Гамма-излучение

У этого термина существуют и другие значения, см. Гамма.
Ядерные процессы
Радиоактивный распад
Нуклеосинтез
Художественная иллюстрация: ядро атома испускает гамма-квант

Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны — менее 2⋅10−10 м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами[1]. Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков[2].

Гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Условно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1—100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. Изомерный переход; энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях, при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях (см. Синхротронное излучение, Тормозное излучение). Энергия гамма-квантов, возникающих при переходах между возбуждёнными состояниями ядер, не превышает нескольких десятков МэВ. Энергии гамма-квантов, наблюдающихся в космических лучах, могут превосходить сотни ГэВ.

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом[3] в 1900 году при исследовании излучения радия[4][5]. Три компонента ионизирующего излучения радия-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) были разделены по направлению отклонения частиц в магнитном поле: излучение с положительным электрическим зарядом было названо α-лучами, с отрицательным — β-лучами, а электрически нейтральное, не отклоняющееся в магнитном поле излучение получило название γ-лучей. Впервые такая терминология была использована Э. Резерфордом в начале 1903 года[4]. В 1912 году Резерфорд и Эдвард Андраде[en] доказали электромагнитную природу гамма-излучения[4].

Физические свойства

Вклад разных эффектов в коэффициент поглощения гамма-излучения разной энергии в алюминии

Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

  • Фотоэффект — энергия гамма-кванта ПОГЛОЩАЕТСЯ электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным).
  • Комптон-эффект — гамма-квант РАССЕИВАЕТСЯ при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
  • Эффект образования пар — гамма-квант в электрическом поле ядра превращается в электрон и позитрон.
  • Ядерный фотоэффект — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.

Детектирование

Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения (сцинтилляционных, газонаполненных, полупроводниковых и т. д.).

Использование

Области применения гамма-излучения:

Биологические эффекты

Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток при локальном воздействии на них. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным 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, обеднённого урана и пр.).

В таблице ниже указаны параметры слоя половинного ослабления[en] гамма-излучения с энергией 1 МэВ для различных материалов:

Материал защиты Плотность, г/см³ Слой половинного ослабления, см Масса 1 см² слоя половинного ослабления, г
Воздух 0,0013[7] ~8500[7][8] 11,05
Вода 1,00[7] ~10[7][9][8] 10
Бетон 1,5-3,5[10] 3,8-6,9[10] 10,35-13,3
Алюминий 2,82[7] 4,3[7][8] 12,17
Сталь 7,5-8,05[11] 1,27[12] 9,53-10,22
Свинец 11,35[7] 0,8[12][7][9][8] 9,08
Вольфрам 19,3[13] 0,33[12] 6,37
Обеднённый уран 19,5[14] 0,28[12] 5,46

Хотя эффективность поглощения и зависит от материала, первоочередное значение имеет просто удельный вес.

Примечания

  1. ↑ Д. П. Гречухин. Гамма-излучение // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
  2. ↑ РМГ 78-2005. Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и понятия. Архивная копия от 10 сентября 2016 на Wayback Machine М.: Стандартинформ, 2006.
  3. ↑ Согласно практической транскрипции, правильным вариантом передачи фамилии является Вильяр, однако данный вариант не встречается в источниках.
  4. ↑ 1 2 3 The discovery of gamma rays Архивировано 16 марта 2005 года. (англ.)
  5. ↑ Gerward L. Paul Villard and his Discovery of Gamma Rays // Physics in Perspective. — 1999. — Vol. 1. — P. 367—383.
  6. ↑ В РФ планируется программа гамма-стерилизации сельхозпродукции. РИА Новости (28 сентября 2010). Дата обращения: 28 сентября 2010. Архивировано 25 августа 2011 года.
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Half Value Layers (in cm) for Gamma and X-Ray Radiations at Varying Energies for Various Materials (англ.). Snow College. Дата обращения: 4 февраля 2020.
  8. ↑ 1 2 3 4 Absorption ofγ-rays –Determination of the Half-valueThickness of Absorber Materials. Laboratory Manuals for Students in Biology and Chemistry - Course PHY117. Physik-Institut der Universität Zürich. Дата обращения: 10 февраля 2020. Архивировано 10 июня 2020 года.
  9. ↑ 1 2 Shielding Radiation - Alphas, Betas, Gammas and Neutrons (англ.). USA NRC (7 мая 2011). Дата обращения: 5 февраля 2020. Архивировано 5 февраля 2020 года.
  10. ↑ 1 2 A. Akkaş. Determination of the Tenth and Half Value Layer Thickness of Concretes with Different Densities : [англ.] : [арх. 24 октября 2018] // Acta Physica Polonica A. — 2016. — Т. 129, вып. Special Issue of the 5th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress & Exhibition APMAS2015, Lykia, Oludeniz, Turkey, April 16-19, 2015, № 4 (April). — С. 770-772. — doi:10.12693/APhysPolA.129.770.
  11. ↑ Elert, Glenn Density of Steel. Дата обращения: 23 апреля 2009. Архивировано 2 ноября 2019 года.
  12. ↑ 1 2 3 4 Half-Value Layer. NDT Resource Center. Дата обращения: 4 февраля 2020. Архивировано 5 января 2020 года.
  13. ↑ Tungsten (англ.). Midwest Tungsten Service. Дата обращения: 11 февраля 2020. Архивировано 9 февраля 2020 года.
  14. ↑ Brian Littleton. Depleted Uranium Technical Brief (англ.). U.S. Environmental Protection Agency (Dec. 2006). Дата обращения: 11 февраля 2020. Архивировано 10 июня 2020 года.

Литература