Физики увидели хокинговское излучение от искусственной черной дыры: Наука и техника: Lenta.ru

В потоке воды, служащем моделью черной дыры, были обнаружены случаи изменения частоты волн с положительной на отрицательную. Это, возможно, является классическим аналогом механизма, лежащего в основе хокинговского излучения, сообщает международный коллектив авторов в статье, опубликованной в журнале New Journal of Physics.

Черная дыра – область пространства c настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Черные дыры возникают, например, при коллапсе массивной звезды. Граница черной дыры называется горизонтом событий.

В 1970-х годах британский астрофизик Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что черные дыры, несмотря на свое непреодолимое притяжение, медленно испаряются, теряя энергию и массу. Этот квантовый эффект становится возможен благодаря рождению пар частица-античастица вблизи горизонта событий. Возможен вариант событий, когда античастица, имеющая отрицательную полную энергию, падает в черную дыру, уменьшая тем самым ее энергию покоя и массу, а частица – улетает. Для стороннего наблюдателя это выглядит как излучение черной дыры.

Непосредственно наблюдать испарение черных дыр практически невозможно: дыры за счет него имеют температуру, но она настолько мала, что зафиксировать ее астрофизики не могут. Поэтому для исследования хокинговского излучения (испарения) используются теоретические расчеты и аналоговое моделирование в лаборатории.

Жермен Руссо (Germain Rousseaux), Ульф Леонхардт (Ulf Leonhardt) и их коллеги использовали оборудование французской лаборатории GENIMAR, обычно применяющееся для исследования воздействия волн и течений на берега и на корпуса подводных лодок. В 30-метровом узком бассейне генерировались волны, направленные против сильного течения. Это, по мнению исследователей, может считаться адекватной моделью процессов, предшествующих зарождению волн хокинговского излучения.

Согласно теории Хокинга, появлению таких волн предшествует наличие волн двух типов: с положительной частотой и с отрицательной. Группа Леонхардта искала с помощью нескольких видеокамер именно случаи изменения частоты водяных волн с положительной на отрицательную, чего ранее никто не делал.

Исследователям удалось зафиксировать такие случаи, причем гораздо больше, чем предсказывали теоретические вычисления. Чем объясняется расхождение с теорией, пока непонятно.

Недавно Леонхардт (известный также своими работами по другой модной теме – квантовой левитации) в составе другой группы занимался моделированием черных (и белых) дыр с помощью электромагнитных волн.

От микромира до космоса: российские ученые готовят прорыв в физике частиц

https://ria.ru/20201116/mifi-1584441051.html

От микромира до космоса: российские ученые готовят прорыв в физике частиц

От микромира до космоса: российские ученые готовят прорыв в физике частиц — РИА Новости, 16.11.2020

От микромира до космоса: российские ученые готовят прорыв в физике частиц

Уникальный детектор для Большого адронного коллайдера (БАК) разрабатывают ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ). По… РИА Новости, 16.11.2020

2020-11-16T09:00

2020-11-16T09:00

2020-11-16T09:00

наука

дубна

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

космос — риа наука

навигатор абитуриента

университетская наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/0b/0d/1584440850_0:0:3640:2048_1920x0_80_0_0_0bfab122164835785389fc781b3205e4.jpg

МОСКВА, 16 ноя — РИА Новости. Уникальный детектор для Большого адронного коллайдера (БАК) разрабатывают ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ). По словам авторов работы, новое устройство впервые позволит исследовать частицы, образование которых до сих пор является «слепым пятном» экспериментальной физики. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.Одна из главных задач экспериментальной физики сегодня – изучение сильновзаимодействующих частиц, адронов, получаемых на ускорителях путем столкновения протонов. После столкновения адроны движутся под малыми углами к направлению протонов, что, по словам ученых, затрудняет их изучение. Пока что отсутствуют детекторы, которые позволяли бы различать разные типы частиц с такими траекториями.Для того, чтобы получить информацию о сорте этих частиц, ученые ставят на их пути специальные устройства – радиаторы. В области радиатора возникает так называемое переходное излучение – электромагнитный эффект, вызванный переходом заряженной частицы из одной среды в другую. Его анализ, как объяснили ученые, имеет ключевое значение при выделении и изучении различных типов адронов.Ученым НИЯУ МИФИ впервые в мире удалось найти ряд теоретических и инженерных решений, позволяющих создать детектор переходного излучения (ДПИ) на основе высокогранулярных полупроводников. Экспериментальная часть исследования выполнялась на детекторе SPS Большого адронного коллайдера.»Область в несколько градусов к направлению сталкивающихся протонов, в которой можно было бы проследить образование разных типов адронов, до сих пор в значительной степени остается «слепым пятном» для исследований на БАК. Работы в этой области позволят глубже проникнуть в структуру протона и изучить частицы внутри него и их взаимодействия. Кроме того, только разобравшись с этой проблемой, можно решить парадокс физики космических частиц, пока не имеющий адекватного объяснения – изменение спектра частиц при высоких энергиях вплоть до 10^17 эВ», – рассказал старший научный сотрудник кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Петр Тетерин. Специалисты НИЯУ МИФИ впервые изучили спектрально-угловые распределения переходного излучения, а также аналитические выражения для его угловых распределений. Что позволяет создать детекторы нового типа для идентификации частиц.По словам ученых, оказалось, что интерференционные эффекты в многослойных радиаторах меняют основной угол, под которым генерируется переходное излучение, а его зависимость от массы частиц может сильно отличаться от общепринятого закона.Кроме того, в рамках исследования ученые НИЯУ МИФИ разработали новые радиаторы и прототипы детекторов различного типа, включая полупроводниковые детекторы с высоким разрешением.В дальнейшем ученые планируют создать совместно с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне и одной из коллабораций ЦЕРН, MediPix, высококлассный детектор переходного излучения с возможностью прецизионного трекинга частиц для экспериментов в области физики высоких энергий и космических лучей.Работа проводится при поддержке Российского научного фонда, проект №16-12-10277.

https://ria.ru/20191028/1560166492.html

https://ria.ru/20191213/1562322026.html

дубна

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/0d/1584440850_909:0:3640:2048_1920x0_80_0_0_057d42b2d342fc8cb33a8c22aaa5ec41.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

дубна, национальный исследовательский ядерный университет «мифи», космос — риа наука, навигатор абитуриента, университетская наука

МОСКВА, 16 ноя — РИА Новости. Уникальный детектор для Большого адронного коллайдера (БАК) разрабатывают ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ). По словам авторов работы, новое устройство впервые позволит исследовать частицы, образование которых до сих пор является «слепым пятном» экспериментальной физики. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Одна из главных задач экспериментальной физики сегодня – изучение сильновзаимодействующих частиц, адронов, получаемых на ускорителях путем столкновения протонов. После столкновения адроны движутся под малыми углами к направлению протонов, что, по словам ученых, затрудняет их изучение. Пока что отсутствуют детекторы, которые позволяли бы различать разные типы частиц с такими траекториями.

Для того, чтобы получить информацию о сорте этих частиц, ученые ставят на их пути специальные устройства – радиаторы. В области радиатора возникает так называемое переходное излучение – электромагнитный эффект, вызванный переходом заряженной частицы из одной среды в другую. Его анализ, как объяснили ученые, имеет ключевое значение при выделении и изучении различных типов адронов.

28 октября 2019, 09:00НаукаПочему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН

Ученым НИЯУ МИФИ впервые в мире удалось найти ряд теоретических и инженерных решений, позволяющих создать детектор переходного излучения (ДПИ) на основе высокогранулярных полупроводников. Экспериментальная часть исследования выполнялась на детекторе SPS Большого адронного коллайдера.

«Область в несколько градусов к направлению сталкивающихся протонов, в которой можно было бы проследить образование разных типов адронов, до сих пор в значительной степени остается «слепым пятном» для исследований на БАК. 17 эВ», – рассказал старший научный сотрудник кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Петр Тетерин.

Специалисты НИЯУ МИФИ впервые изучили спектрально-угловые распределения переходного излучения, а также аналитические выражения для его угловых распределений. Что позволяет создать детекторы нового типа для идентификации частиц.

«Нами была проделана большая экспериментальная и теоретическая работа по поиску новых эффектов и методик. На основе расчетов реалистических моделей ДПИ мы показали возможность определения спектров адронов с процентной точностью – это прорыв, который должен сыграть центральную роль в экспериментах, планируемых на БАК», – сообщил Тетерин.

По словам ученых, оказалось, что интерференционные эффекты в многослойных радиаторах меняют основной угол, под которым генерируется переходное излучение, а его зависимость от массы частиц может сильно отличаться от общепринятого закона.

Кроме того, в рамках исследования ученые НИЯУ МИФИ разработали новые радиаторы и прототипы детекторов различного типа, включая полупроводниковые детекторы с высоким разрешением.

В дальнейшем ученые планируют создать совместно с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне и одной из коллабораций ЦЕРН, MediPix, высококлассный детектор переходного излучения с возможностью прецизионного трекинга частиц для экспериментов в области физики высоких энергий и космических лучей.

Работа проводится при поддержке Российского научного фонда, проект №16-12-10277.

13 декабря 2019, 08:49НаукаФизики предложили сценарий эволюции дополнительных измерений

Электромагнитные волны, свойства. Электромагнитное поле. Тесты, курсы по физике

Тестирование онлайн

• Колебательный контур. Электромагнитные волны

Электромагнитное поле

В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.

Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна — распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Источник электромагнитного поля — электрические заряды, движущиеся с ускорением.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с

, то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волна, ее скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны — это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют

ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Принцип радиосвязи

Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур «открывают», т.е. создают условия для того, чтобы поле «уходило» в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром —

антенной.

Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.

Радар (радиолокатор)

Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.

Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.

Нобелевская премия по физике за 2019 год присуждена за революционные открытия в астрономии

8 октября 2019

Подпись к фото,

Джеймс Пиблз, Дидье Кело и Мишель Майор разделят приз в 900 тысяч долларов

Шведская королевская академия наук объявила во вторник, что Нобелевская премия по физике в 2019 году будет вручена Джеймсу Пиблсу — за теоретические открытия в области физической космологии, а также Мишелю Майору и Дидье Кело — за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа.

Шведская королевская академия назвала открытия ученых революционными для астрономии. Так был оценен их вклад в изучение эволюции Вселенной и места Земли в ней.

Космическое излучение и тысячи экзопланет

Половину денежного приза, за теоретические открытия в физической космологии, получил канадский и американский ученый Джеймс Пиблс, профессор Принстонского университета.

Он был одним из тех, кто предсказал существование реликтового излучения, заполнившего вселенную после Большого взрыва.

Вторую часть, за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа, разделили швейцарские астрофизики Мишель Майор и Дидье Кело.

Они открыли экзопланету 51 Пегаса b в 1995 году. С тех пор больше четырех тысяч экзопланет были обнаружены в Млечном Пути.

Общая сумма денежной премии — девять миллионов шведских крон (909 тысяч долларов США).

