RADIATION electromagnetic,

1) sa klasikal na electrodynamics - ang proseso ng pagbuo ng isang libreng electromagnetic field na nangyayari sa panahon ng pakikipag-ugnayan ng mga electrically charged na particle (o ang kanilang mga system); sa quantum theory - ang proseso ng pagsilang (emission) ng mga photon kapag nagbabago ang estado ng isang quantum system;

2) libreng electromagnetic field - electromagnetic waves.

Ang mga pundasyon ng klasikal na teorya ng radiation - electrodynamics - ay inilatag sa unang kalahati ng ika-19 na siglo sa mga gawa nina M. Faraday at J.K. Maxwell, na bumuo ng mga ideya ni Faraday, na nagbibigay sa mga batas ng radiation ng isang mahigpit na anyo ng matematika. Sinundan ito mula sa mga equation ni Maxwell na ang mga electromagnetic wave sa vacuum sa anumang frame of reference ay kumakalat sa parehong bilis - sa bilis ng liwanag c = 3·10 8 m/s. Ipinaliwanag ng teorya ni Maxwell ang maraming pisikal na phenomena, pinagsamang optical, electrical at magnetic phenomena, ang naging batayan ng electrical at radio engineering, ngunit ang ilang phenomena (halimbawa, spectra ng atoms at molecules) ay maipaliwanag lamang pagkatapos ng paglikha ng quantum. teorya ng radiation, ang mga pundasyon nito ay inilatag ni M. Plath, A. Einstein, N. Bohr, P. Dirac at iba pa. Ang teorya ng radiation ay ganap na napatunayan sa quantum electrodynamics, na natapos noong 1950s sa mga gawa ng R. F. Feynman, J. Schwinger, F. Dyson at iba pa.

Ang mga katangian ng proseso ng radiation at ang libreng electromagnetic field (radiation intensity, radiation spectrum, pamamahagi ng enerhiya dito, radiation energy flux density, atbp.) ay nakasalalay sa mga katangian ng radiating charged particle (o sistema ng mga particle) at ang mga kondisyon ng pakikipag-ugnayan nito sa mga electric at / o magnetic field, na humahantong sa radiation. Kaya, kapag ang isang sisingilin na particle ay dumaan sa isang sangkap, bilang isang resulta ng pakikipag-ugnayan sa mga atomo ng sangkap, ang bilis ng particle ay nagbabago at naglalabas ito ng tinatawag na bremsstrahlung (tingnan sa ibaba). Ang libreng electromagnetic field, depende sa wavelength range λ, ay tinatawag na radio emission (tingnan ang Radio waves), infrared radiation, optical radiation, ultraviolet radiation, x-ray radiation, gamma radiation.

Ang electromagnetic field ng isang sisingilin na particle na pare-pareho at rectilinearly na gumagalaw sa vacuum sa mga distansyang malayo mula dito ay bale-wala, at masasabi natin na ang field na nakuha nito ay gumagalaw kasama nito sa parehong bilis. Ang mga katangian ng naturang self-field ng isang sisingilin na particle ay nakasalalay sa magnitude at direksyon ng bilis nito at hindi nagbabago kung ito ay pare-pareho; hindi nag-radiate ang naturang particle. Kung ang bilis ng isang sisingilin na particle ay nagbago (halimbawa, sa isang banggaan sa isa pang particle), kung gayon ang sariling field bago at pagkatapos ng pagbabago sa bilis ay iba - kapag ang bilis ay nagbago, ang sariling field ay muling inaayos upang ang bahagi nito lumalabas at hindi na konektado sa sinisingil na particle - ito ay nagiging isang libreng field. Kaya, ang pagbuo ng mga electromagnetic wave ay nangyayari kapag ang bilis ng isang sisingilin na butil ay nagbabago; ang mga dahilan para sa pagbabago ng bilis ay iba-iba, alinsunod dito, iba't ibang uri ng radiation ang lumitaw (bremsstrahlung, magnetic bremsstrahlung, atbp.). Ang radiation ng isang sistema ng mga particle ay nakasalalay sa istraktura nito; maaari itong maging kahalintulad sa radiation ng isang particle, kumakatawan sa radiation ng isang dipole (dipole radiation) o isang multipole (multipole radiation).

Sa panahon ng paglipol ng isang electron at isang positron (tingnan ang Annihilation at pares production), isang libreng electromagnetic field (photon) ay nabuo din. Ang enerhiya at momentum ng annihilating particle ay natipid, iyon ay, sila ay inilipat sa electromagnetic field. Nangangahulugan ito na ang larangan ng radiation ay palaging may enerhiya at momentum.

Ang mga electromagnetic wave na nabuo sa proseso ng radiation ay bumubuo ng isang daloy ng enerhiya na umaalis sa pinagmulan, ang density ng kung saan S(r,t) (Poynting vector ay ang enerhiya na dumadaloy sa bawat yunit ng oras sa pamamagitan ng isang unit surface patayo sa daloy) sa oras t sa layo na r mula sa nag-iilaw na sisingilin na particle ay proporsyonal sa produkto ng vector ng mga lakas ng magnetic H (r, t) at electric E (r, t) na mga patlang:

Ang kabuuang enerhiyang W na nawala sa pamamagitan ng isang sisingilin na particle sa bawat yunit ng oras sa panahon ng radiation ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pagkalkula ng energy flux sa pamamagitan ng isang globo ng walang katapusang malaking radius r.

kung saan dΩ. - solid angle element, n - unit vector sa direksyon ng pagpapalaganap ng radiation. Ang self-field ng system ng mga singil sa malalayong distansya ay bumababa na may distansya na mas mabilis kaysa sa 1/r, at ang radiation field sa malalaking distansya mula sa pinagmulan ay bumababa bilang 1 /r.

Emitter coherence. Ang density ng radiation flux na dumarating sa isang tiyak na punto sa espasyo mula sa dalawang magkatulad na mapagkukunan ay proporsyonal sa produkto ng vector ng mga kabuuan ng mga lakas ng kuryente E 1 (r, t) at E 2 (r, t) at magnetic H 1 ( r, t) at H 2 (r, t) na mga patlang ng mga electromagnetic wave mula sa mga mapagkukunan 1 at 2:

Ang resulta ng pagdaragdag ng dalawang sinusoidal plane wave ay depende sa mga phase kung saan sila dumating sa isang naibigay na punto. Kung ang mga phase ay pareho, kung gayon ang mga patlang E at H ay doble, at ang enerhiya ng patlang sa isang naibigay na punto ay tataas ng 4 na beses kumpara sa enerhiya ng patlang mula sa isang pinagmumulan. Sa kaso kapag ang mga alon mula sa dalawang magkaibang pinagmumulan ay dumating sa detektor na may magkasalungat na yugto, ang mga cross product ng mga field at [E 2 (r, t) H 1 (r, t)] sa (3) ay maglalaho. Bilang resulta, dalawang beses na mas maraming enerhiya ang dumarating sa isang naibigay na punto mula sa dalawang emitters kaysa sa isang emitter. Sa kaso ng N emitters, ang mga alon kung saan dumarating sa isang naibigay na punto sa parehong mga yugto, ang enerhiya ay tataas ng N 2 beses. Ang ganitong mga emitters ay tinatawag na magkakaugnay. Kung ang mga yugto ng mga alon na dumarating sa detektor mula sa bawat emitter ay random, kung gayon ang mga patlang mula sa iba't ibang mga emitter ay bahagyang nakansela kapag idinagdag sa punto ng pagmamasid. Pagkatapos, mula sa N pinagmumulan, ang detektor ay magrerehistro ng enerhiya ng N beses na mas malaki kaysa mula sa isang pinagmulan. Ang ganitong mga mapagkukunan (at ang kanilang radiation) ay tinatawag na hindi magkakaugnay. Kabilang dito ang halos lahat ng karaniwang pinagmumulan ng liwanag (apoy ng kandila, maliwanag na lampara, fluorescent lamp, atbp.); sa kanila, ang mga sandali ng oras ng paglabas ng bawat atom o molekula (at, nang naaayon, ang mga yugto kung saan ang mga alon ng kanilang radiation ay dumating sa isang tiyak na punto) ay random. Ang magkakaugnay na mga mapagkukunan ng radiation ay mga laser, kung saan ang mga kondisyon ay nilikha para sa sabay-sabay na pag-iilaw ng lahat ng mga atomo ng gumaganang sangkap.

Reaksyon ng radiation. Ang isang radiating charged particle ay nawawalan ng enerhiya, kaya na sa proseso ng radiation isang puwersa na kumikilos sa particle ay nalikha, na nagpapabagal sa bilis nito at tinatawag na radiation reaction force o ang radiative friction force. Sa nonrelativistic velocities ng charged particles, ang reaction force ng radiation ay palaging maliit, ngunit sa velocities na malapit sa bilis ng liwanag, maaari itong gumanap ng malaking papel. Kaya, sa magnetic field ng Earth, ang pagkalugi ng enerhiya dahil sa radiation ng high-energy cosmic ray electron ay napakalaki na ang mga electron ay hindi maabot ang ibabaw ng Earth. Ang mga particle ng cosmic ray na may parehong enerhiya at mas malaking masa ay may mas kaunting pagkawala ng enerhiya sa radiation kaysa sa mga electron, at umabot sila sa ibabaw ng Earth. Ito ay sumusunod mula dito na ang komposisyon ng mga cosmic ray na naitala sa ibabaw ng Earth at mula sa mga satellite ay maaaring magkaiba.

