ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation
Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:
| Название | Длина волны, м | Частота, Гц |
|---|---|---|
| радиоволны | 3·105 - 3 | 103 - 108 |
| микроволны | 3 - 3·10-3 | 108 - 1011 |
| инфракрасное излучение | 3·10-3 - 8·10-7 | 1011 - 4.1014 |
| видимый свет | 8·10-7 - 4·10-7 | 4·1014 - 8·1014 |
| ультрафиолетовое излучение | 4·10-7 - 3·10-9 | 8·1014 - 1017 |
| рентгеновское излучение | 3·10-9 - 10-10 | 1017 - 3·1018 |
| гамма-излучение | < 10-10 | > 3·1018 |
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 (h – постоянная Планка, равная 4.14·10-15
эВ.сек, ν – частота электромагнитных колебаний).
Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны
λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для
других типов электромагнитных волн:
ν·λ = с (с – скорость света).
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.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых
заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении
в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом
пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик,
квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах 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 бoльшими энергиями - десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных
частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер
вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии
спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной
частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение
с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить 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.
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) и 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. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.
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.