Ακτινοβολία

Προέλευση

Δεν γνωρίζουμε την προέλευση όλων των ειδών ακτινοβολίας. Για παράδειγμα η ακτινοβολία που ανιχνεύεται ακόμη και σήμερα και θεωρείται πως προέρχεται από τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος, σύμφωνα με τη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, δεν είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε από πού έχει προέλθει. Κατά κύριο λόγο όμως η ακτινοβολία, αν δεν προϋπάρχει, προέρχεται από αλλαγές σε καταστάσεις ενέργειας της ύλης. Αλλαγή στην κατάσταση ενέργειας της ύλης (και παραγωγή ή απορρόφηση ακτινοβολίας από αυτήν) έχουμε είτε όταν η ύλη διεγείρεται και αποδιεγείρεται είτε όταν η ύλη διασπάται ή συντίθεται.

Ακτινοβολία από επιτάχυνση ηλεκτρικών φορτίων

Ένα ηλεκτρικό φορτίο που επιταχύνεται στον χώρο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το φορτίο μπορεί να είναι είτε ελεύθερο είτε δέσμιο. Ένα ελεύθερο ηλεκτρικό φορτίο ταξιδεύει στο κενό, ένα δέσμιο μπορεί να ταλαντώνει γύρω από το σημείο εξάρτησής του και ένα φορτίο μέσα σε έναν ηλεκτρικό αγωγό μπορεί να κινείται μέσα στα όρια του αγωγού.
Δέσμια φορτία μπορεί να είναι ιόντα που ταλαντώνουν μέσα σε μόρια. Για παράδειγμα στο H₂O (νερό), που το μόριο έχει σχήμα V, το οξυγόνο στη μέση είναι το σημείο εξάρτησης για τα ιόντα του υδρογόνου. Στη μαγνητική τομογραφία ανιχνεύονται οι αποδιεγέρσεις από τις ταλαντώσεις των κατάλληλα διεγερμένων ιόντων του υδρογόνου (ανοιγοκλείνει το V) στο μόριο του νερού. Η αποδιέγερση και εκπομπή της ακτινοβολίας φθίνει την ταλάντωση. Επειδή το ανθρώπινο σώμα αποτελείται σε μεγάλο μέρος από νερό και κάθε όργανο έχει διαφορετική συγκέντρωση νερού, ιδίως εκεί που οριοθετείται μέσα στο σώμα, είμαστε σε θέση, με τη συλλογή και επεξεργασία της εκπομπής, να αναπαριστούμε τη μορφή των ιστών με μεγάλη ακρίβεια.
Όταν τα ηλεκτρικά φορτία, που δεσμεύονται χωρικά μέσα σε έναν ηλεκτρικό αγωγό, εξαναγκαστούν σε κίνηση μέσα σε αυτόν, εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εμφανίζει ιδιότητες που εξαρτώνται από τις διαστάσεις και το σχήμα του αγωγού. Στην περίπτωση που τα φορτία ταλαντώνουν εξαναγκασμένα κατά μήκος ενός ευθύγραμμου αγωγού (με δύο άκρα) έχουμε μια διπολική κεραία.

Ακτινοβολία ατόμου

Ως ακτινοβολία από άτομο θεωρούμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται κατά τη μεταπήδηση των ηλεκτρονίων ενός ατόμου από μια ενεργειακή στάθμη που καταλαμβάνουν, σε μια πιο χαμηλή. Η ακτινοβολία αυτή είναι το παράγωγο της αποδιέγερσης του ατόμου από ενέργεια που έχει απορροφηθεί από τα ηλεκτρόνιά του. Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο βρίσκονται δεσμευμένα σε ενεργειακές στάθμες (ή τροχιές). Η απορρόφηση ενέργειας κάνει τα ηλεκτρόνια να μεταπηδούν σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη και το άτομο θεωρείται πλέον διεγερμένο. Κάποιον χρόνο αργότερα τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν αυθόρμητα στην αρχική τους στάθμη, με ένα ή περισσότερα βήματα, και στα βήματα αυτά που μεταπηδούν προς μια πιο χαμηλή τροχιά, εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία αυτή είναι η εκδήλωση της ενέργειας που αποδεσμεύεται από το άτομο κατά την επαναφορά των ηλεκτρονίων του σε πιο βασική ενεργειακή στάθμη.

