Гамма Рэй

Эта статья об использовании термина в физике. Для других видов использования см. Gamma Ray (устранение неоднозначности) .

Иллюстрация излучения гамма -луча ( γ ) из атомного ядра

Гамма -лучи испускаются во время ядерного деления при ядерных взрывах.

Руководство НАСА к электромагнитному спектру, показывающую перекрытие частоты между рентгеновскими лучами и гамма-лучами

Гамма -луча , также известный как гамма -излучение (символ
в
), является проникающей формой электромагнитного излучения, возникающего в результате радиоактивного распада ядер атомных . Он состоит из самых коротких электромагнитных волн длины волны , обычно короче, чем у рентгеновских лучей . С частотами более 30 отрывов ( 3 × 10 ¹⁹ Гц ) и длины волн менее 10 пикометров ( 1 × 10 ⁻¹¹ М гамма -лучей ), фотоны имеют самую высокую энергию фотонов любой формы электромагнитного излучения. Пол Вильярд , французский химик и физик , обнаружил гамма -радиацию в 1900 году, изучая радиацию, испускаемую радиумом . В 1903 году Эрнест Резерфорд назвал эти радиационные гамма -лучи на основе их относительно сильного проникновения материи ; В 1900 году он уже назвал два менее проникающих типа радиации распада (обнаруженного Анри Беккерел ) альфа -лучами и бета -лучами в порядке возрастающей проникающей силы.

Гамма -лучи от радиоактивного распада находятся в диапазоне энергии от нескольких килограммовых электронволтов (KEV) до приблизительно 8 мегаэльтронволт (MEV), что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно длительным временем жизни. Энергетический спектр гамма -лучей можно использовать для идентификации распадающихся радионуклидов с использованием гамма -спектроскопии . Гамма-лучи очень высокой энергии в диапазоне тераэлектронволт (TEV) 100–1000 (TEV) наблюдались из астрономических источников, таких как Cygnus X-3 микроквазар .

Природные источники гамма -лучей, происходящих на Земле, в основном являются результатом радиоактивного распада и вторичного излучения от атмосферных взаимодействий с космических лучей частицами . Тем не менее, существуют другие редкие природные источники, такие как наземные гамма-вспышки , которые производят гамма-лучи от действия электронов на ядро. Примечательные искусственные источники гамма -лучей включают деление , такое как то, что происходит в ядерных реакторах , и эксперименты по физике с высокой энергией , такие как нейтральный распад пиона и ядерное слияние .

Энергетические диапазоны гамма-лучей и рентгеновских лучей перекрываются в электромагнитном спектре , поэтому терминология для этих электромагнитных волн варьируется между научными дисциплинами. В некоторых областях физики они отличаются своим происхождением: гамма-лучи создаются ядерным распадом, в то время как рентгеновские лучи происходят за пределами ядра. В астрофизике гамма-лучи обычно определяются как имеющие энергии фотонов выше 100 кэВ и являются предметом астрономии гамма-излучения , в то время как радиация ниже 100 кэВ классифицируется как рентген и является субъектом рентгеновской астрономии .

Гамма -лучи являются ионизирующим радиацией и, таким образом, опасны для жизни. Они могут вызывать ДНК мутации , рак и опухоли , а также при ожогах высоких доз и лучевой болезни . Из -за их высокой силы проникновения они могут повредить костном мозге и внутренние органы. В отличие от альфа и бета -лучей, они легко проходят через тело и, таким образом, создают грозную проблему защиты от радиации , требующую защиты от плотных материалов, таких как свинец или бетон. На Земле магнитосфера защищает жизнь от большинства типов летального космического излучения , кроме гамма -лучей.

История открытия

Первым источником гамма -луча, который был обнаружен, был процесс радиоактивного распада под названием Gamma Decay . В этом типе распада возбужденное ядро ​​излучает гамма -луч почти сразу после образования. Пол Вильярд , французский химик и физик, обнаружил гамма -радиацию в 1900 году, изучая радиацию, испускаемую из радия . Вильярд знал, что его описанное излучение было более мощным, чем ранее описанные типы лучей из радия, которые включали бета -лучи, впервые отмеченные «радиоактивностью» Анри Беккерель в 1896 году и альфа -лучи, обнаруженные как менее проникающая форма радиации Резерфордом, В 1899 году. Однако Виллард не считал их именование как другой фундаментальный тип. Позже, в 1903 году, радиация Вилларда была признана типом, принципиально отличным от ранее названных лучами Эрнеста Резерфорда , который назвал лучи Вилларда «гамма -лучами» по аналогии с бетами и альфа -лучами, которые Резерфорд дифференцировал в 1899 году. «Лучи», излучаемые радиоактивными элементами, были названы в порядке их возможности проникнуть в различные материалы, используя первые три буквы греческого алфавита: альфа -лучи в качестве наименее проникающих, с последующими бета -лучами, за которыми следуют гамма -лучи в качестве наиболее проникающих Полем Резерфорд также отметил, что гамма -лучи не были отклонены (или, по крайней мере, нелегко отклоняться ) с помощью магнитного поля, другого свойства, что делает их в отличие от альфа и бета -лучей.

Сначала считалось, что гамма -лучи являются частицами с массой, такие как альфа и бета -лучи. Первоначально Резерфорд полагал, что они могут быть чрезвычайно быстрыми бета -частицами, но их неспособность быть отклоненным магнитным полем, указывая на то, что у них нет заряда. В 1914 году наблюдалось гамма -лучи, отраженные от кристаллических поверхностей, доказывая, что это электромагнитное излучение. Резерфорд и его коллега Эдвард Андраде измерили длины волн гамма-лучей из радия и обнаружили, что они были похожи на рентгеновские лучи , но с более короткой длиной волн и, следовательно, более высокой частотой. В конечном итоге это было признано, что дало им больше энергии на фотон , как только последний термин стал общепринятым. Затем понял, что распад гамма обычно испускает гамма -фотон.

