Гамма излучение

Гамма излучение

Сдавался в русской школе на Кипре ( оценка 5- )

Реферат

по теме

Гамма-излучение.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале

электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением,

занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно

малой длинной волны (?(10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными

корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма

квантов, или фотонов, с энергией h? (? – частота излучения, h – Планка

постоянная).

Гамма- излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных

частиц, при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении

быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при

переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее

возбужденное или в основное. Энергия ? – кванта равна разности энергий ??

состояний, между которыми происходит переход.

Возбужденное состояние

Е2

h?

Основное состояние ядра Е1

Испускание ядром ?-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или

массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений.

Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку

расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-

излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий.

Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных

состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах

некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося ?0- мезона

возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада

элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие

распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с

скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и

спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий.

Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц

через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер

вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское

излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого

совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях

заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной

энергией до нескольких десятков Гэв.

В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать в результате

соударений квантов более мягкого длинноволнового, электромагнитного

излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями

космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию

электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое

гамма-излучение.

Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столновении

электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого

света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает

энергию световому фотону, который превращается в ?-квант. Таким образом,

можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-

излучения высокой энергии.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может

проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные

процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, -

фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-

эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит

поглощение ?-кванта одним из электронов атома, причём энергия ?-кванта

преобразуется ( за вычетом энергии связи электрона в атоме ) в кинетическую

энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта

прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно

пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом,

фотоэффект преобладает в области малых энергии ?-квантов ( (100 кэв ) на

тяжелых элементах ( Pb, U).

При комптон-эффекте происходит рассеяние ?-кванта на одном из электронов,

слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте ?-

квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление

распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта

становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым

). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов

в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна

атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с

малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию

связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского

рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии

~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших

энергиях.

Если жнергия ?-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс

образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер.

Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и

увеличивается с ростом h?. Поэтому при h? ~10 Мэв основным процессом в

любом веществе оказывается образование пар.

100

50

0

0,1 0,5 1 2 5 10

50

Энергия ?-лучей ( Мэв )

Обратный процесс аннигиляция электрон-позитронной пары является источником

гамма-излучения.

Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются

коэффициентом поглощения, который показывает, на какой толщине Х

поглотителя интенсивность I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в

е раз:

I=I0e-?0x

Здесь ?0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят

массовый коэффициент поглощения, равный отношению ?0 к плотности

поглотителя.

Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения справедлив для узкого

направления пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и

рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Однако при

высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество

значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой

энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение

благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в веществе

возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов

и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных

частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума.

Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами

размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать

ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой

критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически

теряет способность развиваться.

Для изменения энергии гамма-излучения в эксперементальной физике

применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью

на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров

гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые, кристал-

дифракционные.

Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о

структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на

свойства ядерного гамма-излучения, используется для изучения свойств

твёрдых тел.

Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения

дефектов в металлических деталях – гамма-дефектоскопия. В радиационной

химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений,

например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой

промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками

гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы,

а также электронные ускорители.

Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов

ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение

организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит

от энергии ?-квантов и пространственных особенностей облучения, например,

внешнее или внутреннее. Относительная биологическая эффективность гамма-

излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое

воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-

излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для

лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных

препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с

последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят

высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения

антибиотиков ) и растений.

Современные возможности лучевой теропии расширились в первую очередь за

счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии. Успехи дистанционной

гамма-теропии достигнуты в результате большой работы в области

использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения

(кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов.

Большое значение дистанционной гамма-теропии объясняется также

сравнительной доступностью и удобствами использования гамма-аппаратов.

Последние, так же как и рентгеновские, конструируют для статического и

подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся создать

большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей.

Осуществлены конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов,

направленные на уменьшение полутени, улучшение гомогенизации полей,

использование фильтров жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты.

Использование ядерных излучений в растениеводстве открыло новые, широкие

возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений,

повышение их урожайности, ускорения развития и улучшения качества.

В результате первых исследований радиобиологов было установлено, что

ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на рост, развитие и обмен

веществ живых организмов. Под влиянием гамма-облучения у растений, животных

или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или

замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов,

наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая.

Следует особо отметить, что при гамма-облучении в семена не попадают

радиоактивные вещества. Облученные семена, как и выращенный из них урожай,

нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения только ускоряют нормальные

процессы, происходящие в растении, и поэтому совершенно необоснованны какие-

либо опасения и предостережения против использования в пищу урожая,

полученного из семян, подвергавшихся предпосевному облучению.

Ионизирующие излучения стали использовать для повышения сроков хранения

сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения различных насекомых-

вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить

через бункер, где установлен мощный источник радиации, то возможность

размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться

длительное время без каких-либо потерь. Само зерно как питательный продукт

не меняется при таких дозах облучения. Употребление его для корма четырех

поколений экспериментальных животных не вызвало каких бы то ни было

отклонений в росте, способности к размножению и других патологических

отклонений от нормы.