Источники гамма излучения примеры. Гамма - излучение и его основные свойства
Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).
Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.
Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).
Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.
Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.
Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.
Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.
Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.
Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.
Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.
Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.
Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).
3. Источники электромагнитного (фотонного) излучения.
Источники гамма-излучения.
Гамма-излучение (gamma radiation) - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1 нм, которое возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и при других превращениях элементарных частиц. В виду того, что ядра имеют только определенные разрешенные уровни энергетического состояния, спектр гамма-излучения дискретен и состоит, как правило, из нескольких групп энергий в диапазоне от нескольких кэВ до десятка МэВ. Для радионуклидов с большими атомными номерами количество энергетических групп гамма-квантов может достигать нескольких десятков, но они резко различаются по вероятности выхода и количество квантовых линий с наибольшим выходом обычно невелико.
Поток гамма-квантов обладает волновыми и корпускулярными свойствами и распространяется со скоростью света. Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется отсутствием электрического заряда и значительным запасом энергии. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.
Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам в процессе фотоэффекта и эффекта Комптона. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта максимальна в области энергий квантов менее 200 кэВ, и быстро убывает с ростом энергии фотона. В случае эффекта Комптона на выбивание электрона с атомной оболочки расходуется только часть энергии фотона, а сам фотон изменяет направление движения. Комптоновское рассеяние преобладает в области энергий (0.2-5) МэВ и пропорционально атомному номеру среды. При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи атомного ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон, вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.
Пути пробега гамма-квантов в воздухе измеря-ются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантимет-ров. Проникающая способность гамма-излуче-ния увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и умень-шается с увеличением плотности среды. Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону. Для энергии излучения 1 МэВ толщина слоя десятикратного ослабления составляет порядка 30 г/см 2 (2,5 см свинца, 4 см железа или 12-15 см бетона).
Радионуклидные источники гамма-квантов - естественные и искусственные бета-активные изотопы (таблица 3), дешевые и удобные в эксплуатации. При бета-распаде нуклидов ядро - продукт распада, образуется в возбужденном состоянии. Переход возбужденного ядра в основное состояние происходит с испусканием одного или нескольких следующих друг за другом гамма-квантов, снимающих энергию возбуждения. Радионуклидные источники представляют собой герметичные ампулы из нержавеющей стали или алюминия, заполненные активным изотопом. Энергия гамма-квантов радионуклидных источников не превышает 3 МэВ.
Таблица 3. Радионуклидные источники гамма-излучения.
Название | полураспада | Энергия линий излучения, кэВ | Выход квантов |
|
Кобальт-60 Стронций-85 Сурьма-124 Иридий-192 | 120; 136; 265; (280; 400) 610; 640-1450; 1690; 2080 | 100; 35; 50; 6.5 |
В настоящее время мощные источники гамма-излучения нашли применение в медицине (радиотерапия, стерилизация инструментов и материалов), в геологии и горной промышленности (плотнометрия, рудосортировка), в радиационной химии (радиационно-химическая модификация материалов, синтез полимеров), и во многих других отраслях промышленного производства и строительства (дефектоскопия, массометрия, толщинометрия материалов и многое другое).
В радиологических отделениях онкологических диспансеров эксплуатируются закрытые радионуклидные источники с суммарной активностью до 5*10 14 Бк. Переносные гамма-дефектоскопы типа "Гаммарид" и "Стапель-5М" на основе иридия-192 имеют источники с активностью от 85 до 120 Бк.
Физико-технические источники излучения представляют собой ускорители электронов, которые используются для генерации гамма-излучения. В этих ускорителях электронный поток разгоняется до энергий в несколько МэВ и направляется на мишень (цирконий, барий, висмут и др.), в которой возникает мощный поток гамма-квантов тормозного излучения с непрерывным спектром от нуля до максимальной энергии электронов.
Для создания мощных импульсных потоков тормозного гамма-излучения используются установки ЛИУ–10, ЛИУ–15, УИН–10, РИУС–5. Импульсный ускоритель РИУС-5 создает ток электронов в импульсах (0.02-2) мкс до 100 кА при энергии электронов до 14 МэВ, что позволяет создавать мощность дозы тормозного излучения до 10 13 Р/с со средней энергией гамма-квантов порядка 2 МэВ.
Малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ используются для радиографического контроля качества материалов и изделий в нестационарных условиях: на монтажных и строительных площадках, при контроле сварных соединений и запорной арматуры нефте- и газопроводов, контроле опор мостов и других ответственных строительных конструкций, а также контроле литья и сварных соединений больших толщин. Максимальная энергия тормозного излучения установок до 7.5 МэВ, максимальная толщина просвечивания материалов до 300 мм.
Источники рентгеновского излучения.
Рентгеновское излучение по своим физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем другая. Это низкоэнергетическое (не более 100 кэВ) электромагнитное излучение. Оно возникает при возбуждении атомов элементов потоком электронов, альфа-частиц или гамма-квантов, при котором происходит выброс электронов с электронных оболочек атома. Восстановление электронных оболочек атома сопровождается излучением рентгеновских квантов и имеет линейчатый спектр энергий связи электронов с ядром на электронных оболочках.
Рентгеновское излучение сопровождает также бета-распад радионуклидов, при котором ядро элемента увеличивает свой заряд на +1, и происходит перестройка его электронной оболочки. Этот процесс позволяет создавать достаточно мощные и дешевые радионуклидные источники рентгеновского излучения (таблица 4). Естественно, что такие источники одновременно являются источниками определенного бета- и гамма-излучения. Для изготовления источников используются радионуклиды с минимальной энергией излучаемых бета-частиц и гамма-квантов.
Таблица 4. Радионуклидные источники квантов низких энергий.
Название | Период полураспада | Энергии излучения, кэВ | Выход, %/Бк |
|
Кобальт-57 Кадмий-109 Гадолиний-153 Туллий-170 Америций-241 | 6.4; 14.4; 122; 136 41.5; 70; 97; 103 14-18; 59.6; 26.4 |
Защита от рентгеновского излучения существенно проще защиты от гамма-излучения. Слой свинца 1 мм обеспечивает десятикратное ослабление излучения с энергией 100 кэВ.
Физико-технические источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки, в которых под воздействием потока электронов, разогнанных до нескольких десятков кэВ, в мишени (аноде трубки) возбуждается излучение.
Рентгеновская трубка состоит из стеклянного вакуумного баллона с впаянными электродами – катодом, нагреваемым до высокой температуры, и анодом. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются в пространстве между электродами сильным электрическим полем (до 500 кВ для мощных трубок) и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию характеристического и тормозного излучения. КПД рентгеновских трубок обычно не превышает 3%. Поскольку большая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, анод выполняется из металла с высокой теплопроводностью, а на его поверхность (под 45 о к потоку электронов) в зоне фокусировки потока наносится мишень из материала с большим атомным номером, например вольфрама. Для мощных рентгеновских трубок применяется принудительное охлаждение анода (водой или специальным раствором). Удельная мощность, рассеиваемая анодом в современных трубках, от 10 до 10 4 Вт/мм 2 .
Рис. 3. Спектр излучения рентгеновской трубки
Типовой спектр излучения рентгеновской трубки приведен на рис. 3. Он состоит из непрерывного спектра тормозного излучения электронного пучка и характеристических линий рентгеновского излучения (острые пики) при возбуждении внутренних электронных оболочек атомов мишени.
4. Источники нейтронов.
Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц, имеющих массу, примерно равную массе протона. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды и обладает достаточно большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии (в сравнении со средней энергией теплового движения E t ≈ 0.025 эВ) нейтроны условно подразделяют на тепловые (Е ~ E t), медленные (E t < E < 1 кэВ), промежуточные (1 < E < 500 кэВ) и быстрые (E > 500 кэВ).
Процесс ослабления нейтронного излучения при прохождении через вещество складывается из процессов замедления быстрых и промежуточных нейтронов, диффузии тепловых нейтронов и их захвата ядрами среды.
