Η ακτινοβολία είναι μια φυσική διαδικασία, το αποτέλεσμα της οποίας είναι η μεταφορά ενέργειας με χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η αντίστροφη διαδικασία της ακτινοβολίας ονομάζεται απορρόφηση. Ας εξετάσουμε αυτό το ζήτημα με περισσότερες λεπτομέρειες και ας δώσουμε επίσης παραδείγματα ακτινοβολίας στην καθημερινή ζωή και στη φύση.
Φυσική της εμφάνισης ακτινοβολίας
Οποιοδήποτε σώμα αποτελείται από άτομα, τα οποία, με τη σειρά τους, σχηματίζονται από θετικά φορτισμένους πυρήνες, και ηλεκτρόνια, τα οποία σχηματίζουν ηλεκτρονιακά κελύφη γύρω από τους πυρήνες και είναι αρνητικά φορτισμένα. Τα άτομα είναι διατεταγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις, δηλαδή να έχουν και υψηλότερη και χαμηλότερη ενέργεια. Όταν ένα άτομο έχει τη χαμηλότερη ενέργεια, λέγεται ότι είναι η βασική του κατάσταση, οποιαδήποτε άλλη ενεργειακή κατάσταση του ατόμου ονομάζεται διεγερμένη.
Η ύπαρξη διαφορετικών ενεργειακών καταστάσεων ενός ατόμου οφείλεται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια του μπορούν να βρίσκονται σε ορισμένα ενεργειακά επίπεδα. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από ένα υψηλότερο επίπεδο σε ένα χαμηλότερο, το άτομο χάνει ενέργεια, την οποία ακτινοβολεί στον περιβάλλοντα χώρο με τη μορφή ενός φωτονίου - ενός σωματιδίου φορέαΗλεκτρομαγνητικά κύματα. Αντίθετα, η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από ένα χαμηλότερο σε ένα υψηλότερο επίπεδο συνοδεύεται από την απορρόφηση ενός φωτονίου.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να μεταφερθεί το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, οι οποίοι περιλαμβάνουν τη μεταφορά ενέργειας. Αυτό μπορεί να είναι τόσο η επίδραση στο εξεταζόμενο άτομο της εξωτερικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όσο και η μεταφορά ενέργειας σε αυτό με μηχανικά ή ηλεκτρικά μέσα. Επιπλέον, τα άτομα μπορούν να λάβουν και στη συνέχεια να απελευθερώσουν ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων.
Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Πριν περάσουμε σε παραδείγματα ακτινοβολίας στη φυσική, θα πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε άτομο εκπέμπει ορισμένα μέρη ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή οι καταστάσεις στις οποίες ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε ένα άτομο δεν είναι αυθαίρετες, αλλά αυστηρά καθορισμένες. Αντίστοιχα, η μετάβαση μεταξύ αυτών των καταστάσεων συνοδεύεται από την εκπομπή μιας ορισμένης ποσότητας ενέργειας.
Είναι γνωστό από την ατομική φυσική ότι τα φωτόνια που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα ηλεκτρονικών μεταπτώσεων σε ένα άτομο έχουν ενέργεια που είναι ευθέως ανάλογη με τη συχνότητα ταλάντωσής τους και αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος (ένα φωτόνιο είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που χαρακτηρίζεται με ταχύτητα διάδοσης, μήκος και συχνότητα). Εφόσον ένα άτομο μιας ουσίας μπορεί να εκπέμπει μόνο ένα συγκεκριμένο σύνολο ενεργειών, σημαίνει ότι τα μήκη κύματος των εκπεμπόμενων φωτονίων είναι επίσης συγκεκριμένα. Το σύνολο όλων αυτών των μηκών ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Αν το μήκος κύματος ενός φωτονίουβρίσκεται μεταξύ 390 nm και 750 nm, τότε μιλούν για ορατό φως, αφού ένα άτομο μπορεί να το αντιληφθεί με τα μάτια του, εάν το μήκος κύματος είναι μικρότερο από 390 nm, τότε τέτοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν υψηλή ενέργεια και ονομάζονται υπεριώδη, ακτίνες Χ ή ακτινοβολία γάμμα. Για μήκη μεγαλύτερα από 750 nm, μια μικρή ενέργεια φωτονίου είναι χαρακτηριστική, ονομάζονται υπέρυθρη, μικρο- ή ραδιοακτινοβολία.
Θερμική ακτινοβολία σωμάτων
Κάθε σώμα που έχει κάποια θερμοκρασία διαφορετική από το απόλυτο μηδέν ακτινοβολεί ενέργεια, στην περίπτωση αυτή μιλάμε για θερμική ή θερμική ακτινοβολία. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία καθορίζει τόσο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα της θερμικής ακτινοβολίας όσο και την ποσότητα ενέργειας που εκπέμπεται από το σώμα. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερη ενέργεια εκπέμπει το σώμα στον περιβάλλοντα χώρο και τόσο περισσότερο το ηλεκτρομαγνητικό του φάσμα μετατοπίζεται στην περιοχή υψηλής συχνότητας. Οι διαδικασίες της θερμικής ακτινοβολίας περιγράφονται από τους νόμους των Stefan-Boltzmann, Planck και Wien.
Παραδείγματα ακτινοβολίας στην καθημερινή ζωή
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, απολύτως οποιοδήποτε σώμα ακτινοβολεί ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αλλά αυτή η διαδικασία δεν μπορεί να παρατηρηθεί πάντα με γυμνό μάτι, καθώς οι θερμοκρασίες των σωμάτων που μας περιβάλλουν είναι συνήθως πολύ χαμηλές, επομένως το φάσμα τους βρίσκεται στην αόρατη για την ανθρώπινη περιοχή χαμηλής συχνότητας.
Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα ακτινοβολίας στο ορατό εύρος είναι ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας πυρακτώσεως. Περνώντας σε μια σπείρα, το ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνει το νήμα βολφραμίου έως και 3000 K. Μια τέτοια υψηλή θερμοκρασία προκαλεί το νήμα να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, το μέγιστοπου εμπίπτουν στο τμήμα μεγάλου μήκους κύματος του ορατού φάσματος.
Ένα άλλο παράδειγμα ακτινοβολίας στο σπίτι είναι ο φούρνος μικροκυμάτων, ο οποίος εκπέμπει μικροκύματα αόρατα στο ανθρώπινο μάτι. Αυτά τα κύματα απορροφώνται από αντικείμενα που περιέχουν νερό, αυξάνοντας έτσι την κινητική τους ενέργεια και, ως αποτέλεσμα, τη θερμοκρασία τους.
Τέλος, ένα παράδειγμα ακτινοβολίας στην καθημερινή ζωή στην υπέρυθρη εμβέλεια είναι το ψυγείο ενός καλοριφέρ. Δεν βλέπουμε την ακτινοβολία του, αλλά νιώθουμε τη ζεστασιά του.
Φυσικά ακτινοβόλα αντικείμενα
Ίσως το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα ακτινοβολίας στη φύση είναι το αστέρι μας - ο Ήλιος. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου είναι περίπου 6000 Κ, επομένως η μέγιστη ακτινοβολία του πέφτει σε μήκος κύματος 475 nm, δηλαδή βρίσκεται εντός του ορατού φάσματος.
Ο ήλιος θερμαίνει τους πλανήτες γύρω του και τους δορυφόρους τους, οι οποίοι επίσης αρχίζουν να λάμπουν. Εδώ είναι απαραίτητο να γίνει διάκριση μεταξύ ανακλώμενου φωτός και θερμικής ακτινοβολίας. Έτσι, η Γη μας μπορεί να φαίνεται από το διάστημα με τη μορφή μπλε μπάλας ακριβώς λόγω του ανακλώμενου ηλιακού φωτός. Αν μιλάμε για τη θερμική ακτινοβολία του πλανήτη, τότε λαμβάνει χώρα επίσης, αλλά βρίσκεται στην περιοχή του φάσματος μικροκυμάτων (περίπου 10 μικρά).
Εκτός από το ανακλώμενο φως, είναι ενδιαφέρον να δώσουμε ένα άλλο παράδειγμα ακτινοβολίας στη φύση, που σχετίζεται με τους γρύλους. Το ορατό φως που εκπέμπουν σε καμία περίπτωση δεν σχετίζεται με τη θερμική ακτινοβολία και είναι το αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ του ατμοσφαιρικού οξυγόνου και της λουσιφερίνης (μια ουσία που περιέχεται στα κύτταρα των εντόμων). Αυτό το φαινόμενο είναιτο όνομα της βιοφωταύγειας.
