Гамма излучение. Гамма-излучение: понятие, источники, применение и способы защиты

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation

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

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.

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.

Среди многообразия электромагнитных излучений, рядом с рентгеновскими лучами нашли себе «приют» очень короткие электромагнитные волны - это гамма-излучение. Имея ту же природу, что и свет, оно распространяется в пространстве с такой же скоростью 300 000 км/сек.

Однако ввиду его особых свойств, гамма-излучение оказывает сильнейшее отравляющее и травмирующее действие на живые организмы. Давайте выясним, что такое гамма-излучение, чем оно опасно и как защититься от него.

Чем опасно гамма-излучение

Источниками гамма-излучения являются космические лучи, взаимодействие и распад ядер атомов радиоактивных элементов и другие процессы. Приходя из далёких космических глубин или рождаясь на Земле, это излучение оказывает сильнейшее ионизирующее действие на человека.

В микромире существует закономерность, чем короче длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия у его квантов (порций). Поэтому можно утверждать, что гамма-излучение - это квантовый поток с очень большой энергией.

Чем же опасно гамма-излучение? Механизм разрушительного действия гамма-квантов заключается в следующем.

1. Благодаря огромной проникающей способности «энергичные» гамма-кванты легко проникают в живые клетки, вызывая их повреждение и отравление.
2. По пути своего движения они оставляют разрушенные ими молекулы (ионы). Эти повреждённые частицы ионизируют новую порцию молекул.
3. Такая трансформация клеток вызывает сильнейшие изменения в её различных структурах. А изменившиеся или разрушенные составные части облучённых клеток разлагаются и начинают действовать как яды.
4. Заключительным этапом является рождение новых, но дефектных клеток, которые не могут выполнять необходимые функции.

Опасность гамма-излучения усугубляется отсутствием у человека механизма способного ощутить это воздействие вплоть до смертельных доз.

Различные органы человека обладают индивидуальной чувствительностью к его воздействию. Наибольшую уязвимость к атаке этого излучения проявляют быстро делящиеся клетки кроветворной системы, пищеварительного тракта, лимфатических желёз, половых органов, волосяных фолликул и структуры ДНК. Проникшие в них гамма-кванты, разрушают слаженность всех процессов и приводят к многочисленным мутациям в механизме наследственности.

Особая опасность гамма-излучения заключается в его способности накапливаться в организме, а также наличие скрытого периода воздействия.

Где применяется гамма-излучение

При неконтролируемом, стихийном воздействии этого излучения последствия могут быть весьма тяжёлые. А учитывая, что оно обладает ещё и «инкубационным» периодом расплата может настигнуть через много лет и даже через поколения.

Однако пытливые умы учёных сумели найти многочисленные применения гамма-излучению:

• стерилизация некоторых продуктов, медицинских инструментов и оборудования;
• контроль за внутренним состоянием изделий (гамма-дефектоскопия);
• определение глубины скважин в геологии;
• точное измерение расстояний, преодолеваемых космическими аппаратами;
• дозированное облучение растений позволяет получать их мутации, из которых затем отбирают высокопродуктивные сорта.

Как эффективный терапевтический метод лечения гамма-излучение применяется в медицине. Эта методика носит название лучевой терапии. В ней используется особенность гамма-излучения воздействовать в первую очередь на быстро делящиеся клетки.

Этот метод применяют для лечения рака, сарком в тех случаях, когда другие методы лечения неэффективны. Дозированное и направленное облучение позволяет подавить жизнедеятельность патологических клеток опухоли.

Где ещё встречается гамма-излучение

Сейчас мы знаем, что такое гамма-излучение и осознаём сопряжённые с ним опасности. Поэтому постоянно изыскиваем новые способы как защититься от него. Но столетие назад отношение к радиоактивности было более беспечным.

Как защититься от гамма-излучения

Вся наша жизнь проходит на фоне естественных электромагнитных излучений. И вклад гамма-квантов в этот фон достаточно значителен. Однако, несмотря на их периодические всплески, вред их для живых организмов минимален. Здесь землян спасают огромные расстояния от источников этих излучений. Совсем иное - земные источники. Особую опасность несут АЭС: их ядерные реакторы, технологические контуры и другое оборудование. Организация защиты от гамма-излучения персонала на этих и других подобных объектах включает следующие мероприятия.

Для эффективной защиты от гамма-излучения используются материалы с большим атомным номером и высокой плотностью. Этим критериям удовлетворяют:

Наилучшей интенсивностью поглощения γ-лучей обладает свинец. Пластинка свинца толщиной в 1 см, 5 см бетона и 10 см воды - ослабляют это излучение в два раза, однако, не являются для них непреодолимой преградой. Применение свинца в качестве защиты против воздействия гамма-излучения ограничивается его низкой температурой плавления. Поэтому в горячих зонах используют дорогие металлы:

• вольфрам;
• тантал.

Для изготовления защитной одежды сотрудников, работающих в зоне действия источников излучения или радиоактивного заражения используются специальные материалы. Его основу составляет резина, пластик или каучук со специальным наполнителем из свинца и его соединений.

В качестве средств защиты могут быть задействованы противорадиационные экраны.

Защитой от гамма-излучения является и очень осмотрительное отношение к окружающим нас предметам, кажущихся на вид вполне безобидными: водолазные часы, секстанты, датчики обледенения и т. д. Их циферблаты содержат соли радия 226, являющиеся источниками альфа и гамма-излучения.

Из всех видов радиации именно гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью. В этом случае наиболее эффективным способом защиты от внешнего гамма-излучения являются специальные укрытия, а при их отсутствии - подвалы домов. Чем толще стены, тем надёжнее укрытие. Подвал многоэтажного дома способен ослабить действие радиации в 1000 раз.

К сожалению, опасность радиационного заражения может возникнуть совершенно внезапно. И облучение могут получить люди совершенно не имеющие отношения к ядерной энергетике. Надеемся, что полученная информация поможет вам сохранить своё здоровье и уберечься от угрозы дополнительного радиоактивного облучения.

Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое - при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.

Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.

При энергии свыше 10 14 эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты - 10 20 –10 21 эВ , приходят из космоса крайне редко - примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.

Источники

Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS . Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей - энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. ). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта - нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.

Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. ). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд .

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (рис. художника )

В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.

При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.

Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.

Приемники

Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см , которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).

Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц - космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.

Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.

Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение , которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.

При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.

Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.

Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.

Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз - по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.

Важная особенность ФЭУ - быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.

Гамма излучение - это поток электромагнитных волн. По своим характеристикам они близки к рентгеновским лучам, но обладают большей энергией, т.к. их частота колебаний выше ( < 0,03нм).

По своей природе гамма-излучение ядерного происхождения . Оно сопровождает радиоактивный распад ядра или переход ядра из одного энергетического состояния в другое.

Поскольку длина волны гамма-излучения соизмерима с размерами атомов, а энергия квантов составляет десятки килоэлектрон вольт (кэВ) и более, то проникающая способность его очень велика.

Проходя через вещество, электромагнитные волны гамма излучения взаимодействуют с электронами атома, электрическим полем ядра и самим ядром, а точнее с протонами и нейтронами ядра.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма-излучения с электронами атома сводится к поглощению электромагнитной энергии, часть которой тратится на возбуждение атомов и преобразуется в тепло, а другая часть - на образование заряженных частиц, т. е. на ионизацию атомов. Этот процесс называется фотоэлектрическим поглощением энергии.

Но так как энергия гамма -кванта всегда превышает энергию связи электронов с ядром, то сорванные электроны имеют достаточный запас энергии и производят вторичную ионизацию нейтральных атомов.

С увеличением атомного номера вещества вероятность фотоэлектрического поглощения возрастает в Z 4 раз, однако с увеличением энергии гамма кванта эта вероятность уменьшается.

Учитывая, что электроны атома обладают зарядом и массой, то часть энергии гамма кванта отклоняется от направления своего движения на некоторый угол и уходит за пределы пучка, но величина этой энергии незначительна. Этот процесс называется некогерентным рассеянием энергии.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с полем ядра вызывает отклонение на некоторый угол от направления движения части энергии и уход ее за пределы пучка, т.е. происходит некогерентное рассеяние энергии . При этом, чем выше плотность вещества (номер элемента), тем большее количество энергии гамма кванта рассеивается.

Это необходимо учитывать при изготовлении защитных конструкций.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с протонами и нейтронами ядра может привести к ядерным превращениям, т.е. превращению протона в нейтрон или нейтрона в протон и выбросу в молекулярное пространство бета-частицы. Но это возможно только при условии, что энергия гамма кванта больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона в ядре. Энергия покоя электрона и позитрона в ядре очень велика и равна 1,02 мэВ, что снижает вероятность этого процесса.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом часть энергии поглощается, т. е. преобразуется в тепло и заряженные частицы, часть рассеивается.

Защита от гамма-излучения: так как гамма-излучение не обладает массой и электрическим зарядом, то какой бы ни была взята толщина слоя вещества нельзя полностью поглотить поток ЭМВ гамма квантов, можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

Толщина слоя вещества, после прохождения которого интенсивность гамма-излучения ослабляется в 2 раза, называется слоем половинного ослабления.

При изготовлении защитных конструкций от гамма-излучения используют материал большой плотности: свинец, бетон и др.

Наиболее эффективными методами защиты от внешнего гамма- излучения являются:

Защита временем: проведение работ с гамма-излучением в минимально короткое время;

Защита расстоянием: использование дистанционных средств управления;

Защита экранами: использование защитных конструкций.

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где - бета-излучение - электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона: