ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (γ-излучение), коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны λ≤10 -10 м, короче, чем у рентгеновского излучения). При столь малых λ волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, первостепенное значение имеют корпускулярные свойства. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов, которые, как и другие фотоны, характеризуются энергией Е = hv (h - постоянная Планка, v - частота электромагнитных колебаний). Гамма-излучение открыто в начале 20 века как компонента излучения радиоактивных ядер, которая не отклонялась при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и ß-излучений. В 1914 году Э. Резерфорд совместно с английским физиком Э. Андраде в опытах по дифракции гамма-лучей на кристалле доказал электромагнитную природу гамма-излучения.

Гамма-излучение может испускаться атомными ядрами и элементарными частицами, а также в результате ядерных реакций и реакций между частицами, в частности аннигиляции пар частица - античастица. Гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, и гамма-излучения ядер даёт информацию о структуре этих микрообъектов.

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 лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.

При распаде частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с энергиями в десятки - сотни МэВ.

Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц энергия тормозного гамма-излучения достигает десятков ГэВ.

Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными лазерными пучками. При этом электрон передаёт свою энергию оптическому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд (смотри Гамма-астрономия).

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 (Комптона эффект) и образование пар электрон - позитрон.

Гамма-излучение используется в технике (например, в дефектоскопии), радиационной химии для инициирования химических превращений (например, при полимеризации), сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и др.

Лит.: Де Бенедетти С. Ядерные взаимодействия. М., 1968; Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М., 1979; Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. М., 1986. Т. 2; Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. М., 1993. Кн. 1. Ч. 1.

И. М. Капитонов.

Действие на организм. Гамма-излучение действует на живые клетки подобно другим видам ионизирующих излучений. Хотя биосфера подвергается постоянному воздействию гамма-излучения в составе космических лучей и излучений радиоактивных элементов, находящихся в рассеянном виде в почвах, атмосфере и воде (радиационный фон Земли), их интенсивность невелика, и они не представляют опасности для живых организмов. Действие гамма-излучения проявляется по мере накопления вторичных электронов в объекте облучения и их переноса в близлежащие структуры. Тотальное гамма-нейтронное облучение организмов, сопровождающее ядерные взрывы, в зависимости от дозы может приводить к гибели организмов (для человека смертельная доза - 100 Гр), развитию лучевой болезни (при дозах 5-10 Гр). Воздействие более низких доз опасно отдалёнными последствиями: злокачественным перерождением клеток, развитием лейкозов, рождением генетически неполноценного потомства и др. Гамма-излучение применяют в медицине при лечении онкологических заболеваний (гамма-терапия; смотри Лучевая терапия). Оно используется также в генетических исследованиях для получения мутаций в молекулах ДНК и селекции организмов с последующим отбором хозяйственно полезных форм. Таким образом, например, были получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов, продуцирующих антибиотики. В качестве источников гамма-излучения применяют естественные и искусственные радиоактивные изотопы (обычно 60 Со, реже 137 Cs).

Везде, где есть электрические разряды, встречается излучение того или иного спектра. Гамма-излучение – это один из видов электромагнитного излучения, которое отличается очень короткой длиной волны и состоит из потоков гамма-квантов (фотонов). Установлено, что это не самостоятельный вид радиоактивности, а сопровождение распадов альфа- и бета-излучений. Гамма-излучение может также возникнуть во время ядерной реакции, когда происходит торможение заряженных частиц, их распад и другие ядерные процессы.

Понятие о гамма-излучении

Радиоактивное излучение – это ионизирующее излучение, которое рождается при нестабильном поведении частиц различного спектра, когда те попросту распадаются на составные части атома – протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Гамма-излучение, в том числе и рентгеновское, является тем же процессом. Радиация имеет различное биологическое действие на организм человека – его вред зависит от способности частиц проникать через различные препятствия.

В этом плане гамма-излучение обладает наиболее выраженной проницательной способностью, что позволяет ему проникать даже сквозь пятисантиметровую свинцовую стену. Поэтому гамма-излучение, или гамма-лучи – это радиоактивное излучение, обладающее высокой степенью радиоактивного влияния на живой организм. Во время излучения их скорость равна скорости света.

Частота гамма-излучения составляет > 3·10 18 , что является наиболее короткой волной и в классификации электромагнитных волн стоит в самом низу, сразу перед рентгеновским излучением, чье излучение немного длиннее и составляет 10 17 — 3·10 18

Альфа-, бета- и гамма-лучи крайне опасны для человека и их интенсивное воздействие ведет к лучевой болезни, которая проявляется характерными симптомами:

• острый лейкоцитоз;
• торможение пульса, снижение мышечного тонуса, замедление всех процессов жизнедеятельности;
• выпадение волос;
• поочередный отказ всех органов – сначала печени, почек, спинного мозга, а затем сердца.

