Starojums telpā un astronomijā

Astronomija ir Visuma objektu izpēte, kas izstaro (vai atspoguļo) enerģiju no visa elektromagnētiskā spektra. Astronomi pēta visu Visuma objektu starojumu. Padziļināti apskatīsim tur esošās radiācijas formas.

Lai pilnībā izprastu Visumu, zinātniekiem tas jāaplūko visā elektromagnētiskajā spektrā. Tas ietver lielas enerģijas daļiņas, piemēram, kosmiskos starus. Daži objekti un procesi faktiski ir pilnīgi neredzami noteiktos viļņu garumos (pat optiskos), tāpēc astronomi tos aplūko daudzos viļņu garumos. Kaut kas neredzams vienā viļņa garumā vai frekvencē citā var būt ļoti spilgts, un tas zinātniekiem pasaka kaut ko ļoti svarīgu.

Starojums apraksta elementāras daļiņas, kodolus un elektromagnētiskos viļņus, kad tie izplatās caur kosmosu. Zinātnieki parasti norāda starojumu divos veidos: jonizējošā un nejonizējošā.

Jonizācija ir process, kurā elektroni tiek noņemti no atoma. Tas notiek visu laiku dabā, un tas tikai prasa, lai atoms saduras ar fotonu vai daļiņu, kam ir pietiekami daudz enerģijas, lai satrauktu vēlēšanas (-as). Kad tas notiek, atoms vairs nevar uzturēt saikni ar daļiņu.

Noteiktas starojuma formas satur pietiekami daudz enerģijas, lai jonizētu dažādus atomus vai molekulas. Tie var radīt būtisku kaitējumu bioloģiskām vienībām, izraisot vēzi vai citas nozīmīgas veselības problēmas. Radiācijas radītā kaitējuma apmērs ir atkarīgs no tā, cik daudz starojuma absorbēja organisms.

Minimālais slieksnis enerģija, kas nepieciešama, lai starojumu uzskatītu par jonizējošu ir aptuveni 10 elektronu volti (10 eV). Ir vairāki radiācijas veidi, kas dabiski pastāv virs šī sliekšņa:

• Gamma stari: Gamma stari (parasti apzīmē ar grieķu burtu γ) ir elektromagnētiskā starojuma forma. Tie attēlo augstākās enerģijas formas gaismā Visums. Gamma stari notiek dažādos procesos, sākot no aktivitātes kodolreaktoros un beidzot ar zvaigžņu sprādzieniem supernovas un ļoti enerģētiski notikumi, kas pazīstami kā gamma-staru kūleņi. Tā kā gamma stari ir elektromagnētiskais starojums, tie viegli mijiedarbojas ar atomiem tikai tad, ja notiek sadursme ar galvu. Šajā gadījumā gamma stars "sadalīsies" elektronu-pozitronu pārī. Tomēr, ja gammas starojumu absorbē bioloģiska vienība (piemēram, cilvēks), tad var nodarīt būtisku kaitējumu, jo šāda starojuma apturēšanai nepieciešams ievērojams enerģijas daudzums. Šajā ziņā gamma stari, iespējams, ir visbīstamākais izstarojuma veids cilvēkiem. Par laimi, kaut arī pirms mijiedarbības ar atomu viņi var iekļūt vairākās jūdzēs mūsu atmosfērā, mūsu atmosfēra ir pietiekami bieza, ka lielākā daļa gamma staru tiek absorbēti, pirms tie sasniedz zemi. Tomēr kosmonauti kosmosā no tiem nav aizsargāti, un tie ir ierobežoti ar laiku, ko viņi var pavadīt "ārpus" kosmosa kuģa vai kosmosa stacijas. Kaut arī ļoti lielas gamma starojuma devas var būt letālas, visticamākais atkārtotas ekspozīcijas rezultāts gamma staru devām virs vidējām devām (piemēram, tām, kuras izjūt, piemēram, astronauti) ir paaugstināts risks vēzis. Tas ir kaut kas, ko dzīvības zinātņu eksperti pasaules kosmosa aģentūrās cieši izpēta.
• Rentgenstari: rentgenstari, tāpat kā gamma stari, ir elektromagnētisko viļņu (gaismas) forma. Parasti tos sadala divās klasēs: mīkstais rentgenstūris (ar garāku viļņu garumu) un cietais rentgenstūris (ar īsāku viļņa garumu). Jo īsāks viļņa garums (t.i. grūtāk rentgena), jo bīstamāks tas ir. Tāpēc medicīniskajā attēlveidošanā tiek izmantoti zemākas enerģijas rentgena stari. Rentgenstari parasti jonizēs mazākus atomus, savukārt lielāki atomi var absorbēt starojumu, jo tiem ir lielākas spraugas to jonizācijas enerģijās. Tāpēc rentgena aparāti ļoti labi attēlos tādas lietas kā kauli (tie sastāv no smagākiem elementiem), kamēr tie ir slikti mīksto audu (vieglāku elementu) attēli. Tiek lēsts, ka rentgena aparāti un citas atvasinātās ierīces veido starp 35-50% jonizējošā starojuma, ko pieredzējuši cilvēki Amerikas Savienotajās Valstīs.
• Alfa daļiņas: Alfa daļiņa (apzīmēta ar grieķu burtu α) sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem; tieši tāds pats sastāvs kā hēlija kodolā. Koncentrējoties uz alfa sabrukšanas procesu, kas tos rada, lūk, kas notiek: alfa daļiņa ir izdalās no sākotnējā kodola ar ļoti lielu ātrumu (tāpēc lielu enerģiju), parasti pārsniedzot 5% no gaismas ātrums. Dažas alfa daļiņas nonāk uz Zemes kā kosmiskie stari un var sasniegt ātrumu, kas pārsniedz 10% no gaismas ātruma. Tomēr parasti alfa daļiņas mijiedarbojas ļoti nelielos attālumos, tāpēc šeit uz Zemes alfa daļiņu starojums nav tiešs drauds dzīvībai. To vienkārši absorbē mūsu ārējā atmosfēra. Tomēr tā ir briesmas astronautiem.
• Beta daļiņas: Beta sabrukšanas rezultātā beta daļiņas (kuras parasti apzīmē ar grieķu burtu Β) ir enerģētiski elektroni, kas izkļūst, kad neitrons sadalās protonā, elektronā un anti-neitrīno. Šie elektroni ir enerģētiskāki par alfa daļiņām, bet mazāki par augstas enerģijas gamma stariem. Parasti beta daļiņas neietekmē cilvēku veselību, jo tās ir viegli pasargātas. Mākslīgi izveidotas beta daļiņas (tāpat kā paātrinātājos) vieglāk iekļūst ādā, jo tām ir ievērojami lielāka enerģija. Dažās vietās šīs daļiņu gaismas izmanto dažādu vēža veidu ārstēšanai, jo tās spēj mērķēt uz ļoti specifiskiem reģioniem. Tomēr audzējam ir jāatrodas netālu no virsmas, lai nesabojātu ievērojamu daudzumu audu, kas atrodas savstarpēji.
• Neitronu starojumsKodolsintēzes vai kodolskaldīšanas procesu laikā rodas ļoti augstas enerģijas neitroni. Pēc tam tos var absorbēt atoma kodols, izraisot atoma nonākšanu ierosinātā stāvoklī un tas var izstarot gamma starus. Pēc tam šie fotoni ierosinās atomus ap tiem, radot ķēdes reakciju, kā rezultātā apgabals kļūs radioaktīvs. Tas ir viens no galvenajiem veidiem, kā cilvēki tiek ievainoti, strādājot ap kodolreaktoriem bez atbilstoša aizsarglīdzekļa.

Kaut arī jonizējošais starojums (iepriekš) visu presi izsaka par kaitējumu cilvēkiem, nejonizējošajam starojumam var būt arī būtiska bioloģiska ietekme. Piemēram, nejonizējošs starojums var izraisīt tādas lietas kā saules apdegumus. Tomēr tieši to mēs izmantojam, lai pagatavotu ēdienu mikroviļņu krāsnīs. Nejonizējošais starojums var būt arī termiskā starojuma veidā, kas var sasildīt materiālu (un līdz ar to arī atomus) līdz pietiekami augstajai temperatūrai, lai izraisītu jonizāciju. Tomēr šis process tiek uzskatīts par savādāku nekā kinētiskie vai fotonu jonizācijas procesi.

• Radioviļņi: Radioviļņi ir garākais elektromagnētiskā starojuma (gaismas) viļņu garums. Tie ir no 1 milimetra līdz 100 kilometriem. Šis diapazons tomēr pārklājas ar mikroviļņu joslu (skatīt zemāk). Radioviļņus dabiski rada aktīvās galaktikas (īpaši no apgabala ap viņu supermasīvie melnie caurumi), pulsars un iekšā supernovas paliekas. Bet tie ir arī mākslīgi radīti radio un televīzijas pārraidei.
• Mikroviļņu krāsnisMikroviļņi, kas definēti kā gaismas viļņu garums no 1 milimetra līdz 1 metram (1000 milimetriem), dažreiz tiek uzskatīti par radioviļņu apakškopu. Faktiski radioastronomija parasti ir mikroviļņu joslas izpēte, jo ir ļoti grūti atklāt garāku viļņu garumu, jo tam būtu nepieciešami milzīga izmēra detektori; tāpēc tikai daži vienaudži pārsniedz 1 metru viļņa garumu. Kaut arī mikroviļņi nav jonizējoši, tie joprojām var būt bīstami cilvēkiem, jo ​​tie mijiedarbībai ar ūdeni un ūdens tvaikiem var izdalīt priekšmetam lielu daudzumu siltumenerģijas. (Tāpēc arī mikroviļņu observatorijas parasti tiek novietotas augstās, sausās vietās uz Zemes, lai mazinātu traucējumus, ko eksperimentam var izraisīt ūdens tvaiki mūsu atmosfērā.
• Infrasarkanais starojums: Infrasarkanais starojums ir elektromagnētiskā starojuma josla, kas aizņem viļņu garumu no 0,74 mikrometriem līdz 300 mikrometriem. (Vienā metrs ir 1 miljons mikrometru.) Infrasarkanais starojums ir ļoti tuvu optiskajai gaismai, un tāpēc tā izpētei tiek izmantotas ļoti līdzīgas metodes. Tomēr ir jāpārvar dažas grūtības; proti, infrasarkano gaismu rada objekti, kas ir salīdzināmi ar "istabas temperatūru". Tā kā elektronika, ko izmanto infrasarkano staru teleskopu darbināšanai un vadīšanai, darbosies šādā temperatūrā, paši instrumenti izstaros infrasarkano gaismu, traucējot datu iegūšanai. Tāpēc instrumentus atdzesē, izmantojot šķidru hēliju, lai mazinātu svešu infrasarkano fotonu iekļūšanu detektorā. Lielākā daļa no tā saule izstarojumi, kas sasniedz Zemes virsmu, faktiski ir infrasarkanā gaisma, redzamajam starojumam atrodoties tālu aiz muguras (un ultravioletā starojuma tālu trešdaļā).

• Redzama (optiska) gaisma: Redzamās gaismas viļņu garumu diapazons ir 380 nanometri (nm) un 740 nm. Tas ir elektromagnētiskais starojums, ko mēs varam noteikt savām acīm, visas pārējās formas mums nav redzamas bez elektroniskiem palīglīdzekļiem. Redzamā gaisma faktiski ir tikai ļoti maza elektromagnētiskā spektra daļa, tāpēc ir svarīgi izpētīt visus pārējos astronomijas viļņu garumus, lai iegūtu pilnīgu priekšstatu par Visums un izprast fiziskos mehānismus, kas pārvalda debesu ķermeņus.
• Melnā ķermeņa starojums: Melnais korpuss ir objekts, kas karsējot izstaro elektromagnētisko starojumu, radītās gaismas maksimālais viļņa garums būs proporcionāls temperatūrai (tas ir pazīstams kā Wien likums). Nav tādas lietas kā perfekta melnādaina viela, taču daudzi objekti, piemēram, mūsu saule, zeme un spoles uz jūsu elektriskās plīts, ir diezgan labi.
• Termiskā radiācijaTā kā daļiņas materiāla iekšienē pārvietojas to temperatūras ietekmē, iegūto kinētisko enerģiju var raksturot kā sistēmas kopējo siltumenerģiju. Objekta ar melnu ķermeni gadījumā (skatīt iepriekš) siltumenerģiju no sistēmas var atbrīvot elektromagnētiskā starojuma veidā.

Starojums, kā mēs redzam, ir viens no Visuma pamatelementiem. Bez tā mums nebūtu gaismas, siltuma, enerģijas un dzīvības.

Rediģēja Karolīna Kolinsa Petersena.