|
Гамма-излучение – это коротковолновое
электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с
жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот.
Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны (λ<10 -8
см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет
себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией h ν (ν – частота излучения, h – Планка
постоянная).
Гамма- излучение возникает при распадах
радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар
частицы-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через
вещество.
Гамма-излучение, сопровождающее распад
радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного
энергетического состояния в менее возбужденное или в основное. Энергия γ – кванта равна разности энергий Δε состояний,
между которыми происходит переход.
Возбужденное состояние
  Е2
hν
Основное состояние ядра Е1
Испускание ядром γ-кванта
не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от
других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений
чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во
много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым,
т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения
позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с
большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так,
при распаде покоящегося π0- мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв.
Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый
спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со
скоростями, сравнимыми с скоростью света. Вследствие этого возникает
доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в
широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении
быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением к
кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и
тормозное рентгеноовское излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя
граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В
ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной
энергией до нескольких десятков Гэв.
В межзвёзном пространстве гамма-излучение
может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового,
электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными
магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою
энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое
гамма-излучение.
Аналогичное явление может иметь место в земных
условиях при столновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях,
с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами.
Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Таким образом, можно на практике превращать отдельные
фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.
Гамма-излучение обладает большой проникающей
способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного
ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения
с веществом, - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское
рассеяние (комптон-эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте
происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём
энергия γ-кванта преобразуется ( за вычетом энергии
связи электрона в атоме ) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за
пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени
атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии
гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии γ-квантов ( £100 кэв ) на тяжелых элементах ( Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо
связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте γ-квант
не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление
распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта
становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым ).
Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1см3
вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному
номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным
номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию связи электронов в
атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима
с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.
Если жнергия γ-кванта
превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования
электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования
пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hν. Поэтому при hν ~10 Мэв основным
процессом в любом веществе оказывается образование пар.
 100
 50
   0
0,1 0,5
1 2 5 10 50
Энергия γ-лучей ( Мэв )
Обратный процесс аннигиляция
электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.
Для характеристики ослабления гамма-излучения
в веществе обычно пользуются коэффициентом поглощения, который показывает, на
какой толщине Х поглотителя интенсивность I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в е
раз:
I=I0e-μ0x
Здесь μ0 – линейный коэффициент поглощения
гамма-излучения. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный
отношению μ0 к плотности поглотителя.
Экспоненциальный закон ослабления
гамма-излучения справедлив для узкого направления пучка гамма-лучей, когда
любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из
состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения
через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны
обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать
гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в
веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения,
электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число
вторичных частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая
максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами
размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать
ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой критической
энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность
развиваться.
Для изменения энергии гамма-излучения в
эксперементальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов,
основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные
типы спектрометров гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные,
полупроводниковые, кристал-дифракционные.
Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает
важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием
внешней среды на свойства ядерного гамма-излучения, используется для изучения
свойств твёрдых тел.
Гамма-излучение находит применение в технике,
например для обнаружения дефектов в металлических деталях –
гамма-дефектоскопия. В радиационной химии гамма-излучение применяется для
инициирования химических превращений, например процессов полимеризации.
Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации
продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и
искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители.
Действие на организм гамма-излучения подобно
действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать
лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния
гамма-излучения зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения,
например, внешнее или внутреннее. Относительная биологическая эффективность
гамма-излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое
воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность
гамма-излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для
лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных
препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим
отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта
микроорганизмов (например, для получения антибиотиков ) и растений.
Современные возможности лучевой теропии
расширились в первую очередь за счёт средств и методов дистанционной
гамма-теропии. Успехи дистанционной гамма-теропии достигнуты в результате
большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных
источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых
гамма-препаратов.
Большое значение дистанционной гамма-теропии
объясняется также сравнительной доступностью и удобствами использования
гамма-аппаратов. Последние, так же как и рентгеновские, конструируют для
статического и подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся
создать большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей.
Осуществлены конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов, направленные на
уменьшение полутени, улучшение гомогенизации полей, использование фильтров
жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты.
Использование ядерных излучений в растениеводстве
открыло новые, широкие возможности для изменения обмена веществ у
сельскохозяйственных растений, повышение их урожайности, ускорения развития и
улучшения качества.
В результате первых исследований радиобиологов
было установлено, что ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на
рост, развитие и обмен веществ живых организмов. Под влиянием гамма-облучения у
растений, животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ,
ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических
процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая.
Следует особо отметить, что при
гамма-облучении в семена не попадают радиоактивные вещества. Облученные семена,
как и выращенный из них урожай, нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения
только ускоряют нормальные процессы, происходящие в растении, и поэтому
совершенно необоснованны какие-либо опасения и предостережения против
использования в пищу урожая, полученного из семян, подвергавшихся предпосевному
облучению.
Ионизирующие излучения стали использовать для
повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения
различных насекомых-вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор
пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то
возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет
храниться длительное время без каких-либо потерь. Само зерно как питательный
продукт не меняется при таких дозах облучения. Употребление его для корма
четырех поколений экспериментальных животных не вызвало каких бы то ни было
отклонений в росте, способности к размножению и других патологических
отклонений от нормы.
|