Во время пресс-конференции в Стокгольме Пиблс подчеркнул, что открытия были сделаны усилиями многих ученых. Он также дал совет молодым людям, которые думают о научной карьере: делать этот шаг из любви к науке.

«Имеет смысл заниматься наукой, если она вас восхищает», — сказал Джеймс Пибс.

Автор фото, ESO / M Kornmesser

Подпись к фото,

Открытие экзопланеты 51 Пегаса b стало прорывом в астрономии (рисунок художника)

Три женщины за всю историю

Год назад Нобелевской премии в этой дисциплине были удостоены трое ученых: Артур Эшкин из США, Жерар Мору (Франция) и Донна Стрикленд (Канада).

Донна Стрикленд — одна из трех женщин в истории, получивших Нобеля по физике.

Одним из самых заметных лауреатов этого века стал британец Питер Хиггс (вместе с бельгийцем Франсуа Энглером он еще в 1964 году теоретически обосновал существование бозона — частицы, благодаря которой остальные элементарные частицы обретают массу, но премию за это получил лишь в 2013-м). С тех пор эта частица известна в мире науки как бозон Хиггса.

Графен состоит из одинарного слоя атомов углерода, невидим невооруженным глазом и обладает уникальной механической прочностью, тепло- и электропроводностью.

Нобелевская премия по физике вручается с 1901 года. С этого времени ее обладателями стали 207 ученых. Несколько раз — в 1916, 1931 и 1934-м годах, а также в начале Второй мировой войны — награда по физике не присуждалась.

Сумма награды составляет 9 млн шведских крон — 900 тыс. долларов США.

Автор фото, Hilton Archive

Подпись к фото,

Альберт Эйнштейн в год присуждения ему Нобелевской премии — 1921

Самая советская из Нобелевских премий

В Советском Союзе больше всего лауреатов Нобелевской премии было именно по физике — 11 человек, в их числе Лев Ландау и Петр Капица. В 2003 году Нобеля получили Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург в коллективе с англичанином Энтони Леггеттом.

В марте 2019-го на 89-м году жизни в Петербурге скончался единственный из живших в России нобелевских лауреатов по физике — академик, депутат Госдумы, коммунист Жорес Алферов.

Высшую награду научного мира он получил в 2000 году вместе с немцем Гербертом Кремером и американцем Джеком Килби за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов.

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1.

Введение: открытая задача 

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу. 

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?». 

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

• На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.

• Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.

• Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):

• На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики.

 

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно. 

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

• При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока. 

• Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы. 

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

• Чайник на плите (слайд 10),

• Мороженое в руке (слайд 11),

• Котелок на костре (слайд 12),

• Теплица (слайд 13),

• Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала. 

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников

1. Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
   Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17). 
2. Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
3. Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим? 

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):

• Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
• Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса. 
  • Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
  • Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись». 

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21). 

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Климат, случайность и спиновые стёкла: за что присудили Нобелевскую премию по физике 2021 года

В 1975 году Манабэ опубликовал более точную трехмерную модель климата.

Клаусу Хассельману, который моложе Манабэ всего на несколько месяцев, тоже пришлось побыть эмигрантом. В 1934 году, вскоре после прихода нацистов к власти, его семья уехала из Гамбурга в Англию, вернувшись только через девять лет после окончания Второй мировой войны. Хассельман окончил Гамбургский университет, а с 1975 года возглавил основанный им Институт метеорологии Макса Планка в своем родном городе, где и занялся интенсивными исследованиями климата.

Примерно через десять лет после работ Манабэ Хассельманну удалось связать воедино погоду и климат, найдя способ перехитрить быстрые и хаотичные изменения погоды, которые были так сложны для расчетов. Фактически, Хассельман следовал принципу Манабэ: природа всегда слишком сложна, нам нужно уметь правильно упрощать. «Вы не можете конкурировать со сложностью природы – в каждой капле дождя так много физики, что никогда не удастся вычислить абсолютно все», — говорил Манабэ, однако это не мешает нам описывать каплю воды.

В 1976 году в журнале Tellus была опубликована работа Хассельмана «Стохастические климатические модели. Часть 1. Теория», которая стала основой Хассельмановской модели климата, в которой «система с большой памятью (океан) интегрирует стохастическое воздействие, тем самым преобразуя сигнал белого шума в сигнал красного шума, тем самым объясняя (без особых предположений) повсеместные сигналы красного шума, наблюдаемые в климате».

Фактически, Хассельман описал климат, хаотично меняющиеся погодные явления, как быстро меняющийся шум. При этом слово «стохастический» означает то, что в модели есть элементы случайности. В своей теории Хассельман вдохновлялся теорией броуновского движения, созданной Альбертом Эйнштейном.

«Получение климатической модели на основе данных о шумной погоде можно проиллюстрировать, выгуливая собаку: собака бежит с поводка взад и вперед, из стороны в сторону и вокруг ваших ног. Как вы можете использовать следы собаки, чтобы увидеть, идете ли вы или стоите на месте? Или идете ли вы быстро или медленно? Следы собаки — это изменения погоды, а ваша прогулка — это рассчитанный климат. Можно ли вообще сделать выводы о долгосрочных тенденциях в климате, используя хаотичные и шумные данные о погоде?», — так описывает работы лауреата Нобелевский комитет.

Более того, в своих последующих работах Хассельман разработал методы определения воздействия человека на климатическую систему.

Хаос «от атомов до планеты»

Работы третьего лауреата, Джоджо Паризи, имеют очень широкое применение. При этом сам Паризи был и остается римлянином. Он окончил университет Сапиенца в Риме, и, несмотря на то, что был приглашенным профессором и в США, и во Франции, сейчас этот юный (по меркам Манабэ и Хассельмана) 73-летний профессор все еще занимает кафедру квантовой теории в Сапиенце.

Что же такого сделал Паризи, что привело его к Нобелевской премии?

Что такое радиоактивное излучение (Радиация)?

Электрический ток, приводящий в движение машины и порождающий электромагнетизм, — это только один из тех видов энергии, которые базируются на электрических свойствах атомов. Другим является радиоактивное излучение — энергия, высвобождающаяся при распаде атомного ядра.

Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов, и нейтральных частиц, называющихся нейтронами. Невидимые силы невообразимой мощи, связывают протоны и нейтроны атома в единое ядро. Однако со временем ядра практически всех атомов распадаются, высвобождая часть своей энергии вместе с высокомощными альфа- и бета-частицами и гамма-излучением.

Несмотря на то, что радиоактивное излучение невидимо, оно может быть зарегистрировано электронными приборами. Например, счетчик Гейгера, возможно, наиболее известный детектор радиации, преобразует энергию радиоактивного излучения в легко измеряемые электрические сигналы.

Альфа-, бета- и гамма-распад

При альфа- и бета-распаде химические элементы превращаются в новые вещества. При гамма-распаде изменяется только расположение протонов и нейтронов в атомном ядре. Показанное в верхней части рисунка справа ядро неодима-144 претерпевает альфа-распад, высвобождая альфа-частицу и превращаясь в ядро церия-140. В средней части рисунка проиллюстрировано, как бета-распад превращает литий-8 в бериллий-8 путем превращения нейтрона лития в протон и испускания бета-частицы и нейтральной частицы, известной под названием нейтрино. В приведенном внизу примере гамма-распада избыточная ядерная энергия натрия-24 покидает его в виде гамма-изучения, однако сам атом в других отношениях не изменяется.

Измерение радиации

Как работает счетчик Гейгера

Когда радиоактивная частица сталкивается с атомом газа, она высвобождает один из электронов этого атома. Высвобожденный электрон перемещается по направлению к центральному положительному электроду и по дороге может столкнуться с другим атомом. Следующие одно за другим столкновения приводят к возникновению электронной лавины, которая регистрируется в виде электрического импульса на центральном электроде.

Конструктивная схема счетчика Гейгера

Металлическая трубка счетчика выполняет одновременно две роли: цилиндра с газом и отрицательного электрода. В центре трубки находится положительный электрод. Радиоактивные частицы проникают в счетчик через слюдяное окошко и бомбардируют атомы газа, вызывая электронную лавину между электродами.

14.7 Радиация — Физический факультет

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и от Солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. В этих примерах тепло передается за счет излучения. То есть горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей: для распространения электромагнитных волн не требуется никакой среды.Для электромагнитных волн разной длины используются разные названия: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Рис. 14.23 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет, хотя и впечатляющий, передает относительно мало тепловой энергии. Конвекция отводит энергию от наблюдателей по мере подъема горячего воздуха, в то время как здесь проводимость пренебрежимо мала.Кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, поэтому вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (кредит: Daniel X. O’Neil)

Энергия электромагнитного излучения зависит от длины волны (цвета) и варьируется в широком диапазоне: меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии. Поскольку при более высоких температурах излучается больше тепла, изменение температуры сопровождается изменением цвета. Возьмем, к примеру, электрический элемент в печи, который светится от красного до оранжевого цвета, в то время как высокотемпературная сталь в доменной печи светится от желтого до белого.Ощущаемое вами излучение в основном инфракрасное, что соответствует более низкой температуре, чем у электрического элемента и стали. Излучаемая энергия зависит от ее интенсивности, которая представлена ​​на рисунке ниже высотой распределения.

Электромагнитные волны объясняет больше об электромагнитном спектре, а Введение в квантовую физику обсуждает, как уменьшение длины волны соответствует увеличению энергии.

Рисунок 14.24 (а) График спектров электромагнитных волн, излучаемых идеальным излучателем при трех различных температурах. Интенсивность или скорость излучения излучения резко возрастает с температурой, и спектр смещается в сторону видимой и ультрафиолетовой частей спектра. Заштрихованная часть обозначает видимую часть спектра. Очевидно, что сдвиг в сторону ультрафиолета с температурой приводит к смещению видимого внешнего вида с красного на белый и на синий при повышении температуры.(b) Обратите внимание на изменения цвета, соответствующие изменениям температуры пламени. (предоставлено Tuohirulla)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение. Скорость передачи тепла излучением во многом определяется цветом объекта. Черный цвет наиболее эффективен, а белый — наименее эффективен. Люди, живущие в жарком климате, обычно избегают, например, черной одежды (см. Уравнение 14.44). Точно так же черный асфальт на стоянке будет жарче, чем прилегающий серый тротуар в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем серый.Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем серый. Таким образом, ясной летней ночью асфальт будет холоднее серого тротуара, потому что черный цвет излучает энергию быстрее, чем серый. Идеальный излучатель имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель , и улавливает все падающее на него излучение. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает все излучение. (Идеальная, полированная белая поверхность выглядит как зеркало, а разбитое зеркало выглядит белым.)

Рис. 14.25 На этой иллюстрации показано, что более темный тротуар более горячий, чем более светлый (растаяла гораздо большая часть льда справа), хотя оба они находились на солнечном свете в течение одного и того же времени. Теплопроводность дорожного покрытия такая же.

