Sähkömagneettinen säteily ja hiukkassäteily
Luokittelua
Sähkömagneettinen säteily Aaltoliikettä Kun aallonpituus pienenee, säteilyn taajuus ja energia kasvavat. c = valon nopeus tyhjiössä = 3,0 · 108 m/s
Aaltohiukkasdualismi Sähkömagneettisella säteilyllä on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. Klassisessa fysiikassa aaltoliikemallilla voidaan selittää esimerkiksi interferenssi. Klassisen fysiikan hiukkaskuvassa taas selittyvät mm. valosähköinen ilmiö ja mustan kappaleen säteily. Isaac Newton päätyi hiukkaskäsitykseen, vaikka olikin häkeltynyt muun muassa valon kahden pinnan osittaisheijastumista koskevista ongelmista. Hän tiesi, että yhteen lasipintaan osuvasta valosta tietty määrä kulkee lasin läpi ja pienempi osa heijastuu siitä. Jos tämän pinnan taakse asetetaan toinen, heijastuminen muuttuu hämmästyttävästi: tietyillä lasin paksuuksilla valoa ei heijastu lainkaan, toisilla taas huomattavasti enemmän kuin yhden pinnan tapauksessa. Tämä oli mysteeri tuon ajan fyysikoille: miten jälkimmäinen pinta voi vaikuttaa ensimmäisestä pinnasta jo heijastuneeseen valoon eli miten valo tietää kuinka monta pintaa sillä on edessään? Newton päätteli, että valolla on joko "taipumus heijastua" tai "taipumus olla heijastumatta", ja tuo taipumus riippuu lasin paksuudesta. Tätä pidemmälle hänellä ei ollut mahdollista päästä.
Aaltohiukkasdualismi Myöhemmin ilmiö selitettiin valon aalto-ominaisuuksien avulla: kyse on interferenssistä. Jos ensimmäisestä ja toisesta pinnasta heijastuneet valoaallot ovat eri vaiheissa, ne sammuttavat toisensa, samassa vaiheessa olevat puolestaan vahvistavat. 1900-luvun vaihteessa ilmeni kuitenkin seikkoja, jotka viittasivat siihen, että valolla on myös hiukkasmaisia ominaisuuksia. Albert Einstein onnistui vuonna 1905 selittämään valosähköisen ilmiön, jossa metallista irtoaa elektroneja kun sitä valaistaan tietyn aallonpituuden alittavalla valolla. Einstein keksi, että tuleva valo absorboituu kvantteina, ja vain tietyn energian ylittävä valopaketti, fotoni, pystyy irrottamaan elektronin metallista. Valon täytyy siis olla yhtä aikaa aaltoliikettä ja hiukkasia. Väite herätti tiukkaa vastarintaa ja useat fyysikot näkivät sen vieraana ja outona. Einstein sai valosähköisen ilmiön selvittämisestä Nobelin palkinnon vuonna 1921. Nobel-komitea näki kuitenkin parhaaksi sanoa itsensä irti valon hiukkasluonteesta ja myönsi palkinnon vain matemaattisen teorian pohjalta, jossa hiukkasluonne nähtiin vain keinona kuvata havaittuja ilmiöitä.
Sähkömagneettisen säteilyn lajit Seuraavaksi perehdytään tarkemmin ionisoimattomaan sähkömagneettiseen säteilyyn.
Radioaallot Aallonpituusalue 0,1 m-100 000 km. Usein mainitaan aallonpituuden sijasta taajuus: 3 Hz–300 GHz Käytetään mm. langattomaan tiedonsiirtoon: radio- ja tv-lähetykset, matkapuhelimet.
Mikroaallot Mikroaallot ovat aallonpituuksien 30 cm–1 mm ja taajuuksien 1 GHz–300 GHz välissä Käytetään mm. tutkissa ja mikroaaltouuneissa. Mikroaaltouunin keksi Raytheonilla työskentelevä Perc Spencer vuonna 1945. Hän kehitti magnetroneja erilaisia tutkasovelluksia varten ja huomasi sattumalta, että mikroaalloilla pystyi kuumentamaan ruokaa. Tarinan mukaan suklaapatukka hänen taskussaan oli sulanut. Seuraavaksi hän laittoi popcornin siemeniä magnetronin lähelle ja hetken kuluttua popcornit poksahtelivat ja pomppivat ympäri hänen laboratoriotaan.
Infrapunasäteily Aallonpituusalue 700 nm...1 mm Aineen rakennehiukkasten lämpövärähtelyistä johtuvaa. Aurinko tärkein infrapunasäteilyn lähde. Käytetään mm. lämpökameroissa, kaukosäätimissä ja cd-soittimissa.
Näkyvä valo Aallonpituusalue on 400-700 nm. Sateenkaaren spektrissä näkyvät kaikki valon väri violetista punaiseen. Aurinko tärkein valon lähde. Lamput Laser on optinen laite, joka tuottaa koherentin valosäteen
Ultraviolettisäteily Aallonpituudeltaan lyhyempää kuin näkyvä valo Ultraviolettisäteily jaetaan kolmeen säteilyalueeseen pääasiassa säteilyn ihmisterveyteen ja ympäristöön aiheuttamien vaikutusten mukaan: UVA-säteily, aallonpituus 315-380 nm UVB-säteily, aallonpituus 280-315 nm UVC-säteily, aallonpituus 100-280 nm Otsonikerros on tehokkain suoja UV-säteilyä vastaan.
Ionisoiva säteily Ionisoituminen = Atomin elektroniverhosta irtoaa tai siihen tulee lisää elektroni/elektroneja ja atomista tulee sähköisesti varautunut ioni.
Sähkömagneettinen ionisoiva säteily Gammasäteilyä (γ) syntyy atomiydinten hajoamisen yhteydessä. Lähettäessään gammasäteilyä ydin ei muutu toisen alkuaineen ytimeksi, vain ytimen energia muuttuu Hyvin läpitunkevaa Käytetään mm. sairaalatarvikkeiden sterilointiin. Ei tartu säteilytettyihin kohteisiin.
Sähkömagneettinen ionisoiva säteily Röntgensäteily on lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä Läpäisee kevyistä alkuaineista koostuvia esteitä hyvin. Synnytetään röntgenputkissa pysäyttämällä suureen nopeuteen kiihdytetyt elektronit metallilevyyn. Käytetään lääketieteessä, arkeologiassa, teollisuudessa
Hiukkassäteily Syntyy radioaktiivisten aineiden hajotessa Radioaktiivinen aine = hajoaa ajan myötä toisiksi aineiksi (vrt. gammasäteily) α, β ja neutronisäteily Kosminen taustasäteily on hiukkassäteilyä Radioaktiivisia aineita ja –säteilyä on kaikkialla. Jaetaan ionisoivaan ja ionisoimattomaan säteilyyn. Ionisoiva vaarallista!
Hiukkassäteily Alfasäteily: Raskaat alkuaineet lähettävät hajotessaan heliumatomin ytimiä = alfahiukkasia. Ei etene pitkiä matkoja, mutta on erittäin vaarallista! Suomen maaperä sisältää alfa-aktiivista uraania paljon. U Ra Rn Beetasäteily: Elektroni- tai positroni-säteilyä. Neutronisäteily: Ei ionisoi suoraan, mutta jos neutroni jää ytimeen, syntyy uusi alkuaineen isotooppi Ytimen muutokset lähettävät gammasäteilyä. Käytetään syöpäkasvaimien tuhoamiseen (Boori + neutronisäteily Litium + Helium + energiaa)
Hiukkassäteilyn läpäisevyys Paperi Alumiini
Säteilyn yksiköt Aktiivisuus = Hajoamisten lkm. / Aika Yksikkö Bq (becquerel) Esim 1500 Bq = 1500 hajoamista/s Puoliintumisaika T1/2 = Aika, jolloin näytteen aktiivisuus pienenee puoleen. Esim. Plutoniumin puoliintumisaika on 24 000 vuotta! Säteilyannos = Säteilyn biologisten vaikutusten voimakkuus Yksikkö Sv (sievert) Ottaa huomioon säteilylajien erilaisuuden.
*Esimerkki (vain, jos MAA1 on käytynä) Radioaktiivisen isotoopin casium-137 puoliintumisaika on 29 vuotta. Ydinvoimalaonnettomuudessa saastuneella alueella aineen määrä on satakertainen turvalliseen määrään verrattuna. Kuinka monen vuoden kuluttua aineen määrä on sallituissa rajoissa?
Säteilyn vaimeneminen Pistemäisen säteilylähteen säteilyn voimakkuus on kääntäen verrannollinen säteilylähteen etäisyyden neliöön. Säteilyn intensiteetti pienenee neljäsosaan, kun etäisyys säteilylähteestä kaksinkertaistuu.
Esimerkki (tehtävä 7-27) r/cm I/(pulssia/s) 8 656 10 420 15 187 20 104 25 67 30 47 35 34 40 50 17 Intensiteetti on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Matemaattisesti tämän voisi muotoilla: I~1/r2. Pistemäinen gammasäteilylähde säteilee kaikkiin suuntiin. Säteily jakautuu pallopinnalle, jonka pinta-ala on suoraan verrannollinen pallon säteen toiseen potenssiin.