atom setelah waktu tertentu (sekitar 10 -8 s) secara spontan memancarkan foton; radiasi semacam itu disebut spontan atau spontan. Karakteristik emisi spontan atom - arah propagasi, intensitas, polarisasi - tidak bergantung pada kondisi eksternal. Himpunan panjang gelombang radiasi adalah individu untuk atom setiap unsur kimia dan mewakili spektrum atomnya. Radiasi utama atom adalah radiasi dipol, yang hanya dapat terjadi selama transisi kuantum yang diizinkan oleh aturan seleksi untuk transisi dipol listrik, yaitu, dengan hubungan tertentu antara karakteristik (bilangan kuantum) dari keadaan awal dan akhir atom. Radiasi multikutub atom (yang disebut garis terlarang) juga dapat muncul dalam kondisi tertentu, tetapi kemungkinan transisi yang terjadi kecil, dan intensitasnya biasanya rendah. Radiasi inti atom terjadi selama transisi kuantum antara tingkat energi nuklir dan ditentukan oleh aturan seleksi yang sesuai.

radiasi dari berbagai molekul, di mana gerakan vibrasi dan rotasi partikel bermuatan penyusunnya terjadi, memiliki spektrum kompleks yang memiliki struktur elektronik-getaran-rotasi (lihat Spektrum Molekuler).

Probabilitas emisi foton dengan momentum hk dan energi hv sebanding dengan (n k + 1), di mana n k adalah jumlah foton yang persis sama dalam sistem sebelum momen emisi. Pada n k = 0, emisi spontan terjadi, jika n k 0, emisi terstimulasi juga muncul. Sebuah foton emisi terstimulasi, tidak seperti foton spontan, memiliki arah rambat, frekuensi, dan polarisasi yang sama dengan foton radiasi eksternal; intensitas emisi terstimulasi sebanding dengan jumlah foton radiasi eksternal. Keberadaan emisi terstimulasi didalilkan pada tahun 1916 oleh A. Einstein, yang menghitung probabilitas emisi terstimulasi (lihat koefisien Einstein). Dalam kondisi normal, probabilitas (dan, akibatnya, intensitas) emisi terstimulasi kecil, tetapi dalam generator kuantum (laser), untuk meningkatkan n k, zat kerja (emitor) ditempatkan di rongga optik yang menjaga foton radiasi eksternal dekat dia. Setiap foton yang dipancarkan oleh zat bertambah n k , sehingga intensitas radiasi dengan k tertentu tumbuh dengan cepat pada intensitas rendah emisi foton dengan semua k lainnya. Akibatnya, generator kuantum ternyata menjadi sumber radiasi terstimulasi dengan pita nilai v dan k yang sangat sempit - radiasi koheren. Medan radiasi tersebut sangat intens, dapat menjadi sebanding besarnya dengan medan intramolekul, dan interaksi radiasi generator kuantum (radiasi laser) dengan materi menjadi nonlinier (lihat Optik nonlinier).

Radiasi berbagai objek membawa informasi tentang struktur, sifat, dan proses yang terjadi di dalamnya; studinya adalah cara yang kuat dan seringkali satu-satunya (misalnya, untuk benda-benda kosmik) untuk mempelajarinya. Teori radiasi memainkan peran khusus dalam pembentukan gambaran fisik modern dunia. Dalam proses pembangunan teori ini, teori relativitas, mekanika kuantum muncul, sumber radiasi baru diciptakan, sejumlah prestasi diperoleh di bidang teknik radio, elektronik, dll.

Lit.: Akhiezer A. I., Berestetsky V. B. Elektrodinamika kuantum. edisi ke-4 M., 1981; Landau L.D., Lifshits E.M. Teori medan. edisi ke-8 M., 2001; Tamm I. E. Dasar-dasar teori kelistrikan. edisi ke-11. M., 2003.

Hari ini kita akan berbicara tentang apa itu radiasi dalam fisika. Mari kita bicara tentang sifat transisi elektronik dan menyajikan skala elektromagnetik.

Tuhan dan atom

Struktur materi menjadi subjek yang menarik perhatian para ilmuwan lebih dari dua ribu tahun yang lalu. Filsuf Yunani kuno bertanya-tanya bagaimana udara berbeda dari api, dan bumi dari air, mengapa marmer berwarna putih dan batu bara berwarna hitam. Mereka menciptakan sistem kompleks dari komponen yang saling bergantung, disangkal atau didukung satu sama lain. Dan fenomena yang paling tidak dapat dipahami, misalnya, sambaran petir atau terbitnya matahari, dikaitkan dengan tindakan para dewa.

Suatu ketika, setelah mengamati anak tangga kuil selama bertahun-tahun, seorang ilmuwan memperhatikan: setiap kaki yang berdiri di atas batu menghilangkan partikel kecil materi. Seiring waktu, marmer berubah bentuk, melorot di tengah. Nama ilmuwan ini adalah Leucippus, dan ia menyebut partikel terkecil atom, tak terpisahkan. Dari sini dimulailah jalan menuju studi tentang apa itu radiasi dalam fisika.

Paskah dan cahaya

Kemudian masa kegelapan datang, ilmu pengetahuan ditinggalkan. Semua yang mencoba mempelajari kekuatan alam dijuluki penyihir dan tukang sihir. Namun anehnya, justru agamalah yang mendorong perkembangan ilmu pengetahuan lebih lanjut. Studi tentang apa itu radiasi dalam fisika dimulai dengan astronomi.

Waktu untuk merayakan Paskah dihitung pada hari-hari itu secara berbeda setiap kali. Sistem hubungan yang kompleks antara titik balik musim semi, siklus bulan 26 hari, dan minggu 7 hari mencegah kompilasi tabel tanggal untuk merayakan Paskah selama lebih dari beberapa tahun. Tetapi gereja harus merencanakan ke depan. Oleh karena itu, Paus Leo X memerintahkan penyusunan tabel yang lebih akurat. Ini membutuhkan pengamatan yang cermat terhadap pergerakan bulan, bintang, dan matahari. Dan pada akhirnya, Nicolaus Copernicus mengerti: Bumi tidak datar dan bukan pusat alam semesta. Planet adalah bola yang berputar mengelilingi matahari. Bulan adalah sebuah bola yang mengorbit Bumi. Tentu saja, orang mungkin bertanya: "Apa hubungannya semua ini dengan radiasi dalam fisika?" Mari kita buka sekarang.

Oval dan balok

Kemudian, Kepler menambahkan sistem Copernicus, menetapkan bahwa planet-planet bergerak dalam orbit oval, dan gerakan ini tidak merata. Tapi itu adalah langkah pertama yang menanamkan minat pada manusia pada astronomi. Dan di sana tidak jauh dari pertanyaan: "Apa itu bintang?", "Mengapa orang melihat sinarnya?" dan “Bagaimana satu tokoh berbeda dari yang lain?”. Tapi pertama-tama Anda harus pindah dari benda besar ke yang terkecil. Dan kemudian kita sampai pada radiasi, sebuah konsep dalam fisika.

Atom dan kismis

Pada akhir abad kesembilan belas, pengetahuan yang cukup dikumpulkan tentang unit kimia terkecil dari materi - atom. Mereka dikenal netral secara listrik, tetapi mengandung unsur bermuatan positif dan negatif.

Banyak asumsi yang diajukan: baik bahwa muatan positif didistribusikan dalam medan negatif, seperti kismis dalam roti, dan bahwa atom adalah setetes bagian cair yang bermuatan heterogen. Tapi pengalaman Rutherford menjelaskan segalanya. Dia membuktikan bahwa di pusat atom ada inti berat positif, dan elektron negatif ringan terletak di sekitarnya. Dan konfigurasi kulit untuk setiap atom berbeda. Di sinilah letak ciri-ciri radiasi dalam fisika transisi elektronik.

Bohr dan orbit

Ketika para ilmuwan menemukan bahwa bagian negatif ringan dari atom adalah elektron, pertanyaan lain muncul - mengapa mereka tidak jatuh pada nukleus. Bagaimanapun, menurut teori Maxwell, setiap muatan yang bergerak memancar, oleh karena itu, kehilangan energi. Tapi atom telah ada selama alam semesta, dan tidak akan musnah. Bor datang untuk menyelamatkan. Dia mendalilkan bahwa elektron berada di beberapa orbit stasioner di sekitar inti atom, dan hanya bisa berada di atasnya. Transisi elektron antar orbit dilakukan oleh sentakan dengan penyerapan atau emisi energi. Energi ini dapat berupa, misalnya, kuantum cahaya. Faktanya, kita sekarang telah menguraikan definisi radiasi dalam fisika partikel elementer.

Hidrogen dan fotografi

Awalnya, teknologi fotografi diciptakan sebagai proyek komersial. Orang-orang ingin tinggal selama berabad-abad, tetapi tidak semua orang mampu memesan potret dari sang seniman. Dan foto-foto itu murah dan tidak memerlukan investasi yang begitu besar. Kemudian seni kaca dan perak nitrat menempatkan dirinya pada pelayanan ilmu militer. Dan kemudian sains mulai memanfaatkan bahan peka cahaya.

Pertama-tama, spektrum mulai difoto. Telah lama diketahui bahwa hidrogen panas memancarkan garis-garis tertentu. Jarak antara mereka mematuhi hukum tertentu. Tetapi spektrum helium lebih kompleks: mengandung rangkaian garis yang sama dengan hidrogen, dan satu lagi. Deret kedua tidak lagi mematuhi hukum yang diturunkan untuk deret pertama. Di sinilah teori Bohr datang untuk menyelamatkan.

Ternyata hanya ada satu elektron dalam atom hidrogen, dan ia dapat berpindah dari semua orbit tereksitasi yang lebih tinggi ke orbit yang lebih rendah. Ini adalah seri baris pertama. Atom yang lebih berat lebih kompleks.

Lensa, kisi, spektrum

Demikianlah awal mula penggunaan radiasi dalam fisika. Analisis spektral adalah salah satu metode yang paling kuat dan andal untuk menentukan komposisi, kuantitas, dan struktur suatu zat.

1. Spektrum emisi elektronik akan memberi tahu Anda apa yang terkandung dalam objek dan berapa persentase satu atau komponen lainnya. Metode ini benar-benar digunakan oleh semua bidang sains: dari biologi dan kedokteran hingga fisika kuantum.
2. Spektrum serapan akan memberi tahu ion mana dan pada posisi apa yang ada dalam kisi padatan.
3. Spektrum rotasi akan menunjukkan seberapa jauh molekul berada di dalam atom, berapa banyak dan jenis ikatan apa yang dimiliki setiap elemen.

