Geboren als een mens - CN

III. Toepassingen van lichtgolven

De mens kan de wereld intuïtief waarnemen, naast geluidsgolven is lichtgolf de belangrijkste.

In de natuurkunde worden geluidsgolven vaak mechanische golven genoemd en lichtgolven elektromagnetische golven. Eerstgenoemde heeft een medium nodig om zich voort te planten (zoals lucht, water, vaste stoffen), terwijl laatstgenoemde zich in een vacuüm kan voortplanten. Omdat elektromagnetische golven zijn samengesteld uit fotonen, bewegen ze door de ruimte totdat ze interageren met materie. Sommige golven worden geabsorbeerd, andere worden gereflecteerd. Elektromagnetische golven zijn overal ter wereld aanwezig en ze komen in verschillende vormen voor, waardoor je ze kunt zien, voelen, of juist niet kunt zien of voelen.

Elektromagnetische golven worden doorgaans onderverdeeld in 7 typen: radiogolven, microgolven, infraroodstraling, zichtbaar licht, ultraviolet licht, röntgenstralen en gammastralen (zie figuur 4.5).

Figuur 4.5: Elektromagnetisch spectrum

• Radiogolven

Radiogolven (Radio) zijn elektromagnetische golven met de laagste frequentie en de langste golflengte. Net als geluidsgolven hebben ze een extreem sterk doordringend vermogen en een relatief gering energieverlies tijdens de transmissie. De golflengte van radiogolven is zeer lang, oplopend tot honderden of zelfs duizenden meters per seconde. Niet alleen mobiele telefoons en televisiezenders genereren radiogolven, maar ook veel natuurlijke mineralen zoals kristal, agaat en jade zenden radiogolven uit. Deze natuurlijke jaden stenen worden vaak gedragen voor kalmering of bescherming, en er zijn ook zeldzamere variëteiten die door koninklijke families of religies als rituele voorwerpen werden gebruikt, of ingebed in symbolen van macht.

Radiogolven kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen. Door middel van het resonantieprincipe kunnen radiogolven met antennes worden uitgezonden of ontvangen, waarbij relevante signalen naar ontvangers worden overgedragen die deze signalen vervolgens omzetten in bruikbare informatie. Televisies, mobiele telefoons, draadloze netwerken, walkie-talkies en op afstand bestuurbare speeltjes gebruiken allemaal radiogolven om informatie te verzenden. Door modulatie kan informatie op radiogolven worden geladen, zoals AM (amplitude-modulatie) en FM (frequentie-modulatie) die veel in radio's worden gebruikt.

De beroemde Voyager 1-sonde, gelanceerd in 1977, vliegt al bijna 50 jaar en staat nog steeds in contact met NASA via radiogolven. De Voyager 1-sonde bevindt zich momenteel op een afstand van ongeveer 20 tot 25 miljard kilometer van de aarde, en het duurt ongeveer 18 tot 22 uur voordat de radiosignalen de aarde bereiken. De transmissiesnelheid van het signaal is gelijk aan de lichtsnelheid. Bovendien zenden sterren, planeten en andere kosmische objecten ook radiogolven uit, en juist doordat de mensheid herhaaldelijk mysterieuze signalen uit de ruimte heeft ontvangen, geloven ze sterker in het bestaan van buitenaards leven.

• Microgolven

Microgolven zijn de op één na laagste frequentiegolven in het spectrum. De golflengte van radiogolven kan enkele kilometers lang zijn, terwijl de golflengte van microgolven slechts tussen 1 millimeter en 1 meter ligt. Vanwege hun hogere frequentie kunnen microgolven obstakels doordringen die radiogolven zouden verstoren, zoals wolken, rook en regen.

