辐射是什么?是质量还是能量?

时间:2021-07-19 09:07:09   作者:
根据爱因斯坦的广义相对论(E=mc²),质量和能量是可以互换的。但是辐射可以是质量大的粒子,或者纯粹的能量,并且可以在两者之间转换。辐射是不稳定原子释放的粒子或能量。

辐射有四种类型:
 
  1. 阿尔法辐射:一个氦原子核,2 个质子和 2 个中子,没有净电荷,质量很小。
  2. Beta辐射:一个自由电子,带有小负电荷和小质量。
  3. 中子辐射:自由中子,不带电荷,质量小。
  4. 电磁波:光子——光——没有电荷也没有质量,以光速传播。光子是纯能量。

所有这些类型的辐射都是电离的,这意味着如果它们发生碰撞,它们有足够的能量从一个原子上夺走一个电子。这可能导致活组织突变和其他问题。造成的累积损害取决于辐射的类型和数量。

类似的现象还有,宇宙射线是由大量粒子、自由质子和原子核组成的,它们从恒星、新星和其他现象中被发射到太空中,以很大比例的光速在太空中移动。宇宙射线可以与地球大气中的粒子相互作用,就像粒子加速器中的碰撞一样,产生额外的粒子(介子、介子等)。这些物质可以将一些元素转化为放射性同位素。一个例子是,非放射性的碳12与宇宙射线产生的碎片碰撞后变成了碳14。反过来,碳14会释放出电离辐射(贝塔粒子),因为它会慢慢变成非放射性的氮14。

这是粒子辐射发射的一般性质。一种元素转变成另一种元素是因为放射性元素或一种元素的放射性同位素不稳定。原子越大(原子核里的质子和中子越多),它就越不稳定,因为质子的累积电斥力开始超过把原子核结合在一起的强大力量。

另一个例子是,铀238衰变链经过一系列放射性元素,最后变成铅:U-238 -> Th-234 -> Pa-234m -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> Po-218 -> At-218 -> Rn-218 -> Pb-214 -> Bi-214 ->(非放射性铅)…

任何有质量的物体,包括所有的粒子辐射,都比光速慢。光子(能量的基本包)在真空中以光速传播,即每秒299,792,458米(约30万公里/秒,或186,000英里/秒)。

但是光子的能量并不都是一样的。光子振动的速度越快,它运动的频率就越短,能量就越高。更高的能量,更快的振动。更快的振动,更短的波。因为光子在振动的同时也在移动,所以它以波的形式在空间中移动:

辐射是什么?是质量还是能量?

强辐射是伽马波和高能x射线(下图左侧)。低能量的x射线和高能量的紫外光也是电离辐射。

低能量的紫外线、可见光、红外线和无线电都不能电离。某些波长的光与某些分子发生共振。例如,2.4Ghz范围的微波与水分子发生共振,导致水分子吸收光子并升温。请记住,温度是平均运动的测量值。如果一个光子与分子共振,分子的振动就会被放大。由于振动的能量更大,温度(运动或振动的测量值)也更高。另一个例子是,红外光与二氧化碳产生共振,导致二氧化碳吸收光子并加热。但这和电离不是一回事。

辐射是什么?是质量还是能量?

好了。辐射是发射粒子和高能光。有些辐射是质量,有些是纯能量。但是,根据爱因斯坦的理论,质量和能量实际上是同一事物的两种表现形式。如果一个移动的大质量粒子与其他物体碰撞,能量就会释放出来。所以由质量组成的辐射可以转化为能量。
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