Гамма - лучи или гамма - излучение (символ γ или ), является формой проникновения электромагнитного излучения , возникающим от радиоактивного распада в атомных ядрах . Он состоит из электромагнитных волн с самой короткой длиной волны и поэтому передает самую высокую энергию фотонов . Поль Виллар , французский химик и физик , открыл гамма-излучение в 1900 году, изучая излучение, испускаемое радием . В 1903 году Эрнест Резерфорд назвал это излучение гамма-лучамиоснованные на их относительно сильном проникновении в материю ; в 1900 году он уже назвал два менее проникающих типа распадающегося излучения (открытые Анри Беккерелем ) - альфа-лучи и бета-лучи в порядке возрастания проникающей способности.
Гамма-лучи от радиоактивного распада находятся в диапазоне энергий от нескольких килоэлектронвольт ( кэВ ) до примерно 8 мегаэлектронвольт (~ 8 МэВ ), что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно большим временем жизни. Энергетический спектр гамма-лучей можно использовать для идентификации распадающихся радионуклидов с помощью гамма-спектроскопии . Гамма-лучи очень высоких энергий в диапазоне 100–1000 тераэлектронвольт ( ТэВ ) наблюдались от таких источников, как микроквазар Cygnus X-3 .
Естественные источники гамма-лучей, возникающие на Земле, в основном возникают в результате радиоактивного распада и вторичного излучения от атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей . Однако есть и другие редкие природные источники, такие как земные гамма-вспышки , которые производят гамма-лучи в результате воздействия электронов на ядро. Известные искусственные источники гамма-излучения включают деление , такое как то, что происходит в ядерных реакторах , и эксперименты по физике высоких энергий , такие как распад нейтральных пионов и ядерный синтез .
Гамма-лучи и рентгеновские лучи являются электромагнитным излучением, и, поскольку они перекрываются в электромагнитном спектре , терминология варьируется в зависимости от научных дисциплин. В некоторых областях физики они различаются по своему происхождению: гамма-лучи создаются ядерным распадом, тогда как в случае рентгеновских лучей происхождение находится вне ядра. В астрофизике гамма-лучи обычно определяются как имеющие энергию фотонов выше 100 кэВ и являются предметом гамма-астрономии , в то время как излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское излучение и является предметом рентгеновской астрономии.. Это соглашение проистекает из первых рукотворных рентгеновских лучей, которые имели энергию только до 100 кэВ, тогда как многие гамма-лучи могли достигать более высоких энергий. Большая часть астрономических гамма-лучей экранируется атмосферой Земли.
Гамма-излучение - это ионизирующее излучение , поэтому оно биологически опасно. Благодаря высокой проникающей способности они могут повредить костный мозг и внутренние органы. В отличие от альфа- и бета-лучей, они легко проходят через тело и, таким образом, создают серьезную проблему радиационной защиты , требуя защиты из плотных материалов, таких как свинец или бетон.
Гамма-лучи не могут отражаться от зеркала, а их длины волн настолько малы, что они проходят между атомами в детекторе. Это означает, что детекторы гамма-излучения часто содержат плотно упакованные алмазы.
История открытия [ править ]
Первым обнаруженным источником гамма-излучения стал процесс радиоактивного распада, называемый гамма-распадом . В этом типе распада возбужденное ядро испускает гамма-луч почти сразу после образования. [примечание 1] Поль Виллар , французский химик и физик, открыл гамма-излучение в 1900 году, изучая излучение радия . Виллар знал, что описанное им излучение было более мощным, чем описанные ранее типы лучей радия, в том числе бета-лучи, впервые отмеченные как «радиоактивность» Анри Беккерелем.в 1896 году, и альфа-лучи, открытые Резерфордом в 1899 году как менее проникающая форма излучения. Однако Виллар не рассматривал их как другой фундаментальный тип. [1] [2] Позже, в 1903 году, излучение Вилларда было признано типом, принципиально отличным от ранее названных лучей Эрнестом Резерфордом , который назвал лучи Вилларда «гамма-лучами» по аналогии с бета- и альфа-лучами, которые разделил Резерфорд. в 1899 г. [3]«Лучи», испускаемые радиоактивными элементами, были названы в порядке их способности проникать в различные материалы с использованием первых трех букв греческого алфавита: альфа-лучи как наименее проникающие, затем бета-лучи, а затем гамма-лучи как наиболее проникающие. . Резерфорд также отметил, что гамма-лучи не отклоняются (или, по крайней мере, не отклоняются легко ) магнитным полем, что еще одно свойство делает их непохожими на альфа и бета-лучи.
Гамма-лучи сначала считались частицами с массой, такой как альфа- и бета-лучи. Резерфорд первоначально полагал, что это могут быть чрезвычайно быстрые бета-частицы, но их неспособность отклониться магнитным полем указала на то, что у них нет заряда. [4] В 1914 году было обнаружено, что гамма-лучи отражаются от поверхностей кристаллов, доказывая, что это было электромагнитное излучение. [4] Резерфорд и его коллега Эдвард Андраде измерили длины волн гамма-лучей от радия и обнаружили, что они похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и, следовательно, более высокой частотой. В конечном итоге было признано, что это дает им больше энергии на фотон., как только последний термин стал общепринятым. Тогда считалось, что гамма-распад обычно испускает гамма-фотон.
Источники [ править ]
Естественные источники гамма-лучей на Земле включают гамма-распад естественных радиоизотопов, таких как калий-40 , а также вторичное излучение от различных атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей . Некоторые редкие наземные естественные источники, которые производят гамма-лучи, не имеющие ядерного происхождения, - это удары молний и земные гамма-вспышки , которые производят выбросы высокой энергии от естественных напряжений высокой энергии. Гамма-лучи образуются в результате ряда астрономических процессов, в которых образуются электроны очень высокой энергии. Такие электроны производят вторичные гамма-лучи за счет механизмов тормозного излучения , обратного комптоновского рассеяния.и синхротронное излучение . Большая часть таких астрономических гамма-лучей экранируется атмосферой Земли. Известные искусственные источники гамма-излучения включают деление , которое происходит в ядерных реакторах , а также эксперименты по физике высоких энергий , такие как распад нейтральных пионов и ядерный синтез .
