การแผ่รังสีเป็นกระบวนการทางกายภาพ ซึ่งเป็นผลมาจากการถ่ายเทพลังงานโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กระบวนการย้อนกลับสู่การแผ่รังสีเรียกว่าการดูดกลืน ลองพิจารณาปัญหานี้ให้ละเอียดยิ่งขึ้น พร้อมทั้งยกตัวอย่างการแผ่รังสีในชีวิตประจำวันและธรรมชาติด้วย
ฟิสิกส์ของการแผ่รังสี
ร่างกายใดๆ ก็ตามประกอบด้วยอะตอมซึ่งในทางกลับกันจะถูกสร้างขึ้นโดยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งก่อตัวเป็นเปลือกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและมีประจุลบ อะตอมถูกจัดเรียงในลักษณะที่สามารถอยู่ในสถานะพลังงานที่แตกต่างกัน กล่าวคือ พวกมันสามารถมีพลังงานทั้งสูงและต่ำได้ เมื่ออะตอมมีพลังงานต่ำที่สุด กล่าวกันว่าเป็นสถานะพื้น สถานะพลังงานอื่นๆ ของอะตอมจะเรียกว่าตื่นเต้น
การมีอยู่ของสถานะพลังงานต่างๆ ของอะตอมนั้นเกิดจากการที่อิเล็กตรอนของอะตอมสามารถระบุตำแหน่งที่ระดับพลังงานบางอย่างได้ เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากระดับที่สูงกว่าไปยังระดับที่ต่ำกว่า อะตอมจะสูญเสียพลังงานซึ่งจะแผ่กระจายไปยังพื้นที่โดยรอบในรูปของโฟตอน - อนุภาคพาหะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในทางกลับกัน การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนจากระดับล่างไปสู่ระดับที่สูงกว่านั้นมาพร้อมกับการดูดกลืนโฟตอน
มีหลายวิธีในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนของอะตอมไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทพลังงาน นี่อาจเป็นได้ทั้งผลกระทบต่ออะตอมที่พิจารณาของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกและการถ่ายโอนพลังงานไปยังอะตอมด้วยวิธีทางกลหรือทางไฟฟ้า นอกจากนี้ อะตอมสามารถรับและปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาเคมีได้
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
ก่อนที่จะพูดถึงตัวอย่างการแผ่รังสีในวิชาฟิสิกส์ ควรสังเกตว่าแต่ละอะตอมปล่อยพลังงานบางส่วนออกมา สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากสถานะที่อิเล็กตรอนสามารถอยู่ในอะตอมนั้นไม่ได้เกิดขึ้นโดยพลการ แต่มีการกำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงระหว่างรัฐเหล่านี้จึงมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนหนึ่ง
เป็นที่ทราบกันดีจากฟิสิกส์อะตอมว่าโฟตอนที่เกิดจากการเปลี่ยนภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ในอะตอมมีพลังงานที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่การสั่นและแปรผกผันกับความยาวคลื่น (โฟตอนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะ โดยความเร็วการขยายพันธุ์ ความยาว และความถี่) เนื่องจากอะตอมของสารสามารถปล่อยพลังงานออกมาได้เพียงชุดเดียวเท่านั้น นั่นหมายความว่าความยาวคลื่นของโฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นมีความเฉพาะเจาะจงเช่นกัน เซตของความยาวทั้งหมดเหล่านี้เรียกว่าสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
ถ้าความยาวคลื่นของโฟตอนอยู่ระหว่าง 390 นาโนเมตรถึง 750 นาโนเมตรจากนั้นก็พูดถึงแสงที่มองเห็นได้เนื่องจากบุคคลสามารถรับรู้ได้ด้วยตาของตัวเองหากความยาวคลื่นน้อยกว่า 390 นาโนเมตรคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวจะมีพลังงานสูงและเรียกว่ารังสีอัลตราไวโอเลตเอ็กซ์เรย์ หรือรังสีแกมมา สำหรับความยาวมากกว่า 750 นาโนเมตร ลักษณะเฉพาะของพลังงานโฟตอนขนาดเล็ก เรียกว่ารังสีอินฟราเรด ไมโคร หรือคลื่นวิทยุ