В процессах замедления быстрых и промежуточных нейтронов основную роль играет передача нейтронами энергии ядрам среды при прямых столкновениях с ними (неупругое и упругое рассеяние). При неупругом рассеянии часть энергии нейтронов расходуется на возбуждение ядра, которое снимается гамма-излучением. При упругом рассеянии чем меньше масса ядра и больше угол рассеяния, тем большую часть своей энергии передает нейтрон ядру. Вероятность упругого рассеяния практически постоянна до энергий 200 кэВ, и уменьшается в 3-5 раз по мере роста энергии нейтронов.
Радиационный захват нейтронов возможен на любых ядрах, за исключением ядер гелия. При захвате образуется возбужденное ядро, которое переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения, характерного для каждого нуклида, что широко используется для нейтронно-активационного анализа химического состава сред с высочайшей степенью точности (до 10 -8 %). На легких ядрах наблюдаются ядерные реакции с вылетом протонов и альфа-частиц. Тяжелые ядра при захвате нейтронов делятся на два более легких ядра с освобождением энергии до 200 МэВ, из которых порядка 160 МэВ передается осколкам деления. Вероятность захвата имеет индивидуальную для нуклидов зависимость от энергии нейтронов, с резонансными пиками и спадом к области высоких энергий. Захват нейтронов преобладает для медленных и тепловых нейтронов.
Защита от нейтронов выполняется из смеси (слоев) тяжелых элементов (железо, свинец для неупругого рассеяния), легких водородо- и углеродосодержащих веществ (вода, парафин, графит – упругое рассеяние), и элементов захвата тепловых нейтронов (водород, бор). При среднем соотношении 1:4 тяжелых и легких элементов ослабление потока нейтронов в 10:100:1000 раз достигается в слоях примерно 20:32:40 см.
Из всех видов внешних воздействий на человека нейтронное излучение наиболее опасно, т.к. интенсивно замедляется и поглощается водородосодержащей средой организма и вызывает ядерные реакции в его внутренних органах.
Радионуклидные источники нейтронов (таблица 5) выполняются на основе возбуждения в определенных химических элементах ядерных реакций типа (,n) - поглощение альфа-частицы Þ испускание нейтрона, или (,n) - поглощение гамма-кванта Þ испускание нейтрона. Они представляют собой, как правило, однородную спрессованную смесь элемента-излучателя альфа-частиц или гамма-квантов и элемента-мишени, в котором возбуждается ядерная реакция. В качестве альфа-излучателей используются полоний, радий, плутоний, америций, кюрий, в качестве гамма-излучателей - сурьма, иттрий, радий, мезоторий. Элементы - мишени для альфа-излучателей - бериллий, бор, для гамма-излучателей - бериллий, дейтерий. Смесь элементов запаивается в ампулы из нержавеющей стали.
Наиболее известными ампульными источниками являются радиево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 - практически чистый альфа-излучатель. Распад полония сопровождается гамма-излучением слабой интенсивности. Основной недостаток - небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония.
В калифорниевом нейтронном источнике используется спонтанная ядерная реакция с выбросом нейтрона из ядра, которая сопровождается сильным гамма-излучением. При каждом делении ядра выделяется четыре нейтрона. 1 г источника в секунду выделяет 2,4*10 12 нейтронов, что соответствует нейтронному потоку среднего ядерного реактора. Источники имеют постоянный поток нейтронов (не требуется мониторинг), “точечность” излучения, длительный ресурс (более трех лет), сравнительно низкую стоимость.
Источники тепловых нейтронов выполняются аналогично и дополнительно содержат графитовый чехол-замедлитель.
Таблица 5. Радионуклидные источники нейтронов.
Название | Период полу- распада, лет | энергия, МэВ | n/3.7 10 10 Бк |
||
Полоний, бериллий Плутоний-239, бериллий Плутоний-238, бериллий Радий, бериллий Америций, бериллий Актиний, бериллий Полоний, бор Сурьма, бериллий Иттрий, бериллий Мезоторий, бериллий Радий, бериллий Иттрий, дейтерий Мезоторий, дейтерий Радий, дейтерий Калифорний |
Энергетические спектры альфа-нейтронных источников непрерывны, от тепловых до 6-8 МэВ, гамма-нейтронных - приблизительно моноэнергетические, десятки или сотни кэВ. Выход гамма-нейтронных источников на 1-2 порядка меньше, чем альфа-нейтронных, и сопровождается сильным гамма-излучением. У альфа-нейтронных источников сопровождающее гамма-излучение, как правило, низкоэнергетическое и достаточно слабое, за исключением источников с радием (излучение радия и продуктов его распада) и америцием (низкоэнергетическое излучение америция).