Образец материала, излучающего гамма-лучи, который используется для облучения или визуализации, известен как источник гамма-излучения. Его также называют радиоактивным источником , изотопным источником или источником излучения, хотя эти более общие термины также применимы к альфа- и бета-излучающим устройствам. Источники гамма-излучения обычно закрываются, чтобы предотвратить радиоактивное загрязнение, и транспортируются с прочной защитой.
Радиоактивный распад (гамма-распад) [ править ]
Гамма-лучи образуются во время гамма-распада, который обычно происходит после других форм распада, таких как альфа- или бета- распад. Радиоактивное ядро может распасться с испусканиемα или же βчастица. Образовавшееся дочернее ядро обычно остается в возбужденном состоянии. Затем он может распадаться до состояния с более низкой энергией, испуская гамма-фотон, в процессе, называемом гамма-распадом.
Для испускания гамма-излучения возбужденным ядром обычно требуется всего 10 -12 секунд. Гамма-распад может также следовать за ядерными реакциями, такими как захват нейтронов , ядерное деление или ядерный синтез . Гамма-распад также является способом релаксации многих возбужденных состояний атомных ядер вслед за другими типами радиоактивного распада, такими как бета-распад , при условии, что эти состояния обладают необходимой составляющей ядерного спина.. Когда высокоэнергетические гамма-лучи, электроны или протоны бомбардируют материалы, возбужденные атомы испускают характерные «вторичные» гамма-лучи, которые являются продуктами создания возбужденных ядерных состояний в бомбардируемых атомах. Такие переходы, форма ядерной гамма- флуоресценции , составляют тему в ядерной физике, называемую гамма-спектроскопией . Формирование флуоресцентных гамма-лучей - это быстрый подтип радиоактивного гамма-распада.
В некоторых случаях возбужденное состояние ядра, которое следует за испусканием бета-частицы или другим типом возбуждения, может быть более стабильным, чем в среднем, и называется метастабильным возбужденным состоянием, если его распад занимает (по крайней мере) от 100 до 1000 раз больше времени. чем в среднем на 10-12 секунд. Такие относительно долгоживущие возбужденные ядра называют ядерными изомерами , а их распады - изомерными переходами . Такие ядра имеют период полураспада.которые легче измерить, а редкие ядерные изомеры способны оставаться в возбужденном состоянии в течение минут, часов, дней или иногда намного дольше, прежде чем испускать гамма-лучи. Таким образом, процесс изомерного перехода аналогичен любому гамма-излучению, но отличается тем, что он включает промежуточное метастабильное возбужденное состояние (я) ядер. Метастабильные состояния часто характеризуются высоким ядерным спином , требующим изменения спина на несколько единиц или более с гамма-распадом, вместо перехода на одну единицу, который происходит всего за 10 -12 секунд. Скорость гамма-распада также замедляется, когда энергия возбуждения ядра мала. [5]
Испускаемый гамма-луч из любого типа возбужденного состояния может передавать свою энергию непосредственно любым электронам , но, скорее всего, одному из электронов K-оболочки атома, вызывая его выброс из этого атома в процессе, обычно называемом фотоэлектрическим эффектом. (внешние гамма-лучи и ультрафиолетовые лучи также могут вызывать этот эффект). Фотоэлектрический эффект не следует путать с процессом внутреннего преобразования , в котором фотон гамма-излучения не образуется как промежуточная частица (скорее, можно подумать, что «виртуальный гамма-луч» опосредует этот процесс).
Схемы распада [ править ]
Co
Одним из примеров образования гамма-излучения из-за распада радионуклида является схема распада кобальта-60, как показано на прилагаемой диаграмме. Первый,60Coраспадается до возбужденного 60Niс помощью бета - распада испусканием электрона 0,31 МэВ. Тогда возбужденный60
Ni
распадается в основное состояние (см. модель ядерной оболочки ), испуская гамма-лучи последовательно 1,17 МэВ, а затем 1,33 МэВ. Этот путь используется в 99,88% случаев:
60 27Co → 60 28Ni* + е- + νе + γ + 1,17 МэВ 60 28Ni* → 60 28Ni + γ + 1,33 МэВ
Другой пример - альфа-распад 241Являюсь формировать 237Np; за которым следует гамма-излучение. В некоторых случаях спектр гамма-излучения дочернего ядра довольно прост (например,60
Co
/60
Ni
), а в других случаях, например, с (241
Являюсь
/237
Np
и 192Ir/192
Pt
), спектр гамма-излучения сложен, что свидетельствует о существовании ряда уровней ядерной энергии.
Физика элементарных частиц [ править ]
Гамма-лучи образуются во многих процессах физики элементарных частиц . Как правило, гамма-лучи являются продуктами нейтральных систем, которые распадаются из-за электромагнитных взаимодействий (а не из-за слабого или сильного взаимодействия). Например, при аннигиляции электрон-позитрон обычными продуктами являются два гамма-фотона. Если аннигилирующий электрон и позитрон находятся в состоянии покоя, каждый из результирующих гамма-лучей имеет энергию ~ 511 кэВ и частоту ~1,24 × 10 20 Гц . Аналогичным образом нейтральный пион чаще всего распадается на два фотона. Многие другие адроны и массивные бозоны также распадаются электромагнитно. Соответственно, в экспериментах по физике высоких энергий, таких как Большой адронный коллайдер , используется значительная радиационная защита. [ необходима цитата ] Потому что субатомные частицыв основном имеют гораздо более короткие длины волн, чем атомные ядра, гамма-лучи физики элементарных частиц обычно на несколько порядков более энергичны, чем гамма-лучи ядерного распада. Поскольку гамма-лучи находятся на вершине электромагнитного спектра с точки зрения энергии, все фотоны чрезвычайно высоких энергий являются гамма-лучами; например, фотон, имеющий планковскую энергию, будет гамма-лучом.
Другие источники [ править ]
В астрономии известно, что некоторые гамма-лучи возникают в результате гамма-распада (см. Обсуждение SN1987A ), но большинство - нет.
Фотоны от астрофизических источников, которые переносят энергию в диапазоне гамма-излучения, часто явно называют гамма-излучением. Помимо ядерной эмиссии, они часто возникают в результате взаимодействия субатомных частиц и частиц с фотонами. К ним относятся электрон-позитронная аннигиляция , распад нейтрального пиона , тормозное излучение , обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение .
Лабораторные источники [ править ]
В октябре 2017 года ученые из различных европейских университетов предложили способ для источников фотонов ГэВ с использованием лазеров в качестве возбудителей через контролируемое взаимодействие между каскадом и аномальным захватом излучения . [6]
Земные грозы [ править ]
Грозы могут производить короткий импульс гамма-излучения, называемый земной гамма-вспышкой . Считается, что эти гамма-лучи создаются статическими электрическими полями высокой интенсивности, ускоряющими электроны, которые затем производят гамма-лучи за счет тормозного излучения, когда они сталкиваются с атомами в атмосфере и замедляются ими. Гамма-лучи с энергией до 100 МэВ могут испускаться земными грозами и были обнаружены космическими обсерваториями. Это повышает вероятность риска для здоровья пассажиров и членов экипажа самолета, летящего в грозовых облаках или вблизи них. [7]
Солнечные вспышки [ править ]
Наиболее эффузивные солнечные вспышки излучают во всем спектре электромагнитных волн, включая γ-лучи. Первое достоверное наблюдение произошло в 1972 году . [8]
Космические лучи [ править ]
Внеземные гамма-лучи высокой энергии включают фон гамма-лучей, возникающий при столкновении космических лучей (либо высокоскоростных электронов, либо протонов) с обычным веществом, в результате чего образуются гамма-лучи с энергией 511 кэВ. В качестве альтернативы тормозное излучение возникает при энергиях в десятки МэВ или более, когда электроны космических лучей взаимодействуют с ядрами с достаточно большим атомным номером (см. Гамма-изображение Луны в конце этой статьи, для иллюстрации).
Пульсары и магнетары [ править ]
В небе с гамма-лучами (см. Иллюстрацию справа) преобладает более обычное и долгосрочное производство гамма-лучей, которые исходят от пульсаров в пределах Млечного Пути. Источники с остальной части неба - это в основном квазары . Пульсары считаются нейтронными звездами с магнитными полями, которые производят сфокусированные пучки излучения, и являются гораздо менее энергичными, более распространенными и гораздо более близкими источниками (обычно наблюдаемыми только в нашей собственной галактике), чем квазары или более редкие гамма-всплески.источники гамма-излучения. Пульсары обладают относительно долгоживущими магнитными полями, которые производят сфокусированные пучки заряженных частиц с релятивистской скоростью, которые излучают гамма-лучи (тормозное излучение), когда они сталкиваются с газом или пылью в окружающей среде, и замедляются. Этот механизм аналогичен производству фотонов высокой энергии в аппаратах для лучевой терапии мегавольтной терапии (см. Тормозное излучение ). Обратное комптоновское рассеяние , при котором заряженные частицы (обычно электроны) передают энергию фотонам с низкой энергией, усиливая их до фотонов с более высокой энергией. Такое воздействие фотонов на релятивистские пучки заряженных частиц - еще один возможный механизм образования гамма-лучей. Нейтронные звезды с очень сильным магнитным полем ( магнетары), которые, как считается, производят астрономические ретрансляторы мягкого гамма-излучения , являются еще одним относительно долгоживущим источником гамма-излучения с питанием от звезды.
Квазары и активные галактики [ править ]
Считается, что более мощные гамма-лучи от очень далеких квазаров и более близких активных галактик имеют источник гамма-излучения, подобный ускорителю частиц . Электроны высокой энергии, создаваемые квазаром и подвергающиеся обратному комптоновскому рассеянию, синхротронному излучению или тормозному излучению, являются вероятным источником гамма-лучей от этих объектов. Считается, что сверхмассивная черная дырав центре таких галактик находится источник энергии, который периодически разрушает звезды и фокусирует полученные заряженные частицы в лучи, выходящие из их полюсов вращения. Когда эти лучи взаимодействуют с газом, пылью и фотонами более низкой энергии, они производят рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти источники, как известно, колеблются в течение нескольких недель, что свидетельствует об их относительно небольшом размере (менее нескольких световых недель в поперечнике). Такие источники гамма- и рентгеновского излучения являются наиболее часто видимыми источниками высокой интенсивности за пределами нашей галактики. Они светятся не вспышками (см. Иллюстрацию), а относительно непрерывно при наблюдении в гамма-телескопы. Мощность типичного квазара порядка 10 40ватт, небольшую часть которого составляет гамма-излучение. Большая часть остального излучается в виде электромагнитных волн всех частот, включая радиоволны.
Гамма-всплески [ править ]
Наиболее интенсивные источники гамма-излучения, также являются наиболее интенсивными источниками любого типа электромагнитного излучения, известного в настоящее время. В астрономии они представляют собой источники гамма-излучения с «длительными всплесками» (в данном контексте «длинные», означающие несколько десятков секунд), и они редки по сравнению с источниками, описанными выше. Напротив, считается , что «короткие» гамма-всплески продолжительностью две секунды или меньше, не связанные со сверхновыми, производят гамма-лучи во время столкновения пар нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры . [9]
Так называемые долговременные гамма-всплески производят общую энергию около 10 44 джоулей (столько же энергии, сколько наше Солнце будет производить за все время своей жизни), но за период всего от 20 до 40 секунд. Гамма-лучи составляют примерно 50% всей выходной энергии. Ведущими гипотезами о механизме образования этих пучков излучения с наивысшей известной интенсивностью являются обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение заряженных частиц высоких энергий. Эти процессы происходят, когда релятивистские заряженные частицы покидают область горизонта событий новообразованной черной дыры.созданный во время взрыва сверхновой. Пучок частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, фокусируется на несколько десятков секунд магнитным полем взрывающейся гиперновой . Термоядерный взрыв гиперновой звезды приводит в движение энергетику процесса. Если узконаправленный луч оказывается направленным на Землю, он светится на частотах гамма-лучей с такой интенсивностью, что его можно обнаружить даже на расстояниях до 10 миллиардов световых лет, что близко к краю видимой Вселенной .
Свойства [ править ]
Проникновение материи [ править ]
Из-за своей проникающей природы гамма-лучи требуют большого количества защитной массы, чтобы снизить их до уровней, которые не являются вредными для живых клеток, в отличие от альфа-частиц , которые могут быть задержаны бумагой или кожей, и бета-частиц , которые могут быть экранированы. тонким алюминием. Гамма-лучи лучше всего поглощаются материалами с большим атомным номером ( Z ) и высокой плотностью, которые вносят вклад в общую тормозную способность. Из-за этого свинцовый экран (с высоким Z ) на 20–30% лучше в качестве гамма-экрана, чем такой же по массе другой экран с низким Z.защитный материал, такой как алюминий, бетон, вода или почва; Главное преимущество свинца не в меньшем весе, а в его компактности за счет более высокой плотности. Защитная одежда, очки и респираторы могут защитить от внутреннего контакта или проглатывания альфа- или бета-излучающих частиц, но не обеспечивают защиты от гамма-излучения от внешних источников.
Чем выше энергия гамма-лучей, тем толще требуется экранирование из того же экранирующего материала. Материалы для экранирования гамма-лучей обычно измеряются по толщине, необходимой для уменьшения интенсивности гамма-лучей наполовину ( слой половинного значения или HVL). Так , например, гамма - лучи , которые требуют 1 см (0,4 ") из свинца , чтобы уменьшить их интенсивность на 50% также будет иметь их интенсивность уменьшается наполовину 4,1 см из гранита породы, 6 см (2 с половиной") из бетона , или 9 см ( 3½ ″) утрамбованной почвы . Однако масса такого количества бетона или почвы всего на 20–30% больше, чем масса свинца с такой же абсорбционной способностью. Обедненный ураниспользуется для экранирования в портативных источниках гамма-излучения , но здесь экономия веса по сравнению со свинцом больше, так как портативный источник очень мал по сравнению с требуемым экранированием, поэтому экранирование до некоторой степени напоминает сферу. Объем шара зависит от куба радиуса; поэтому объем (и вес) источника с уменьшенным вдвое радиусом будет уменьшен в восемь раз, что более чем компенсирует большую плотность урана (а также уменьшит объем). [ требуется разъяснение ]На атомной электростанции защита может быть обеспечена сталью и бетоном в корпусе, работающем под давлением и удерживающем частицы, в то время как вода обеспечивает радиационную защиту топливных стержней во время хранения или транспортировки в активную зону реактора. Потеря воды или удаление «горячей» топливной сборки в воздух приведет к гораздо более высоким уровням излучения, чем при нахождении под водой.
Взаимодействие с материей [ править ]
Когда гамма-луч проходит через вещество, вероятность поглощения пропорциональна толщине слоя, плотности материала и поперечному сечению поглощения материала. Общее поглощение показывает экспоненциальное уменьшение интенсивности с удалением от падающей поверхности:
где x - толщина материала от падающей поверхности, μ = n σ - коэффициент поглощения, измеряемый в см -1 , n - количество атомов на см 3 материала (атомная плотность) и σ - сечение поглощения в см 2 .
Проходя через вещество, гамма-излучение ионизируется посредством трех процессов: фотоэлектрического эффекта , комптоновского рассеяния и образования пар .
- Фотоэлектрический эффект : описывает случай, когда гамма- фотон взаимодействует с атомным электроном и передает свою энергию ему, вызывая выброс этого электрона из атома. Кинетическая энергия образовавшегося фотоэлектрона равна энергии падающего гамма-фотона за вычетом энергии, которая первоначально связала электрон с атомом (энергия связи). Фотоэлектрический эффект является доминирующим механизмом передачи энергии для рентгеновских и гамма-квантов с энергиями ниже 50 кэВ (тысяч электронвольт), но он гораздо менее важен при более высоких энергиях.
- Комптоновское рассеяние : это взаимодействие, при котором падающий гамма-фотон теряет достаточно энергии для атомного электрона, чтобы вызвать его выброс, а оставшаяся часть энергии исходного фотона излучается как новый гамма-фотон с более низкой энергией, направление излучения которого отличается от направления излучения. падающий гамма-фотон, отсюда и термин «рассеяние». Вероятность комптоновского рассеяния уменьшается с увеличением энергии фотона. Комптоновское рассеяние считается основным механизмом поглощения гамма-лучей в промежуточном диапазоне энергий от 100 кэВ до 10 МэВ. Комптоновское рассеяние относительно не зависит от атомного номера поглощающего материала, поэтому очень плотные материалы, такие как свинец, лишь незначительно лучше экранируют на единицу веса. основы, чем менее плотные материалы.
- Образование пар : это становится возможным при гамма-энергии, превышающей 1,02 МэВ, и становится важным в качестве механизма поглощения при энергиях более 5 МэВ (см. Иллюстрацию справа для свинца). При взаимодействии с электрическим полем ядра энергия падающего фотона преобразуется в массу электрон- позитронной пары. Любая гамма-энергия, превышающая эквивалентную массу покоя двух частиц (в сумме не менее 1,02 МэВ), отображается как кинетическая энергия пары и отдача излучающего ядра. В конце позитрона диапазона, он соединяется со свободным электроном, и два аннигилируют, и вся масса этих двух затем преобразуется в два гамма-фотона с энергией не менее 0,51 МэВ каждый (или выше в зависимости от кинетической энергии аннигилированных частиц).
Вторичные электроны (и / или позитроны), образующиеся в любом из этих трех процессов, часто имеют достаточно энергии, чтобы сами произвести большую ионизацию .
Кроме того, гамма-лучи, особенно высокоэнергетические, могут взаимодействовать с атомными ядрами, что приводит к выбросу частиц в результате фотораспада или, в некоторых случаях, даже ядерного деления ( фотоделения ).
Легкое взаимодействие [ править ]
Гамма-лучи высоких энергий (от 80 ГэВ до ~ 10 ТэВ ), приходящие от далеких квазаров , используются для оценки внегалактического фонового света во Вселенной: лучи самых высоких энергий легче взаимодействуют с фотонами фонового света и, следовательно, с плотностью фоновый свет может быть оценен путем анализа спектров приходящего гамма-излучения. [10] [11]
Гамма-спектроскопия [ править ]
Гамма-спектроскопия - это исследование энергетических переходов в атомных ядрах, которые обычно связаны с поглощением или испусканием гамма-лучей. Как и в оптической спектроскопии (см. Эффект Франка-Кондона ), поглощение гамма-лучей ядром особенно вероятно (т. Е. Пики в «резонансе»), когда энергия гамма-лучей такая же, как у энергетического перехода в ядро. В случае гамма-лучей такой резонанс наблюдается в технике мессбауэровской спектроскопии . В эффекте Мессбауэраузкое резонансное поглощение для ядерного гамма-поглощения может быть успешно достигнуто путем физической иммобилизации атомных ядер в кристалле. Иммобилизация ядер на обоих концах гамма-резонансного взаимодействия требуется для того, чтобы гамма-энергия не терялась в кинетической энергии отскакивающих ядер на излучающем или поглощающем конце гамма-перехода. Такая потеря энергии вызывает нарушение резонансного поглощения гамма-излучения. Однако, когда испускаемые гамма-лучи несут по существу всю энергию вызвавшего их девозбуждения атомного ядра, этой энергии также достаточно для возбуждения того же энергетического состояния во втором иммобилизованном ядре того же типа.
Приложения [ править ]
Гамма-лучи предоставляют информацию о некоторых из самых энергичных явлений во Вселенной; однако они в значительной степени поглощаются атмосферой Земли. Инструменты на борту высотных аэростатов и спутников, такие как космический гамма-телескоп Ферми, позволяют нам видеть Вселенную только в гамма-лучах.
Гамма-индуцированные молекулярные изменения также могут использоваться для изменения свойств полудрагоценных камней и часто используются для превращения белого топаза в голубой топаз .
Бесконтактные промышленные датчики обычно используют источники гамма-излучения в нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, химической, пищевой, мыльной и моющих отраслях, а также в целлюлозно-бумажной промышленности для измерения уровней, плотности и толщины. [12] Датчики гамма-излучения также используются для измерения уровня жидкости в водной и нефтяной промышленности. [13] Обычно в них в качестве источника излучения используются изотопы Co-60 или Cs-137.
В США детекторы гамма-излучения начинают использоваться в рамках инициативы по обеспечению безопасности контейнеров (CSI). Рекламируется, что эти машины способны сканировать 30 контейнеров в час.
Гамма-излучение часто используется для уничтожения живых организмов в процессе, называемом облучением . Применения этого включают стерилизацию медицинского оборудования (в качестве альтернативы автоклавам или химическим средствам), удаление вызывающих гниение бактерий из многих пищевых продуктов и предотвращение прорастания фруктов и овощей для сохранения свежести и вкуса.
Несмотря на свои канцерогенные свойства, гамма-лучи также используются для лечения некоторых видов рака , поскольку лучи также убивают раковые клетки. В процедуре, называемой хирургией гамма-ножом , несколько концентрированных пучков гамма-лучей направляются на рост, чтобы убить раковые клетки. Лучи направляются под разными углами, чтобы сконцентрировать излучение на росте, минимизируя повреждение окружающих тканей.
Гамма-лучи также используются для диагностических целей в ядерной медицине в методах визуализации. Используются различные гамма-излучающие радиоизотопы . Например, при ПЭТ-сканировании радиоактивно меченый сахар, называемый флудеоксиглюкозой, испускает позитроны , которые аннигилируют электронами, производя пары гамма-лучей, которые подчеркивают рак, поскольку рак часто имеет более высокую скорость метаболизма, чем окружающие ткани. Наиболее распространенным гамма-излучателем, используемым в медицине, является ядерный изомер технеция-99m, который излучает гамма-излучение в том же диапазоне энергий, что и диагностическое рентгеновское излучение. Когда этот радионуклидный индикатор вводится пациенту, гамма-камераможет использоваться для формирования изображения распределения радиоизотопа путем обнаружения испускаемого гамма-излучения (см. также ОФЭКТ ). В зависимости от того, какая молекула была помечена индикатором, такие методы можно использовать для диагностики широкого спектра состояний (например, распространения рака на кости через сканирование костей ).
Воздействие на здоровье [ править ]
Гамма-лучи вызывают повреждение на клеточном уровне и проникают сквозь него, вызывая диффузное повреждение по всему телу. Однако они менее ионизируют, чем альфа- или бета-частицы, которые обладают меньшей проникающей способностью.
Низкие уровни гамма-излучения вызывают стохастический риск для здоровья, который для оценки дозы радиации определяется как вероятность индукции рака и генетического повреждения. [14] Высокие дозы вызывают детерминированный эффект, что означает серьезность острого повреждения тканей, которое обязательно произойдет. Эти эффекты сравниваются с физической величиной поглощенной дозы, измеряемой единицей серого (Гр). [15]
Ответ тела [ править ]
Когда гамма-излучение разрушает молекулы ДНК, клетка может в определенных пределах восстановить поврежденный генетический материал. Однако исследование Роткамма и Лобриха показало, что этот процесс восстановления хорошо работает после воздействия высоких доз, но намного медленнее в случае воздействия низких доз. [16]
Оценка риска [ править ]
Естественное внешнее облучение в Соединенном Королевстве колеблется от 0,1 до 0,5 мкЗв / ч со значительным увеличением вокруг известных ядерных и загрязненных участков. [17] Естественное облучение гамма-лучами составляет от 1 до 2 мЗв в год, а среднее общее количество радиации, получаемой в год на одного жителя США, составляет 3,6 мЗв. [18] Наблюдается небольшое увеличение дозы из-за естественного гамма-излучения вокруг небольших частиц материалов с высоким атомным номером в теле человека, вызванное фотоэлектрическим эффектом . [19]
Для сравнения: доза облучения при рентгенографии грудной клетки (около 0,06 мЗв) составляет часть годовой дозы естественного фонового излучения. [20] КТ грудной клетки выдает от 5 до 8 мЗв. ПЭТ / КТ-сканирование всего тела может обеспечить от 14 до 32 мЗв в зависимости от протокола. [21] Доза при рентгеноскопии желудка намного выше, примерно 50 мЗв (в 14 раз больше годового фона).
Эквивалентная однократная доза облучения всего тела, равная 1 Зв (1000 мЗв), вызывает незначительные изменения в крови, но 2,0–3,5 Зв (2,0–3,5 Гр) вызывает очень тяжелый синдром тошноты, выпадения волос и кровотечения и приводит к смерти в значительное число случаев - от 10% до 35% без лечения. Доза 5 Зв [22] (5 Гр) считается приблизительно LD 50 (смертельная доза для 50% облученного населения) для острого облучения даже при стандартном лечении. Доза выше 5 Зв (5 Гр) увеличивает вероятность смерти выше 50%. Свыше 7,5–10 Зв (7,5–10 Гр) на все тело, даже внеочередное лечение, такое как пересадка костного мозга, не предотвратит смерть человека, подвергшегося облучению (см. Радиационное отравление). [23] (Однако дозы, намного превышающие эту, могут быть доставлены в отдельные части тела в ходе лучевой терапии .)
При облучении малыми дозами, например, среди ядерных рабочих, которые получают среднюю годовую дозу облучения 19 мЗв, [ необходимо пояснение ] риск смерти от рака (за исключением лейкемии ) увеличивается на 2 процента. При дозе 100 мЗв риск увеличивается на 10 процентов. Для сравнения: риск смерти от рака увеличился на 32 процента для выживших после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки . [24]
Единицы измерения и экспозиции [ править ]
В следующей таблице показаны величины излучения в единицах СИ и других единицах:
| Количество | Единица измерения | Символ | Вывод | Год | Эквивалентность СИ |
|---|---|---|---|---|---|
| Активность ( А ) | беккерель | Бк | с −1 | 1974 г. | Единица СИ |
| кюри | Ci | 3,7 × 10 10 с −1 | 1953 г. | 3,7 × 10 10 Бк | |
| Резерфорд | Rd | 10 6 с −1 | 1946 г. | 1000000 Бк | |
| Экспозиция ( X ) | кулон на килограмм | Кл / кг | C⋅kg −1 воздуха | 1974 г. | Единица СИ |
| рентген | р | esu / 0,001293 г воздуха | 1928 г. | 2,58 × 10-4 Кл / кг | |
| Поглощенная доза ( D ) | серый | Гр | Дж ⋅ кг −1 | 1974 г. | Единица СИ |
| эрг на грамм | эрг / г | эрг⋅g −1 | 1950 | 1.0 × 10 −4 Гр | |
| рад | рад | 100 эрг⋅г −1 | 1953 г. | 0,010 Гр | |
| Эквивалентная доза ( H ) | зиверт | Sv | Дж⋅кг −1 × Вт R | 1977 г. | Единица СИ |
| рентген-эквивалент человека | rem | 100 эрг⋅г −1 x Вт R | 1971 г. | 0,010 Зв | |
| Эффективная доза ( Е ) | зиверт | Sv | Дж⋅кг −1 × W R x W T | 1977 г. | Единица СИ |
| рентген-эквивалент человека | rem | 100 эрг⋅г −1 x W R x W T | 1971 г. | 0,010 Зв |
Мера ионизирующего эффекта гамма- и рентгеновских лучей в сухом воздухе называется экспозицией, для которой с 1928 года использовался унаследованный прибор, рентген . Его заменила керма , которая теперь используется в основном для калибровки приборов, но не для получил эффект дозы. Воздействие гамма-излучения и другого ионизирующего излучения на живую ткань более тесно связано с количеством энергии, депонированной в ткани, а не с ионизацией воздуха, и с 1953 года были определены и разработаны заменяющие радиометрические единицы и количества для радиационной защиты . Это:
- Серый (Гр), является единицей СИ поглощенной дозы , что количество энергии излучения на хранении в облученном материале. Для гамма-излучения это численно эквивалентно эквивалентной дозе, измеренной зивертом , что указывает на стохастический биологический эффект низких уровней излучения на ткани человека. Весовой коэффициент преобразования поглощенной дозы в эквивалентную дозу составляет 1 для гамма-излучения, тогда как альфа-частицы имеют коэффициент 20, что отражает их большее ионизирующее воздействие на ткань.
- Радиан является устаревшей РКОЙ блоком для поглощенной дозы и бэры являются устаревшей РКА единица эквивалентной дозы, используемым главным образом в США.
Отличие от рентгеновских лучей [ править ]
| Ядерная физика |
|---|
| Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерное вещество · Ядерная сила · Структура ядра · Ядерная реакция |
Традиционное различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами со временем изменилось. Первоначально электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, почти всегда имело большую длину волны, чем излучение (гамма-лучи), испускаемое радиоактивными ядрами . [25] В более ранних литературных источниках проводилось различие между рентгеновским и гамма-излучением на основе длины волны, причем излучение короче произвольной длины волны, например 10-11 м, определяемой как гамма-лучи. [26] Поскольку энергия фотонов пропорциональна их частоте и обратно пропорциональна длине волны, это прошлое различие между рентгеновскими лучами гамма-лучи также можно рассматривать с точки зрения его энергии, при этом гамма-лучи считаются электромагнитным излучением более высокой энергии, чем рентгеновские лучи.
Однако, поскольку существующие искусственные источники теперь могут дублировать любое электромагнитное излучение, которое исходит из ядра, а также гораздо более высокие энергии, длины волн, характерные для радиоактивных источников гамма-излучения по сравнению с другими типами, теперь полностью перекрываются. Таким образом, гамма-лучи теперь обычно различают по их происхождению: рентгеновские лучи по определению испускаются электронами вне ядра, а гамма-лучи испускаются ядром . [25] [27] [28] [29]Исключения из этого правила встречаются в астрономии, где гамма-распад наблюдается в послесвечении определенных сверхновых звезд, но излучение от процессов высокой энергии, о которых известно, что в нем участвуют другие источники излучения, кроме радиоактивного распада, все еще классифицируется как гамма-излучение.
Например, современное высокоэнергетическое рентгеновское излучение, производимое линейными ускорителями для лечения рака с помощью мегавольтного излучения, часто имеет более высокую энергию (от 4 до 25 МэВ), чем большинство классических гамма-лучей, производимых ядерным гамма-распадом . Один из наиболее распространенных изотопов, излучающих гамма-лучи, используемых в диагностической ядерной медицине , технеций-99m , производит гамма-излучение той же энергии (140 кэВ), что и рентгеновские диагностические аппараты, но значительно меньшей энергии, чем терапевтические фотоны от линейных ускорители частиц. В современном медицинском сообществе все еще соблюдается конвенция о том, что радиация, образующаяся при распаде ядра, является единственным типом, называемым «гамма-излучением».
Из - за этого широкого перекрытия в диапазонах энергий, в физике два типа электромагнитного излучения в настоящее время часто определяется их происхождением: рентгеновские лучи излучаются электронами (либо в орбиталей снаружи ядра, или в то время ускоряется для получения тормозного излучения типа излучение), [31] в то время как гамма-лучи испускаются ядром или посредством других распадов или аннигиляции частиц . Не существует нижнего предела энергии фотонов, производимых ядерными реакциями, и, таким образом, ультрафиолетовые фотоны или фотоны с более низкой энергией, производимые этими процессами, также можно было бы определить как «гамма-лучи». [32]Единственное соглашение об именах, которое до сих пор повсеместно соблюдается, - это правило, согласно которому электромагнитное излучение, которое, как известно, имеет атомно-ядерное происхождение, всегда называют «гамма-лучами», а не рентгеновскими лучами. Однако в физике и астрономии обратное соглашение (считается, что все гамма-лучи имеют ядерное происхождение) часто нарушается.
В астрономии гамма- и рентгеновские лучи с более высокой энергией определяются энергией, поскольку процессы, которые их производят, могут быть неопределенными, а энергия фотона, а не происхождение, определяет необходимые астрономические детекторы. [33] В природе встречаются фотоны высоких энергий, которые, как известно, производятся не в результате ядерного распада, а в других процессах, но их все еще называют гамма-излучением. Примером могут служить «гамма-лучи» от грозовых разрядов от 10 до 20 МэВ, которые, как известно, создаются механизмом тормозного излучения .
Другой пример - гамма-всплески, которые , как теперь известно, возникают в результате процессов, слишком мощных, чтобы вовлекать простые группы атомов, подвергающихся радиоактивному распаду. Это неотъемлемая часть общего понимания того, что многие гамма-лучи, образующиеся в астрономических процессах, возникают не в результате радиоактивного распада или аннигиляции частиц, а скорее в нерадиоактивных процессах, подобных рентгеновскому излучению. [ требуется пояснение ] Хотя гамма-лучи в астрономии часто возникают в результате нерадиоактивных событий, некоторые гамма-лучи в астрономии, как известно, возникают в результате гамма-распада ядер (что демонстрируется их спектрами и периодом полураспада). Классический пример - сверхновая SN 1987A., который испускает "послесвечение" гамма-фотонов от распада недавно образованных радиоактивных никеля-56 и кобальта-56 . Однако большинство гамма-лучей в астрономии возникает по другим причинам.
См. Также [ править ]
- Аннигиляция
- Галактический Центр Превышение ГэВ
- Детекторы газовой ионизации
- Гамма-излучение очень высоких энергий
- Гамма-излучение сверхвысокой энергии
Примечания [ править ]
- ^ Теперь понятно, что ядерный изомерный переход , однако, может вызвать ингибированный гамма-распад с измеримым и гораздо более длительным периодом полураспада.
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Villard, P. (1900). "Sur la réflexion et la refraction des rayons cathodiques et des Rayons déviables du radium" . Comptes rendus . 130 : 1010–1012.См. Также: Villard, P. (1900). "Sur le rayonnement du radium" . Comptes rendus . 130 : 1178–1179.
- ^ L'Annunziata, Майкл Ф. (2007). Радиоактивность: введение и история . Амстердам, Нидерланды: Elsevier BV. стр. 55 -58. ISBN 978-0-444-52715-8.
- ↑ Резерфорд назвал γ-лучи на странице 177: Э. Резерфорд (1903) «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия» , Philosophical Magazine , Series 6, vol. 5, вып. 26, страницы 177–187.
- ^ a b «Лучи и частицы» . Galileo.phys.virginia.edu . Проверено 27 августа 2013 .
- ^ Gamma обзор распада Достигано 29 сентября 2014
- ^ Гоносков, А .; Башинов, А .; Бастраков, С .; Ефименко, Э .; Ilderton, A .; Kim, A .; Marklund, M .; Мейеров, И .; Муравьев, А .; Сергеев, А. (2017). «Сверхяркий источник фотонов ГэВ через управляемые электромагнитные каскады в лазерно-дипольных волнах». Physical Review X . 7 (4): 041003. arXiv : 1610.06404 . Bibcode : 2017PhRvX ... 7d1003G . DOI : 10.1103 / PhysRevX.7.041003 . S2CID 55569348 .
- ^ Смит, Джозеф; Дэвид М. Смит (август 2012 г.). «Смертельные лучи из облаков». Scientific American . Vol. 307 нет. 2. С. 55–59. Bibcode : 2012SciAm.307b..54D . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0812-54 .
- ^ Чупп, EL; Форрест, диджей; Хигби, PR; Сури, АН; Tsai, C .; Данфи, П.П. (1973). «Линии солнечного гамма-излучения, наблюдавшиеся во время солнечной активности со 2 по 11 августа 1972 года». Природа . 241 (5388): 333–335. Bibcode : 1973Natur.241..333C . DOI : 10.1038 / 241333a0 . S2CID 4172523 .
- ^ 2005 NASA анонс первого тщательного изучения короткого гамма-всплеска .
- ^ Бок, РК; и другие. (27.06.2008). «Гамма-лучи очень высоких энергий от далеких квазаров: насколько прозрачна Вселенная?». Наука . 320 (5884): 1752–1754. arXiv : 0807.2822 . Bibcode : 2008Sci ... 320.1752M . DOI : 10.1126 / science.1157087 . ISSN 0036-8075 . PMID 18583607 . S2CID 16886668 .
- ^ Домингес, Альберто; и другие. (2015-06-01). «Там был весь свет». Scientific American . Vol. 312 нет. 6. С. 38–43. ISSN 0036-8075 .
- ^ Beigzadeh, AM (2019). «Разработка и усовершенствование простого и удобного в использовании гамма-денситометра для применения в деревообрабатывающей промышленности». Измерение . 138 : 157–161. Bibcode : 2019Meas..138..157B . DOI : 10.1016 / j.measurement.2019.02.017 .
- ^ Falahati, М. (2018). «Разработка, моделирование и изготовление непрерывного ядерного манометра для измерения уровня жидкости». Журнал приборостроения . 13 (2): P02028. Bibcode : 2018JInst..13P2028F . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 13/02 / P02028 .
- ^ В МКРЗ говорится: «В диапазоне низких доз, ниже примерно 100 мЗв, с научной точки зрения правдоподобно предположить, что частота возникновения рака или наследственных эффектов будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и тканях» МКРЗ публикация 103 пункт 64
- ^ МКРЗ доклад 103 пункт 104 и 105
- ^ Rothkamm, K; Лебрих, М. (2003). «Доказательства отсутствия репарации двухцепочечных разрывов ДНК в человеческих клетках, подвергшихся воздействию очень низких доз рентгеновского излучения» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (9): 5057–62. Bibcode : 2003PNAS..100.5057R . DOI : 10.1073 / pnas.0830918100 . PMC 154297 . PMID 12679524 .
- ^ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО UK Radioactivity in Food and Environment , 2012
- ^ Научный комитет Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации, приложение E: Медицинское радиационное облучение - Источники и эффекты ионизации - 1993, стр. 249, Нью-Йорк, ООН
- ^ Pattison, JE; Hugtenburg, RP; Грин, С. (2009). «Повышение дозы естественного фонового гамма-излучения вокруг микрочастиц урана в организме человека» . Журнал Интерфейса Королевского общества . 7 (45): 603–611. DOI : 10,1098 / rsif.2009.0300 . PMC 2842777 . PMID 19776147 .
- ↑ Национальный совет США по радиационной защите и измерениям - Отчет NCRP № 93 - стр. 53–55, 1987. Бетесда, Мэриленд, США, NCRP
- ^ "Расчет общей дозы облучения ПЭТ / КТ" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 23 января 2013 года . Проверено 8 ноября 2011 .
- ^ "Смертельная доза" , Глоссарий NRC (18 октября 2011 г.)
- ^ Роджерсон, DO; Рейденберг, Бельгия; Harris, Ag; Пекора, А.Л. (2012). «Возможности для лечения острой лучевой болезни плюрипотентными взрослыми стволовыми клетками» . Всемирный журнал экспериментальной медицины . 2 (3): 37–44. DOI : 10,5493 / wjem.v2.i3.37 . PMC 3905584 . PMID 24520532 .
- ^ Cardis, Е (9 июля 2005). «Риск рака после низких доз ионизирующего излучения: ретроспективное когортное исследование в 15 странах» . BMJ . 331 (7508): 77–0. DOI : 10.1136 / bmj.38499.599861.E0 . PMC 558612 . PMID 15987704 .
- ^ а б Денди, PP; Б. Хитон (1999). Физика для диагностической радиологии . США: CRC Press. п. 12. ISBN 0-7503-0591-6.
- ^ Чарльз Ходжман, изд. (1961). CRC Справочник по химии и физике, 44-е изд . США: Chemical Rubber Co., стр. 2850.
- ^ Фейнман, Ричард; Роберт Лейтон; Мэтью Сэндс (1963). Лекции Фейнмана по физике, Том 1 . США: Аддисон-Уэсли. стр. 2 -5. ISBN 0-201-02116-1.
- ^ L'Annunziata, Майкл; Мохаммад Барадеи (2003). Справочник по радиоактивному анализу . Академическая пресса. п. 58. ISBN 0-12-436603-1.
- ^ Grupen, Клаус; Г. Коуэн; С.Д. Эйдельман; Т. Стро (2005). Физика астрономических частиц . Springer. п. 109 . ISBN 3-540-25312-2.
- ^ «CGRO SSC >> EGRET Обнаружение гамма-лучей с Луны» . Heasarc.gsfc.nasa.gov. 2005-08-01 . Проверено 8 ноября 2011 .
- ^ «Тормозное излучение» - это «тормозящее излучение», но «ускорение» здесь используется в определенном смысле отклонения электрона от его курса: Serway, Raymond A; и другие. (2009). Колледж физики . Бельмонт, Калифорния: Брукс Коул. п. 876 . ISBN 978-0-03-023798-0.
- ^ Шоу, RW; Янг, JP; Купер, ИП; Уэбб, О.Ф. (1999). «Спонтанное ультрафиолетовое излучение образцов 233 урана / 229 тория» . Письма с физическим обзором . 82 (6): 1109–1111. Bibcode : 1999PhRvL..82.1109S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.82.1109 .
- ^ "Гамма-телескопы и детекторы" . НАСА GSFC . Проверено 22 ноября 2011 .
Внешние ссылки [ править ]
- Базовая справка по нескольким типам излучения
- Радиация, вопросы и ответы
- Информация о GCSE
- Информация о радиации
- Гамма-всплески
- Поиск ядерных данных Lund / LBNL - содержит информацию об энергии гамма-излучения изотопов.
- Картографирование почв с помощью авиадетекторов
- LIVEChart of Nuclides - МАГАТЭ с фильтром по энергии гамма-излучения
- Веб-сайт общественного образования Общества физики здоровья
