(1) is in het algemeen het uitzenden van energie door middel van golven of door middel van elementaire deeltjes. Men spreekt van Röntgenstraling, radio-actieve straling, zonnestraling enz.
Meestal denkt men bij het spreken over straling aan het feit, dat het bedoelde energietransport langs rechte lijnen plaats vindt, en dat een ondoorlatend lichaam, in de straling geplaatst, dus schaduw werpt. Indien de straling van een punt uitgaat, de bron genoemd, zullen alle punten van een boloppervlak, dat zijn middelpunt in de bron heeft, tegelijk door de straling worden bereikt, de uitgezonden energie verdeelt zich bij het voortgaan over steeds grotere bollen, en de energie, die per sec. door de eenheid van oppervlak stroomt, is omgekeerd evenredig met het oppervlak van de bol, dus omgekeerd evenredig met het kwadraat van de straal, d.i. de afstand van de bron tot het beschouwde punt. Dit kan men de grondwet van de straling noemen.Het woord straling wordt dus voor zeer uiteenlopende verschijnselen gebruikt. Meer in het bijzonder gebruikt men het voor electromagnetische golven, deze zullen hier verder worden besproken.
A. Electromagnetische straling
breidt zich uit door golven, waarbij de electrische veldsterkte, en loodrecht daarop de magnetische veldsterkte, periodiek veranderen. Dit betekent, dat een geladen deeltje in de straling door de wisselende electrische veldsterkte periodiek heen en weer wordt getrokken. Beide staan loodrecht op de voortplantingsrichting, de golven zijn dus transversaal. De grootste waarde van de electrische veldsterkte tijdens de trilling heet de amplitude-, de energie, die per seconde door de eenheid van oppervlakte stroomt, heet de intensiteit. Deze is evenredig met het kwadraat van de amplitude. In het vacuum hebben alle golven dezelfde snelheid, de lichtsnelheid c. Deze is ca 3.1010 cm/sec. (z natuurconstanten). Het licht behoort ook tot deze golven; de eigenschappen van het licht, als interferentie, buiging, rechtlijnige voortplanting, polarisatie, breking en terugkaatsing zal men dan ook bij alle electromagnetische golven terugvinden. De laatste twee treden op bij de overgang van een medium naar een ander, indien de snelheid in die twee media verschillend is. Is in een medium de snelheid afhankelijk van de frequentie van de trilling, dan spreekt men van dispersie.
De golven worden ingedeeld naar hun frequentie, of ook naar hun golflengte in het vacuum, het product van deze twee grootheden is de lichtsnelheid
c. Hoewel de eigenschappen geleidelijk met de golflengte veranderen, kan men toch drie gebieden onderscheiden, die het eerst onderzocht zijn, gescheiden door overgangsgebieden. Het oudst bekende gebied is dat van het licht, de twee andere zijn de radiogolven en de Röntgenstraling.
Het gebied van het licht, waaraan het infrarood en ultraviolet aansluiten, bevat die frequenties, die ook optreden bij trillingen van de delen van een molecuul t.o.v. elkaar, bij trillingen van delen van een kristalrooster (beide vnl. infrarode frequenties), en by trillingen, die door de buitenste electronen van een atoom kunnen worden uitgezonden (dikwijls ultraviolet). Men meet de straling door ze door een zwart lichaam te laten absorberen, waarna men de temperatuursverhoging van het lichaam meet (bolometer ), of door de zwarting van een fotografische plaat. Het Röntgengebied (z Röntgenstralen) omvat de frequenties, die door de binnenste electronen van zware atomen kunnen worden uitgezonden. Dit gebied gaat dus, via de Röntgenstraling van lichte atomen, over in het ultraviolette gebied. Dit overgangsgebied ondergaat een sterke absorptie in lucht en is pas later onderzocht. Men neemt de Röntgenstraling waar door fotografische methoden, of door de ioniserende werking op gassen (bijv. Geigertellers). Zeer grote frequenties komen voor, indien bij kernprocessen straling wordt uitgezonden, dit zijn de gammastralen. Indien dezelfde frequenties op andere wijze worden opgewekt, noemt men ze zeer harde Röntgenstralen. Het radiogebied omvat die frequenties, die in trillingskringen en in antennes kunnen worden opgewekt. Zij worden door electrische apparaten (ontvangers) waargenomen. Men heeft op die wijze zo grote frequenties weten op te wekken, dat men in het infrarode gebied komt. (Zo is op electrische wijze een golflengte van 0,1 mm bereikt, terwijl men infrarode stralen heeft waargenomen met een golflengte van 0,343 mm.) Aan de kant van de kleine frequenties is eigenlijk geen grens. Ook indien men een electrische lading met de hand heen en weer zou bewegen, zou men theoretisch een golf verwekken. Wij zullen als kleinste frequentie echter 104 trillingen per sec. nemen.
