Fizika | Felsőoktatás » Hányféle sugárzást ismerünk

HÁNYFÉLE SUGÁRZÁST ISMERÜNK? Az ember évezredeken keresztül csak a Nap hő-és fénysugárzását ismerte, hiszen ezek a sugárzások közvetlenül érzékelhetők. Az ember az általa közvetlenül nem érzékelhető sugarak világáról mit sem tudott. Vegyük sorba, hogy melyek is ezek a sugárzások. A XX. század emberének életében talán legnagyobb szerepet játszó sugárzás a rádiósugárzás, amelyet először az ember maga állított elő, majd jóval késöbb fedezte fel, hogy ilyen sugárzást is küldenek felénk a csillagok. Laboratóriumi kísérletek nyomán létrejött, véletlen felfedezések útján ismerte meg az emberiség a röntgensugárzást, más nevén X-sugárzást és a fádioaktív anyagok sugárzását. A fény-, a hő-, a rádio-, a röntgensugárzás és a rádium nagy áthatolóképességű sugárzása, a gamma-sugárzás, elektromágneses rezgés, de egyszersmind minden elektromágneses hullám mutat részecskesajátságot is, és eszerint

parányi részecskék záporának is tekinthetők. De az elektromágneses sugárzásokon kívül másfajta sugárzásokat is ismerünk. A béta-sugárzás gyorsan mozgó elektronokból áll. A pozitív béta-sugárzásban a negatív elektronnal azonos tömegű, de ellentétes töltésű részecskék: pozitronok repülnek tova. Az alfa-sugárzás héliumatommagokból áll A proton-sugárzás összetevője a proton, amely egységnyi pozitív töltést hordoz, éppen úgy mint mint a pozitron, de tömege közel kétezer elektrontömeg. A neutron sugárzás felfedezése igzi márföldkő volt a fizika történetében. A neutron tömege pontosan azonos a protonéval, de töltése nincs. A mezonsugárzást alkotó mezonok rövid élettartamú részek, amelyek tömeg szempontjából az elektron és a proton tömege közé esnek. Az ionizáló sugárzások kimutatásának egyik legegyszerűbb eszköze a feltöltött elektroszkóp, ugyanis sugárzás hatására elveszti töltését, mivel a

sugárzás vezetővé teszi a levegőt, így elvezeti a többlettöltést az elektroszkópról. Alapvető tapasztalatok mutattak rá arra, hogy egy elektroszkóp töltésének lassú csökkentését nem okozhatja kizárólag rádioaktív anyagok sugárzása. Egyrészt azért nem, mert kismértékű ionizáció még rádioaktív sugárzást teljesen elnyelő ólomfallal körülvett kamrában is mutatkozik, másrészt léggömbfelszálásokkal kimutatták, hogy az ionizáció a kezdeti csökkenést leszámítva, kb. 800 m magasságtól felfelé gyorsan növekszik Ezek alapján az ólomfallal le nem árnyékolható és a magassággal növekvő ionizációs hatást egy új, a világűrből érkező sugárzásnak, a kozmikus sugárzásnak tulajdonítjuk. Vizsgáljuk meg ezeket a sugárzásokat közelebbről. AZ ELEKTROMÁGNESES SZÍNKÉP Az elektromágneses hullámok hullámhossztartománya rendkívül nagy, amelynek a látható színkép csak igen kis töredékét foglalja el.

A látható színkép hosszú hullámú részéhez csatlakozik az infravörös színképtartomány. Ez átnyúlik az elektromos úton előállított hullámok tartományába. Ide tartoznak a mikrohullámok, az ultrarövid, a rövid-, a közép- és a hosszúhullámú rádióhullámok, majd a közönséges váltakozó áramok tartománya; a határon az egyenáram állna végtelen nagyságú hullámhosszal és 0 frekvenciával. A látható színkép rövidhullámú részén túl az ultraibolya tartomány kezdődik, majd a röntgen sugarak és a rádióaktív gamma-sugarak következnek. Még rövidebb a hullámhossza a kozmikus sugárzás elektromágneses részének. (1 ábra) Mivel a látható színkép határát pusztán élettani adottságok szablyák meg, gyakran a láthatóság tartományán kívül eső elektromágneses hullámokat is fénynek hívják, pl: infravörös fény, röntgenfény. HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Ha két különböző hőmérsékletű test

között mindenővezetést és hőáramlást megszüntetünk, legtökéletesebben úgy, hogy a testeket vákumba tesszük, a hőmérsékletek idővel mégis kiegyenlítődnek. A jelenség magyarázata az , hogy a testek hője részben sugárzó energiává alakul át, amit a másik test elnyel. A hidegebb test azért melegszik fel, mert több energiát nyel el, min amennyit kiboocsát, a melegebb pedig azért hűl le, mert több energiát sugároz ki, mint amennyit a hidegebb test sugárzásából elnyel. Ha valamely test egyenlő hőmérsékletű a környező testekkel, akkor időegység alatt ugyanannyi hőt sugároz ki, mint amennyit a környező testek sugárzásából elnyel. Tehát a sugárzási egyensúly dinamikai természetű A hősugárzás általánosan ismert tapasztalatai. -A sugárzás eróssége a test hőmérsékletével igen erősen nő. -A hőmérséklettel együtt változik a sugárzás erősságánek spektrális eloszlása. -Ugyanakkor hőmérsékleten levő

különböző testek közül azok sugároznak a legjobban, amelyek a sugárzást elnyelik. Egy test abszorpcióképessége (a) és emisszióképessége (e) a hőmérsékleten és a hullémhosszon kívül nagymértékben függ a test különböző sajátosságaitól, pl. a felület érdességétől, sötétségétől. Bármennyire is mások "e" és "a" értékei az egyes testeknél, az e/a viszony minden testnél ugyanaz, és csak /-nak és T-nek a függvénye. A törvény értelmében, ha valamely test egy meghatérozott hulémhosszú sugérzést kibocsát, akkor ugyanezt el is nyeli. Nagyon jelentős a következő idealizálás: azt a testet, amelyet a ráeső bármely hullámhosszúságú sugárzást teljesen elnyeli, abszolút fekete testnek hívjuk. Az abszolút fekete test emisszióképessége (E) bármely mástestnél nagyobb ugyanazon a hőmérsékleten. Olyan anyag, amely minden ráeső sugárzást teljesen elnyelne nincsen. Megvalósítható azonban a

fekete test úgy, hogy ez a sugárzást át nem eresztő, belül kormozott falú zárt edény falán kis lyukat fúrunk. A lyukon át behatoló sugárzás ugyanis a kormozott falakon való sokszoros visszaverődés következtében gyakorlatilag teljesen elnyelődik, mielőtt a lyukból kijutna. A fekete sugárzás forrásául ezért állandó hőmérsékleten tartható, rendszerint elektromosan izzított üreg nyílását használják, ami miatt a fekete sugárzást másképpen üregsugárzásnak is hívják. Bármely test emisszióképességének és abszorcióképességének hányadosa egyenlő a fekete test emisszióképességével, ami nem függ az anyagi állandóktól, így ez a törvény univerzális természettörvény. Ez az univerzális jelleg adja meg éppen a fekete test sugárzási törvénynek alapvető fontosságát. A fekete test sugárzására vonatkozó első törvényszerűséget Stefan 1878-ban, illetve Boltzmann 1884-ben találta meg empirikus, illetve

elméleti úton. A Stefan-Boltzmann-féle törvény értelmében a fekete test teljes sugárzása a test abszolút hőmérsékletének negyedik hatványával arényos. Egy másik fontos törvényszerűséget állapított meg elméleti úton W. Wien 1893-ban A Wien-féle eltolódási törvény szerint a fekete test maximális emisszióképességéhez tartozóhullámhossz az abszolút hőmérséklettel fordítva arényos. Az eloszlásfüggvényre Wien által felálllított formula nem volt helyes, de egyrészt ebből lehetett levezetni az eltolódási törvényt, másrészt a későbbi kutatók szeme előtt egy ilyen alakú törvény megtalálása lebegett végcélként. Planck 1897-1899-esévekben végzett erőfeszítései arra irányultak, hogy a Wien-féle sugárzási törvénynek komolyabb megalapozást adjon, mint ahogy azt maga Wien tette. Az üreg falát alkotó anyag számára az elképzelhető legegyszerűbb modelltt választotta: álljon a fal / frekvenciájú

oszcillátorokból, más szóval rugalmas erővel egymáshoz kötött pozitív és negatív töltésű részekből, amelyek sugárzását az elektrodinamika törvényei írják le. Planck úgy értelmezte, hogy az oszcillátorokkal kölcsönhatásba kerülő sugárzás elektromos tere különbözőképpen gerjeszti az egyes oszcillátorokat, egészen meghatározott, az időtől független eloszlásban. Ha az összes oszcillátor energiáját összeadjuk és elosztjuk az oszcillátorok számával, akkor eljutunk az átlagos energiához. Ha a Planck által felállított elméletre alkalmazzuk az ekvipartició elvét (minden szabadsági fokhoz 1/2 kT közepes energia tartozik), akkor a Rayleigh-Jeanstörvény néven ismert összefüggéshez jutunk. Rayleigh és Jeans 1900 júniusában jutott ehhez az összefüggéshez, de nem a klasszikus elektrodinamika törvényeit alkalmazták. Közben a kísérleti fizikusok sem pihentek és egyre szélesebb frekvenciatartományban

mérték meg a sugárzási törvényt (2.ábra) Ezekből a mérésekből egyértelműen kiderült, hogy a Wien-törvény a kísérleti adatokhoz csak igen nagy frekvenciákon simul. A Rayleigh-Jeans -törvény viszont csak kis frekvenciák estén írja le helyesen a jelenségeket. Planck tudomásul véve ezt a helyzetet, a klasszikus fizika számára teljesen érthetetlen dologra következtetett, miszerint a / frekvenciával rezgő oszcillátor energiája nem vehet fel tetszés szerinti és folytonosan változó értéket, hanem csak egy legkisebb energiakvantumnak egész számú többszöröseit. A Planck által felállított törvény helyesen írja le a jelenségeket az egész frekvenciatartományban. A Planeck-féle sugárzási formuláról egyszerű sorbafejtés alapján belátható, hogy kis frekvenciékra a Rayleigh-Jeans-, nagy frekvenciákra pedig a Wientörvényt adja. Ha a teljes frekvenciatartoményban kisugárzott teljesítményt vizsgáljuk, akkor megkapjuk belőle a

Stefan-Boltzmann-törvényt, ehyszerű deriválás segítségével pedig megmutatható belőle a Wien-féle eltolódás érvényessége is. Planc-féle sugárzási törvény: E/d/=2c h ---- d/ vagy E/d/= ---- ------ d/ k: Boltzmann állandó c: fénysebesség h: Planck állandó A sugárzási törvény jelentősége messze túlmegy a hősugárzás területén. A gondolat, miszerint az oszcillátor energiája csak diszkrét értékeket vehet fel világszemléletünket lényegesen átalakította. LUMINESZENCIASUGÁRZÁSOK A lumineszencia a fénysugárzások azon eseteinek közös neve, amelyekben a fénykibocsátás oka lumineszenciajelenségek nem közül a sugárzó a test legismertebb a hőmérséklete. A fluoreszencia és foszforeszencia jelenségei. Sok anyag pl. fluorpát, uránüveg, petróleum, jód-és nátriumgőz fény hatására maga is fényt bocsát ki, de közönséges megfigyelés szerint csak addig, amíg a fény éri. Ezt a jelenséget hívják

általában fluoreszenciának A fluoreszenciasugárzás összetétele, sprektális eloszlása, jellemző az anyagra, és általában hosszabb hullámú, mint a gerjesztó fény. A beeső fény energiáját az atomok, illetve molekulák elnyelik, és azután rendszerint más hullámhosszú fény alakjában bocsátják ki. Így fluoreszenciafény az anyag mindazon részeiről kiindul, amelyeket fény ér. A fluoreszenciafény egyik felhasználási területe a fluoeszencia-analízis, amelynek segítségével sok hamisítást fel lehet ismerni pl. élelmiszereknél, bankjegyeknél, bélyegeknél, drágaköveknél. Mivel az olyan anyagok, amelyek közönséges fényben egyformának látszanak, fluoreszenciasugárzásukban gyakran lényegesen különböznek. A foszforeszencia a fluoreszenciától külső megnyilvánulás szempontjából annyiban különbözik, hogy a világítás a fénybehatás megszűnése után is tovább tart. Az utóvilágítás időtartama az egyes anyagoknál nagyon

eltérő lehet Foszforeszkáláskor az energiaelnyelés és kibocsátás közé az energiatárolás bonyolult mechanizmusa kapcsolódik. Tágabb értelemben foszforon értünk minden olyan anyagot, amely foszforeszkálásra képes . A legismertebb foszforok a cink, a kálcium, a stroncium, és a bárium szulfidjai. A foszforeszkálás jelenségei erősen függnek a hőmérséklettől, az utóvilágítás annál rövidebb ideig tart, minél magasabb a foszfor hőmérséklete. Foszforok felhasználásával a hómérsékleti sugárzónál lényegesen jobb hatásfokú fényforrások készíthetők. A természetben megfigyelhető további lumineszenciajelenségek pl. a katód-, anód-, röntgen-, radio-, elektro-, illetve tribolumineszencia. Az egyik legismertebb jelenség a szentjénosbogár és bizonyos baktériumok világítása a kemilumineszencia körébe tartozik, de ezen jelenségeket biolumineszenciának is hívják. RÁDIÓHULLÁMOK A rádióhullámokat a következőképpen

