Что такое гамма-излучений и что излучает. Гамма излучение

После открытия материалов, способных к самопроизвольному излучению элементарных частиц (радиоизлучению в результате распада), началось изучение их свойств. Активное участие в поиске новых и систематизации уже существующих знаний в физике принимали знаменитые супруги Кюри, а также Именно ему первому удалось открыть гамма-лучи. Поставленный им эксперимент был простым и, одновременно, гениальным.

В качестве источника излучения был взят радий. В толстостенной свинцовой емкости проделывалось узкое отверстие. На дне получившегося канала размещался радий. На небольшом удалении от емкости перпендикулярно оси отверстия был расположен фоточувствительный элемент - пластина. В промежутке между ней и емкостью с специальная установка могла генерировать магнитное поле высокой интенсивности, линии напряженности которого были ориентированы параллельно фоточувствительной пластине. Все элементы, кроме генератора поля, находились в безвоздушной среде, чтобы исключить воздействие атомов воздуха на результат эксперимента. Если бы Резерфорд проигнорировал этот момент, то гамма-лучи мог бы открыть кто-то другой.

При отсутствии магнитного воздействия на пластине возникало темное пятно, свидетельствующее о прямолинейном распространении излучения (все остальные направления попросту отсекались стенками свинцовой емкости). Но стоило появиться как на фоточувствительном элементе системы возникали сразу три пятна. Это означало, что некие частицы, излучаемые радием, отклоняются полем. Резерфорд предположил, что луч состоит как минимум из трех компонентов. Характер отклонения указывал на то, что частицы двух лучей обладают электрическим зарядом, а третий луч электронейтрален. Причем, отрицательная составляющая исходного излучения отклонялась гораздо выраженнее, чем положительная. Электронейтральная составляющая - это и есть гамма-лучи. Компонент с отрицательным зарядом получил название бета-лучей, а последний, положительный заряд - альфа-луч.

Кроме того, что они вели себя по-разному в магнитном поле, лучи обладали различными свойствами. Гамма-лучи способны проникать в материю на довольно большие расстояния. Так, свинцовая пластина толщиной в 1 см уменьшает их интенсивность всего в два раза. Альфа-луч может быть остановлен даже тонким листом бумаги. А вот бета-излучение занимает промежуточное положение: остановить поток можно металлом толщиной в несколько миллиметров.

Впоследствии выяснилось, что:

• бета-луч представляет собой поток отрицательно заряженных частиц (электронов), перемещающихся с высокой скоростью;
• альфа-луч - это ядра гелия, очень устойчивое образование;
• гамма-луч - одна из разновидностей Спектр излучения полностью линейчатый, так как излучающее ядро характеризуется дискретными энергетическими состояниями. Представляют в виде уровней распределения энергии излученных квантов. Термин «гамма-излучение» все чаще применяется не только для описания процессов но и, вообще, для любого жесткого излучения электромагнитной природы в котором каждому кванту соответствует энергия не менее 10 кэВ. Источником данного вида излучения являются электроны в структуре возбужденных атомов. Излишек энергии переводит электроны на более высокие Оттуда они возвращаются к прежнему состоянию, выделяя излучение в виде рентгена или света (электромагнитные волны). Спектр электромагнитного излучения в случае гамма-лучей чрезвычайно мал и составляет не более 5*0,001 нм из-за чего отчетливее проявляются свойства частиц, а не волн.

Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях. Самое коротковолновое гамма – излучение испускают атомные ядра. Гамма-излучение - это самый широкий диапазон электромагнитного спектра с длиной волны с м

Гамма-излучение Мягкое E от 1,6 · Дж ν от 2 ·10 19 Гц λ м Жесткое E от 1.6 · Дж ν от 2 · Гц λ до м Сверхвысоких энергий E от1.6 · Дж ν от 2 ·10 25 Гц λ до м Ультравысоких энергий E 1,6 · Дж ν от 2 · Гц λ до м

Остаток вспышки сверхновой звезды Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS. Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых звезд служат источниками космических лучей, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение. Гамма-телескоп сверхвысоких энергий HESS

Основные процессы, возникающие при прохождении гамма- излучения через вещество Фотоэффект (гамма-излучение поглощается электроном атомной оболочки, передавая ему всю энергию и ионизируя атом). Фотоядерные процессы (гамма- излучение способно выбивать нуклоны (р и n) из ядра).

Биологические эффекты Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным фактором.

Защита Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма- кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама и пр.)

> Гамма-излучение

Рассмотрите мощность, источники и измерение гамма-излучения . Узнайте, что такое гамма-распад, высокая частота электромагнитных лучей, диапазон длины волны.

Гамма-лучи – электромагнитные волны, формирующиеся в радиоактивном распаде с частотами больше 10 19 Гц.

Задача обучения

• Выяснить диапазон гамма-лучей, отметив биологическое влияние.

Основные пункты

• Это наивысшее электромагнитное излучение с энергией больше 100 кэВ, частотой – 10 19 Гц и длиной волн – 10 пикометров.
• Гамма-лучи при радиоактивном распаде определяются этой категорией, не основываясь на энергии, поэтому нет нижнего предела.
• По характеристикам совпадают с рентгеновскими лучами, но отличаются источником происхождения.
• Среди природных источников: радиоизотопы и космические лучи.
• Это ионизирующая разновидность, поэтому несет биологическую опасность.

Термины

• Гамма-лучи – высокочастотное электромагнитное излучение, созданное при радиоактивности.
• Гамма-распад – ядерная реакция с производством гамма-лучей.
• Ионизирующее излучение – может привести к ионизации в веществах.

Гамма-излучение

Гамма-излучение - электромагнитные лучи на высокой частоте и энергии. Обычно показатели превышают 10 эксагерц (10 19 Гц), по энергии – 100кэВ, а длине волны – 10 пикометров (меньше диаметра атома). Гамма-лучи в радиоактивном распаде входят в эту категорию, не зависимо от энергии, поэтому нижнего предела не существует.

Излучение гамма-лучей (γ) из атомного ядра

Речь идет об ионизирующих лучах, поэтому они несут биологическую угрозу. Создаются распадом высокоэнергетических атомных ядер (гамма-распад) и прочими процессами. Гамма-лучи в 1900 году нашел Пол Вильяр, изучавший распад радия. В 1903 году Эрнест Резерфорд дал им наименование «гамма».

Источники гамма-лучей

Среди природных источников гамма-лучей стоит вспомнить радиоизотопы вроде калия-40, а также вторичное излучение атмосферных контактов с космическими лучами. Некоторые земные источники создают гамма-лучи, но не обладают ядерным происхождением. Это удары молнии и зеленые гамма-вспышки.

В астрономических процессах создается много гамма-лучей. Все дело в высокоэнергетических электронах, которые генерируют вторичные гамма-лучи в тормозном излучении, обратном комптоновском рассеивании и синхронном излучении. Большая их часть отбивается земной атмосферой и находится космическими аппаратами. Искусственными источниками служат ядерные реакторы и эксперименты в физике высоких энергий.

Гамма и рентгеновские лучи

Рентгеновское и гамма-излучение похожи по характеристикам, но отличаются источником. На более высоких частотах гамма-лучи сильнее проникают и несут больше разрушений живой ткани. Их также применяют в области медицины для терапии рака.

В последние десятилетия подход к их отличию резко изменился. Ранее использовался критерий длины волны, где показатель ниже 10-11 м автоматически относил волну к гамма. Но искусственным источникам удалось воспроизводить это явление и при глубоком изучении приняли решение отличать их по источнику происхождения. Гамма создаются ядром, а рентгеновские – электронами вне ядра.

Исключения встречаются в астрономии, где гамма-распад способен возникнуть при послесвечении сверхновых и прочих процессов с высокими энергиями, которые не связаны с радиоактивным распадом. Наиболее яркий пример – длительные гамма-всплески, чей механизм генерации не сходится с радиоактивным распадом. Они связаны с крушением звезд – гиперновые.

Это снимок неба в 100 МэВ, сделанный на прибор EGRET космического корабля CGRO. Яркие пятна – пульсары (вращающиеся нейтронные звезды с мощными магнитными полями). Ниже и выше плоскости – квазары (галактики со сверхмассивными черными дырами)

Влияние на здоровье

Любая ионизирующая радиация серьезно вредит на клеточном уровне. Но альфа и бета-частицы практически не проникают, поэтому вред наносится на локализированном уровне (радиационный ожог). А гамма-лучи и нейтроны сильнее проникают, из-за чего происходит диффузное повреждение организма. Наиболее опасные формы гамма-лучей создаются при энергиях 3-10 МэВ.

Гамма-излучением называется одна из коротковолновых разновидностей электромагнитных излучений. Из-за крайне малой длины волны излучения гамма диапазона обладают выраженными корпускулярными свойствами, при этом волновые свойства практически отсутствуют.

Гамма обладает мощнейшим травмирующим действием на живые организмы, и при этом его совершенно невозможно распознать органами чувств.

Оно относится к группе ионизирующих излучений, то есть способствует превращению устойчивых атомов различных веществ в ионы с положительным или отрицательным зарядом. Скорость гамма-излучения сопоставима со скоростью света. Открытие ранее неизвестных радиационных потоков было сделано в 1900 году французским учёным Вилларом.

Для названий были использованы буквы греческого алфавита. Излучение, находящееся на шкале электромагнитных излучений после рентгеновского, получило название гаммы - третьей буквы алфавита.

Следует понимать, что границы между различными видами радиации, весьма условны.

Попробуем, избегая специфической терминологии, разобраться, что такое гамма ионизирующее излучение. Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь включают в себя ядро и электроны. Атом, а тем более его ядро отличаются высокой устойчивостью, поэтому для их расщепления нужны особые условия.

Если эти условия каким-то образом возникают или получены искусственно, происходит процесс ядерного распада, который сопровождается выделением большого количества энергии и элементарных частиц.

В зависимости от того, что именно выделяется в этом процессе, излучения делятся на несколько видов. Альфа, бета и нейтронное излучение отличаются выделением элементарных частиц, а рентгеновские и гамма активный луч - это поток энергии.

Хотя, на самом деле, любое излучение, в том числе и излучение в гамма-диапазоне, подобно потоку частиц. В случае этого излучения частицами потока являются фотоны или кварки.

По законам квантовой физики, чем меньше длина волны, тем более высокой энергией обладают кванты излучения.

Так как длина волны гамма лучей очень мала, то можно утверждать, что энергия гамма излучения чрезвычайно велика.

Возникновение гамма-излучения

Источниками излучения в гамма-диапазоне являются различные процессы. Во вселенной существуют объекты, в которых происходят реакции. Результатом этих реакций является космическое гамма-излучение.

Основные источники гамма-лучей - это квазары и пульсары. Ядерные реакции с массивным выделением энергии и гамма-излучения также происходят в процессе преобразования звезды в сверхновую.

Гамма электромагнитное излучение возникает при различных переходах в области атомной электронной оболочки, а также при распаде ядер некоторых элементов. Среди источников гамма-лучей можно также назвать определённую среду с сильным магнитным полем, где элементарные частицы тормозятся сопротивлением этой среды.

Опасность гамма-лучей

В силу своих свойств радиация гамма-спектра обладает очень высокой проникающей способностью. Чтобы её задержать, нужна свинцовая стена толщиной не менее пяти сантиметров.

Кожные покровы и прочие защитные механизмы живого существа не являются препятствием гамма-излучению. Оно проникает прямо в клетки, оказывая разрушительное воздействие на все структуры. Облучённые молекулы и атомы вещества сами становятся источником излучения и провоцируют ионизацию других частиц.

В результате этого процесса из одних веществ получаются другие. Из них составляются новые клетки с другим геномом. Ненужные при строительстве новых клеток остатки старых структур становятся токсинами для организма.

Наибольшая опасность радиационных лучей для живых организмов, получивших дозу радиации, в том, что они не способны ощущать наличие в пространстве этой смертельной волны. А также в том, что у живых клеток нет никакой специфической защиты от разрушительной энергии, которую несёт гамма ионизирующее излучение. Наибольшее влияние этот вид радиации оказывает на состояние половых клеток, несущих молекулы ДНК.

Разные клетки организма по-разному ведут себя в гамма-лучах, и обладают разной степенью устойчивости к воздействию этого вида энергии. Однако ещё одним свойством гамма-излучения является кумулятивная способность.

Однократное облучение небольшой дозой не наносит непоправимого разрушительного воздействия на живую клетку. Именно поэтому радиационным излучениям нашлось применение в науке, медицине, промышленности и других областях человеческой деятельности.

Области применения гамма-лучей

Даже смертоносным лучам пытливые умы учёных нашли сферы применения. В настоящее время гамма-излучение используется в различных отраслях промышленности, идут на благо науки, а также успешно применяются в различных медицинских приборах.

Способность изменять структуру атомов и молекул оказалась на благо при лечении тяжёлых заболеваний, разрушающих организм на клеточном уровне.

Для лечения онкологических новообразований гамма-лучи незаменимы, так как способны разрушить аномальные клетки, и прекратить их стремительное деление. Иногда остановить аномальный рост раковых клеток невозможно ничем, тогда на помощь приходит гамма-излучение, где клетки уничтожаются полностью.

Применяется гамма ионизирующее излучение для уничтожения патогенной микрофлоры и различных потенциально опасных загрязнений. В радиоактивных лучах стерилизуют медицинские инструменты и приборы. Также данный вид радиации применяется для обеззараживания некоторых продуктов.

Гамма-лучами просвечивают различные цельнометаллические изделия для космической и других отраслей промышленности с целью обнаружения скрытых дефектов. В тех областях производства, где необходим предельный контроль за качеством изделий, этот вид проверки просто незаменим.

При помощи гамма-лучей учёные измеряют глубину бурения, получают данные о возможности залегания различных пород. Гамма-лучи могут быть использованы и в селекции. Строго дозированным потоком облучаются определённые отобранные растения, чтобы получить нужные мутации в их геноме. Таким способом селекционеры получают новые породы растений с нужными им свойствами.

С помощью гамма-потока определяются скорости космических аппаратов и искусственных спутников. Посылая лучи в космическое пространство, учёные могут определить расстояние и смоделировать путь космического аппарата.

Способы защиты

Земля обладает естественным механизмом защиты от космической радиации, это озоновый слой и верхние слои атмосферы.

Те лучи, которые, обладая огромными скоростями, проникают в защищённое пространство земли, не причиняют большого вреда живым существам. Наибольшую опасность представляют источники и гамма-радиация, полученная в земных условиях.

Самым главным источником опасности радиационного заражения остаются предприятия, где под контролем человека осуществляется контролируемая ядерная реакция. Это атомные электростанции, где производится энергия для обеспечения населения и промышленности светом и теплом.

Для обеспечения работников этих объектов принимаются самые серьёзные меры. Трагедии, произошедшие в разных точках мира, из-за утраты человеком контроля за ядерной реакцией, научили людей быть осторожными с невидимым врагом.

Защита работников электростанций

На предприятиях ядерной энергетики и производствах, связанных с использованием гамма-излучения, строго ограничивается время контакта с источником радиационной опасности.

Все сотрудники, имеющие служебную необходимость контактировать или находиться вблизи источника гамма-излучения, используют специальные защитные костюмы и проходят несколько ступеней очистки перед тем, как вернуться в «чистую» зону.

Для эффективной защиты от гамма-лучей используются материалы, обладающие высокой прочностью. К ним относятся свинец, высокопрочный бетон, свинцовое стекло, определённые виды стали. Эти материалы применяются в сооружении защитных контуров электростанций.

Элементы из этих материалов используются при создании противорадиационных костюмов для сотрудников электростанций, имеющих допуск к источникам радиации.

В так называемой «горячей» зоне свинец нагрузки не выдерживает, так как его температура плавления недостаточно высока. В области, где протекает термоядерная реакция с выделением высоких температур, используются дорогие редкоземельные металлы, например вольфрам и тантал.

Все люди, имеющие дело с гамма-излучением, обеспечиваются индивидуальными измерительными приборами.

Ввиду отсутствия естественной чувствительности к радиации, человек может воспользоваться дозиметром, чтобы определить, какую дозу радиации он получил за определённый период.

Нормальной считается доза, не превышающая 18-20 микрорентген в час. Ничего особенно страшного не произойдёт при облучении дозой до 100 микрорентген. Если человек получил такую дозу, могут проявиться последствия через две недели.

При получении дозы в 600 рентген человеку грозит смерть в 95% случаев в течение двух недель. Доза в 700 рентген смертельна в 100% случаев.

Из всех видов радиации именно гамма-лучи несут наибольшую опасность для человека. К сожалению, вероятность радиационного заражения существует для каждого. Даже находясь вдали от промышленных предприятий, производящих энергию посредством расщепления атомного ядра, можно подвергнуться опасности облучения.

История знает примеры таких трагедий.

Каждый человек наверняка слышал о трех типах радиоактивного излучения - альфа, бета и гамма. Все они возникают в процессе радиоактивного распада вещества, и у них есть как общие свойства, так и различия. Наибольшую опасность несет последний тип излучения. Что же он представляет собой?