Серые объекты обладают одинаковой способностью поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя аналогичным, но более сложным образом, что придает им определенный цвет в видимом диапазоне и может сделать их особенными в других диапазонах невидимого спектра.Возьмем, к примеру, сильное поглощение кожей инфракрасного излучения, что позволяет нам быть очень чувствительными к нему.

Рисунок 14.26 Черный объект — хороший поглотитель и хороший радиатор, тогда как белый (или серебристый) предмет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Это похоже на то, как если бы излучение изнутри отражалось обратно в серебряный объект, тогда как излучение изнутри черного объекта «поглощалось», когда оно ударялось о поверхность и оказывалось снаружи, и сильно испускалось.

Скорость передачи тепла испускаемым излучением определяется по закону излучения Стефана-Больцмана:

Qt = σeAT4, Qt = σeAT4, размер 12 {{{Q} over {A}} = σ`e`A`T rSup {size 8 {4}}} {}

14,43

, где σ = 5,67 × 10− 8Дж / с⋅m2⋅K4σ = 5,67 × 10−8Дж / с⋅m2⋅K4 — постоянная Стефана-Больцмана, AA — площадь поверхности объекта, а TT — его абсолютная температура в кельвинах. Символ ee обозначает коэффициент излучения объекта, который является мерой того, насколько хорошо он излучает.У идеального угольно-черного (или черного тела) радиатора e = 1e = 1, тогда как у идеального отражателя е = 0 е = 0. Реальные объекты находятся между этими двумя значениями. Возьмем, например, нити накаливания вольфрамовых ламп, которые имеют ее о 0,50,5 и технический углерод (материал, используемый в тонере для принтера), который имеет (самый известный) коэффициент излучения около 0,990,99.

Уровень излучения прямо пропорционален четвертой степени абсолютной температуры — чрезвычайно сильная температурная зависимость. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности объекта.Если разнести угли костра, произойдет заметное увеличение радиации из-за увеличения площади излучающей поверхности.

Рис. 14.27. Термограф части здания показывает колебания температуры, указывая на то, где передача тепла наружу наиболее высока. Окна — это основная область теплопередачи наружу дома. (предоставлено армией США)

Кожа является исключительно хорошим поглотителем и излучателем инфракрасного излучения с коэффициентом излучения 0.97 в инфракрасном спектре. Таким образом, мы все почти (как уголь) черные в инфракрасном диапазоне, несмотря на очевидные различия в цвете кожи. Из-за этого высокого коэффициента излучения инфракрасного излучения мы так легко чувствуем радиацию на нашей коже. Это также основа для использования ночных прицелов, используемых правоохранительными органами и военными для обнаружения людей. Даже небольшие колебания температуры могут быть обнаружены из-за зависимости T4T4 size 12 {T rSup {size 8 {4}}} {}. Изображения, называемые термографами , могут использоваться в медицине для обнаружения участков тела с аномально высокой температурой, которые могут указывать на заболевание.Аналогичные методы можно использовать для обнаружения утечек тепла в домах, рис. 14.27, оптимизации работы доменных печей, повышения уровня комфорта в рабочей среде и даже удаленного картирования температурного профиля Земли.

Все объекты излучают и поглощают радиацию. Чистая скорость передачи тепла излучением (поглощение минус излучение) зависит как от температуры объекта, так и от температуры его окружения. Предполагая, что объект с температурой T1T1 размером 12 {T rSub {size 8 {1}}} {} окружен средой с однородной температурой T2T2 размером 12 {T rSub {size 8 {2}}} {}, чистая коэффициент теплоотдачи излучением

Qnett = σeAT24-T14, Qnett = σeAT24-T14, размер 12 {{{Q rSub {size 8 {«net»}}} больше {t}} = σ`e`A` left (T rSub {size 8 {2 }} rSup {размер 8 {4}} — T rSub {размер 8 {1}} rSup {размер 8 {4}} справа)} {}

14.44

, где ee size 12 {e} {} — коэффициент излучения самого объекта. Другими словами, не имеет значения, белое, серое или черное окружение; баланс входящего и исходящего излучения зависит от того, насколько хорошо он излучает и поглощает излучение. Когда T2> T1T2> T1 размер 12 {T rSub {size 8 {2}}> T rSub {size 8 {1}}} {}, количество Qnet / tQnet / t size 12 {Q rSub {size 8 {«net «}} / t} {} положительно; то есть чистая теплопередача идет от горячего к холодному.

Эксперимент на вынос: температура на Солнце

Поставьте термометр на солнечный свет и защитите его от прямых солнечных лучей алюминиевой фольгой.Что за чтение? Теперь снимите щиток и обратите внимание на показания термометра. Возьмите носовой платок, пропитанный жидкостью для снятия лака, оберните им термометр и поместите на солнечный свет. Что показывает термометр?

Пример 14.9

Расчет чистой теплопередачи человека: теплопередача посредством излучения

Какова скорость передачи тепла излучением, когда человек без одежды стоит в темной комнате с температурой окружающей среды 22,0ºC22,0ºC, размер 12 {«22» «.»0 ° C} {}. Нормальная температура кожи человека составляет 33,0 ° C33,0 ° C, а площадь поверхности составляет 1,50 м 21,50 м2 размер 12 {1». «» 50 «` м rSup {размер 8 {2}}} {}. Коэффициент излучения кожи 0,97 в инфракрасном диапазоне, где и происходит излучение

Стратегия

Мы можем решить эту проблему, используя уравнение для скорости лучистой теплопередачи.

Решение

Вставьте значения температуры T2 = 295 KT2 = 295 K и T1 = 306 KT1 = 306 K, так что

Qt = σeAT24 − T14Qt = σeAT24 − T14 размер 12 {{{Q} над {t}} σ`e`A `left (T rSub {размер 8 {2}} rSup {размер 8 {4}} — T rSub {размер 8 {1}} rSup {размер 8 {4}} right)} {}

14.45

= 5,67 × 10-8 Дж / с⋅ м2⋅ K 40,971,50 м2295 K4−306 K4 = 5,67 × 10−8 Дж / с⋅ м2⋅ K 40,971,50 м2295 K4−306 K4 размер 12 {{} = влево (5 дюймов «67 дюймов умножить на 10 дюймов rSup {размер 8 {- 8}}« «Дж / с» cdot m cdot K справа) влево (0 дюймов «97» справа) влево (1 дюйм. «» 50 «` m rSup {размер 8 {2}} справа) слева [left («295″ `K справа) rSup {размер 8 {4}} — слева (» 306 «` K справа) rSup {размер 8 { 4}} справа]} {}

14,46

= −99 Дж / с = −99 Вт. = — 99 Дж / с = −99 Вт. Размер 12 {{} = — «100» `» Дж / с «= — «100« Вт ». } {}

14.47

Обсуждение

Это значение представляет собой значительную скорость передачи тепла в окружающую среду (обратите внимание на знак минус), учитывая, что человек в состоянии покоя может производить энергию со скоростью 125 Вт, и что теплопроводность и конвекция также будут передавать энергию окружающей среде.В самом деле, мы, вероятно, ожидаем, что этому человеку станет холодно. Одежда значительно снижает передачу тепла в окружающую среду многими способами, потому что одежда замедляет как теплопроводность, так и конвекцию и имеет более низкий коэффициент излучения (особенно, если она белая), чем кожа.

Земля получает почти всю свою энергию от излучения Солнца и частично отражает ее обратно в космическое пространство. Поскольку Солнце горячее Земли, чистый поток энергии идет от Солнца к Земле. Однако скорость передачи энергии меньше, чем можно было бы предсказать с помощью уравнения радиационного теплообмена, потому что Солнце не заполняет небо.Средняя излучательная способность (размер ее 12 {e} {}) Земли составляет около 0,65, но расчет этого значения затруднен тем фактом, что облачный покров с высокой отражающей способностью сильно меняется изо дня в день. Между облаками и теплопередачей существует отрицательная обратная связь (такая, при которой изменение производит эффект, противодействующий этому изменению); при более высоких температурах испаряется больше воды, образуя больше облаков, которые отражают больше излучения обратно в космос, снижая температуру. Часто упоминаемый парниковый эффект напрямую связан с изменением коэффициента излучения Земли в зависимости от типа излучения (см. Рисунок, приведенный ниже).Парниковый эффект — это естественное явление, ответственное за обеспечение температур, подходящих для жизни на Земле. Относительно постоянная температура Земли является результатом баланса энергии между поступающей солнечной радиацией и энергией, излучаемой Землей. Большая часть инфракрасного излучения, излучаемого Землей, поглощается двуокисью углерода (CO2CO2 размером 12 {«CO» rSub {size 8 {2}}} {}) и водой (h3Oh3O размером 12 {H rSub {размер 8 {2}}) O} {}) в атмосфере, а затем повторно излучается обратно на Землю или в космическое пространство.Повторное излучение обратно на Землю поддерживает температуру ее поверхности примерно на 40ºC40ºC на 12 {«40» ° C} {} выше, чем она была бы, если бы не было атмосферы, подобно тому, как стекло увеличивает температуру в теплице.

Рис. 14.28 Парниковый эффект — это название, данное улавливанию энергии в атмосфере Земли с помощью процесса, аналогичного тому, который используется в теплицах. Атмосфера, как и оконное стекло, прозрачна для входящего видимого излучения и большей части инфракрасного излучения Солнца.Эти длины волн поглощаются Землей и повторно излучаются в инфракрасном диапазоне. Поскольку температура Земли намного ниже, чем температура Солнца, инфракрасное излучение, излучаемое Землей, имеет гораздо большую длину волны. Атмосфера, как и стекло, улавливает эти более длинные инфракрасные лучи, сохраняя на Земле теплее, чем она могла бы быть в противном случае. Степень улавливания зависит от концентрации газовых примесей, таких как двуокись углерода, и считается, что изменение концентрации этих газов влияет на температуру поверхности Земли.

Парниковый эффект также занимает центральное место в обсуждении глобального потепления из-за выбросов углекислого газа и метана (и других так называемых парниковых газов) в атмосферу Земли в результате промышленного производства и сельского хозяйства. Изменения глобального климата могут привести к более интенсивным штормам, изменениям количества осадков (влияющим на сельское хозяйство), сокращению биоразнообразия тропических лесов и повышению уровня моря.

Отопление и охлаждение часто вносят значительный вклад в потребление энергии в индивидуальных домах.Текущие исследовательские усилия по разработке экологически чистых домов довольно часто сосредоточены на сокращении обычного отопления и охлаждения за счет лучших строительных материалов, стратегическом расположении окон для оптимизации поступления солнечного излучения и открытии пространства для конвекции. Можно построить дом с нулевым потреблением энергии, который позволит комфортно жить в большинстве частей Соединенных Штатов с жарким и влажным летом и холодной зимой.

Рис. 14.29 В этой простой, но эффективной солнечной плите используется парниковый эффект и светоотражающий материал для улавливания и удержания солнечной энергии.Изготовленный из недорогих и прочных материалов, он экономит деньги и рабочую силу и имеет особую экономическую ценность в развивающихся странах с низким энергопотреблением. (кредит: EB Kauai)

И наоборот, темный космос очень холодный, примерно 3K (-454ºF) 3K (-454ºF) размер 12 {- «454» ° F} {}, так что Земля излучает энергию в темное небо . Из-за того, что облака имеют меньшую излучательную способность, чем океаны или суши, они отражают часть излучения обратно на поверхность, значительно уменьшая передачу тепла в темное пространство, так же как они значительно уменьшают передачу тепла в атмосферу в течение дня.Скорость передачи тепла от почвы и травы может быть настолько высокой, что ясными летними вечерами даже в теплых широтах могут возникать заморозки.

Проверьте свое понимание

Каково изменение скорости излучения тепла телом при температуре T1 = 20ºCT1 = 20ºC размер 12 {T rSub {размер 8 {1}} = «20» ° C} {} по сравнению с тем, когда тело при температуре T2 = 40ºCT2 = 40ºC?

Решение

Излучаемое тепло пропорционально четвертой степени абсолютной температуры .Поскольку T1 = 293 KT1 = 293 K размер 12 {T rSub {size 8 {1}} = «313» `K} {} и T2 = 313 KT2 = 313 K размер 12 {T rSub {size 8 {2}} = «333» `K} {}, скорость теплопередачи увеличивается примерно на 30 процентов от первоначальной.

Карьера: Консультации по вопросам энергосбережения

Считается, что в обозримом будущем стоимость энергии останется очень высокой. Таким образом, все большее значение будет приобретать пассивный контроль потерь тепла как в коммерческом, так и в домашнем жилищном строительстве. Консультанты по энергетике измеряют и анализируют поток энергии в дом и из него и обеспечивают поддержание здорового воздухообмена внутри дома.Перспективы работы консультанта по энергетике велики.

Стратегии решения проблем для методов теплопередачи

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, какой тип теплопередачи задействован.
2. Укажите тип (ы) теплопередачи — теплопроводность, конвекция или излучение.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список очень полезен.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные).
5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
6. Для проводимости уравнение Qt = kA (T2 − T1) dQt = kA (T2 − T1) d размер 12 {{{Q} over {t}} = {{ital «kA» \ (T rSub {size 8 {2) }} — Подходит T rSub {size 8 {1}} \)} over {d}}} {}. В таблице 14.3 приведены значения теплопроводности. Для конвекции определите количество перемещаемого вещества и используйте уравнение Q = mcΔTQ = mcΔT size 12 {Q = ital «mc» ΔT} {}, чтобы вычислить теплопередачу, участвующую в изменении температуры жидкости.Если фазовый переход сопровождает конвекцию, уравнение Q = mLfQ = mLf размер 12 {Q = ital «mL» rSub {size 8 {f}}} {} или Q = mLvQ = mLv подходит для определения теплопередачи, участвующей в фазе. изменение. В таблице 14.2 приведена информация, относящаяся к фазовому переходу. Для излучения уравнение Qnett = σeAT24-T14Qnett = σeAT24-T14 размер 12 {{{Q rSub {size 8 {«net»}}} на {t}} = σ`e`A` left (T rSub {size 8 { 2}} rSup {размер 8 {4}} — T rSub {размер 8 {1}} rSup {размер 8 {4}} справа)} {} дает чистую скорость теплопередачи.
7. Вставьте известные значения вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения вместе с единицами измерения.
8. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он. Имеет ли это смысл?

Радиация — образование в области энергетики

Радиация — это излучение или передача энергии по прямой линии (как «луч» в геометрии »). Эта линия проходит через пространство или какой-то материал, распространяясь от источника во всех направлениях; «излучающий» наружу.Радиация также может относиться к самой излучаемой энергии. Существует множество различных типов излучения, которые могут включать электромагнитное, тепловое, акустическое излучение, излучение частиц (например, альфа- или бета-излучение от радиоактивного источника) и ионизирующее излучение. ^[1]

Сравнение ионизирующего и неионизирующего излучения

Рис. 1. Ионизирующее излучение — это излучение, которое может оторвать электроны от атомов. Этот процесс показан выше. ^[2]

Ионизирующее излучение — это особый тип излучения, обладающий достаточной энергией, чтобы выбросить электрон из какого-либо атома.Это излучение включает ионизирующие частицы от альфа- или бета-распада, а также электромагнитные волны в форме гамма-излучения. Вообще говоря, энергии альфа- и бета-частиц распада и гамма-фотонов выше, чем энергии ионизации атомов и молекул. ^[3] Эти частицы ионизируют вещество и разрывают молекулярные связи, что может вызвать серьезные биологические повреждения, такие как ожоги, лучевая болезнь и рак.

Неионизирующее излучение не удаляет электроны из атомов.Это означает, что оно обычно менее опасно, чем ионизирующее излучение. Большинство рисков для здоровья, связанных с неионизирующим излучением, связано с тепловой энергией, сопровождающей излучение ^[4] . Все формы излучения можно разделить на ионизирующее и неионизирующее излучение.

Электромагнитное излучение

Рис. 2. Электрическое (красное) и магнитное (синий) поля меняются, в результате чего излучение движется вправо.

основная статья

Электромагнитное излучение создается заряженными частицами, ускоряющимися в пространстве.Когда заряд движется, его электрическое и магнитное поля колеблются, как показано на рисунке 2. ^[1] Это излучение также известно как электромагнитная волна, поскольку оно состоит из переменных электрических и магнитных полей. Этот тип излучения поступает в виде дискретных пакетов, известных как фотоны.

Существует несколько различных типов электромагнитного излучения, и их свойства зависят от их энергии и длины волны. Некоторые из различных типов включают радиоволны, инфракрасное излучение (ощущаемое как тепло), микроволны, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи и космические лучи.

Длинноволновое электромагнитное излучение (от радио до видимых световых волн) обычно неионизирует. Электромагнитное излучение с более короткой длиной волны (от ультрафиолетового до гамма-излучения) имеет тенденцию быть ионизирующим (рис. 3). ^[4]

Рисунок 3. Электромагнитный спектр, разделенный на ионизирующее и неионизирующее излучение. ^[5]

Тепловое излучение

Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения, о котором очень подробно говорится. С точки зрения теплопередачи, излучение — это испускание тепловой энергии в виде инфракрасных волн. ^[6] Обычно тепловое излучение и инфракрасные волны называют просто «теплом». Поскольку тепло переносится электромагнитными волнами, для его передачи не требуется физическая среда. Вместо этого он излучается через пространство — так Земля нагревается Солнцем, несмотря на то, что космос является вакуумом. ^[7]

Рисунок 4. Собака в инфракрасном спектре. ^[8]

Все объекты при нормальной температуре излучают тепловое излучение; однако это не видно невооруженным глазом.Инфракрасные камеры способны улавливать это невидимое излучение и в цифровом виде преобразовывать его в видимое изображение (такое, как показано на рисунке 4). Иногда это лучистое тепло видно. Например, свеча излучает тепло. Он также излучает видимый свет, который соответствует температуре пламени. Пламя горит сильнее всего у фитиля и излучает синий или белый свет, поскольку он находится на верхнем конце видимого светового спектра. Пламя вокруг фитиля сначала желтое, а затем красное, что соответствует нижнему краю видимого светового спектра.Область, окружающая пламя, не излучает света, поскольку излучает инфракрасные волны, но на ощупь кажется теплой.

Солнечный свет

Солнечный свет, также называемый солнечным излучением, представляет собой форму излучения, исходящего от Солнца. Излучение является частью электромагнитного спектра, включая инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. Солнечный свет, падающий на поверхность Земли, фильтруется через атмосферу, при этом часть ультрафиолетового излучения поглощается. ^[9] Помимо освещения Земли, солнечный свет также действует как источник лучистого тепла, согревающего Землю.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ ^{1,0 1,1} Рэндалл Д. Найт. Физика для ученых и инженеров: стратегический подход , 3-е изд. Гленвью, Иллинойс, США: Pearson Education, 2013
2. ↑ Создано внутри компании членом группы энергетического образования.
3. ↑ Р. Найт. (6 августа 2015 г.). Физика для ученых и инженеров , 3-е изд. США: Пирсон
4. ↑ ^{4.0 4,1} Центры по контролю и профилактике заболеваний. Radiation Studies , 7 декабря 2015 г. По состоянию на 9 октября 2018 г. Доступно по адресу: https://www.cdc.gov/nceh/radiation/nonionizing_radiation.html
5. ↑ Mirion Technologies. «Что такое радиация?» 9 октября 2018 г. Доступно по адресу: https://www.mirion.com/introduction-to-radiation-safety/what-is-radiation/
6. ↑ Х. Мичиган, Т. У. Морган. (1 ноября 2013). «Большие идеи в вулканологии: вулканическое тепло». [Онлайн]. Доступно: http: // www.geo.mtu.edu/~hamorgan/bigideaswelcome.html
7. ↑ Тепло: Теплопередача. (6 августа 2015 г.). Radiation — Страница 1. [Online]. Доступно: http://www.hk-phy.org/contextual/heat/hea/radia01_e.html.
8. ↑ Wikimedia Commons. (6 августа 2015 г.). Инфракрасная собака [Интернет]. Доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Infrared_dog.jpg
9. ↑ ScienceDaily. (20 мая 2015 г.). Солнечный свет [Онлайн]. Доступно: http://www.sciencedaily.com/terms/solar_radiation.htm

Радиация — образование в области энергетики

Радиация — это излучение или передача энергии по прямой линии (как «луч» в геометрии »). Эта линия проходит через пространство или какой-то материал, распространяясь от источника во всех направлениях; «излучающий» наружу. Радиация также может относиться к самой излучаемой энергии. Существует множество различных типов излучения, которые могут включать электромагнитное, тепловое, акустическое излучение, излучение частиц (например, альфа- или бета-излучение от радиоактивного источника) и ионизирующее излучение. ^[1]

Сравнение ионизирующего и неионизирующего излучения

Рис. 1. Ионизирующее излучение — это излучение, которое может оторвать электроны от атомов. Этот процесс показан выше. ^[2]

Ионизирующее излучение — это особый тип излучения, обладающий достаточной энергией, чтобы выбросить электрон из какого-либо атома. Это излучение включает ионизирующие частицы от альфа- или бета-распада, а также электромагнитные волны в форме гамма-излучения. Вообще говоря, энергии альфа- и бета-частиц распада и гамма-фотонов выше, чем энергии ионизации атомов и молекул. ^[3] Эти частицы ионизируют вещество и разрывают молекулярные связи, что может вызвать серьезные биологические повреждения, такие как ожоги, лучевая болезнь и рак.

Неионизирующее излучение не удаляет электроны из атомов. Это означает, что оно обычно менее опасно, чем ионизирующее излучение. Большинство рисков для здоровья, связанных с неионизирующим излучением, связано с тепловой энергией, сопровождающей излучение ^[4] . Все формы излучения можно разделить на ионизирующее и неионизирующее излучение.

Электромагнитное излучение

Рис. 2. Электрическое (красное) и магнитное (синий) поля меняются, в результате чего излучение движется вправо.

основная статья

Электромагнитное излучение создается заряженными частицами, ускоряющимися в пространстве. Когда заряд движется, его электрическое и магнитное поля колеблются, как показано на рисунке 2. ^[1] Это излучение также известно как электромагнитная волна, поскольку оно состоит из переменных электрических и магнитных полей.Этот тип излучения поступает в виде дискретных пакетов, известных как фотоны.

Существует несколько различных типов электромагнитного излучения, и их свойства зависят от их энергии и длины волны. Некоторые из различных типов включают радиоволны, инфракрасное излучение (ощущаемое как тепло), микроволны, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи и космические лучи.

Длинноволновое электромагнитное излучение (от радио до видимых световых волн) обычно неионизирует. Электромагнитное излучение с более короткой длиной волны (от ультрафиолетового до гамма-излучения) имеет тенденцию быть ионизирующим (рис. 3). ^[4]

Рисунок 3. Электромагнитный спектр, разделенный на ионизирующее и неионизирующее излучение. ^[5]

Тепловое излучение

Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения, о котором очень подробно говорится. С точки зрения теплопередачи, излучение — это испускание тепловой энергии в виде инфракрасных волн. ^[6] Обычно тепловое излучение и инфракрасные волны называют просто «теплом». Поскольку тепло переносится электромагнитными волнами, для его передачи не требуется физическая среда.Вместо этого он излучается через пространство — так Земля нагревается Солнцем, несмотря на то, что космос является вакуумом. ^[7]

Рисунок 4. Собака в инфракрасном спектре. ^[8]

Все объекты при нормальной температуре излучают тепловое излучение; однако это не видно невооруженным глазом. Инфракрасные камеры способны улавливать это невидимое излучение и в цифровом виде преобразовывать его в видимое изображение (такое, как показано на рисунке 4). Иногда это лучистое тепло видно. Например, свеча излучает тепло.Он также излучает видимый свет, который соответствует температуре пламени. Пламя горит сильнее всего у фитиля и излучает синий или белый свет, поскольку он находится на верхнем конце видимого светового спектра. Пламя вокруг фитиля сначала желтое, а затем красное, что соответствует нижнему краю видимого светового спектра. Область, окружающая пламя, не излучает света, поскольку излучает инфракрасные волны, но на ощупь кажется теплой.

Солнечный свет

Солнечный свет, также называемый солнечным излучением, представляет собой форму излучения, исходящего от Солнца.Излучение является частью электромагнитного спектра, включая инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. Солнечный свет, падающий на поверхность Земли, фильтруется через атмосферу, при этом часть ультрафиолетового излучения поглощается. ^[9] Помимо освещения Земли, солнечный свет также действует как источник лучистого тепла, согревающего Землю.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ ^{1,0 1,1} Рэндалл Д.Рыцарь. Физика для ученых и инженеров: стратегический подход , 3-е изд. Гленвью, Иллинойс, США: Pearson Education, 2013
2. ↑ Создано внутри компании членом группы энергетического образования.
3. ↑ Р. Найт. (6 августа 2015 г.). Физика для ученых и инженеров , 3-е изд. США: Пирсон
4. ↑ ^{4,0 4,1} Центры по контролю и профилактике заболеваний. Radiation Studies , 7 декабря 2015 г. По состоянию на октябрь 2015 г.9, 2018. Доступно по ссылке: https://www.cdc.gov/nceh/radiation/nonionizing_radiation.html
5. ↑ Mirion Technologies. «Что такое радиация?» 9 октября 2018 г. Доступно по адресу: https://www.mirion.com/introduction-to-radiation-safety/what-is-radiation/
6. ↑ Х. Мичиган, Т. У. Морган. (1 ноября 2013). «Большие идеи в вулканологии: вулканическое тепло». [Онлайн]. Доступно: http://www.geo.mtu.edu/~hamorgan/bigideaswelcome.html
7. ↑ Тепло: Теплопередача. (6 августа 2015 г.). Радиация — Страница 1. [Интернет]. Доступно: http://www.hk-phy.org/contextual/heat/hea/radia01_e.html.
8. ↑ Wikimedia Commons. (6 августа 2015 г.). Инфракрасная собака [Интернет]. Доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Infrared_dog.jpg
9. ↑ ScienceDaily. (20 мая 2015 г.). Солнечный свет [Онлайн]. Доступно: http://www.sciencedaily.com/terms/solar_radiation.htm

Гамма-излучение — обзор

X. ОБНАРУЖЕНИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Гамма-излучение может производить черенковские фотоны опосредованно через гамма-фотонно-электронные взаимодействия, когда гамма-излучение проходит через прозрачную среду.Число фотонов, испускаемых черенковским детектором, обычно составляет лишь приблизительно 1% от числа, испускаемого хорошим сцинтиллятором при тех же потерях энергии гамма-излучения (Sowerby, 1971). Несмотря на низкую черенковскую эффективность обнаружения гамма-излучения, существуют уникальные применения эффекта Черенкова для анализа гамма-излучения, и этот эффект играет важную роль в качестве источника фона в различных методах анализа радиоактивности. Всегда нужно помнить о возможности гамма-излучения производить черенковские фотоны.

Передача энергии гамма-квантов атомному электрону посредством комптоновского взаимодействия дает комптоновский электрон с энергией E _e в диапазоне от нуля до максимума, определенного как

(9.34) 0

, где E _γ — энергия гамма-квантов в МэВ, а член E _γ — ( E _γ / (1 + 2 E _γ / 0,511)) определяет энергию комптоновских электронов при комптоновском разбросе на 180 ° в соответствии с уравнениями, ранее определенными в главе 1.Чтобы произвести черенковские фотоны, комптоновский электрон должен обладать энергией, превышающей пороговую энергию E th, определяемую формулой. 9.5 ранее в этой главе. Например, пороговая энергия для электронов в воде ( n = 1,332) согласно формуле. 9,5 составляет 263 кэВ. Следовательно, комптоновский электрон должен обладать энергией, превышающей 263 кэВ, чтобы произвести черенковские фотоны в воде. В этом случае, однако, гамма-фотон должен обладать энергией, превышающей 422 кэВ, рассчитанной в соответствии с обратной формулой.1,109 или

(9,35) Eγ = Ee + Eγ ‘+ φ

, где E _e — энергия комптоновского электрона, E ′ _γ — энергия рассеянного Комптоном фотона, а ϕ равно энергия связи электрона. Энергией связи электрона можно пренебречь. Таким образом, уравнение. 9,35 может превратиться в

(9,36) Eγ = Ee + Eγ1 + 2Eγ / 0,511

Например, если мы возьмем E _e равным 0,263 МэВ, пороговую энергию электронов для образования Черенкова в воде, и E ′ _γ как энергия рассеянного фотона при 180 ° комптоновском рассеянии, уравнение.9,36 становится

(9,37) Eγ = 0,263 МэВ + Eγ1 + 2Eγ / 0,511

, где E _γ = 0,422 МэВ — пороговая энергия гамма-излучения для образования черенковских фотонов в воде. Пороговые энергии будут изменяться в зависимости от показателя преломления среды, и они представлены графически на рис. 9.13 для гамма-излучения и электронов или бета-частиц.

РИСУНОК 9.13. Пороговая энергия черенковского излучения как функция показателя преломления среды детектора для гамма-лучей и электронов или бета-частиц.Пороговые энергии для электронов или бета-частиц рассчитываются согласно формуле. 9.5, а пороговые энергии гамма-излучения рассчитываются по формуле. 9.36 как гамма-лучи, дающие электроны с пороговой энергией через 180-градусное комптоновское рассеяние.

Хотя черенковская эффективность обнаружения гамма-излучения невысока, это явление применяется для создания пороговых детекторов. Различные среды, которые значительно различаются по показателю преломления, могут быть выбраны для дискриминации гамма-излучения с определенной энергией.Например, кремнеземные аэрогели с низким показателем преломления (n = 1,026) могут использоваться для дискриминации гамма-лучей с относительно высокой энергией (2,0 МэВ), в то время как прозрачная среда с высоким показателем преломления, такая как бесцветное стекло ( n = 1,72). ) может служить для дискриминации относительно низкоэнергетического гамма-излучения (0,25 МэВ). На рисунке 9.13 показана возможность различения энергии гамма-излучения в соответствии с показателем преломления среды детектора.

Еще одно применение обнаружения гамма-излучения — это метод проверки Черенкова, используемый в ядерных гарантиях для проверки подлинности облученного ядерного топлива, что является одной из важных задач, выполняемых Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ).Программа ядерных гарантий МАГАТЭ проверяет национальные декларации о запасах топлива, чтобы убедиться в отсутствии незаконного переключения ядерного материала. Высокие уровни гамма-излучения испускаются продуктами деления в облученном ядерном топливе. Облученное топливо, хранящееся под водой, будет производить черенковский свет в результате комптоновского рассеяния в воде, окружающей топливо. Устройство для наблюдения Черенкова, содержащее линзу, пропускающую УФ-лучи, соединенную с чувствительным к УФ-излучению устройством с зарядовой связью (ПЗС) и монитором изображения, позволяет в реальном времени отображать часть УФ-излучения черенковского излучения при нормальном комнатном освещении (Attas et al. al., 1990, 1992, 1997; Аттас и Абушады, 1997; Курибара, 1994; Kuribara and Nemeto, 1994, Lindsey et al., 1999). Наличие продуктов деления и характер их распределения, на что указывает черенковское свечение, используется как свидетельство проверки топлива.

Радиоактивность и ядерная химия — химия

3.1 Основные формы радиоактивности

Альфа-частица (α)

Бета-частица (β)

Гамма-излучение (γ)

Излучение позитронов (распад β ⁺ ) и захват электронов

Ядерное деление

3.2 радиоактивных полужизни

3.3 Биологические эффекты радиационного воздействия

3,4 Использование радиоактивных изотопов

3.5 Краткое содержание главы

3,6 Ссылки

---

Радиоактивность и ядерная химия

Теория атома в девятнадцатом веке предполагала, что ядра имеют фиксированный состав. Но в 1896 году французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что соединение урана, помещенное рядом с фотографической пластиной, создает изображение на пластине, даже если это соединение было завернуто в черную ткань.Он предположил, что соединение урана испускает какое-то излучение, которое проходит через ткань, обнажая фотографическую пластинку. Дальнейшие исследования показали, что излучение представляет собой комбинацию частиц и электромагнитных лучей, а его конечным источником является атомное ядро. Эти эманации в конечном итоге получили общее название радиоактивность .

После случайного открытия Беккерелем радиоактивности многие выдающиеся ученые начали исследовать это новое интригующее явление.Среди них были Мария Кюри (первая женщина, получившая Нобелевскую премию и единственный человек, получивший две Нобелевские премии по разным наукам — химии и физике), которая первой ввела термин «радиоактивность», и Эрнест Резерфорд (из известность эксперимента с золотой фольгой), который исследовал и назвал три наиболее распространенных типа излучения. В начале двадцатого века было открыто много радиоактивных веществ, свойства излучения были исследованы и количественно определены, и было разработано твердое понимание радиации и ядерного распада.

Самопроизвольное превращение нестабильного нуклида в другой — это радиоактивный распад . Нестабильный нуклид называется родительским нуклидом ; нуклид, образующийся в результате распада, известен как дочерний нуклид . Дочерний нуклид может быть стабильным или может сам распадаться. Излучение, производимое во время радиоактивного распада, таково, что дочерний нуклид находится ближе к полосе стабильности, чем родительский нуклид, поэтому расположение нуклида относительно полосы стабильности может служить индикатором того, какой тип распада он будет претерпевать ( Рисунок 3.1).

Рис. 3.1 Ядро урана-238 (родительский нуклид) подвергается α-распаду с образованием тория-234 (дочернего нуклида). Альфа-частица удаляет два протона (зеленый цвет) и два нейтрона (серый цвет) из ядра урана-238.

---

3.1 Основные формы радиоактивности

Альфа-частица (α)

Эксперименты Резерфорда показали, что существует три основных формы радиоактивных выбросов. Первая называется альфа-частица , что обозначается греческой буквой α.Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и аналогична ядру гелия. (Мы часто используем ₂ ⁴ He для представления альфа-частицы.) Она имеет заряд 2+. Когда радиоактивный атом испускает альфа-частицу, атомный номер исходного атома уменьшается на два (из-за потери двух протонов), а его массовое число уменьшается на четыре (из-за потери четырех ядерных частиц). Мы можем представить эмиссию альфа-частицы с помощью химического уравнения — например, эмиссия альфа-частицы урана-235 выглядит следующим образом:

Вместо того, чтобы называть это уравнение химическим уравнением, мы называем его ядерным уравнением , чтобы подчеркнуть, что изменение происходит в атомном ядре.Откуда мы знаем, что продуктом этой реакции является ₉₀ ²³¹ Th? Мы используем закон сохранения материи , который гласит, что материя не может быть создана или разрушена. Это означает, что у нас должно быть одинаковое количество протонов и нейтронов по обе стороны ядерного уравнения. Если наше ядро ​​урана теряет 2 протона, остается 90 протонов, идентифицируя элемент как торий. Более того, если мы потеряем четыре ядерные частицы из исходных 235, останется 231.Таким образом, мы используем вычитание для определения изотопа атома Th — в данном случае ₉₀ ²³¹ Th.

Бета-частица (β)

Второй тип радиоактивного излучения называется бета-частица , что обозначается греческой буквой β. Бета-частица — это электрон, выброшенный из ядра (не из электронных оболочек вокруг ядра) и имеющий заряд -1. Мы также можем представить бета-частицу как _-1 ⁰ e.Чистый эффект испускания бета-частиц на ядро ​​заключается в том, что нейтрон превращается в протон. Общее массовое число остается прежним, но поскольку количество протонов увеличивается на единицу, атомный номер увеличивается на единицу. Углерод-14 распадается с испусканием бета-частицы:

Опять же, сумма атомных номеров одинакова с обеих сторон уравнения, как и сумма массовых чисел. (Обратите внимание, что электрону присвоен «атомный номер» –1, равный его заряду.)

Гамма-излучение (γ)

Третий основной тип радиоактивного излучения — это не частица, а, скорее, очень энергичная форма электромагнитного излучения , называемая гамма-излучением , обозначаемая греческой буквой γ.Электромагнитное излучение можно разделить на разные категории в зависимости от длины волны и энергии фотонов. Электромагнитный спектр, показанный на рисунке 3.2, показывает основные категории электромагнитного излучения. Обратите внимание, что человеческие сенсорные адаптации зрения и слуха эволюционировали для обнаружения электромагнитного излучения, причем радиоволны имеют длину волны от 1 мм до 100 км, а видимый свет — с длинами волн от 380 до 700 нм. Технологические достижения помогли человечеству использовать другие формы электромагнитного излучения, включая рентгеновские лучи и микроволны.

Рисунок 3.2 Электромагнитный спектр. Диаграмма электромагнитного спектра, показывающая различные свойства в диапазоне частот и длин волн. Изображение доступно из Википедии

---

Некоторое электромагнитное излучение с очень короткими длинами волн достаточно активно, чтобы выбивать электроны из атомов в образце вещества и делать его электрически заряженным. Типы излучения, которые могут это сделать, называются ионизирующим излучением .Рентгеновские лучи и гамма-лучи являются примерами ионизирующего излучения. Некоторые радиоактивные материалы при распаде излучают гамма-излучение. Например, при распаде радиоактивного технеция-99 испускается гамма-излучение. Обратите внимание, что при радиоактивном распаде, когда происходит испускание гамма-излучения, идентичность исходного материала не изменяется, поскольку физически частицы не испускаются.

Иногда радиоактивный распад образца может привести к выбросу нескольких форм радиоактивности.Например, при радиоактивном распаде радона-222 испускаются как альфа-, так и гамма-излучение, причем последнее имеет энергию 8,2 × 10 ⁻¹⁴ Дж на одно распавшееся ядро:

Может показаться, что это не такая уж большая энергия, но если бы 1 моль атомов Rn распался, энергия гамма-излучения составила бы 4,9 × 10 ⁷ кДж!

Альфа, бета и гамма-излучение обладают различной способностью проникать в материю. Относительно большая альфа-частица легко останавливается материей (хотя она может передавать значительное количество энергии веществу, с которым контактирует).Бета-частицы незначительно проникают в вещество, возможно, максимум на несколько сантиметров. Гамма-лучи могут глубоко проникать в материю и передавать большое количество энергии окружающей материи. Таблица 3.1 суммирует свойства трех основных типов радиоактивных выбросов, а Рисунок 3.3 суммирует способность каждого радиоактивного типа проникать в материю.

Таблица 3.1 Три основных формы радиоактивных выбросов

Рисунок 3.3 Иллюстрация относительной способности трех различных типов ионизирующего излучения проникать в твердое вещество. Типичные альфа-частицы (α) задерживаются листом бумаги, а бета-частицы (β) задерживаются алюминиевой пластиной. Гамма-излучение (γ) затухает при проникновении в свинец. Рисунок предоставлен Stannered

---

Излучение позитронов (распад β ⁺ ) и захват электронов

В дополнение к трем основным типам радиоактивных частиц, перечисленным выше, были обнаружены два дополнительных, менее распространенных типа выбросов.К ним относятся испускание позитронов и захват электронов .

Эмиссия позитрона (β ⁺ распад ) — это испускание позитрона из ядра. Кислород-15 — пример нуклида, испускающего позитроны:

Излучение позитронов наблюдается для нуклидов с низким отношением n: p. Эти нуклиды находятся ниже зоны стабильности. Распад позитрона — это превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона.Отношение n: p увеличивается, и дочерний нуклид находится ближе к полосе стабильности, чем родительский нуклид. Позитрон имеет массу электрона, но имеет положительный заряд. Таким образом, общая масса нуклида не изменяется, но атомный номер уменьшается на единицу, что вызывает изменение элементной идентичности дочернего изотопа.

Захват электронов происходит, когда один из внутренних электронов атома захватывается ядром атома. Например, калий-40 подвергается электронному захвату:

Захват электрона происходит, когда электрон внутренней оболочки соединяется с протоном и превращается в нейтрон.Потеря электрона внутренней оболочки оставляет вакансию, которая будет заполнена одним из внешних электронов. Когда внешний электрон падает в вакансию, он излучает энергию. В большинстве случаев излучаемая энергия будет иметь форму рентгеновского излучения. Как и эмиссия позитронов, захват электронов происходит для «богатых протонами» ядер, лежащих ниже зоны стабильности. Захват электрона оказывает на ядро ​​тот же эффект, что и испускание позитрона: атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется.Это увеличивает соотношение n: p, и дочерний нуклид находится ближе к полосе стабильности, чем родительский нуклид. Трудно предсказать, произойдет ли захват электронов или испускание позитронов. Выбор в первую очередь обусловлен кинетическими факторами, причем тот, который требует меньшей энергии активации, является более вероятным.

На рисунке 3.4 показаны эти типы распада, а также их уравнения и изменения атомных и массовых чисел.

Рисунок 3.4. Резюме типа, ядерного уравнения, представления и любых изменений массы или атомных номеров для различных типов распада.

---

Ядерное деление

Иногда ядро ​​атома распадается на более мелкие части в результате радиоактивного процесса, называемого спонтанным делением (или делением). Обычно дочерние изотопы, образующиеся при делении, представляют собой разнообразную смесь продуктов, а не конкретный изотоп, как при испускании альфа- и бета-частиц. Часто при делении образуются избыточные нейтроны, которые иногда захватываются другими ядрами, что может вызвать дополнительные радиоактивные события.Уран-235 подвергается самопроизвольному делению в небольшой степени. Одна типичная реакция —

, где ₀ ¹ n нейтрон. Как и в любом ядерном процессе, суммы атомных номеров и массовых чисел должны быть одинаковыми с обеих сторон уравнения. Спонтанное деление обнаруживается только в крупных ядрах. Самым маленьким ядром, демонстрирующим спонтанное деление, является свинец-208. (Деление — это радиоактивный процесс, используемый на атомных электростанциях и одном из типов ядерных бомб.)

(Вернуться к началу)

---

3.2 Радиоактивные полужизни

Каждый радиоактивный нуклид имеет характерный постоянный период полураспада ( t _1/2 ), время, необходимое для распада половины атомов в образце. Период полураспада изотопа позволяет нам определить, как долго образец полезного изотопа будет доступен и как долго образец нежелательного или опасного изотопа должен храниться, прежде чем он распадется до достаточно низкого уровня излучения, который больше не является допустимым. проблема.

Например, кобальт-60, изотоп, излучающий гамма-лучи, используемый для лечения рака, имеет период полураспада 5,27 года (рис. 3.5). В данном источнике кобальта-60, поскольку половина ядер распадается каждые 5,27 года, как количество материала, так и интенсивность испускаемого излучения сокращаются вдвое каждые 5,27 года. Обратите внимание, что для данного вещества интенсивность излучения, которое оно производит, прямо пропорциональна скорости распада вещества и количеству вещества. Таким образом, источник кобальта-60, который используется для лечения рака, необходимо регулярно заменять, чтобы он оставался эффективным.

Рисунок 3.5. Распад кобальта-60. Для кобальта-60, период полураспада которого составляет 5,27 года, 50% остается через 5,27 года (один период полураспада), 25% остается через 10,54 года (два периода полураспада), 12,5% остается через 15,81 года (три период полураспада) и так далее. Обратите внимание, что каждый период полураспада имеет одинаковую продолжительность.

---

Поскольку каждый период полураспада радионуклида имеет одинаковый период времени, мы можем использовать следующее уравнение для расчета, сколько радиоактивного нуклида остается после прохождения любого числа (n) периодов полураспада:

Практическая задача:

Вопрос: Период полураспада Zn-71 равен 2.4 минуты. Если бы в начале было 100,0 г, сколько граммов осталось бы по прошествии 7,2 минут?

Решение:

Шаг 1. Определите количество прошедших периодов полураспада: количество периодов полураспада = прошедшее время, разделенное на период полураспада (убедитесь, что единицы времени совпадают !!)

Шаг 2. Используйте уравнение «Остаточный изотоп», чтобы определить, сколько изотопа останется после того, как пройдет период полураспада, определенный на шаге 1.

(Вернуться к началу)

---

3.3 Биологические эффекты радиационного воздействия

Существует большая разница в величине биологического воздействия неионизирующего излучения (например, света и микроволн) и ионизирующего излучения , излучение достаточно энергичное, чтобы выбивать электроны из молекул (например, α- и β-частицы, γ-лучи, рентгеновские лучи и высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение) (Рисунок 3.6).

Рисунок 3.6. Повреждающее действие ионизирующего излучения. Низкочастотное электромагнитное излучение с меньшей энергией является неионизирующим, а электромагнитное излучение с более высокой частотой и энергией является ионизирующим.

---

Энергия, поглощенная неионизирующим излучением, ускоряет движение атомов и молекул, что эквивалентно нагреву образца. Хотя биологические системы чувствительны к теплу (о чем мы можем узнать, прикоснувшись к горячей плите или проведя день на пляже на солнце), для достижения опасного уровня необходимо большое количество неионизирующего излучения.Ионизирующее излучение, однако, может вызвать гораздо более серьезные повреждения, разрывая связи или удаляя электроны в биологических молекулах, нарушая их структуру и функцию (рис. 3.7).

Рисунок 3.7. Биологические эффекты ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение может напрямую повредить биомолекулу, ионизируя ее или разрывая связи

---

Радиация может нанести вред всему телу (соматическое повреждение) или яйцеклеткам и сперме (генетическое повреждение).Его эффекты более выражены в клетках, которые быстро воспроизводятся, таких как слизистая оболочка желудка, волосяные фолликулы, костный мозг и эмбрионы. Вот почему пациенты, проходящие лучевую терапию, часто испытывают тошноту или тошноту в животе, теряют волосы, болят кости и т. Д., И почему необходимо соблюдать особую осторожность при прохождении лучевой терапии во время беременности.

(Вернуться к началу)

---

3,4 Использование радиоактивных изотопов

Радиоактивные изотопы имеют те же химические свойства, что и стабильные изотопы того же элемента, но излучают излучение, которое можно обнаружить.Если мы заменим один (или несколько) атом (ов) радиоизотопом (ами) в соединении, мы сможем отслеживать их, отслеживая их радиоактивные выбросы. Этот тип соединения называется радиоактивным индикатором (или радиоактивным индикатором ). Радиоизотопы используются для отслеживания биохимических реакций или для определения того, как вещество распределяется в организме. Радиоактивные индикаторы также используются во многих медицинских приложениях, включая диагностику и лечение. Они также используются во многих других отраслях промышленности для измерения износа двигателя, анализа геологических образований вокруг нефтяных скважин и многого другого.

Радиоизотопы произвели революцию в медицинской практике, где они широко используются. Ежегодно в Соединенных Штатах проводится более 10 миллионов процедур ядерной медицины и более 100 миллионов испытаний ядерной медицины. Четыре типичных примера радиоактивных индикаторов, используемых в медицине, — это технеций-99, таллий-201, йод-131 и натрий-24. Поврежденные ткани сердца, печени и легких преимущественно поглощают определенные соединения технеция-99. После инъекции местоположение соединения технеция и, следовательно, поврежденной ткани может быть определено путем обнаружения γ-лучей, испускаемых изотопом Tc-99.Таллий-201 (рис. 3.8) концентрируется в здоровой сердечной ткани, поэтому два изотопа, Tc-99 и Tl-201, используются вместе для исследования сердечной ткани. Йод-131 концентрируется в щитовидной железе, печени и некоторых частях мозга. Поэтому его можно использовать для контроля зоба и лечения заболеваний щитовидной железы, таких как болезнь Грейвса, а также опухолей печени и головного мозга. Солевые растворы, содержащие соединения натрия-24, вводятся в кровоток, чтобы помочь найти препятствия для кровотока.

Рисунок 3.8. Введение таллия-201 пациенту и последующее выполнение стресс-теста дает медицинским работникам возможность визуально анализировать работу сердца и кровоток. (кредит: модификация работы «Blue0ctane» / Wikimedia Commons)

---

Радиоизотопы, используемые в медицине, обычно имеют короткий период полураспада — например, Tc-99 имеет период полураспада 6,01 часа. Это делает Tc-99 практически невозможным для хранения и чрезмерно дорогим для транспортировки, поэтому его вместо этого производят на месте.Больницы и другие медицинские учреждения используют Mo-99 (который в основном извлекается из продуктов деления U-235) для производства Tc-99. Mo-99 подвергается β-распаду с периодом полураспада 66 часов, а затем Tc-99 извлекается химически (рис. 3.9). Исходный нуклид Mo-99 является частью иона молибдата; при распаде образует ион пертехнетата. Эти два водорастворимых иона разделяют с помощью колоночной хроматографии, причем ион молибдата с более высоким зарядом адсорбируется на оксиде алюминия в колонке, а ион пертехнетата с более низким зарядом проходит через колонку в растворе.Несколько микрограммов Mo-99 могут произвести достаточно Tc-99 для проведения до 10 000 тестов.

Рисунок 3.9. (a) Первый генератор Tc-99m (около 1958 г.) используется для отделения Tc-99 от Mo-99. MoO ₄ ^2- сохраняется в матрице в столбце, тогда как TcO ₄ ^—. проходит и собирается. (b) Tc-99 использовался в этом сканировании шеи пациента с болезнью Грейвса. Сканирование показывает расположение высоких концентраций Tc-99.(кредит а: модификация работы Министерства энергетики; кредит b: модификация работы «MBq» / Wikimedia Commons)

---

При сканировании с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)

радиация используется для диагностики и отслеживания состояния здоровья, а также для мониторинга лечения путем выявления того, как функционируют части тела пациента (рис. 3.10). Для выполнения ПЭТ-сканирования радиоизотоп, излучающий позитроны, производится в циклотроне, а затем присоединяется к веществу, которое используется исследуемой частью тела.Это «меченое» соединение, или радиоактивный индикатор , затем вводится пациенту (вводится внутривенно или вдыхается в виде газа), и то, как оно используется тканью, показывает, как функционирует этот орган или другая область тела.

Рисунок 3.10. ПЭТ-сканер (а) использует излучение для получения изображения того, как функционирует часть тела пациента. Сканирование, которое он производит, можно использовать для визуализации здорового мозга (b) или для диагностики заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера (c).(кредит а: модификация работы Йенса Мауса)

---

Например, F-18 продуцируется протонной бомбардировкой ¹⁸ O () и включается в аналог глюкозы, называемый флудезоксиглюкозой (FDG). То, как ФДГ используется организмом, дает важную диагностическую информацию; например, поскольку рак использует глюкозу иначе, чем нормальные ткани, ФДГ может выявить рак. ¹⁸ F испускает позитроны, которые взаимодействуют с соседними электронами, создавая всплеск гамма-излучения. Эта энергия обнаруживается сканером и преобразуется в подробное трехмерное цветное изображение, которое показывает, как функционирует эта часть тела пациента.Различные уровни гамма-излучения создают различную яркость и цвета изображения, которые затем могут интерпретироваться радиологом, чтобы выявить, что происходит. Сканирование с помощью ПЭТ может выявить повреждение сердца и болезни сердца, помочь диагностировать болезнь Альцгеймера, указать часть мозга, пораженную эпилепсией, выявить рак, показать, на какой стадии он находится и насколько он распространился, и насколько эффективны методы лечения. В отличие от магнитно-резонансной томографии и рентгеновских лучей, которые показывают только то, как что-то выглядит, большое преимущество ПЭТ-сканирования заключается в том, что они показывают, как что-то функционирует.В настоящее время ПЭТ-сканирование обычно выполняется в сочетании с компьютерной томографией.

Радиоизотопы также могут использоваться, обычно в более высоких дозах, чем в качестве индикатора, для лечения. Лучевая терапия — это использование высокоэнергетического излучения для повреждения ДНК раковых клеток, которое убивает их или препятствует их делению (рис. 3.11). Больной раком может пройти внешнюю лучевую терапию , доставленную аппаратом вне тела, или внутреннюю лучевую терапию (брахитерапию) с радиоактивным веществом, которое было введено в тело.Обратите внимание, что химиотерапия похожа на внутреннюю лучевую терапию тем, что лекарство от рака вводится в организм, но отличается тем, что химиотерапия использует химические, а не радиоактивные вещества для уничтожения раковых клеток.

Рисунок 3.11. На рисунке (а) показан аппарат с кобальтом-60, используемый для лечения рака. На диаграмме (b) показано, как портал машины Co-60 вращается по дуге, фокусируя излучение на целевой области (опухоль) и сводя к минимуму количество излучения, проходящего через близлежащие области.

---

Кобальт-60 — это синтетический радиоактивный изотоп, получаемый нейтронной активацией Co-59, который затем подвергается β-распаду с образованием Ni-60 вместе с испусканием γ-излучения. Общий процесс:

Общая схема распада для этого графически показана на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12. Co-60 подвергается серии радиоактивных распадов. Γ-излучения используются для лучевой терапии.

---

Радиоизотопы используются по-разному для изучения механизмов химических реакций у растений и животных.К ним относятся маркировка удобрений в исследованиях поглощения питательных веществ растениями и ростом сельскохозяйственных культур, исследования процессов пищеварения и производства молока у коров, а также исследования роста и метаболизма животных и растений.

Например, радиоизотоп C-14 был использован для выяснения деталей того, как происходит фотосинтез. Общая реакция:

, но процесс намного сложнее, он проходит через серию этапов, на которых образуются различные органические соединения. При изучении пути этой реакции растения подвергались воздействию CO ₂ , содержащего высокую концентрацию.Через регулярные промежутки времени растения анализировали, чтобы определить, какие органические соединения содержат углерод-14 и сколько присутствует каждого соединения. Из временной последовательности, в которой появляются соединения, и количества каждого из них, присутствующего в заданные промежутки времени, ученые узнали больше о пути реакции.

Коммерческие применения радиоактивных материалов также разнообразны (рис. 3.13). Они включают определение толщины пленок и тонких металлических листов с использованием проникающей способности различных типов излучения.Дефекты в металлах, используемых для структурных целей, могут быть обнаружены с помощью высокоэнергетического гамма-излучения кобальта-60 аналогично тому, как рентгеновские лучи используются для исследования человеческого тела. В одной из форм борьбы с вредителями мухи контролируются путем стерилизации самцов мух гамма-излучением, чтобы самки, размножающиеся с ними, не давали потомства. Многие продукты сохраняются за счет радиации, которая убивает микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов.

Рисунок 3.13. Обычное коммерческое использование излучения включает (а) рентгеновское обследование багажа в аэропорту и (б) хранение продуктов питания.(кредит а: модификация работы министерства военно-морского флота; кредит б: модификация работы министерства сельского хозяйства США)

---

Америций-241, α-излучатель с периодом полураспада 458 лет, в небольших количествах используется в детекторах дыма ионизационного типа (рис. 3.14). Эмиссия α от Am-241 ионизирует воздух между двумя электродными пластинами в ионизационной камере. Батарея создает потенциал, который вызывает движение ионов, создавая небольшой электрический ток. Когда дым попадает в камеру, движение ионов затрудняется, что снижает проводимость воздуха.Это вызывает заметное падение тока, вызывая тревогу.

Рисунок 3.14. Внутри дымового извещателя Am-241 испускает α-частицы, которые ионизируют воздух, создавая небольшой электрический ток. Во время пожара частицы дыма препятствуют потоку ионов, уменьшая ток и вызывая тревогу. (кредит а: модификация работы «Маффет» / Wikimedia Commons)

(Вернуться к началу)

---

3.5 Краткое содержание главы

Радиоактивность определяется как испускание частиц и электромагнитных лучей из ядра нестабильного атома.В этой главе были представлены шесть типов излучения, образующегося при распаде ядра, включая:

• альфа (α) распад , который состоит из двух протонов и двух нейтронов и имеет заряд +2.
• бета (β) распад , который представляет собой электрон, выброшенный из ядра (не из электронных оболочек вокруг ядра), имеет заряд -1 и не имеет массы. Внутри ядра нейтрон испускает электрон и при этом превращается в протон.
  
• гамма (γ) распад , который характеризуется испусканием ионизирующего излучения и не содержит массы или заряда.
• позитрон (β ⁺ ) испускание , который является позитроном, выброшенным из ядра, имеет заряд +1 и не имеет массы. Внутри ядра протон испускает позитрон и при этом превращается в нейтрон.
• захват электрона происходит, когда электрон внутренней оболочки соединяется с протоном и превращается в нейтрон. Потеря электрона внутренней оболочки оставляет вакансию, которая будет заполнена одним из внешних электронов. Когда внешний электрон падает в вакансию, он часто излучает энергию в виде рентгеновских лучей.
• деление ядра происходит, когда атомное ядро ​​распадается на более мелкие части в результате радиоактивного процесса, который высвобождает избыточные нейтроны.

Каждый радиоактивный нуклид имеет характерный постоянный период полураспада ( t _1/2 ), время, необходимое для распада половины атомов в образце. Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения того, сколько изотопа останется после прохождения заданного количества периодов полураспада

Радиоактивные выбросы могут вызвать повреждение биологических систем, вызывая распад белков и ДНК.Это может привести к клеточному и генетическому повреждению и повысить риск заболевания, например, рака. Однако при использовании в небольших количествах и в контролируемых условиях радиоактивные индикаторы и методы лечения оказались революционными для области медицины. Например, Лучевая терапия — это использование излучения высокой энергии для повреждения ДНК раковых клеток, которое убивает их или препятствует их делению. Радиоактивные индикаторы также были очень полезны при оценке сердечных заболеваний, дисфункции щитовидной железы и других заболеваний крови. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) При сканировании используется излучение для диагностики и отслеживания состояния здоровья, а также для наблюдения за лечением, показывая, как части тела пациента функционируют, а рентгеновские лучи уже давно используются для визуализации переломов костей и полостей в зубах.

(Вернуться к началу)

---

3,6 Ссылки

Если не указано иное, ресурсы для этой главы были изменены из следующих ресурсов Creative Commons:

1. OpenStax.(2016) Глава 21 — Ядерная химия. Chemistry by Rice University находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International, доступ получен 1 декабря 2018 г. по адресу: https://opentextbc.ca/chemistry/chapter/introduction-2/

Физика и технология лучевой терапии, 2-е издание: 9781930524989: Патрик Н. Макдермотт, Колин Г. Ортон: Книги

Обзор

Физика и технология лучевой терапии. 2-е издание. Патрик Н. Макдермотт и Колин Г.Ортон, Авторы. Мэдисон, Висконсин: Издательство медицинской физики, 2018. Д-р. Макдермотт и Ортон написали превосходный своевременный учебник, который может быть использован аспирантами и студентами, изучающими медицинскую физику, ординаторами радиационной онкологии и студентами, изучающими технологии лучевой терапии. Авторы — выдающиеся врачи-физики. Доктор Макдермотт — директор по физическому образованию в Beaumont Health Royal Oak Michigan. Доктор Ортон — почетный профессор отделения радиационной онкологии Государственного университета Уэйна.Он руководил программой магистратуры по медицинской физике WSU более 20 лет. Эта книга должна стать первой книгой, которую должен купить любой студент-медик, интересующийся физикой радиационной онкологии. Это книга по физике для ординаторов радиационной онкологии и необходимость для студентов, изучающих радиационные технологии. Книга начинается с обзора базовой математики, глава 1, подходящая для студентов-технологов и ординаторов, и продолжается обзором базовой физики в главе 2. Эти обзоры последовательны и устанавливают следующий формализм.Есть главы по электронно-лучевой дозиметрии, брахитерапии и очень полное обсуждение радиационной защиты (с участием Шерил Шульц). Глава, посвященная физике протонной терапии, выделяется своей ясностью и полнотой. Эта быстро развивающаяся модальность получила заслуженное описание в этой книге. Есть также главы о визуализации в лучевой терапии и специальных методах. В главе, посвященной специальным методикам, обсуждается радиохирургия, гамма-нож и ЧМТ. В главе «Обеспечение качества и безопасности» рассказывается о роли регулирующих органов и обеспечении качества оборудования для лучевой терапии.Каждая глава заканчивается резюме и проблемами; В приложении D есть ответы на большинство проблем. В Приложении A приведен список тем, которые необходимо изучить для экзамена ABR для резидентов радиационной онкологии, индексированных по темам в разделах книги. Точно так же в нем приводятся темы, необходимые для экзаменов на получение сертификата ARRT и медицинского дозиметриста, проиндексированные по разделам в тексте. Приложение B содержит дозиметрические данные для некоторых распространенных пучков и изотопов. В то время как Приложение D представляет собой данные о луче для вымышленного линейного ускорителя, используемого в задачах.Это отличная книга; Представление в книге схем, рисунков, картинок (многоцветных) и подборка задач ясны и логичны и делают эту книгу классической. Очевидно, что авторы преподавали этот предмет в течение долгого времени и смогли выделить и объяснить концепции ясным и интересным образом. Авторы написали завораживающий учебник, который стоит на полке каждого медицинского физика и в качестве справочника, и в качестве руководства. Поскольку характер нашей области, постоянное развитие технологий, эта книга, безусловно, затмевается; но он, безусловно, принадлежит к пантеону великих учебников медицинской физики.Хотел бы я иметь эту книгу, когда был студентом. Резюме: Это отличный учебник для студентов-медиков, студентов, изучающих радиационную онкологию, и студентов, изучающих радиационную онкологию. Рецензент, Томас Лоуинджер, медицинский физик на пенсии, в настоящее время консультант частной клиники Radiosurgery NY. Он преподавал медицинскую физику для резидентов, физиков и студентов-технологов в столичном районе Нью-Йорка в течение последних 40 лет. —IOMP, Журнал Международной организации медицинской физики, ноябрь 2019 г.

Радиационный бюджет Земли | Управление научной миссии

Энергия, входящая, отраженная, поглощаемая и испускаемая земной системой, является компонентом радиационного баланса Земли.Основываясь на физическом принципе сохранения энергии, этот радиационный баланс представляет собой учет баланса между приходящей радиацией, которая почти полностью представляет собой солнечное излучение, и исходящей радиацией, которая частично отражается солнечным излучением и частично излучением, испускаемым земной системой, включая атмосфера. Несбалансированный бюджет может вызвать повышение или понижение температуры атмосферы и, в конечном итоге, повлиять на наш климат. Единицы энергии, используемые для измерения этого входящего и выходящего излучения, — ватты на квадратный метр (Вт / м2).

ВХОДЯЩЕЕ СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Входящая ультрафиолетовая, видимая и ограниченная часть инфракрасной энергии (вместе иногда называемая «коротковолновым излучением») от Солнца управляет климатической системой Земли. Часть этого поступающего излучения отражается от облаков, часть поглощается атмосферой, а часть проходит на поверхность Земли. Более крупные частицы аэрозоля в атмосфере взаимодействуют с излучением и поглощают его, в результате чего атмосфера нагревается. Тепло, генерируемое этим поглощением, испускается в виде длинноволнового инфракрасного излучения, часть которого излучается в космос.

ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭНЕРГИЯ

Солнечное излучение, проходящее через атмосферу Земли, либо отражается от снега, льда или других поверхностей, либо поглощается поверхностью Земли.

ДЛИННОВолновое излучение

Тепло, возникающее в результате поглощения входящего коротковолнового излучения, излучается как длинноволновое излучение. Радиация из нагретых верхних слоев атмосферы, вместе с небольшим количеством от поверхности Земли, излучается в космос. Большая часть испускаемой длинноволновой радиации нагревает нижние слои атмосферы, которая, в свою очередь, нагревает поверхность нашей планеты.

ПАРНИК ЭФФЕКТ

Парниковые газы в атмосфере (например, водяной пар и углекислый газ) поглощают большую часть излучаемого Землей длинноволнового инфракрасного излучения, которое нагревает нижние слои атмосферы. В свою очередь, нагретая атмосфера испускает длинноволновое излучение, часть которого излучается к поверхности Земли, сохраняя нашу планету в тепле и в целом комфортно. Возрастающие концентрации парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, повышают температуру нижних слоев атмосферы, ограничивая выход излучаемой радиации, что приводит к «глобальному потеплению» или, в более широком смысле, глобальному изменению климата.

Предоставлено: НАСА / Центр космических полетов Годдарда, Студия научной визуализации

.

ИЗЛУЧЕНИЕ И КЛИМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Чтобы ученые могли понять изменение климата, они также должны определить, что движет изменениями в пределах радиационного баланса Земли. Инструмент Системы Облака и Радиантной Энергии Земли (CERES) на борту спутников НАСА Aqua и Terra измеряет отраженное коротковолновое и длинноволновое излучение в космосе с достаточной точностью, чтобы ученые могли определить общий радиационный баланс Земли.Другие инструменты НАСА отслеживают изменения в других аспектах климатической системы Земли, таких как облака, аэрозольные частицы и отражательная способность поверхности, и ученые изучают их многочисленные взаимодействия с радиационным балансом.

Посмотрите этот плакат с Энергетическим бюджетом Земли, чтобы узнать больше о нашем понимании потоков энергии на Землю и от Земли.

Начало страницы | Вернуться на домашнюю страницу EMS

---

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Радиационный бюджет Земли. Получено [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/13_radiationbudget

MLA

Управление научной миссии. «Радиационный бюджет Земли» НАСА . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/13_radiationbudget

.