Een electromagnetische golf heeft een dubbel aspect, zij is tegelijkertijd een verzameling van deeltjes, fotonen genaamd (z lichtquanten). De energie van een foton is evenredig met de frequentie. De energie in een voortschrijdende golf is dus niet continu over de ruimte verdeeld, maar korrelig. Bij lange golven hebben deze fotonen zeer kleine energie, het quantumkarakter is dan weinig merkbaar. Bij kortere golven is dit karakter veel duidelijker aantoonbaar.
Het radiogebied, hier verdeeld in lange golf, enz. wordt ook wel verdeeld in kilometergolven, metergolven, enz. naar de golflengte. Schumann- en Lyman-gebied met de aansluitende overgang naar Röntgenstralen hebben een sterke absorptie in de lucht, zij moeten dus in het luchtledig worden onderzocht, en heten ook vacuum-ultraviolet.
B. Wisselwerking met de materie
Men kent hier drie grondverschijnselen, te weten: emissie, absorptie en verstrooiing. Emissie is het uitzenden van straling door een lichaam, absorptie het vernietigen van straling. Hierbij wordt de straling meestal in warmte omgezet. Verstrooiing is het wegzenden van straling in alle richtingen, hetzij met dezelfde golflengte, hetzij met een iets andere. Verstrooiing met behoud van de golflengte wordt vnl. waargenomen als de straling op een stukje materie valt, dat klein is t.o.v. de golflengte, of als de materie onregelmatigheden bevat, die zulke kleine afmetingen hebben. Zo zal licht worden verstrooid door media met troebelingen, veroorzaakt door deeltjes van enkele microns of kleiner (opalescentie). Voor Röntgenstralen is de atomistische opbouw reeds een onregelmatigheid, vergeleken met de golflengte, zodat een medium, dat voor licht homogeen is, dit niet voor Röntgenstralen is. De verstrooiing met veranderde golflengte is besproken onder Compton-effect en onder Raman-effect.
Een volledige verklaring van de hier vermelde verschijnselen kan alleen door de quantum-mechanica worden gegeven. Dikwijls kan men echter eenvoudiger te werk gaan, door óf het golfkarakter, óf het fotonenkarakter in het oog te vatten. Het eerste kan bij die verschijnselen, waarbij geen energie aan het lichaam wordt afgegeven of ontvangen, dat is de verstrooiing met behoud van golflengte, breking en terugkaatsing, en de interferentieverschijnselen. Bij emissie en absorptie staat het andere karakter op de voorgrond.
Emissie ontstaat, indien een atoom, molecuul of kristalrooster van tevoren in een hogere energietoestand is gebracht. Valt het dan weer in een lagere toestand terug, dan wordt de vrijgekomen energie in een foton omgezet. De uitgezonden fotonen vormen dan een golf met de frequentie gelijk aan: energie/constante van Planck. Het brengen van het systeem in een hogere energietoestand kan op vele wijzen gebeuren, o.a. door de warmtebeweging. Een andere manier is het beschieten met electronen, die in een electrisch veld zijn versneld. Is de doorlopen spanning gegeven in Volts, dan is de energie van het electron hetzelfde getal, uitgedrukt in electronvolts. Deze energie wordt geheel of gedeeltelijk in een foton omgezet. De energieën in de tabel geven dus tegelijk de orde van grootte van het voltage aan, die een electron moet doorlopen, om de gevraagde straling op te wekken.
