Гамма-излучение и его свойства
Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l < 10 -10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – g -квантов, или фотонов, с энергией h n ( n – частота излучения, h – постоянная Планка). На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот.
Экспериментально установлено, что g -излучение не является самостоятельным видом радиоактивности. Оно сопровождает a - и b -распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.п.
Сопровождающее распад радиоактивных ядер, гамма-излучение, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное. Энергия g -кванта равна разности энергий D e состояний, между которыми происходит переход.
Возбужденное состояние
Е2
hν
Основное состояние ядра Е1
Испускание ядром g -кванта не ведет к изменению атомного номера или массового числа. Ширина линий гамма-излучения очень мала (~10 -2 эВ). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. При помощи исследования спектров гамма-излучения можно установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты больших энергий испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося p 0 - мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70 МэВ. Гамма-излучение при распаде элементарных частиц также обладает линейчатым спектром. Однако распадающиеся элементарные частицы очень часто движутся со скоростями, равными, примерно, скорости света, вследствие чего возникает доплеровское уширение спектральных линий и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Возникающее при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, гамма-излучение вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма-излучение, также как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с максимальной энергией, достигающей несколько десятков ГэВ.
В межзвёздном пространстве гамма-излучение возникает в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.
Подобное явление встречается и на Земле при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в g -квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.
Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. Фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает гамма-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома. То освобождающееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек. И фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии g -квантов (~ 100 кэВ) на тяжелых элементах (Pb, U).
При комптон-эффект происходит рассеяние g -кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте g -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 гамма-излучения, превышающих энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 МэВ. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.
При энергии гамма-кванта > 10 МэВ основным процессом взаимодействия гамма-излучения в любом веществе является образование электронно-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом h n . Поэтому при h n ~10 МэВ основным процессом в любом веществе оказывается образование пар.
100
50
0
0,1 0,5 1 2 5 10 50
Энергия γ-лучей (МэВ)
Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.
Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются коэффициентом поглощения, показывающим, на какой толщине Х поглотителя интенсивность I 0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в е раз:
I=I 0
e -μ 0 xЗдесь μ 0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ 0 к плотности поглотителя.
Этот закон ослабления гамма-излучения справедлив только для узко направленного пучка гамма-лучей, при котором любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Пир высоких же энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество несколько усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и, значит, могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляции. Таким образом, в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных частиц в таком ливне вначале возрастает с ростом толщины вещества, достигая максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой критической энергией, после которой каскадный ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться.
В экспериментальной физике для изменения энергии гамма-излучения применяются гамма-спектрометры различных типов, которые основаны, в основном, на измерении энергии вторичных электронов. Типы спектрометров гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые и кристалл-дифракционные.
Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного гамма-излучения используется для изучения свойств твёрдых тел.
Гамма-излучение широко применяется в технике, например, для обнаружения дефектов в металлах используется гамма-дефектоскопия. Этот метод основан на различном поглощении гамма-излучения при распространении его на одинаковые расстояния в разных средах. Местоположение и размеры дефектов определяются по различию в интенсивностях излучения. Прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия.
В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. В пищевой промышленности гамма-излучение используется для стерилизации продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители.
Воздействие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии g -квантов и пространственных особенностей облучения, например, он различен для случая внешнего и внутреннего облучения. Относительная биологическая эффективность гамма-излучения составляет 0,7–0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-излучения принята равной 1.
Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений.
Возможности лучевой терапии значительно расширились за счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии. Успехи дистанционной гамма-терапии достигнуты в результате большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов.
Большое значение дистанционной гамма-терапии объясняется также сравнительной доступностью и удобствами использования гамма-аппаратов. Гамма-аппараты, так же как и рентгеновские аппараты, конструируют для статического и подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся создать большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей. Разработаны конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов, направленные на уменьшение полутени, улучшение гомогенности полей, использование фильтров типа жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты.
В растениеводстве использование ядерных излучений дает обширные возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений, повышение их урожайности, ускорения развития и улучшения качества.
Уже в первых исследованиях радиобиологов было установлено, что ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на рост, развитие и обмен веществ в живых организмах. Под влиянием гамма-облучения у растений, животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая.
Нужно подчеркнуть, что при гамма-облучении в семена не поступают радиоактивные вещества. Облученные семена, как и выращенный из них урожай, нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения только ускоряют нормальные процессы, происходящие в растении, и поэтому совершенно необоснованны какие-либо опасения и предостережения против использования в пищу урожая, полученного из семян, подвергавшихся предпосевному облучению.
Ионизирующие излучения применяются для повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и уничтожения различных насекомых-вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться длительное время без каких-либо потерь. Употребление его в качестве корма не вызвало никаких отклонений в росте, способности к размножению и других патологических отклонений от нормы у четырех поколений экспериментальных животных.