Источники

Duration: 1 minute and 46 seconds.1:46

Эта анимация отслеживает несколько гамма -лучей через пространство и время, от их излучения в самолете отдаленного Блазара до их прибытия в Ферми (LAT). большую территорию

Природные источники гамма-лучей на Земле включают гамма-распад из природных радиоизотопов , таких как калий-40 , а также в качестве вторичного излучения из различных атмосферных взаимодействий с космическими лучами . Природные наземные источники, которые производят гамма-лучи, включают удары молнии и наземные гамма-вспышки , которые производят высокие энергетические выбросы от естественных высокоэнергетических напряжений. Гамма-лучи вырабатываются рядом астрономических процессов, в которых производятся очень высокоэнергетические электроны. Такие электроны производят вторичные гамма -лучи с помощью механизмов Bresstrahlung , обратного рассеяния компона и синхротронного излучения . Большая часть таких астрономических гамма -лучей экранирует атмосферой Земли. Примечательные искусственные источники гамма -лучей включают деление , которое происходит в ядерных реакторах , а также эксперименты по физике с высокой энергией , такие как нейтральный распад пиона и ядерное слияние .

Образец материала излучающего луча, который используется для облучения или визуализации, известен как гамма-источник. Он также называется радиоактивным источником , изотопным источником или источником радиации, хотя эти более общие термины также применяются к устройствам альфа и бета-эмиссии. Гамма -источники обычно герметизируются для предотвращения радиоактивного загрязнения и транспортируются в тяжелом экране.

Радиоактивное распад (гамма -распад)

Основная статья: ядерный изомер

Гамма -лучи вырабатываются во время гамма -распада, что обычно происходит после возникновения других форм распада, таких как альфа или бета -распад. Радиоактивное ядро ​​может разлагаться путем выброса
а
или
беременный
частица. Ядро дочернего ядра , которое обычно остается в возбужденном состоянии. Затем он может разлагаться до более низкого энергетического состояния, излучая фотон гамма -лучей, в процессе, называемом гамма -распадом.

Выброс гамма -лучей из возбужденного ядра обычно требует только 10 ⁻¹² секунды. Гамма -распад также может следовать за ядерными реакциями, такими как захват нейтронов , ядерное деление или ядерное слияние. Гамма -распад также является способом расслабления многих возбужденных состояний атомных ядер после других типов радиоактивного распада, таких как бета -распад, при условии, что эти состояния обладают необходимым компонентом ядерного спина . Когда высокоэнергетические гамма-лучи, электроны или протоны бомбардируют материалы, возбужденные атомы испускают характерные «вторичные» гамма-лучи, которые являются продуктами создания возбужденных ядерных состояний в бомбардированных атомах. Такие переходы, форма ядерной гамма -флуоресценции , образуют тему в ядерной физике, называемой гамма -спектроскопией . Образование флуоресцентных гамма -лучей представляет собой быстрый подтип радиоактивного гамма -распада.

В некоторых случаях возбужденное ядерное состояние, которое следует за выбросом бета -частицы или другого типа возбуждения, может быть более стабильным, чем в среднем, и называется метастабильным возбужденным состоянием, если его распад занимает (по крайней мере) в 100-1000 раз больше чем в среднем 10 ⁻¹² секунды. Такие относительно долгоживущие возбужденные ядра называются ядерными изомерами , а их распады называются изомерными переходами . Такие ядра имеют половину-лифы , которые легче измеримы, и редкие ядерные изомеры могут оставаться в своем возбужденном состоянии в течение нескольких минут, часов, дней или иногда гораздо дольше, прежде чем излучать гамма-луча. Таким образом, процесс изомерного перехода аналогичен любой гамма -излучению, но отличается тем, что он включает промежуточное метастабильное возбужденное состояние (ы) ядер. Метастабильные состояния часто характеризуются высоким ядерным вращением , требующим изменения в списке нескольких единиц или более с гамма -распадом, а не единичным переходом, который происходит только в 10 ⁻¹² секунды. Скорость гамма -распада также замедляется, когда энергия возбуждения ядра невелика.

Излучаемый гамма -луча из любого типа возбужденного состояния может передавать свою энергию непосредственно на любые электроны , но, скорее всего, одному из k оболочных электронов атома, вызывая его изгнан из этого атома, в процессе, как правило, называемый фотоэлектрический эффект (Внешние гамма -лучи и ультрафиолетовые лучи также могут вызвать этот эффект). Фотоэлектрический эффект не следует путать с процессом внутреннего преобразования , в котором фотон гамма -лучей не производится как промежуточная частица (скорее, «виртуальный гамма -луч» может посредить процесс).

Схемы распада

Радиоактивная схема распада ⁶⁰
Сопутствующий

Спектр гамма-эмиссии кобальта-60

Одним из примеров производства гамма-лучей из-за распада радионуклидов является схема распада для Cobalt-60, как показано на сопроводительной диаграмме. Первый, ⁶⁰
Сопутствующий
распадается в возбуждение ⁶⁰
В
бета -распадом излучение электрона 0,31 МэВ . Тогда взволнован ⁶⁰
В
Запасывает до основного состояния (см. Модель ядерной оболочки ) путем излучения гамма -лучей последовательно 1,17 МэВ, за которым следует 1,33 МэВ . Этот путь следует в 99,88% случаев:

60 27 co	→	60 28 ни *	+	и −	+	не и	+	в	+	1,17 МэВ
60 28 ни *	→	60 28 ни					+	в	+	1,33 МэВ

Другим примером является альфа -распад ²⁴¹
Являюсь
для формирования ²³⁷
Например
; за которым следует гамма -эмиссия. В некоторых случаях спектр гамма -излучения дочернего ядра довольно прост (например, ⁶⁰
Сопутствующий
/ ⁶⁰
В
) в других случаях, например, с ( ²⁴¹
Являюсь
/ ²³⁷
Например
и ¹⁹²
И
/ ¹⁹²
Пт
), спектр гамма -излучения является сложным, показывая, что существует ряд уровней ядерной энергии.

Физика частиц

Гамма -лучи вырабатываются во многих процессах физики частиц . Как правило, гамма -лучи - это продукты нейтральных систем, которые распадаются через электромагнитные взаимодействия (а не слабое или сильное взаимодействие). Например, в аннигиляции электрон -позитронов обычными продуктами являются два фотона гамма -луча. Если аннигилирующее электрон и позитрон находятся в состоянии покоя, каждый из полученных гамма -лучей имеет энергию ~ 511 кэВ и частоту ~ 1,24 × 10 ²⁰ Гц ​Точно так же нейтральный пион чаще всего распадается на два фотона. Многие другие адроны и массивные бозоны также распадаются электромагнитно. Эксперименты по физике с высокой энергией, такие как большой коллайдер , соответственно, используют существенное радиационное экранирование. Поскольку субатомные частицы в основном имеют гораздо более короткие длины волны, чем атомные ядра, гамма -лучи физики частиц, как правило, на несколько порядков более энергичными, чем гамма -лучи ядерного распада. Поскольку гамма-лучи находятся на вершине электромагнитного спектра с точки зрения энергии, все очень высокоэнергетические фотоны-это гамма-лучи; Например, фотон, обладающий энергией Планка, был бы гамма -лучей.

Другие источники

Основная статья: астрономия гамма-излучения

Известно, что несколько гамма -лучей в астрономии возникают из -за гамма -распада (см. Обсуждение SN1987A ), но большинство нет.

Фотоны из астрофизических источников, которые носят энергию в гамма-радиационном диапазоне, часто явно называют гамма-излучением. В дополнение к ядерным выбросам, они часто продуцируются субтомическими взаимодействиями частиц и частиц-фотонными. К ним относятся электронопозитроновое аннигиляцию , нейтральный пионный распад , Bremsstrahlung , обратное рассеяние компона и синхротроновое излучение .

Красные точки показывают некоторые из наземных гамма-лучевых миль, ежедневно обнаруживаемых ежедневным, обнаруживаемым космическим телескопом Гамма-луча Ферми до 2010 года. Кредит: Центр космических полетов НАСА/Годдард.

Лабораторные источники

В октябре 2017 года ученые из различных европейских университетов предложили средства для источников фотонов GEV, используя лазеры в качестве волнений посредством контролируемого взаимодействия между каскадным и аномальным радиационным захватом .

Наземные грозы

Грозы могут создавать краткий импульс гамма-излучения, называемый наземной гамма-излученной вспышкой . Считается, что эти гамма -лучи вырабатываются статическими электрическими полями высокой интенсивности, ускоряющими электроны, которые затем производят гамма -лучи от Bresstrahlung , когда они сталкиваются и замедляются атомами в атмосфере. Гамма-лучи до 100 МэВ могут излучать наземными грозами и были обнаружены космическими обсерваториями. Это повышает возможность рисков для здоровья пассажирам и экипажам на самолетах, летящих в громах или рядом с ними.

Солнечные вспышки

Самые эффузивные солнечные вспышки, испуганные по всему EM-спектру, включая γ-лучи. Первое уверенное наблюдение произошло в 1972 году .

Космические лучи

Внеземные, высокоэнергетические гамма-лучи включают фон гамма-лучей, созданный, когда космические лучи (либо высокоскоростные электроны, либо протоны) сталкиваются с обычным веществом, создавая гамма-лучи парного производства при 511 кэВ. В качестве альтернативы, Bresstrahlung производятся в энергиях десятков MEV или более, когда электроны космических лучей взаимодействуют с ядрами достаточно высокого атомного числа (см. Гамма -изображение Луны в конце этой статьи, для иллюстрации).

Изображение всего неба в 100 МэВ или больших гамма -лучах, как видно из режима Egret на борту космического корабля CGRO . Яркие пятна в галактической плоскости - это пульсары, в то время как те, кто выше и ниже плоскости, считаются квазарами .

Пульсары и магнитары

В гамма-луче (см. Иллюстрацию справа) преобладает более распространенное и долгосрочное производство гамма-лучей, которые исходят из пульсаров в Млечном пути. Источники с остальной части неба в основном квазары . Считается, что пульсары-это нейтронные звезды с магнитными полями, которые производят сфокусированные лучи излучения, и гораздо менее энергичны, более распространены и гораздо более близкими источниками (как правило, только в нашей собственной галактике), чем квазары или более редкие взрыва гамма-лучи источники . гамма -лучей. Pulsars имеют относительно долгоживущие магнитные поля, которые производят сфокусированные лучи релятивистских заряженных частиц, которые испускают гамма-лучи (Bresstrahlung), когда эти удары газ или пыль в соседней среде и замедляются. Это аналогичный механизм для производства высокоэнергетических фотонов в мегаволтаж радиационной терапии машинах (см. Bremsstrahlung ). Обратное рассеяние компона , в котором заряженные частицы (обычно электроны) придают энергию с низкоэнергетическими фотонами, повышающие их до фотонов с более высокой энергией. Такое воздействие фотонов на релятивистские заряженные балки частиц является еще одним возможным механизмом производства гамма -лучей. Нейтронные звезды с очень высоким магнитным полем ( Магнитары ), которые, по мнению астрономических ретрансляторов с мягким гамма , являются еще одним относительно долгоживущим звездным источником гамма-излучения.

