Что представляет собой гамма излучение
Перейти к содержимому

Что представляет собой гамма излучение

  • автор:

Гамма-излучение

Природные объекты, эпохи, процессы, события

Га́мма-излуче́ние ( γ \gamma γ -излучение), коротковолновое электромагнитное излучение , принадлежащее к наиболее высокочастотной части спектра электромагнитных волн . Возникает при распаде атомных ядер и элементарных частиц и способно вызывать их превращения.

Гамма-излучение открыто в 1900 г. П. Вилларом как составляющая излучения радиоактивных ядер, которая в отличие от α \alpha α — и β \beta β -излучений не отклоняется магнитным полем . В 1914 г. Э. Резерфорд и Э. Андраде в опытах по дифракции на кристалле гамма-излучения доказали его электромагнитную природу.

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновским излучением , но имеет более короткую длину волны: λ ≤ 1 0 − 10 \lambda \le 10^ λ ≤ 1 0 − 10 м. При столь малых значениях длины волны на первый план выходят корпускулярные свойства гамма-излучения, его можно рассматривать как поток частиц ( гамма-квантов ). Их энергия, как и энергия других фотонов , определяется соотношением E = h ν = h c / λ E = h\nu = hc/\lambda E = h ν = h c / λ , где h h h – постоянная Планка , ν \nu ν – частота электромагнитных волн, c c c – скорость света .

Источники гамма-излучения

Частота гамма-излучения превышает 3 ⋅ 1 0 18 3\cdot10^ 3 ⋅ 1 0 18 Гц, что соответствует скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и адронов . Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица–античастица . И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами, что способствует превращению частиц.

Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238

Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Энергии испускаемых гамма-квантов с точностью до энергии отдачи ядра (незначительная величина) равны разностям энергий этих состояний (уровней) ядра. Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977. Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977. Энергии ядерного гамма-излучения обычно лежат в интервале от нескольких кэВ до 8–10 МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии уровней ядра (рис. 1). При распадах частиц и реакциях с их участием испускаются гамма-кванты с бóльшими энергиями: десятки–сотни мегаэлектронвольт. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, даёт важную информацию о структуре этих микрообъектов.

Гамма-излучение возникает также при торможении быстрых заряженных частиц в кулоновском поле ядер и электронов вещества (тормозное гамма-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 получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.

Источниками гамма-излучения являются также процессы, происходящие в космическом пространстве . Космические гамма-лучи приходят от пульсаров , радиогалактик , квазаров , сверхновых звёзд .

Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии, получаемых на ускорителе, с интенсивными пучками видимого света , создаваемыми лазерами . При этом электрон передаёт свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.

Взаимодействие с веществом

Полный коэффициент поглощения гамма-квантов в свинце

Рис. 2. Полный коэффициент поглощения в свинце гамма-квантов с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ и вклады в этот коэффициент различных процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом. Рис. 2. Полный коэффициент поглощения в свинце гамма-квантов с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ и вклады в этот коэффициент различных процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь значительную толщину вещества. Интенсивность I ( x ) I(x) I ( x ) узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов для не очень больших x x x падает экспоненциально с ростом x x x : I ( x ) = I ( 0 ) ⋅ e – μ x , I(x) = I(0) \cdot e^<–\mu x>, I ( x ) = I ( 0 ) ⋅ e – μx , где μ \mu μ – полный коэффициент поглощения, выраженный в см –1 , если x x x измеряется в сантиметрах. Основными процессами взаимодействия гамма-излучения с веществом являются фотоэлектрическое поглощение ( фотоэффект ), комптоновское рассеяние ( эффект Комптона ) и образование пар электрон–позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то в электрическом поле ядер возможно его превращение в пару электрон–позитрон (процесс, обратный аннигиляции электрона и позитрона). Каждый из этих трёх процессов характеризуется своим коэффициентом поглощения: μ ф \mu_ μ ф ​ (фотоэффект), μ К \mu_ μ К ​ (эффект Комптона), μ п \mu_ μ п ​ (образование пар). Полный коэффициент поглощения является суммой этих коэффициентов: μ = μ ф + μ К + μ п \mu = \mu_ + \mu_ + \mu_ μ = μ ф ​ + μ К ​ + μ п ​ (рис. 2).

Применение гамма-излучения

Гамма-излучение широко используется в различных областях человеческой деятельности, таких как дефектоскопия , таможенный контроль , радиационная химия (инициирование химических превращений, например при полимеризации ), сельское хозяйство (мутации, вызванные воздействием гамма-излучения, применяют для генерации хозяйственно-полезных форм), пищевая промышленность ( стерилизация продуктов), медицина ( стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия ) и др.

Воздействие на организм

Гамма-излучение воздействует на живые клетки подобно другим видам ионизирующих излучений . Организмы подвергаются постоянному воздействию гамма-излучения, входящего в состав космических лучей , а также испускаемого радиоактивными элементами, находящимися в рассеянном виде в почве, горных породах , атмосфере и воде. Основными источниками гамма-излучения естественного происхождения являются радиоактивные изотопы 226 Ra , ^\text, 226 Ra , 60 Co ^\text 60 Co и 137 Cs . ^\text. 137 Cs . Поскольку интенсивность всех этих источников гамма-излучения невелика, они не представляют прямой опасности для живых организмов.

Искусственными источниками гамма-излучения являются главным образом ускорители электронов ( бетатрон , линейные ускорители электронов и др.), отходы атомных электростанций и радиоактивные заражения местности, возникшие в результате испытаний ядерного оружия . Воздействие гамма-излучения на живой организм является результатом столкновения вторичного электрона или другой заряженной частицы, рождаемой гамма-квантом, с клетками организма. Эффекты такого воздействия общие для всех видов радиоактивного излучения – могут возникать изменения молекул тканей организма. Важным обстоятельством является то, что, вследствие высокой проникающей способности гамма-излучения, оно воздействует на весь организм.

Среднегодовая эквивалентная доза излучения , получаемая человеком от естественного радиационного фона и искусственных источников излучения, составляет примерно 3,2 мЗв. Из них около 75 % приходится на воздействие природного радиационного фона и 20 % на воздействие излучений в ходе медицинских исследований, включающих диагностику и лечение. В последнем виде облучения основную роль играет рентгеновское и гамма-излучение.

Опубликовано 6 марта 2023 г. в 17:18 (GMT+3). Последнее обновление 6 марта 2023 г. в 17:18 (GMT+3). Связаться с редакцией

Электромагнитные волны: что такое гамма-излучение и его вред

О вреде рентгенологического исследования знают многие. Есть и такие, кто слышал об опасности, которую представляют лучи из гамма-категории. Но далеко не все в курсе, что такое гамма-излучение и какую конкретно опасность оно таит.
Среди многочисленных видов электромагнитного излучения существуют гамма-лучи. О них обыватели знают гораздо меньше, чем о рентгеновском излучении. Но это не делает их менее опасными. Главной особенностью этого излучения считается небольшая длина волны.
По своей природе они похоже на свет. Скорость их распространения в пространстве идентичная световой, и составляет 300 000 км/сек. Но из-за своих особенностей такое излучение несет сильное токсическое и травмирующее воздействие на все живое.

Главные опасности гамма-излучения

Основными источниками гамма-облучения числятся космические лучи. Также на их образование влияет распад атомных ядер различных элементов с радиоактивной составляющей и несколько других процессов. Вне зависимости от того, каким конкретно способом излучение попало на человека, оно всегда несет идентичные последствия. Это сильное ионизирующее воздействие.
Физики отмечают, что самые короткие волны электромагнитного спектра имеют самую большую энергетическую насыщенность квантов. Из-за этого гамма-фон получил славу потока с большим энергетическим запасом.
Его влияние на все живое заключается в следующих аспектах:

  • Отравление и повреждение живых клеток. Вызвано это тем, что проникающая способность гамма-излучения отличается особенно высоким уровнем.
  • Круговорот ионизации. По пути движения луча разрушенные из-за него молекулы начинают активно ионизировать следующую порцию молекул. И так до бесконечности.
  • Трансформация клеток. Разрушенные подобным образом клетки вызывают сильные изменения в различных ее структурах. Получившийся результат негативно сказывается на организме, превращая здоровые компоненты в яды.
  • Рождение мутированных клеток, которые не способны исполнять возложенные на них функциональные обязанности.

Но главной опасностью такого типа излучения считается отсутствие у человека особого механизма, направленного на своевременное обнаружение таких волн. Из-за этого человек может получить смертельную дозу облучения и даже сразу не понять этого.

