В физике излучение — передача энергии в форме волн или частиц через пространство или через материальную среду. Это понятие включает в себя:

электромагнитное излучение — радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение (γ); излучение частиц — альфа-излучение (α), бета-излучение (β), нейтронное и нейтринное излучение (нейтральные частицы с ненулевой энергией покоя); акустическое излучение — ультразвуковые, звуковые и сейсмические волны (в зависимости от физической среды передачи); гравитационное излучение — излучение, которое принимает форму гравитационных волн, или рябь в кривизне пространства-времени.

Излучение часто классифицируется как ионизирующее или неионизирующее в зависимости от энергии излучаемых частиц. Ионизирующее излучение несёт более 10 эВ, что достаточно для ионизации атомов и молекул, а также разрыва химических связей. Это важное различие из-за большой разницы в пагубности для живых организмов. Распространенным источником ионизирующего излучения являются радиоактивные материалы, которые испускают α, β или γ излучение, состоящее из ядер гелия, электронов или позитронов и фотонов соответственно. К другим источникам относятся рентгеновские лучи от медицинских исследований рентгенографии, а также мюоны, мезоны, позитроны, нейтроны и другие частицы, которые составляют вторичные космические лучи, которые образуются после взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Гамма-лучи, рентгеновское излучение и более высокий энергетический диапазон ультрафиолетового (УФ) света составляют ионизирующую часть электромагнитного спектра. Слово «ионизировать» относится к отрыву одного или нескольких электронов от атома, процесс, который требует относительно высокой энергии, обеспеченной электромагнитными волнами. Далее по спектру следуют неионизирующие источники энергии из нижнего ультрафиолетового спектра, которые не могут ионизировать атомы, но могут нарушать межатомные связи, которые образуют молекулы, тем самым разрушая их, а не атомы. Хорошим примером этого является солнечный ожог, вызванный длинноволновым солнечным ультрафиолетом. Волны с большей длиной волны, чем УФ, в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазоне частот не могут разорвать связи, но могут вызвать вибрации в связях, которые воспринимаются как тепло. Радиоволны и ниже, как правило, не рассматриваются как вредные для биологических систем. Но это не резкое разграничение энергий, поскольку есть другие эффекты связанные с совпадением определённых частот.

Слово «излучение» происходит от явления исходящих волн (то есть распространяющихся во всех направлениях) от источника. Этот аспект приводит к системе измерений и физических единиц, которые применимы ко всем типам излучения. Поскольку такое излучение расширяется при прохождении через пространство и сохранении его энергии (в вакууме), интенсивность всех типов излучения от точечного источника следует закону обратных квадратов по отношению к расстоянию от его источника. Как и любой идеальный закон, закон обратных квадратов аппроксимирует измеренную интенсивность излучения до такой степени, как если бы источник приближался к геометрической точке.

Ионизирующее излучение

Излучение с достаточно высокой энергией может ионизировать атомы; то есть оно может выбивать электроны из атомов, создавая ионы. Ионизация происходит, когда электрон вырывается (или «выбивается») из электронной оболочки атома, таким образом что оставляет атом с чистым положительным зарядом. Поскольку живые клетки и, что более важно, ДНК в этих клетках могут быть повреждены этой ионизацией, считается, что воздействие ионизирующего излучения увеличивает риск развития рака. Таким образом, «ионизирующее излучение» несколько искусственно отделено от излучения частиц и электромагнитного излучения просто из-за его огромного потенциала для биологического повреждения. В то время как отдельная клетка состоит из триллионов атомов, только небольшая их часть будет ионизирована при низкой или средней мощности излучения. Вероятность того, что ионизирующее излучение вызовет рак, зависит от поглощенной дозы облучения и зависит от тенденции к повреждению от типа излучения и чувствительности облученного организма или ткани (эффективная доза).

Если источником ионизирующего излучения является радиоактивный материал или ядерный процесс, такой как деление или синтез ядер, то необходимо рассмотреть вопрос об излучении частиц. Излучение частиц представляет собой излучение субатомной частицы, ускоренной ядерными реакциями до релятивистских скоростей. Из-за их импульсов они вполне способны выбивать электроны и ионизировать материалы, но, поскольку большинство из них имеют электрический заряд, они не обладают проникающей способностью ионизирующего излучения. Исключение составляют нейтральные частицы; смотри ниже. Существует несколько видов этих частиц, но большинство из них — это альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны и протоны. Грубо говоря, фотоны и частицы с энергией выше примерно 10 электрон-вольт (эВ) — ионизирущие (некоторые авторитеты используют энергию 33 эВ, соответствующую энергии ионизации для воды). Излучение частиц от радиоактивного материала или космических лучей почти всегда несет достаточно энергии для ионизации.

Большая часть ионизирующего излучения исходит от радиоактивных материалов и космоса (космических лучей) и, как таковая, естественным образом присутствует в окружающей среде, поскольку большинство камней и почвы содержат небольшие концентрации радиоактивных материалов. Поскольку это излучение невидимо и не может быть непосредственно обнаружено человеческими чувствами, такие приборы, как счетчики Гейгера, обычно требуются для обнаружения его присутствия. В некоторых случаях это может привести к вторичной эмиссии видимого света при его взаимодействии с веществом, как в случае черенковского излучения и радиолюминесценции.