Квазары и активные галактики

Считается, что более мощные гамма -лучи из очень отдаленных квазаров и более тесных активных галактик имеют источник производства гамма -лучей, аналогичный ускорителю частиц . Электроны с высокой энергией, полученные квазаром, и подвергаются обратному рассеянию компона, синхротронным излучением или Bresstrahlung, являются вероятным источником гамма -лучей из этих объектов. Считается, что супермассивная черная дыра в центре таких галактик обеспечивает источник мощности, который периодически разрушает звезды и фокусирует полученные заряженные частицы на балки, которые возникают из их вращательных полюсов. Когда эти балки взаимодействуют с газом, пылью и более низкими энергетическими фотонами, они производят рентгеновские лучи и гамма-лучи. Известно, что эти источники колеблются с продолжительностью несколько недель, что указывает на их относительно небольшой размер (менее чем несколько световых недель в поперечнике). Такие источники гамма и рентгеновских лучей являются наиболее часто видными источниками высокой интенсивности за пределами галактики Млечного Пути. Они сияют не в всплесках (см. Иллюстрацию), но относительно непрерывно, когда смотрят с телескопами гамма -луча. Сила типичного квазара составляет около 10 ⁴⁰ Уоттс, небольшая доля которого - гамма -излучение. Большая часть остальных испускается как электромагнитные волны всех частот, включая радиоволны.

Гипернова ​ . Иллюстрация художника, показывающая жизнь массивной звезды , как ядерное слияние превращает более легкие элементы в более тяжелые. Когда слияние больше не создает достаточного давления, чтобы противодействовать гравитации, звезда быстро рушится, образуя черную дыру . Теоретически, энергия может высвобождаться во время коллапса вдоль оси вращения, образуя длительный гамма-взрыв .

Гамма-луча

Смотрите также: Gamma-ray Burst

Наиболее интенсивные источники гамма -лучей также являются наиболее интенсивными источниками любого типа электромагнитного излучения, в настоящее время известного в настоящее время. Они представляют собой источники гамма -лучей в астрономии («длинный» в этом контексте, что означает несколько десятков секунд), и они редки по сравнению с источниками, обсуждаемыми выше. Напротив, считается, что «короткие» гамма-всплески двух секунд или меньше, которые не связаны с сверхновыми, производят гамма-лучи во время столкновения пар нейтронных звезд, или нейтронной звезды и черной дыры .

Так называемые длительные гамма-лучевые всплески дают общую выработку энергии около 10 ⁴⁴ Джоулз (столько энергии, сколько солнце будет производить за всю жизнь), но за период всего от 20 до 40 секунд. Гамма -лучи составляют приблизительно 50% от общего объема энергии. Ведущими гипотезами для механизма производства этих самых известных интенсивных балок излучения являются обратное рассеяние компона и синхротронное излучение из заряженных частиц с высокой энергией. Эти процессы происходят, когда релятивистские заряженные частицы покидают область горизонта события недавно сформированной черной дыры , созданной во время взрыва сверхновой. Луч частиц, движущихся на релятивистских скоростях, фокусируется в течение нескольких десятков секунд с помощью магнитного поля взрывающейся гиперновой . Взрыв слияния гиперновой стимулирует энергетику процесса. Если узко направленный луч, оказывается, направлен на землю, он сияет на частотах гамма -лучей с такой интенсивностью, что его можно обнаружить даже на расстояниях до 10 миллиардов световых лет, что близко к краю видимой вселенной .

Характеристики

Проникновение материи

См. Также: радиационная защита § Электромагнитное излучение

Альфа -радиация состоит из ядер гелия и легко останавливается листом бумаги. Бета -излучение , состоящее из электронов или позитронов , останавливается алюминиевой пластиной, но гамма -излучение требует экранирования плотным материалом, таким как свинец или бетон.

Из -за их проникающей природы гамма -лучи требуют большого количества экранирующей массы, чтобы уменьшить их до уровней, которые не вредны для живых клеток, в отличие от альфа -частиц , которые могут быть остановлены бумагой или кожей, и бета -частицы , которые могут быть защищены тонким алюминием. Гамма -лучи лучше всего поглощаются материалами с высоким атомным числом ( z ) и высокой плотностью, которые способствуют общей мощности остановки. Из-за этого щит свинца (высокий z ) на 20–30% лучше в качестве гамма-щита, чем равная масса другого с низким z экранирования , такого как алюминий, бетон, вода или почва; Основное преимущество свинца заключается не в более низком весе, а скорее его компактность из -за его более высокой плотности. Защитная одежда, защитные очки и респираторы могут защищать от внутреннего контакта или проглатывания альфа или бета -излучаемых 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 экранирующих гамма-лучей обычно измеряются толщиной, необходимой для уменьшения интенсивности гамма-лучей на половину ( половинный слой или HVL). Например, гамма -лучи, в которых требуется 1 см (0,4 дюйма) свинца , чтобы уменьшить их интенсивность на 50%, также будут уменьшены интенсивность вдвое на 4,1 см гранитной породы , 6 см (2,5 дюйма) бетона или 9 см ( 3,5 дюйма) упакованной почвы . Однако масса этого большого количества бетона или почвы всего на 20–30% больше, чем у свинца с одинаковыми возможностями поглощения.