Ακτινοβολία πυρήνα

Η ακτινοβολία πυρήνα (nuclear radiation) είναι η σωματιδιακή ακτινοβολία και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπονται από την περιοχή του πυρήνα ενός ατόμου. Ως φυσική διαδικασία σε ένα σύστημα όπως ο πλανήτης μας, η ακτινοβολία αυτή παράγεται κατά τις ραδιενεργές διασπάσεις (ραδιενεργός ακτινοβολία) συνοδεύοντας τη μεταστοιχείωση της ύλης, κατ' ουσίαν δηλαδή εκδηλώνει το περίσσευμα, από τον αρχικό πυρήνα, του σχηματισμού των νέων ατόμων. Εκπομπή ακτινοβολίας από τον πυρήνα ενός ατόμου πετυχαίνουμε και με τεχνητές διαδικασίες, για παράδειγμα με τη χρήση επιταχυντών σωματιδίων. Εκπομπή ακτινοβολίας από την περιοχή του πυρήνα έχουμε και κατά την πυρηνική σύντηξη, που ως φυσική διαδικασία εκτιμούμε πως συμβαίνει σε συστήματα όπως τα άστρα.
Ένας πυρήνας σε ένα άτομο μπορεί να βρίσκεται σε ασταθή κατάσταση είτε επειδή πρόκειται για ραδιενεργό υλικό είτε επειδή διεγείρεται με κάποιον τρόπο απορροφώντας ενέργεια ή και ύλη (πχ νετρόνιο). Στην περίπτωση που ένας σταθερός πυρήνας βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση μπορεί απλώς να αποδιεγερθεί με εκπομπή ακτινοβολίας. Αν είναι ασταθής (ραδιενεργό υλικό) μπορεί να διασπαστεί, είτε διεγειρόμενος είτε αυθόρμητα, σε περισσότερα στοιχεία που είναι πιο ελαφριά. Το περίσσευμα της ενέργειας σύνδεσης του αρχικού πυρήνα σε σχέση με των τελικών, καθώς και της ύλης που περισσεύει, γίνεται η πυρηνική ακτινοβολία.
Στη σύντηξη έχουμε τον σχηματισμό ενός βαρύτερου πυρήνα από πιο ελαφρούς. Ο πυρήνας ηλίου πχ αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια και μπορεί να παραχθεί με τη σύντηξη δύο πυρήνων δευτερίου (ισότοπο του υδρογόνου που ο πυρήνας του αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο). Για να είναι σταθερός ο πυρήνας ηλίου αποβάλλει ένα περίσσευμα ενέργειας υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Κατά τη σύντηξη βαρύτερων στοιχείων, από το πλεόνασμα παράγεται επιπρόσθετα σωματιδιακή ακτινοβολία.

Ακτινοβολία εξαΰλωσης

Στην περίπτωση που συναντάται στον χώρο ύλη και αντιύλη το αποτέλεσμα είναι καταστροφικό και για τις δύο. Όταν έρχονται σε επαφή σωματίδια που το ένα είναι αντιύλη του άλλου, πχ ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο (αντι-ηλεκτρόνιο), το αποτέλεσμα είναι η πλήρης καταστροφή και των δύο και η εμφάνιση ενέργειας στη θέση της ύλης, που εκδηλώνεται με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αντίδραση ύλης και αντιύλης συμβαίνει και στη φύση και τεχνητά, για παράδειγμα στους επιταχυντές σωματιδίων.
Η αντίδραση ύλης και αντιύλης έχει καθημερινή ιατρική χρήση στην τομογραφία. Ραδιενεργά υλικά που διεγείρονται με σκοπό την παραγωγή αντιύλης παρασκευάζονται εργαστηριακά και εγχέονται στη ροή του αίματος, με σκοπό την τομογράφηση των περιοχών στις οποίες το ραδιενεργό υλικό έχει την ιδιότητα να συσσωρεύεται. Η παραγόμενη αντιύλη εξαϋλώνεται με την ύλη που συναντά στο ανθρώπινο σώμα και η ακτινοβολία που παράγεται ανιχνεύεται από τον τομογράφο, με αποτέλεσμα την δημιουργία ενός ειδώλου της συσσώρευσης του ραδιενεργού υλικού στο σώμα, την αναπαράσταση δηλαδή της μορφής του ιστού του σώματος που ενδεχομένως πάσχει.

Κοσμική ακτινοβολία

Η κοσμική ακτινοβολία είναι όρος που χρησιμοποιείται για την ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από το διάστημα. Σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως για τη σωματιδιακή ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από τον Ήλιο, από τον μεσοαστρικό χώρο μετά την ηλιόπαυση και από τον διαγαλαξιακό χώρο. Ως όρος χρησιμοποιείται ενίοτε και για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες γάμμα και ακτίνες Χ) που προέρχεται από το διάστημα.

Θερμική ακτινοβολία

Θερμική ακτινοβολία είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από αντικείμενα στις συνήθεις γήινες θερμοκρασίες. Προέρχεται από την ενέργεια των κινούμενων σωματιδίων εντός των ατόμων και εκπέμπεται κατά την αποδιέγερσή τους, οπότε και χαμηλώνει η θερμοκρασία τους. Η θερμική ακτινοβολία συλλαμβάνεται από την ύλη στην οποία προσπίπτει και αυξάνει τη θερμοκρασία της, αυξάνοντας την ενέργεια των κινούμενων σωματιδίων εντός των ατόμων. Η θερμική ακτινοβολία είναι κατά βάση υπέρυθρη ακτινοβολία, αλλά και ακτινοβολία μικροκυμάτων και ορατή ακτινοβολία κοντά στο κόκκινο.