Гамма-луч - Gamma ray

Иллюстрация излучения гамма-излучения (γ) из атомного ядра

Гамма-лучи излучаются во время ядерное деление при ядерных взрывах.

Руководство НАСА по электромагнитному спектру, показывающее перекрытие частот между рентгеновскими и гамма-лучами

А гамма-луч, или же гамма-излучение (символ γ или же ${displaystyle gamma}$), является проникающей формой электромагнитное излучение вытекающие из радиоактивный распад из атомные ядра. Он состоит из электромагнитных волн с самой короткой длиной волны и поэтому обеспечивает максимальную энергия фотона. Поль Вильярд, французский химик и физик открыл гамма-излучение в 1900 г. радиация испускается радий. В 1903 г. Эрнест Резерфорд назвал это излучение гамма излучение на основе их относительно сильного проникновения иметь значение; в 1900 году он уже назвал два менее проникающих типа распадающего излучения (открытые Анри Беккерель ) альфа-лучи и бета-лучи в порядке возрастания пробивающей способности.

Гамма-лучи от радиоактивного распада находятся в диапазоне энергий от нескольких килоэлектронвольт (кэВ ) примерно до 8 мегаэлектронвольт (~ 8МэВ ), что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно большими временами жизни. Энергетический спектр гамма-лучей может использоваться для идентификации распадающихся радионуклиды с помощью гамма-спектроскопия. Гамма-лучи очень высоких энергий в диапазоне 100–1000 тераэлектронвольт (ТэВ ) наблюдались из таких источников, как Лебедь X-3 микроквазар.

Естественные источники гамма-излучения, возникающие на Земле, в основном возникают в результате радиоактивного распада и вторичного излучения от атмосферных взаимодействий с космический луч частицы. Однако есть и другие редкие природные источники, такие как земные гамма-вспышки, которые производят гамма-лучи от воздействия электрона на ядро. Известные искусственные источники гамма-лучей включают: деление, например, что происходит в ядерные реакторы, и физика высоких энергий эксперименты, такие как нейтральный распад пиона и термоядерная реакция.

Гамма-лучи и Рентгеновские лучи оба являются электромагнитным излучением, и поскольку они перекрываются в электромагнитный спектр, 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 астрофизика, гамма-лучи обычно определяются как имеющие энергии фотонов выше 100кэВ и являются предметом гамма-астрономия, а излучение ниже 100 кэВ классифицируется как Рентгеновские лучи и является предметом Рентгеновская астрономия. 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-лучи ионизирующего излучения и поэтому являются биологически опасными. 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 поэтому представляют собой грозную радиационная защита проблема, требующая 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

Первым обнаруженным источником гамма-излучения был радиоактивный распад процесс называется гамма-распад. В этом типе распада в восторге Ядро излучает гамма-луч почти сразу после образования.^{[примечание 1]} Поль Вильярд, французский химик и физик, открыл гамма-излучение в 1900 году, изучая излучение, исходящее от радий. 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 Беккерель в 1896 г. и альфа-лучи, открытые Резерфордом в 1899 г. как менее проникающая форма излучения. Однако Виллар не рассматривал их как другой фундаментальный тип.^[1][2] Позже, в 1903 году, излучение Виллара было признано типом, принципиально отличным от ранее названных лучей. Эрнест Резерфорд, который назвал лучи Виллара «гамма-лучами» по аналогии с бета- и альфа-лучами, которые Резерфорд выделил в 1899 году.^[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 с легкостью отклоняются) магнитным полем - еще одно свойство, отличающее их от альфа- и бета-лучей.

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 поверхности кристаллов, что доказывает, что это электромагнитное излучение.^[4] Резерфорд и его коллега Эдвард Андраде измерили длины волн гамма-лучей 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

Воспроизвести медиа

Эта анимация отслеживает несколько гамма-лучей в пространстве и времени, от их излучения в струе далеких блазар к их прибытию в Ферми Телескоп большой площади (LAT).

