Προτάσεις για θέματα εργασιών

Transcript

1 Προτάσεις για θέματα εργασιών Αλληλεπίδραση σωματιδιακής ακτινοβολίας με την ύλη (ιονισμός διεγέρσεις) Ακτίνες Χ Ακτινοβολία Cherenkov Μαγνητικά πεδία από δίκτυα ισχύος Ακτινοβολία κινητής Ακτινοβολία από ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές συχνότητες Φυσική ραδιενέργεια - ραδόνιο Ραδιενέργεια από πυρηνικά ατυχήματα (Chernobyl) Κοσμική ακτινοβολία Παρουσιάσεις λεπτών στο τελευταίο μάθημα

2 Περιεχόμενα μαθήματος (1/2) Εισαγωγή Τι είναι οι ακτινοβολίες - Είδη ακτινοβολίας Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Σωματιδιακή ακτινοβολία Μονάδες Πηγές ακτινοβολίας στο περιβάλλον Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Φύση φωτός Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Νόμοι Stefan-Boltzmann, Wien, Kirkhoff Ακτίνες Χ, Ακτίνες γ, αλληλεπίδραση με την ύλη Υπεριώδης, ορατή και υπέρυθρη Μικροκύματα Ραδιοκύματα» Ηλεκτρομαγνητική επιβάρυνση από ανθρωπογενείς πηγές (δίκτυα διανομής Ηλ. Ενέργειας, ασύρματα δίκτυα, ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές συχνότητες, οικιακές συσκευές κλπ).

3 Ραδιενέργεια Περιεχόμενα μαθήματος (2/2) Εισαγωγικές έννοιες Πυρηνικής Φυσικής. Μονάδες Αλληλεπίδραση με την ύλη Έκθεση Επικινδυνότητα Ανιχνευτές ακτινοβολιών - Όργανα μέτρησης Δοσιμετρία Όρια έκθεσης - Ραδιοπροστασία Σχάση, σύντηξη Πυρηνική ενέργεια πυρηνικά κατάλοιπα Ραδιοχρονολόγηση Κοσμική ακτινοβολία Πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία Αλληλεπίδραση με την ύλη Δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία Προέλευση κοσμικών ακτίνων Αναλαμπές ακτίνων γάμμα

4 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

5 Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Ενέργεια Ακτίνες Χ Σκέδαση Φωτοϊονισμός Μεγάλος αριθμός σταθμών -ισχυρή απορρόφηση Μικρός αρ. σταθμών -σχεδόν διαφανή Ενέργεια ιονισμού Υπεριώδες Ορατό Υπέρυθρο Αλλαγές στην ηλ/νική δομή Μικροκύματα Περιστροφή Ταλάντωση

6 Ακτινοβολίες και ανθρώπινο σώμα

7 Visible light Το στενό ορατό μέρος το ηλεκτρομαγνητικού φάσματος αντιστοιχεί στα μήκη κύματος κοντά στο μέγιστο της καμπύλης ακτινοβολίας του ήλιου. Το λευκό φώς μπορεί να διαχωριστεί στα φασματικά του χρώματα με διάχυση μέσα από ένα πρίσμα. Συχνότητες: x Hz Μήκη κύματος: nm Κβαντικές ενέργειες: ev

8 Spectral colors Ένα φασματικό χρώμα αποτελείται από ένα μόνο μήκος κύματος και μπορεί να συσχετιστεί με κάποιο μήκος κύματος όπως φαίνεται παραπάνω. Μπορούμε με σιγουριά να πούμε ότι μονοχρωματικό φώς όπως το ήλιο-νέο laser είναι κόκκινο (632 nm) ή ότιαπότην3-2 μετάπτωση του φάσματος του υδρογόνου είναι κόκκινο ( 656 nm) επειδή συμπίπτουν με το κατάλληλο έυρος μήκους κύματος. Αλλά τα πιο πολύχρωμα αντικείμενα δίνουν ένα πλήθος μηκών κύματος και ο χαρακτηρισμός του χρώματος απαιτεί κάτι περισσότερο από την εύρεση του μήκους κύματος. Τα χρώματα που αντιλαμβανόμαστε μπορούν να απεικονιστούν σε ένα χρωματικό διάγραμμα.

9 Χρώμα Είναι κοινή πρακτική να ορίζουμε καθαρά χρώματα με όρους μήκους κύματος του φωτός όπως φαίνεται. Αυτό λειτουργεί σωστά για τα φασματικά χρώματα αλλά έχει βρεθεί ότι πολλοί συνδυασμοί μηκών κύματος του φωτός μπορούν να παράγουν το ίδιο δεδομένο χρώμα. Τα φυσικά ιδιαίτερα χαρακτηρίστηκα του χρώματος είναι η χροιά, η καθαρότητα, και η φωτεινότητα.