Dan rentang penerapan radiasi elektromagnetik tidak dapat dihitung:

• gelombang radio menjelajahi struktur objek yang sangat jauh dan bagian dalam planet;
• radiasi termal akan memberi tahu tentang energi proses;
• cahaya tampak akan memberi tahu Anda ke arah mana bintang-bintang paling terang berada;
• sinar ultraviolet akan memperjelas bahwa interaksi energi tinggi sedang berlangsung;
• spektrum sinar-x itu sendiri memungkinkan orang untuk mempelajari struktur materi (termasuk tubuh manusia), dan keberadaan sinar ini di objek luar angkasa akan memberi tahu para ilmuwan bahwa fokus teleskop adalah bintang neutron, supernova, atau lubang hitam. .

Badan hitam pekat

Tetapi ada bagian khusus yang mempelajari apa itu radiasi termal dalam fisika. Tidak seperti atom, emisi termal cahaya memiliki spektrum kontinu. Dan objek model terbaik untuk perhitungan adalah benda yang benar-benar hitam. Ini adalah objek yang "menangkap" semua cahaya yang jatuh di atasnya, tetapi tidak melepaskannya kembali. Anehnya, benda hitam memancar, dan panjang gelombang maksimum akan tergantung pada suhu model. Dalam fisika klasik, radiasi termal menimbulkan paradoks, ternyata setiap benda yang dipanaskan harus memancarkan lebih banyak energi, sampai dalam kisaran ultraviolet energinya tidak akan menghancurkan alam semesta.

Max Planck mampu menyelesaikan paradoks tersebut. Dia memperkenalkan kuantitas baru, kuantum, ke dalam rumus radiasi. Tanpa memberinya arti fisik khusus, dia membuka seluruh dunia. Sekarang kuantisasi kuantitas adalah dasar dari ilmu pengetahuan modern. Para ilmuwan telah memahami bahwa bidang dan fenomena terdiri dari elemen tak terpisahkan, kuanta. Ini mengarah pada studi materi yang lebih dalam. Misalnya, dunia modern milik semikonduktor. Sebelumnya, semuanya sederhana: logam menghantarkan arus, zat lainnya adalah dielektrik. Dan zat seperti silikon dan germanium (hanya semikonduktor) berperilaku tidak dapat dipahami sehubungan dengan listrik. Untuk mempelajari cara mengontrol sifat-sifatnya, perlu untuk membuat seluruh teori dan menghitung semua kemungkinan sambungan p-n.

Semua atom dalam keadaan tereksitasi mampu memancarkan gelombang elektromagnetik. Untuk melakukan ini, mereka harus pergi ke keadaan dasar, di mana energi internal mereka diperoleh . Proses transisi semacam itu disertai dengan emisi gelombang elektromagnetik. Tergantung pada panjangnya, ia memiliki sifat yang berbeda. Ada beberapa jenis radiasi tersebut.

cahaya tampak

Panjang gelombang adalah jarak terpendek antara permukaan fase yang sama. Cahaya tampak adalah gelombang elektromagnetik yang dapat dirasakan oleh mata manusia. Panjang gelombang cahaya berkisar dari 340 nanometer (cahaya ungu) hingga 760 nanometer (cahaya merah). Yang terbaik dari semuanya, mata manusia merasakan daerah spektrum kuning-hijau.

Radiasi infra merah

Segala sesuatu yang mengelilingi seseorang, termasuk dirinya sendiri, adalah sumber radiasi inframerah atau termal (panjang gelombang hingga 0,5 mm). Atom memancarkan gelombang elektromagnetik dalam kisaran ini ketika mereka bertabrakan secara acak satu sama lain. Dengan setiap tumbukan, energi kinetik mereka diubah menjadi energi panas. Atom tereksitasi dan memancarkan gelombang dalam jangkauan inframerah.

Hanya sebagian kecil radiasi infra merah yang mencapai permukaan bumi dari matahari. Hingga 80% diserap oleh molekul udara dan terutama karbon dioksida, yang menyebabkan efek rumah kaca.

Radiasi ultraviolet

Panjang gelombang radiasi ultraviolet jauh lebih pendek daripada inframerah. Ada juga komponen ultraviolet dalam spektrum Matahari, tetapi terhalang oleh lapisan ozon Bumi dan tidak mencapai permukaannya. Radiasi seperti itu sangat berbahaya bagi semua organisme hidup.

Panjang radiasi ultraviolet terletak di wilayah 10-740 nanometer. Sebagian kecil dari itu, yang mencapai permukaan bumi bersama dengan cahaya tampak, menyebabkan tan pada manusia, sebagai reaksi perlindungan kulit terhadap efek berbahaya.

gelombang radio

Dengan bantuan gelombang radio hingga 1,5 km, informasi dapat ditransmisikan. Ini digunakan di radio dan televisi. Panjang yang begitu besar memungkinkan mereka untuk menekuk di sekitar permukaan bumi. Gelombang radio terpendek dapat dipantulkan dari lapisan atas atmosfer dan mencapai stasiun yang terletak di belahan dunia yang berlawanan.

sinar gamma

Sinar gamma diklasifikasikan sebagai radiasi ultraviolet yang sangat keras. Mereka terbentuk selama ledakan bom atom, serta selama proses di permukaan bintang. Radiasi ini merugikan organisme hidup, tetapi magnetosfer Bumi tidak membiarkan mereka lewat. Foton sinar gamma memiliki energi super tinggi.

