GAMMA ZRAČENJE (γ-zračenje), kratkotalasno elektromagnetno zračenje (talasna dužina λ≤10 -10 m, kraća od rendgenskih zraka). Pri tako malom λ, valna svojstva gama zračenja su slabo ispoljena, a korpuskularna svojstva su od najveće važnosti. Gama zračenje je tok čestica - gama kvanta, koje, kao i druge fotone, karakteriše energija E = hv (h je Plankova konstanta, v je frekvencija elektromagnetnih oscilacija). Gama zračenje je otkriveno početkom 20. stoljeća kao komponenta zračenja radioaktivnih jezgara, koja se pri prolasku kroz magnetsko polje nije odstupila, za razliku od α i ß zračenja. Godine 1914. E. Rutherford je zajedno sa engleskim fizičarem E. Andradeom, u eksperimentima na difrakciji gama zraka na kristalu, dokazao elektromagnetnu prirodu gama zračenja.

Gama zračenje mogu emitovati atomska jezgra i elementarne čestice, kao i kao rezultat nuklearnih reakcija i reakcija između čestica, posebno anihilacije parova čestica-antičestica. Gama zračenje može biti apsorbirano od strane atomskih jezgara i može uzrokovati transformaciju čestica. Proučavanje spektra gama zračenja koje nastaje u procesima interakcije čestica i gama zračenja jezgara daje informacije o strukturi ovih mikro-objekata.

Gama-zračenje jezgara se emituje prilikom prelaza jezgra iz stanja sa višom energijom u stanje sa nižom energijom, a energija emitovanog gama-kvanta, do neznatne energije trzanja jezgra, jednaka je razlika u energijama ovih stanja (nivoa) jezgra. Energija nuklearnog gama zračenja je u rasponu od nekoliko keV do nekoliko MeV; spektar ovog zračenja je linijski, odnosno sastoji se od više diskretnih linija. Proučavanje spektra nuklearnog gama zračenja omogućava određivanje energije stanja (nivoa) jezgra.

Prilikom raspada čestica i reakcija sa njihovim učešćem obično se emituju gama kvanti sa energijama od desetina do stotina MeV.

Gama zračenje može nastati i kada se brzo nabijene čestice usporavaju u mediju (kočno zračenje) ili kada se kreću u jakim magnetnim poljima (sinhrotronsko zračenje). Gama zračenje kočnog zračenja ima kontinuirani spektar koji se smanjuje s povećanjem energije, čija se gornja granica poklapa s kinetičkom energijom nabijene čestice. U akceleratorima čestica, energija kočnog zračenja doseže desetine GeV.

Gama zračenje se može dobiti sudarom visokoenergetskih elektrona iz akceleratora sa intenzivnim laserskim zrakama. U ovom slučaju, elektron prenosi svoju energiju na optički foton, koji se pretvara u gama zrake. Slična pojava se može dogoditi u svemiru. Kosmički gama zraci dolaze iz pulsara, radio galaksija, kvazara, supernova (vidi Gama astronomiju).

Gama zračenje ima veliku prodornu moć, odnosno može proći kroz velike debljine materije. Intenzitet uskog snopa monoenergetskih gama kvanata opada eksponencijalno s povećanjem udaljenosti koju on pređe u materiji. Glavni procesi interakcije gama zračenja sa materijom su fotoelektrična apsorpcija (fotoelektrični efekat), Comptonovo rasejanje (Comptonov efekat) i formiranje parova elektron-pozitron.

Gama zračenje se koristi u inženjerstvu (na primjer, u detekciji grešaka), radijacijskoj hemiji za pokretanje hemijskih transformacija (na primjer, tokom polimerizacije), poljoprivredi, prehrambenoj industriji, medicini itd.

Lit.: De Benedetti S. Nuklearne interakcije. M., 1968; Frauenfelder G., Henley E. Subatomska fizika. M., 1979; Valentin L. Subatomska fizika: jezgra i čestice. M., 1986. T. 2; Mukhin KN Eksperimentalna nuklearna fizika. M., 1993. Knj. 1. Dio 1.

I. M. Kapitonov.

Djelovanje na tijelo. Gama zračenje djeluje na žive stanice kao i druge vrste jonizujućeg zračenja. Iako je biosfera stalno izložena gama zračenju u sastavu kosmičkih zraka i zračenju radioaktivnih elemenata koji su rasuti u tlu, atmosferi i vodi (radijaciona pozadina Zemlje), njihov intenzitet je nizak i ne predstavljaju opasnost za život. organizmi. Djelovanje gama zračenja manifestira se kao akumulacija sekundarnih elektrona u objektu zračenja i njihov prijenos u obližnje strukture. Ukupno gama-neutronsko zračenje organizama koje prati nuklearne eksplozije, ovisno o dozi, može dovesti do smrti organizama (za čovjeka je smrtonosna doza 100 Gy), razvoja radijacijske bolesti (u dozama od 5-10 Gy). Izlaganje nižim dozama ima opasne dugoročne posljedice: maligna degeneracija stanica, razvoj leukemije, rađanje genetski defektnog potomstva itd. Gama zračenje se u medicini koristi u liječenju onkoloških bolesti (gama terapija; vidi Radioterapija) . Također se koristi u genetskim istraživanjima za dobivanje mutacija u molekulima DNK i selekciju organizama, nakon čega slijedi odabir ekonomski korisnih oblika. Tako su, na primjer, dobijeni visokoproduktivni sojevi mikroorganizama koji proizvode antibiotike. Kao izvori gama zračenja koriste se prirodni i umjetni radioaktivni izotopi (obično 60 Co, rjeđe 137 Cs).

Gdje god postoje električna pražnjenja, postoji zračenje jednog ili drugog spektra. Gama zračenje je vrsta elektromagnetnog zračenja koje ima vrlo kratku talasnu dužinu i sastoji se od tokova gama kvanta (fotona). Utvrđeno je da ovo nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već pratnja raspada alfa i beta zračenja. Gama zračenje se također može pojaviti tijekom nuklearne reakcije, kada se nabijene čestice usporavaju, raspadaju i drugi nuklearni procesi.

Koncept gama zračenja

Radioaktivno zračenje je jonizujuće zračenje, koje nastaje nestabilnim ponašanjem čestica različitog spektra, kada se one jednostavno raspadnu na sastavne dijelove atoma.- protoni, neutroni, elektroni i fotoni. Gama zračenje, uključujući rendgenske zrake, je isti proces. Zračenje ima različit biološki učinak na ljudski organizam - njegova šteta ovisi o sposobnosti čestica da prodiru kroz različite prepreke.

S tim u vezi, gama zračenje ima najizraženiju prodornu sposobnost, što mu omogućava da prodre čak i kroz olovni zid od pet centimetara. Dakle, gama zračenje ili gama zračenje je radioaktivno zračenje koje ima visok stepen radioaktivnog dejstva na živi organizam. Za vrijeme zračenja njihova brzina je jednaka brzini svjetlosti.

Frekvencija gama zračenja je > 3 10 18 , što je najkraći talas i nalazi se na samom dnu u klasifikaciji elektromagnetnih talasa, neposredno ispred rendgenskog zračenja, čije je zračenje nešto duže i iznosi 10 17 - 3 10 18

Alfa, beta i gama zraci su izuzetno opasni za ljude a njihovo intenzivno izlaganje dovodi do radijacijske bolesti koja se manifestira karakterističnim simptomima:

• akutna leukocitoza;
• inhibicija pulsa, smanjenje mišićnog tonusa, usporavanje svih vitalnih procesa;
• gubitak kose;
• uzastopno zatajenje svih organa – prvo jetre, bubrega, kičmene moždine, a potom i srca.

Jednom u tijelu, zraci zračenja uništavaju i mutiraju stanice na način da, nakon što se inficiraju, inficiraju druge. A oni koji su bili u stanju da prežive ponovo se rađaju već nesposobni za deobu i druge vitalne funkcije. Alfa i beta zraci su najopasniji, ali gama čestica je podmukla po tome što u 1 sekundi pređe razdaljinu od 300.000 kilometara i sposobna je pogoditi znatne udaljenosti. Uz malu dozu zračenja, osoba ne osjeća njegovo djelovanje, a ne prepoznaje odmah njegovo destruktivno djelovanje. Može proći nekoliko godina ili nekoliko generacija - ovisno o dozi i vrsti zraka - prije nego što se pojave smetnje. Međutim, uz veliku dozu zračenja, bolest se manifestira u roku od nekoliko sati i ima izražene simptome s bolovima u trbuhu, nekontroliranim povraćanjem i glavoboljom.

Priče naših čitalaca

Vladimir
61 godina

Opasnost od gama zračenja

Gama zraci mogu prodrijeti iz svemira, izvori gama zračenja mogu biti i raspad nekih radioaktivnih stijena - uranijuma, granita, radona i drugih.

Najpoznatiji slučaj trovanja gama zracima je slučaj Aleksandra Litvinjenka., koji je bio posut polonijumom u čaju. Polonijum je radioaktivni element, derivat uranijuma, koji je visoko radioaktivan.

Kvantna energija gama zračenja ima ogromnu snagu, što povećava njihov prodor u žive ćelije i njihovo destruktivno dejstvo. Uzrokujući odumiranje i transformaciju ćelija, gama kvanti se vremenom nakupljaju u organizmu, a istovremeno oštećene ćelije truju organizam svojim toksinima koji se pojavljuju u procesu njihove razgradnje.

Kvant gama zraka je nuklearno zračenje, čestica bez mase i naboja, koja se emituje tokom nuklearne reakcije kada jezgro prelazi iz jednog energetskog stanja u drugo. Kada kvant za proučavanje gama zraka prođe kroz određenu supstancu i stupi u interakciju s njom, tada ova tvar potpuno apsorbira energiju gama-kvanta emisijom svog elektrona.

Opasnost od takvog izlaganja je najštetnija za ljude, jer njegova sposobnost prodiranja ne ostavlja praktički nikakve šanse - olovni zid od 5 cm može apsorbirati samo polovinu gama zračenja. U tom smislu, alfa i beta zraci su manje opasni - alfa zračenje može odgoditi običan list papira, beta zračenje ne može prevladati drveni zid, a praktički nema barijere za gama zračenje. Stoga je izuzetno važno da na ljudskom tijelu ne dođe do dužeg izlaganja ovim zracima.

Kako se zaštititi od gama zračenja

Ulazeći u tijelo s povećanom gama pozadinom, zračenje počinje neprimjetno trovati tijelo, a ako se u kratkom vremenu ne konzumiraju ultravisoke doze, onda se prvi znakovi možda neće pojaviti uskoro. Prije svega, pati hematopoetski sistem, koji prima prvi udarac. Naglo smanjuje broj leukocita, zbog čega je kičmena moždina vrlo brzo zahvaćena i propada. Zajedno sa kičmenom moždinom pate i limfni čvorovi, koji kasnije također otkazuju. Osoba gubi kosu, oštećena mu je DNK. Dolazi do mutacije genoma, što dovodi do kršenja nasljednosti. Kod teških lezija smrt se javlja od raka ili od otkazivanja jednog ili više organa.

Prije kupovine potrebno je izmjeriti gama pozadinu na zemljištu. Pod uticajem nekih podzemnih stena, uključujući i one u podzemnim rekama, tokom tektonskih procesa zemljine kore, sasvim je moguća kontaminacija zemljine površine gama zračenjem.

Zaštita od gama zračenja može biti samo djelomična. Ako se dozvoli takva katastrofa, onda će narednih 300 godina zahvaćeno područje biti potpuno zatrovano, do nekoliko desetina metara sloja tla. Potpuna zaštita ne postoji, ali se mogu koristiti podrumi stambenih zgrada, podzemni rovovi i druga skloništa, iako treba imati na umu da je ova vrsta zaštite samo djelimično efikasna.

Dakle, metode zaštite od gama zračenja se uglavnom sastoje od mjerenja gama pozadine posebnom opremom i ne posjećivanja mjesta s visokim nivoom zračenja - na primjer, Černobil ili okolina Fukušime.

Najveće ispuštanje nuklearnog zračenja u vodu u istoriji čovječanstva dogodilo se 2011. godine u Fukušimi, kada je val cunamija doveo do kvara tri nuklearna reaktora. Radioaktivni otpad se već sedmu godinu ispira u more u količini od 300 tona dnevno. Dimenzije ove katastrofe su užasne. Budući da se ovo curenje ne može otkloniti zbog visoke temperature u zahvaćenom području, nije poznato koliko će se ovaj proces nastaviti. U međuvremenu, podvodno zračenje se već proširilo na značajan dio Tihog okeana.

Opseg gama zračenja

Ako se tok gama čestica namjerno primjenjuje, tada je moguće selektivno uništiti one stanice tijela koje se aktivno razmnožavaju u datom trenutku. Ovaj efekat od upotrebe gama zraka koristi se u medicini u borbi protiv onkologije. U krajnjoj nuždi, i samo kada drugi lijekovi ne uspiju, metoda ozračivanja se ciljano primjenjuje na maligni tumor. Najefikasnija upotreba terapije gama zračenjem na daljinu. Ova metoda je osmišljena kako bi se bolje kontrolirao proces uz minimiziranje rizika i oštećenja zdravog tkiva.

Gama kvanti se koriste i u drugim područjima:

1. Uz pomoć ovih zraka mijenja se energija. Instrument za to, koji se koristi u eksperimentalnoj fizici, naziva se gama spektrometar. Magnetski je, scintilacijski, poluvodički i kristalna difrakcija.
2. Proučavanje spektra nuklearnog gama zračenja daje informacije o nuklearnoj strukturi. Spoljno okruženje, utičući na gama zračenje, proizvodi različite efekte koji su od velikog značaja za razumevanje procesa koji se u ovom slučaju dešavaju. Stoga se svi ovi procesi aktivno proučavaju.
3. Tehnika također koristi gama zrake za otkrivanje nedostataka u metalima. Pošto gama zračenje ima različite nivoe apsorpcije u različitim medijima, ali na istoj udaljenosti širenja, moguće je izračunati defekte koristeći zračenje različitog intenziteta.
4. Radijaciona hemija takođe koristi ovo zračenje da indukuje hemijsku transformaciju u različitim procesima uz pomoć prirodnih ili veštačkih radioaktivnih izotopa i akceleratora elektrona - izvora ove vrste zračenja.
5. Sterilizaciju prehrambenih proizvoda gama zračenjem za svoje potrebe koristi prehrambena industrija.
6. U biljnoj proizvodnji, gama kvanti se koriste kako bi se osiguralo da biljka dobije bolje performanse kroz mutaciju.
7. Uz pomoć gama zraka uzgajaju se i obrađuju neki mikroorganizmi, prave se lijekovi, uključujući i neke antibiotike. Obrađuju sjemenke kako bi ih oslobodili malih štetočina.

Do prije otprilike 100 godina svojstva gama zračenja nisu bila dovoljno proučavana, što je dovelo do nezaštićene upotrebe radioaktivnih elemenata kao medicinske ili mjerne opreme. Gama zračenje se koristilo i za premazivanje raznih nakita i keramičkih proizvoda, te u proizvodnji vitraža. Stoga treba biti oprezan u pohranjivanju i nabavci antikviteta - naizgled bezopasna stvar može biti puna radioaktivne prijetnje.

Gama zračenje je struja elektromagnetnih talasa. Po svojim karakteristikama su bliski rendgenskim zracima, ali imaju više energije, jer. njihova frekvencija oscilacija je veća (< 0,03нм).

Po prirodi gama zračenje je nuklearnog porijekla. . Prati radioaktivni raspad jezgra ili prijelaz jezgra iz jednog energetskog stanja u drugo.

Budući da je talasna dužina gama zračenja srazmerna veličini atoma, a kvantna energija je desetine kiloelektron volti (keV) ili više, njegova prodorna moć je veoma velika.

Prolazeći kroz materiju, elektromagnetski valovi gama zračenja stupaju u interakciju s elektronima atoma, električnim poljem jezgre i samim jezgrom, odnosno s protonima i neutronima jezgre.

Interakcija elektromagnetnih talasa gama zračenja sa elektronima atom se svodi na apsorpciju elektromagnetske energije, čiji se dio troši na pobuđivanje atoma i pretvara se u toplinu, a drugi dio se troši na formiranje nabijenih čestica, odnosno na ionizaciju atoma. Ovaj proces se zove apsorpcija fotoelektrične energije.

Ali budući da energija gama kvanta uvijek premašuje energiju vezivanja elektrona sa jezgrom, ogoljeni elektroni imaju dovoljno energije i proizvode sekundarnu ionizaciju neutralnih atoma.

S povećanjem atomskog broja tvari, vjerojatnost fotoelektrične apsorpcije raste za faktor Z 4, međutim, s povećanjem energije gama kvanta, ova vjerojatnost se smanjuje.

S obzirom da elektroni atoma imaju naboj i masu, dio energije gama kvanta odstupa od smjera njegovog kretanja za određeni ugao i ide dalje od snopa, ali je veličina te energije neznatna. Ovaj proces se zove nekoherentno rasipanje energije.

Interakcija elektromagnetnih talasa gama kvanta sa poljem jezgra uzrokuje odstupanje za neki ugao od smjera kretanja dijela energije i njeno izlazak iz snopa, tj. ide nekoherentno rasipanje energije. Istovremeno, što je veća gustoća supstance (broj elementa), veća je količina gama-kvantne energije raspršena.

To se mora uzeti u obzir pri proizvodnji zaštitnih konstrukcija.

Interakcija elektromagnetnih talasa gama kvanta sa protonima i neutronima jezgra može dovesti do nuklearnih transformacija, tj. transformacija protona u neutron ili neutrona u proton i oslobađanje beta čestice u molekularni prostor. Ali to je moguće samo pod uslovom da je energija gama kvanta veća od zbira energije povezane sa masom mirovanja elektrona i pozitrona u jezgri. Energija mirovanja elektrona i pozitrona u jezgru je vrlo visoka i jednaka je 1,02 meV, što smanjuje vjerovatnoću ovog procesa.

Dakle, prilikom interakcije gama zračenja sa materijom, dio energije se apsorbira, odnosno pretvara u toplinu i nabijene čestice, a dio se raspršuje.

Zaštita od gama zračenja: pošto gama zračenje nema masu i električni naboj, onda kako god uzima se debljina sloja supstance, nemoguće je u potpunosti apsorbirati fluks EMW gama kvanta,može se oslabiti njegov intenzitet samo broj puta.

Debljina sloja materije, nakon prolaska kroz koju se smanjuje intenzitet gama zračenja u 2 puta, naziva se polovina slabljenja sloja.

U proizvodnji zaštitnih konstrukcija od gama zračenja, materijal visoke gustine: olovo, beton itd.

Najefikasnije metode zaštite od vanjskog gama zračenja su:

Vremenska zaštita: rad sa gama zračenjem u najkraćem mogućem roku;

Zaštita na daljinu: upotreba daljinskih upravljača;

Zaštita ekrana: upotreba zaštitnih struktura.

Nakon otkrića materijala sposobnih za spontanu emisiju elementarnih čestica (radio emisija kao rezultat raspadanja), počelo je proučavanje njihovih svojstava. Čuveni supružnici Curie aktivno su učestvovali u potrazi za novim i sistematizaciji postojećih znanja iz fizike, a on je bio taj koji je prvi otkrio gama zrake. Eksperiment koji je postavio bio je jednostavan i, u isto vrijeme, briljantan.

Radijum je uzet kao izvor zračenja. U olovnoj posudi debelih zidova napravljena je uska rupa. Radijum je postavljen na dno rezultirajućeg kanala. Na maloj udaljenosti od posude, fotoosjetljivi element - ploča - bio je smješten okomito na os rupe. U procjepu između njega i kontejnera c, specijalna instalacija mogla je generirati magnetno polje visokog intenziteta, čije su linije intenziteta bile orijentirane paralelno sa fotoosjetljivom pločom. Svi elementi, osim generatora polja, bili su u okruženju bez vazduha kako bi se isključio uticaj atoma vazduha na rezultat eksperimenta. Da je Rutherford zanemario ovu tačku, tada bi gama zrake mogao otkriti neko drugi.

U nedostatku magnetskog djelovanja, na ploči se pojavila tamna mrlja, što ukazuje na pravolinijsko širenje zračenja (svi ostali smjerovi jednostavno su odsječeni zidovima olovne posude). Ali čim se pojavio, pojavile su se tri tačke odjednom na fotoosetljivom elementu sistema. To je značilo da se određene čestice koje emituje radijum odbija od polja. Rutherford je sugerirao da se greda sastoji od najmanje tri komponente. Priroda otklona ukazuje da su čestice dva snopa imale električni naboj, dok je treći snop bio električno neutralan. Štaviše, negativna komponenta početnog zračenja odstupala je mnogo izraženije od pozitivne. Električno neutralna komponenta su gama zraci. Komponenta s negativnim nabojem naziva se beta zračenje, a posljednje pozitivno naelektrisanje naziva se alfa zračenje.

Osim što su se različito ponašali u magnetnom polju, zraci su imali različita svojstva. Gama zraci su sposobni da prodiru u materiju na prilično velikim udaljenostima. Dakle, olovna ploča debljine 1 cm smanjuje njihov intenzitet samo za pola. Alfa zrak se može zaustaviti čak i tankim listom papira. Ali beta zračenje zauzima srednji položaj: protok možete zaustaviti metalom debljine nekoliko milimetara.

Nakon toga se ispostavilo da:

• beta snop je tok negativno nabijenih čestica (elektrona) koji se kreću velikom brzinom;
• alfa snop je jezgra helijuma, vrlo stabilna formacija;
• gama zraci - jedna od varijanti.Emisioni spektar je u potpunosti obrubljen, jer jezgro koje zraci karakteriziraju diskretna energetska stanja. Predstavljen u obliku nivoa distribucije energije emitovanih kvanta. Termin "gama zračenje" se sve više koristi ne samo za opisivanje procesa, već i općenito za svako tvrdo zračenje elektromagnetne prirode u kojem svakom kvantu odgovara energija od najmanje 10 keV. Izvor ove vrste zračenja su elektroni u strukturi pobuđenih atoma. Višak energije prenosi elektrone na više nivoe, odakle se vraćaju u svoje prethodno stanje, oslobađajući zračenje u obliku rendgenskih zraka ili svjetlosti (elektromagnetni talasi). Spektar elektromagnetnog zračenja u slučaju gama zraka je izuzetno mali i nije veći od 5*0,001 nm, zbog čega se jasnije ispoljavaju svojstva čestica, a ne talasa.

U jezgrima istog elementa broj neutrona može biti različit, ali je broj protona uvijek isti. Takva jezgra se nazivaju izotopi. Na primjer, u jezgri vodonika uvijek postoji 1 proton, a broj neutrona može biti 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Radioaktivnost

Radioaktivnost- fenomen spontane transformacije nestabilnog izotopa jednog hemijskog elementa u izotop drugog elementa. U tom slučaju se emituju čestice velike prodorne moći.

Na primjer, radioaktivni element radij se pretvara u drugi kemijski element - radon uz oslobađanje helija.

Godine 1899 E. Rutherford proveo eksperiment, kao rezultat kojeg je utvrđeno da je radioaktivno zračenje nehomogeno. Postoje tri različite čestice s različitim nabojima. alfa čestica- pozitivno nabijen (atom helijuma bez elektrona), beta čestica- negativno naelektrisan (elektron) i neutralan gama čestica(foton).

Tri vrste zračenja imaju različitu prodornu moć. Najviše opušteni su gama zraci. Lako prolaze kroz supstancu. Da biste ih zaustavili, potrebna vam je olovna ploča debljine 5 cm, ili 30 cm betona, ili 60 cm zemlje.

Nuklearne reakcije

Alfa raspad

primjer:
gdje - alfa zračenje - jezgra helijuma.

Ovaj raspad je uočen za teška jezgra sa A > 200. Tokom alfa raspada jednog hemijskog elementa nastaje drugi hemijski element, koji se u periodnom sistemu nalazi 2 ćelije bliže svom početku od prvobitnog.

beta raspad

primjer:
gdje - beta zračenje - elektroni.

Tokom beta raspada jednog hemijskog elementa nastaje drugi hemijski element, koji se nalazi u periodnom sistemu u sledećoj ćeliji iza prvobitnog.

Gama zračenje

Emisija gama zračenja ne dovodi do transformacije elemenata.

Tijekom nuklearne reakcije, ukupni električni naboj i broj nukleona su očuvani. Nuklearne reakcije su dvije vrste: endotermni(sa apsorpcijom energije) i egzotermna(sa oslobađanjem energije). Ako je zbir masa početnog jezgra i čestica veći od zbira masa konačnog jezgra i emitovanih čestica, tada se energija oslobađa i obrnuto.

Otkriće protona: