Гамма-излучение

Определение "Гамма-излучение" в Большой Советской Энциклопедии

Гамма-излучение. Рис.

Гамма-излучение, коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение-и. обладает чрезвычайно малой длиной волны (l £ 10^-8см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц — гамма-квантов, или фотонов, с энергией hv (v — частота излучения, h — Планка постоянная).

Зависимость коэффициента поглощения энергии гамма-излучения от энергии квантов

Гамма-излучение-и. возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение-и., сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбуждённого энергетического состояния в менее возбуждённое или в основное. Энергия g-кванта равна разности энергий DE состоянии, между которыми происходит переход (рис. 1). Испускание ядром g-кванта не влечёт за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от др. видов радиоактивных превращений (см. Альфа-распад, Бета-распад). Ширина линий Гамма-излучение-и. обычно чрезвычайно мала (~10^-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв) во много раз больше ширины линий, спектр Гамма-излучение-и. является линейчатым, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров Гамма-излучение-и. позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер (см. Ядерная спектроскопия, Ядро атомное).

Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося p°-мезона возникает Гамма-излучение-и. с энергией ~70 Мэв. Гамма-излучение-и. от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света с. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии (см. Доплера эффект) и спектр Гамма-излучение-и. оказывается размытым в широком интервале энергии (см. Элементарные частицы).

Гамма-излучение-и., образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное Гамма-излучение-и., так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное Гамма-излучение-и. с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв (см. Тормозное излучение).

В межзвёздном пространстве Гамма-излучение-и. может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое Гамма-излучение-и. (см. Гамма-астрономия).

  Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передаёт энергию световому фотону, который превращается в g-квант. Т. о., можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты Гамма-излучение-и. высокой энергии.

Гамма-излучение-и. обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии Гамма-излучение-и. с веществом, — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение g-кванта одним из электронов атома, причём энергия g-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии Гамма-излучение-и. (см. Фотоэффект). Т. о., фотоэффект преобладает в области малых энергий g-квантов (£ 100 кэв) на тяжёлых элементах (Pb, U).

При комптон-эффекте происходит рассеяние g-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте g-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение — более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см³ вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях Гамма-излучение-и., превышающих 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 энергия g-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hv. Поэтому при hv ~ 10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар (рис. 2). Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником Гамма-излучение-и. (см. Аннигиляция и рождение пар).

  Для характеристики ослабления Гамма-излучение-и. в веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I₀ падающего пучка Гамма-излучение-и. ослабляется в е раз:

Здесь m₀ — линейный коэффициент поглощения Гамма-излучение-и. в см^-1. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению m₀ к плотности поглотителя. В этих случаях толщину измеряют в г/см².

  Экспоненциальный закон ослабления Гамма-излучение-и. справедлив для узкого направленного пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит Гамма-излучение-и. из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях (hv > 10 Мэв) процесс прохождения Гамма-излучение-и. через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать Гамма-излучение-и. благодаря процессам торможения и аннигиляции. Т. о. в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного Гамма-излучение-и., электронов и позитронов, т. е. 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-излучение-и. развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и т. н. критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться. Эта энергия Е_кр тем выше, чем легче вещество. Так, для воздуха Екр = 50 Мэв, а для свинца Екр = 5 Мэв.

  Для измерения энергии Гамма-излучение-и. в экспериментальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров Гамма-излучение-и.: магнитные, сцинтилляционные, полупроводниковые, кристалл-дифракционные, (см Гамма-спектрометр, Сцинтилляционный спектрометр, Полупроводниковый спектрометр).

  Изучение спектров ядерных Гамма-излучение-и. даёт важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного Гамма-излучение-и., используется для изучения свойств твёрдых тел (см. Мёссбауэра эффект, Ориентированные ядра). Гамма-излучение-и. находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях (гамма-дефектоскопия, см. Дефектоскопия). В радиационной химии Гамма-излучение-и. применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение-и. используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками Гамма-излучение-и. служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, например ²²⁶Ra, ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs, а также электронные ускорители.
Е. М. Лейкин.

  Действие на организм Гамма-излучение-и. подобно действию др. видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение-и. может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния Гамма-излучение-и. зависит от энергии g-квантов и пространственных особенностей облучения (например, внешнее или внутреннее). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) Гамма-излучение-и. (эффективность жёсткого рентгеновского излучения принимается за 1) составляет 0,7—0,9. В производств. условиях (хроническое воздействие в малых дозах) ОБЭ Гамма-излучение-и. принята равной 1.

Гамма-излучение-и. используется в медицине для лечения опухолей (см. Лучевая терапия), для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Гамма-установка). Гамма-излучение-и. применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений. См. также Биологическое действие ионизирующих излучений.
 

  Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., под ред. К. Зигбана, в, 1, М., 1969; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 1, М., 1955: Гамма-лучи, М. — Л., 1961; Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. с англ., М., 1961.