การแผ่รังสีความร้อนของร่างกาย
ร่างกายใดๆ ที่มีอุณหภูมิอื่นที่ไม่ใช่ศูนย์สัมบูรณ์จะแผ่พลังงานออกมา ในกรณีนี้ เราพูดถึงการแผ่รังสีความร้อนหรือความร้อน ในกรณีนี้ อุณหภูมิจะกำหนดทั้งสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของการแผ่รังสีความร้อนและปริมาณพลังงานที่ร่างกายปล่อยออกมา ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานที่ร่างกายจะแผ่ออกไปในอวกาศก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นก็จะยิ่งเคลื่อนไปที่บริเวณความถี่สูง กระบวนการของการแผ่รังสีความร้อนอธิบายไว้โดยกฎหมายของ Stefan-Boltzmann, Planck และ Wien
ตัวอย่างรังสีในชีวิตประจำวัน
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ร่างกายใดๆ ก็ตามที่แผ่พลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่กระบวนการนี้ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเสมอไป เนื่องจากอุณหภูมิของร่างกายรอบๆ ตัวเรามักจะต่ำเกินไป ดังนั้นสเปกตรัมของพวกมัน อยู่ในความถี่ต่ำที่มองไม่เห็นสำหรับพื้นที่มนุษย์
ตัวอย่างที่โดดเด่นของการแผ่รังสีในช่วงที่มองเห็นได้คือหลอดไฟฟ้า เมื่อผ่านเป็นเกลียว กระแสไฟฟ้าจะให้ความร้อนแก่ไส้หลอดทังสเตนสูงถึง 3000 เค อุณหภูมิที่สูงเช่นนี้ทำให้ไส้หลอดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสูงสุดซึ่งอยู่ในส่วนความยาวคลื่นยาวของสเปกตรัมที่มองเห็นได้
อีกตัวอย่างหนึ่งของรังสีในบ้านคือเตาไมโครเวฟซึ่งปล่อยคลื่นไมโครเวฟที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า คลื่นเหล่านี้ถูกดูดซับโดยวัตถุที่มีน้ำ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพลังงานจลน์และทำให้อุณหภูมิของคลื่นสูงขึ้น
สุดท้าย ตัวอย่างของการแผ่รังสีในชีวิตประจำวันในช่วงอินฟราเรดคือหม้อน้ำของหม้อน้ำ เราไม่เห็นการแผ่รังสีของมัน แต่เรารู้สึกถึงความอบอุ่นของมัน
วัตถุเปล่งประกายจากธรรมชาติ
บางทีตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของการแผ่รังสีในธรรมชาติอาจเป็นดาวของเรา - ดวงอาทิตย์ อุณหภูมิบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์อยู่ที่ประมาณ 6000 K ดังนั้นรังสีสูงสุดของดวงอาทิตย์ตกที่ความยาวคลื่น 475 นาโนเมตร นั่นคืออยู่ภายในสเปกตรัมที่มองเห็นได้
ดวงอาทิตย์ทำให้ดาวเคราะห์รอบๆ อุ่นขึ้นและดาวเทียมของพวกมัน ซึ่งก็เริ่มเรืองแสงเช่นกัน ที่นี่จำเป็นต้องแยกความแตกต่างระหว่างแสงสะท้อนกับการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้น โลกของเราจึงสามารถเห็นได้จากอวกาศในรูปของลูกบอลสีน้ำเงินอย่างแม่นยำเนื่องจากแสงแดดที่สะท้อน ถ้าเราพูดถึงการแผ่รังสีความร้อนของดาวเคราะห์ มันก็เกิดขึ้นเช่นกัน แต่อยู่ในขอบเขตของสเปกตรัมไมโครเวฟ (ประมาณ 10 ไมครอน)
นอกจากแสงสะท้อนแล้ว ยังน่าสนใจที่จะยกตัวอย่างอีกตัวอย่างหนึ่งของรังสีในธรรมชาติซึ่งเกี่ยวข้องกับจิ้งหรีด แสงที่มองเห็นได้จากพวกมันไม่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีความร้อนและเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างออกซิเจนในบรรยากาศและลูซิเฟอริน (สารที่มีอยู่ในเซลล์แมลง) ปรากฏการณ์นี้คือชื่อของสารเรืองแสง