De magnetron in elk huishouden is de meest voorkomende toepassing van microgolven. Conventionele verwarming (zoals vlam, stoom, enz.) brengt warmte eerst over naar het oppervlak van het te verwarmen object via warmtegeleiding en warmtestraling, en verhoogt vervolgens geleidelijk de kerntemperatuur via warmtegeleiding, wat vaak externe verwarming wordt genoemd. Het heeft een bepaalde warmtegeleidingstijd nodig om de gewenste temperatuur in het midden te bereiken, en de benodigde tijd is langer voor objecten met een slechte warmtegeleiding. Microgolfverwarming daarentegen is een interne verwarmingsmethode, waarbij elektromagnetische energie direct inwerkt op de moleculen van het medium en deze omzet in warmte, en de transmissieprestaties zorgen ervoor dat het medium zowel van binnen als van buiten tegelijkertijd wordt verwarmd, zonder warmtegeleiding. Vanwege het gebrek aan warmteafvoer binnenin, kan de interne temperatuur gemakkelijk hoger worden dan de externe temperatuur, wat de verdamping van vocht versnelt, dus eieren en ander voedsel dat in de magnetron wordt verwarmd, kunnen gemakkelijk "exploderen" (het wordt over het algemeen aanbevolen om alledaagse gerechten af te dekken wanneer ze in de magnetron worden geplaatst, om overmatige uitdroging te voorkomen). Huishoudelijke magnetrons worden voornamelijk gebruikt voor het verwarmen van maaltijden, het ontdooien van voedsel en het koken van gerechten, terwijl industriële magnetrons kunnen worden gebruikt voor sterilisatie, drogen, rijpen en conservering.

Microgolven worden op grote schaal toegepast in de telecommunicatie. Microgolfcommunicatie is communicatie die rechtstreeks microgolven als medium gebruikt. Wanneer er geen obstakels zijn tussen twee punten in een rechte lijn, kunnen microgolven worden gebruikt voor transmissie. Microgolfcommunicatie biedt een ultragrote bandbreedtecapaciteit, hoge precisie, lage latentie, snelle implementatie, stabiele communicatie en eenvoudig onderhoud, waardoor het een belangrijk communicatiemiddel is in nationale communicatienetwerken. De mobiele, Unicom- en kabelnetwerken die we dagelijks op onze mobiele telefoons gebruiken, maken allemaal gebruik van microgolfcommunicatie.

Omdat de verspreidingseigenschappen van microgolven in de lucht vergelijkbaar zijn met die van lichtgolven, dat wil zeggen dat ze in een rechte lijn voortbewegen en worden gereflecteerd of geblokkeerd wanneer ze een obstakel tegenkomen, is de belangrijkste methode van digitale microgolfcommunicatie directe zichtcommunicatie. Vanwege de kromming van het aardoppervlak en de demping van de transmissie in de ruimte, is estafetransmissie nodig voor langeafstandscommunicatie, dat wil zeggen het gebruik van basisstations om signalen meerdere keren door te sturen. Dit kan tientallen keren gebeuren en duizenden kilometers overbruggen met behoud van een hoge transmissiekwaliteit. Dit is de kernactiviteit van het Chinese bedrijf Huawei.

Daarnaast gebruikt wifi, draadloze netwerkcommunicatietechnologie, microgolven met lage intensiteit om informatie over te dragen. Door hun onvermogen om obstakels te omzeilen, neemt het signaal in verschillende kamers snel af. Thuis wordt vaak gekozen voor de installatie van meerdere wifi-routers of signaalversterkers om een stabiel signaal te behouden.

• Infraroodstraling

Infraroodstraling (Infrared) is een elektromagnetische golf met een golflengte van 0,76 tot 1000 micrometer (1 micrometer = 10^-6 meter), en is onzichtbaar licht met een lagere frequentie dan rood licht. In de natuurkunde kan elke stof boven het absolute nulpunt (d.w.z. -273,15 ℃) infraroodstraling (en andere soorten elektromagnetische golven) produceren, en wordt daarom ook wel infraroodstraling of warmtestraling genoemd. Infraroodstraling heeft een thermisch effect en kan resoneren met de meeste moleculen, waardoor lichtenergie (energie van elektromagnetische golven) wordt omgezet in interne moleculaire energie (warmte-energie). De warmte van de zon wordt voornamelijk via infraroodstraling naar de aarde overgebracht.

Een opvallend kenmerk van infraroodstraling is het thermische effect. In tegenstelling tot microgolven, omdat de golflengte van microgolven bijna duizend keer langer is dan die van infraroodstraling, verwarmen microgolven diep van binnen, terwijl infraroodverwarming alleen het oppervlak verwarmt. Infraroodstraling met langere golflengten (ver infrarood) produceert meer warmte, zoals straling van verwarmingsobjecten zoals vuur, de zon en gloeilampen; infraroodstraling met kortere golflengten (nabij-infrarood of kortegolf-infrarood) produceert niet veel warmte en kan worden gebruikt voor afstandsbediening en beeldvormingstechnieken.

