Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи), виды, образование, биологическая опасность и защита.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — это вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны – менее 2⋅10−10 м – и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) и его виды
Возникновение и образование гамма-излучения
Биологический эффект и опасность гамма-излучения
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) и его виды:
Гамма-излучение (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.
Гамма-излучение относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.
Гамма-излучение (в узком смысле) – это проникающее электромагнитное излучение, возникающее при спонтанных превращениях («распаде») атомных ядер многих естественных или искусственно созданных радиоактивных элементов (радионуклидов).
В более широком смысле гамма-излучением называется любое электромагнитное излучение с квантовыми энергиями от нескольких сотен килоэлектронвольт и выше, независимо от характера их возникновения.
Название гамма-лучей происходит от деления ионизирующего излучения на альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение в соответствии с их возрастающей способностью проникать в материю. Альфа- и бета-лучи состоят из заряженных частиц и поэтому взаимодействуют с материей значительно сильнее, чем незаряженные фотоны или кванты гамма-излучения. Соответственно, последние имеют значительно более высокую проникающую способность.
Альфа-излучение (α-лучи) – это поток ядер атомов гелия-4, имеющих положительный заряд. Ядро атома гелия-4 (α-частица) – 42He2+ образовано двумя протонами и двумя нейтронами.
Бета-излучение (β-лучи) являют собой поток электронов – е– (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов – p (соответственно, частиц с положительным зарядом).
Гамма-излучение (γ-лучи) представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Энергия гамма-квантов может составлять от нескольких сотен килоэлектронвольт (кэВ) до нескольких сотен гигаэлектронвольт (ГэВ) и выше. Последнее (сверхвысокие значения энергий гамма-лучей) характерно для космических лучей. Так, очень высокоэнергетические гамма-лучи в диапазоне 100-1000 тераэлектронвольт (ТэВ) наблюдались от таких источников, как микроквазар Cygnus X-3 .
Различают:
– мягкое гамма-излучение (с энергиями фотонов от нескольких сотен килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение средних энергий (с энергиями фотонов от нескольких мегаэлектронвольт до десятков мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение высоких энергий (с энергиями фотонов от нескольких десятков мегаэлектронвольт до 1011 электронвольт),
– гамма-излучение сверхвысоких энергий (с энергиями фотонов свыше 1011 электронвольт).
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением. При этом четкая граница между гамма-излучением и жестким рентгеновским излучением не определена.
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия. Он поместил радий-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) в магнитное поле. В результате компоненты излучения были разделены на три составляющие 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 такую терминологию использования предложил Э. Резерфорд в начале 1903 года.
Возникновение и образование гамма-излучения:
Гамма-излучение возникает:
– при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер в стабильное (при т.н. изомерном переходе);
– при ядерных реакциях,
– при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.),
– при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.
Природные источники гамма-излучения, возникающие на Земле, в основном являются результатом радиоактивного распада и вторичного излучения от атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей. Встречаются и другие редкие природные источники такие как земные гамма-вспышки (всплески гамма-лучей, происходящие в атмосфере Земли).
Гамма излучение также возникает в космическом пространстве.
Биологический эффект и опасность гамма-излучения:
Гамма-излучение опасно для жизни и здоровья. Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь, а в некоторых случаях – и смерть.
Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором. Оно поражает ДНК клеток человека.
Свойства гамма-излучения:
– гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями;
– гамма-лучи характеризуются большей проникающей способностью (по сравнению с α- и β- лучами) при равных энергиях и прочих равных условиях;
– гамма-излучение при прохождении через вещество вызывает ионизацию атомов вещества;
– гамма-излучение при прохождении через вещество вызывает различные физические эффекты: фотоэффект, комптон-эффект, эффект образования пар, ядерный фотоэффект;
– гамма-излучение, воздействуя на живой организм, вызывает хроническую и острую лучевую болезнь, а также смерть.
Фотоэффект или фотоэлектрический эффект – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения (например, гамма-излучения) с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества (энергия фотона поглощается электроном оболочки атома). В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нём своё энергетическое состояние, переходят из связанного состояния в свободное без вылета наружу) фотоэффект. При внутреннем фотоэффекте как следствие поглощения фотона образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.
При взаимодействии гамма-кванта с веществом происходит поглощение энергии гамма-кванта электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным).
Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера химического элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Фотоэффект, как правило, преобладает при энергиях гамма-кванта от нескольких сотен килоэлектронвольт и менее.
Комптон-эффект – явление некогерентного рассеяния электромагнитного излучения (например, фотонов, гамма-квантов) на свободных электронах, сопровождающееся уменьшением частоты электромагнитного излучения (увеличением длины волны). Часть энергии фотонов и гамма-квантов после рассеяния передается электронам.
При взаимодействии гамма-кванта с электроном образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
Эффект образования (рождения) пар – явление, при котором возникают пары частица-античастица. Эффект образования (рождения) пар является обратным процессу аннигиляции,
Гамма-квант, взаимодействуя с электромагнитным полем атомного ядра, превращается в электрон и позитрон.
Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта энергии выше 3 МэВ с электромагнитным полем ядра является преобладающим процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом. При более низких энергиях гамма-квантов действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект. А при энергиях гамма-кванта ниже 1,022 МэВ эффект рождения пар вообще отсутствует.
Ядерный фотоэффект – явление испускания ядрами атомов нуклонов (протонов и нейтронов) при ядерных реакциях, происходящих при поглощении гамма-квантов ядрами атомов.
Ядерный фотоэффект действует при энергиях гамма-кванта выше нескольких десятков МэВ.
Применение гамма-излучения:
– в гамме-дефектоскопии: контроль качества изделий просвечиванием γ-лучами;
– в пищевой промышленности при консервировании пищевых продуктов: гамма-стерилизация для увеличения срока хранения;
– в медицине;
– в приборах для измерения расстояний: уровнемеры, гамма-высотомеры на космических аппаратах;
– в ходе гамма-каротажа в геофизике;
– в гамма-астрономии.
Защита от гамма-излучения:
Защитой от гамма-излучения служит слой вещества (материала). Эффективность защиты зависит от характера вещества и толщины его слоя.
Ниже в таблице приводится толщина слоя половинного ослабления гамма-излучения с энергией 1 МэВ для различных материалов.
| Материал защиты | Плотность, г/см³. | Толщина слоя половинного ослабления, см. | Масса 1 см². слоя половинного ослабления, г |
| Свинец | 11,3415 | 0,8 | 9,0732 |
| Бетон | 1,5-3,5 | 3,8-6,9 | 5,7-24,15 |
| Сталь | 7,5-8,05 | 1,27 | 9,53-10,22 |
| Железо | 7,874 | 1,5 | 11,811 |
| Алюминий | 2,6989 | 4,3 | 11,60527 |
| Вольфрам | 19,25 | 0,33 | 6,3525 |
| Вода | 1,00 | ~10 | ~10 |
| Обеднённый уран | 19,5 | 0,28 | 5,46 |
| Воздух, при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм.) и температуре 20 °C | 0,0012041 | ~8500 | ~10,23 |
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гамма-излучение
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com