Откуда берется гамма излучение. Что такое гамма-лучи

Каждый человек наверняка слышал о трех типах радиоактивного излучения - альфа, бета и гамма. Все они возникают в процессе радиоактивного распада вещества, и у них есть как общие свойства, так и различия. Наибольшую опасность несет последний тип излучения. Что же он представляет собой?

Природа радиоактивного распада

Чтобы детальнее понять свойства гамма-распада, необходимо рассмотреть природу ионизирующего излучения. Это определение означает, что энергия такого типа излучения очень высока - когда оно попадает в другой атом, называемый «атом-мишень», он выбивает движущийся по его орбите электрон. При этом атом-мишень становится положительно заряженным ионом (поэтому излучение и было названо ионизирующим). От ультрафиолетового или инфракрасного это излучение отличается высокой энергией.

В целом альфа-, бета- и гамма-распады имеют общие свойства. Можно представить себе атом в виде маленького зернышка мака. Тогда орбита электронов будет мыльным пузырем вокруг него. При альфа-, бета- и гамма-распаде из этого зернышка вылетает крошечная частица. При этом заряд ядра меняется, а это означает, что был образован новый химический элемент. Пылинка несется с гигантской скоростью и врезается в электронную оболочку атома-мишени. Потеряв электрон, атом-мишень становится положительно заряженным ионом. Однако при этом химический элемент остается тем же, ведь ядро атома-мишени осталось прежним. Ионизация является процессом химической природы, практически тот же процесс происходит при взаимодействии некоторых металлов, которые растворяются в кислотах.

Где еще происходит γ-распад?

Но ионизирующие излучения происходят не только при радиоактивном распаде. Они также происходят при атомных взрывах и в ядерных реакторах. На Солнце и других звездах, а также в водородной бомбе осуществляется синтез легких ядер, сопровождающийся ионизирующим излучением. В оборудовании для рентгена и тоже происходит этот процесс. Основное свойство, которое имеют альфа-, бета-, гамма-распады - это высочайшая энергия ионизации.

А различия между этими тремя типами излучений определяются их природой. Радиация была открыта в конце XIX столетия. Тогда никто не знал, что представляет собой это явление. Поэтому три типа излучений и были названы буквами латинского алфавита. Гамма-излучение было открыто в 1910 году ученым по имени Генри Грэгг. Гамма-распад имеет такую же природу, как и солнечный свет, инфракрасные лучи, радиоволны. По своим свойствам γ-лучи представляют собой фотонное излучение, однако энергия содержащихся в них фотонов очень высока. Другими словами, это излучение с очень короткой длиной волны.

Свойства гамма-лучей

Это излучение чрезвычайно легко проникает через любые препятствия. Чем более плотный материал стоит на его пути, тем он лучше его задерживает. Чаще всего с этой целью используют свинцовые или бетонные конструкции. В воздухе γ-лучи легко преодолевают десятки и даже тысячи метров.

Гамма-распад очень опасен для человека. При его воздействии могут повреждаться кожа и внутренние органы. Бета-излучение можно сравнить со стрельбой мелкими пулями, а гамма - со стрельбой иглами. Во время ядерной вспышки, помимо гамма-излучения, также происходит образование нейтронных потоков. Гамма-лучи попадают на Землю вместе с Помимо них, оно несет на Землю протоны и другие частицы.

Действие гамма-лучей на живые организмы

Если сравнить альфа-, бета- и гамма-распады, то последний будет наиболее опасным для живых организмов. Скорость распространения этого типа излучения равна скорости света. Именно из-за его высокой скорости оно быстро попадает в живые клетки, вызывая их разрушение. Каким образом?

На пути γ-излучение оставляет большое количество ионизированных атомов, которые в свою очередь ионизируют новую порцию атомов. Клетки, которые подверглись мощному воздействию гамма-излучения, изменяются на различных уровнях своей структуры. Трансформировавшись, они начинают разлагаться и отравлять организм. И самым последним этапом является появление дефектных клеток, которые уже не могут нормально выполнять свои функции.

У человека разные органы имеют разную степень чувствительности к гамма-излучению. Последствия зависят от полученной дозы ионизирующего излучения. В результате этого в организме могут происходить различные физические процессы, нарушаться биохимия. Наиболее уязвимыми являются органы кроветворения, лимфатическая и пищеварительная системы, а также структуры ДНК. Это воздействие опасно для человека и тем, что излучение накапливается в организме. А также оно имеет скрытый период воздействия.

Формула гамма-распада

Чтобы вычислить энергию гамма-излучения, можно воспользоваться следующей формулой:

В этой формуле h - постоянная Планка, v - частота кванта электромагнитной энергии, с - скорость света, λ - длина волны.

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:

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение, испускаемое при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, т. е. при переходе ядра атома из одного энергетического состояния в другое.

Г.-и. применяют в медицине для лечения опухолей (см. Гамма-терапия , Лучевая терапия), а также для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Стерилизация , холодная). В качестве источников Г.-и. используют гамма-излучатели - естественные и искусственные радиоактивные изотопы (см. Изотопы , радиоактивные), в процессе распада

которых испускаются гамма-кванты. Гамма-излучатели применяют для изготовления источников Г.-и. различной интенсивности и конфигурации (см. Гамма-аппараты).

По своей природе гамма-лучи сходны с рентгеновскими, инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами, а также с видимым светом и радиоволнами. Эти виды электромагнитного излучения (см.) отличаются только условиями образования. Напр., в результате торможения быстро летящих заряженных частиц (электронов, альфа-частиц или протонов) возникает тормозное излучение (см.); при различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное происходит испускание видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового или характеристического рентгеновского излучения (см.).

В процессе взаимодействия с веществом электромагнитное излучение проявляет как волновые свойства (интерферирует, преломляется, дифрагирует), так и корпускулярные. Поэтому его можно характеризовать по длине волны или рассматривать как поток незаряженных частиц - квантов (фотонов), которые обладают определенной массой Мк и энергией (E=hv, где h=6,625×10 27 эрг×сек - квант действия, или постоянная Планка, ν = c/λ - частота электромагнитного излучения). Чем выше частота, а следовательно и энергия электромагнитного излучения, тем в большей мере проявляются его корпускулярные свойства.

Свойства различных видов электромагнитного излучения не зависят от способа их образования и определяются длиной волны (λ) или энергией квантов (E). При этом следует иметь в виду, что энергетической границы между тормозным и Г.-и. не существует, в отличие от таких видов электромагнитного излучения, как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, для каждого из которых характерен определенный диапазон энергий (или длин волн), практически не перекрывающийся. Так, энергия гамма-квантов, испускаемых в процессе радиоактивного распада (см. Радиоактивность), лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт, а при некоторых ядерных превращениях может достигать десятков мега-электрон-вольт. В то же время на современных ускорителях генерируется тормозное излучение с энергией от нуля до сотен и тысяч мега-электрон-вольт. Однако тормозное и Г.-и. существенно различаются не только по условиям образования. Спектр тормозного излучения - непрерывный, а спектр Г.-и., как и спектр характеристического излучения атома, - дискретный (линейчатый). Объясняется это тем, что ядра, так же как атомы и молекулы, могут находиться только в определенных энергетических состояниях, и переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно.

В процессе прохождения через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с самим ядром. В результате происходит ослабление интенсивности первичного пучка Г.-и. в основном за счет трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), некогерентного рассеяния (комптон-эффект) и образования пар.

Фотоэлектрическое поглощение - процесс взаимодействия с электронами атомов, при к-ром гамма-кванты передают им всю свою энергию. В результате гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии. В этом случае энергия гамма-кванта передается преимущественно электронам, находящимся на К-оболочке (т. е. на оболочке, наиболее близкой к ядру). С увеличением атомного номера вещества-поглотителя (z) вероятность фотоэффекта растет примерно пропорционально 4-й степени атомного номера вещества (z 4), а с увеличением энергии гамма-квантов вероятность этого процесса резко уменьшается.

Некогерентное рассеяние - взаимодействие с электронами атомов, при к-ром гамма-квант передает электрону только часть своей энергии и количества движения и после соударения изменяет направление своего движения (рассеивается). В этом случае взаимодействие происходит в основном с внешними (валентными) электронами. С увеличением энергии гамма-квантов вероятность некогерентного рассеяния уменьшается, но более медленно, чем вероятность фотоэффекта. Вероятность процесса возрастает пропорционально увеличению атомного номера вещества-поглотителя, т. е. примерно пропорционально его плотности.

Образование пар - процесс взаимодействия Г.-и. с электрическим полем ядра, в результате к-рого происходит превращение гамма-кванта в пару частиц: электрон и позитрон. Этот процесс наблюдается только при энергии гамма-кванта больше 1,022 Мэв (больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона); с увеличением энергии гамма-кванта вероятность этого процесса возрастает пропорционально квадрату атомного номера вещества-поглотителя (z 2).

Наряду с основными процессами взаимодействия Г.-и. с веществом наблюдается когерентное (классическое) рассеяние Г.-и. Это такой процесс взаимодействия с электронами атома, в результате к-рого гамма-квант изменяет только направление своего движения (рассеивается), а его энергия не изменяется. До процесса рассеяния и после него электрон остается связанным с атомом, т. е. его энергетическое состояние не изменяется. Этот процесс существен только для Г.-и. с энергией до 100 кэв. При энергии излучения выше 100 кэв вероятность когерентного рассеяния на 1-2 порядка меньше, чем некогерентного. Гамма-кванты могут взаимодействовать также с ядрами атомов, вызывая различные ядерные реакции (см.), называемые фотоядерными. Вероятность фотоядерных реакций на несколько порядков меньше, чем вероятность других процессов взаимодействия Г.-и. с веществом.

Т. о., при всех основных процессах взаимодействия гамма-квантов с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию (см.). В результате ионизации в сложных хим. веществах происходит изменение их хим. свойств, а в живой ткани эти изменения в конечном итоге приводят к биол, эффектам (см. Ионизирующие излучения , биологическое действие).

Удельный вес каждого из указанных процессов взаимодействия Г.-и. с веществом зависит от энергии гамма-квантов и атомного номера вещества-поглотителя. Так, в воздухе, воде и биол, тканях поглощение за счет фотоэффекта составляет 50% при энергии Г.-и., равной примерно 60 кэв. При энергии 120 кэв доля фотоэффекта составляет всего 10% , а начиная с 200 кэв основным процессом, обусловливающим ослабление Г.-и. в веществе, является некогерентное рассеяние. Для веществ со средним атомным номером (железо, медь) доля фотоэффекта незначительна при энергии больше 0,5 Мэв; для свинца фотоэффект необходимо учитывать до энергии Г.-и. порядка 1,5-2 Мэв. Процесс образования пар начинает играть нек-рую роль для веществ с малым атомным номером примерно с 10 Мэв, а для веществ с большим атомным номером (свинец) - с 2,5-3 Мэв. Ослабление Г.-и. в веществе происходит тем сильнее, чем меньше энергия гамма-квантов и чем больше плотность и атомный номер вещества. При узком направлении пучка Г.-и. уменьшение интенсивности моноэнергетического Г.-и. (состоящего из гамма-квантов с одинаковой энергией) происходит по экспоненциальному закону:

где I - интенсивность излучения в данной точке после прохождения слоя поглотителя толщиной d, I o - интенсивность излучения в этой же точке при отсутствии поглотителя, e - число, основание натуральных логарифмов (е = 2,718), μ (см -1) - линейный коэффициент ослабления, характеризующий относительное ослабление интенсивности Г.-и. слоем вещества толщиной в 1 см; линейный коэффициент ослабления представляет собой суммарную величину, складывающуюся из линейных коэффициентов ослабления τ, σ и χ, обусловленных соответственно процессами фотоэффекта, некогерентного рассеяния и образования пар (μ =τ+σ+χ).

Т. о., коэффициент ослабления зависит от свойств поглотителя и от энергии Г.-и. Чем тяжелее вещество и чем меньше энергия Г.-и., тем больше коэффициент ослабления.

Библиография: Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений, с. 48 и др., М.-Л., 1950; Бибергаль А. В., Маргулис У. Я. и Воробьев Е. И. Защита от рентгеновских и гамма-лучей, М., 1960; Гусев Н. Г. и др. Физические основы защиты от излучений, с. 82, М., 1969; Кимель Л. Р. и Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений, с. 74, М., 1972.

У. Я. Маргулис.

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 - 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.