Jenis radiasi pengion

Radiasi pengion (IR) - aliran partikel elementer (elektron, positron, proton, neutron) dan kuanta energi elektromagnetik, yang lintasannya melalui zat mengarah ke ionisasi (pembentukan ion dengan polaritas berbeda) dan eksitasi atom dan molekulnya. Ionisasi - transformasi atom atau molekul netral menjadi partikel bermuatan listrik - ion bII jatuh ke Bumi dalam bentuk sinar kosmik, timbul sebagai akibat peluruhan radioaktif inti atom (partikel , - dan sinar-X) , dibuat secara artifisial pada akselerator partikel bermuatan. Yang menarik secara praktis adalah jenis IR yang paling umum - fluks partikel a dan , radiasi , sinar-X dan fluks neutron.

radiasi alfa(a) - aliran partikel bermuatan positif - inti helium. Saat ini, lebih dari 120 inti alfa-radioaktif buatan dan alami diketahui, yang, dengan memancarkan partikel , kehilangan 2 proton dan 2 neutron. Kecepatan partikel selama peluruhan adalah 20 ribu km/s. Pada saat yang sama, partikel memiliki kemampuan penetrasi terendah, panjang lintasannya (jarak dari sumber ke penyerapan) di dalam tubuh adalah 0,05 mm, di udara - 8–10 cm, bahkan tidak dapat melewati selembar kertas. , tetapi kerapatan ionisasi per satuan rentangnya sangat besar (sebesar 1 cm hingga puluhan ribu pasang), sehingga partikel ini memiliki kemampuan pengion tertinggi dan berbahaya di dalam tubuh.

radiasi beta(β) adalah fluks partikel bermuatan negatif. Sekitar 900 isotop radioaktif beta saat ini diketahui. Massa partikel beberapa puluh ribu kali lebih kecil dari partikel , tetapi mereka memiliki daya tembus yang lebih besar. Kecepatan mereka adalah 200–300 ribu km/s. Panjang jalur aliran dari sumber di udara adalah 1800 cm, dalam jaringan manusia - 2,5 cm partikel-β sepenuhnya ditahan oleh bahan padat (pelat aluminium 3,5 mm, kaca organik); kemampuan ionisasinya 1000 kali lebih kecil dari partikel .

Radiasi gamma(γ) - radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang dari 1 10 -7 m hingga 1 10 -14 m; dipancarkan selama perlambatan elektron cepat dalam materi. Itu muncul dari peluruhan sebagian besar zat radioaktif dan memiliki daya tembus yang tinggi; merambat dengan kecepatan cahaya. Dalam medan listrik dan magnet, sinar tidak dibelokkan. Radiasi ini memiliki daya ionisasi yang lebih rendah daripada radiasi a- dan , karena kerapatan ionisasi per satuan panjang sangat rendah.

radiasi sinar-x dapat diperoleh dalam tabung sinar-X khusus, dalam akselerator elektron, selama perlambatan elektron cepat dalam materi dan selama transisi elektron dari kulit elektron terluar atom ke kulit dalam, ketika ion dibuat. Sinar-X, seperti radiasi , memiliki kemampuan pengion yang rendah, tetapi kedalaman penetrasi yang besar.

Neutron - partikel elementer inti atom, massanya 4 kali lebih kecil dari massa partikel . Masa hidup mereka sekitar 16 menit. Neutron tidak memiliki muatan listrik. Panjang jalur neutron lambat di udara sekitar 15 m, di lingkungan biologis - 3 cm; untuk neutron cepat, masing-masing 120 m dan 10 cm. Yang terakhir memiliki daya tembus tinggi dan menimbulkan bahaya terbesar.

Ada dua jenis radiasi pengion:

Corpuscular, terdiri dari partikel dengan massa diam bukan nol (-, - dan radiasi neutron);

Elektromagnetik (radiasi sinar-γ dan sinar-X) - dengan panjang gelombang yang sangat pendek.

Untuk menilai dampak radiasi pengion pada zat dan organisme hidup apa pun, jumlah khusus digunakan - dosis radiasi. Karakteristik utama dari interaksi radiasi pengion dan medium adalah efek ionisasi. Pada periode awal pengembangan dosimetri radiasi, paling sering diperlukan untuk menangani sinar-X yang merambat di udara. Oleh karena itu, derajat ionisasi udara dari tabung atau peralatan sinar-X digunakan sebagai ukuran kuantitatif medan radiasi. Ukuran kuantitatif berdasarkan jumlah ionisasi udara kering pada tekanan atmosfer normal, yang cukup mudah diukur, disebut dosis paparan.

Dosis paparan menentukan kapasitas pengion sinar-X dan sinar- dan menyatakan energi radiasi yang diubah menjadi energi kinetik partikel bermuatan per satuan massa udara atmosfer. Dosis paparan adalah rasio muatan total semua ion bertanda sama dalam volume dasar udara dengan massa udara dalam volume ini. Dalam sistem SI, satuan dosis paparan adalah coulomb dibagi kilogram (C/kg). Unit off-sistem adalah roentgen (R). 1 C/kg = 3880 R. Dengan semakin luasnya jangkauan jenis radiasi pengion yang telah diketahui dan ruang lingkup penerapannya, ternyata ukuran pengaruh radiasi pengion terhadap suatu zat tidak dapat ditentukan begitu saja karena kompleksitasnya. dan keragaman proses yang terjadi dalam kasus ini. Yang paling penting, yang menimbulkan perubahan fisikokimia pada zat yang disinari dan menyebabkan efek radiasi tertentu, adalah penyerapan energi radiasi pengion oleh zat tersebut. Akibatnya, konsep dosis serap muncul.

Dosis serap menunjukkan berapa banyak energi radiasi yang diserap per satuan massa dari setiap zat yang disinari, dan ditentukan oleh rasio energi yang diserap dari radiasi pengion dengan massa zat tersebut. Satuan SI dari dosis serap adalah abu-abu (Gy). 1 Gy adalah dosis di mana energi radiasi pengion 1 J ditransfer ke massa 1 kg Satuan non-sistemik dari dosis yang diserap adalah rad. 1 Gy = 100 rad. Studi tentang efek individu iradiasi jaringan hidup menunjukkan bahwa pada dosis serap yang sama, jenis radiasi yang berbeda menghasilkan efek biologis yang berbeda pada tubuh. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa partikel yang lebih berat (misalnya, proton) menghasilkan lebih banyak ion per satuan lintasan dalam jaringan daripada partikel yang ringan (misalnya, elektron). Dengan dosis serap yang sama, efek destruktif radiobiologis semakin tinggi, semakin padat ionisasi yang diciptakan oleh radiasi. Untuk menjelaskan efek ini, konsep dosis ekivalen diperkenalkan.

Dosis setara dihitung dengan mengalikan nilai dosis yang diserap dengan koefisien khusus - koefisien efektivitas biologis relatif (RBE) atau faktor kualitas. Nilai koefisien untuk berbagai jenis radiasi diberikan dalam Tabel. 7.

Tabel 7

Koefisien efektivitas biologis relatif untuk berbagai jenis radiasi

Satuan SI untuk dosis ekivalen adalah sievert (Sv). Nilai 1 Sv sama dengan dosis ekivalen semua jenis radiasi yang diserap dalam 1 kg jaringan biologis dan menciptakan efek biologis yang sama dengan dosis serapan 1 Gy radiasi foton. Satuan dosis ekivalen di luar sistem adalah rem (ekivalen biologis rad). 1 Sv = 100 rem. Beberapa organ dan jaringan manusia lebih sensitif terhadap efek radiasi daripada yang lain: misalnya, pada dosis ekivalen yang sama, terjadinya kanker di paru-paru lebih mungkin daripada di kelenjar tiroid, dan penyinaran pada kelenjar seks sangat berbahaya. karena risiko kerusakan genetik. Oleh karena itu, dosis radiasi dari organ dan jaringan yang berbeda harus diperhitungkan dengan koefisien yang berbeda, yang disebut koefisien risiko radiasi. Mengalikan nilai dosis ekivalen dengan koefisien risiko radiasi yang sesuai dan menjumlahkannya pada semua jaringan dan organ, kita peroleh dosis efektif, mencerminkan efek keseluruhan pada tubuh. Koefisien tertimbang ditetapkan secara empiris dan dihitung sedemikian rupa sehingga jumlah mereka untuk seluruh organisme adalah satu. Satuan dosis efektif sama dengan satuan dosis ekivalen. Itu juga diukur dalam sieverts atau rems.

Radiasi pengion adalah kombinasi dari berbagai jenis mikropartikel dan medan fisik yang memiliki kemampuan untuk mengionisasi suatu zat, yaitu membentuk partikel bermuatan listrik di dalamnya - ion.

BAGIAN III. MANAJEMEN KESELAMATAN HIDUP DAN MEKANISME EKONOMI YANG MEMASTIKANNYA

Ada beberapa jenis radiasi pengion: alfa, beta, gamma, dan radiasi neutron.

radiasi alfa

Dalam pembentukan partikel alfa bermuatan positif, 2 proton dan 2 neutron, yang merupakan bagian dari inti helium, ambil bagian. Partikel alfa terbentuk selama peluruhan inti atom dan dapat memiliki energi kinetik awal dari 1,8 hingga 15 MeV. Ciri khas radiasi alfa adalah daya ionisasi tinggi dan daya tembus rendah. Saat bergerak, partikel alfa kehilangan energinya dengan sangat cepat, dan ini menyebabkan fakta bahwa itu tidak cukup bahkan untuk mengatasi permukaan plastik tipis. Secara umum, iradiasi eksternal dengan partikel alfa, jika kita tidak memperhitungkan partikel alfa berenergi tinggi yang diperoleh dengan menggunakan akselerator, tidak membahayakan manusia, tetapi penetrasi partikel ke dalam tubuh dapat berbahaya bagi kesehatan, karena alfa radionuklida memiliki waktu paruh yang panjang dan sangat terionisasi. Jika tertelan, partikel alfa seringkali bisa lebih berbahaya daripada radiasi beta dan gamma.

radiasi beta

Partikel beta bermuatan, yang kecepatannya mendekati kecepatan cahaya, terbentuk sebagai hasil peluruhan beta. Sinar beta lebih menembus daripada sinar alfa - mereka dapat menyebabkan reaksi kimia, pendaran, mengionisasi gas, dan memiliki efek pada pelat fotografi. Sebagai perlindungan terhadap aliran partikel beta bermuatan (energi tidak lebih dari 1 MeV), cukup menggunakan pelat aluminium biasa setebal 3-5 mm.

Radiasi foton: radiasi gamma dan sinar-x

Radiasi foton mencakup dua jenis radiasi: sinar-x (bisa bremsstrahlung dan karakteristik) dan radiasi gamma.

Bentuk paling umum dari radiasi foton adalah energi yang sangat tinggi pada partikel gamma dengan panjang gelombang sangat pendek, yang merupakan aliran energi tinggi, foton tanpa muatan. Tidak seperti sinar alfa dan beta, partikel gamma tidak dibelokkan oleh medan magnet dan listrik dan memiliki daya tembus yang jauh lebih besar. Dalam jumlah tertentu dan untuk durasi paparan tertentu, radiasi gamma dapat menyebabkan penyakit radiasi dan menyebabkan berbagai penyakit onkologis. Hanya unsur kimia berat seperti, misalnya, timbal, uranium yang habis, dan tungsten yang dapat mencegah penyebaran aliran partikel gamma.

radiasi neutron

Sumber radiasi neutron dapat berupa ledakan nuklir, reaktor nuklir, laboratorium dan instalasi industri.

Neutron sendiri secara elektrik netral, tidak stabil (waktu paruh neutron bebas adalah sekitar 10 menit), yang, karena fakta bahwa mereka tidak memiliki muatan, dicirikan oleh daya tembus yang tinggi dengan tingkat interaksi yang rendah dengan materi. Radiasi neutron sangat berbahaya, oleh karena itu, sejumlah bahan khusus, terutama yang mengandung hidrogen, digunakan untuk melindunginya. Yang terbaik dari semuanya, radiasi neutron diserap oleh air biasa, polietilen, parafin, dan larutan hidroksida logam berat.

Bagaimana radiasi pengion mempengaruhi zat?

Semua jenis radiasi pengion sampai batas tertentu mempengaruhi berbagai zat, tetapi paling menonjol dalam partikel gamma dan neutron. Jadi, dengan paparan yang lama, mereka dapat secara signifikan mengubah sifat berbagai bahan, mengubah komposisi kimia zat, mengionisasi dielektrik dan memiliki efek destruktif pada jaringan biologis. Latar belakang radiasi alami tidak akan membawa banyak bahaya bagi seseorang, namun, ketika menangani sumber radiasi pengion buatan, seseorang harus sangat berhati-hati dan mengambil semua tindakan yang diperlukan untuk meminimalkan tingkat paparan radiasi pada tubuh.

Jenis-jenis radiasi pengion dan sifat-sifatnya

Radiasi pengion adalah aliran partikel dan kuanta elektromagnetik, sebagai akibatnya ion bermuatan berbeda terbentuk pada medium.

Berbagai jenis radiasi disertai dengan pelepasan sejumlah energi dan memiliki daya tembus yang berbeda, sehingga memiliki efek yang berbeda pada tubuh. Bahaya terbesar bagi manusia adalah radiasi radioaktif, seperti y-, sinar-X, neutron, a- dan b-radiasi.

Sinar-X dan radiasi-y adalah aliran energi kuantum. Sinar gamma memiliki panjang gelombang yang lebih pendek daripada sinar-x. Berdasarkan sifat dan sifatnya, radiasi ini tidak berbeda jauh satu sama lain, mereka memiliki daya tembus yang tinggi, kelurusan rambat dan kemampuan untuk menciptakan radiasi sekunder dan tersebar di media yang dilaluinya. Namun, sementara sinar-X biasanya diproduksi secara elektronik, sinar-y dipancarkan oleh isotop yang tidak stabil atau radioaktif.

Jenis radiasi pengion yang tersisa adalah partikel materi (atom) yang bergerak cepat, beberapa di antaranya membawa muatan listrik, yang lain tidak.

Neutron adalah satu-satunya partikel tak bermuatan yang dihasilkan oleh transformasi radioaktif apa pun, dengan massa yang sama dengan massa proton. Karena partikel-partikel ini netral secara elektrik, mereka menembus jauh ke dalam zat apa pun, termasuk jaringan hidup. Neutron adalah partikel dasar dari mana inti atom dibangun.

Ketika melewati materi, mereka hanya berinteraksi dengan inti atom, mentransfer sebagian energi mereka ke mereka, dan mereka sendiri mengubah arah gerakan mereka. Inti atom "melompat keluar" dari kulit elektron dan, melewati zat, menghasilkan ionisasi.

Elektron adalah partikel bermuatan negatif ringan yang ada di semua atom stabil. Elektron sangat sering digunakan selama peluruhan radioaktif materi, dan kemudian disebut partikel . Mereka juga dapat diperoleh di laboratorium. Energi yang hilang oleh elektron ketika melewati materi dihabiskan untuk eksitasi dan ionisasi, serta untuk pembentukan bremsstrahlung.

Partikel alfa adalah inti atom helium, tanpa elektron orbital dan terdiri dari dua proton dan dua neutron yang dihubungkan bersama. Mereka memiliki muatan positif, relatif berat, dan saat melewati zat, mereka menghasilkan ionisasi zat dengan kepadatan tinggi.

Biasanya partikel-a dipancarkan selama peluruhan radioaktif dari unsur-unsur berat alami (radium, thorium, uranium, polonium, dll.).

Partikel bermuatan (elektron dan inti atom helium), melewati zat, berinteraksi dengan elektron atom, masing-masing kehilangan 35 dan 34 eV. Dalam hal ini, setengah dari energi dihabiskan untuk ionisasi (pemisahan elektron dari atom), dan setengah lainnya untuk eksitasi atom dan molekul medium (transfer elektron ke kulit yang lebih jauh dari nukleus). ).

Jumlah atom terionisasi dan tereksitasi yang dibentuk oleh partikel-a per satuan panjang lintasan dalam medium adalah ratusan kali lebih banyak daripada partikel-p (Tabel 5.1).

Tabel 5.1. Kisaran a- dan b-partikel energi yang berbeda dalam jaringan otot

Energi partikel, MeV	Jarak tempuh, mikron	Energi partikel, MeV	Jarak tempuh, mikron	Energi partikel, MeV	Jarak tempuh, mikron
	—

Ini disebabkan oleh fakta bahwa massa partikel-a sekitar 7000 kali lebih besar daripada massa partikel-beta, oleh karena itu, pada energi yang sama, kecepatannya jauh lebih kecil daripada kecepatan partikel-beta.

Partikel yang dipancarkan selama peluruhan radioaktif memiliki kecepatan sekitar 20 ribu km/s, sedangkan kecepatan partikel mendekati kecepatan cahaya dan berjumlah 200...270 ribu km/s. Jelas bahwa semakin rendah kecepatan partikel, semakin besar kemungkinan interaksinya dengan atom-atom medium, dan, akibatnya, semakin besar kehilangan energi per unit jalur dalam medium, yang berarti semakin rendah jangkauannya. Dari Tabel. 5.1 dapat disimpulkan bahwa kisaran partikel-a dalam jaringan otot adalah 1000 kali lebih kecil dari kisaran partikel- dengan energi yang sama.

Ketika radiasi pengion melewati organisme hidup, ia mentransfer energinya ke jaringan dan sel biologis secara tidak merata. Akibatnya, meskipun sejumlah kecil energi yang diserap oleh jaringan, beberapa sel makhluk hidup akan rusak secara signifikan. Efek total radiasi pengion yang terlokalisasi dalam sel dan jaringan disajikan pada Tabel. 5.2.

Tabel 5.2. Efek biologis dari radiasi pengion

Sifat dampak	Tahapan pengaruh		Efek dampak
Tindakan langsung radiasi		10 -24 … 10 -4 dt 10 16 …10 8 dt	Penyerapan energi. interaksi awal. Sinar-X dan radiasi-y, neutron Elektron, proton, partikel-a
		10 -12 … 10 -8 s	Tahap fisika-kimia. Perpindahan energi berupa ionisasi pada lintasan primer. Molekul terionisasi dan tereksitasi secara elektronik
		10 7 …10 5 detik, beberapa jam	Kerusakan kimia. Dengan tindakan saya. tindakan tidak langsung. Radikal bebas dari air. Eksitasi molekul ke kesetimbangan termal
Efek tidak langsung dari radiasi		Mikrodetik, detik, menit, beberapa jam	kerusakan biomolekuler. Perubahan molekul protein, asam nukleat di bawah pengaruh proses metabolisme
		Menit, jam, minggu	Efek biologis dan fisiologis awal. kerusakan biokimia. Kematian sel, kematian hewan individu
		Bertahun-tahun, berabad-abad	Efek biologis jangka panjang Disfungsi persisten. radiasi pengion Mutasi genetik, efek pada keturunan. Efek somatik: kanker, leukemia, penurunan harapan hidup, kematian tubuh

Perubahan radiasi-kimia primer dalam molekul dapat didasarkan pada dua mekanisme: 1) aksi langsung, ketika molekul tertentu mengalami perubahan (ionisasi, eksitasi) secara langsung pada interaksi dengan radiasi; 2) tindakan tidak langsung, ketika molekul tidak secara langsung menyerap energi radiasi pengion, tetapi menerimanya dengan mentransfernya dari molekul lain.

Diketahui bahwa dalam jaringan biologis 60...70% massanya adalah air. Oleh karena itu, mari kita perhatikan perbedaan antara efek radiasi langsung dan tidak langsung dengan menggunakan contoh penyinaran air.

Mari kita asumsikan bahwa molekul air terionisasi oleh partikel bermuatan, akibatnya ia kehilangan elektron:

H2O -> H20+e - .

Sebuah molekul air terionisasi bereaksi dengan molekul air netral lainnya, menghasilkan pembentukan radikal OH hidroksil yang sangat reaktif:

H2O + H2O -> H3O + + OH*.

Elektron yang dikeluarkan juga dengan sangat cepat mentransfer energi ke molekul air di sekitarnya, dan dalam kasus ini, molekul air yang sangat tereksitasi H2O* muncul, yang berdisosiasi membentuk dua radikal, H* dan OH*:

H2O + e- -> H2O*H' + OH'.

Radikal bebas mengandung elektron yang tidak berpasangan dan sangat reaktif. Waktu hidup mereka di air tidak lebih dari 10-5 detik. Selama waktu ini, mereka bergabung kembali satu sama lain atau bereaksi dengan substrat terlarut.

Dengan adanya oksigen terlarut dalam air, produk radiolisis lainnya juga terbentuk: radikal bebas hidroperoksida HO2, hidrogen peroksida H2O2 dan oksigen atom:

H* + O2 -> HO2;
HO*2 + HO2 -> H2O2 +20.

Dalam sel organisme hidup, situasinya jauh lebih rumit daripada dalam kasus iradiasi air, terutama jika zat penyerapnya besar dan molekul biologis multikomponen. Dalam hal ini, radikal organik D* terbentuk, yang juga dicirikan oleh reaktivitas yang sangat tinggi. Dengan sejumlah besar energi, mereka dapat dengan mudah menyebabkan pemutusan ikatan kimia. Proses inilah yang paling sering terjadi dalam interval antara pembentukan pasangan ion dan pembentukan produk kimia akhir.

Selain itu, efek biologis ditingkatkan oleh pengaruh oksigen. Produk yang sangat reaktif DO2* (D* + O2 -> DO2*), yang juga terbentuk sebagai hasil interaksi radikal bebas dengan oksigen, mengarah pada pembentukan molekul baru dalam sistem iradiasi.

Radikal bebas dan molekul agen pengoksidasi yang dihasilkan dalam proses radiolisis air, memiliki aktivitas kimia tinggi, masuk ke dalam reaksi kimia dengan molekul protein, enzim, dan elemen struktural lain dari jaringan biologis, yang mengarah pada perubahan proses biologis dalam tubuh. Akibatnya, proses metabolisme terganggu, aktivitas sistem enzim ditekan, pertumbuhan jaringan melambat dan berhenti, senyawa kimia baru muncul yang bukan karakteristik tubuh - racun. Hal ini menyebabkan terganggunya aktivitas vital sistem individu atau organisme secara keseluruhan.

Reaksi kimia yang disebabkan oleh radikal bebas melibatkan ratusan dan ribuan molekul yang tidak terpengaruh oleh radiasi. Ini adalah kekhususan aksi radiasi pengion pada objek biologis. Tidak ada jenis energi lain (termal, listrik, dll.), diserap oleh objek biologis dalam jumlah yang sama, menyebabkan perubahan seperti penyebab radiasi pengion.

Efek radiasi yang tidak diinginkan dari paparan radiasi pada tubuh manusia secara kondisional dibagi menjadi somatik (soma - Yunani untuk "tubuh") dan genetik (keturunan).

Efek somatik dimanifestasikan secara langsung pada orang yang diiradiasi itu sendiri, dan efek genetik pada keturunannya.

Selama beberapa dekade terakhir, sejumlah besar radionuklida buatan telah dibuat oleh manusia, yang penggunaannya merupakan beban tambahan pada latar belakang radiasi alami Bumi dan meningkatkan dosis radiasi bagi manusia. Tapi, ditujukan secara eksklusif untuk penggunaan damai, radiasi pengion berguna bagi manusia, dan hari ini sulit untuk menunjukkan bidang pengetahuan atau ekonomi nasional yang tidak menggunakan radionuklida atau sumber radiasi pengion lainnya. Pada awal abad ke-21, "atom damai" telah menemukan penerapannya dalam kedokteran, industri, pertanian, mikrobiologi, energi, eksplorasi ruang angkasa, dan bidang lainnya.

Jenis radiasi dan interaksi radiasi pengion dengan materi

Penggunaan energi nuklir telah menjadi kebutuhan vital bagi keberadaan peradaban modern dan sekaligus merupakan tanggung jawab yang besar, karena sumber energi ini harus digunakan secara rasional dan hati-hati mungkin.

Fitur radionuklida yang berguna

Karena peluruhan radioaktif, radionuklida "memberi sinyal", sehingga menentukan lokasinya. Menggunakan perangkat khusus yang merekam sinyal dari peluruhan bahkan atom tunggal, para ilmuwan telah belajar menggunakan zat ini sebagai indikator untuk membantu menyelidiki berbagai proses kimia dan biologis yang terjadi di jaringan dan sel.

Jenis sumber teknogenik radiasi pengion

Semua sumber radiasi pengion buatan manusia dapat dibagi menjadi dua jenis.

• Medis - digunakan baik untuk mendiagnosis penyakit (misalnya, mesin sinar-x dan fluorografi) dan untuk melakukan prosedur radioterapi (misalnya, unit radioterapi untuk pengobatan kanker). Juga, sumber medis AI termasuk radiofarmasi (isotop radioaktif atau senyawanya dengan berbagai zat anorganik atau organik), yang dapat digunakan baik untuk diagnosis penyakit maupun untuk pengobatannya.
• Radionuklida dan generator buatan industri:
  • di bidang energi (reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir);
  • di bidang pertanian (untuk seleksi dan penelitian tentang efektivitas pupuk)
  • di bidang pertahanan (bahan bakar untuk kapal bertenaga nuklir);
  • dalam konstruksi (pengujian non-destruktif dari struktur logam).

Menurut data statis, volume produksi produk radionuklida di pasar dunia pada 2011 berjumlah 12 miliar dolar, dan pada 2030 angka ini diperkirakan meningkat enam kali lipat.