szokás osztályozni: hullámhossz frekvencia hosszú hullámok nagyobb, > 1000m közép hullámok 1000m - 200m 300kHz - 1,5MHz átmeneti hullámok 200m - 100m 1,5MHz - 3MHz rövidhullámok 100m - 10m 3MHz - 30MHz 10m - 1m 30MHz - 300Mhz kisebb, < 0,3m nagyobb, > 1GHz deciméteres hullámok 1m - 0,1m 1GHz - 10GHz centimétere hullámok 0,1m - 0,01m 10GHz - 100GHz milliméteres hullámok kisebb, < 0.01m nagyobb, > 100GHz ultrarövid hullámok mikrohullámok A kisugárzott elektomágneses hullámok kisebb, < 300kHz hullámhosszúktól függően különbözőképpen terjednek. A hosszúhullámok a Föld felületén elhajlanak, vagyis követik a Föld görbületét. Az ilyen felületi hullámokkal dolgozó nagy teljesítményű adók terjedését gátolják a hegyek, kiemelkedő épületek és fák. Nyílt tengeren azonban a hullámok terjedése igen kedvező, ezt használja ki például a tengerhajózás. A középhullámok részben

felületi, részben térhullámok formájában terjednek. A térhullámok úgy jönnek létre, hogy az adóantennából kiinduló hullámok felfelé terjednek és a Földet körülvevő ionoszférából visszaverődve ismét a Földre futnak. Azt, hogy az adó sugárzásából mennyi felületi és mennyi térhullám lesz, az adóantenna alakja határozza meg. (3 ábra) A rövidhullámok egyenes vonalban terjednek, az ionoszférán áthatolnak és kijutnak a világűrbe. Emiatt csak az adó látótávolságában vehetők mesterséges holdakkal azonban megvalósítható a nagy távolságú URH-vétel is olyan módon, , hogy a földkörüli pályán keringő műhold veszi és visszasugározza a Földre. (4 ábra) Ultrarövid hullámokkal sikerült összeköttetést létesíteni például a kb. 10 km távolságban levó Mars- és Venus- rakétákkal is. A mikkkrohullámok terjedése a fényhullámokéhoz hasonló. Ezek is egyenes vonalon terjednek. Az ionoszférán éthatolnak és

kijutnak a világűrbe A RÁDIÓHULLÁMOK TERJEDÉSI ZAVARAI A felületi hullámokként terjedő hosszúhullámokat vevővel a nap minden szakaszán egyformán jól lehet venni. A térhullámokkal is dolgozó középhullámú és rövidhullámú adók vételi lehetőségei erősen befolyásolja a visszaverő ionoszféra vezetőképessége, az ionoszférát érő külső sugárzás, valamint az ionoszférában dúló vihar. ezek együttes hatésa okozza, hogy a közlphullámhosszú adót nappal csak felületi hullámával lehet venni, térhullámával nem. Este viszont a középhullámokat nagy távolságban is lehet venni, ezért este több középhullámú adóvevő vehetó, mint nappal. A rövidhullámok vátele is erősen változik napszak, évszak és távolság szerint. Nappal általában a rövidebb hullámhosszú sávok, a sötétség beállta után pedig a hosszabb hullámú sávok vehetők jobban. Ahhoz, hogy a rövidhullámok az ionoszférából visszaverődjenek, egy

bizonyos legkisebb szöggel kell a visszaverő ionoszférára jutniok. Ez az oka, hogy a rövidhullámok nem mindenütt vehetők. Mivel a felületi hullámok által közvetlenül besugárzott terület többnyire kicsi, ezért a felületi és térhullámok által ért területek között van egy gyűrű alakú holt zóna, ahol az adót egyáltalán nem lehet hallgatni. Az ultrarövidhullámok elhajlásuk csekély. eegyenes vonalban, látótávolságra terjednek, A hullámterjedés legerősebb zavara az elhalkulás néven ismert jelenség. Ez azzal kapcsolatos, hogy a felszín mentén terjedő és az ionoszféráról visszaverődő hullámok, vagy pedig az ugyanazon hullámforrásból kilépő, de különböző utakat megtett rádióhullámok interferencia révén gyengítik egymást. A légkör elektromos állapotának változása a véletlen sercegés, recsegés formájában jelentkezik. E zavarok elsősorban a hosszú- és középhullámok vételét zavarják, a

rövidhullámon hatásuk nem számottevő. RÖNTGENSUGÁRZÁS Wilhelm Konrad Röntgen, a századforduló kiemelkedő tehetségű német fizikusa, a ritkított gázokban és a légüres térben végbemenő elektromos jelenségeket tanulmányozzva jött rá korszakalkotó felfedezésére. Röntgen kísérleti eszköze egy izzószálat és az izzószállal szemben elhelyezett (anódot) tartalmazó légüres cső volt. Az izzószál elktronokat bocsátott ki, ezek a fémlemezre kapcsolt pozitív feszültség hatására az anód felé gyorsultak , majd ugyanoda becsapódtak. A pecsapódás helyén láthatatlan, nagy áthatolóképességű sugárzás keletkezett, amely a fekete papírba csomagolt fényképezőlemezt megfeketítette, sőt feketítő hatását a sugárzás útjába tett tenyérrel sem sikerült megszüntetni