Альфа-нейтронные источники обычно ограничены по применению интервалом 5-10 лет, что вызвано возможностью разгерметизации ампулы при накоплении в ней гелия и повышении внутреннего давления.
Физико-техническим источником нейтронов является нейтронная трубка. Она представляет собой малогабаритный электростатический ускоритель заряженных частиц - дейтонов (ядер атомов дейтерия 2 НºD), которые разгоняются до энергии более 100 кэВ, и направляются на тонкие мишени из дейтерия или трития (3 НºT), в которых индуцируются ядерные реакции:
d + D Þ 3 He + n + 3.3 МэВ, d + T Þ 4 He + n + 14.6 МэВ.
Большую часть выделяющейся энергии уносит нейтрон. Распределение энергии нейтронов достаточно узкое и практически моноэнергетическое по углам вылета. Выход нейтронов порядка 10 8 на 1 микрокулон дейтонов. Работают нейтронные трубки, как правило, в импульсном режиме, при этом мощность выхода может превышать 10 12 n/с.
Портативные нейтронные генераторы практически не обладают радиационной опасностью в выключенном состоянии, имеют возможность регулирования режима излучения нейтронов. К недостаткам генераторов относятся ограниченный ресурс работы (100-300 часов) и нестабильность выхода нейтронов от импульса к импульсу (до 50 %).
5. Инвентаризация и утилизация источников
Радионуклидные источники ионизирующего излучения представляют собой потенциальную опасность для населения по следующим причинам:
1. Они распространены по многим организациям, и не везде осуществляется штатный жизненный цикл источников (приобретение – учёт – контроль - использование – захоронение).
2. Источники ионизирующего излучения не могут быть обеспечены надёжной охраной.
3. Конструкция источников ионизирующего излучения такова, что при небрежном или неумелом обращении они могут нанести вред здоровью человека.
В России на базе ФГУП Всероссийского научно-исследовательского института химической технологии (ВНИИХТ) Росатома создан Центр государственного учета и контроля радиоактивных веществ и отходов. В 2000-2001 гг., согласно решению Правительства РФ, проведена Государственная инвентаризация радиоактивных материалов, радиоактивных отходов и источников ионизирующих излучений. Созданы и функционируют региональные ведомственные информационно аналитические центры. Они производят сбор, обработку и анализ информации об образовании, перемещении, переработке и хранению РВ.
Масштабы и сфера использования радионуклидных источников имеют тенденцию к увеличению, и проблема безопасности обращения с источниками на всех этапах их жизнедеятельного цикла была и будет оставаться одной из важных. В России действует уголовная ответственность за незаконное приобретение, хранение, использование, передачу или разрушение радиоактивных материалов.
Высокоактивные источники утилизируются на "ПО "Маяк". Низкоактивные источники захораниваются на региональных предприятиях НПО "Радон".
Радиофобия. Паническую боязнь любого ионизирующего из-лучения в любом количестве называют радиофобией. Неразумно выбегать из комнаты, в которой ра-ботает счетчик Гейгера и регистрирует естественный радиоак-тивный фон. Нужно понимать, что через каждый см 2 вашей кожи внутрь человека ежесекундно проходит порядка 10 ионизирующих частиц, а в теле человека происходит примерно 10 5 распадов в минуту.
Радиофобия в настоящее время распространилась на телеви-зор, как источник рентгеновского излучения, и на самолет, выносящий человека в верхние слои ат-мосферы, где более высок уровень космического излучения. Те-левизор действительно является источником рентгеновского излу-чения, но при ежедневном просмотре телевизионных программ по три-четыре часа в день за год будет получена доза в 100-200 раз меньше естественного фона. Полет в современном самолете на расстояние 2000 км обусловливает получение примерно одной сотой долю среднего значения естествен-ного облучения в год. На Земле имеются области, где уровень радиации в сотни раз превосходит средний (до 250 мЗв), однако неблагоприятных влияний на здоровье живущих там людей не отмечено.
И систематизация общих сведений о функциях, ... точность употребления географической терминологии ; - самостоятельность ответа... атом, атомное ядро, ионизирующие излучения , планета, звезда, ... навыков работы с источниками , (картографическим и хронологическими...
5 математика и естественные науки
Документ... Общие сведения 535.338.32 Резонансное излучение . ... фотография 535.6:001.4 Терминология в колориметрии 535 ... изменяемости 539.1.03 Источники излучений . Получение источников излучений в лаборатории ® ... . Химическое действие ионизирующего излучения ® 539.1.044 ...
Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра 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. Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. 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.
Источником гамма-излучения являются:
торможение быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение);
процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд;
переходы 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 большими энергиями - десятки-сотни МэВ.
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.
Энергия γ–кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход.
Е2 |
hν Е1
Рис.1 Образование гамма-кванта
Испускание ядром γ-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно 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. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий.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);
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.2 Образование вспышки гамма-излучения
Таинственные вспышки гамма-излучения действительно вызваны последствиями вспышек новых звезд с образованием черных дыр. Это подтвердили результаты нового исследования. Исследователи из Австралии, США и Великобритании - включая Пауля Прайса из Mount Stromlo Observatory в Канберре сообщают о своих результатах 13 сентября в выпуске журнала Nature.
Вспышки гамма-излучения самые сильные и мощные во Вселенной. Они были впервые зарегистрированы в 60-ых годах прошлого века американскими военными, которые ошибочно их приняли за ядерные взрывы советских атомных бомб. С тех пор ученые обнаружили, что они исходят из дальнего космоса – в миллиардах световых лет от нас. Но что было причиной их возникновения оставалось тайной.
Согласно доктору Паулю Фрэнсису, старшему лектору в Австралийском Национальном Университете и астрофизику Прайсу из Mount Stromlo Observatory, недавно появились две конкурирующие гипотезы объяснения причин вспышек гамма-излучения. Одна из них заключалась в том, что вспышки гамма-излучения возникают из-за столкновения нейтронных звезд и черных дыр. Другая основывалась на вспышках гамма-излучения в момент коллапса новых звезд и становления черных дыр.
Однако теперь Прайс и его коллеги нашли, что близлежащие вспышки гамма-излучения фактически столь же мощны как и те, которые исходят из дальнего космоса, просто фиксируются их последствия – вторая стадия. Им удалось впервые засвидетельствовать по крайней мере одну вспышку гамма-излучения, которая была связана с новой звездой.
Кроме гамма-излучения от этих объектов исходит свет и радиоволны. Ученые выяснили, что вспышки гамма-излучения возникают в двух моментах на определенных стадиях. Сначала происходит очень короткий и сильный взрыв, который сопровождается потоками гамма-излучения. Его практически невозможно засечь, поскольку нужно знать где произойдет вспышка в определенный момент времени. Затем возникает более энергичная по длительности вспышка на несколько дней, которая сопровождается "послесвечением" с излучением оптических и радиоволн. Эти последствия коллапса новой звезды фактически составляют только 1% полной энергии от первой вспышки гамма-излучения. Если рассматривать сумму излученной энергии близлежащих вспышек гамма-излучения, включая потоки радио- и световых волн, то они эквивалентны энергии потоков гамма-излучения, приходящих из далекого космоса. То есть, в основном мы регистрируем последствия вспышек новых звезд, так называемое ‘послесвечение’. Миллиарды лет назад, вспышки новых звезд случались гораздо чаще и были интенсивными. Именно их мы и регистрируем, как картину прошлого. Эти вспышки гамма-излучения могут показать нам, как звезды умирают. "Мы теперь знаем", говорит Прайс, "что в то время, как последствия вспышек гамма-излучения являются очень разрушительными, в реальности они составляют только наконечник айсберга по мощи выпущенной энергии."
Рис.3 Процесс получения гамма-излучения от чёрных дыр
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.
Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е изд., перераб. и доп. М., Энергоатомиздат, 1985
Альфа-, бетаи 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
Трофимова Т. И. Курс физики. Учебное пособие для вузов. – Изд 9-е, перераб. И доп. – М:. Издательский центр «Академия», 2004. – 560 с.
В.Ф. Сулейманов. Рентгеновская Астрономия. Физический Факультет Казанского Государственного Университета (Методическое пособие к Специальному практикуму по астрофизике) Казань 1998
Гамма-излучение - (g излучение), коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны l … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (см. гамма) гамма лучи электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами (см. также альфа лучи и бета лучи); гамма излучение той же природы, что и рентгеновског излучение, но с гораздо меньшей длиной волны и большей проникающей… … Словарь иностранных слов русского языка
Поток фотонов с очень высокой частотой, что соответствует короткой длине волны (10 12 м). Энергия гамма фотонов имеет порядок 1 МэВ. Ионизирующая способность гамма лучей невелика (1 2 пары ионов на 1 см “пробега”). Гамма лучи являются одним из… … Экологический словарь
- (g излучение), коротковолновое эл. магн. излучение. Г. и. обладает чрезвычайно малой длиной волны (l?10 8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными св вами, т. е. является потоком ч ц гамма квантов (фотонов) с энергией?g=hw (w… … Физическая энциклопедия
- (гамма лучи), ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ с очень короткими длинами волн, испускаемое ядрами некоторых РАДИОАКТИВНЫХ АТОМОВ. Обладает очень высокой энергией; по проникающей способности выше, чем РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ, поэтому вещества, обладающие… … Научно-технический энциклопедический словарь
гамма-излучение - Фотонное излучение, возникающее в процессе ядерных превращений или при аннигиляции частиц. [РМГ 78 2005] гамма излучение Электромагнитное ионизирующее излучение, эмитируемое особыми радиоактивными материалами [Система неразрушающего контроля.… … Справочник технического переводчика
- (? излучение) коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны 10 8 см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом (см. Тормозное излучение), аннигиляции… … Большой Энциклопедический словарь
ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ, гамма излучения, ср. (спец.). Коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
- (вид ионизирующего излучения) Gamma radiation электромагнитное излучение, испускаемое при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, распространяющееся со скоростью света и обладающее большой энергией и проникающей способностью. Эффективно… … Термины атомной энергетики
Гамма-излучение - (γ излучение) коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны < 10−10 м, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом (тормозное излучение), при… … Российская энциклопедия по охране труда
гамма-излучение - гамма излучение; отрасл. гамма лучи Квантовое излучение атомных ядер … Политехнический терминологический толковый словарь
Книги
- Теоретические основы физических процессов ядерного взрыва , Любомудров А.А.. Излагаются теоретические основы процессов, протекающих при ядерном взрыве. Рассматриваются начальные процессы ядерного взрыва, ударная волна, волны сжатия в грунте и приводятся методы расчета…
Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях. Самое коротковолновое гамма – излучение испускают атомные ядра. Гамма-излучение - это самый широкий диапазон электромагнитного спектра с длиной волны с м
Гамма-излучение Мягкое E от 1,6 · Дж ν от 2 ·10 19 Гц λ м Жесткое E от 1.6 · Дж ν от 2 · Гц λ до м Сверхвысоких энергий E от1.6 · Дж ν от 2 ·10 25 Гц λ до м Ультравысоких энергий E 1,6 · Дж ν от 2 · Гц λ до м
Остаток вспышки сверхновой звезды Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS. Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых звезд служат источниками космических лучей, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение. Гамма-телескоп сверхвысоких энергий HESS
Основные процессы, возникающие при прохождении гамма- излучения через вещество Фотоэффект (гамма-излучение поглощается электроном атомной оболочки, передавая ему всю энергию и ионизируя атом). Фотоядерные процессы (гамма- излучение способно выбивать нуклоны (р и n) из ядра).
Биологические эффекты Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. 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 фактором.
Защита 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 и пр.)