Infraroodstraling is overal aanwezig in ons dagelijks leven. Denk bijvoorbeeld aan detectie met hoge precisie en ziektediagnose door infraroodbeelden van objecten om te zetten in visuele beelden, "voorhoofdthermometers" voor het meten van temperatuur, nachtzichtapparatuur (bewakingscamera's) voor beveiligingstoepassingen, infraroodafstandsbedieningen voor televisies en airconditioners thuis...

Verre infraroodstralen hebben de eigenschap diep in de huid en onderhuids weefsel door te dringen en de vibratiefrequentie van cellen in het menselijk lichaam te benaderen. Ze worden veelvuldig toegepast in de medische sector. Ze kunnen de diepe temperatuur onder de huid verhogen, haarvaten verwijden, wat bevorderlijk is voor het verwijderen van bloedvatophopingen en schadelijke stoffen in het lichaam. Ze kunnen ook helpen bij de behandeling van spierpijn, decubitusbrandwonden en moeilijk genezende wonden.

Infrarood nachtzichtapparatuur speelt ook een belangrijke rol in moderne oorlogsvoering. Van de Golfoorlog in 1991 tot de recente Russisch-Oekraïense oorlog, zijn de door de VS geleverde wapens en artillerie uitgerust met infrarood nachtzichtapparatuur, die in staat is om infraroodstraling van verschillende materialen te ontvangen en deze vervolgens weer te geven. Hierdoor kunnen ze zelfs 's nachts of op een met rook gevuld slagveld de vijand het eerst detecteren en beschieten, waardoor ze een voorsprong krijgen op het slagveld.

• Zichtbaar licht

Zichtbaar licht stelt ons in staat de wereld om ons heen te zien. Het is een zeer smalle band in het elektromagnetisch spectrum die het menselijk oog beïnvloedt en visie veroorzaakt. De frequentie ligt tussen 380 en 750 terahertz (1 THz = 10¹² Hz) en de golflengte tussen 400 en 780 nanometer (1 nm = 10^-9 m).

Het zonlicht dat we zien, wordt meestal beschreven als wit (of "kleurloos", vandaar de boeddhistische uitspraak "vorm is leegte"). In werkelijkheid is het een samengesteld licht (of geaggregeerd licht) dat bestaat uit een mengsel van zeven kleuren licht: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. In 1666 onthulde de Britse wetenschapper Newton als eerste de chromatische eigenschappen en geheimen van licht en kleur. Hij demonstreerde met een prismasplitsexperiment dat zonlicht een mengsel is van verschillende kleuren, en ontdekte dat de kleur van licht wordt bepaald door de frequentie van het licht. Rood heeft de laagste frequentie en de langste golflengte, terwijl violet de hoogste frequentie en de kortste golflengte heeft. Verschillende frequenties manifesteren zich als verschillende kleuren. Op de kleurencirkel van Newton (Figuur 4.6), als de cirkel in zes gelijke delen wordt verdeeld en elk deel wordt gevuld met respectievelijk rood, oranje, geel, groen, blauw en violet, dan vertegenwoordigen ze onderlinge relaties zoals primaire kleuren, secundaire kleuren, aangrenzende kleuren, contrasterende kleuren en complementaire kleuren. Rood, groen en blauw zijn de drie primaire kleuren die niet verder kunnen worden ontbonden, ook wel de drie primaire kleuren van licht genoemd. Een mengsel van twee willekeurige primaire kleuren produceert een gemengde kleur, en een mengsel van de drie primaire kleuren produceert wit. De kleurencirkel van Newton legde een theoretische basis voor de latere ontwikkeling van kleursystemen, en hieruit ontstonden later 12-kleurenwielen, 24-kleurenwielen, 100-kleurenwielen, enz.

Figuur 4.6: Kleurencirkel van Newton

De meest natuurlijke bron van zichtbaar licht is de zon. Een regenboog, die vaak na regen wordt gezien, is het resultaat van zonlicht dat de atmosfeer binnendringt, gebroken en gereflecteerd door waterdruppels. Hierbij zijn de zeven frequenties (kleuren) van zonlicht zichtbaar. Het menselijk oog neemt objecten waar als verschillende kleuren, afhankelijk van de golflengte van het licht dat ze absorberen en reflecteren. Dat wil zeggen, wanneer zonlicht op een object valt, absorbeert het object een deel van de kleuren, en de resterende kleuren zijn de kleuren die het menselijk oog ziet. Bijvoorbeeld, wanneer we groene bladeren zien, komt dit doordat de fysieke eigenschappen van de bladeren ervoor zorgen dat ze andere kleuren licht absorberen en alleen groen licht reflecteren. Wanneer dit licht het netvlies binnendringt, vormt het een gekleurd beeld, en zien we groene bladeren.