Попадая в организм, лучи радиации уничтожают и подвергают мутации клетки таким образом, что, заразившись, те заражают другие. А те, что смогли выжить, перерождаются уже неспособными к делению и другим функциям жизнедеятельности. Альфа- и бета-лучи являются наиболее опасными, однако гамма-частица коварна тем, что за 1 секунду преодолевает расстояние в 300 000 километров и способна поражать значительные расстояния. При небольшой дозе радиации человек не чувствует ее воздействие, и свое разрушительное влияние она обнаруживает не сразу. Может пройти как несколько лет, так и несколько поколений – в зависимости от дозы и типа лучей – прежде чем проявятся нарушения. Однако при большой дозе облучения болезнь проявляется в течение нескольких часов и имеет ярковыраженную симптоматику с болями в животе, неудержимой рвотой, головными болями.

Истории наших читателей

Владимир
61 год

Опасность гамма-излучения

Гамма-лучи могут проникать из космоса, источники гамма-излучения могут быть также распадом некоторых радиоактивных пород – урана, гранита, радона и других.

Наиболее известный случай отравления гамма-лучами – это случай отравления Александра Литвиненко , которому подсыпали в чай полоний. Полоний – радиоактивный элемент, производный урана, который обладает высокой радиоактивностью.

Квантовая энергия гамма-излучения обладает огромной силой, которая увеличивает их проницаемость в живые клетки и разрушительное действие. Вызывая смерть и трансформацию клеток, гамма-кванты со временем накапливаются в организме, а поврежденные клетки одновременно с этим отравляют организм своими токсинами, которые появляются в процессе их разложения.

Гамма-квант – это ядерное излучение, частица без массы и заряда, которая испускается при ядерной реакции, когда ядро переходит из одного энергетического состояния в другое. Когда квант гамма-изучения проходит через определенное вещество и вступает с ним во взаимодействие, то происходит полное поглощение энергии гамма-кванта этому веществу с выбросом его электрона.

Опасность такого облучения наиболее губительна для человека, так как его проникающая способность практически не оставляет шансов – 5-сантиметровая свинцовая стена способна поглотить лишь половину гамма-излучения. В этом отношении альфа- и бета-лучи менее опасны – альфа-излучение может задержать обычный лист бумаги, бета-излучению не преодолеть деревянной стены, а от гамма-излучения практически не существует преграды. Поэтому крайне важно, чтобы не происходило длительного воздействия этих лучей на организм человека.

Как защититься от гамма-излучения

Попадая в организм при повышенном гамма-фоне, радиация начинает незаметно отравлять организм, и если не произошло потребление сверхвысоких доз за короткое время, то первые признаки могут проявиться нескоро. В первую очередь страдает система кроветворения, которая берет первый удар на себя . В ней резко сокращается количество лейкоцитов, вследствие чего очень быстро поражается и выходит из строя спинной мозг. Вместе со спинным мозгом страдают лимфатические узлы, которые в дальнейшем также выходят из строя. Человек теряет волосы, его ДНК повреждается. Наступает мутация генома, что ведет к нарушениям в наследственности. При сильных поражениях наступает смерть от рака или от выхода из строя одного или нескольких органов.

Необходимо измерять гамма-фон на земельных участках перед покупкой. Под действием некоторых подземных пород, в том числе в подземных реках, при тектонических процессах земной коры вполне возможно заражение гамма-излучением поверхности земли.

Защита от гамма-излучения может быть лишь частичной. Если допустить подобную катастрофу, то ближайшие 300 лет пораженная территория будет полностью отравлена, вплоть до нескольких десятков метров слоя почвы. Полной защиты не существует, однако можно воспользоваться подвалами жилых домов, подземными окопами и прочими убежищами, хотя следует помнить, что этот вид защиты действует лишь частично.

Таким образом, способы защиты от гамма-излучения заключаются главным образом в измерении гамма-фона специальным оборудованием и непосещение мест с повышенным уровнем радиации – например, Чернобыля или окрестностей Фукусимы.

Самый большой выброс в воду ядерной радиации в истории человечества произошел в 2011 году на Фукусиме, когда волна цунами привела к выходу из строя трех ядерных реакторов. Радиоактивные отходы смываются в море в количестве 300 тонн ежедневно вот уже седьмой год. Размеры этой катастрофы ужасают. Так как эту утечку невозможно устранить по причине высокой температуры в зоне поражения, неизвестно, сколько еще будет происходить этот процесс. А тем временем подводным течением радиация распространилась уже на значительную часть Тихого океана.

Область применения гамма-излучения

Если целенаправленно применять поток гамма-частиц, то можно выборочно уничтожать те клетки организма, которые в данный момент времени имеют активное размножение . Этот эффект от применения гамма-лучей используется в медицине при борьбе с онкологией. Как последнюю меру и только когда другие средства перестают работать, целенаправленно на злокачественную опухоль применяют метод облучения. Наиболее эффективно использование дистанционной гамма-лучевой терапии. Такой способ разработан для лучшего управления процессом с минимизацией рисков и повреждений здоровых тканей.

Гамма-кванты также используют в других сферах:

1. С помощью этих лучей изменяют энергию. Прибор для этого, который используется в экспериментальной физике, называется гамма-спектрометром. Он бывает магнитным, сцинтилляционным, полупроводниковым и кристалл-дифракционным.
2. Изучение спектра ядерного гамма-излучения дает информацию о ядерной структуре. Внешняя среда, влияя на гамма-излучение, производит различные эффекты, которые имеют большое значение для понимания процессов, происходящих при этом. Поэтому все эти процессы активно изучаются.
3. Техника также применяет гамма-излучения, чтобы обнаружить дефекты металлов. Так как гамма-излучение обладает различного уровня поглощением в разной среде, но при одинаковом расстоянии распространения, то можно вычислить дефекты с помощью различного по интенсивности излучения.
4. Радиационная химия также использует это излучение для возбуждения химического превращения в различных процессах с помощью естественных или искусственных радиоактивных изотопов и электронных ускорителей – источников этого рода радиации.
5. Стерилизацию пищевых продуктов с помощью гамма-излучений использует в своих целях пищевая промышленность .
6. В растениеводстве используются гамма-кванты для того, чтобы растение приобрело лучшие показатели путем мутации.
7. С помощью гамма-лучей выращивают и обрабатывают некоторые микроорганизмы, делают лекарства, в том числе некоторые антибиотики. Ими обрабатывают семена, чтобы избавить их от мелких вредителей.

Еще около 100 лет назад свойства гамма-излучения не были достаточно изучены, и это приводило к незащищенному использованию радиоактивных элементов в качестве медицинского или измерительного оборудования. Гамма-излучение также использовали для покрытий различных ювелирных и керамических изделий, при изготовлении витражного стекла. Поэтому следует быть осторожным в хранении и приобретении предметов старины – безобидная с виду вещь может таить в себе радиоактивную угрозу.

Гамма излучение - это поток электромагнитных волн. По своим характеристикам они близки к рентгеновским лучам, но обладают большей энергией, т.к. их частота колебаний выше ( < 0,03нм).

По своей природе гамма-излучение ядерного происхождения . Оно сопровождает радиоактивный распад ядра или переход ядра из одного энергетического состояния в другое.

Поскольку длина волны гамма-излучения соизмерима с размерами атомов, а энергия квантов составляет десятки килоэлектрон вольт (кэВ) и более, то проникающая способность его очень велика.

Проходя через вещество, электромагнитные волны гамма излучения взаимодействуют с электронами атома, электрическим полем ядра и самим ядром, а точнее с протонами и нейтронами ядра.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма-излучения с электронами атома сводится к поглощению электромагнитной энергии, часть которой тратится на возбуждение атомов и преобразуется в тепло, а другая часть - на образование заряженных частиц, т. е. на ионизацию атомов. Этот процесс называется фотоэлектрическим поглощением энергии.

Но так как энергия гамма -кванта всегда превышает энергию связи электронов с ядром, то сорванные электроны имеют достаточный запас энергии и производят вторичную ионизацию нейтральных атомов.

С увеличением атомного номера вещества вероятность фотоэлектрического поглощения возрастает в Z 4 раз, однако с увеличением энергии гамма кванта эта вероятность уменьшается.

Учитывая, что электроны атома обладают зарядом и массой, то часть энергии гамма кванта отклоняется от направления своего движения на некоторый угол и уходит за пределы пучка, но величина этой энергии незначительна. Этот процесс называется некогерентным рассеянием энергии.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с полем ядра вызывает отклонение на некоторый угол от направления движения части энергии и уход ее за пределы пучка, т.е. происходит некогерентное рассеяние энергии . При этом, чем выше плотность вещества (номер элемента), тем большее количество энергии гамма кванта рассеивается.