Haba ng pagkakaugnay ng radiation. Ang mga proseso ng radyasyon sa nonrelativistic at ultrarelativistic velocities ng isang charged particle ay naiiba sa laki ng rehiyon ng espasyo kung saan nabuo ang radiation field. Sa di-relativistic na kaso (kapag ang bilis v ng particle ay mababa), ang radiation field ay umalis sa singil sa bilis ng liwanag at ang proseso ng radiation ay nagtatapos nang mabilis, ang laki ng radiation formation region (coherence length) L ay marami mas maliit kaysa sa radiation wavelength λ, L ~ λv / s. Kung ang bilis ng particle ay malapit sa bilis ng liwanag (sa relativistic na bilis), ang nagreresultang radiation field at ang particle na lumikha nito ay gumagalaw nang matagal na malapit sa isa't isa at naghihiwalay, na lumipad ng medyo mahabang distansya. Ang pagbuo ng radiation field ay tumatagal ng mas matagal, at ang haba L ay mas malaki kaysa sa wavelength, L~λγ (kung saan ang γ= -1/2 ay ang Lorentz factor ng particle).

Bremsstrahlung nangyayari kapag ang isang sisingilin na particle ay nakakalat sa mga atomo ng isang substance. Kung ang oras na Δt kung saan ang isang particle na may charge e sa panahon ng scattering ay nagbabago ng bilis nito mula v 1 hanggang v 2 ay mas mababa kaysa sa radiation formation time L/v, kung gayon ang pagbabago sa bilis ng isang charged particle ay maituturing na madalian. Pagkatapos ang pamamahagi ng enerhiya ng radiation sa mga anggulo at pabilog na mga frequency ω ay may anyo:

Ang pag-multiply ng expression na ito sa posibilidad ng pagbabago ng bilis ng particle sa panahon ng scattering mula v 1 hanggang v 2 at pagsasama ng resultang expression sa lahat ng v 2, maaari nating makuha ang pamamahagi ng enerhiya ng bremsstrahlung sa mga frequency at anggulo (independiyente sa dalas). Ang mas magaan na mga particle ay mas madaling mapalihis kapag nakikipag-ugnayan sa isang atom, kaya ang intensity ng bremsstrahlung ay inversely proportional sa square ng mass ng mabilis na particle. Ang Bremsstrahlung ang pangunahing dahilan ng pagkawala ng enerhiya ng mga relativistic na electron sa bagay kapag ang enerhiya ng elektron ay mas malaki kaysa sa ilang kritikal na enerhiya, na 83 MeV para sa hangin, 47 MeV para sa Al, at 59 MeV para sa Pb.

Magnetic bremsstrahlung nangyayari kapag ang isang sisingilin na particle ay gumagalaw sa isang magnetic field na yumuko sa tilapon ng paggalaw nito. Sa isang pare-pareho at pare-parehong magnetic field, ang trajectory ng isang sisingilin na particle na may mass m ay isang spiral, ibig sabihin, ito ay binubuo ng pare-parehong paggalaw sa direksyon ng field at pag-ikot sa paligid nito na may dalas na ω H = eH/γmс.

Ang periodicity ng paggalaw ng particle ay humahantong sa katotohanan na ang mga alon na ibinubuga nito ay may mga frequency na multiple ng ω H: ω = Mω H, kung saan N=1,2,3 ... . Ang radiation ng ultrarelativistic particle sa isang magnetic field ay tinatawag na synchrotron radiation. Ito ay may malawak na frequency spectrum na may maximum sa ω ng pagkakasunud-sunod ng ω Н γ 3 at ang pangunahing bahagi ng emitted energy ay nasa frequency range ω » ω Н. Sa kasong ito, ang mga pagitan sa pagitan ng mga katabing frequency ay mas maliit kaysa sa ang dalas, kaya ang pamamahagi ng dalas sa synchrotron radiation spectrum ay maaaring ituring na tuloy-tuloy. Sa hanay ng dalas ω » ω Н γ 3 ang intensity ng radiation ay tumataas nang may dalas bilang ω 2/3 , at sa hanay ng dalas ω » ω Н γ 3 ang intensity ng radiation ay bumababa nang malaki sa pagtaas ng dalas. Ang synchrotron radiation ay may maliit na angular divergence (sa pagkakasunud-sunod ng l/γ) at isang mataas na antas ng polarization sa eroplano ng orbit ng particle. Ang magnetic bremsstrahlung sa nonrelativistic velocities ng charged particles ay tinatawag na cyclotron radiation, ang frequency nito ay ω = ω H.

Undulator radiation ay nangyayari kapag ang isang ultrarelativistic charged particle ay gumagalaw na may maliit na transverse periodic deviations, halimbawa, kapag lumilipad sa isang pana-panahong pagbabago ng electric field (tulad ng isang field ay nabuo, halimbawa, sa mga espesyal na aparato - undulators). Ang frequency ω ng undulator radiation ay nauugnay sa dalas ng transverse vibrations ω 0 ng particle sa pamamagitan ng kaugnayan

kung saan ang θ ay ang anggulo sa pagitan ng bilis ng particle v at ang direksyon ng pagpapalaganap ng radiation ng undulator. Ang isang analogue ng ganitong uri ng radiation ay radiation na nangyayari kapag ang mga naka-charge na particle ay ini-channel sa mga solong kristal, kapag ang isang particle na gumagalaw sa pagitan ng mga kalapit na kristal na graphic na eroplano ay nakakaranas ng mga transverse vibrations dahil sa pakikipag-ugnayan sa isang intracrystalline field.

Ang radiation ng Vavilov-Cherenkov naobserbahan kapag ang isang naka-charge na particle ay gumagalaw nang pantay sa isang medium sa bilis na lumalampas sa phase velocity ng light c/ε 1/2 sa medium (ε ay ang permittivity ng medium). Sa kasong ito, ang bahagi ng sariling field ng particle ay nahuhuli dito at bumubuo ng mga electromagnetic wave na nagpapalaganap sa isang anggulo sa direksyon ng paggalaw ng particle (tingnan ang Vavilov-Cherenkov radiation), na tinutukoy ng pagkakapantay-pantay cos θ = с/vε 1/2 . Para sa pagtuklas at pagpapaliwanag ng panimula na bagong uri ng radiation na ito, na natagpuan ang malawak na aplikasyon para sa pagsukat ng bilis ng mga sisingilin na particle, I. E. Tamm, I. M. Frank at P. A. Cherenkov ay iginawad sa Nobel Prize (1958).

radiation ng paglipat(Hulaan nina V. L. Ginzburg at I. M. Frank noong 1946) bumangon sa panahon ng pare-parehong rectilinear motion ng isang sisingilin na particle sa kalawakan na may hindi magkakatulad na mga katangian ng dielectric. Kadalasan, ito ay nabubuo kapag ang isang particle ay tumatawid sa interface sa pagitan ng dalawang media na may magkaibang mga permitivity (ito ay madalas na ang radiation na ito ay itinuturing na transition radiation; tingnan ang Transition radiation). Ang self-field ng isang particle na gumagalaw sa isang pare-pareho ang bilis sa iba't ibang media ay naiiba, kaya na sa interface sa pagitan ng media, ang self-field ay muling inayos, na humahantong sa radiation. Ang radiation ng paglipat ay hindi nakasalalay sa masa ng isang mabilis na butil, ang intensity nito ay hindi nakasalalay sa bilis ng particle, ngunit sa enerhiya nito, na ginagawang posible na lumikha sa batayan nito ng mga natatanging tumpak na pamamaraan para sa pag-detect ng mga ultrahigh-energy na particle.

Diffraction radiation lumitaw sa panahon ng pagpasa ng isang sisingilin na particle sa vacuum malapit sa ibabaw ng isang substance, kapag ang sariling field ng particle ay nagbabago dahil sa pakikipag-ugnayan nito sa mga inhomogeneities sa ibabaw. Matagumpay na ginagamit ang diffraction radiation upang pag-aralan ang mga katangian ng ibabaw ng bagay.

Radiation ng mga sistema ng mga sisingilin na particle.

Ang pinakasimpleng sistema na maaaring mag-radiate ay isang electric dipole na may variable na dipole moment - isang sistema ng dalawang magkasalungat na sisingilin oscillating particle. Kapag ang dipole field ay nagbabago, halimbawa, kapag ang mga particle ay nag-vibrate sa kahabaan ng tuwid na linya (dipole axis) na nagkokonekta sa kanila patungo sa isa't isa, bahagi ng field ay napunit at ang mga electromagnetic wave ay nabuo. Ang nasabing radiation ay hindi isotropic, ang enerhiya nito sa iba't ibang direksyon ay hindi pareho: ito ay pinakamataas sa direksyon na patayo sa particle oscillation axis, at wala sa patayo na direksyon, para sa mga intermediate na direksyon ang intensity nito ay proporsyonal sa sinθ 2 (θ ay ang anggulo sa pagitan ng direksyon ng radiation at ng particle oscillation axis). Ang mga tunay na naglalabas, bilang panuntunan, ay binubuo ng isang malaking bilang ng mga particle na magkasalungat na sinisingil, ngunit madalas na isinasaalang-alang ang kanilang lokasyon at ang mga detalye ng paggalaw palayo sa system ay hindi gaanong mahalaga; sa kasong ito, posibleng gawing simple ang tunay na pamamahagi sa pamamagitan ng "paghila" ng mga singil ng parehong pangalan sa ilang mga sentro ng pamamahagi ng singil. Kung ang sistema sa kabuuan ay neutral sa kuryente, kung gayon ang radiation nito ay maaaring ituring na humigit-kumulang na radiation ng isang electric dipole.

Kung walang dipole radiation ng system, maaari itong kinakatawan bilang isang quadrupole o isang mas kumplikadong sistema - isang multipole. Kapag gumagalaw ang mga singil dito, lumilitaw ang electric quadrupole o multipole radiation. Ang mga mapagkukunan ng radyasyon ay maaari ding mga system na mga magnetic dipoles (halimbawa, isang kasalukuyang loop) o magnetic multipoles. Ang intensity ng magnetic dipole radiation, bilang panuntunan, ay (v/c) 2 beses na mas mababa kaysa sa intensity ng electric dipole radiation at ng parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude bilang electric quadrupole radiation.

Quantum theory ng radiation. Isinasaalang-alang ng quantum electrodynamics ang mga proseso ng radiation ng mga quantum system (mga atomo, molekula, atomic nuclei, atbp.), na ang pag-uugali ay napapailalim sa mga batas ng quantum mechanics; sa kasong ito, ang libreng electromagnetic field ay kinakatawan bilang isang set ng quanta ng field na ito - mga photon. Ang enerhiya ng photon E ay proporsyonal sa dalas nito v (v = ω/2π), ibig sabihin, E=hv (h ay pare-pareho ng Planck), at ang momentum p ay proporsyonal sa wave vector k: p = hk. Ang paglabas ng isang photon ay sinamahan ng isang quantum transition ng system mula sa isang estado na may enerhiya E 1 sa isang estado na may mas mababang enerhiya E 2 =E 1 - hv (mula sa antas ng enerhiya E 1 hanggang sa antas E 2). Ang enerhiya ng isang nakatali na sistemang quantum (halimbawa, isang atom) ay binibilang, ibig sabihin, ito ay nangangailangan lamang ng mga discrete na halaga; discrete din ang radiation frequency ng naturang sistema. Kaya, ang radiation ng isang quantum system ay binubuo ng hiwalay na mga linya ng spectral na may ilang mga frequency, ibig sabihin, mayroon itong discrete spectrum. Ang isang tuluy-tuloy (tuloy-tuloy) na spectrum ng paglabas ay nakukuha kapag ang isa (o pareho) ng mga pagkakasunud-sunod ng mga halaga ng paunang at panghuling enerhiya ng system kung saan nangyayari ang quantum transition ay tuloy-tuloy (halimbawa, sa panahon ng recombination ng isang libreng electron at isang ion).

Ginawang posible ng quantum electrodynamics na kalkulahin ang mga intensidad ng radiation ng iba't ibang mga sistema, isaalang-alang ang mga probabilidad ng nonradiative transition, mga proseso ng paglilipat ng radiation, kalkulahin ang tinatawag na radiative corrections, at iba pang mga katangian ng radiation ng mga quantum system.

Ang lahat ng estado ng atom, maliban sa ground state (ang estado na may pinakamababang enerhiya), na tinatawag na excited states, ay hindi matatag. Ang pagiging nasa kanila, ang atom pagkatapos ng isang tiyak na oras (mga 10 -8 s) ay kusang naglalabas ng isang photon; ang naturang radiation ay tinatawag na spontaneous o spontaneous. Ang mga katangian ng kusang paglabas ng isang atom - ang direksyon ng pagpapalaganap, intensity, polariseysyon - ay hindi nakasalalay sa mga panlabas na kondisyon. Ang hanay ng mga wavelength ng radiation ay indibidwal para sa atom ng bawat elemento ng kemikal at kumakatawan sa atomic spectrum nito. Ang pangunahing radiation ng isang atom ay dipole radiation, na maaaring mangyari lamang sa panahon ng mga quantum transition na pinahihintulutan ng mga panuntunan sa pagpili para sa mga electric dipole transition, iyon ay, na may ilang mga ugnayan sa pagitan ng mga katangian (quantum number) ng una at huling estado ng atom. Ang multipole radiation ng isang atom (ang tinatawag na mga ipinagbabawal na linya) ay maaari ding lumitaw sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ngunit ang posibilidad ng mga paglipat kung saan ito nangyayari ay maliit, at ang intensity nito ay karaniwang mababa. Ang paglabas ng atomic nuclei ay nangyayari sa panahon ng quantum transition sa pagitan ng mga antas ng enerhiyang nuklear at natutukoy ng kaukulang mga panuntunan sa pagpili.

ang radiation ng iba't ibang molekula, kung saan nagaganap ang vibrational at rotational motions ng kanilang constituent charged particles, ay may kumplikadong spectra na mayroong electronic-vibrational-rotational na istraktura (tingnan ang Molecular Spectra).

Ang posibilidad ng paglabas ng isang photon na may momentum hk at enerhiya hv ay proporsyonal sa (n k + 1), kung saan ang n k ay ang bilang ng eksaktong parehong mga photon sa system bago ang sandali ng paglabas. Sa n k = 0, nangyayari ang spontaneous emission, kung n k ≠ 0, lalabas din ang stimulated emission. Ang isang photon ng stimulated emission, hindi tulad ng isang spontaneous, ay may parehong direksyon ng propagation, frequency, at polarization bilang isang photon ng external radiation; ang intensity ng stimulated emission ay proporsyonal sa bilang ng mga photon ng panlabas na radiation. Ang pagkakaroon ng stimulated emission ay ipinostula noong 1916 ni A. Einstein, na nagkalkula ng probabilidad ng stimulated emission (tingnan ang Einstein coefficients). Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang posibilidad (at, dahil dito, ang intensity) ng stimulated emission ay maliit, ngunit sa quantum generators (lasers), upang madagdagan ang n k, ang gumaganang substance (emitter) ay inilalagay sa optical cavities na nagpapanatili ng mga photon ng panlabas na radiation malapit. ito. Ang bawat photon na ibinubuga ng substance ay tumataas n k, kaya ang intensity ng radiation na may ibinigay na k ay mabilis na lumalaki sa mababang intensity ng emission ng mga photon kasama ang lahat ng iba pang k. Bilang isang resulta, ang quantum generator ay naging isang mapagkukunan ng stimulated radiation na may napakakitid na banda ng v at k values ​​- magkakaugnay na radiation. Ang larangan ng naturang radiation ay napakatindi, maaari itong maging maihahambing sa magnitude sa intramolecular field, at ang interaksyon ng quantum generator radiation (laser radiation) sa bagay ay nagiging nonlinear (tingnan ang Nonlinear optics).

Ang radiation ng iba't ibang mga bagay ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa kanilang istraktura, mga katangian at proseso na nagaganap sa kanila; ang pag-aaral nito ay isang makapangyarihan at kadalasan ang tanging (halimbawa, para sa mga kosmikong katawan) na paraan upang pag-aralan ang mga ito. Ang teorya ng radiation ay gumaganap ng isang espesyal na papel sa pagbuo ng modernong pisikal na larawan ng mundo. Sa proseso ng pagbuo ng teoryang ito, lumitaw ang teorya ng relativity, quantum mechanics, nilikha ang mga bagong mapagkukunan ng radiation, isang bilang ng mga tagumpay ang nakuha sa larangan ng radio engineering, electronics, atbp.

Lit.: Akhiezer A. I., Berestetsky V. B. Quantum electrodynamics. ika-4 na ed. M., 1981; Landau L.D., Lifshits E.M. Teorya sa larangan. ika-8 ed. M., 2001; Tamm I. E. Mga Batayan ng teorya ng kuryente. ika-11 ed. M., 2003.

Ngayon ay pag-uusapan natin kung ano ang radiation sa pisika. Pag-usapan natin ang likas na katangian ng mga electronic transition at ipakita ang electromagnetic scale.

Diyos at atom

Ang istraktura ng bagay ay naging paksa ng interes ng mga siyentipiko higit sa dalawang libong taon na ang nakalilipas. Ang mga sinaunang pilosopong Griyego ay nagtaka kung paano naiiba ang hangin sa apoy, at lupa sa tubig, kung bakit puti ang marmol at itim ang karbon. Lumikha sila ng mga kumplikadong sistema ng magkakaugnay na mga bahagi, pinabulaanan o sinuportahan ang isa't isa. At ang pinaka-hindi maintindihan na mga phenomena, halimbawa, isang strike ng kidlat o pagsikat ng araw, ay naiugnay sa pagkilos ng mga diyos.

Minsan, pagkatapos na obserbahan ang mga hakbang ng templo sa loob ng maraming taon, napansin ng isang siyentipiko: ang bawat paa na nakatayo sa isang bato ay nag-aalis ng isang maliit na butil ng bagay. Sa paglipas ng panahon, nagbago ang hugis ng marmol, lumubog sa gitna. Ang pangalan ng siyentipikong ito ay Leucippus, at tinawag niyang mga atomo ang pinakamaliit na particle, hindi mahahati. Mula dito nagsimula ang landas sa pag-aaral kung ano ang radiation sa pisika.

Pasko ng Pagkabuhay at liwanag

Pagkatapos ay dumating ang madilim na panahon, ang agham ay inabandona. Ang lahat ng sinubukang pag-aralan ang puwersa ng kalikasan ay tinawag na mga mangkukulam at mangkukulam. Ngunit, kakaiba, ang relihiyon ang nagbigay ng lakas sa higit pang pag-unlad ng agham. Ang pag-aaral kung ano ang radiation sa physics ay nagsimula sa astronomy.

Ang oras para sa pagdiriwang ng Pasko ng Pagkabuhay ay kinakalkula sa mga araw na iyon nang iba sa bawat oras. Ang kumplikadong sistema ng mga ugnayan sa pagitan ng vernal equinox, ang 26-araw na lunar cycle, at ang 7-araw na linggo ay humadlang sa pagsasama-sama ng mga talahanayan ng petsa para sa pagdiriwang ng Pasko ng Pagkabuhay nang higit sa dalawang taon. Ngunit ang simbahan ay kailangang magplano nang maaga. Samakatuwid, iniutos ni Pope Leo X ang pagsasama-sama ng mas tumpak na mga talahanayan. Nangangailangan ito ng maingat na pagmamasid sa mga galaw ng buwan, mga bituin, at araw. At sa huli, naunawaan ni Nicolaus Copernicus: ang Earth ay hindi patag at hindi ang sentro ng uniberso. Ang planeta ay isang bola na umiikot sa araw. Ang Buwan ay isang globo na umiikot sa Earth. Siyempre, maaaring itanong ng isa: "Ano ang kinalaman ng lahat ng ito sa kung ano ang radiation sa pisika?" Buksan natin ito ngayon.

Oval at sinag

Nang maglaon, idinagdag ni Kepler sa sistema ng Copernican, na itinatag na ang mga planeta ay gumagalaw sa mga oval na orbit, at ang paggalaw na ito ay hindi pantay. Ngunit iyon ang unang hakbang na nagtanim sa sangkatauhan ng interes sa astronomiya. At doon ay hindi malayo sa mga tanong: "Ano ang isang bituin?", "Bakit nakikita ng mga tao ang mga sinag nito?" at "Paano naiiba ang isang luminary sa iba?". Ngunit kailangan mo munang lumipat mula sa malalaking bagay hanggang sa pinakamaliliit. At pagkatapos ay dumating tayo sa radiation, isang konsepto sa pisika.

Atom at pasas

Sa pagtatapos ng ikalabinsiyam na siglo, sapat na kaalaman ang naipon tungkol sa pinakamaliit na yunit ng kemikal ng bagay - mga atomo. Kilala ang mga ito na neutral sa kuryente, ngunit naglalaman ng parehong positibo at negatibong sisingilin na mga elemento.

Maraming mga pagpapalagay ang iniharap: pareho na ang mga positibong singil ay ipinamamahagi sa isang negatibong larangan, tulad ng mga pasas sa isang tinapay, at ang isang atom ay isang patak ng mga likidong bahagi na may heterogenous na charge. Ngunit nilinaw ng karanasan ni Rutherford ang lahat. Pinatunayan niya na sa gitna ng atom mayroong isang positibong mabigat na nucleus, at ang mga magaan na negatibong electron ay matatagpuan sa paligid nito. At ang pagsasaayos ng mga shell para sa bawat atom ay iba. Ito ay kung saan ang mga tampok ng radiation sa physics ng electronic transition ay namamalagi.

Bohr at orbit

Nang malaman ng mga siyentipiko na ang mga light negatibong bahagi ng atom ay mga electron, isa pang tanong ang lumitaw - bakit hindi sila nahuhulog sa nucleus. Pagkatapos ng lahat, ayon sa teorya ni Maxwell, ang anumang gumagalaw na singil ay nagliliwanag, samakatuwid, ay nawawalan ng enerhiya. Ngunit ang mga atomo ay umiral nang kasingtagal ng sansinukob, at hindi magwawasak. Sumagip si Bor. Ipinalagay niya na ang mga electron ay nasa ilang nakatigil na mga orbit sa paligid ng atomic nucleus, at maaari lamang sa kanila. Ang paglipat ng isang elektron sa pagitan ng mga orbit ay isinasagawa ng isang haltak na may pagsipsip o paglabas ng enerhiya. Ang enerhiya na ito ay maaaring, halimbawa, isang dami ng liwanag. Sa katunayan, binalangkas na natin ngayon ang kahulugan ng radiation sa elementarya na pisika ng particle.

Hydrogen at photography

Sa una, ang teknolohiya ng photography ay naimbento bilang isang komersyal na proyekto. Nais ng mga tao na manatili sa loob ng maraming siglo, ngunit hindi lahat ay kayang mag-order ng isang larawan mula sa artist. At ang mga larawan ay mura at hindi nangangailangan ng ganoong kalaking puhunan. Pagkatapos ang sining ng salamin at pilak na nitrate ay inilagay ang sarili sa serbisyo ng agham militar. At pagkatapos ay nagsimulang samantalahin ng agham ang mga materyal na sensitibo sa liwanag.

Una sa lahat, nagsimulang kunan ng larawan ang spectra. Matagal nang alam na ang mainit na hydrogen ay naglalabas ng mga tiyak na linya. Ang distansya sa pagitan nila ay sumunod sa isang tiyak na batas. Ngunit ang spectrum ng helium ay mas kumplikado: naglalaman ito ng parehong hanay ng mga linya gaya ng hydrogen, at isa pa. Ang ikalawang serye ay hindi na sumunod sa batas na nakuha para sa unang serye. Dito nagligtas ang teorya ni Bohr.

Ito ay lumabas na mayroon lamang isang elektron sa hydrogen atom, at maaari itong lumipat mula sa lahat ng mas mataas na excited na mga orbit patungo sa isang mas mababang isa. Ito ang unang serye ng mga linya. Ang mas mabibigat na atomo ay mas kumplikado.

Lens, grating, spectrum

Kaya ang simula ng paggamit ng radiation sa pisika. Ang spectral analysis ay isa sa pinakamakapangyarihan at maaasahang pamamaraan para sa pagtukoy ng komposisyon, dami at istraktura ng isang sangkap.

1. Sasabihin sa iyo ng electronic emission spectrum kung ano ang nilalaman ng bagay at kung ano ang porsyento ng isa o ibang bahagi. Ang pamamaraang ito ay ginagamit ng ganap na lahat ng larangan ng agham: mula sa biology at medisina hanggang sa quantum physics.
2. Ang spectrum ng pagsipsip ay magsasabi kung aling mga ion at sa anong mga posisyon ang naroroon sa sala-sala ng isang solid.
3. Ipapakita ng rotational spectrum kung gaano kalayo ang mga molekula sa loob ng atom, gaano karami at anong uri ng mga bono ang mayroon ang bawat elemento.

At ang mga saklaw ng aplikasyon ng electromagnetic radiation ay hindi mabibilang:

• sinasaliksik ng mga radio wave ang istruktura ng napakalayo na mga bagay at ang loob ng mga planeta;
• ang thermal radiation ay magsasabi tungkol sa enerhiya ng mga proseso;
• Sasabihin sa iyo ng nakikitang liwanag kung saang direksyon naroroon ang pinakamaliwanag na mga bituin;
• ang mga sinag ng ultraviolet ay magpapalinaw na ang mga pakikipag-ugnayan ng mataas na enerhiya ay nagaganap;
• ang x-ray spectrum mismo ay nagpapahintulot sa mga tao na pag-aralan ang istraktura ng bagay (kabilang ang katawan ng tao), at ang pagkakaroon ng mga sinag na ito sa mga bagay sa kalawakan ay mag-aabiso sa mga siyentipiko na ang pokus ng teleskopyo ay isang neutron star, isang supernova o isang black hole .

Itim na itim ang katawan

Ngunit mayroong isang espesyal na seksyon na nag-aaral kung ano ang thermal radiation sa pisika. Hindi tulad ng atomic, ang thermal emission ng liwanag ay may tuluy-tuloy na spectrum. At ang pinakamagandang modelong object para sa mga kalkulasyon ay isang ganap na itim na katawan. Ito ay isang bagay na "nahuhuli" sa lahat ng ilaw na bumabagsak dito, ngunit hindi ito ibinabalik. Kakatwa, ang isang itim na katawan ay nagliliwanag, at ang maximum na haba ng daluyong ay depende sa temperatura ng modelo. Sa klasikal na pisika, ang thermal radiation ay nakabuo ng isang kabalintunaan. Lumalabas na ang anumang pinainit na bagay ay kailangang mag-radiate ng higit pa at mas maraming enerhiya, hanggang sa hanay ng ultraviolet ang enerhiya nito ay hindi sisira sa uniberso.

Nalutas ni Max Planck ang kabalintunaan. Ipinakilala niya ang isang bagong dami, ang quantum, sa formula ng radiation. Nang hindi ito binibigyan ng espesyal na pisikal na kahulugan, binuksan niya ang isang buong mundo. Ngayon ang quantization ng mga dami ay ang batayan ng modernong agham. Naunawaan ng mga siyentipiko na ang mga patlang at phenomena ay binubuo ng hindi mahahati na mga elemento, quanta. Ito ay humantong sa mas malalim na pag-aaral ng bagay. Halimbawa, ang modernong mundo ay kabilang sa mga semiconductor. Noong nakaraan, ang lahat ay simple: ang metal ay nagsasagawa ng kasalukuyang, ang natitirang mga sangkap ay dielectrics. At ang mga sangkap tulad ng silicon at germanium (mga semiconductor lamang) ay kumikilos nang hindi maintindihan na may kinalaman sa kuryente. Upang matutunan kung paano kontrolin ang kanilang mga pag-aari, kinakailangan na lumikha ng isang buong teorya at kalkulahin ang lahat ng mga posibilidad ng p-n junctions.

Ang lahat ng mga atom sa isang nasasabik na estado ay may kakayahang magpalabas ng mga electromagnetic wave. Upang gawin ito, kailangan nilang pumunta sa ground state, kung saan nakukuha ng kanilang panloob na enerhiya . Ang proseso ng naturang paglipat ay sinamahan ng paglabas ng isang electromagnetic wave. Depende sa haba, mayroon itong iba't ibang mga katangian. Mayroong ilang mga uri ng naturang radiation.

nakikitang liwanag

Ang wavelength ay ang pinakamaikling distansya sa pagitan ng ibabaw ng pantay na mga phase. Ang nakikitang liwanag ay mga electromagnetic wave na maaaring makita ng mata ng tao. Ang mga light wavelength ay mula sa 340 nanometer (purple light) hanggang 760 nanometer (red light). Pinakamaganda sa lahat, nararamdaman ng mata ng tao ang dilaw-berdeng rehiyon ng spectrum.

Infrared radiation

Ang lahat ng nakapaligid sa isang tao, kabilang ang kanyang sarili, ay pinagmumulan ng infrared o thermal radiation (hanggang sa 0.5 mm ang haba ng daluyong). Ang mga atomo ay naglalabas ng mga electromagnetic wave sa hanay na ito kapag sila ay random na nagbanggaan sa isa't isa. Sa bawat banggaan, ang kanilang kinetic energy ay na-convert sa thermal energy. Ang atom ay nasasabik at naglalabas ng mga alon sa saklaw ng infrared.

Maliit na bahagi lamang ng infrared radiation ang nakakarating sa ibabaw ng Earth mula sa Araw. Hanggang sa 80% ay nasisipsip ng mga molekula ng hangin at lalo na ng carbon dioxide, na nagiging sanhi ng greenhouse effect.

Ultraviolet radiation

Ang wavelength ng ultraviolet radiation ay mas maikli kaysa sa infrared. Mayroon ding bahagi ng ultraviolet sa spectrum ng Araw, ngunit hinaharangan ito ng ozone layer ng Earth at hindi umabot sa ibabaw nito. Ang nasabing radiation ay lubhang nakakapinsala sa lahat ng nabubuhay na organismo.

Ang haba ng ultraviolet radiation ay nasa rehiyon mula 10 hanggang 740 nanometer. Ang maliit na bahagi nito, na umaabot sa ibabaw ng Earth kasama ng nakikitang liwanag, ay nagdudulot ng kulay-balat sa mga tao, bilang isang proteksiyon na reaksyon ng balat sa mga nakakapinsalang epekto.

mga radio wave

Sa tulong ng mga radio wave na hanggang 1.5 km ang haba, maaaring maipadala ang impormasyon. Ginagamit ito sa mga radyo at telebisyon. Ang ganitong malaking haba ay nagpapahintulot sa kanila na yumuko sa ibabaw ng Earth. Ang pinakamaikling radio wave ay maaaring makita mula sa itaas na mga layer ng atmospera at maabot ang mga istasyon na matatagpuan sa tapat ng mundo.

gamma ray

Ang gamma rays ay inuri bilang partikular na hard ultraviolet radiation. Ang mga ito ay nabuo sa panahon ng pagsabog ng isang atomic bomb, pati na rin sa panahon ng mga proseso sa ibabaw ng mga bituin. Ang radiation na ito ay nakakapinsala sa mga buhay na organismo, ngunit ang magnetosphere ng Earth ay hindi pinapayagan ang mga ito na dumaan. Ang mga photon ng gamma ray ay may napakataas na enerhiya.

Mga uri ng ionizing radiation

Ionizing radiation (IR) - daloy ng elementarya particle (electrons, positrons, protons, neutrons) at quanta ng electromagnetic energy, ang pagpasa nito sa pamamagitan ng substance ay humahantong sa ionization (pagbuo ng mga ions ng iba't ibang polarities) at paggulo ng mga atoms at molecule nito. Ionization - ang pagbabagong-anyo ng mga neutral na atomo o molekula sa mga particle na may kuryente - mga ion. Ang bII ay bumagsak sa Earth sa anyo ng mga cosmic ray, bumangon bilang resulta ng radioactive decay ng atomic nuclei (απ β-particles, γ- at X-rays) , ay nilikhang artipisyal sa mga naka-charge na particle accelerators. Ang praktikal na interes ay ang pinakakaraniwang uri ng IR - mga flux ng a- at β-particle, γ-radiation, X-ray at neutron flux.

alpha radiation(a) - ang daloy ng mga particle na may positibong charge - helium nuclei. Sa kasalukuyan, higit sa 120 artipisyal at natural na alpha-radioactive nuclei ang kilala, na, sa pamamagitan ng paglabas ng α-particle, nawawala ang 2 proton at 2 neutron. Ang bilis ng mga particle sa panahon ng pagkabulok ay 20 thousand km/s. Kasabay nito, ang mga α-particle ay may pinakamababang kakayahan sa pagtagos, ang haba ng kanilang landas (ang distansya mula sa pinagmulan hanggang sa pagsipsip) sa katawan ay 0.05 mm, sa hangin - 8-10 cm. Hindi man lang sila makadaan sa isang sheet ng papel , ngunit ang density ng ionization bawat yunit ay napakalaki ng saklaw (sa pamamagitan ng 1 cm hanggang sampu-sampung libong mga pares), samakatuwid ang mga particle na ito ay may pinakamataas na kakayahan sa pag-ionize at mapanganib sa loob ng katawan.

beta radiation(β) ay ang pagkilos ng bagay ng negatibong sisingilin na mga particle. Mga 900 beta radioactive isotopes ang kasalukuyang kilala. Ang mass ng β-particle ay ilang sampu-sampung libong beses na mas mababa kaysa sa α-particle, ngunit mayroon silang mas malaking penetrating power. Ang kanilang bilis ay 200–300 thousand km/s. Ang haba ng landas ng daloy mula sa pinagmulan sa hangin ay 1800 cm, sa mga tisyu ng tao - 2.5 cm Ang mga β-particle ay ganap na pinanatili ng mga solidong materyales (3.5 mm aluminum plate, organic glass); ang kanilang kakayahang mag-ionize ay 1000 beses na mas mababa kaysa sa α-particle.

Gamma radiation(γ) - electromagnetic radiation na may wavelength mula 1 10 -7 m hanggang 1 10 -14 m; ay ibinubuga sa panahon ng pagbabawas ng bilis ng mga mabilis na electron sa bagay. Ito ay nagmumula sa pagkabulok ng karamihan sa mga radioactive substance at may mataas na lakas ng pagtagos; nagpapalaganap sa bilis ng liwanag. Sa mga electric at magnetic field, ang mga γ-ray ay hindi pinalihis. Ang radiation na ito ay may mas mababang ionizing power kaysa sa a- at β-radiation, dahil napakababa ng ionization density sa bawat unit length.

x-ray radiation ay maaaring makuha sa mga espesyal na X-ray tubes, sa mga electron accelerators, sa panahon ng pagbabawas ng bilis ng mga mabilis na electron sa bagay at sa panahon ng paglipat ng mga electron mula sa mga panlabas na electron shell ng atom patungo sa mga panloob, kapag ang mga ion ay nilikha. Ang X-ray, tulad ng γ-radiation, ay may mababang kakayahang mag-ionize, ngunit may malaking lalim ng pagtagos.