10 Το πιο κοινό και φθηνό είδος laser με αέριο, το helium-neon laser κατασκευάζεται συνήθως για να λειτουργεί στο ερυθρό, στα nm. Ένααπόαπόταδιεγερμένα στάδια το ηλίου στα ev είναι τόσο κοντά στο επίπεδο του νέον στα ev, ώστε όταν έχουμε σύγκρουση η ενέργεια από το ήλιο μπορεί να μεταφερθεί στα άτομα του νέον. Μπορούν να γίνουν επικίνδυνες! Ένα μη εστιασμένο 1-mW HeNe laser έχει φωτεινότητα ίση με του ήλιου μια μέρα με καθαρό ουρανό (0.1 watt/cm2) και είναι τόσο επικίνδυνο όσο όταν κοιτάς στον ήλιο απ ευθείας. Helium-Neon Laser

11 Χροιά, καθαρότητα και φωτεινότητα Οι όροι κόκκινο και μπλε περιγράφουν αρχικά τη χροιά ηχροιά σχετίζεται με το μήκος κύματος για τα φασματικά χρώματα. Παρ όλα αυτά φαίνεται ότι δεν μπορούν όλες οι χροιές να παρασταθούν από φασματικά χρώματα εφόσον δεν υπάρχει ένα μόνο μήκος κύματος απόφώςμεπορφυρήχροιά μπορεί να παραχθεί από μια ίση αναλογία κόκκινου και μπλέ. Ένα πλήρως καθαρό χρώμα είναι αυτό χωρίς πρόσμιξη λευκού. Ένα φασματικό χρώμα αποτελούμενο από ένα μόνο μήκος κύματος είναι τελείως καθαρό, αλλά κάποιο μπορεί να έχει ένα καθαρό πορφυρό το οποίο δεν είναι φασματικό χρώμα. Η φωτεινότητα μιας χρωματισμένης επιφάνειας εξαρτάται από την ένταση του φωτός και την αντανακλαστικότητα. Μια κλίμακα από το 0 στο 10 χρησιμοποιείται για να παραστήσει δεδομένη φωτεινότητα σε συστήματα μέτρησης χρώματος. Έχει βρεθεί ότι ίσες επιφάνειες με διαφορετικά φασματικά χαρακτηρίστηκα αλλά που εκπέμπουν τον ίδιο αριθμό lumens έχουν την ίδια φωτεινότητα.

12 Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Ορατό Καθώς κινούμαστε προς τα πάνω από τα μικροκύματα και τις υπέρυθρες στο ορατό φώς, η απορρόφηση αυξάνεται. Ο βασικός μηχανισμός για την απορρόφηση φωτονίων του ορατού φωτός είναι η διέγερση ηλεκτρονίων σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες καταστάσεις, ώστε το ορατό φως να απορροφάται ισχυρά. Το ερυθρό άκρο του φάσματος δεν απορροφάται τόσο ισχυρά όσο το ιώδες. Παρόλο που η έκθεση στο ορατό φως προκαλεί θέρμανση, δεν προκαλεί ιονισμό με τους κινδύνους του. Μπορεί να ζεσταθείτε από τον ήλιο μέσα από το παράθυρο του αυτοκινήτου, αλλά δεν θα καείτε αυτό είναι μια επίδραση του υψηλής συχνότητας UV φωτός απ τον ήλιο το οποίο μπλοκάρεται από το γυαλί του παραθύρου.

13 Υπέρυθρη Οόρος υπέρυθρο αναφέρεται σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων, ξεκινώντας από το άνω άκρο αυτών των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στις επικοινωνίες, φτάνοντας μέχρι το χαμηλής συχνότητας (κόκκινο) άκρο του ορατού φάσματος. Συχνότητες: x Hz Μήκη κύματος: 1 mm nm Κβαντικές ενέργειες: ev Σε αλληλεπίδραση με την ύλη, η υπέρυθρη ακτινοβολία δρα με το να θέτει σε κίνηση τα μόρια. Υπέρυθρα φασματόμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως για να μελετήσουμε το φάσμα δονήσεων των μορίων.

14 Ακτινοβολία θερμότητας Η ακτινοβολία είναι μεταφορά θερμότητας με την εκπομπή ΗΜ κυμάτων τα οποία μεταφέρουν ενέργεια μακριά από το σώμα που τα εκπέμπει. Για συνηθισμένες θερμοκρασίες (λιγότερο απ το καυτό κόκκινο ) η ακτινοβολία βρίσκεται στην υπέρυθρη περιοχή του ΗΜ φάσματος. Η σχέση που διέπει την ακτινοβολία από θερμά σώματα ονομάζεται νόμος των Stefan- Boltzmann:

15 Καμπύλες ακτινοβολίας μέλανος σώματος Κάπου μεταξύ 900K και 1000K, το φάσμα μέλανος σώματος υπεισέρχεται αρκετά στο ορατό, φαίνεται μια με κόκκινο στο διάγραμμα. Η περισσότερη από την ακτινοβολούμενη ενέργεια είναι στο υπέρυθρο.

16 Διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer Η υπέρυθρη δεν διαπερνά τη ατμόσφαιρα αποτελεσματικά, παρ όλααυτάαστρονομίαστουπέρυθρο γίνεται με το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer. Εκτοξεύθηκε στις 25 Αυγούστου 2003 για μία σχεδιασμένη αποστολή 2,5 χρόνων, το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer σχεδιάστηκε για να αποκομίσει εικόνες και φάσματα εντοπίζοντας την υπέρυθρη ενέργεια μεταξύ μηκών κύματος των 3 και 180 μικρόν. Πολλές περιοχές του διαστήματος είναι χαοτικές, πυκνά νέφη από αέρια και σκόνη μας εμποδίζουν να δούμε. Υπέρυθρο φώς, παρόλα αυτά μπορεί να διαπεράσει αυτά τα νέφη, επιτρέποντας μας να παρατηρήσουμε περιοχές αστρικών σχηματισμών, κέντρα γαλαξιών, και νεοσχηματιζόμενα πλανητικά συστήματα. Η υπέρυθρη μας δίνει επίσης πληροφορίες για τα ψυχρότερα σώματα στο διάστημα, όπως μικρότερα αστέρια τα οποία είναι πολύ σκοτεινά για να ανιχνευθούν με το ορατό φώς, πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος, και τεράστια σύννεφα μορίων. Επίσης, πολλά μόρια στο διάστημα, περιλαμβανομένων των οργανικών, έχουν μοναδικό αποτύπωμα στο υπέρυθρο.

17 Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας Το Spitzer πραγματοποίησε μια έρευνα στον γαλαξία της Ανδρομέδας και εντόπισε στοιχεία στην υπέρυθρη εικόνα που δείχνουν ότι ο μικρότερος γαλαξίας M32 είχε όντως συγκρουστεί με την Ανδρομέδα στο παρελθόν.

18 Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το ΦΘ αναφέρεται στην κατάσταση όπου μικρά μήκη κύματος του ορατού φωτός απ τον ήλιο περνούν μέσα από διαφανή μέσο και απορροφούνται. Tα μεγαλύτερα μήκη κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας που αντανακλάται πίσω από το θερμαινόμενο αντικείμενο δεν μπορούν να περάσουν ξανά το μέσο. Η παγίδευση των μεγάλου μήκους κυμάτων ακτινοβολίας οδηγεί σε περεταίρω θέρμανση και υψηλότερη τελική θερμοκρασία. Παραδείγματα: Η θέρμανση ενός αυτοκινήτου από τον ήλιο μέσω του παρμπρίζ. και το ομώνυμο παράδειγμα της θέρμανσης του θερμοκηπίου με το ηλιακό φώς να περνά μέσα από σφραγισμένα, διαφανεί παράθυρα, Η παγίδευση παραπάνω θερμότητας με την αύξηση της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα απορροφά ισχυρά το υπέρυθρο και δεν επιτρέπει πολύ από αυτό να επιστρέψει πάλι στο διάστημα.

19 Απουσία νερού στην Αφροδίτη Εφόσον η Αφροδίτη είναι τόσο όμοια με τη γη σε μέγεθος και σύνθεση, κάποιος θα περίμενε να έχει πολύ νερό εκεί, όμως πραγματικά δεν υπάρχει καθόλου. Εξαιτίας τον μεγάλων ομοιοτήτων μεταξύ των δύο πλανητών, κάποιος θα υπέθετε ότι υπήρχε νερό στην Αφροδίτη στο παρελθόν. Μοντέλα για την απώλεια του νερού περιλαμβάνουν το ανεξέλεγκτο φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη. Με το να είναι πλησιέστερα στον ήλιο και να έχει διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, αυτή συνέχισε να θερμαίνεται, ίσως με ιδιαίτερη παγίδευση της θερμότητας λόγω υδρατμών. Με αρκετά υψηλές θερμοκρασίες οι υδρατμοί μπορούν να ανυψωθούν στην ατμόσφαιρα και τα μόρια του νερού να διασπασθούν από την υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου. Το ελευθερωμένο υδρογόνο μπορεί τότε να διαφύγει από την ατμόσφαιρα, αφήνοντας το οξυγόνο μόνο στη μορφή οξειδίων του άνθρακα και του θείου.

20 Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Υπέρυθρη Η κβαντική ενέργεια των φωτονίων της υπέρυθρης βρίσκεται στο εύρος από μέχρι 1.7 ev η ανήκει είναι στο φάσμα ενεργειών που διαχωρίζουν τη κβαντική κατάσταση από τις μοριακές δονήσεις. Η υπέρυθρη απορροφάται ισχυρότερα από τα μικροκύματα, αλλά λιγότερο από το ορατό φώς. Το αποτέλεσμα της απορρόφησης υπέρυθρης είναι η θέρμανση του ιστού αφού αυξάνει τις κινήσεις των μορίων. Η υπέρυθρη ακτινοβολία διαπερνά το δέρμα περισσότερο από το ορατό φως και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απεικόνιση υποδερμικών αιμοφόρων αγγείων.

21 Κινητικό φάσμα διατομικών μορίων Οι χαμηλότερες μεταπτώσεις ταλάντωσης των διατομικών μορίων προσομοιάζουν αυτές του αρμονικού ταλαντωτή και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υποδείξουν τις σταθερές των δυνάμεων των δεσμών για μικρές ταλαντώσεις. Ένα διατομικό μόριο ταλαντώνεται περίπου όπως δύο μάζες σε ένα ελατήριο με δυναμική ενέργεια που εξαρτάται από το τετράγωνο της μετατόπισης από το σημείο ισορροπίας. Αλλά οι στάθμες ενέργειας είναι κβαντισμένες σε ίσες χωρισμένες τιμές.

22 Κβαντική αρμονική ταλάντωση Τα επίπεδα ενέργειας της κβαντικής αρμονικής ταλάντωσης είναι: Και για ένα διατομικό μόριο η φυσική συχνότητα έχει τη μορφή: Όπου η μειούμενη μάζα δίνεται από:

23 Κινητικό φάσμα διατομικών μορίων Το παρακάτω είναι ένα δείγμα από συχνότητες μεταπτώσεων από n=0 μέχρι n=1 σταθμών ταλάντωσης για διατομικά μόρια και οι υπολογιζόμενες σταθερές των δυνάμεων.

24 Φάσμα Ταλάντωσης-Περιστροφής του HCl Ο κβαντικός αρμονικός ταλαντωτής έχει πολλές περισσότερες εφαρμογές από το διατομικό μόριο. Είναι η βάση για την κατανόηση πολύπλοκων μορφών ταλάντωσης σε μεγαλύτερα μόρια, Τα άτομα κίνησης σε ένα στερεό πλέγμα, Η θεωρία της θερμοχωρητικότητας και άλλα.

25 Κύματα mm, Τηλεμετρία Το εύρος GHz χρησιμοποιείται για διάφορους πειραματικούς, κυβερνητικούς και ερασιτεχνικούς σκοπούς στην επικοινωνία. Συχνότητες: GHz Μήκη κύματος: 10-1 mm Κβαντικές ενέργειες: 0.12 x x 10-2 ev

26 Συχνότητες μικροκυμάτων

27 SAR (Ειδικός δείκτης απορρόφησης) SAR είναι ένα μέτρο τουρυθμούμετονοποίοηραδιοφωνικήσυχνότητα (RF) απορροφάται από το σώμα μας όταν εκτίθεται σε ραδιοφωνικής συχνότητας ΗΜ πεδίο. Ορίζεται ως η ενέργεια που απορροφάται ανά μάζα ιστού και έχει μονάδες watt ανά κιλό SAR is usually averaged either over the whole body, or over a small sample volume (typically 1g or 10g of tissue). όπου σ η ηλεκτρική αγωγιμότητα του δείγματος E η ένταση του ΗΜ πεδίου ρ η πυκνότητα του δείγματος SAR χρησιμοποιείται για να μετρήσει την έκθεση σε πεδία μεταξύ 100kHz και 10 GHz. Χρησιμοποιείτε συνήθως για να μετρήσει την ισχύ που απορροφάται από κινητά τηλέφωνα κατά τη διάρκεια της MRI ανίχνευσης.

28 Όρια SAR US: the FCC (Federal Communications Commission) απαιτεί τα τηλέφωνα που πωλούνται να έχουν επίπεδο SAR στα 1.6 W per Kg (W/kg) ή χαμηλότερο που καταλαμβάνει όγκο ενός γραμμαρίου του ιστού. EU: CENELEC ορίζει τα όρια του SAR μέσα στην EU, ακολουθώντας τα IEC (International Electrotechnical Commission) πρότυπα. Για κινητά τηλέφωνα, και άλλες παρόμοιες συσκευές χειρός, το όριο SAR είναι 2 W/kg μοιρασμένο σε 10g ιστού. Για μαγνητικές ακτινογραφίες τα όρια είναι λίγο περισσότερο πολύπλοκα:

29 Μικροκύματα, Ραντάρ Ενώ υπάρχουν κάποιες συχνότητες ραντάρ απο1,300 μέχρι 1,600 MHz, οι περισσότερες εφαρμογές μικροκυμάτων είναι μεταξύ 3,000 και 30,000 MHz (3-30 GHz). Οι σημερινοί φούρνοι μικροκυμάτων λειτουργούν στην ονομαστική συχνότητα των 2450 MHz, συχνότητα εγκεκριμένη από τον FCC (Federal Communications Commission). Υπάρχουν επίσης κάποιες ερασιτεχνικές χρήσεις και άλλες ράδιο εντοπισμού στα 3-30 GHz. Σε αλληλεπίδραση με την ύλη, η ακτινοβολία μικροκυμάτων πρωτίστως δρα με το να προκαλεί μοριακή περιστροφή και ροπή στρέψης, η απορρόφηση ακτινοβολίας μικροκυμάτων γίνεται φανερή με την θερμότητα. Πληροφορίες για την μοριακή δομή μπορούν να ανακτηθούν από την ανάλυση του περιστροφικού μοριακού φάσματος, η πιο ακριβείς μέθοδος για να προσδιορίσουμε το μήκος των δεσμών και τις γωνίες των μορίων. Συχνότητες: GHz Μήκη κύματος: mm Κβαντικές ενέργειες: 0.66 x x 10-3 ev

30 3K υπόβαθρο ακτινοβολίας Ένα αμετάβλητο υπόβαθρο ακτινοβολίας στην περιοχή μικροκυμάτων του φάσματος παρατηρείται σε όλες τις κατευθύνσεις στον ουρανό. Δείχνει την εξάρτηση του μήκους κύματος ενός μέλανος σώματος που ακτινοβολεί σε περίπου 3 Kelvins θερμοκρασία. Θεωρείται ότι είναι το απομεινάρι από την ακτινοβολία που εκπέμφθηκε τη στιγμή που το διευρυνόμενο σύμπαν έγινε διάφανο στους περίπου 3000 K. Η ανακάλυψη του 3K υποβάθρου ακτινοβολίας μικροκυμάτων ήταν ένα από τα καθοριστικά βήματα που οδήγησαν στον υπολογισμό του βασικού μοντέλου της θεωρίας του Big Bang της κοσμολογίας, ο ρόλος της είναι η παροχή εκτιμήσεων σχετικών πληθυσμών σωματιδίων και φωτονίων.

31 3K υπόβαθρο ακτινοβολίας Τα στοιχεία για την στρογγυλοποιημένη εκτίμηση των 10 9 φωτονίων ανά πυρηνικό σωματίδιο είναι το πιο σημαντικό κβαντικό συμπέρασμα που έχει εξαχθεί από τις μετρήσεις υποβάθρου της ακτινοβολίας μικροκυμάτων... Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι γαλαξίες και τα αστέρια δεν μπορεί να άρχισαν να σχηματίζονται πριν η θερμοκρασία να πέσει κάτω από 3000K. Τότε άτομα μπορούσαν να σχηματιστούν και να αφαιρέσουν την αδιαφάνεια από το διευρυνόμενο σύμπαν. Φώς μπορούσε να διαφύγει και να εκτονώσει την πίεση της ακτινοβολίας. Αστρική και γαλαξιακή σχηματισμοί δεν θα μπορούσαν να προκύψουνμέχριηβαρυτικήέλξηναξεπεράσειτηνεξερχόμενη πίεση της ακτινοβολίας, και στα 10 9 photons/baryon ένα κρίσιμο "Jean's mass" του περίπου 1 εκ. που ένας μεγάλος γαλαξίας θα απαιτούσε. Με το σχηματισμό ατόμων και ενός διαφανούς σύμπαντος, το Jeans mass μειώθηκε σε περίπου 10-6 της μάζας ενός γαλαξία, επιτρέποντας τη βαρυτική ομοιογένεια. Το "Jean's mass" είναι η ελάχιστη μάζα που μπορεί να υπερβεί την πίεση ακτινοβολίας για δεδομένη πυκνότητα ενέργειας σε ακτινοβολία.

32 Transparency temperature Σε θερμοκρασία υψηλότερη από περίπου 3000 K όπου η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων είναι 0.26 electron volts, ο σχηματισμός σταθερών ατόμων εμποδίζετε. Πάνωαπόαυτήτηθερμοκρασία, η ύλη υπάρχει στην κατάσταση του πλάσματος ιονισμένων ατόμων, που απορροφά ισχυρά ΗΜ ακτινοβολία όλων των μηκών κύματος, το πλάσμα είναι αδιαφανές. Όταν το πλάσμα ψύχεται κάτω από αυτή τη θερμοκρασία, είναι ψυχρό αρκετά για πυρήνες υδρογόνου και ηλίου να συλλέξουν ηλεκτρόνια και να γίνουν σταθερά άτομα. Σταθερά άτομα απορροφούν μόνο αυτές τις συχνότητες, χαρακτηριστικές αυτών των ατόμων ή αυτές αρκετά υψηλές για να τα ιονίσουν.αυτό σημαίνει ότι ένα αέριο σύννεφο που ψύχεται έχει ένα σημείο, στο οποίο γίνεται διαφανές σχεδόν σε όλα τα μήκη κύματος, τουλάχιστον για φωτόνια με κβαντική ενέργεια λιγότερη από την ενέργεια ιονισμού των ατόμων.

33 Πίεση ακτινοβολίας Τα αστέρια μπορούν να διατηρήσουν αρκετά σταθερό μέγεθος εξαιτίας της πίεσης της ακτινοβολίας ασκούμενη από την ακτινοβολία που προέρχεται από τον καυτό πυρήνα. Αυτή η πίεση της ακτινοβολίας έρχεται να διαδραματίσει σπουδαίο ρόλο στο σημείο στο οποίο κατά τη διάρκεια της αστρικής εξέλιξης, όπου το καταρρέων σύννεφο αερίου γίνεται αδιαφανές στην ΗΜ ακτινοβολία. Χτυπώντας αυτή την αδιαφανή ιονισμένη περιοχή, η ακτινοβολία λέγεται ότι «σκεδάζει" τα ιόντα, ασκώντας net πίεση η οποία εξισορροπεί την βαρυτική κατάρρευση. Υπάρχει ένα ανάλογο με τον αέρα σε ένα ελαστικό η πίεση υπάρχει επειδή τα μόρια του αέρα προσκρούουν πάνω στο ελαστικό «το λάστιχο παραμένει φουσκωμένο επειδή τα λαστιχένια τοιχώματα του είναι πολύ αποτελεσματικά στο να σκεδάζουν τα μόρια του αέρα."

34 The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Η WMAP αποστολή παρείχε τον πρώτο λεπτομερή -πλήρους ουρανούχάρτη του υποβάθρου της ακτινοβολίας μικροκυμάτων στο σύμπαν. Ο χάρτης που δημιουργήθηκε χαρακτηρίζεται ως χάρτης της αποτελεσματικής θερμοκρασίας του υπόβαθρου μικροκυματικής ακτινοβολίας

35 Αλληλεπιδράσεις μικροκυμάτων Ηκβαντικήενέργειαφωτονίωνμικροκυμάτωνείναιστοεύρος μέχρι ev η οποία είναι στο πλαίσιο ενεργειών που διαχωρίζουν τις κβαντικές καταστάσεις της μοριακής περιστροφής και ροπής (1εκ. Φορές χαμηλότερη από αυτή των ακτινών Χ). Η αλληλεπίδραση μικροκυμάτων με την ύλη πέραν των μεταλλικών αγωγών θα είναι για να περιστρέψει τα μόρια και να παράγει θερμότητα ως αποτέλεσμα της κίνησης των μορίων. Οι αγωγοί απορροφούν ισχυρά τα μικροκύματα και κάθε άλλη χαμηλή συχνότητα επειδή προκαλούν ηλεκτρικά ρεύματα τα οποία ζεσταίνουν το υλικό. Τα περισσότερα υλικά, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρωπίνου σώματος, είναι γενικά διαφανεί στα μικροκύματα. Υψηλής έντασης μικροκύματα, όπως σε ένα φούρνο μικροκυμάτων όπου διαπερνούν εκ. φορές το φαγητό, θα ζεστάνουν την ύλη επειδή προκαλούν μοριακή περιστροφή και ροπή.

36 Φάσμα περιστροφής Περιστασιακά ΗΜ κύματα μπορούν να διεγείρουν τις στάθμες περιστροφής των μορίων, δεδομένου ότι έχουν μια ηλεκτρικήορμήδιπόλου. Το ΗΜ πεδίο ασκεί ροπή στο μόριο. Το φάσμα για μεταπτώσεις περιστροφής μορίων είναι τυπικά στην περιοχή των μικροκυμάτων του ΗΜ φάσματος. Το διάγραμμα δείχνει ένα κομμάτι του δυνατού διαγράμματος για μία σταθερή ηλ/κη κατάσταση για ένα διατομικό μόριο. Αυτήηηλ/κη κατάσταση έχει ποικίλες καταστάσεις ταλαντώσεων που σχετίζονται μ αυτή, ώστε το φάσμα ταλαντώσεων μπορεί να παρατηρείται. Συνήθως, παρατηρούνται οι μεταπτώσεις περιστροφής οι οποίες σχετίζονται με τη βασική κατάσταση ταλάντωσης.

37 Φούρνοι μικροκυμάτων Οι φούρνοι μικροκυμάτων είναι περιορισμένοι στα 5 milliwatts (mw) της ακτινοβολίας μικροκυμάτων ανά cm 2 σε περίπου 5cm από την επιφάνεια του φούρνου. Αυτό το όριο είναι αρκετά κάτω από το όριο που γνωρίζουμε ότι βλάπτει τους ανθρώπους. Η ακτινοβολία μικροκυμάτων θα αναμενόταν να μειώνεται σύμφωνα με τον νόμο των αντίστροφων τετραγώνων, έτσι ώστε στα 50cm θα ήταν χαμηλότερη κατά 100 φορές. Λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα 2,450 MHz, το μήκος κύματος του φούρνου μικροκυμάτων είναι περίπου 12 cm και η κβαντική ενέργεια ενός φωτονίου μικροκύματος είναι περίπου 1 x 10-5 ev. Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας σ αυτές τις συχνότητες περιορίζεται στην δημιουργία περιστροφής και ροπής στα μόρια. Η μέση θερμική ενέργεια στους 20 C είναι περίπου 1/40 ev, έτσι κάθε καθορισμένη περιστροφική κίνηση που δημιουργείται από την επίδραση μικροκυμάτων γίνεται γρήγορα τυχαία από τις συγκρούσεις μορίων με κινητική ενέργεια 2500 μεγαλύτερη από τη δεδομένη ενέργεια του φωτονίου μικροκύματος. Έτσι το καθαρό αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μικροκυμάτων στους φούρνους είναι να ζεσταίνουν το υλικό που βάζουμε μέσα.

38 Φούρνοι μικροκυμάτων Ενώ μπορούμε να δούμε μέσα στον φούρνο όταν το φαγητό ψήνεται, τα μικροκύματα εμποδίζονται αποτελεσματικά από το να διαφύγουν στο δωμάτιο, από της τρύπες του μεταλλικού πλέγματος στη πόρτα του φούρνου που έχουν διάμετρο περίπου 1 mm συγκρινόμενη με τα 120 mm του μήκους κύματος των μικροκυμάτων. Το μήκος των μικροκυμάτων είναι 120 φορές μεγαλύτερο του μεγέθους της κάθε τρύπας, και δεν μπορεί να δει τις τρύπες και να τις διαπεράσει. Αυτό είναι μια εφαρμογή του ότι δεν μπορείς να δεις τίποτα που είναι μικρότερο από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείς για να το δεις. Μπορούμε να δούμε μέσα από τις τρύπες γιατί στα 500 nm μήκος κύματος, το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι 2000 φορές μικρότερο από τις τρύπες..

39 Βλάβες που σχετίζονται με τα μικροκύματα Κάθε αντικείμενο που περιέχει αιχμηρό μέταλλο μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικό τόξο arc (σπινθήρα) όταν εκτεθεί σε μικροκύματα. Τα πιρούνια είναι ένα καλό παράδειγμα. Αυτό επειδή οι μύτες από τα πιρούνια συντονίζονται με τα μικροκύματα και παράγουν υψηλή τάση στα άκρα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ξεπερνιέται η διηλεκτρική σταθερά του αέρα, περίπου 3 megavolts ανά μέτρο ( V/m). Ο αέρας σχηματίζει ένα αγώγιμο πλάσμα, που είναι ορατό σαν σπινθήρας. Κάθε φορά που συμβαίνει ηλεκτρική εκκένωση στον αέρα, μερικά οξείδια του όζοντος και του αζώτου σχηματίζονται, που είναι και τα δύο βλαβερά σε μεγάλες ποσότητες. Το να ζεσταίνουμε φαγητό, με μικροκύματα, που περιέχει κάποιο μεταλλικό αντικείμενο χωρίς αιχμηρές άκρες (π.χ. κουτάλι) συνήθως δεν προκαλεί σπινθήρες.

40 Ακτινοβολία μικροκυμάτων Τα μικροκύματα που εκπέμπονται από την πηγή σε ένα φούρνο συγκρατούνται μέσααπότουλικόαπότοοποίοείναι κατασκευασμένος ο φούρνος.. Η US Federal standard περιορίζει την ποσότητα μικροκυμάτων που μπορούν να διαρρεύσουν από ένα φούρνο στη διάρκειατηςζωήςτουστα5 mw/cm 2, σε περίπου 5cm από την επιφάνεια του, αρκετά χαμηλότερη από αυτή που θεωρείται βλαβερή για την υγεία. Παρ όλααυτάμετηνπόρτατου φούρνου ανοιχτή, η ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει βλάβες με την θέρμανση; Η ακτινοβολία που παράγεται από ένα φούρνο μικροκυμάτων είναι μ - ιονίζουσα. Μακροχρόνιες μελέτες με τρωκτικά για να εκτιμήσουμε την πιθανότητα καρκίνου, έχουν αποτύχει να αναγνωρίσουν καρκινογενέσεις από τα 2.45 GHz ακτινοβολίας μικροκυμάτων, ακόμα και με χρόνια έκθεση.,

41 TV και FM ραδιοφωνική ζώνη Συχνότητες: MHz Μήκη κύματος: 5.55 m m Κβαντικές ενέργειες: 0.22 x x 10-5 ev

42 TV και FM ραδιοφωνική ζώνη Οι συχνότητες μεταφοράς για VHF τηλεοπτικά κανάλια 2-4 καλύπτουν το εύρος συχνοτήτων από 54 μέχρι 72 MHz. Υπάρχει μια ζώνη από τα MHz η οποία είναι κρατημένη από κυβερνητικές και μη οργανώσεις, περιλαμβανόμενης και αυτή της αεροπορικής καθοδήγησης στα 75 MHz. VHF TV κανάλια 5 και 6 είναι μεταξύ 76 και 88 MHz. Η ραδιοφωνική ζώνη FM είναι από 88 μέχρι 108 MHz, μεταξύ των VHF τηλεοπτικών καναλιών 6 και 7. Πέρα από τα FM είναι το εύρος MHz για αεροπορική καθοδήγηση που περιλαμβάνει εντοπισμό, ραδιοφωνικό εύρος και έλεγχο αεροδρομίου. Από τα 122 μέχρι 174 MHz είναι μια άλλη γενικών χρήσεων ζώνη για κυβερνητικά και μη σήματα. Περιλαμβάνει σταθερές και κινητές μονάδες και ερασιτεχνική εκπομπή. Τα κανάλια 7 μέχρι 13 εκτείνονται στο εύρος συχνοτήτων MHz MHz περιλαμβάνει πλήθος σταθερών και κινητών μορφών επικοινωνίας, αεροπλοήγηση και πολιτικό ραδιόφωνο MHz περιλαμβάνει UHF τηλεοπτικά κανάλια από το 14 μέχρι το 83. Οι συχνότητες MHz περιλαμβάνουν πλήθος αεροπορικών και ερασιτεχνικών χρήσεων, αναμετάδοση εκπομπών, κ.τ.λ. Ζώνες ραντάρ υπάρχουν μεταξύ 1,300-1,600 MHz.

43 TV και FM ραδιοφωνική ζώνη Οι σταθμοί FM έχουν προσδιορισμένες κεντρικές συχνότητες στα 200 khz, διαχωρισμός ξεκινά στα 88.1 MHz, για ένα μέγιστο 100 σταθμών. Αυτοί οι σταθμοί FM έχουν 75 khz μέγιστη απόκλιση από την κεντρική συχνότητα, ηοποίααφήνει25 khz από πάνω και κάτω, «ζώνες φύλακες" για να ελαχιστοποιήσουν αλληλεπιδράσεις με παρακείμενες ζώνες συχνοτήτων. Τα τηλεοπτικά κανάλια έχουν διαχωρισμό 5 MHz. Το εύρος συχνοτήτων για κινητά τηλέφωνα κυψελών είναι μεταξύ MHz.

44 Magnetic Resonance Imaging (MRI), or nuclear magnetic resonance imaging (NMRI) Αντίθετα με τη CT (computed tomography), που χρησιμοποιεί μη ιονίζουσα ακτινοβολία, η MRI χρησιμοποιεί ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να ευθυγραμμίσει τον πυρηνικό μαγνητισμό των (συνήθως) ατόμων υδρογόνου στο ανθρώπινο σώμα. Ράδιο κυματικά (RF) πεδία χρησιμοποιούνται συστηματικά για να αλλάξουν αυτή την ευθυγράμμιση του μαγνητισμού, προκαλώντας τους πυρήνες του υδρογόνου να παράγουν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, ικανό να ανιχνευθεί από τον σαρωτή.

45 Τηλέφωνα κυψελών Τα τηλέφωνα κυψελών μεταδίδουν και λαμβάνουν ράδιο συχνότητες στο εύρος MHz. Αυτό περιγράφεται σαν να είναι στα 45 MHz κάτω από τις συχνότητες βάσης, ανατεθειμένες από τον FCC, υποδεικνύοντας ότι 45 MHz παλμική συχνότητα χρησιμοποιείται σε σχέδια εντοπισμού. Επικοινωνία με ένα τηλέφωνο κυψέλης περιλαμβάνει δύο συχνότητες, μία για μετάδοση και μία, ελαφρώς διαφορετική για λήψη, μία ρύθμιση που αναφέρεται ως "full duplex" μετάδοση. Αυτό επιτρέπει ταυτόχρονα εισερχόμενα και εξερχόμενα σήματα. Σε μια δεδομένη πόλη είναι σύνηθες να έχουμε 832 συχνότητες, που αντιπροσωπεύουν 395 full duplex φωνητικά κανάλια και 42 κανάλια ελέγχου. Κάθε κυψέλη από πύργους βάσης έχει 56 φωνητικά κανάλια, ή 1/7 από τα συνολικά, με τη διανομή να γίνεται σε ένα εξαγωνικό πλέγμα. Τα κανάλια έχουν απόσταση 30 khz.

46 Δομή κυψελωτού δικτύου

47 Έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Ακτινοβολία κεραίας σταθμού βάσης Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Τμήμα Φυσικής Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

48 Κατεύθυνση και σχήμα λοβών ακτινοβολίας σταθμού βάσης

49

50

51

52 Έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Τερματικές συσκευές ασυρματικών δικτύων μέση ισχύς σε πλήρη λειτουργία μέση ισχύς σε stand-by Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

53 Μετρήσεις στενής ζώνης συχνοτήτων ( εφαρμογή Παρουσίαση πυκνότητας ισχύος κατά συχνοτική περιοχή (ή Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Τμήμα Φυσικής Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

54 Μετρήσεις μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας Μετρήσεις στενής ζώνης Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Τμήμα Φυσικής Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

55 Έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Έκθεση σε κινητό τηλέφωνο Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

56 Έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Έκθεση σε κινητό τηλέφωνο Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

57 Μετρήσεις μη ιοντίζουσας ακτινοβολίας Χαμηλόσυχνα πεδία: Συνήθεις συσκευές Median Maximum 1000 Magnetic Field B (mg) at 15cm Hair Dryer Electric Shaver Mixer Vacuum Cleaner Analog Clock Baby Monitor Drill Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών Αριστοτοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

58 L-Ζώνη για δορυφορική επικοινωνία Το εύρος MHz στη πολύ υψηλή περιοχή ράδιο συχνότητας, επισημάνεται ως L- Ζώνη και χρησιμοποιείται για διάφορους σκοπούς επικοινωνίας με δορυφόρους. Για παράδειγμα το Global Positioning System (GPS) χρησιμοποιεί ως συχνότητα μεταφοράς αυτή τη ζώνη, για να μεταδίδει δεδομένα πλοήγησης.

59 Global Positioning Satellites Τον Ιούνιο του 1993 ο τελευταίοςαπό24 δορυφόρους του παγκόσμιου συστήματος εντοπισμού τέθηκε σε τροχιά, ολοκληρώνοντας ένα δίκτυο δορυφόρων ικανό να παρέχει δεδομένα θέσης για να σε εντοπίσει οπουδήποτε στη γη με ακρίβεια 30 μέτρων. Οι δορυφόροι μεταφέρουν μέχρι και τέσσερα ατομικά ρολόγια κεσίου και ρουβιδίου τα οποία ενημερώνονται περιοδικά από ένα σταθμό στο έδαφος στο Κολοράντο. Οι δορυφόροι μεταδίδουν χρονικά σήματα και δεδομένα θέσης. Ένας δέκτης GPS, ο οποίος μπορεί να είναι μια μικρή, συσκευή χειρός αποκωδικοποιεί τα χρονικά σήματα από αρκετούς δορυφόρους, μετατρέποντας τους χρόνους άφιξης σε όρους υψομέτρου, γεωγραφικού μήκους και πλάτους με πιθανότητα απόκλισης το πολύ 10 μέτρα. Σε διαφορετικές λειτουργείς, ακρίβεια λιγότερη από εκατοστό μπορεί να επιτευχθεί για αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων. Συσκευές χειρός διαβάζουν το υψόμετρο και το γεωγραφικό πλάτος στο ένα εκατοστό της τοξοειδούς πορείας και αλλάζουν στο τελευταίο δεκαδικό ψηφίο σε δύο βήματα ενώ περπατάμε.

60 Global Positioning Satellites Οι δορυφόροι είναι σε τροχιές πολύ χαμηλότερα από τους δορυφόρους syncom, που έχουν τροχιά γύρω στα 17.7 εκ. μέτρα (11000 mi) πάνω απ τη γη, με περιόδους περιστροφής της τάξης των 10 ωρών. Από την πλοήγηση αεροσκαφών και πλοίων μέχρι το να βρίσκουμε αγαπημένους ψαρότοπους στη λίμνη, οι εφαρμογές των GPS έχουν πολλαπλασιαστεί ταχύτατα.

61 Παγκόσμιες θέσεις τροχιών Οι 24 δορυφόροι του GPS είναι τοποθετημένοι σε τροχιές περίπου 3.75 φορές την ακτίνα της Γης. Ένας δέκτης GPS, ο οποίος μπορεί να είναι μια συσκευή χειρός, μπορεί να τριγωνίσει την θέση του πάνω στην επιφάνεια της γης μέσα σε 30 μέτρα ή λιγότερο με σήματα από 3 δορυφόρους. Η δορυφόροι είναι διαμοιρασμένοι σε έξι τροχιακές στάθμες με 4 δορυφόρους σε κάθε μία.

62 Syncom Satellites Οι δορυφόροι για επικοινωνίες είναι περισσότερο χρήσιμη όταν μένουν πάνω απ το ίδιο σημείο στη γη, σ αυτό που αποκαλείται γεωστατική τροχιά. Αυτό προκύπτει όταν η τροχιακή περίοδος είναι 24 ώρες. Από τον υπολογισμό ταχύτητας της τροχιάς, φαίνεται ότι ένας δορυφόρος σε μια ακτίνα 6.62 φορές την ακτίνα της γης έχει περίοδο 24 ώρες. Αυτοί οι δορυφόροι είναι κάπου 35,900 χλμ ή 22,300 μίλια πάνω από την επιφάνεια της γης. Ο ελάχιστος χρόνος μετάβασης σε ένα syncom δορυφόρο και πίσω από επιφάνεια της γης είναι περίπου ένα τέταρτο το δευτερολέπτου. Κάθε είδος ΗΜ κύματος ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός. Έτσι στις επικοινωνίες με δορυφόρους, θα υπάρχει μια ελάχιστη καθυστέρηση του τετάρτου του δευτερολέπτου..

63 Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Χαμηλής συχνότητας ραδιοκύματα Ξεκινώντας με τα χαμηλής συχνότητας ράδιο κύματα, το ανθρώπινο σώμα είναι αρκετά διαφανές. (Μπορείς να ακούσεις στο φορητό σου ράδιο μέσα στο σπίτι, αφού τα κύματα περνούν ελεύθερα μέσα από τους τοίχους του σπιτιού, ακόμα και απ το άτομο δίπλα σου.)

64 Αποτίμηση επιπτώσεων στην υγεία