Естественные источники гамма-лучей на Земле включают гамма-распад естественных радиоизотопы Такие как калий-40, а также как вторичное излучение от различных атмосферных взаимодействий с космический луч частицы. Некоторые редкие наземные природные источники, производящие гамма-лучи неядерного происхождения, являются удары молнии и земные гамма-вспышки, которые производят высокие выбросы энергии из-за естественного высокого напряжения. Гамма-лучи образуются в результате ряда астрономических процессов, в которых образуются электроны очень высокой энергии. Такие электроны производят вторичные гамма-лучи по механизму тормозное излучение, обратный Комптоновское рассеяние и синхротронное излучение. Большая часть таких астрономических гамма-лучей экранируется атмосферой Земли. Известные искусственные источники гамма-лучей включают: деление, например, в ядерные реакторы, а также физика высоких энергий эксперименты, такие как нейтральный распад пиона и термоядерная реакция.

Образец материала, излучающего гамма-лучи, который используется для облучения или визуализации, известен как источник гамма-излучения. Его также называют радиоактивный источник, изотопный источник или источник 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)

Гамма-лучи образуются во время гамма-распада, который обычно происходит после других форм распада, таких как альфа или же бета разлагаться. Радиоактивное ядро ​​может распасться при испускании
α
или же
β
частица. В дочернее ядро что результаты обычно оставляют в возбужденном состоянии. Затем он может распадаться до состояния с более низкой энергией, испуская гамма-фотон, в процессе, называемом гамма-распадом.

Для излучения гамма-излучения возбужденным ядром обычно требуется всего 10⁻¹² секунд. Гамма-распад может также последовать ядерные реакции Такие как захват нейтронов, ядерное деление, или же термоядерная реакция. Гамма-распад также является способом релаксации многих возбужденных состояний атомных ядер после других типов радиоактивного распада, таких как бета-распад, поскольку эти государства обладают необходимой составляющей ядерной вращение. 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 ядерного гамма флуоресценция, сформировать тему в ядерная физика называется гамма-спектроскопия. 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 метастабильный возбужденное состояние, если его распад занимает (как минимум) от 100 до 1000 раз больше, чем в среднем в 10⁻¹² секунд. Такие относительно долгоживущие возбужденные ядра называют ядерные изомеры, а их распады называют изомерные переходы. Такие ядра имеют полужизни которые легче измерить, а редкие ядерные изомеры способны оставаться в возбужденном состоянии в течение минут, часов, дней или иногда гораздо 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 ядерное вращение, требуя 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]

Излученный гамма-луч из любого возбужденного состояния может передавать свою энергию напрямую любому электроны, но, скорее всего, к одному из электронов К-оболочки атома, вызывая его выброс из этого атома в процессе, обычно называемом фотоэлектрический эффект (внешние гамма-лучи и ультрафиолетовые лучи также могут вызывать этот эффект). Фотоэлектрический эффект не следует путать с внутренняя конверсия процесс, в котором гамма-фотон не образуется как промежуточная частица (скорее, можно подумать, что «виртуальный гамма-луч» опосредует этот процесс).

Схемы распада

Схема радиоактивного распада ⁶⁰
Co

Гамма-спектр излучения кобальта-60

Одним из примеров образования гамма-излучения из-за распада радионуклида является схема распада кобальта-60, как показано на прилагаемой диаграмме. Первый, ⁶⁰
Co
распадается на в восторге ⁶⁰
Ni
к бета-распад испускание электрона с энергией 0,31 МэВ. Тогда возбужденный ⁶⁰
Ni
распадается до основного состояния (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−	+	ν е	+	γ	+	1.17 МэВ
60 28Ni*	→	60 28Ni					+	γ	+	1.33 МэВ

Другой пример - альфа-распад ²⁴¹
Являюсь
формировать ²³⁷
Np
; 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 ¹⁹²
Ir
/¹⁹²
Pt
), спектр гамма-излучения сложен, что свидетельствует о существовании ряда уровней ядерной энергии.

Физика элементарных частиц

Гамма-лучи образуются во многих процессах физика элементарных частиц. Обычно гамма-лучи являются продуктом нейтральный системы, которые распадаются электромагнитные взаимодействия (а не слабый или же сильный взаимодействие). Например, в электрон-позитронная аннигиляция, 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 частота ~ 1.24×10²⁰ Гц. Точно так же нейтральный пион чаще всего распадается на два фотона. Много других адроны и массивный бозоны также распадаются электромагнитно. Эксперименты по физике высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер, соответственно, использовать значительную радиационную защиту.^{[нужна цитата ]} Потому что субатомные частицы в 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 Планковская энергия будет гамма-лучом.

Другие источники

Известно, что некоторые гамма-лучи в астрономии возникают в результате гамма-распада (см. Обсуждение SN1987A ), но большинство этого не делают.

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, нейтральный распад пиона, тормозное излучение, обратный Комптоновское рассеяние, и синхротронное излучение.

Воспроизвести медиа

Красные точки показывают некоторые из ~ 500 земных гамма-вспышек, ежедневно обнаруживаемых космическим гамма-телескопом Ферми до 2010 года. Предоставлено: НАСА / Центр космических полетов Годдарда.

Лабораторные источники

В октябре 2017 года ученые из различных европейских университетов предложили способ для источников фотонов ГэВ с использованием лазеров в качестве возбудителей посредством контролируемого взаимодействия между каскадом и аномальным излучением. радиационное улавливание.^[6]

Земные грозы

Грозы может произвести короткий импульс гамма-излучения, называемый земная гамма-вспышка. Считается, что эти гамма-лучи производятся статическими электрическими полями высокой интенсивности, ускоряющими электроны, которые затем производят гамма-лучи за счет тормозное излучение поскольку 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

Самый эксцентричный солнечные вспышки излучать во всем ЭМ спектре, включая γ-лучи. Первое достоверное наблюдение произошло в 1972.^[8]

Космические лучи

Внеземные гамма-лучи высокой энергии включают фон гамма-лучей, возникающий при космические лучи (либо высокоскоростные электроны, либо протоны) сталкиваются с обычным веществом, производя гамма-лучи с образованием пар с энергией 511 кэВ. В качестве альтернативы, тормозное излучение образуются 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).

Изображение всего неба в гамма-лучах 100 МэВ или более, видимое прибором EGRET на борту CGRO космический корабль. Яркие пятна в плоскости Галактики пульсары в то время как те, что выше и ниже плоскости, считаются квазары.

Пульсары и магнетары

В небе с гамма-лучами (см. Иллюстрацию справа) преобладает более обычное и долгосрочное производство гамма-лучей, исходящих от пульсары внутри Млечного Пути. Источники с остальной части неба 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 реже гамма-всплеск 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. Это аналогичный механизм производства фотонов высокой энергии в мегавольт радиационная терапия машины (см. тормозное излучение ). Обратное комптоновское рассеяние, в 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 считалось, производили астрономические мягкие гамма-ретрансляторы, являются еще одним относительно долгоживущим звездным источником гамма-излучения.

Квазары и активные галактики

Более мощные гамма-лучи издалека квазары считается, что у более близких активных галактик есть источник гамма-излучения, подобный источнику ускоритель частиц. Электроны высоких энергий, произведенные квазаром и подвергнутые обратному комптоновскому рассеянию, синхротронное излучение, или тормозное излучение, являются вероятным источником гамма-излучения от этих объектов. Считается, что огромная черная дыра в 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 около 10⁴⁰ ватт, небольшую часть которого составляет гамма-излучение. Большая часть остального излучается в виде электромагнитных волн всех частот, включая радиоволны.

А гиперновая. Иллюстрация художника, показывающая жизнь массивная звезда в качестве термоядерная реакция преобразует более легкие элементы в более тяжелые. Когда термоядерный синтез больше не создает давления, достаточного для противодействия гравитации, звезда быстро коллапсирует, образуя черная дыра. Теоретически энергия может высвободиться во время схлопывания вдоль оси вращения, чтобы сформировать длительный гамма-всплеск.

Гамма-всплески

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, «короткий» гамма-всплески Считается, что две секунды или меньше, которые не связаны со сверхновыми, производят гамма-лучи во время столкновения пар нейтронных звезд или нейтронной звезды и черная дыра.^[9]

Так называемой длительный гамма-всплески производят общую энергию около 10⁴⁴ джоулей (столько же энергии, сколько наша солнце будет производить в течение всего срока службы), но в течение всего 20-40 секунд. Гамма-лучи составляют примерно 50% всей выходной энергии. Ведущие гипотезы о механизме образования этих пучков излучения наивысшей известной интенсивности являются обратными. Комптоновское рассеяние и синхротронное излучение от заряженных частиц высоких энергий. Эти процессы происходят, когда релятивистские заряженные частицы покидают область горизонта событий новообразованной черная дыра созданный во время взрыва сверхновой. Пучок частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, на несколько десятков секунд фокусируется магнитным полем взрывающейся гиперновая. 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 Земли. видимая вселенная.

Характеристики

Проникновение материи

Альфа-излучение состоит из гелий ядер и легко останавливается листом бумаги. Бета-излучение, состоящий из электроны или же позитроны, останавливается алюминиевой пластиной, но гамма-излучение требует экранирования плотным материалом, таким как свинец или бетон.

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-частицы, который можно остановить бумагой или кожей, и бета-частицы, который может быть экранирован тонким алюминием. Гамма-лучи лучше всего поглощаются материалами с высоким атомные номера (Z) и высокая плотность, которые вносят вклад в общую тормозную способность. Из-за этого отрыв (высокий Z) щит на 20–30% лучше в качестве гамма-щита, чем аналогичная масса другого низко-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 защиты гамма-лучей обычно измеряются толщиной, необходимой для уменьшения интенсивности гамма-лучей наполовину ( слой половинной стоимости или HVL). Например, гамма-лучи, требующие 1 см (0,4 ″) из вести чтобы снизить их интенсивность на 50%, их интенсивность также снизится вдвое на 4,1 см из гранит камень, 6 см (2½ ″) конкретный, или 9 см (3½ ″) упакованного почва. Однако масса такого количества бетона или почвы всего на 20–30% больше, чем масса свинца с такой же абсорбционной способностью. Обедненный уран используется для экранирования в портативные источники гамма-излучения, но здесь экономия веса по сравнению со свинцом больше, как портативный источник очень мала 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 материи

Общий коэффициент поглощения алюминия (атомный номер 13) для гамма-лучей в зависимости от энергии гамма-излучения и вклад трех эффектов. Как обычно, фотоэлектрический эффект максимален при низких энергиях, комптоновское рассеяние доминирует при промежуточных энергиях, а образование пар преобладает при высоких энергиях.

Общий коэффициент поглощения свинца (атомный номер 82) для гамма-излучения в зависимости от энергии гамма-излучения, а также вклад трех эффектов. Здесь фотоэлектрический эффект преобладает при низкой энергии. Выше 5 МэВ начинает преобладать образование пар.

Когда гамма-луч проходит через вещество, вероятность поглощения пропорциональна толщине слоя, плотности материала и поперечному сечению поглощения материала. Общее поглощение показывает экспоненциальное убывание интенсивности с расстоянием от падающей поверхности:

${displaystyle I (x) = I_ {0} cdot e ^ {- mu x}}$

где x - толщина материала от падающей поверхности, μ = пσ - коэффициент поглощения, измеряемый в см⁻¹, п количество атомов на см³ материала (атомная плотность) и σ поглощение поперечное сечение в см².

Проходя через вещество, гамма-излучение ионизируется посредством трех процессов: фотоэлектрический эффект, Комптоновское рассеяние, и парное производство.

• Фотоэлектрический эффект: Это описывает случай, когда гамма фотон взаимодействует с атомным электроном и передает свою энергию ему, вызывая выброс этого электрона из атома. Кинетическая энергия полученного фотоэлектрон равна энергии падающего гамма-фотона за вычетом энергии, первоначально связавшей 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 испускается как новый гамма-фотон с меньшей энергией, направление излучения которого отличается от направления падающего 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 атомный номер поглощающего материала, поэтому очень плотные материалы, такие как свинец, лишь немного лучше экранируют на вес основы, чем менее плотные материалы.
• Производство 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). Путем взаимодействия с электрическое поле ядра, энергия падающего фотона преобразуется в массу электрона -позитрон пара. 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 позитронного классифицировать, 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 произвести много ионизация самих себя.

Кроме того, гамма-лучи, особенно высокоэнергетические, могут взаимодействовать с атомными ядрами, что приводит к выбросу частиц в фотодезинтеграция, а в некоторых случаях даже деление ядер (фотоделение ).

Легкое взаимодействие

Высокая энергия (от 80 ГэВ до ~ 10 ТэВ ) гамма-лучи, приходящие издалека квазары используются для оценки внегалактический фоновый свет во Вселенной: лучи самых высоких энергий легче взаимодействуют с фоновым светом фотоны и, таким образом, плотность фонового света может быть оценена путем анализа спектров поступающего гамма-излучения.^[10][11]

Гамма-спектроскопия

Гамма-спектроскопия - это изучение энергетических переходов в атомных ядрах, которые обычно связаны с поглощением или испусканием гамма-лучей. Как в оптическом спектроскопия (видеть Франк-Кондон эффект) поглощение гамма-лучей ядром особенно вероятно (т.е. пики в «резонансе»), когда энергия гамма-лучей такая же, как энергия энергетического перехода в ядре.В случае гамма-лучей такой резонанс наблюдается в технике Мессбауэровская спектроскопия. в Эффект Мёссбауэра узкое 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, 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 в себе 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

Гамма-снимок грузовика с двумя безбилетными пассажирами, сделанный с ВАСИС (система визуализации транспортных средств и контейнеров)

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, обеспечиваем наш единственный вид на Вселенную в гамма-лучах.

Гамма-индуцированные молекулярные изменения также можно использовать для изменения свойств полудрагоценные камни, и часто используется для изменения белого топаз в синий 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 как часть Инициатива по безопасности контейнеров (CSI). Рекламируется, что эти машины способны сканировать 30 контейнеров в час.

Гамма-излучение часто используется для уничтожения живых организмов в процессе, называемом облучение. Применения этого включают стерилизацию медицинского оборудования (в качестве альтернативы автоклавы или химическими средствами), удаление вызывающих гниение бактерии из многих продуктов и предотвращение прорастания фруктов и овощей для сохранения свежести и вкуса.

Несмотря на свои канцерогенные свойства, гамма-лучи также используются для лечения некоторых типов рак, так как лучи также убивают раковые клетки. В процедуре, называемой гамма-нож хирургии, несколько концентрированных лучей 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 в диагностических целях в ядерная медицина в методах визуализации. Ряд различных гамма-излучающих радиоизотопы используются. Например, в ПЭТ сканирование радиоактивно меченый сахар, называемый флудезоксиглюкоза испускает позитроны которые уничтожаются электронами, производя пары гамма-лучей, которые подчеркивают рак, так как рак часто имеет более высокую скорость метаболизма, чем окружающие ткани. Наиболее распространенным гамма-излучателем, используемым в медицине, является ядерный изомер технеций-99m который излучает гамма-лучи в том же диапазоне энергий, что и диагностические рентгеновские лучи. Когда этот индикатор радионуклидов вводят пациенту, гамма-камера может использоваться для формирования изображения распределения радиоизотопа путем регистрации испускаемого гамма-излучения (см. также ОФЭКТ ). В зависимости от того, какая молекула была помечена индикатором, такие методы могут использоваться для диагностики широкого спектра состояний (например, распространения рака на кости через рентген ).

Влияние на здоровье

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.

Низкий уровень гамма-излучения вызывает стохастический риск для здоровья, который для оценки дозы облучения определяется как вероятность индукции рака и генетических повреждений.^[14] Высокие дозы производят детерминированный эффекты, что является строгость острого повреждения тканей, которое обязательно произойдет. Эти эффекты сравниваются с физической величиной поглощенная доза измеряется единицей серый (Гр).^[15]

Ответ тела

Когда гамма-излучение разрушает молекулы ДНК, клетка может отремонтировать поврежденный генетический материал в определенных пределах. 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 рисков

Естественная наружная экспозиция в объединенное Королевство 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 за год на одного жителя в США, составляет 3,6 мЗв.^[18] Существует небольшое увеличение дозы из-за естественного гамма-излучения вокруг небольших частиц материалов с высоким атомным числом в теле человека, вызванное воздействием фотоэлектрический эффект.^[19]

Для сравнения, доза облучения от грудной клетки рентгенография (около 0,06 мЗв) - это часть годовой дозы естественного фонового излучения.^[20] КТ грудной клетки выдает от 5 до 8 мЗв. Все тело ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ / КТ может дать от 14 до 32 мЗв в зависимости от протокола.^[21] Доза от рентгеноскопия желудка намного выше, примерно 50 мЗв (в 14 раз больше годового фона).

Эквивалентная однократная доза облучения всего тела в 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 кровотечение, и приведет к смерти в значительном числе случаев - от 10% до 35% без лечения. Доза 5 Зв^[22] (5 Гр) считается приблизительно LD₅₀ (смертельная доза для 50% облученного населения) при остром облучении даже при стандартном лечении. Доза выше 5 Зв (5 Гр) увеличивает вероятность смерти выше 50%. Выше 7,5–10 Зв (7,5–10 Гр) на все тело, даже внеочередное лечение, такое как пересадка костного мозга, не предотвратит смерть человека, подвергшегося воздействию (см. радиационное отравление ).^[23] (Однако дозы, намного превышающие указанную, могут быть доставлены в отдельные части тела в ходе радиационная терапия.)

При облучении в малых дозах, например, среди работников атомной электростанции, которые получают среднегодовую дозу облучения 19 мЗв,^{[требуется разъяснение ]} риск смерти от рака (исключая лейкемия ) увеличивается на 2 процента. При дозе 100 мЗв риск увеличивается на 10 процентов. Для сравнения, риск смерти от рака был увеличен на 32 процента для выживших. атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки.^[24]

Единицы измерения и экспозиции

В следующей таблице показаны величины излучения в единицах СИ и других единицах:

Мера ионизирующий Эффект гамма- и рентгеновских лучей в сухом воздухе называется экспозицией, для которой унаследованная единица измерения рентген использовался с 1928 года. Он был заменен на керма, в настоящее время в основном используется для калибровки приборов, но не для определения эффекта полученной дозы. Воздействие гамма и другого ионизирующего излучения на живую ткань более тесно связано с количеством энергия осаждаются в тканях, а не в результате ионизации воздуха, и заменяют радиометрические единицы и количества для радиационная защита были определены и разработаны с 1953 года. Это:

• В серый (Гр), это единица СИ поглощенная доза, который представляет собой количество энергии излучения, вложенной в облучаемый материал. Для гамма-излучения это численно эквивалентно эквивалентная доза измеряется зиверт, что свидетельствует о стохастическом биологическом воздействии низких уровней радиации 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.
• В рад это устаревший CGS единица поглощенной дозы и rem это устаревший CGS единица эквивалентной дозы, используемая в основном в США.

Отличие от рентгеновских лучей

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Товары  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Число Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Майер  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Witecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

На практике энергии гамма-лучей перекрываются с диапазоном рентгеновских лучей, особенно в высокочастотной области, называемой «жестким» рентгеновским излучением. Это изображение следует старому соглашению о различении по длине волны.

Традиционное различие между Рентгеновские лучи и гамма-лучи со временем изменились. Первоначально электромагнитное излучение, испускаемое Рентгеновские трубки почти всегда имел более длительный длина волны чем излучение (гамма-лучи), испускаемое радиоактивный ядра.^[25] В старой литературе проводилось различие между рентгеновским и гамма-излучением на основе длины волны, причем излучение короче некоторой произвольной длины волны, например 10⁻¹¹ м, определяемый как гамма-лучи.^[26] Поскольку энергия фотонов пропорциональна их частоте и обратно пропорциональна длине волны, это прошлое различие между Рентгеновские лучи 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 сейчас обычно различают по их происхождению: Рентгеновские лучи излучаются по определению электроны вне ядра, а гамма-лучи испускаются ядро.^{[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.

В Луна как видно Гамма-обсерватория Комптона в гамма-лучах более 20 МэВ. Они производятся космический луч бомбардировка его поверхности. Солнце, не имеющее подобной поверхности высокого атомный номер действовать в качестве мишени для космических лучей, обычно вообще не может быть замечен при этих энергиях, которые слишком высоки, чтобы возникать в результате первичных ядерных реакций, таких как ядерный синтез на Солнце (хотя иногда Солнце производит гамма-лучи с помощью механизмов циклотронного типа во время солнечные вспышки ). Гамма-лучи обычно имеют более высокую энергию, чем рентгеновские лучи.^[30]

Например, современные высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейные ускорители за мегавольт лечение рака часто имеет более высокую энергию (от 4 до 25 МэВ), чем большинство классических гамма-лучей, производимых ядерными гамма-распад. Один из наиболее распространенных изотопов гамма-излучения, используемых в диагностике. ядерная медицина, технеций-99m, производит гамма-излучение той же энергии (140 кэВ), что и диагностические рентгеновские аппараты, но значительно меньшей энергии, чем терапевтическое фотоны от линейных ускорителей 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 диапазонов энергий в физике два типа электромагнитного излучения теперь часто определяются по их происхождению: рентгеновские лучи испускаются электронами (либо на орбиталях вне ядра, либо при ускорении, чтобы произвести тормозное излучение -типа излучения),^[31] в то время как гамма-лучи излучаются ядром или посредством других частицы распадаются или события аннигиляции. Не существует нижнего предела энергии фотонов, производимых ядерными реакциями, и, следовательно, ультрафиолетовый или фотоны с более низкой энергией, производимые этими процессами, также будут определены 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, является всегда называются «гамма-лучами», и никогда - рентгеновскими лучами. Однако в физике и астрономии обратное соглашение (считается, что все гамма-лучи имеют ядерное происхождение) часто нарушается.

В астрономии гамма-лучи с более высокой энергией и рентгеновские лучи определяются энергией, поскольку процессы, которые их производят, могут быть неопределенными, а энергия фотонов, а не их происхождение, определяет необходимые астрономические детекторы.^[33] В природе встречаются фотоны высоких энергий, которые, как известно, производятся другими процессами, кроме ядерного распада, но до сих пор называются гамма-излучением. Примером могут служить «гамма-лучи» от грозовых разрядов от 10 до 20 МэВ, которые, как известно, производятся тормозное излучение механизм.

Другой пример гамма-всплески, теперь известно, что они производятся 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 разъяснение ]} 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 вновь образовавшихся радиоактивных никель-56 и кобальт-56. Однако большинство гамма-лучей в астрономии возникает по другим причинам.

Смотрите также

• Аннигиляция
• Галактический Центр Превышение ГэВ
• Детекторы газовой ионизации
• Гамма-излучение очень высоких энергий
• Гамма-излучение сверхвысокой энергии

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

Послушайте эту статью

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 16.08.2019 и не отражает последующих правок.

(

• Аудио помощь
• Больше устных статей

)

• Базовая справка по нескольким видам 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
• ЖИВАЯ карта нуклидов - МАГАТЭ с фильтром по энергии гамма-излучения
• Сайт общественного образования Общества физики здоровья