Verschillende kleuren absorberen en reflecteren licht verschillend: rood reflecteert 67% van het licht, geel 65%, groen 47% en cyaan slechts 36%. Omdat rood en geel licht sterk reflecteren, kunnen ze verblinding en schittering veroorzaken. Daarom zijn waarschuwingsborden meestal rood licht of rood. Groen en cyaan absorberen en reflecteren licht matig, en het zenuwstelsel, de hersenschors en het netvlies van de mens zijn hier beter aan gewend. Denk bijvoorbeeld aan gras en groene bomen; ze absorberen niet alleen het schadelijke ultraviolette licht in sterk licht, maar verminderen ook aanzienlijk de verblinding door sterk licht op het netvlies. Daarom wordt jongeren en kantoormedewerkers aangeraden om na het studeren en werken vanuit het raam naar verre bomen te kijken. De gespannen zenuwen zullen dan onmiddellijk ontspannen en de vermoeidheid van de ogen zal snel verdwijnen. Als men echter naar iets kijkt dat zich binnen 33 centimeter bevindt, zelfs als het groen is, is het voordeel voor de ogen zeer beperkt, dus is het belangrijk om regelmatig in de verte te kijken.

De wetenschappelijke vooruitgang en de verspreiding van elektriciteit hebben de mensheid in staat gesteld om veel zichtbare elektrische lichtbronnen te ontwikkelen, waaronder gloeilampen, fluorescentielampen, LED-lampen en neonlampen. Gloeilampen waren ooit de meest geproduceerde en meest gebruikte elektrische lichtbron in China, maar de gloeidraadtemperatuur was hoog, het grootste deel van de energie ging verloren als infraroodstraling en de levensduur was kort, meestal niet langer dan 1000 uur. De laatste jaren zijn ze vervangen door LED-lampen, die elektrische energie direct kunnen omzetten in lichtenergie met behulp van vaste-stof halfgeleidercomponenten (d.w.z. lichtgevende diodes). Ze kenmerken zich door een eenvoudige constructie, lage kosten, lange levensduur, hoge lichtefficiëntie en zijn niet gemakkelijk te breken, waardoor ze de ideale keuze zijn geworden voor nachtverlichting in duizenden huishoudens.

• Ultraviolette straling

Ultraviolet (UV) is een elektromagnetische golf met een golflengte van 5 tot 400 nanometer, en is onzichtbaar licht met een hogere frequentie dan blauwviolet licht. In 1801 ontdekte de Duitse natuurkundige Johann Wilhelm Ritter dat een deel van het zonlichtspectrum buiten het violette uiteinde van het spectrum zilverbromidefotografische platen gevoelig kon maken, en zo ontdekte hij het bestaan van ultraviolet licht. Vanaf de ontdekking van ultraviolet licht is het nauw verbonden met ons leven.

De belangrijkste natuurlijke bron van ultraviolette straling is de zon. Ultraviolet licht kan worden onderverdeeld in UVA (ultraviolet A, golflengte 320–400 nm, laagfrequente lange golf), UVB (golflengte 280–320 nm, middenfrequente middengolf), UVC (golflengte 100–280 nm, hoogfrequente korte golf) en EUV (10–100 nm, ultrahoge frequentie). UVA-straling kan huidpigmentatie veroorzaken, resulterend in donkere vlekken of bruining. Als het de chemische bindingen van DNA in organismen verder beschadigt, kan het kanker veroorzaken; maar omdat het de huid sterk kan stimuleren, het huidmetabolisme kan versnellen, de huidgroei kan versterken en de huid kan verdikken, is het ook een belangrijke golflengte geworden voor de klinische behandeling van huidziekten (zoals psoriasis, vitiligo, enz.). UVB-straling met middengolf heeft een kortere golflengte; het grootste deel van dit type ultraviolette straling wordt door de opperhuid geabsorbeerd en dringt niet diep in de huid door, maar langdurige blootstelling kan gemakkelijk de huid verbranden, wat roodheid, ontsteking of huidveroudering veroorzaakt. Hoewel zonlicht in de winter milder is, is de ultraviolette straling slechts ongeveer 20% zwakker dan in de zomer, en zelfs op bewolkte dagen is de hoeveelheid ultraviolette straling tot 90% van die op zonnige dagen. Daarom kan ultraviolette straling nog steeds schade toebrengen aan de menselijke huid en ogen, en moet men tijdens buitenactiviteiten in de winter ook zonnebrandcrème of afschermende crème aanbrengen om langdurige blootstelling aan ultraviolette straling te voorkomen.

Gelukkig absorbeert de ozonlaag boven de aarde het grootste deel van de ultraviolette straling. In de stratosfeer absorberen sommige zuurstofmoleculen ultraviolette straling in zonlicht met een golflengte kleiner dan 290 nanometer, en worden afgebroken tot zuurstofatomen. Deze zuurstofatomen combineren met zuurstofmoleculen om ozon (Ozone, O₃) te vormen, wat de ozonlaag is. Ozon kan worden afgebroken na absorptie van zonlicht, en kan ook combineren met zuurstofatomen om weer zuurstofmoleculen te vormen. Het grootste deel van UVC en EUV in ultraviolette straling wordt door de ozonlaag geabsorbeerd en bereikt het aardoppervlak niet.

Ultraviolette straling heeft een sterkirriterend effectop het menselijk oog. Vanwege de korte golflengte, hoge frequentie en hoge energie heeft het een sterkedoordringbaarheidvoor hetnetvliesvan het oog, en langdurige blootstelling kan leiden tot netvliesaandoeningen. Ultraviolette straling is ook de boosdoener van "sneeuwblindheid". Op plaatsen met sterke reflectie van zonlicht, zoals sneeuwvelden en hoge bergen, ervaren mensen pijnlijke ogen. Daarom is het bij het beklimmen van besneeuwde bergen of poolexpedities vaak nodig ombeschermende brillente dragen om de ogen te beschermen tegen schade door ultraviolette straling. Ultraviolette straling die vrijkomt tijdens lassen kan lassers doen lijden aan fotokeratitis.

Elektronische producten bevatten vaak een kleine hoeveelheid ultraviolette straling en een grote hoeveelheid paars en blauw licht dat dicht bij het ultraviolette frequentiebereik ligt. Langdurig gebruik van elektronische producten kan onomkeerbare schade aan het menselijk oog veroorzaken door deze hoogenergetische ultraviolette straling en blauwpaarse straling, wat leidt tot verminderd zicht, wazig zicht, vergeling, schemering, enz., en kan maculadegeneratie veroorzaken. Daarom wordt geadviseerd om elektronische producten niet langer dan 3 uur achter elkaar te gebruiken. Het wordt aanbevolen om regelmatig de ogen te laten rusten, naar groene planten in de verte te kijken of naar buiten te gaan omvisuele vermoeidheidte voorkomen. Bij het gebruik van een telefoon 's avonds in het donker, moet de schermhelderheid worden verlaagd en moet de oogbeschermingsmodus (anti-blauwlichtmodus) ofnachtmodusworden ingeschakeld, om schade door ultraviolette straling en blauwpaars licht aan het menselijk oog effectief te voorkomen.

Ultraviolette straling heeft veel toepassingen in het dagelijks leven. Naast het chemische effect dat fotografische platen gevoelig maakt, is de fluorescentiewerking zeer sterk. TL-lampen, fluorescentielampen en zwarte lampen die in de landbouw worden gebruikt om insecten te vangen, gebruiken allemaal ultraviolette straling om fluorescerende stoffen te laten oplichten. De samengestelde ogen van de meeste insecten zijn bijzonder gevoelig voor 365 nm ultraviolette straling. 's Nachts, wanneer een ultraviolette lamp wordt aangestoken, is het voor insecten net een heldere wereld, wat een vangst-effect heeft. Ultraviolette straling kan worden gebruikt voor echtheidscontrole, bijvoorbeeld voor het controleren van bankbiljetten. Ultraviolette straling heeft ook fysiologische effecten: jongeren die dagelijks buiten zijn en 10 minuten natuurlijke ultraviolette straling ontvangen, kunnen de synthese van vitamine D in het lichaam bevorderen en rachitis voorkomen. In huishoudelijke en medische toepassingen wordt ultraviolette straling vaak gebruikt voor sterilisatie, desinfectie en ontgeuring.

Ultraviolette straling heeft een sterk deeltjeskarakter en kan het foto-elektrisch effect in verschillende metalen veroorzaken. Ultrahoge frequentie ultraviolette straling (EUV), ook wel extreem ultraviolet genoemd, heeft een extreem hoge frequentie, extreem korte golflengte, en extreem sterke energie en resolutie. Het kan worden gebruikt in lithografiemachines voor de productie van precisie-CPU's en diverse elektronische chips. UV-lithografiemachines zijn geavanceerde apparatuur voor chipfabricage en behoren tot de "knelpunten"-technologieën in China. Het Nederlandse ASML, een wereldwijde gigant in chipfabricage, lanceerde in 2024 een nieuwe extreem ultraviolet (EUV) lithografiemachine, met een prijskaartje van 350 miljoen euro en een gewicht van 150.000 kg, wat overeenkomt met twee Airbus A320-vliegtuigen. Achter dit gewicht schuilt natuurlijk de onvervangbare, baanbrekende technologie van extreem ultraviolette lithografie.

•  Röntgenstralen

Zoals we weten, hoe hoger de frequentie van een lichtgolf in het lichtgolfspectrum, hoe korter de golflengte en hoe groter de energie van het foton. Röntgenstralen (X-ray) zijn elektromagnetische golven met een extreem hoge frequentie, extreem korte golflengte (golflengte van 0,01 tot 10 nm) en zeer hoge energie.

In 1895 ontdekte de Duitse natuurkundigeWilhelm Conrad Röntgen, tijdens onderzoek naar kathodestralen, röntgenstralen (ook bekend als Röntgenstralen, waarbij "Röntgen" later ook werd gebruikt als eenheid voor stralingsmeting). Vanwege verschillen in dichtheid en dikte tussen menselijke weefsels, wordt de absorptie van röntgenstralen die door verschillende weefsels van het menselijk lichaam gaan, anders. Na beeldverwerking kunnen verschillende beelden worden verkregen. Röntgen ontdekte dat röntgenstralen duizend pagina's papier, 2-3 centimeter dikke houten platen, enkele centimeters dik hard rubber en 15 millimeter dik aluminium konden doordringen, maar bijna volledig werden geblokkeerd door een 1,5 millimeter dikke loden plaat. Hij ontdekte ook toevallig dat röntgenstralen door spieren konden dringen en de contouren van handbotten zichtbaar maakten. Dus vroeg hij zijn vrouw om haar hand op een met zwart papier omwikkelde fotografische plaat te leggen, en belichtte deze vervolgens 15 minuten met röntgenstralen. De film toonde vervolgens duidelijk het botbeeld van de hand van zijn vrouw met haar trouwring (figuur 4.7). Dit is een historische foto, die aantoont dat mensen met behulp van röntgenstralen door vlees konden kijken om botten te zien. Röntgen ontving hiervoor de eerste Nobelprijs voor de natuurkunde.

De beoefenaars en liefhebbers van röntgenapparatuur betaalden een hoge prijs voor hun fascinatie met mode. Slechts drie of vier jaar later voelde Edison zijn linkeroog wazig worden en kreeg hij maagklachten. Zijn assistent, die langdurig aan röntgenstralen was blootgesteld, verloor zijn handen en later zijn hele armen, en overleed kort daarna. In het St. George's Hospital in Hamburg, Duitsland, staat een "Röntgensteen", waarop de namen van meer dan 160 wetenschappers en artsen uit 15 landen zijn gegraveerd. Zij werden allemaal "martelaren" door röntgenstralen. Er wordt gezegd dat de Röntgen-genootschap in 1920 een diner organiseerde, waar de aanwezige experts allemaal armen en handen misten en bijna volledig waren uitgeroeid. Ze konden niet genieten van de heerlijk geurende gebraden kip en velen huilden van verdriet. De hele samenleving betaalde ook "leergeld" voor het "modegrillen": sommige mannen en vrouwen van alle leeftijden die enthousiast waren over het passen van schoenen, konden botmisvormingen niet ontlopen, mensen die zich lieten ontharen kregen vreselijke huidkanker, sommigen leden aan onvruchtbaarheid, leukemie en diverse soorten kanker...

De wetenschap is geen gemakkelijke weg. Röntgenstralen, een van de grootste ontdekkingen van de 20e eeuw, hebben de gebruikers onherstelbare schade toegebracht, maar latere generaties hebben de valkuilen en risico's kunnen vermijden, waardoor ze de mensheid werkelijk ten goede komen. Voorgangers planten de bomen, nakomelingen genieten van de schaduw. De toepassingen van röntgenstralen hebben belangrijke doorbraken opgeleverd op medisch en innovatief gebied. De doorschijnende functie ervan heeft de verkenning van het inwendige van het menselijk lichaam ongekende vooruitgang gebracht.

Tegenwoordig zijn de röntgenfoto's en CT-scans die we bij medische controles in het ziekenhuis laten maken, beide röntgenonderzoeken. Het verschil is dat een röntgenfoto slechts één "foto" maakt, terwijl een CT-scan meerdere "foto's" vanuit verschillende vlakken en hoeken maakt. De stralingsdosis is daarom hoger dan bij een gewone röntgenfoto en wordt meestal gebruikt voor verdere diagnostiek. De arts kan aan de hand van de verschillende dichtheden die op het fluorescentiescherm of de fotografische film worden weergegeven, in combinatie met klinische symptomen en laboratoriumresultaten, bepalen of een deel van het menselijk lichaam normaal is en vervolgens een effectiever behandelplan opstellen. Bij röntgenblootstelling worden de delen van het lichaam van de patiënt die niet hoeven te worden bestraald, afgedekt met een zware loodschort. Om verspreide röntgenstraling te voorkomen, staan de medewerkers achter het bedieningspaneel. Omdat patiënten niet vaak aan röntgenstraling worden blootgesteld en meestal alleen lokaal worden bestraald, is het risico op schade door röntgenstraling zeer gering en is het over het algemeen veilig.

•   Gammastralen

Gammastralen (Gamma-ray, γ-ray) zijn hoogenergetische elektromagnetische golven met een golflengte korter dan 0,2 nanometer in het spectrum. In 1900 ontdekte de Franse wetenschapper Villard dit fenomeen tijdens een experiment met kathodestralen van radium. Simpel gezegd, γ-stralen zijn een vorm van kernstraling, hoogenergetische elektromagnetische straling die vrijkomt bij kernreacties, en een van de stralen die vrijkomen bij het verval en de splitsing van atomen.

Kernstraling is een term die wordt gebruikt om de energie (stroom van deeltjes) te beschrijven die wordt uitgestoten tijdens het verval van instabiele atoomkernen. Deze energie kan verschillende vormen aannemen, waaronder alfa-, bèta- en gammastralen. Alfdeeltjes hebben een zeer zwak doordringend vermogen en kunnen worden geblokkeerd door papier of de menselijke opperhuid; bètadeeltjes veroorzaken weinig schade aan de buitenkant van het lichaam en kunnen worden geblokkeerd door kleding of enkele centimeters metaal, maar als deze twee deeltjes het menselijk lichaam binnendringen, kunnen ze ernstige schade aan menselijke organen veroorzaken. Gammastralen hebben een extreem sterk doordringend vermogen en dragen extreem hoge energie, wat een groot gevaar vormt voor zowel de binnen- als buitenkant van het menselijk lichaam. Meerdere lagen beton kunnen het grootste deel blokkeren, maar eenmaal in het lichaam kunnen ze de celstructuur en -functie vernietigen, wat leidt tot genmutaties, verlies van bloedvormende functie, voortplantingsproblemen en ziekten zoals kanker.

Tegenwoordig is men zich volledig bewust van de gevaren van kernstraling, maar meer dan 70 jaar geleden waren het de Europese en Amerikaanse hogere klassen, die destijds gek waren op "hightech", die ervoor betaalden. Toen wist men nog niet dat radium radioactief was; horlogefabrieken smeerden radium op de wijzerplaten voor een "lichtgevend" effect; modebewuste dames smeerden radium op hun nagels en lippen als decoratie.

Figuur 4.9 toont het destijds veelverkochte speelgoedset "U-238 Atoomlaboratorium" met uraniumerts. Dit speelgoed riep toekomstige "jonge wetenschappers" op om moedig kennis te zoeken en te verkennen, door ingesloten instrumenten te gebruiken om de radioactiviteit van monsters te meten en door middel van instrumenten het vervalproces van radioactief materiaal te observeren. De bijbehorende handleiding telde maar liefst 60 pagina's. Dit hightech speelgoed was ook "effectief en niet duur", met meer dan 5.000 verkochte sets voor 50 dollar per stuk bij de lancering. Wat men niet wist, was dat deze radioactieve "zandkorrels", indien onjuist gehanteerd, dodelijke schade aan het menselijk lichaam konden veroorzaken. Sommige zeer giftige stoffen, zoals polonium-210, zijn zelfs giftiger dan het bekende cyanide, en minder dan 0,1 microgram kan een volwassene doden. Gelukkig verdwenen dit soort onwetende "gevaarlijk speelgoed" uiteindelijk uit de geschiedenis nadat mensen "ontwaakten".

Figuur 4.9: U-238 Atoomlaboratorium Speelgoed

De groep die het meest wordt getroffen door kernstraling zijn biologische organismen. Het gevaar ervan zit in het feit dat kernstraling zowel interne als externe bestraling kan veroorzaken met de straling die het zelf draagt (alfa-, bèta- en gammastralen). Kernstraling kan DNA, eiwitten en andere kleine moleculen in biologische organismen vernietigen, waardoor de functie van het organisme wordt aangetast.

In 1986 leidde de explosie van de kerncentrale van Tsjernobyl tot talloze directe en indirecte slachtoffers en enorme verwoesting van het omliggende milieu. Om de verliezen te beperken, heeft de voormalige Sovjetregering de faciliteit afgesloten en de verontreinigende stoffen volledig afgesloten met gewapend beton, om zo de stralingsverontreiniging onder controle te houden.

De film "Oppenheimer" vertelt hoe de komst van de atoombom de mensheid de kracht gaf om de wereld werkelijk te vernietigen. In 1945 wierpen de Verenigde Staten atoombommen op Hiroshima en Nagasaki; toen de paddestoelwolken opstegen, werden de twee steden tot as gereduceerd. De overlevenden leden aan ernstige kernstraling en werden de rest van hun leven gekweld door ziekte, liever dood dan levend. De burgemeester van Hiroshima zei eens: "Japan is het enige land dat door kernwapens is getroffen. Ik hoop dat mensen in de toekomst lering trekken uit deze tragedie en herhaling van de tragedie van Hiroshima voorkomen."

De Japanse regering sprak zichzelf echter tegen. In 2011 veroorzaakte een aardbeving en tsunami in Japan een explosie in de kerncentrale van Fukushima. Tien jaar later besloot de Japanse regering, ondanks internationale bezwaren, om miljoenen tonnen besmet kernafvalwater in de oceaan te lozen, en in 2023 begon het officiële "lozing"-project. Het is te verwachten dat zeeleven massaal zal sterven of muteren, wat op zijn beurt onmetelijke negatieve gevolgen zal hebben voor andere dieren hoger in de voedselketen en voor de voortplanting van de mens zelf. Zoals een indrukwekkende zin in de film "Oppenheimer" luidt: "Je geeft de mensheid de kracht om zichzelf te vernietigen, en de wereld is er niet op voorbereid."

De uitvinding van technologie is altijd een "tweesnijdend zwaard" geweest. Hoewel gammastraling gevaarlijk is, komt het de mensheid ten goede als het op de juiste manier wordt gebruikt. Wereldwijd zijn er bijvoorbeeld meer dan 600 kerncentrales (waarvan meer dan 50 in China, en er zijn plannen om dit aantal in de toekomst te verhogen tot 150); de lancering van raketten en ruimtevaartuigen vereist nucleaire brandstoffen; astronomen hebben ontdekt dat gammastralen ook kunnen worden uitgestoten door de meest energieke kosmische objecten zoals pulsars, neutronensterren, supernovae en zwarte gaten, en kunnen worden gebruikt voor het opsporen en lokaliseren van sterren; bliksem en onweer op aarde produceren ook gammastralen.

In de geneeskunde kunnen gammastralen cellen doden, en daarom ook kankercellen gericht doden. In de jaren '80 was medische bestraling populair, waarbij gammastralen geproduceerd door kobalt-60 werden gebruikt om micro-organismen onherstelbare schade toe te brengen en te vernietigen, en zo kanker te behandelen door sterilisatie en desinfectie. Mijn vader onderging een kobalt-60 radiotherapie om tongwortelkanker te bestrijden. Hoewel de kankercellen onder controle werden gebracht, veroorzaakte dit ook onherstelbare orgaanschade.