Гамма-излучение
Гамма – излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны — менее 2⋅10−10 м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.
Что такое гамма-излучение
Гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов).Условно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма – и рентгеновским излучением не определена.На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий.В области 1—100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению.С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.
Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. Изомерный переход; энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях, при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях (см. Синхротронное излучение, Тормозное излучение).Энергия гамма-квантов, возникающих при переходах между возбуждёнными состояниями ядер, не превышает нескольких десятков МэВ.Энергии гамма-квантов, наблюдающихся в космических лучах, могут превосходить сотни ГэВ.
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия.Три компонента ионизирующего излучения радия-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) были разделены по направлению отклонения частиц в магнитном поле: излучение с положительным электрическим зарядом было названо α-лучами, с отрицательным — β-лучами, а электрически нейтральное, не отклоняющееся в магнитном поле излучение получило название γ-лучей.Впервые такая терминология была использована Э.Резерфордом в начале 1903 года.В 1912 году Резерфорд и Эдвард Андраде доказали электромагнитную природу гамма-излучения.
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 прострaнcтве этой cмepтельной 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 пoлoвых 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 cмepтоносным 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 прострaнcтво, учёные могут определить расстояние и смоделировать путь космического аппарата.
Гамма-лучи и рентгеновское излучение в медицине
Гамма-лучи — это фотоны, освобождающиеся при распаде атомных ядер радиоактивных изотопов, например цезия (l37Cs), кобальта (60Со).Рентгеновское излучение представляет собой фотоны, образовавшиеся в электрическом поле в результате бомбардировки электронами мишени, например, из вольфрама (таков принцип работы линейного ускорителя).Когда быстро летящие электроны приближаются к ядру вольфрама достаточно близко, они притягиваются к нему и изменяют траекторию движения.Изменение направления вызывает замедление движения, и кинетическая энергия переходит в фотоны тормозного рентгеновского излучения.Фотоны этого излучения имеют различный диапазон энергии, от нуля до максимума, который зависит от кинетической энергии бомбардирующих электронов.Такие аппараты, как бетатрон и линейный ускоритель, генерируют электроны с высокой кинетической энергией и поэтому продуцируют рентгеновское излучение с высокой энергией.В дополнение к фотонам тормозного излучения образуются характеристические фотоны, т.к.атомы стремятся заполнить образовавшиеся свободные электронные орбитали.Гамма-лучи и рентгеновские лучи можно собирательно назвать фотонами; для лечебных целей больший интерес представляютзначения энергии, способы подведения фотонов к мишени, но не их источники.
Взаимодействие фотонов гамма-лучей и рентгеновского излучения
Следующие шесть механизмов лежат в основе взаимодействия фотонов с веществом:
- 1) комптоновское рассеяние; 2) фотоэлектрическое поглощение; 3) образование пар; 4) образование триплетов; 5) фотохимический распад; 6) когерентное рассеяние (без передачи энергии).
Эффект Комптона
Эффект Комптона — основной механизм взаимодействия фотонов с веществом, который используется в современной лучевой терапии (ЛТ).Когда фотон пучка линейного ускорителя взаимодействует с электронами внешних атомных орбиталей, часть энергии фотона передается электрону в виде кинетической энергии.Фотон изменяет направление движения, его энергия уменьшается.Выброшенный электрон летит и, отдавая энергию, выбивает другие электроны.Результатом такого запуска и развития эффекта накопления при облучении пучками фотонов с большой энергией, измеряемой в мегавольтах, служит низкий повреждающий эффект кожи, т.к.в поверхностных тканях при этом происходят минимальные изменения.Старые модели аппаратов не обеспечивали подобную защиту кожных покровов.
Фотоэлектрический эффект
Фотоэлектрический эффект наблюдается при более низких энергиях и используется в аппаратах, применяющихся в диагностической рентгенологии.При этом взаимодействии налетающий фотон полностью поглощается электроном внутренней оболочки, и последний вылетает с кинетической энергией, равной энергии фотона за вычетом энергии, затраченной на соединение с ним.Электрон внешней оболочки «проваливается» на освободившееся место.Поскольку этот электрон меняет орбиту, приближаясь к ядру, его энергия уменьшается, а избыток освобождается в виде фотона, который называют характеристическим.При образовании пар фотоны с энергией более 1,02 МэВ взаимодействуют с сильным электрическим полем ядра и теряют всю энергию столкновения.Энергия столкновения фотона переходит в вещество в форме позитрон-электронной пары.Если это происходит в поле электронной орбитали, то образуется три частицы и такое взаимодействие называют формированием триплета.И последнее, при фотохимическом распаде фотон с большой энергией влетает в ядро и выбивает нейтрон, протон или а-частицу.Это явление указывает на необходимость создания защиты при установке линейных ускорителей, дающих энергию более 15 МэВ.
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 прострaнcтво 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 cмepть в 95% случаев в течение двух недель.Доза в 700 рентген cмepтельна 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.
Источники:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гамма-излучение
https://detdom-vidnoe.ru/for_parents/17978.php
https://meduniver.com/Medical/onkologia/gamma-luchi_i_rentgenovskoe_izluchenie.html