Все органы человека по-разному реагируют на гамма-частицы. Некоторые системы справляются лучше других за счет сниженной индивидуальной чувствительности к столь опасным волнам.
Хуже всего такое воздействие сказывается на кроветворной системе. Объясняется это тем, что именно тут присутствуют одни из наиболее быстро делящихся клеток в организме. Также от такого облучения сильно страдают:

  • пищеварительный тракт;
  • лимфатические железы;
  • половые органы;
  • волосяные фолликулы;
  • структура ДНК.

Проникнув в структуру цепочки ДНК, лучи запускают процесс многочисленных мутаций, сбивая природный механизм наследственности. Далеко не всегда врачи могут сразу определить, в чем причина резкого ухудшения самочувствия больного. Происходит это за счет длительного латентного периода и способности облучения накапливать вредоносное действие в клетках.

Области применения гамма-излучения

Разобравшись с тем, что такое гамма-излучение, людей начинает интересовать сфера использования опасных лучей.
Согласно последним исследованиям, при неконтролируемом стихийном воздействии излучения из гамма-спектра последствия дают о себе знать нескоро. В особо запущенных ситуациях облучение может «отыграться» на следующем поколении, не имея видимых последствий для родителей.
Несмотря на доказанную опасность таких лучей, ученые все равно продолжают использовать это излучение в промышленных масштабах. Зачастую его применение встречается в таких отраслях:

  • стерилизация продуктов;
  • обработка медицинского инструментария и техники;
  • контроль над внутренним состоянием ряда изделий;
  • геологические работы, где требуется определить глубину скважины;
  • космические исследования, где нужно произвести замер расстояния;
  • культивирование растений.

В последнем случае мутации сельскохозяйственных культур позволяют использовать их для выращивания на территории стран, изначально к этому не приспособленных.
Применяются гамма-лучи в медицине при лечении различных онкологических заболеваний. Метод получил название лучевой терапии. Он направлен на то, чтобы максимально сильно воздействовать на клетки, которые делятся особо быстро. Но помимо утилизации таких вредных для организма клеток происходит убийство сопутствующих здоровых клеток. Из-за такого побочного эффекта врачи многие годы пытаются отыскать более результативные лекарства для борьбы с раком.
Но существуют такие формы онкологии и сарком, от которых избавиться любым другим известным науке методом не получится. Тогда и назначается лучевая терапия, чтобы в сжатые сроки подавить жизнедеятельность патогенных опухолевых клеток.

Другие сферы использования излучения

Сегодня энергия гамма-излучения изучена достаточно хорошо, чтобы понимать все сопутствующие риски. Но еще лет сто назад люди относились к такому облучению более пренебрежительно. Их познания в свойствах радиоактивности были ничтожно малы. Из-за такого незнания многие люди страдали от непонятных для докторов прошлой эпохи болезней.
Встретить радиоактивные элементы можно было в:

  • глазури для керамики;
  • ювелирных украшениях;
  • старинных сувенирах.

Некоторые «приветы из прошлого» могут нести в себе опасность даже сегодня. Особенно это касается частей устаревшего медицинского или военного оборудования. Их находят на территории заброшенных воинских частей, госпиталей.
Также огромную опасность представляет радиоактивный металлолом. Он может нести угрозу сам по себе, а может быть найден на территории с повышенной радиацией. Чтобы избежать скрытого воздействия от предметов металлолома, найденного на свалке, каждый объект нужно проверять со специальным оборудованием. Он может выявить его настоящий радиационный фон.
В «чистом виде» наибольшую опасность гамма-излучение представляет из таких источников:

  • процессы в космическом пространстве;
  • опыты с распадом частиц;
  • переход ядра элемента с высоким содержанием энергии в состоянии покоя;
  • движении заряженных частиц в магнитном поле;
  • торможении заряженных частиц.

Первооткрывателем в области изучения гамма-частиц стал Поль Виллар. Этот французский специалист в сфере физических изысканий заговорил о свойствах излучения гамма-лучей еще в 1900 году. Натолкнул его на это эксперимент по изучению особенностей радия.

Как защититься от вредоносного излучения?

Чтобы защита зарекомендовала себя в качестве действительно эффективного блокиратора, нужно подходить к ее созданию комплексно. Причина тому – естественные излучения электромагнитного спектра, которые окружают человека постоянно.
В обычном состоянии источники подобных лучей считаются относительно безвредными, так как их доза минимальна. Но помимо затишья в окружающей среде существуют и периодические всплески облучения. Жителей Земли от космических выбросов защищает удаленность нашей планеты от других. Но спрятаться от многочисленных атомных электростанций у людей не получится, ведь они распространены повсеместно.
Оборудование таких учреждений несет особую опасность. Ядерные реакторы, а также различные технологические контуры представляют угрозу для среднестатистического гражданина. Ярким тому примером выступает трагедия на Чернобыльской АЭС, последствия которой всплывают до сих пор.
Чтобы свести к минимуму влияние гамма-излучения на организм человека на особо опасных предприятиях, была введена собственная система безопасности. Она включает в себя несколько основных пунктов:

Читайте также:

  • Ограничение по времени нахождения вблизи опасного объекта. Во время операции по ликвидации последствий на ЧАЭС каждому ликвидатору предоставлялось всего несколько минут для проведения одного из многочисленных этапов общего плана по устранению последствий.
  • Ограничение по расстоянию. Если позволяет ситуация, то все процедуры должны производиться в автоматическом режиме максимально удаленно от опасного объекта.
  • Наличие защиты. Это не только специальная форма для работника особо опасного производства, но и дополнительные защитные барьеры из разных материалов.

В качестве блокиратора для таких барьеров выступают материалы с повышенной плотностью и высоким атомным номером. Среди наиболее распространенных принято называть:

  • свинец,
  • свинцовое стекло,
  • стальной сплав,
  • бетон.

Лучше всего себя зарекомендовал на этом поприще свинец. Он обладает наиболее высокой интенсивностью поглощения γ-лучей (так называют гамма-лучи). Самым результативным сочетанием считается использование совместно:

  • свинцовой пластины толщиной в 1 см;
  • бетонной прослойки 5 см по глубине;
  • водной толщи глубиной 10 см.

Все вместе это позволяет снизить излучение в два раза. Но полностью от него избавиться все равно не получится. Также свинец невозможно использовать в среде повышенных температур. Если в помещении постоянно держится режим высокой температуры, то легкоплавкий свинец делу не поможет. Его необходимо заменить дорогостоящими аналогами:

Все сотрудники предприятий, где поддерживается высокая гамма-радиация, обязаны носить регулярно обновляющуюся спецодежду. Она содержит в себе не только свинцовый наполнитель, но и резиновое основание. При необходимости костюм дополняют противорадиационные экраны.

Частые вопросы

Что такое гамма-излучение и как оно образуется?

Гамма-излучение – это высокоэнергетические электромагнитные волны, которые образуются в результате радиоактивного распада ядер атомов. Они имеют самую короткую длину волны и наибольшую энергию среди всех видов электромагнитных волн.

Какое воздействие оказывает гамма-излучение на организм человека?

Гамма-излучение является ионизирующим излучением, что означает, что оно способно ионизировать атомы и молекулы в организме. Это может привести к повреждению ДНК и других клеточных структур, что может вызвать различные заболевания, включая рак. Высокие дозы гамма-излучения могут быть смертельными.

Как можно защититься от вредного воздействия гамма-излучения?

Для защиты от гамма-излучения можно использовать различные методы. Например, использование защитной одежды и противоизлучательных материалов может снизить уровень облучения. Также важно избегать пребывания в зонах с высоким уровнем радиации и соблюдать меры безопасности при работе с радиоактивными материалами.

Полезные советы

СОВЕТ №1

Избегайте длительного пребывания вблизи источников гамма-излучения. Если вы работаете с рентгеновскими аппаратами или другими источниками гамма-излучения, используйте защитное оборудование, такое как свинцовые фартуки или стеклянные экраны, чтобы снизить воздействие на организм.

Читайте также:

СОВЕТ №2

Поддерживайте здоровый образ жизни и укрепляйте иммунную систему. Регулярное физическое упражнение, здоровое питание, достаточный сон и управление стрессом помогут вашему организму более эффективно бороться с воздействием гамма-излучения и других вредных факторов.

СОВЕТ №3

Избегайте потенциально опасных мест и ситуаций. Если вы знаете, что в определенных районах или при определенных деятельностях может быть повышенное гамма-излучение, старайтесь избегать таких мест или принимать меры предосторожности, например, носить датчики радиации или измерять уровень гамма-излучения перед посещением определенных мест.

Гамма-излучение, виды, свойства и применение

Гамма-излучение — это разновидность электромагнитного излучения, которое характеризуется очень высокой энергией и длиной волны. Оно возникает в результате ядерных реакций и распада радиоактивных элементов.

Гамма-излучение может проникать через различные материалы, включая воздух, воду и даже землю. Оно обладает высокой энергией и способно вызывать ионизацию атомов и молекул в материале, который оно проходит. Это может приводить к различным эффектам, таким как образование рентгеновских лучей, ультразвуковых волн и других видов излучения.

В медицине гамма-лучи используются для диагностики и лечения различных заболеваний. Они могут использоваться для обнаружения опухолей, контроля за лечением рака и других заболеваний. Также гамма-лучи широко используются в ядерной энергетике для производства электроэнергии.

Однако следует отметить, что гамма-излучение является опасным для здоровья человека. Высокие дозы облучения могут привести к серьезным повреждениям организма и даже к смерти. Поэтому при работе с источниками гамма-излучения необходимо соблюдать все меры безопасности.

Открытие гамма-излучения

Это одно из самых важных открытий в истории физики. В 1865 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества испускают невидимые лучи, которые могут проникать через непрозрачные материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена.

Открытие рентгеновских лучей стало настоящим прорывом в науке, поскольку они позволили ученым изучать структуру атомов и молекул. Оно нашло применение в медицине, где они используются для диагностики различных заболеваний.

В 1900 году, когда немецкий физик Макс фон Лауэ обнаружил, что при прохождении рентгеновских лучей через кристаллы, они вызывают рассеяние, которое можно наблюдать с помощью дифракции. Это открытие привело к пониманию того, что рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами и что существует еще один тип электромагнитного излучения, который не виден глазу, но может быть обнаружен с помощью специальных приборов.

Вильгельм Конрад Рентген

В 1914 году, американский физик Кюри и его ассистент Гамильтон использовали специальный прибор, называемый гамма-спектрометром, для обнаружения гамма-лучей от радиоактивных источников. Они обнаружили, что гамма-лучи имеют высокую энергию и обладают высокой проникающей способностью, и что они могут быть использованы для изучения свойств радиоактивных элементов.

Однако, открытие рентгеновских лучей было не единственным достижением в области физики. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, который является частицей, не имеющей электрического заряда. Нейтроны также играют важную роль в ядерной физике и используются для изучения строения атомных ядер.

Таким образом, открытие гамма-излучения и рентгеновских лучей является одним из ключевых моментов в развитии физики и других наук. Эти открытия позволили ученым лучше понимать структуру материи и использовать их для решения различных задач в науке и технике.

Виды гамма-излучения

Имеют длину волны в диапазоне от 10^ до 10^ метров и могут быть обнаружены с помощью специальных детекторов. В зависимости от источника гамма-излучение может иметь различные свойства и применяться в различных областях науки и техники.

  • Гамма-лучи низкой энергии (0,1-1 МэВ) используются для изучения структуры атомов и молекул с помощью гамма-резонансной спектроскопии.
  • Гамма-лучи средней энергии (1-10 МэВ) применяются в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний, а также для радиотерапии.
  • Гамма-лучи высокой энергии (более 10 МэВ) могут использоваться в научных исследованиях для изучения свойств материалов и создания источников энергии.
  • Гамма-лучей очень высокой энергии (десятки и сотни МэВ) могут создавать космические лучи, которые проникают в атмосферу Земли и могут вызывать ядерные реакции в верхних слоях атмосферы.
  • Гамма-радиация может быть использована для обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ в окружающей среде.
  • Гамма-излучением высокой интенсивности можно создавать лазеры на основе атомов, что может привести к созданию новых технологий в области оптики и квантовых вычислений.
  • Гамма-кванты могут быть использованы для создания гамма-лазеров, которые могут работать на длине волны порядка нанометра и иметь высокую мощность.

Свойства гамма-излучения

  • Высокая энергия: которую несет фотон гамма-излучения. Фотон гамма-излучения имеет энергию, которая гораздо больше, чем энергия фотонов других видов излучения, таких как рентгеновские лучи или световые лучи. Для гамма-излучения энергия измеряется в единицах, называемых электрон-вольтами (эВ). Один эВ равен энергии, которую получает электрон, когда он ускоряется до скорости один метр в секунду. Гамма-волны имеют очень высокую энергию, которая может достигать десятков МэВ (мегаэлектронвольт). Это означает, что гамма-излучение способно проникать через большинство материалов, включая кости, мышцы и ткани организма. Это делает их полезными для диагностики опухолей и других заболеваний.
  • Ионизация: гамма-кванты обладают высокой энергией, что означает, что они могут ионизировать атомы в веществе, которое они проходят. Это может привести к образованию свободных радикалов, которые могут повредить клетки и ткани.
  • Невидимость: невидим для человеческого глаза, поэтому они не могут быть обнаружены визуально. Однако, они могут быть зафиксированы с помощью специальных детекторов.
  • Короткая длина волны: 10^-14 м, что позволяет им проникать глубоко в ткани и органы, что делает его полезным для диагностики заболеваний, связанных с изменениями в тканях и органах.
  • Воздействие на клетки: гамма-излучение может повреждать клетки, что может привести к различным заболеваниям, таким как рак. Однако, при правильном использовании, гамма-лучи могут быть использованы для лечения рака и других заболеваний.

Длина волны

Источники гамма-излучения

Вот несколько основных источников гамма-излучения:

  • Солнечные вспышки: могут вызвать образование гамма-лучей в результате взаимодействия магнитных полей Солнца с частицами в атмосфере Земли.
  • Радиационное излучение: ядерные реакторы или ускорители частиц, могут производить гамма-излучение в процессе своей работы.
  • Радиоактивные материалы: напрмер, уран, торий и плутоний, могут излучать гамма-лучи при распаде своих ядер.
  • Космические лучи: такие как протоны, нейтроны и другие заряженные частицы, могут попасть на Землю и вызвать образование гамма-лучей при взаимодействии с атмосферой.
  • Атомные бомбы: при ядерных взрывах образуются гамма-лучи в результате ядерного деления или синтеза.
  • Рентгеновские аппараты: могут производить небольшое количество гамма-излучения при работе.
  • Другие источники: например, космические объекты, такие как черные дыры, и солнечные вспышки.

Доза гамма-излучения

Доза гамма-излучения (Гр) — это единица измерения, используемая для выражения количества энергии, поглощенной телом в результате воздействия гамма-излучения. Единица измерения Гр является международной и используется во многих странах мира.

Гр измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Для расчета дозы необходимо знать мощность дозы (Вт/кг), продолжительность воздействия излучения (с) и массу тела (кг). Формула для расчета дозы выглядит следующим образом:

  • где P — мощность дозы в Вт/кг
  • t — продолжительность воздействия в секундах
  • m — масса тела в килограммах

Например, если человек массой 70 кг находится в зоне с мощностью дозы 1 Вт/кг в течение 1 часа, то его доза будет равна:

D = 1 Вт/кг * 1 ч * 70 кг = 70 Дж/кг = 0,07 Гр

Таким образом, доза гамма-излучения зависит от мощности дозы, продолжительности воздействия и массы тела. При работе с источниками радиоактивного излучения необходимо учитывать дозу и принимать меры для ее снижения.

Доза гамма-излучения

Применение гамма-излучения

Широкий спектр применения в различных областях, включая медицину, науку, промышленность и безопасность. Ниже представлены некоторые из наиболее распространенных способов использования гамма-излучения:

  • Медицина: часто используется для диагностики и лечения различных заболеваний. Например, оно может применяться для обнаружения рака, исследования внутренних органов, лечения опухолей и даже для улучшения иммунной системы
  • Наука: используется для изучения свойств ядер и атомных реакций, а также для исследования радиоактивных изотопов. Кроме того, гамма-излучение можно применять для создания рентгеновских снимков и других исследований в области медицины и физики
  • Производство: применятся в производстве для обработки различных материалов, таких как металлы, керамика и пластмассы. Оно может применяться для улучшения свойств материала, например, увеличения прочности или улучшения качества поверхности.
  • Безопасность: гамма-излучение важно для обеспечения безопасности на атомных электростанциях, рентгеновских лабораториях, радиологических отделениях и других местах с высоким уровнем радиации. Оно используется для обнаружения радиационных опасностей и контроля уровня радиации.
  • Астрофизика: используется в астрофизике для изучения космических объектов и процессов. Например, с помощью гамма-излучения можно исследовать черные дыры, нейтронные звезды и другие космические объекты.

Это лишь некоторые из множества способов использования гамма-излучения. Оно играет важную роль во многих областях науки и технологий, и его применение продолжает расширяться.

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

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

Гамма-излучение, как и другие виды электромагнитного излучения, распространяется в вакууме со скоростью света, т.е. 3 * 10 8 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*10 8 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

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 c 2 . Масса электрона, определенная в единицах МэВ / c 2 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

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

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 60 Co, 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 60 Co 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 60 Co, 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 60 Co. 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

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *