Гамма-излучение (γ): что это такое, источники, длина волны, частота, свойства, применение

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 1 нм, что соответствует энергии фотона около 1 кэВ.

Простое объяснение

Одним из самых интересных явлений, наблюдаемых во Вселенной, являются гамма-вспышки. Это короткие импульсы гамма-излучения, которые появляются в среднем раз в день где-то в небе. Источники гамма-вспышек расположены в миллиардах световых лет от Земли и являются самыми мощными взрывами во Вселенной. Обычно всего за несколько секунд они выделяют больше энергии, чем наше Солнце за всю свою жизнь. Считается, что гамма-вспышки возникают в результате взрывов очень массивных звезд – сверхновых, которые коллапсируют в черную дыру.

Видение взрыва сверхновой
Рис. 1. Так представляет собой взрыв сверхновой. Источник: [ ESA/Hubble / CC BY ]

Приведенный ниже материал поможет вам лучше понять, что такое гамма-излучение, каковы его свойства, как оно возникает и как взаимодействует с веществом.

Рассматривая визуализации спектра электромагнитного излучения, можно заметить, что каждый тип излучения ассоциируется с каким-либо широко используемым устройством, которое использует данный тип излучения. Такие визуализации “работают на воображение”, в некотором смысле “знакомя” нас с определенным типом электромагнитного излучения.

Исключением является гамма-излучение ( γ ), которое чаще всего визуализируется с помощью клевера, являющегося символом радиоактивности. Гамма-излучение действительно широко используется, например, в медицинской диагностике, однако используемые устройства гораздо менее распространены и менее известны, чем, скажем, рентгеновский аппарат.

Определение:

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 1 нм, что соответствует энергии фотона около 1 кэВ.

Свойства

Гамма-излучение – это электромагнитная волна очень высокой энергии, т.е. очень короткой длины волны (рис. 2.). Условно принято, что верхний предел длины гамма-волны составляет 0,1 нм, что соответствует минимальной энергии гамма-кванта около 0,1 МэВ. Следует отметить, что не существует строгой границы между гамма-излучением и рентгеновскими лучами, которые имеют большую длину волны и меньшую энергию, чем гамма-излучение. Диапазоны обоих типов электромагнитных волн частично перекрываются.

Электромагнитный спектр
Рис. 2. Электромагнитный спектр

Гамма-излучение, как и другие виды электромагнитного излучения, распространяется в вакууме со скоростью света, т.е. 3 * 108 м / c

В случае гамма-излучения квантовая природа излучения становится наиболее очевидной. Во всех наблюдаемых явлениях гамма-фотоны ведут себя как частицы, обладающие импульсом. Хотя гамма-излучение является электромагнитной волной, наблюдение волновых явлений, таких как дифракция, очень сложно.

Энергия гамма-фотонов, E, выражается формулой: E = h * f = h * c / λ 

где h = 6,6*10-34 Дж*с – постоянная Планка, f – частота волны, λ – длина волны, c = 3*108 м/с – скорость света.

Источники

Источники гамма-излучения также находятся вокруг нас. К счастью, они обычно не излучают такую энергию, которая могла бы причинить нам вред. В природе его основными источниками являются распады естественных радиоактивных изотопов и космическое излучение.

Источником гамма-излучения обычно являются атомные ядра. Гамма-квант испускается атомным ядром в результате радиоактивного распада. Испуская гамма-квант, ядро избавляется от избыточной энергии и переходит из возбужденного состояния в основное.

Взаимодействие с веществом

Гамма-излучение называют ионизирующим излучением. Это означает, что, взаимодействуя с веществом, оно способно ионизировать атомы и молекулы. Мы выделяем три основных процесса взаимодействия гамма-излучения с веществом:

  1. Собственный фотоэлектрический эффект, при котором падающий на вещество фотон передает всю свою энергию электрону на атомных оболочках, отрывая его от атомов или перемещая на более высокий энергетический уровень.
  2. Комптоновское рассеяние (эффект Комптона), при котором фотон гамма-излучения передает часть своей энергии электрону (рис. 3). Движение электрона и фотона после рассеяния подчиняется принципу сохранения энергии и импульса. В одном акте взаимодействия обычно происходит небольшое изменение энергии кванта гамма-излучения. Изменение энергии фотона зависит от угла рассеяния ( θ ), т.е. угла между вектором скорости фотона после рассеяния и до рассеяния. Максимальная передача энергии происходит в результате обратного рассеяния, то есть когда фотон после рассеяния движется в направлении, противоположном первоначальному ( θ = 180° ).

Эффект Комптона — неупругое рассеяние фотона заряженной частицей, обычно электроном, названное в честь первооткрывателя Артура Холли Комптона. Если рассеяние приводит к уменьшению энергии, поскольку часть энергии фотона передаётся отражающемуся электрону, что соответствует увеличению длины волны фотона (который может быть рентгеновским или гамма-фотоном), то этот процесс называется эффектом Комптона

Википедия
Диаграмма комптоновского рассеяния
Рис. 3. Диаграмма комптоновского рассеяния

3. Создание электрон-позитронных пар, заключающееся в изменении высокоэнергетического фотона в пару частица-античастица. Для того чтобы процесс произошел, энергия кванта гамма-излучения должна быть больше, чем сумма масс покоя частиц, умноженная на c2. Масса электрона, определенная в единицах МэВ / c2 составляет 0,51. Таким образом, предельная энергия фотона составляет около 1.02 МэВ.

Вероятность возникновения того или иного процесса зависит от энергии фотонов гамма-излучения и от материала, в котором происходит взаимодействие. На рисунке 4 представлена диаграмма условий, в которых доминируют определенные, упомянутые процессы. По оси x – энергия фотона, по оси y – атомный номер (зарядовое число) материала. В случае материалов со средним и высоким атомным номером, фотоэффект доминирует при низких энергиях фотонов (ниже около 1 МэВ), эффект Комптона доминирует при средних энергиях фотонов (около 1-5 МэВ). Высокоэнергетические кванты гамма-излучения (выше 5 МэВ) подвергаются в основном созданию электрон-позитронных пар.

Диаграмма условий
Рис. 4. Диаграмма условий, при которых доминируют три основных процесса взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

Гамма-излучение характеризуется очень высокой проникающей способностью. Эффективное поглощение пучка фотонов требует использования толстых экранов, обычно изготовленных из свинца или другого материала с высокой плотностью и атомным номером.

Во всех этих явлениях появляются высокоэнергетические электроны, которые еще больше ионизируют материю. Возникновение одного из этих явлений является случайным. Гамма-фотон может пройти большой путь в веществе и не быть поглощенным. Если пучок гамма-лучей проходит через вещество, некоторые из фотонов будут случайным образом удалены из пучка в результате одного из вышеперечисленных процессов, в то время как другие будут двигаться беспрепятственно даже через толстый слой вещества.

Поглощение гамма-фотонов в веществе можно сравнить с ездой сумасшедших водителей, которые движутся с постоянной высокой скоростью и не останавливаются на светофорах. Некоторые из них быстро выбывают из движения из-за аварий, но некоторые счастливчики могут проехать сотни километров.

Защита и вред от гамма-излучения

Гамма-излучение является длинноволновым излучением – диапазон гамма-излучения в веществе теоретически бесконечен, но на практике достаточная защита обеспечивается свинцовыми пластинами или многометровым слоем бетона.

Гамма-излучение дальнего действия может стать для нас проблемой, поскольку это излучение вредно для живых организмов. Он очень проникающий, легко проходит по всему телу, а ионизация вызывает повреждение клеток различных органов. Если доза поглощенного излучения превышает определенное значение, называемое пороговой дозой, может возникнуть лучевая болезнь.

Ионизация вызывает повреждение клеток живых организмов. Поэтому гамма-излучение достаточно высокой интенсивности является смертельным для организмов. Кроме того, гамма-излучение очень проникающее и легко проходит через толстый слой воздуха и большинство окружающих нас предметов. При контакте с источниками гамма-излучения необходимо соблюдать осторожность и надевать защиту, обычно в виде свинцовых пластин. Гамма-излучение лучше всего поглощается материалами, содержащими элементы с высоким массовым числом, например, свинец.

Однако гамма-излучение не является экзотическим явлением, с которым мы не сталкиваемся в повседневной жизни. Гамма-излучение, исходящее от радиоактивных изотопов, которых в каждом предмете, а также в нашем теле содержится очень мало, постоянно присутствует в окружающей среде. Гамма-излучение также достигает поверхности Земли из космоса и является компонентом так называемого космического излучения. Окружающее нас излучение, известное как фоновое излучение, не вредно для нас. Только высокие дозы, которым могут подвергаться, например, работники атомных электростанций, представляют собой проблему и требуют специальной защиты.

Гамма-излучение образуется внутри звезд в реакциях слияния легких ядер в более тяжелые. При этом выделяется огромная энергия, которая испускается, в частности, в виде гамма-излучения. Самые большие выбросы гамма-излучения происходят при крупных космических катастрофах, таких как столкновения между нейтронными звездами или черными дырами или коллапс массивной звезды в черную дыру при взрыве сверхновой. Так называемые гамма-вспышки, которые достигают Земли, происходят в результате таких событий.

Применение

Ядерная медицина, отрасль медицины, использующая радиоактивные изотопы для терапии и диагностики, в последние годы стремительно развивается. Посмотрите на фотографию оборудования (рисунок 5) для радиотерапии в клинике в Гейдельберге (Германия). Оборудование стоимостью 119 миллионов евро занимает огромный зал, и все это для пациента, которого мы видим в правом нижнем углу, лежащего внутри огромного аппарата. Ядерная медицина – это обширная и интересная область. Здесь мы обсудим некоторые применения гамма-излучения в медицине и других областях жизни.

Университетская клиника Гейдельберга
Рис. 5. Университетская клиника Гейдельберга

Мы также можем использовать опасные свойства гамма-излучения в своих целях. Это излучение можно использовать для стерилизации медицинского оборудования, а также пищевых продуктов.

Стерилизация.

Стерилизация заключается в уничтожении бактерий, плесени, грибков, паразитов и патогенных микроорганизмов с помощью ионизирующего излучения. Во время процедуры используется гамма-излучение, исходящее от радиоактивного изотопа кобальта, или высокоэнергетические электроны, получаемые в ускорителях. Типы источников излучения и правила эксплуатации радиационного оборудования регламентируются международными стандартами. Они гарантируют, что при облучении в пищевых продуктах не образуются вредные для здоровья вещества. Продукты питания дольше сохраняют свою свежесть, так как при облучении погибают микроорганизмы, вызывающие разложение продуктов.

Радиоизотопные счетчики.

Одно из наиболее распространенных применений гамма-излучения – радиоизотопные счетчики. Эти измерители используются для точного измерения толщины материала, когда это измерение невозможно выполнить стандартным методом. К ним относятся абсорбционные измерители, принцип действия которых основан на явлении поглощения гамма-излучения.

Чем толще материал, тем больше поглощается падающий луч. С одной стороны измеряемого объекта находится источник излучения, например, кобальт Top Index 60Co, помещенный в экран, а с другой стороны – детектор гамма-лучей, который измеряет, сколько излучения прошло через материал. Знание зависимости поглощения гамма-излучения от толщины материала позволяет определить измеряемую толщину.

Диапазон измерения толщины очень широк и варьируется от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Радиоизотопные измерители не контактируют с измеряемым материалом во время измерения, что позволяет проводить измерения подвижных, высокотемпературных, вязких материалов, а также материалов и медицинских изделий, для которых важно не загрязнять образец во время измерения. Гамма-излучение кобальта 60Co также используется в дефектоскопии, которая занимается обнаружением скрытых дефектов в изделиях.

Ядерная медицина.

Очень важной областью применения гамма-излучения является медицина. Это излучение используется как для лечения рака, так и для диагностики. Этим занимается отрасль медицины, называемая ядерной медициной. Устройства, используемые в ядерной медицине, включают:

  1. Кобальтовая бомба – это устройство, используемое для лечения рака, а также для упомянутой выше стерилизации продуктов питания. Изотоп кобальта 60Co, испускающий гамма-лучи с энергией 1,17 и 1,33 МэВ, помещен в толстый свинцовый экран, имеющий каналы, выводящие пучок излучения. Кобальтовая бомба также может быть оснащена механизмом, позволяющим дистанционно манипулировать образцами, не подвергая оператора воздействию радиации.
  2. Гамма-нож – чрезвычайно точный медицинский прибор, используемый в радиохирургии, т.е. хирургии мозга без вскрытия черепа. Для точного выполнения процедуры пациент обездвиживается. С помощью визуализации, например, компьютерной томографии, определяется местоположение опухоли. Затем на место расположения опухоли направляется около 200 пучков гамма-излучения, источником которых являются капсулы, содержащие радиоактивный кобальт 60Co. Суть метода заключается в том, что отдельные пучки излучения достаточно слабы, чтобы не повредить мозг при проникновении. С другой стороны, в точно определенном месте доза от отдельных лучей суммируется – ее мощность в 200 раз превышает мощность дозы от одного луча. В результате в области опухоли излучение достигает мощности, необходимой для уничтожения опухолевых клеток. Риск побочных эффектов очень низок по сравнению с традиционной нейрохирургией. Кроме того, лечение практически не требует выздоровления. Пациенты, прошедшие облучение на гамма-ноже, возвращаются к нормальной жизни на следующий день после процедуры.
  3. Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) – это метод, использующий гамма-излучение для создания пространственного изображения любой области тела пациента.

Обследование начинается с введения радиофармпрепаратов в организм пациента. Это химические соединения, состоящие из двух элементов – радиоактивного изотопа и носителя, способного депонироваться в тканях и органах. Носители особенно интенсивно поглощаются раковыми клетками внутри опухоли. Атомные ядра радиоактивного изотопа подвергаются трансформации, в ходе которой они испускают гамма-кванты. Количество испускаемого излучения зависит от содержания радиофармацевтического препарата в соответствующей области. Таким образом, из области опухоли будет испускаться больше гамма-квантов, чем из других областей.

Излучение измеряется непосредственно с помощью внешнего детектора – гамма-камеры. Пространственное изображение получается при вращении камеры вокруг исследуемой области пациента. Изображения собираются из последовательных положений зонда, отличающихся на несколько градусов. Таким образом, измерения производятся при полном обороте вокруг пациента. Для ускорения процесса сбора данных чаще всего используются двухголовые камеры, расположенные друг напротив друга. Они проводят измерения одновременно, что ускоряет обследование в два раза (рис. 6.). Все полученные результаты измерений затем подвергаются компьютерной обработке, что позволяет создать трехмерное изображение исследуемой области.

ОФЭКТ-аппарат с двухголовочной гамма-квантовой камерой визуализации
Рис. 6. ОФЭКТ-аппарат с двухголовочной гамма-квантовой камерой визуализации. Источник:  [ KieranMaher at English Wikibooks / Public domain]

Список используемой литературы

  1. Коган Р. М., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Основы гамма-спектрометрии природных сред. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 233 с.
  2. Широков, Ю.М. Ядерная физика [Текст] / Ю.М. Широков, Н.П. Юдин // М.: Наука. – 1980, 783 с.
  3. Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. — К. : Знання, 2005. — 439 с.
  4.  “Gamma-Ray Telescopes & Detectors”. NASA GSFC. Retrieved 2011-11-22.
  5. Villard, P. (1900). “Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium”. Comptes rendus. 130: 1010–1012. See also: Villard, P. (1900). “Sur le rayonnement du radium”. Comptes rendus. 130: 1178–1179.
  6. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 310 – 327, 346 – 350.