Частота гамма излучения

Частота гамма излучения

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название Длина волны, м Частота, Гц
радиоволны 3·10 5 — 3 10 3 — 10 8
микроволны 3 — 3·10 -3 10 8 — 10 11
инфракрасное излучение 3·10 -3 — 8·10 -7 10 11 — 4 . 10 14
видимый свет 8·10 -7 — 4·10 -7 4·10 14 — 8·10 14
ультрафиолетовое излучение 4·10 -7 — 3·10 -9 8·10 14 — 10 17
рентгеновское излучение 3·10 -9 — 10 -10 10 17 — 3·10 18
гамма-излучение -10 > 3·10 18

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ . сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

Частота гамма-излучения (> 3·10 18 Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями — десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Читайте также:  Виферон свечи для взрозрослых инструкция цена

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Ядерные процессы
Радиоактивный распад

  • Альфа-распад
  • Бета-распад
  • Кластерный распад
  • Двойной бета-распад
  • Электронный захват
  • Двойной электронный захват
  • Гамма-излучение
  • Внутренняя конверсия
  • Изомерный переход
  • Нейтронный распад
  • Позитронный распад
  • Протонный распад
  • Спонтанное деление
  • Термоядерная реакция
  • Протон-протонный цикл
  • CNO-цикл
  • Тройная гелиевая реакция
  • Гелиевая вспышка
  • Ядерное горение углерода
  • Углеродная детонация
  • Ядерное горение неона
  • Ядерное горение кремния
  • Нейтронный захват
    • r-процесс
    • s-процесс
    • Захват протонов:
      • p-процесс
      • rp-процесс
      • Нейтронизация
      • Реакции скалывания
      • Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ -лучи) — вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны — менее 2⋅10 −10 м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами [1] . Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков [2] .

        Гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Условно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 10 5 эВ , хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1—100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

        Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. Изомерный переход; энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от

        1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях, при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д. ), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях (см. Синхротронное излучение, Тормозное излучение). Энергия гамма-квантов, возникающих при переходах между возбуждёнными состояниями ядер, не превышает нескольких десятков МэВ. Энергии гамма-квантов, наблюдающихся в космических лучах, могут превосходить сотни ГэВ.

        Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом [3] в 1900 году при исследовании излучения радия [4] [5] . Три компоненты ионизирующего излучения радия-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) были разделены по направлению отклонения частиц в магнитном поле: излучение с положительным электрическим зарядом было названо α -лучами, с отрицательным — β -лучами, а электрически нейтральное, не отклоняющееся в магнитном поле излучение получило название γ -лучей. Впервые такая терминология была использована Э. Резерфордом в начале 1903 года [4] . В 1912 году Резерфорд и Эдвард Андраде [en] доказали электромагнитную природу гамма-излучения [4] .

        Содержание

        Физические свойства [ править | править код ]

        Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

        • Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным).
        • Комптон-эффект — гамма-квант рассеивается при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
        • Эффект образования пар — гамма-квант в электрическом поле ядра превращается в электрон и позитрон.
        • Ядерный фотоэффект — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.

        Детектирование [ править | править код ]

        Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения (сцинтилляционных, газовых, полупроводниковых и т. д. ).

        Использование [ править | править код ]

        Области применения гамма-излучения:

        • Гамма-дефектоскопия — контроль изделий просвечиванием γ-лучами.
        • Пищевая промышленность: консервирование пищевых продуктов (гамма-стерилизация для увеличения срока хранения) [6] .
        • Медицина: стерилизация медицинских материалов и оборудования; лучевая терапия; радиохирургия.
        • Гамма-каротаж в геофизике.
        • Приборы для измерения расстояний: уровнемеры, гамма-высотомеры на космических аппаратах.
        • Гамма-астрономия.

        Биологические эффекты [ править | править код ]

        Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток при локальном воздействии на них. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.

        Читайте также:  Сколько капель валокордина надо капать

        Защита [ править | править код ]

        Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).

        Материал защиты Слой половинного ослабления, см Плотность, г/см³ Масса 1 см² слоя половинного ослабления, г
        Свинец 1,8 11,3 20
        Бетон 6,1 3,33 20
        Сталь 2,5 7,86 20
        Слежавшийся грунт 9,1 1,99 18
        Вода 18 1,00 18
        Древесина 29 0,56 16
        Обеднённый уран 0,2 19,1 3,9
        Воздух 15000 0,0012 18

        Хотя эффективность поглощения и зависит от материала, первоочередное значение имеет просто удельный вес.

        Коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны) оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Г.-и. обладает чрезвычайно малой длиной волны (λ ≤ 10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц — гамма-квантов, или Фотонов, с энергией hv (v — частота излучения, h — Планка постоянная).

        Г.-и. возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

        Г.-и., сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбуждённого энергетического состояния в менее возбуждённое или в основное. Энергия γ-кванта равна разности энергий ΔE состоянии, между которыми происходит переход (рис. 1). Испускание ядром γ-кванта не влечёт за собой изменения атомного номера (См. Атомный номер) или массового числа (См. Массовое число), в отличие от др. видов радиоактивных превращений (см. Альфа-распад, Бета-распад). Ширина линий Г.-и. обычно чрезвычайно мала (

        10 -2 эв). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв) во много раз больше ширины линий, спектр Г.-и. является линейчатым, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров Г.-и. позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер (см. Ядерная спектроскопия, Ядро атомное).

        Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося π°-мезона возникает Г.-и. с энергией

        70 Мэв. Г.-и. от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света с. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии (см. Доплера эффект) и спектр Г.-и. оказывается размытым в широком интервале энергии (см. Элементарные частицы).

        Г.-и., образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное Г.-и., так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) получают тормозное Г.-и. с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв (см. Тормозное излучение).

        В межзвёздном пространстве Г.-и. может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое Г.-и. (см. Гамма-астрономия).

        Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых Лазерами. Электрон передаёт энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Т. о., можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты Г.-и. высокой энергии.

        Г.-и. обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии Г.-и. с веществом, — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии Г.-и. (см. Фотоэффект). Т. о., фотоэффект преобладает в области малых энергий γ-квантов (≤ 100 кэв) на тяжёлых элементах (Pb, U).

        При комптон-эффекте (См. Комптона эффект) происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение — более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см 3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях Г.-и., превышающих энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии

        Читайте также:  Почему под глазами желтизна

        0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.

        Если энергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hv. Поэтому при hv

        10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар (рис. 2). Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником Г.-и. (см. Аннигиляция и рождение пар).

        Для характеристики ослабления Г.-и. в веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I падающего пучка Г.-и. ослабляется в е раз:

        Здесь μ — линейный коэффициент поглощения Г.-и. в см -1 . Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ к плотности поглотителя. В этих случаях толщину измеряют в г/см 2 .

        Экспоненциальный закон ослабления Г.-и. справедлив для узкого направленного пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит Г.-и. из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях (hv > 10 Мэв) процесс прохождения Г.-и. через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать Г.-и. благодаря процессам торможения и аннигиляции. Т. о. в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного Г.-и., электронов и позитронов, т. е. происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность Г.-и. развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и т. н. критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться. Эта энергия Екр тем выше, чем легче вещество. Так, для воздуха Екр = 50 Мэв, а для свинца Екр = 5 Мэв.

        Для измерения энергии Г.-и. в экспериментальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров Г.-и.: магнитные, сцинтилляционные, полупроводниковые, кристалл-дифракционные, (см Гамма-спектрометр, Сцинтилляционный спектрометр, Полупроводниковый спектрометр).

        Изучение спектров ядерных Г.-и. даёт важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного Г.-и., используется для изучения свойств твёрдых тел (см. Мёссбауэра эффект, Ориентированные ядра). Г.-и. находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях (гамма-дефектоскопия, см. Дефектоскопия). В радиационной химии (См. Радиационная химия) Г.-и. применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Г.-и. используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками Г.-и. служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, например 226 Ra, 60 Co и 137 Cs, а также электронные ускорители.

        Действие на организм Г.-и. подобно действию др. видов ионизирующих излучений (См. Ионизирующие излучения). Г.-и. может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния Г.-и. зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения (например, внешнее или внутреннее). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) Г.-и. (эффективность жёсткого рентгеновского излучения принимается за 1) составляет 0,7—0,9. В производств. условиях (хроническое воздействие в малых дозах) ОБЭ Г.-и. принята равной 1.

        Г.-и. используется в медицине для лечения опухолей (см. Лучевая терапия), для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Гамма-установка). Г.-и. применяют также для получения мутаций (См. Мутации) с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков (См. Антибиотики)) и растений. См. также Биологическое действие ионизирующих излучений.

        Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., под ред. К. Зигбана, в, 1, М., 1969; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 1, М., 1955: Гамма-лучи, М. — Л., 1961; Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. с англ., М., 1961.

        Рис.1 к ст. Гамма-излучение.

        Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце от энергии γ-квантов Е.

        Ссылка на основную публикацию
        Adblock detector