Mga neutron - elementarya na mga particle ng atomic nucleus, ang kanilang masa ay 4 na beses na mas mababa kaysa sa masa ng α-particle. Ang kanilang buhay ay mga 16 minuto. Ang mga neutron ay walang singil sa kuryente. Ang haba ng landas ng mabagal na mga neutron sa hangin ay halos 15 m, sa isang biological na kapaligiran - 3 cm; para sa mga mabilis na neutron, 120 m at 10 cm, ayon sa pagkakabanggit. Ang huli ay may mataas na lakas ng pagtagos at nagdudulot ng pinakamalaking panganib.

Mayroong dalawang uri ng ionizing radiation:

Corpuscular, na binubuo ng mga particle na may non-zero rest mass (α-, β- at neutron radiation);

Electromagnetic (γ- at X-ray radiation) - na may napakaikling wavelength.

Upang masuri ang epekto ng ionizing radiation sa anumang mga sangkap at buhay na organismo, ginagamit ang mga espesyal na dami - mga dosis ng radiation. Ang pangunahing katangian ng pakikipag-ugnayan ng ionizing radiation at ang daluyan ay ang epekto ng ionization. Sa paunang panahon ng pagbuo ng dosimetry ng radiation, madalas na kinakailangan upang harapin ang mga X-ray na nagpapalaganap sa hangin. Samakatuwid, ang antas ng air ionization ng X-ray tubes o apparatus ay ginamit bilang isang quantitative measure ng radiation field. Ang isang quantitative measure batay sa dami ng ionization ng dry air sa normal na atmospheric pressure, na medyo madaling sukatin, ay tinatawag na exposure dose.

Dosis ng pagkakalantad tinutukoy ang kapasidad ng pag-ionize ng mga X-ray at γ-ray at ipinapahayag ang enerhiya ng radiation na na-convert sa kinetic energy ng mga naka-charge na particle sa bawat yunit ng masa ng hangin sa atmospera. Ang dosis ng pagkakalantad ay ang ratio ng kabuuang singil ng lahat ng mga ion ng parehong tanda sa isang elementarya na dami ng hangin sa masa ng hangin sa volume na ito. Sa sistema ng SI, ang unit ng exposure dose ay ang coulomb na hinati sa kilo (C/kg). Ang off-system unit ay ang roentgen (R). 1 C/kg = 3880 R. Sa pagpapalawak ng saklaw ng mga kilalang uri ng ionizing radiation at ang saklaw ng aplikasyon nito, lumabas na ang sukatan ng epekto ng ionizing radiation sa isang sangkap ay hindi maaaring matukoy lamang dahil sa pagiging kumplikado at pagkakaiba-iba ng mga prosesong nagaganap sa kasong ito. Ang pinakamahalaga sa kanila, na nagbibigay ng mga pagbabago sa physicochemical sa irradiated substance at humahantong sa isang tiyak na epekto ng radiation, ay ang pagsipsip ng enerhiya ng ionizing radiation ng substance. Bilang isang resulta, ang konsepto ng hinihigop na dosis ay lumitaw.

Nasisipsip na dosis nagpapakita kung gaano karaming enerhiya ng radiation ang nasisipsip sa bawat yunit ng masa ng anumang irradiated substance, at tinutukoy ng ratio ng absorbed energy ng ionizing radiation sa mass ng substance. Ang SI unit ng absorbed dose ay ang grey (Gy). Ang 1 Gy ay isang dosis kung saan ang enerhiya ng ionizing radiation ng 1 J ay inililipat sa isang mass na 1 kg. Ang non-systemic unit ng absorbed dose ay ang rad. 1 Gy = 100 rad. Ang pag-aaral ng mga indibidwal na epekto ng pag-iilaw ng mga nabubuhay na tisyu ay nagpakita na sa parehong mga hinihigop na dosis, ang iba't ibang uri ng radiation ay gumagawa ng hindi pantay na biological na epekto sa katawan. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang isang mas mabigat na particle (halimbawa, isang proton) ay gumagawa ng mas maraming ions sa bawat unit path sa tissue kaysa sa isang magaan (halimbawa, isang electron). Sa parehong hinihigop na dosis, ang radiobiological na mapanirang epekto ay mas mataas, mas siksik ang ionization na nilikha ng radiation. Upang isaalang-alang ang epektong ito, ipinakilala ang konsepto ng katumbas na dosis.

Katumbas ng dosis ay kinakalkula sa pamamagitan ng pagpaparami ng halaga ng hinihigop na dosis sa isang espesyal na koepisyent - ang koepisyent ng kamag-anak na biological na bisa (RBE) o kadahilanan ng kalidad. Ang mga halaga ng koepisyent para sa iba't ibang uri ng radiation ay ibinibigay sa Talahanayan. 7.

Talahanayan 7

Relatibong biological na koepisyent ng bisa para sa iba't ibang uri ng radiation

Ang SI unit ng katumbas na dosis ay ang sievert (Sv). Ang halaga ng 1 Sv ay katumbas ng katumbas na dosis ng anumang uri ng radiation na na-absorb sa 1 kg ng biological tissue at lumilikha ng parehong biological na epekto gaya ng na-absorb na dosis ng 1 Gy ng photon radiation. Ang off-system unit ng katumbas na dosis ay rem (biological na katumbas ng rad). 1 Sv = 100 rem. Ang ilang mga organo at tisyu ng tao ay mas sensitibo sa mga epekto ng radiation kaysa sa iba: halimbawa, sa parehong katumbas na dosis, ang paglitaw ng kanser sa baga ay mas malamang kaysa sa thyroid gland, at ang pag-iilaw ng mga glandula ng kasarian ay lalong mapanganib. dahil sa panganib ng genetic damage. Samakatuwid, ang mga dosis ng radiation ng iba't ibang mga organo at tisyu ay dapat isaalang-alang na may ibang koepisyent, na tinatawag na koepisyent ng panganib sa radiation. Ang pagpaparami ng halaga ng katumbas na dosis ng kaukulang radiation risk coefficient at pagbubuod nito sa lahat ng mga tisyu at organo, nakukuha namin epektibong dosis, sumasalamin sa pangkalahatang epekto sa katawan. Ang mga weighted coefficient ay itinatag sa empirically at kinakalkula sa paraang ang kanilang kabuuan para sa buong organismo ay iisa. Ang mabisang mga yunit ng dosis ay kapareho ng mga katumbas na yunit ng dosis. Sinusukat din ito sa sieverts o rems.

Ang ionizing radiation ay isang kumbinasyon ng iba't ibang uri ng microparticle at pisikal na mga patlang na may kakayahang mag-ionize ng isang sangkap, iyon ay, upang bumuo ng mga electrically charged na particle sa loob nito - mga ions.

SEKSYON III. LIFE SAFETY MANAGEMENT AT ECONOMIC MECHANISME NG PAGTIGIYA NITO

Mayroong ilang mga uri ng ionizing radiation: alpha, beta, gamma, at neutron radiation.

alpha radiation

Sa pagbuo ng mga positibong sisingilin na mga particle ng alpha, 2 proton at 2 neutron, na bahagi ng helium nuclei, ay nakikilahok. Ang mga particle ng alpha ay nabuo sa panahon ng pagkabulok ng nucleus ng isang atom at maaaring magkaroon ng paunang kinetic energy mula 1.8 hanggang 15 MeV. Ang mga katangian ng alpha radiation ay mataas ang ionizing at mababang penetrating power. Kapag gumagalaw, ang mga particle ng alpha ay nawalan ng enerhiya nang napakabilis, at nagiging sanhi ito ng katotohanan na hindi sapat kahit na pagtagumpayan ang manipis na mga plastik na ibabaw. Sa pangkalahatan, ang panlabas na pag-iilaw na may mga particle ng alpha, kung hindi natin isasaalang-alang ang mga high-energy alpha particle na nakuha gamit ang isang accelerator, ay hindi nagdudulot ng anumang pinsala sa mga tao, ngunit ang pagtagos ng mga particle sa katawan ay maaaring mapanganib sa kalusugan, dahil ang alpha radionuclides ay may mahabang kalahating buhay at mataas ang ionized. Kung natutunaw, kadalasang mas mapanganib pa ang mga alpha particle kaysa sa beta at gamma radiation.

beta radiation

Ang mga naka-charge na beta particle, na ang bilis ay malapit sa bilis ng liwanag, ay nabuo bilang resulta ng beta decay. Ang mga beta ray ay mas tumatagos kaysa sa mga alpha ray - maaari silang magdulot ng mga kemikal na reaksyon, luminescence, mag-ionize ng mga gas, at magkaroon ng epekto sa mga photographic plate. Bilang proteksyon laban sa daloy ng mga naka-charge na beta particle (enerhiya na hindi hihigit sa 1 MeV), sapat na ang paggamit ng ordinaryong aluminum plate na 3-5 mm ang kapal.

Photon radiation: gamma radiation at x-ray

Kasama sa photon radiation ang dalawang uri ng radiation: x-ray (maaaring bremsstrahlung at katangian) at gamma radiation.

Ang pinakakaraniwang uri ng photon radiation ay napakataas na enerhiya sa ultrashort wavelength gamma particle, na isang stream ng mataas na enerhiya, walang bayad na mga photon. Hindi tulad ng alpha at beta rays, ang mga gamma particle ay hindi pinalihis ng magnetic at electric field at may mas malaking penetrating power. Sa ilang partikular na dami at para sa isang tiyak na tagal ng pagkakalantad, ang gamma radiation ay maaaring magdulot ng radiation sickness at humantong sa iba't ibang oncological na sakit. Tanging ang mga mabibigat na elemento ng kemikal tulad ng, halimbawa, tingga, naubos na uranium at tungsten ang makakapigil sa pagpapalaganap ng daloy ng mga gamma particle.

radiation ng neutron

Ang pinagmulan ng neutron radiation ay maaaring nuclear explosions, nuclear reactors, laboratoryo at pang-industriyang installation.

Ang mga neutron mismo ay mga de-koryenteng neutral, hindi matatag (ang kalahating buhay ng isang libreng neutron ay halos 10 minuto) na mga particle, na, dahil sa ang katunayan na wala silang singil, ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na lakas ng pagtagos na may mababang antas ng pakikipag-ugnayan sa bagay. Ang neutron radiation ay lubhang mapanganib, samakatuwid, ang isang bilang ng mga espesyal, pangunahin na naglalaman ng hydrogen, na mga materyales ay ginagamit upang maprotektahan laban dito. Pinakamaganda sa lahat, ang neutron radiation ay sinisipsip ng ordinaryong tubig, polyethylene, paraffin, at mga solusyon ng heavy metal hydroxides.

Paano nakakaapekto ang mga ionizing radiation sa mga sangkap?

Ang lahat ng mga uri ng ionizing radiation sa ilang mga lawak ay nakakaapekto sa iba't ibang mga sangkap, ngunit ito ay pinaka-binibigkas sa gamma particle at neutrons. Kaya, sa matagal na pagkakalantad, maaari nilang makabuluhang baguhin ang mga katangian ng iba't ibang mga materyales, baguhin ang kemikal na komposisyon ng mga sangkap, ionize ang mga dielectric at magkaroon ng mapanirang epekto sa mga biological na tisyu. Ang background ng natural na radiation ay hindi magdadala ng maraming pinsala sa isang tao, gayunpaman, kapag humahawak ng mga artipisyal na pinagmumulan ng ionizing radiation, ang isa ay dapat maging maingat at gawin ang lahat ng mga kinakailangang hakbang upang mabawasan ang antas ng pagkakalantad sa radiation sa katawan.

Mga uri ng ionizing radiation at ang kanilang mga katangian

Ang ionizing radiation ay isang stream ng mga particle at electromagnetic quanta, bilang isang resulta kung saan ang iba't ibang sisingilin na mga ion ay nabuo sa daluyan.

Ang iba't ibang uri ng radiation ay sinamahan ng pagpapalabas ng isang tiyak na halaga ng enerhiya at may iba't ibang lakas ng pagtagos, kaya't mayroon silang iba't ibang epekto sa katawan. Ang pinakamalaking panganib sa mga tao ay radioactive radiation, tulad ng y-, X-ray, neutron, a- at b-radiation.

Ang X-ray at y-radiation ay mga daloy ng quantum energy. Ang gamma ray ay may mas maiikling wavelength kaysa sa x-ray. Sa pamamagitan ng kanilang kalikasan at mga katangian, ang mga radiation na ito ay hindi gaanong naiiba sa isa't isa, mayroon silang mataas na lakas ng pagtagos, tuwid ng pagpapalaganap at ang kakayahang lumikha ng pangalawang at nakakalat na radiation sa media kung saan sila dumaan. Gayunpaman, habang ang mga X-ray ay karaniwang ginagawa sa elektronikong paraan, ang mga y-ray ay inilalabas ng hindi matatag o radioactive isotopes.

Ang natitirang mga uri ng ionizing radiation ay mabilis na gumagalaw na mga particle ng bagay (atom), ang ilan ay nagdadala ng electric charge, ang iba ay hindi.

Ang mga neutron ay ang tanging uncharged particle na ginawa ng anumang radioactive transformation, na may mass na katumbas ng isang proton. Dahil ang mga particle na ito ay neutral sa kuryente, tumagos sila nang malalim sa anumang sangkap, kabilang ang mga nabubuhay na tisyu. Ang mga neutron ay ang mga pangunahing partikulo kung saan nabuo ang nuclei ng mga atomo.

Kapag dumadaan sa bagay, nakikipag-ugnayan lamang sila sa nuclei ng mga atomo, inililipat ang bahagi ng kanilang enerhiya sa kanila, at binabago nila ang direksyon ng kanilang paggalaw. Ang nuclei ng mga atomo ay "tumalon" mula sa shell ng elektron at, na dumadaan sa sangkap, ay gumagawa ng ionization.

Ang mga electron ay mga particle na may magaan na negatibong sisingilin na umiiral sa lahat ng mga stable na atomo. Ang mga electron ay kadalasang ginagamit sa panahon ng radioactive decay ng matter, at pagkatapos ay tinatawag silang β-particle. Maaari rin silang makuha sa laboratoryo. Ang enerhiya na nawala ng mga electron kapag dumadaan sa bagay ay ginugol sa paggulo at ionization, pati na rin sa pagbuo ng bremsstrahlung.

Ang mga particle ng alpha ay ang nuclei ng helium atoms, walang mga orbital electron at binubuo ng dalawang proton at dalawang neutron na magkakaugnay. Mayroon silang positibong singil, medyo mabigat, at habang dumadaan sila sa substance, gumagawa sila ng ionization ng isang substance na may mataas na density.

Karaniwan ang mga particle ng alpha ay ibinubuga sa panahon ng radioactive decay ng mga natural na mabibigat na elemento (radium, thorium, uranium, polonium, atbp.).

Ang mga naka-charge na particle (mga electron at nuclei ng helium atoms), na dumadaan sa substance, ay nakikipag-ugnayan sa mga electron ng atoms, na nawawala ang 35 at 34 eV, ayon sa pagkakabanggit. Sa kasong ito, ang kalahati ng enerhiya ay ginugugol sa ionization (paghihiwalay ng isang elektron mula sa isang atom), at ang iba pang kalahati sa paggulo ng mga atomo at molekula ng daluyan (paglipat ng isang elektron sa isang shell na mas malayo sa nucleus. ).

Ang bilang ng mga ionized at excited na atom na nabuo ng isang a-particle sa bawat unit na haba ng path sa isang medium ay daan-daang beses na mas malaki kaysa sa p-particle (Talahanayan 5.1).

Talahanayan 5.1. Ang hanay ng a- at b-particle ng iba't ibang enerhiya sa tissue ng kalamnan

Enerhiya ng butil, MeV	Mileage, microns	Enerhiya ng butil, MeV	Mileage, microns	Enerhiya ng butil, MeV	Mileage, microns
	—

Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mass ng isang a-particle ay halos 7000 beses na mas malaki kaysa sa mass ng isang beta-particle, samakatuwid, sa parehong enerhiya, ang bilis nito ay mas mababa kaysa sa isang beta-particle.

Ang mga α-particle na ibinubuga sa panahon ng radioactive decay ay may bilis na humigit-kumulang 20 thousand km/s, habang ang bilis ng β-particles ay malapit sa bilis ng liwanag at umaabot sa 200...270 thousand km/s. Malinaw na mas mababa ang bilis ng butil, mas malaki ang posibilidad ng pakikipag-ugnayan nito sa mga atomo ng daluyan, at, dahil dito, mas malaki ang pagkawala ng enerhiya sa bawat yunit ng landas sa daluyan, na nangangahulugang mas mababa ang saklaw. Mula sa Table. 5.1 sumusunod na ang hanay ng mga a-particle sa tissue ng kalamnan ay 1000 beses na mas mababa kaysa sa hanay ng mga β-particle ng parehong enerhiya.

Kapag ang ionizing radiation ay dumadaan sa mga buhay na organismo, inililipat nito ang enerhiya nito sa mga biological na tisyu at mga selula nang hindi pantay. Bilang resulta, sa kabila ng maliit na halaga ng enerhiya na hinihigop ng mga tisyu, ang ilang mga selula ng bagay na may buhay ay masisira nang malaki. Ang kabuuang epekto ng ionizing radiation na naisalokal sa mga cell at tisyu ay ipinakita sa Talahanayan. 5.2.

Talahanayan 5.2. Biological na epekto ng ionizing radiation

Ang likas na katangian ng epekto	Mga yugto ng impluwensya		Epekto ng epekto
Direktang pagkilos ng radiation		10 -24 … 10 -4 s 10 16 …10 8 s	Pagsipsip ng enerhiya. paunang pakikipag-ugnayan. X-ray at y-radiation, neutrons Electrons, protons, a-particles
		10 -12 … 10 -8 s	Yugto ng pisiko-kemikal. Ang paglipat ng enerhiya sa anyo ng ionization sa pangunahing tilapon. Ionized at electronically excited na mga molekula
		10 7 …10 5 s, ilang oras	Pagkasira ng kemikal. Sa kilos ko. hindi direktang aksyon. Mga libreng radical mula sa tubig. Paggulo ng isang molekula sa thermal equilibrium
Hindi direktang epekto ng radiation		Microsecond, segundo, minuto, ilang oras	pinsala sa biomolecular. Mga pagbabago sa mga molekula ng protina, mga nucleic acid sa ilalim ng impluwensya ng mga proseso ng metabolic
		Minuto, oras, linggo	Maagang biological at physiological effect. pinsalang biochemical. Ang pagkamatay ng cell, pagkamatay ng mga indibidwal na hayop
		Mga taon, siglo	Pangmatagalang biological effect Patuloy na dysfunction. ionizing radiation Genetic mutations, epekto sa mga supling. Somatic effect: cancer, leukemia, nabawasan ang pag-asa sa buhay, pagkamatay ng katawan

Ang pangunahing radiation-kemikal na pagbabago sa mga molekula ay maaaring batay sa dalawang mekanismo: 1) direktang pagkilos, kapag ang isang partikular na molekula ay sumasailalim sa mga pagbabago (ionization, excitation) nang direkta sa pakikipag-ugnayan sa radiation; 2) hindi direktang aksyon, kapag ang molekula ay hindi direktang sumisipsip ng enerhiya ng ionizing radiation, ngunit natatanggap ito sa pamamagitan ng paglilipat nito mula sa isa pang molekula.

Ito ay kilala na sa biological tissue 60...70% ng masa ay tubig. Samakatuwid, isaalang-alang natin ang pagkakaiba sa pagitan ng direkta at hindi direktang epekto ng radiation gamit ang halimbawa ng pag-iilaw ng tubig.

Ipagpalagay natin na ang isang molekula ng tubig ay na-ionize ng isang sisingilin na particle, bilang isang resulta kung saan nawalan ito ng isang elektron:

H2O -> H20+e - .

Ang isang ionized na molekula ng tubig ay tumutugon sa isa pang neutral na molekula ng tubig, na nagreresulta sa pagbuo ng isang mataas na reaktibong OH hydroxyl radical:

H2O + H2O -> H3O + + OH *.

Ang na-eject na electron ay napakabilis din na naglilipat ng enerhiya sa nakapalibot na mga molekula ng tubig, at sa kasong ito, isang napaka-excited na molekula ng tubig na H2O* ay bumangon, na naghihiwalay upang bumuo ng dalawang radikal, H* at OH*:

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

Ang mga libreng radical ay naglalaman ng mga hindi magkapares na mga electron at lubhang reaktibo. Ang kanilang oras ng buhay sa tubig ay hindi hihigit sa 10-5 s. Sa panahong ito, sila ay muling pinagsama sa isa't isa o tumutugon sa natunaw na substrate.

Sa pagkakaroon ng oxygen na natunaw sa tubig, ang iba pang mga produkto ng radiolysis ay nabuo din: ang libreng radikal ng hydroperoxide HO2, hydrogen peroxide H2O2 at atomic oxygen:

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

Sa isang cell ng isang buhay na organismo, ang sitwasyon ay mas kumplikado kaysa sa kaso ng pag-iilaw ng tubig, lalo na kung ang sumisipsip na substance ay malaki at multicomponent biological molecules. Sa kasong ito, nabuo ang mga organikong radikal na D*, na nailalarawan din ng napakataas na reaktibiti. Sa isang malaking halaga ng enerhiya, madali silang humantong sa pagkasira ng mga bono ng kemikal. Ito ang prosesong ito na madalas na nangyayari sa pagitan ng pagbuo ng mga pares ng ion at ang pagbuo ng mga panghuling produktong kemikal.

Bilang karagdagan, ang biological na epekto ay pinahusay ng impluwensya ng oxygen. Ang mataas na reaktibong produkto na DO2* (D* + O2 -> DO2*), na nabuo din bilang resulta ng pakikipag-ugnayan ng isang libreng radikal sa oxygen, ay humahantong sa pagbuo ng mga bagong molekula sa irradiated system.

Ang mga libreng radical at oxidizing agent na mga molekula na ginawa sa proseso ng radiolysis ng tubig, na may mataas na aktibidad ng kemikal, ay pumapasok sa mga reaksiyong kemikal na may mga molekula ng protina, mga enzyme at iba pang mga elemento ng istruktura ng biological tissue, na humahantong sa isang pagbabago sa mga biological na proseso sa katawan. Bilang isang resulta, ang mga proseso ng metabolic ay nagambala, ang aktibidad ng mga sistema ng enzyme ay pinigilan, ang paglago ng tissue ay bumabagal at humihinto, ang mga bagong kemikal na compound ay lilitaw na hindi katangian ng katawan - mga lason. Ito ay humahantong sa pagkagambala sa mahahalagang aktibidad ng mga indibidwal na sistema o ng organismo sa kabuuan.

Ang mga reaksiyong kemikal na dulot ng mga libreng radikal ay kinasasangkutan ng daan-daan at libu-libong molekula na hindi apektado ng radiation. Ito ang pagtitiyak ng pagkilos ng ionizing radiation sa mga biological na bagay. Walang ibang uri ng enerhiya (thermal, elektrikal, atbp.), na hinihigop ng isang biyolohikal na bagay sa parehong dami, ang humahantong sa mga pagbabagong sanhi ng ionizing radiation.

Ang mga hindi kanais-nais na epekto ng radiation ng pagkakalantad sa radiation sa katawan ng tao ay may kondisyon na nahahati sa somatic (soma - Greek para sa "katawan") at genetic (namamana).

Ang mga epekto ng somatic ay direktang ipinakita sa mismong taong na-irradiated, at mga genetic sa kanyang mga supling.

Sa nakalipas na mga dekada, ang isang malaking bilang ng mga artipisyal na radionuclides ay nilikha ng tao, ang paggamit nito ay isang karagdagang pagkarga sa natural na background ng radiation ng Earth at pinatataas ang dosis ng radiation sa mga tao. Ngunit, na naglalayong eksklusibo sa mapayapang paggamit, ang ionizing radiation ay kapaki-pakinabang para sa mga tao, at ngayon ay mahirap ipahiwatig ang isang larangan ng kaalaman o pambansang ekonomiya na hindi gumagamit ng radionuclides o iba pang mga mapagkukunan ng ionizing radiation. Sa simula ng ika-21 siglo, natagpuan ng "peaceful atom" ang aplikasyon nito sa medisina, industriya, agrikultura, mikrobiyolohiya, enerhiya, paggalugad sa kalawakan at iba pang mga lugar.

Mga uri ng radiation at pakikipag-ugnayan ng ionizing radiation sa bagay

Ang paggamit ng enerhiyang nuklear ay naging isang mahalagang pangangailangan para sa pagkakaroon ng modernong sibilisasyon at, sa parehong oras, isang malaking responsibilidad, dahil ang mapagkukunan ng enerhiya na ito ay dapat gamitin nang makatwiran at maingat hangga't maaari.

Isang kapaki-pakinabang na katangian ng radionuclides

Dahil sa radioactive decay, ang radionuclide ay "nagbibigay ng senyas", sa gayon ay tinutukoy ang lokasyon nito. Gamit ang mga espesyal na device na nagtatala ng signal mula sa pagkabulok ng kahit na iisang atomo, natutunan ng mga siyentipiko na gamitin ang mga substance na ito bilang mga indicator para tumulong sa pag-imbestiga sa iba't ibang kemikal at biological na proseso na nagaganap sa mga tissue at cell.

Mga uri ng technogenic na pinagmumulan ng ionizing radiation

Ang lahat ng gawa ng tao na pinagmumulan ng ionizing radiation ay maaaring nahahati sa dalawang uri.

• Medikal - ginagamit kapwa para sa pag-diagnose ng mga sakit (halimbawa, x-ray at fluorography machine) at para sa pagsasagawa ng mga pamamaraan ng radiotherapy (halimbawa, mga radiotherapy unit para sa paggamot sa kanser). Gayundin, ang mga medikal na pinagmumulan ng AI ay kinabibilangan ng mga radiopharmaceutical (radioactive isotopes o kanilang mga compound na may iba't ibang inorganic o organic substance), na maaaring magamit kapwa para sa pagsusuri ng mga sakit at para sa kanilang paggamot.
• Pang-industriya - gawa ng tao na radionuclides at generator:
  • sa sektor ng enerhiya (reactors ng nuclear power plants);
  • sa agrikultura (para sa pagpili at pananaliksik sa pagiging epektibo ng mga pataba)
  • sa defense sphere (gatong para sa mga barkong pinapagana ng nuklear);
  • sa konstruksiyon (hindi mapanirang pagsubok ng mga istrukturang metal).

Ayon sa static na data, ang dami ng produksyon ng mga produktong radionuclide sa merkado ng mundo noong 2011 ay umabot sa 12 bilyong dolyar, at sa 2030 ang figure na ito ay inaasahang tataas ng anim na beses.