Promieniowanie to proces fizyczny, którego wynikiem jest transfer energii za pomocą fal elektromagnetycznych. Proces odwrotny do promieniowania nazywamy absorpcją. Rozważmy tę kwestię bardziej szczegółowo, a także podajmy przykłady promieniowania w życiu codziennym i przyrodzie.
Fizyka występowania promieniowania
Każde ciało składa się z atomów, które z kolei tworzą jądra naładowane dodatnio, oraz elektronów, które tworzą powłoki elektronowe wokół jąder i są naładowane ujemnie. Atomy są ułożone w taki sposób, że mogą znajdować się w różnych stanach energetycznych, to znaczy mogą mieć zarówno wyższą, jak i niższą energię. Kiedy atom ma najniższą energię, mówi się, że jest jego stanem podstawowym, każdy inny stan energetyczny atomu jest nazywany wzbudzeniem.
Istnienie różnych stanów energetycznych atomu wynika z faktu, że jego elektrony mogą znajdować się na określonych poziomach energii. Gdy elektron przemieszcza się z wyższego poziomu na niższy, atom traci energię, którą promieniuje do otaczającej przestrzeni w postaci fotonu - cząstki nośnikafale elektromagnetyczne. Wręcz przeciwnie, przejściu elektronu z poziomu niższego na wyższy towarzyszy absorpcja fotonu.
Istnieje kilka sposobów przeniesienia elektronu atomu na wyższy poziom energii, które obejmują przeniesienie energii. Może to być zarówno oddziaływanie na rozważany atom zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego, jak i przekazywanie mu energii za pomocą środków mechanicznych lub elektrycznych. Ponadto atomy mogą otrzymywać, a następnie uwalniać energię poprzez reakcje chemiczne.
Widmo elektromagnetyczne
Zanim przejdziemy do przykładów promieniowania w fizyce, należy zauważyć, że każdy atom emituje określone porcje energii. Dzieje się tak, ponieważ stany, w których elektron może znajdować się w atomie, nie są arbitralne, ale ściśle określone. W związku z tym przejściu między tymi stanami towarzyszy emisja pewnej ilości energii.
Z fizyki atomowej wiadomo, że fotony generowane w wyniku przejść elektronowych w atomie mają energię wprost proporcjonalną do ich częstotliwości oscylacji i odwrotnie proporcjonalną do długości fali (foton to fala elektromagnetyczna charakteryzująca się przez prędkość propagacji, długość i częstotliwość). Ponieważ atom substancji może emitować tylko pewien zestaw energii, oznacza to, że długości fal emitowanych fotonów są również specyficzne. Zbiór wszystkich tych długości nazywamy widmem elektromagnetycznym.
Jeśli długość fali fotonuleży między 390 nm a 750 nm, wtedy mówią o świetle widzialnym, ponieważ człowiek może je dostrzec na własne oczy, jeśli długość fali jest mniejsza niż 390 nm, wtedy takie fale elektromagnetyczne mają wysoką energię i nazywane są ultrafioletowym, rentgenowskim lub promieniowanie gamma. Dla długości większych niż 750 nm charakterystyczna jest niewielka energia fotonów, nazywana promieniowaniem podczerwonym, mikro- lub radiowym.
Promieniowanie cieplne ciał
Każde ciało, które ma temperaturę inną niż zero bezwzględne, promieniuje energią, w tym przypadku mówimy o promieniowaniu cieplnym lub cieplnym. W tym przypadku temperatura determinuje zarówno widmo elektromagnetyczne promieniowania cieplnego, jak i ilość energii emitowanej przez organizm. Im wyższa temperatura, tym więcej energii ciało promieniuje do otaczającej przestrzeni i tym bardziej jego widmo elektromagnetyczne przesuwa się w obszar wysokich częstotliwości. Procesy promieniowania cieplnego są opisane prawami Stefana-Boltzmanna, Plancka i Wien.
Przykłady promieniowania w życiu codziennym
Jak wspomniano powyżej, absolutnie każde ciało promieniuje energią w postaci fal elektromagnetycznych, ale proces ten nie zawsze można zobaczyć gołym okiem, ponieważ temperatury otaczających nas ciał są zwykle zbyt niskie, więc ich widmo leży w niskiej częstotliwości niewidocznej dla człowieka.
Uderzającym przykładem promieniowania w zakresie widzialnym jest elektryczna żarówka. Przechodząc spiralnie, prąd elektryczny nagrzewa żarnik wolframowy do 3000 K. Tak wysoka temperatura powoduje, że żarnik emituje fale elektromagnetyczne, maksymalniektóre mieszczą się w części długofalowej widma widzialnego.
Innym przykładem promieniowania w domu jest kuchenka mikrofalowa, która emituje mikrofale niewidoczne dla ludzkiego oka. Fale te są pochłaniane przez obiekty zawierające wodę, zwiększając w ten sposób ich energię kinetyczną, a w rezultacie ich temperaturę.
Na koniec przykładem promieniowania w życiu codziennym w zakresie podczerwieni jest promiennik grzejnika. Nie widzimy jego promieniowania, ale czujemy jego ciepło.
Naturalne promienne obiekty
Być może najbardziej uderzającym przykładem promieniowania w przyrodzie jest nasza gwiazda - Słońce. Temperatura na powierzchni Słońca wynosi około 6000 K, więc jego maksymalne promieniowanie przypada na długość fali 475 nm, czyli leży w zakresie widzialnym.
Słońce ogrzewa otaczające je planety i ich satelity, które również zaczynają świecić. Tutaj konieczne jest rozróżnienie między światłem odbitym a promieniowaniem cieplnym. Tak więc naszą Ziemię można zobaczyć z kosmosu w postaci niebieskiej kuli właśnie dzięki odbitemu słońcu. Jeśli mówimy o promieniowaniu cieplnym planety, to również zachodzi, ale leży w obszarze widma mikrofalowego (około 10 mikronów).
Oprócz światła odbitego warto podać inny przykład promieniowania w przyrodzie, związanego ze świerszczami. Emitowane przez nie światło widzialne nie jest w żaden sposób związane z promieniowaniem cieplnym i jest wynikiem reakcji chemicznej między tlenem atmosferycznym a lucyferyną (substancją zawartą w komórkach owadów). Zjawisko to jestnazwa bioluminescencji.