Ионизирующее излучение имеет множество практических применений в медицине, исследованиях и строительстве, но представляет опасность для здоровья при неправильном использовании. Воздействие радиации приводит к повреждению живой ткани; высокие дозы приводят к острой лучевой болезни с ожогами кожи, выпадением волос, органической недостаточности и смертью, в то время как любая доза может привести к увеличению вероятности рака и генетическим повреждениям; особой формы рака, рака щитовидной железы, часто возникает, когда ядерное оружие и реакторы являются источником излучения из-за биологической активности радиоактивного продукта деления йода, йода-131. Тем не менее расчет точного риска и вероятности образования рака в клетках, вызванного ионизирующим излучением, до сих пор не совсем понятен, и в настоящее время оценки неточно определяются по популяционным данным основанных на атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки и из последующих событий ядерных аварий, таких как чернобыльская катастрофа, Авария на АЭС Фукусима (Фукусимская катастрофа). Международная комиссия по радиологической защите заявляет, что «Комиссия осведомлена о неопределенности и недостаточной точности моделей и значений параметров», «Коллективная эффективная доза не предназначена в качестве инструмента для оценки эпидемиологического риска, и её нецелесообразно использовать в прогнозах риска» и, «в частности, следует избегать расчета числа случаев смерти от рака на основе коллективных эффективных доз из простых индивидуальных доз».

Ультрафиолетовая радиация Ультрафиолет с длиной волны от 10 нм до 125 нм ионизирует молекулы воздуха, в результате чего он сильно поглощается воздухом и озоном (O3) в частности. Поэтому ионизирующее ультрафиолетовое излучение не проникает в атмосферу Земли в значительной степени и иногда называется вакуумным ультрафиолетом. Хотя эта часть УФ-спектра и присутствует в космосе, она не имеет биологического значения, поскольку не достигает живых организмов на Земле.

Существует слой атмосферы, в которой озон поглощает около 98 % неионизирующих, но опасных ультрафиолетовых лучей. Этот так называемый озоновый слой начинается примерно на высоте 32 км от поверхности и простирается в высоту. Часть ультрафиолетового спектра, который достигает земли (часть, которая обладает энергией выше 3,1 эВ, что соответствует длины волны менее 400 нм) не ионизирует, но все ещё биологически опасен из-за способности отдельных фотонов этой энергии вызывать электронное возбуждение в биологических молекулах и, таким образом, повреждать их посредством нежелательных реакций. Примером является образование димеров пиримидина в ДНК, которое начинается на длинах волн меньше 365 нм (3,4 эВ), что значительно ниже энергии ионизации. Это свойство дает ультрафиолетовому спектру некоторые характеристики ионизирующего излучения в биологических системах без реальной ионизации. Напротив, видимый свет и длинноволновое электромагнитное излучение, такое как инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны, состоят из фотонов со слишком малой энергией, чтобы вызвать повреждающее молекулярное возбуждение, и, таким образом, это излучение намного менее опасно на единицу энергии.

Рентгеновское излучение Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны менее примерно 10−9 м (более 3 × 10 17 Гц и 1240 эВ). Меньшая длина волны соответствует более высокой энергии в соответствии с уравнением E = hc/λ. («E» — энергия; «h» — постоянная Планка; «c» — скорость света; «λ» — длина волны.) Когда рентгеновский фотон сталкивается с атомом, атом может поглощать энергию фотона и поднять электрон на более высокий уровень или, если фотон очень энергичен, он может полностью выбить электрон из атома, вызывая ионизацию атома. Как правило, более крупные атомы с большей вероятностью поглощают рентгеновский фотон, поскольку они имеют большие различия в энергии между электронами на разных уровнях. Мягкие ткани в организме человека состоят из атомов меньшего размера, чем атом кальция, из которых состоит кость, следовательно, существует контраст в поглощении рентгеновских лучей. Рентгеновские аппараты специально разработаны для использования разницы в абсорбции кости и мягких тканей, что позволяет врачам исследовать структуру человеческого тела.

Рентгеновские лучи также полностью поглощаются толщиной земной атмосферы, что приводит к предотвращению попадания солнечного излучения в рентгеновских лучах, меньшего по количеству, чем ультрафиолетовое излучение, но тем не менее мощного, к поверхности.

Гамма-излучение

Гамма (γ) излучение состоит из фотонов с длиной волны менее 3 × 10 −11 метров (более 10 19 Гц и 41,4 кэВ). Гамма-излучение — это ядерный процесс, который происходит, чтобы избавить нестабильное ядро от избыточной энергии после большинства ядерных реакций. Как альфа, так и бета частицы имеют электрический заряд и массу, и, таким образом, вполне вероятно, что они взаимодействуют с другими атомами на своем пути. Гамма-излучение, однако, состоит из фотонов, которые не имеют ни массы, ни электрического заряда и, как следствие, проникают через вещество гораздо глубже, чем альфа- или бета-излучение.

Гамма-лучи могут быть остановлены достаточно толстым или плотным слоем материала, где тормозная способность материала в данной области частот зависит в основном (но не полностью) от общей массы на пути излучения, независимо от того, обладает ли материал высокой или низкой плотностью. Однако, как и в случае с рентгеновскими лучами, материалы с высоким атомным номером, такие как свинец или обедненный уран, добавляют умеренное (обычно от 20 до 30 %) количество тормозной способности по сравнению с равной массой менее плотных материалов с более низким атомным весом (такие как вода или бетон). Атмосфера поглощает все гамма-лучи, приближающиеся к Земле из космоса. Даже воздух способен поглощать гамма-лучи, вдвое уменьшая энергию таких волн, проходя в среднем 150 м.

Альфа-излучение