Bij absorptie gebeurt het omgekeerde, het invallend foton verdwijnt en zet het systeem om in een hogere energietoestand. Bij hoge frequenties betekent dit dikwijls, dat electronen worden weggeschoten uit het systeem (foto-ionisatie). Een afzonderlijke vermelding moet van metalen worden gemaakt. Een metaal bestaat uit een rooster van (geladen) ionen, waartussen zich electronen bevinden, die als vrij kunnen worden beschouwd. D.w.z. door een electrisch veld gaan de electronen stromen, er ontstaat een electrische stroom, het metaal is een geleider. De foto-ionisatie (z electronen-emissie) uit zich dus in het wegschieten van de genoemde geleidingselectronen. Ook treedt hier een omzetting in warmte op, die bij de lange golven in het radiogebied het best met de golfvoorstelling kan worden begrepen. De wisselende electrische veldsterkte wekt nl. in het metaal wisselstromen op, die in warmte worden omgezet volgens de wet van Joule (z electriciteit). Bij de hogere frequenties dan die van het radiogebied kan deze eenvoudige beschouwing niet zonder meer worden toegepast. In het Röntgengebied is er geen verschil meer tussen geleiders en niet-geleiders.
Ten slotte kunnen de drie gebieden nog worden gekenmerkt door de breking bij overgang in een stof. Dit betekent, zoals reeds gezegd, dat de straling in een andere stof een andere snelheid heeft. Deze snelheid is in het radiogebied kleiner dan de lichtsnelheid, maar hangt niet van de frequentie af. Hier is dus breking en terugkaatsing. In het lichtgebied treedt afhankelijkheid van de frequentie op, hier is dus ook dispersie. In het Röntgengebied is de snelheid in een stof iets groter dan de lichtsnelheid. Het verschil is zo klein, dat men kan zeggen, dat hier geen breking en terugkaatsing optreedt. Daar de gebieden geleidelijk in elkaar overgaan, is elke bewering over de drie gebieden min of meer geschematiseerd.
C. Warmtestraling
Een warm lichaam, aan zich zelf overgelaten, koelt af. Dit gebeurt gedeeltelijk door warmtegeleiding door de lucht of door andere stoffen, waarmee het lichaam in aanraking is. Gedeeltelijk ook door het opstijgen van lucht, die door het lichaam verwarmd is, de convectie. Maar ook in het luchtledige koelt een lichaam af, en deze warmte-afgifte, vooral belangrijk bij hoge temperaturen, geschiedt door electromagnetische stralen, de warmtestraling. De eerste twee genoemde verschijnselen treden alleen op, indien de omgeving kouder is dan het lichaam, de straling treedt altijd op, het warmteverlies ontstaat daardoor, dat het lichaam meer warmte naar de omgeving straalt dan omgekeerd. Wij zullen verder alleen over de straling van een warm lichaam spreken, zonder op de omgeving te letten.
Terwijl een verdund gas alleen enkele frequenties uitzendt (z spectrum), vindt men in de straling van vaste lichamen en vloeistoffen alle frequenties, tenminste theoretisch. In de practijk heeft men vnl. met de infrarode frequenties te maken en bij hogere temperaturen als bij de zon (ca 6000 gr. Kelvin) ook met het zichtbare licht. De straling wordt in andere lichamen weer geabsorbeerd en verwarmt deze.
Men kan in het algemeen zeggen, dat bij hogere temperatuur de uitgestraalde energie sterk toeneemt, en dat bij hogere temperatuur steeds kortere golven voorkomen. Zo zal een lichaam, dat tot ca 500 gr. C. wordt verwarmd, roodgloeiend worden, het begint dan naast het infrarood ook rood uit te zenden. Bij verdere verhoging (ca 1200 gr. C.) wordt het witgloeiend, zodat dan alle frequenties van het zichtbare licht worden uitgezonden. Dit zichtbare licht neemt echter maar een zeer klein gedeelte van de uitgestraalde energie mee. Bij de zonnestraling daarentegen gaat reeds ⅓ van de totale energie met het zichtbare licht mee. De directe stralende warmte van de zon is dan ook door een glasplaat waarneembaar (glas absorbeert een groot gedeelte van het infrarood). De stralende warmte van een kachel neemt men op deze wijze niet waar.
Het hier gezegde is niet quantitatief bepaald, elk lichaam heeft zijn eigen stralingswetten. Een algemene wet is de wet van Kirchhoff, die zegt: de verhouding van het emissievermogen E en het absorptievermogen A is voor alle lichamen een constante e, die alleen van de golflengte en van de temperatuur afhangt. Het emissievermogen is de energie, die door de eenheid van oppervlakte in de tijdseenheid in een gegeven golflengtegebied wordt uitgestraald. Het absorptievermogen moet niet worden verward met de in B besproken absorptie. Het is dat deel van de opvallende straling, dat wordt geabsorbeerd, dus omgezet in warmte. Een gedeelte van de opvallende straling wordt teruggekaatst, de rest wordt of doorgelaten, of in warmte omgezet. De absorptie in B besproken houdt zich alleen bezig met de straling, die reeds in het lichaam is. Voor een sterk absorberend lichaam is dan het absorptievermogen dat deel, dat niet wordt gereflecteerd; voor een niet sterk absorberend lichaam is het kleiner, daar een gedeelte wordt doorgelaten. Een glanzend metalen voorwerp, dat een grote absorptie heeft, bezit een klein absorptievermogen, omdat de meeste straling wordt teruggekaatst. Groot is dit vermogen voor hetzelfde lichaam, indien het eerst dof is gemaakt. Volgens de wet van Kirchhoff zal het eerste nu veel minder warmte uitstralen dan het tweede (vgl. een gepoetste theepot met de koelribben van een motor). Wordt een metalen plaat met een inktvlek erop witgloeiend gemaakt, dan schijnt de inktvlek lichtgevend te zijn, vergeleken met het veel donkerder metaal. Ten slotte zij de kubus van Leslie vermeld, een kubusvormig metalen vat, waarvan de wanden verschillend zijn afgewerkt. Met een gevoelige thermometer toont men aan, dat de verschillende wanden verschillende hoeveelheden warmte uitstralen, indien het vat met heet water is gevuld.
Een bijzondere plaats neemt het volkomen zwarte lichaam in, een lichaam, dat alle opvallende straling geheel absorbeert (dus A = 1, E = e). Roet komt dicht in zijn eigenschappen hierbij, vandaar dat men thermometers met roet bedekt, om uitgestraalde warmte te meten. Een volkomen zwart lichaam is een oven met een kleine opening. Immers een lichtstraal, die in de opening valt, heeft weinig kans na de nodige terugkaatsingen aan de binnenkant van de oven, weer door de opening naar buiten te treden. En op deze lange weg, indien het al zou gebeuren, is hij door herhaalde terugkaatsingen reeds sterk verzwakt. De emissie van het zwarte lichaam kan theoretisch worden berekend. Dit is door Planck gedaan, en deze berekening was het begin van de quantumtheorie. Wij noemen hier alleen een gevolg van deze formule, de wet van Stephan—Boltzmann: De totale uitgezonden warmte is voor een volkomen zwart lichaam evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur. In de figuur vindt men voor enige temperaturen de energieverdeling voor een zwart lichaam over de verschillende golflengten.
Het feit, dat men meestal in de practijk met infrarode stralen te maken heeft, heeft velen er toe gebracht, deze stralen warmtestralen te noemen. Het is duidelijk, dat deze naam niet juist is. In overeenstemming hiermee noemt men wel stoffen, die infrarood doorlaten diathermaan, de andere athermaan.
J. BOUMAN
(2, in de atmosfeer). Terwijl de inkomsten aan zonnestraling de voornaamste energiebron voor de aarde als geheel zijn, vormt onze dampkring hierbij een belangrijke warmteregelaar door zijn typische stralingseigenschappen. Terwijl nl. enerzijds van de inkomende kortgolvige zonnestraling gemiddeld slechts 15 pet in de atmosfeer wordt geabsorbeerd, wordt van de infrarode opwaartse straling, die van het aardoppervlak uitgaat, gemiddeld 90 pet in de atmosfeer geabsorbeerd, vnl. door waterdamp, wolken en koolzuur. Omgekeerd straalt de dampkring door de genoemde bestanddelen in belangrijke mate terug. Deze atmosferische straling (tegenstraling), die hoofdzakelijk in het golflengtegebied van 4-40 micron ligt, is enerzijds oorzaak dat de nachtelijke afkoeling door uitstraling van het aardoppervlak belangrijk getemperd wordt, en vormt anderzijds overdag een gemiddeld even grote bijdrage in de warmtehuishouding van het aardoppervlak als het door de atmosfeer doorgelaten zonlicht (z atmosfeer). De belangrijkste gasvormige atmosferische straler en absorbeerder is de waterdamp. De banden van het waterdampspectrum zijn het sterkst tussen 5,5 en 7 𝜇 en bij golflengten boven 14 𝜇 voor straling van 8,5-11 𝜇 daarentegen is de waterdamp betrekkelijk doorzichtig. Om het gehele gecompliceerde samenspel van absorptie en uitstraling in de dampkring (bij gegeven verdeling van watertemperaturen en dampgehalte in de verschillende luchtlagen) door te rekenen gebruikt men in de meteorologie „stralingsdiagrammen”. Qualitatief kan gezegd worden: hoe vochtiger de atmosfeer is, hoe sterker de atmosferische instraling (en hoe geringer dus bijv. de nachtelijke afkoeling, z nachtvorst).
Het bovenstaande had betrekking op de eigen warmtestraling van de atmosfeer. Hiervan moet dus onderscheiden worden de diffuse „hemelstraling”, die overdag optreedt door verstrooiing van het zonlicht, aan luchtmoleculen en in wolken; z hemelkleur en optische verschijnselen. Evenzo moet van de boven vermelde absorptie van (zonne- of aard-)straling in de atmosfeer onderscheiden worden het verlies van zonlicht door verstrooiing in de atmosfeer. Het sterkteverlies van het directe zonlicht door absorptie en verstrooiing samen wordt extinctie genoemd. De totale extinctie is het sterkst bij laagstaande zon, waar haar stralen een lange weg door de lucht afleggen. Verstrooiing van lichtstralen kan ook nog plaats vinden door stofdeeltjes en door ongelijkmatigheden en wisselingen in de luchtdichtheid (o.a. als „luchtslieren” optredend op zonnige dagen boven de verwarmde grond); in het laatste geval spreekt men van optische troebeling. De totale mate van „troebeling” (waaraan verder meewerken waterdruppeltjes en stofdeeltjes en die voor het zicht van veel belang is) wordt uitgedrukt door de troebelingsfactor of een troebelingscoëfficiënt.
Stralingsmeters of actinometers zijn er vele soorten; zij meten de stralingsintensiteit, zijnde de hoeveelheid stralingsenergie per tijdseenheid op of door een eenheid van oppervlak vallende. Zij berusten op een meting van de werking der straling als zichtbaar licht óf van haar foto-chemische werking („actiniteit”) óf van haar warmtewerking. De meeste stralingsmeters berusten op het laatstgenoemde principe.
Zij meten dan de warmtetoevoer, die een zwartgemaakt meetoppervlak ondervindt wanneer het aan de straling blootgesteld wordt en deze absorbeert, welke warmtemeting dan geschiedt door middel van meting der optredende temperatuurverhoging (zo werkt bijv. de solarimeter, z zonneschijn) of door vergelijking met een (electrisch opgewekte) warmtestroom, die een vergelijkingsoppervlak, dat niet aan de straling blootgesteld wordt, op gelijke temperatuur met het bestraalde oppervlak houdt (pyrheliometer van Angström, die de directe zonnestraling meet); verder zijn er de pyranometer, die ook de diffuse hemelstraling meet en de pyrgeometer, die zowel de infrarode straling der aarde als de atmosferische straling kan meten. Bij het empirische onderzoek van de balans van op- en neerwaartse warmtestraling in de atmosfeer gebruikt men stralingsbalansmeters.
PROF. DR P. GROEN
Lit.: Berry, Bollay en Beers, Handbook of Meteorology, p. 283-311 (New York 1945); R. M. Goody en G. D. Robinson, Radiation in the Troposphere and Lower Stratosphere, Quart. J. Roy. Met. Soc. 77, 151-187, 1951; Am. Met. Soc., Compendium of Meteorology (1951); E. Kleinschmidt, Handb. der meteorologischen Instrumente, p. 57-185 (Berlin 1935).