Истощенный уран иногда используется для экранирования в портативных источниках гамма-лучей , из-за меньшего полуногожного слоя по сравнению с свинцом (примерно в 0,6 раза больше толщины для общих источников гамма-лучей, то есть иридий-192 и кобальт-60) и более дешевая стоимость по сравнению с вольфрамовым .

На атомной электростанции экранирование может быть обеспечено стальным и бетоном в сосуде с содержанием давления и частиц, в то время как вода обеспечивает радиационное экранирование топливных стержней во время хранения или переноса в сердечнике реактора. Потеря воды или удаление «горячей» топливной сборки в воздух приведет к гораздо более высоким уровням радиации, чем при содержании под водой.

Материальное взаимодействие

См. Также: поперечное сечение гамма -лучей

Общий коэффициент поглощения алюминия (атомный номер 13) для гамма -лучей, построенный по сравнению с гамма -энергией и вклад по трем эффектам. Как обычно, фотоэлектрический эффект является наибольшим при низких энергиях, рассеяние компона доминирует в промежуточных энергиях, а производство пары доминирует при высоких энергиях.

Общий коэффициент поглощения свинца (атомный номер 82) для гамма -лучей, построенный по сравнению с гамма -энергией и вклад по трем эффектам. Здесь фотоэлектрический эффект доминирует при низкой энергии. Выше 5 МэВ начинают доминировать.

Когда гамма -луча проходит через материю, вероятность поглощения пропорциональна толщине слоя, плотности материала и поперечно -поглощенному сечению материала. Общее поглощение показывает экспоненциальное снижение интенсивности с расстоянием от падающей поверхности:

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

где x - толщина материала с падающей поверхности, μ = n σ - коэффициент поглощения, измеренный в CM ⁻¹ , n Количество атомов на см. ³ материала (атомная плотность) и σ поперечное сечение поглощения в CM ² .

Когда он проходит через материю, гамма -излучение ионизируется через три процесса:

• Фотоэлектрический эффект : это описывает случай, когда гамма -фотон взаимодействует с и передает свою энергию на атомный электрон, вызывая выброс этого электрона из атома. Кинетическая энергия полученного фотоэлектрона равен энергии падающего гамма -фотона за вычетом энергии, которая первоначально связывала электрон с атом (энергия связывания). Фотоэлектрический эффект является механизмом доминирующего передачи энергии для рентгеновских и гамма-лучей с энергиями ниже 50 кэВ (тысяча электронволтов), но он гораздо менее важен при более высоких энергиях.
• Комптон рассеяние : это взаимодействие, при котором падающий гамма -фотон теряет достаточно энергии на атомный электрон, чтобы вызвать его выброс, а остальная часть энергии исходного фотона, излучаемой как новый, более низкий энергетический гамма -фотон. Инцидент гамма -фотон, отсюда и термин «рассеяние». Вероятность рассеяния комптона уменьшается с увеличением энергии фотонов. Считается, что он является основным механизмом поглощения гамма -лучей в промежуточном диапазоне энергии от 100 кэВ до 10 МэВ. Он относительно не зависит от атомного количества поглощающего материала, поэтому очень плотные материалы, такие как свинец, являются лишь скромно лучшими щитами, на основе веса , чем менее плотные материалы.
• Производство пары : это становится возможным с гамма -энергиями, превышающими 1,02 МэВ, и становится важным в качестве механизма поглощения в энергии более 5 МэВ (см. Иллюстрацию справа, для свинца). Благодаря взаимодействию с электрическим полем ядра энергия падающего фотона превращается в массу электрон-позитронной пары. Любая гамма -энергия, превышающая эквивалентную массу отдыха двух частиц (общая по крайней мере 1,02 МэВ), появляется в виде кинетической энергии пары и в отдаче излучающего ядра. позитрона В конце диапазона он в сочетании со свободным электроном и двумя аннигилятными, и вся масса этих двух затем преобразуется в два гамма -фотона по меньшей мере 0,51 МэВ энергии каждая (или выше в соответствии с кинетической энергией аннигилированные частицы).

Вторичные электроны (и/или позитроны), полученные в любом из этих трех процессов, часто имеют достаточное количество энергии, чтобы сами производить большую ионизацию .

Кроме того, гамма -лучи, особенно высокоэнергетические, могут взаимодействовать с атомными ядрами, что приводит к выбросу частиц в фотодизинтеграции или в некоторых случаях, даже ядерным деления ( фотофиссия ).

Легкое взаимодействие

Высокоэнергетические (от 80 ГЭВ до ~ 10 TEV ) гамма-лучи, прибывающие из дальних квазаров, используются для оценки экстрагалактического фонового света во вселенной: лучи с самым высоким энергией более легко взаимодействуют с фоновыми световыми фотонами и, следовательно, плотностью Фоновый свет может быть оценен путем анализа входящих спектров гамма -лучей.

Гамма -спектроскопия

Основная статья: гамма -спектроскопия

Гамма -спектроскопия - это изучение энергетических переходов в атомных ядрах, которые обычно связаны с поглощением или излучением гамма -лучей. Как и в оптической спектроскопии (см. Эффект Франк -Коннон ), поглощение гамма -лучей ядро ​​является особенно вероятным (т.е. ядро. В случае гамма -лучей такой резонанс наблюдается в методике спектроскопии Mössbauer . В эффекте Mössbauer узкое резонансное поглощение для ядерного поглощения гамма может быть успешно достигнуто путем физически иммобилизации атомных ядер в кристалле. Иммобилизация ядер на обоих концах гамма -резонансного взаимодействия требуется так, чтобы гамма -энергия не теряется в кинетической энергии отмахивающих ядра при излучающем или поглощающем конце гамма -перехода. Такая потеря энергии приводит к неудачному поглощению гамма -резонанса. Однако, когда излучаемые гамма-лучи несут по существу всю энергию атомного ядерного детепроницаемости, которая их производит, эта энергия также достаточно, чтобы возбудить одно и то же энергетическое состояние во втором иммобилизованном ядре того же типа.

Приложения

Гамма-лучевая изображение грузовика с двумя Stowaways, взятым с помощью Vacis (транспортное средство и систему визуализации контейнеров)

Гамма -лучи предоставляют информацию о некоторых из самых энергичных явлений во вселенной; Тем не менее, они в значительной степени поглощаются атмосферой Земли. Инструменты на борту высотных воздушных шаров и миссий спутников, таких как космический телескоп Fermi Gamma-Ray , обеспечивают наш единственный взгляд на вселенную в гамма-лучах.

Молекулярные изменения, индуцированные гамма, также могут использоваться для изменения свойств полудрагоценных камней и часто используются для изменения белого топаза в синий топаз .

Неконтактные промышленные датчики обычно используют источники гамма-излучения при переработке, добыче полезных ископаемых, химических веществ, пищевых продуктов, мыла и моющих средств, а также целлюлозы и бумажных отраслей, для измерения уровней, плотности и толщины. Датчики гамма-излучения также используются для измерения уровней жидкости в водной и нефтяной промышленности. Как правило, они используют изотопы CO-60 или CS-137 в качестве источника излучения.

В США детекторы гамма -лучей начинают использоваться как часть инициативы по безопасности контейнеров (CSI). Эти машины рекламируются как возможность сканировать 30 контейнеров в час.

Гамма -радиация часто используется для убийства живых организмов, в процессе, называемом облучением . Применение этого включает в себя стерилизацию медицинского оборудования (в качестве альтернативы автоклавам или химическим средствам), удаление бактерий , вызывающих распад из многих продуктов, и предотвращение прорастания фруктов и овощей для поддержания свежести и вкуса.

Несмотря на их вызывающие рак свойства, гамма-лучи также используются для лечения некоторых видов рака , поскольку лучи также убивают раковые клетки. В процедуре, называемой гамма-ножью хирургию, множественные концентрированные лучи гамма-лучей направлены на рост, чтобы убить раковые клетки. Балки нацелены на разные углы, чтобы сконцентрировать излучение на росте, минимизируя повреждение окружающих тканей.

Гамма -лучи также используются для диагностических целей в ядерной медицине при методах визуализации. Используется ряд различных радиоизотопов гамма-излучающих. Например, при сканировании ПЭТ радиоактивно меченный сахар, называемый фтородезоксиглюкозой , излучает позитроны , которые уничтожаются электронами, продуцируя пары гамма -лучей, которые выделяют рак, поскольку рак часто имеет более высокую частоту метаболизма, чем окружающие ткани. Наиболее распространенным гамма-излучателем, используемым в медицинских приложениях, является ядерный изомер Technetium-99M , который излучает гамма-лучи в том же диапазоне энергии, что и диагностические рентгеновские лучи. Когда этот радионуклид вводится пациенту, гамма -камера может использоваться для формирования изображения распределения радиоизотопа путем обнаружения испускаемого гамма -излучения (см. Также SPECT ). В зависимости от того, какая молекула была помечена трассером, такие методы могут быть использованы для диагностики широкого спектра состояний (например, распространение рака в кости с помощью сканирования кости ).

Последствия для здоровья

Итак, см.: Sievert

Гамма -лучи вызывают повреждение на клеточном уровне и проникают, вызывая диффузное повреждение по всему телу. Однако они менее ионизируют, чем альфа или бета -частицы, которые менее проникают.

Низкие уровни гамма -лучей вызывают стохастический риск здоровья, который для оценки дозы радиации определяется как вероятность индукции рака и генетического повреждения. Международная комиссия по радиологической защите говорит: «В диапазоне низкой дозы, ниже 100 мСВ, с научной точки зрения предположить, что заболеваемость раком или наследственными эффектами будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и ткани " Высокие дозы дают детерминированные эффекты, что является тяжестью острой повреждения ткани, которое наверняка произойдет. Эти эффекты сравниваются с физической дозой поглощенной дозой, единицей измеренной серой (GY).

Эффекты и реакция тела

Когда гамма -излучение разбивает молекулы ДНК, клетка может восстановить поврежденный генетический материал в пределах. Тем не менее, исследование Rothkamm и Lobrich показало, что этот процесс ремонта работает хорошо после воздействия высокой дозы, но в случае низкой дозы воздействия намного медленнее.

Исследования показали, что низкие дозы гамма-радиации могут быть достаточно, чтобы вызвать рак. В исследовании мышей им дали гамма-радиацию с низкой дозой, относящимися к человеку, с генотоксическими эффектами через 45 дней после непрерывного гамма-радиации с низкой дозой, со значительным увеличением хромосомного повреждения, поражениями ДНК и фенотипических мутаций в клетках крови облученных животных,,,, как животные,,, животные облучают,,,,,, как животные, животные,,,,, как животные, животные,,,, как животные, животные, животные,,,, как животные,,,, как животны охватывая три типа генотоксической активности. В другом исследовании изучалось влияние острого ионизирующего гамма-радиации у крыс, до 10 Гр и которые в итоге демонстрировали острой окислительное повреждение белка, повреждение ДНК, карбонилирование сердечного тропонина и длительную кардиомиопатию .

Оценка риска

Натуральное воздействие на открытом воздухе в Соединенном Королевстве варьируется от 0,1 до 0,5 мквв/ч со значительным увеличением вокруг известных ядерных и загрязненных участков. Естественное воздействие гамма -лучей составляет от 1 до 2 MSV в год, а среднее общее количество радиации, полученного за один год на одного жителя в США, составляет 3,6 мсВ. Существует небольшое увеличение дозы из -за естественного гамма -излучения, вокруг небольших частиц материалов с высоким атомным числом в организме человека, вызванных фотоэлектрическим эффектом.

Для сравнения, доза радиации от рентгенографии грудной клетки (около 0,06 мсв) представляет собой часть годовой природной дозы фонового излучения. КТ грудной клетки доставляет от 5 до 8 MSV. /КТ всего тела ПЭТ может доставлять от 14 до 32 MSV в зависимости от протокола. Доза флюороскопии желудка намного выше, примерно в 50 мсВ (в 14 раз больше годового фона).

Острая эквивалентная доза отдельного воздействия полного тела 1 SV (1000 MSV), или 1 Гр, вызовет легкие симптомы острой лучевой болезни , такие как тошнота и рвота; и доза 2,0–3,5 SV (2,0–3,5 Гр) вызывает более серьезные симптомы (то есть тошнота, диарея, выпадение волос, кровоизлияние и неспособность бороться с инфекциями), и вызовет смерть в значительном количестве случаев - на 10%. до 35% без лечения. Доза 3–5 SV (3–5 Гр) считается приблизительно LD ₅₀ (или летальной дозой для 50% обнаженной популяции) для острого воздействия радиации даже при стандартном лечении. Доза выше 5 SV (5 Гр) приводит к увеличению вероятности смерти выше 50%. Выше всего 7,5–10 SV (7,5–10 Гр) ко всему телу, даже необычное лечение, такое как пересадка костей и костей, не предотвратит гибель индивидуума (см. Радиационное отравление ). (Однако дозы намного больше, чем это, могут быть доставлены в отдельные части тела в ходе лучевой терапии .)

Для низких доз воздействия, например, среди ядерных работников, которые получают средней годовой радиационной дозы 19 MSV, Риск смерти от рака (за исключением лейкемии ) увеличивается на 2 процента. Для дозы в 100 MSV увеличение риска составляет 10 процентов. Для сравнения, риск смерти от рака был увеличен на 32 процента для выживших в результате атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки .

Единицы измерения и экспозиции

В следующей таблице показаны величины радиации в единицах Si и не SI:

Ионизирующие излучения, связанные с радиацией величины

Количество	Единица	Символ	Вывод	Год	Если эквивалентно
Деятельность ( а )	Беккерел	Бк	с −1	1974	Единица
	кюри	Там	3.7 × 10 10 с −1	1953	3.7 × 10 10 Бк
	Резерфорд	Rd.	10 6 с −1	1946	1 000 000 BQ
Экспозиция ( x )	Кулонов за килограмм	C/кг	C⋅kg −1 воздуха	1974	Единица
	X -ray	Ведущий	ESU / 0,001 293 г воздуха	1928	2.58 × 10 −4 C/кг
Поглощенная доза ( D )	серый	Гриль	J ⋅kg −1	1974	Единица
	очень за грамм	ERG/G.	erg⋅g −1	1950	1.0 × 10 −4 Гриль
	рад	рад	100 erg⋅g −1	1953	0,010 Гр
Эквивалентная доза ( H )	Зиверт	Св	J⋅kg −1 × w r	1977	Единица
	Рентгеновский эквивалент	Рем	100 erg⋅g −1 × w r	1971	0,010 св
Эффективная доза ( E )	Зиверт	Св	J⋅kg −1 × w r × w t	1977	Единица
	Рентгеновский эквивалент	Рем	100 erg⋅g −1 × w r × w t	1971	0,010 св

Мера ионизирующего эффекта гамма и рентгеновских лучей в сухом воздухе называется воздействием, для которого унаследованная единица, Röntgen , использовалась с 1928 года. Это было заменено Кермой , в настоящее время используется в основном для целей калибровки приборов, но не Для полученного эффекта дозы. Влияние гамма и другого ионизирующего излучения на живую ткань более тесно связано с количеством энергии , осажденной в тканях, а не ионизации воздуха, а также смены радиометрических единиц и количества для защиты радиации были определены и разработаны с 1953 года. Это:

• Серый . (GY) - это единица Si поглощенной дозы , которая представляет собой количество энергии радиации, нанесенной в облученном материале Для гамма -излучения это численно эквивалентно эквивалентной дозе, измеренной Sievert , которая указывает на стохастическое биологическое влияние низких уровней излучения на ткани человека. Коэффициент преобразования взвешивания радиации от поглощенной дозы в эквивалентную дозу составляет 1 для гамма, тогда как альфа -частицы имеют коэффициент 20, отражая их большее ионизирующее действие на ткани.
• RAD REM является устаревшей единицей CGS для поглощенной дозы, а является устаревшей единицей CGS эквивалентной дозы, используемой в основном в США.

Различие от рентгеновских снимков

Луна , которую видно из обсерватории Compton Gamma Ray , в гамма -лучах более 20 МэВ. Они производятся космической бомбардировкой ее поверхности. Солнце, которое не имеет одинаковой поверхности высокого атомного числа , чтобы выступать в качестве мишени для космических лучей, обычно нельзя увидеть вообще на этих энергиях, которые слишком высоки, чтобы возникать из первичных ядерных реакций, таких как солнечное ядерное слияние (хотя иногда Солнце производит гамма -лучи с помощью механизмов циклотрона , во время солнечных вспышек ). Гамма-лучи обычно имеют более высокую энергию, чем рентген.

Обычное различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами с течением времени изменилось. Первоначально электромагнитное излучение, излучаемое рентгеновскими трубками, почти всегда имело более длинную длину волны , чем радиация (гамма-лучи), излучаемые радиоактивными ядрами . Старая литература различается между X- и гамма-излучением на основе длины волны, с радиацией короче, чем какая-то произвольная длина волны, например, 10 ⁻¹¹ М, определяется как гамма -лучи. Поскольку энергия фотонов пропорциональна их частоте и обратно пропорционально длине волны, это прошлое различие между рентгеновскими лучами и гамма -Рэйс.

Однако, поскольку современные искусственные источники в настоящее время способны дублировать любое электромагнитное излучение, которое происходит в ядре, а также гораздо более высокие энергии, характерные длина волн радиоактивных источников гамма -луча против других типов теперь полностью перекрываются. Таким образом, гамма-лучи в настоящее время обычно различаются по их происхождению: рентгеновские лучи излучаются по определению электронами вне ядра, а гамма-лучи испускаются ядром. Исключения из этой конвенции возникают в астрономии, где гамма -распад наблюдается в послесвечении определенных сверхновых, но излучение от высоких энергетических процессов, известных на других источниках радиации, чем радиоактивное распад по -прежнему классифицируется как гамма -излучение.

Например, современные высокоэнергетические рентгеновские лучи, продуцируемые линейными ускорителями для лечения мегаволтажа при раке, часто имеют более высокую энергию (от 4 до 25 МэВ), чем большинство классических гамма-лучей, продуцируемых ядерным гамма-распадом . Один из наиболее распространенных гамма-излучающих изотопов, используемых в диагностической ядерной медицине , Technetium-99M , производит гамма-излучение той же энергии (140 кэВ), что и с диагностическими рентгеновскими машинами, но значительно ниже, чем терапевтические фотоны из линейных ускорители частиц. В сегодняшнем медицинском сообществе конвенция о том, что радиация, вызванная ядерным распадом, является единственным типом, называемым «гамма -радиацией», все еще уважается.

Из -за этого широкого перекрытия в энергетических диапазонах, в физике два типа электромагнитного излучения в настоящее время часто определяются их происхождением: рентгеновские лучи излучаются электронами (либо на орбиталях за пределами ядра, либо при ускорении для получения Brersstrahlung -ty радиация), в то время как гамма -лучи испускаются ядром или с помощью других распадов частиц или событий уничтожения. Не существует нижнего предела в энергии фотонов, полученных ядерными реакциями, и, таким образом, ультрафиолетовые или более низкие энергетические фотоны, полученные этими процессами изомер ^{229 м} Th ). Единственное, что именованное соглашение, которое до сих пор уважается,-это правило, что электромагнитное излучение, которое, как известно, является атомным ядерным происхождением, всегда называется «гамма-лучами» и никогда не является рентгеновским снимком. Тем не менее, в физике и астрономии конвенция об обратной связи (что все гамма -лучи считаются ядерным происхождением) часто нарушается.

В астрономии более высокая энергия гамма и рентгеновские лучи определяются энергией, поскольку процессы, которые их производят, могут быть неопределенными, а энергия фотонов, а не происхождение, определяет необходимые астрономические детекторы. Высокоэнергетические фотоны встречаются в природе, которые, как известно, производятся процессами, отличными от ядерного распада, но все еще называются гамма-излучением. Примером являются «гамма -лучи» от разрядов молнии при 10-20 МэВ, и, как известно, производятся механизмом Bremsstrahlung.

Другим примером являются гамма-всплески, которые в настоящее время известны из процессов, слишком мощных, чтобы включать в себя простые коллекции атомов, подвергающихся радиоактивному распаду. Это является неотъемлемой частью общего осознания того, что многие гамма-лучи, полученные в астрономических процессах, возникают не от радиоактивного распада или уничтожения частиц, а скорее в нерадиоактивных процессах, похожих на рентгеновские лучи. Несмотря на то, что гамма-лучи астрономии часто происходят из нерадиоактивных событий, некоторые гамма-лучи в астрономии, как известно, исходят из гамма-распада ядер (как продемонстрировано их спектрами и полузащитой излучения). Классическим примером является Supernova SN 1987a , который излучает «послесвечение» гамма-роскошных фотонов от распада недавно сделанного радиоактивного никеля-56 и Cobalt-56 . Однако большинство гамма -лучей в астрономии возникают другими механизмами.

На практике энергии гамма-лучей совпадают с диапазоном рентгеновских лучей, особенно в высокочастотной области, называемой «жесткими» рентгеновскими снимками. Это изображение следует за более старой соглашения о различении по длине волны.

Смотрите также

• Уничтожение
• Галактический центр GEV избыток
• Газообразные детекторы ионизации
• Очень высокая энергия гамма-луч
• Ультра-высокая энергия Гамма Рэй

Внешние ссылки

• Основная ссылка на несколько типов радиационного архивирования 2018-04-25 на The Wayback Machine
• Радиационные вопросы и ответы
• Информация GCSE
• радиационная информация Аархивирована 2010-06-11 на машине Wayback
• Гамма-луча
• Поиск ядерных данных Lund/LBNL -содержит информацию об энергиях гамма-излучения из изотопов.
• Картирование почв с воздушными детекторами заархивировано 2010-11-11 на The Wayback Machine
• LiveChart of нуклидов-МАГАТ с фильтром на энергии гамма-излучения
• Сайт общественного образования общества здравоохранения