Природа радиоактивного распада

Чтобы детальнее понять свойства гамма-распада, необходимо рассмотреть природу ионизирующего излучения. Это определение означает, что энергия такого типа излучения очень высока - когда оно попадает в другой атом, называемый «атом-мишень», он выбивает движущийся по его орбите электрон. При этом атом-мишень становится положительно заряженным ионом (поэтому излучение и было названо ионизирующим). От ультрафиолетового или инфракрасного это излучение отличается высокой энергией.

В целом альфа-, бета- и гамма-распады имеют общие свойства. Можно представить себе атом в виде маленького зернышка мака. Тогда орбита электронов будет мыльным пузырем вокруг него. При альфа-, бета- и гамма-распаде из этого зернышка вылетает крошечная частица. При этом заряд ядра меняется, а это означает, что был образован новый химический элемент. Пылинка несется с гигантской скоростью и врезается в электронную оболочку атома-мишени. Потеряв электрон, атом-мишень становится положительно заряженным ионом. Однако при этом химический элемент остается тем же, ведь ядро атома-мишени осталось прежним. Ионизация является процессом химической природы, практически тот же процесс происходит при взаимодействии некоторых металлов, которые растворяются в кислотах.

Где еще происходит γ-распад?

Но ионизирующие излучения происходят не только при радиоактивном распаде. Они также происходят при атомных взрывах и в ядерных реакторах. На Солнце и других звездах, а также в водородной бомбе осуществляется синтез легких ядер, сопровождающийся ионизирующим излучением. В оборудовании для рентгена и тоже происходит этот процесс. Основное свойство, которое имеют альфа-, бета-, гамма-распады - это высочайшая энергия ионизации.

А различия между этими тремя типами излучений определяются их природой. Радиация была открыта в конце XIX столетия. Тогда никто не знал, что представляет собой это явление. Поэтому три типа излучений и были названы буквами латинского алфавита. Гамма-излучение было открыто в 1910 году ученым по имени Генри Грэгг. Гамма-распад имеет такую же природу, как и солнечный свет, инфракрасные лучи, радиоволны. По своим свойствам γ-лучи представляют собой фотонное излучение, однако энергия содержащихся в них фотонов очень высока. Другими словами, это излучение с очень короткой длиной волны.

Свойства гамма-лучей

Это излучение чрезвычайно легко проникает через любые препятствия. Чем более плотный материал стоит на его пути, тем он лучше его задерживает. Чаще всего с этой целью используют свинцовые или бетонные конструкции. В воздухе γ-лучи легко преодолевают десятки и даже тысячи метров.

Гамма-распад очень опасен для человека. При его воздействии могут повреждаться кожа и внутренние органы. Бета-излучение можно сравнить со стрельбой мелкими пулями, а гамма - со стрельбой иглами. Во время ядерной вспышки, помимо гамма-излучения, также происходит образование нейтронных потоков. Гамма-лучи попадают на Землю вместе с Помимо них, оно несет на Землю протоны и другие частицы.

Действие гамма-лучей на живые организмы

Если сравнить альфа-, бета- и гамма-распады, то последний будет наиболее опасным для живых организмов. Скорость распространения этого типа излучения равна скорости света. Именно из-за его высокой скорости оно быстро попадает в живые клетки, вызывая их разрушение. Каким образом?

На пути γ-излучение оставляет большое количество ионизированных атомов, которые в свою очередь ионизируют новую порцию атомов. Клетки, которые подверглись мощному воздействию гамма-излучения, изменяются на различных уровнях своей структуры. Трансформировавшись, они начинают разлагаться и отравлять организм. И самым последним этапом является появление дефектных клеток, которые уже не могут нормально выполнять свои функции.

У человека разные органы имеют разную степень чувствительности к гамма-излучению. Последствия зависят от полученной дозы ионизирующего излучения. В результате этого в организме могут происходить различные физические процессы, нарушаться биохимия. Наиболее уязвимыми являются органы кроветворения, лимфатическая и пищеварительная системы, а также структуры ДНК. Это воздействие опасно для человека и тем, что излучение накапливается в организме. А также оно имеет скрытый период воздействия.

Формула гамма-распада

Чтобы вычислить энергию гамма-излучения, можно воспользоваться следующей формулой:

В этой формуле h - постоянная Планка, v - частота кванта электромагнитной энергии, с - скорость света, λ - длина волны.