|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Гамма – лучи |
 |
Гамма – излучение
Описание
Гамма-излучение – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн.
Приведем классификацию электромагнитных волн:
|
Название
|
Длина волны, м
|
Частота, Гц
|
|
радиоволны
|
3.105 - 3
|
103 - 108
|
|
микроволны
|
3 - 3.10-3
|
108 - 1011
|
|
ИК излучение
|
3.10-3 - 8.10-7
|
1011 - 4.1014
|
|
видимый свет
|
8.10-7 - 4.10-7
|
4.1014 - 8.1014
|
|
УФ излучение
|
4.10-7 - 3.10-9
|
8.1014 - 1017
|
|
рентгеновское излучение
|
3.10-9 - 10-10
|
1017 - 3.1018
|
|
гамма-излучение
|
< 10-10
|
> 3.1018
|
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 альфа- и бета-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 = hv (h – постоянная Планка, равная 4.14.10-15 эВ.сек, v - частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой v существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:
vλ = с (с – скорость света).
Частота гамма-излучения (> 3.1018 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, 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. Испускание ядром γ-кванта не влечёт за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий γ–излучения обычно чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв) во много раз больше ширины линий, спектр γ–излучения является линейчатым, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров γ–излучения позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер.
γ-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося π°-мезона возникает γ–излучение с энергией ~70 Мэв. γ–излучение 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 и спектр. γ–излучение оказывается размытым в широком интервале энергии.
γ–излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное γ–излучение, так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное γ–излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.
В межзвёздном пространстве γ–излучение 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 γ–излучение.
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. Таким образом, можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты γ–излучения высокой энергии.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения (сцинтилляционных, газовых, полупроводниковых и т. д.) и соответствующей усилительной электроники.
Облучение гамма-квантами биологических объектов, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.
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.).
Реализации эффекта
γ–излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии γ–излучения 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 γ–излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергий γ-квантов (~100 кэВ) на тяжёлых элементах (Pb, U).
При комптон – эффекте 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 γ-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение – более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях γ–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.
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. Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником γ–излучения.
Для характеристики ослабления γ–излучения в веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине поглотителя интенсивность падающего пучка γ–излучение ослабляется в е раз.
Литература
1. Физическая энциклопедия. Т. 1 / Гл. ред. А.М. Прохоров; Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. – 672 с.
2. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М., 1980.
Взаимодействие потоков частиц с веществом
Рентгеновское излучение
Атомная физика, излучение и поглощение энергии атомами и молекулами
Волновые свойства частиц
Квантовая механика