การเกิดปฏิกิริยาของรังสีกับสสาร

การเกิดปฏิกิริยาของรังสีกับสสาร
(Interaction of Radiation with matter)

สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วย รังสีหลายแบบ แต่ละแบบมีพลังงานแตกต่างกัน ทำให้เกิดปฏิกิริยากับวัตถุต่างกัน เริ่มที่คลื่นวิทยุ ซึ่งสามารถผ่านตัวเราไปได้อย่างง่ายดาย เราสามารถฟังวิทยุขณะที่อยู่ในบ้าน เพราะคลื่นวิทยุสามารถผ่านผนังบ้าน และผู้คนรอบตัวเราได้อย่างสบาย ถ้ามาดูที่คลื่นไมโครเวฟ (microwave) คลื่นอินฟราเรด (infrared) และแสงสว่าง (visible light) ตัวเราสามารถดูดกลืนคลื่นเหล่านี้ได้ดี ส่วนคลื่นอัลตราไวโอเลต (ultraviolet) หรือยูวี ซึ่งส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์ จะถูกดูดกลืนที่ผิวหนังชั้นนอกของเรา และถ้าดูที่ส่วนของรังสีเอกซ์ ร่างกายเราจะดูดกลืนได้ต่ำ ทำให้ทะลุผ่านตัวเราไปได้ ร่างกายเราจึงดูดกลืนได้เพียงบางส่วนในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น แต่การดูดกลืนได้นี้ ก็ส่งผลให้เกิดการไอออไนซ์ ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายได้ แต่ละส่วนในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยพลังงานควอนตัม (quantum energy) ซึ่งมีพลังงานสูงพอที่จะทำให้เกิด excitation ได้ ระดับพลังงานของอะตอมและโมเลกุลมีลักษณะเป็นช่วง หรือเป็นควอนตัม ถ้าพลังงานไม่ถึงหรือไม่พอดีกับระดับพลังงานควอนตัม นี้ รังสีจะทะลุผ่านวัตถุนั้นไปโดยไม่เกิดปฏิกิริยา

รังสีในแต่ละช่วงของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดปฏิกิริยากับวัตถุแตกต่างกันมาก เริ่มที่คลื่นวิทยุความถี่ต่ำ (low frequency radio wave) สามารถทะลุร่างกายคนเราไปได้เหมือนกับเป็นวัตถุโปร่งใส เราสามารถฟังวิทยุขณะที่อยู่ในบ้านได้ เนื่องจากคลื่นแบบนี้สามารถผ่านผนังบ้านและคนที่อยู่รอบตัวเรามาได้ ถ้าขยับขึ้นมาที่คลื่นไมโครเวฟ (microwaves) อินฟราเรด (infrared) ไปจนถึงแสงสว่าง (visible light) ร่างกายคนเราสามารถดูดกลืนคลื่นเหล่านี้ได้มากกว่าและมากขึ้นตามลำดับ ในช่วงของคลื่นอัลตราไวโอเลต (ultraviolet) หรือยูวี (uv) ที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ จะถูกดูดกลืนที่ผิวชั้นนอกของเรา ถ้าขยับสูงขึ้นไปตามสเปกตรัม ที่ช่วงของรังสีเอกซ์ ร่างกายเราจะโปร่งใสต่อรังสีชนิดนี้อีกครั้ง เนื่องจากมีกลไกในการดูดกลืนได้ต่ำ มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่ร่างกายเราดูดกลืน แต่ก็ทำให้เกิดอันตรายได้จากปฏิกิริยา ionization แต่ละช่วงในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีระดับของพลังงานควอนตัม ในการทำให้เกิด excitation ด้วยกระบวนการที่แตกต่างกัน ระดับพลังงานของทุกกระบวนการในระดับอะตอมและระดับโมเลกุล มีค่าเป็น quantize และถ้ารังสีที่ตกกระทบมีพลังงานที่ไม่พอดีกับพลังงานควอนตัม รังสีจะผ่านไปได้ โดยวัสดุนั้นก็จะมีสภาพโปร่งใสต่อรังสี

ปฏิกิริยาของไมโครเวฟ
(Microwave Interactions)

พลังงานควอนตัมของคลื่นไมโครเวฟอยู่ระหว่าง 0.00001 ถึง 0.001 eV ซึ่งเป็นช่วงของพลังงานที่แยกระดับควอนตัม (quantum state) ของการหมุน (rotation) กับการบิด (torsion) ของโมเลกุล ปฏิกิริยาของไมโครเวฟกับวัตถุที่ไม่ใช่โลหะที่เป็นตัวนำ จะเป็นการทำให้โมเลกุลเกิดการหมุนและทำให้เกิดความร้อนจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุล สำหรับวัตถุที่เป็นตัวนำ (conductor) จะดูดกลืนไมโครเวฟและคลื่นชนิดอื่นที่มีความถี่ต่ำกว่า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและทำให้เกิดความร้อนขึ้นในวัตถุ วัตถุส่วนใหญ่รวมทั้งร่างกายของคนเรา ค่อนข้างโปร่งใสต่อไมโครเวฟ ทำให้ไมโครเวฟความเข้มสูงดังเช่นในเตาอบไมโครเวฟ จึงเกิดการสะท้อนไปมาผ่านชิ้นของอาหารนับล้านครั้งอยู่ภายในเตาอบ และทำให้เกิดความร้อนภายในวัตถุจากการทำให้โมเลกุลเกิดการบิดและการหมุน เนื่องจากพลังงานควอนตัมของไมโครเวฟต่ำกว่ารังสีเอกซ์ประมาณ 1 ล้านเท่า จึงไม่สามารถทำให้เกิดการไอออไนซ์ (ionization) หรือเกิดผลของรังสีแบบเดียวกับรังสีที่ทำให้เกิดการไอออไนซ์ (ionizing radiation) ได้

ปฏิกิริยาของอินฟราเรด
(Infrared Interactions)

พลังงานควอนตัมของโฟตอนจากอินฟราเรด หรือรังสีใต้แดง อยู่ระหว่าง 0.001 ถึง 1.7 eV ซึ่งเป็นช่วงพลังงานที่แยกระหว่างระดับควอนตัม (quantum states) ที่ทำให้โมเลกุลเกิดการสั่น (vibrations) ร่างกายของเราจะดูดกลืนอินฟราเรดได้มากกว่าไมโครเวฟ แต่น้อยกว่าแสงสว่าง ผลจากการดูดกลืนอินฟราเรดจะทำให้เกิดความร้อนขึ้นในเนื้อเยื่อ ซึ่งเป็นผลมาจากการสั่นของโมเลกุล รังสีอินฟราเรดสามารถเข้าไปในผิวหนังของเราได้มากกว่าแสงสว่าง จึงสามารถใช้ในการถ่ายภาพของเส้นเลือดที่อยู่ใต้ผิวหนังของเราได้