Гамма-випромінювання
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гамма-випромінювання

Гамма-випромінювання, короткохвильове електромагнітне випромінювання. На шкалі електромагнітних хвиль воно граничить з жорстким рентгенівським випромінюванням, займаючи область вищих частот. Г.-и. володіє надзвичайно малою довжиною хвилі ( l £ 10 -8 см ) і внаслідок цього яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто поводиться подібно до потоку часток — гамма-квантів, або фотонів, з енергією hv ( v — частота випромінювання, h — Планка постійна ) .

загрузка...

  Г.-и. виникає при розпадах радіоактивних ядер, елементарних часток, при анігіляції пар частка-античастка, а також при проходженні швидких заряджених часток через речовину.

  Г.-и., супроводжуюче розпад радіоактивних ядер, випускається при переходах ядра з більш збудженого енергетичного полягання в менш збуджене або в основне. Енергія g -кванта дорівнює різниці енергій DE стані, між якими відбувається перехід ( мал. 1 ). Випускання ядром g -кванта не спричиняє за собою зміни атомного номера або масового числа, на відміну від ін. видів радіоактивних перетворень (див. Альфа-розпад, Бета-розпад ) . Ширіна ліній Г.-и. зазвичай надзвичайно мала (~10 -2 ев ). Оскільки відстань між рівнями (від декількох кев до декількох Мев ) в багато раз більше ширини ліній, спектр Г.-и. є лінійчатим, тобто складається з ряду дискретних ліній. Вивчення спектрів Г.-и. дозволяє встановити енергії збуджених станів ядер (див. Ядерна спектроскопія, Ядро атомне ) .

  гамма-кванти з великими енергіями випускаються при розпадах деяких елементарних часток. Так, при розпаді що покоїться -мезона виникає Г.-и. з енергією ~70 Мев. Г.-и. від розпаду елементарних часток також утворює лінійчатий спектр. Елементарні частки, що проте випробовують розпад, часто рухаються з швидкостями, порівнянними із швидкістю світла с. Внаслідок цього виникає доплеровськоє розширення лінії (див. Доплера ефект ) і спектр Г.-и. виявляється розмитим в широкому інтервалі енергії (див. Елементарні частки ) .

  Г.-и., що утворюється при проходженні швидких заряджених часток через речовину, викликається їх гальмуванням в кулонівському полі атомних ядер речовини. Гальмівне Г.-и., так само як і гальмівне рентгенівське випромінювання, характеризується суцільним спектром, верхній кордон якого збігається з енергією зарядженої частки, наприклад електрона. У прискорювачах заряджених часток отримують гальмівне Г.-и. з максимальною енергією до декількох десятків Гев (див. Гальмівне випромінювання ) .

  В міжзоряному просторі Г.-и. може виникати в результаті зіткнень квантів м'якшого довгохвильового електромагнітного випромінювання, наприклад світла, з електронами, прискореними магнітними полями космічних об'єктів. При цьому швидкий електрон передає свою енергію електромагнітному випромінюванню і видиме світло перетворюється на жорсткіше Г.-и. (див. Гамма-астрономія ) .

  Аналогічне явище може мати місце в земних умовах при зіткненні електронів великої енергії, що отримуються на прискорювачах, з фотонами видимого світла в інтенсивних пучках світла, що створюються лазерами . Електрон передає енергію світловому фотону, який перетворюється на g -квант. Т. о., можна на практиці перетворювати окремі фотони світла на кванти Г.-и. високій енергії.

  Г.-и. володіє великою проникаючою здатністю, тобто може проникати крізь великі товщі речовини без помітного ослабіння. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії Г.-и. з речовиною, — фотоелектричне поглинання (фотоефект), комптонівське розсіяння (комптон-ефект) і утворення пар електрон-позитрон. При фотоефекті відбувається поглинання g -кванта одним з електронів атома, причому енергія g -кванта перетвориться (за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі) в кінетичну енергію електрона, що вилітає за межі атома. Вірогідність фотоефекту прямо пропорційна 5-ій мірі атомного номера елементу і назад пропорційна 3-ій мірі енергії Г.-и. (див. Фотоефект ) . Т. о., фотоефект переважає в області малих енергій g -квантов (£ 100 кев) на важких елементах (Pb, U).

  При комптон-ефекті відбувається розсіяння g -кванта на одному з електронів, слабо зв'язаних в атомі, На відміну від фотоефекту, при комптон-ефекті g -квант не зникає, а лише змінює енергію (довжину хвилі) і напрям поширення. Вузький пучок гамма-променів в результаті комптон-ефекту стає ширшим, а само випромінювання — м'якшим (довгохвильовим). Інтенсивність комптонівського розсіяння пропорційна числу електронів в 1 см 3 речовини, і тому вірогідність цього процесу пропорційна атомному номеру речовини. Комптон-ефект стає помітним в речовинах з малим атомним номером і при енергіях Г.-и., що перевищують енергію зв'язку електронів в атомах. Так, в разі Pb вірогідність комптонівського розсіяння порівнянна з вірогідністю фотоелектричного поглинання при енергії ~ 0,5 Мев. В_случає Al комптон-ефект переважає при набагато менших енергіях.

  Якщо енергія g -кванта перевищує 1,02 Мев стає можливим процес утворення позитронних для електрона пар в електричному полі ядер. Вірогідність утворення пар пропорційна квадрату атомного номера і збільшується із зростанням hv. Тому при hv ~ 10 Мев основним процесом в будь-якій речовині опиняється утворення пар ( мал. 2 ). Зворотний процес анігіляції позитронної для електрона пари є джерелом Г.-и. (див. Анігіляція і народження пар ) .

  Для характеристики ослабіння Г.-и. у речовині зазвичай користуються коефіцієнт поглинання, який показує, на якій товщині х поглинача інтенсивність I 0 падаючого пучка Г.-и. ослабляється в е раз:

 

  Здесь m 0 — лінійний коефіцієнт поглинання Г.-и. у см -1 . Інколи вводять масовий коефіцієнт поглинання, рівний відношенню m 0 до щільності поглинача. У цих випадках товщину вимірюють в г/см 2 .

  Експоненціальний закон ослабіння Г.-и. справедливий для вузького направленого пучка гамма-променів, коли будь-який процес, як поглинання, так і розсіяння, виводить Г.-и. із складу первинного пучка. Проте при високих енергіях ( hv > 10 Мев ) процес проходження Г.-и. через речовину значно ускладнюється. Вторинні електрони і позитрони володіють великою енергією і тому можуть, у свою чергу, створювати Г.-и. завдяки процесам гальмування і анігіляції. Т. о. в речовині виникає ряд поколінь вторинного Г, що чергуються.-и., електронів і позитронів, тобто відбувається розвиток каскадної зливи. Число вторинних часток в такій зливі спочатку зростає з товщиною, досягаючи максимуму. Проте потім процеси поглинання починають переважати над процесами розмноження часток і злива затухає. Здатність Г.-и. розвивати зливи залежить від співвідношення між його енергією і т.з. критичною енергією, після якої злива в даній речовині практично втрачає здатність розвиватися. Ця енергія Е кр тим вище, чим легше речовина. Так, для повітря Екр = 50 Мев, а для свинцю Екр = 5 Мев.

  Для виміру енергії Г.-и. у експериментальній фізиці застосовуються гамма-спектрометри різних типів, засновані переважно на вимірі енергії вторинних електронів. Основні типи спектрометрів Г.-и.: магнітні, сцинтиляційні, напівпровідникові, дифракційні для кристала (см Гамма-спектрометр, Сцинтиляційний спектрометр, Напівпровідниковий спектрометр ) .

  Вивчення спектрів ядерних Г.-и. дає важливу інформацію про структуру ядер. Спостереження ефектів, пов'язаних з впливом зовнішнього середовища на властивості ядерного Г.-и., використовується для вивчення властивостей твердих тіл (див. Мессбауера ефект, Орієнтовані ядра ). Г.-и. знаходить вживання в техніці, наприклад для виявлення дефектів в металевих деталях (гамма-дефектоскопія, див.(дивися) Дефектоскопія ) . В радіаційній хімії Г.-и. застосовується для ініціації хімічних перетворень, наприклад процесів полімеризації. Г.-и. використовується в харчовій промисловості для стерилізації продуктів харчування. Основними джерелами Г.-и. служать природні і штучні радіоактивні ізотопи, наприклад 226 Ra, 60 Co і 137 Cs, а також електронні прискорювачі.

  Е. М. Лейкин.

  Дія на організм Г.-и. подібно до дії ін. видів іонізуючих випромінювань . Г.-и. може викликати променеве ураження організму, аж до його загибелі. Характер впливу Г.-и. залежить від енергії g -квантов і просторових особливостей опромінення (наприклад, зовнішнє або внутрішнє). Відносна біологічна ефективність (ОБЕ) Г.-и. (ефективність жорсткого рентгенівського випромінювання приймається за 1) складає 0,7—0,9. У виробництв. умовах (хронічна дія в малих дозах) ОБЕ Г.-и. прийнята рівною 1.

  Г.-и. використовується в медицині для лікування пухлин (див. Променева терапія ) , для стерилізації приміщень, апаратури і лікарських препаратів (див. Гамма-установка ) . Г.-и. застосовують також для здобуття мутацій з подальшим відбором господарсько-корисних форм. Так виводять високопродуктивні сорти мікроорганізмів (наприклад, для здобуття антибіотиків ) і рослин. Див. також Біологічне дія іонізуючих випромінювань .

 

  Літ.: Альфа-, бета- і гамма-спектроскопія, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. До. Зігбана, в, 1, М., 1969; Експериментальна ядерна фізика, під ред. Е. Сегре, пер.(переведення) з англ.(англійський), т. 1, М., 1955: Гамма-промені, М. — Л., 1961; Глесстон С., Атом. Атомне ядро. Атомна енергія, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961.

Мал. 2. Залежність коефіцієнта поглинання гамма-випромінювання в свинці від енергії g-квантів Е .

Ріс.1 до ст. Гамма-випромінювання.