Это необходимо учитывать при изготовлении защитных конструкций.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с протонами и нейтронами ядра может привести к ядерным превращениям, т.е. превращению протона в нейтрон или нейтрона в протон и выбросу в молекулярное пространство бета-частицы. Но это возможно только при условии, что энергия гамма кванта больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона в ядре. Энергия покоя электрона и позитрона в ядре очень велика и равна 1,02 мэВ, что снижает вероятность этого процесса.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом часть энергии поглощается, т. е. преобразуется в тепло и заряженные частицы, часть рассеивается.

Защита от гамма-излучения: так как гамма-излучение не обладает массой и электрическим зарядом, то какой бы ни была взята толщина слоя вещества нельзя полностью поглотить поток ЭМВ гамма квантов, можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

Толщина слоя вещества, после прохождения которого интенсивность гамма-излучения ослабляется в 2 раза, называется слоем половинного ослабления.

При изготовлении защитных конструкций от гамма-излучения используют материал большой плотности: свинец, бетон и др.

Наиболее эффективными методами защиты от внешнего гамма- излучения являются:

Защита временем: проведение работ с гамма-излучением в минимально короткое время;

Защита расстоянием: использование дистанционных средств управления;

Защита экранами: использование защитных конструкций.

После открытия материалов, способных к самопроизвольному излучению элементарных частиц (радиоизлучению в результате распада), началось изучение их свойств. Активное участие в поиске новых и систематизации уже существующих знаний в физике принимали знаменитые супруги Кюри, а также Именно ему первому удалось открыть гамма-лучи. Поставленный им эксперимент был простым и, одновременно, гениальным.

В качестве источника излучения был взят радий. В толстостенной свинцовой емкости проделывалось узкое отверстие. На дне получившегося канала размещался радий. На небольшом удалении от емкости перпендикулярно оси отверстия был расположен фоточувствительный элемент - пластина. В промежутке между ней и емкостью с специальная установка могла генерировать магнитное поле высокой интенсивности, линии напряженности которого были ориентированы параллельно фоточувствительной пластине. Все элементы, кроме генератора поля, находились в безвоздушной среде, чтобы исключить воздействие атомов воздуха на результат эксперимента. Если бы Резерфорд проигнорировал этот момент, то гамма-лучи мог бы открыть кто-то другой.

При отсутствии магнитного воздействия на пластине возникало темное пятно, свидетельствующее о прямолинейном распространении излучения (все остальные направления попросту отсекались стенками свинцовой емкости). Но стоило появиться как на фоточувствительном элементе системы возникали сразу три пятна. Это означало, что некие частицы, излучаемые радием, отклоняются полем. Резерфорд предположил, что луч состоит как минимум из трех компонентов. Характер отклонения указывал на то, что частицы двух лучей обладают электрическим зарядом, а третий луч электронейтрален. Причем, отрицательная составляющая исходного излучения отклонялась гораздо выраженнее, чем положительная. Электронейтральная составляющая - это и есть гамма-лучи. Компонент с отрицательным зарядом получил название бета-лучей, а последний, положительный заряд - альфа-луч.

Кроме того, что они вели себя по-разному в магнитном поле, лучи обладали различными свойствами. Гамма-лучи способны проникать в материю на довольно большие расстояния. Так, свинцовая пластина толщиной в 1 см уменьшает их интенсивность всего в два раза. Альфа-луч может быть остановлен даже тонким листом бумаги. А вот бета-излучение занимает промежуточное положение: остановить поток можно металлом толщиной в несколько миллиметров.

Впоследствии выяснилось, что:

• бета-луч представляет собой поток отрицательно заряженных частиц (электронов), перемещающихся с высокой скоростью;
• альфа-луч - это ядра гелия, очень устойчивое образование;
• гамма-луч - одна из разновидностей Спектр излучения полностью линейчатый, так как излучающее ядро характеризуется дискретными энергетическими состояниями. Представляют в виде уровней распределения энергии излученных квантов. Термин «гамма-излучение» все чаще применяется не только для описания процессов но и, вообще, для любого жесткого излучения электромагнитной природы в котором каждому кванту соответствует энергия не менее 10 кэВ. Источником данного вида излучения являются электроны в структуре возбужденных атомов. Излишек энергии переводит электроны на более высокие Оттуда они возвращаются к прежнему состоянию, выделяя излучение в виде рентгена или света (электромагнитные волны). Спектр электромагнитного излучения в случае гамма-лучей чрезвычайно мал и составляет не более 5*0,001 нм из-за чего отчетливее проявляются свойства частиц, а не волн.

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где - бета-излучение - электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона: