Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Гамма-випромінювання - це короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше 1 нм, що відповідає енергії фотона близько 1 кэВ.

Просте пояснення

Однією з найцікавіших явищ, що спостерігаються у Всесвіті, є гамма-спалахи. Це короткі імпульси гамма-випромінювання, які з'являються в середньому щодня десь у небі. Джерела гамма-спалахів розташовані за мільярди світлових років від Землі і є найпотужнішими вибухами у Всесвіті. Зазвичай за кілька секунд вони виділяють більше енергії, ніж наше Сонце за все своє життя.Вважається, що гамма-спалахи виникають внаслідок вибухів дуже масивних зірок - наднових, які колапсують у чорну дірку.

Мал. 1. Так є вибухом наднової. Джерело: [ ESA/Hubble / CC BY ]

Наведений нижче матеріал допоможе вам краще зрозуміти, що таке гамма-випромінювання, які його властивості, як воно виникає і як взаємодіє з речовиною.

Розглядаючи візуалізації спектра електромагнітного випромінювання, можна помітити, що кожен тип випромінювання асоціюється з будь-яким широко використовуваним пристроєм, який використовує даний тип випромінювання. Такі візуалізації «працюють на уяву», у певному сенсі «знайомлячи» нас із певним типом електромагнітного випромінювання.

Винятком є гамма-випромінювання (γ), яке найчастіше візуалізується за допомогою конюшини, що є символом радіоактивності. Гамма-випромінювання дійсно широко використовується, наприклад, у медичній діагностиці, проте пристрої, що використовуються, набагато менш поширені і менш відомі, ніж, скажімо, рентгенівський апарат.

Визначення:

Гамма-випромінювання - це короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше 1 нм, що відповідає енергії фотона близько 1 кэВ.

Властивості

Гамма-випромінювання - це електромагнітна хвиля дуже високої енергії, тобто. дуже короткої довжини хвилі (рис. 2). Умовно прийнято, що верхня межа довжини гамма-хвилі становить 0,1 нм, що відповідає мінімальній енергії гамма-кванту близько 0,1 МеВ. Слід зазначити, що немає суворої межі між гамма-випромінюванням і рентгенівськими променями, які мають більшу довжину хвилі і меншу енергію, ніж гамма-випромінювання. Діапазони обох типів електромагнітних хвиль частково перекриваються.

Мал. 2. Електромагнітний спектр

Гамма-випромінювання, як та інші види електромагнітного випромінювання, поширюється у вакуумі зі швидкістю світла, тобто. 3108 м / c

У разі гамма-випромінювання квантова природа випромінювання стає найбільш очевидною. У всіх явищах, що спостерігаються, гамма-фотони поводяться як частинки, що володіють імпульсом. Хоча гамма-випромінювання є електромагнітною хвилею, спостереження хвильових явищ, таких як дифракція, дуже складно.

Енергія гамма-фотонів, E, виражається формулою: E=hf=hc / λ

де h=6,610-34Джс - постійна Планка, f - частота хвилі, λ - довжина хвилі, c=3108 м/с - швидкість світла.

Джерела

Джерела гамма-випромінювання також знаходяться навколо нас. На щастя, вони зазвичай не випромінюють таку енергію, яка могла б завдати нам шкоди. У природі його основними джерелами є розпади природних радіоактивних ізотопів та космічне випромінювання.

Джерелом гамма-випромінювання зазвичай є атомні ядра. Гамма-квант випромінюється атомним ядром внаслідок радіоактивного розпаду. Випускаючи гамма-квант, ядро позбавляється надмірної енергії і переходить із збудженого стану в основний.

Взаємодія з речовиною

Гамма-випромінювання називають іонізуючим випромінюванням. Це означає, що, взаємодіючи з речовиною, вона здатна іонізувати атоми та молекули. Ми виділяємо три основні процеси взаємодії гамма-випромінювання з речовиною:

    Власний фотоелектричний ефект, при якому фотон, що падає на речовину, передає всю свою енергію електрону на атомних оболонках, відриваючи його від атомів або переміщуючи на більш високий енергетичний рівень.
  1. Комптонівське розсіювання (ефект Комптона), при якому фотон гамма-випромінювання передає частину своєї енергії електрону (рис. 3). Рух електрона та фотона після розсіювання підпорядковується принципу збереження енергії та імпульсу. В одному акті взаємодії зазвичай відбувається невелика зміна енергії кванта гамма-випромінювання. Зміна енергії фотона залежить від кута розсіювання (θ), тобто. кута між вектором швидкості фотона після розсіювання та до розсіювання. Максимальна передача енергії відбувається в результаті зворотного розсіювання, тобто коли фотон після розсіювання рухається в протилежному напрямку ( θ=180 ° ).

Ефект Комптона - непружне розсіювання фотона зарядженою частинкою, зазвичай електроном, назване на честь першовідкривача Артура Холлі Комптона. Якщо розсіювання призводить до зменшення енергії, оскільки частина енергії фотона передається електрону, що відображається, що відповідає збільшенню довжини хвилі фотона (який може бути рентгенівським або гамма-фотоном), то цей процес називається ефектом Комптона

ВікіпедіяМал. 3. Діаграма комптонівського розсіювання

3. Створення електрон-позитронних пар, що полягає у зміні високоенергетичного фотона в пару частинка-античастинка. Для того, щоб процес відбувся, енергія кванта гамма-випромінювання повинна бути більшою, ніж сума мас спокою частинок, помножена на c2Маса електрона, визначена в одиницях МеВ / c2становить 0,51. Таким чином, гранична енергія фотона становить близько 1.02 МеВ.

Ймовірність виникнення того чи іншого процесу залежить від енергії фотонів гамма-випромінювання та від матеріалу, в якому відбувається взаємодія.На малюнку 4 представлена діаграма умов, у яких домінують певні, згадані процеси. По осі x – енергія фотона, по осі y – атомний номер (зарядне число) матеріалу. У разі матеріалів із середнім та високим атомним номером фотоефект домінує при низьких енергіях фотонів (нижче близько 1 МеВ), ефект Комптона домінує при середніх енергіях фотонів (близько 1-5 МеВ). Високоенергетичні кванти гамма-випромінювання (понад 5 МеВ) піддаються в основному створенню електрон-позитронних пар.

Мал. 4. Діаграма умов, за яких домінують три основні процеси взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною

Гамма-випромінювання характеризується дуже високою проникною здатністю. Ефективне поглинання пучка фотонів вимагає використання товстих екранів, зазвичай виготовлених зі свинцю або іншого матеріалу з високою щільністю та атомним номером.

У всіх цих явищах з'являються високоенергетичні електрони, які ще більше іонізують матерію.Виникнення однієї з цих явищ є випадковим. Гамма-фотон може пройти великий шлях у речовині та не бути поглиненим. Якщо пучок гамма-променів проходить через речовину, деякі фотони будуть випадково видалені з пучка в результаті одного з вищеперелічених процесів, в той час як інші рухаються безперешкодно навіть через товстий шар речовини.

Поглинання гамма-фотонів у речовині можна порівняти з їздою божевільних водіїв, які рухаються з постійною високою швидкістю та не зупиняються на світлофорах. Деякі з них швидко вибувають з руху через аварії, але деякі щасливчики можуть проїхати сотні кілометрів.

Захист та шкода від гамма-випромінювання

Гамма-випромінювання є довгохвильовим випромінюванням - діапазон гамма-випромінювання в речовині теоретично нескінченний, але на практиці достатній захист забезпечується свинцевими пластинами або багатометровим шаром бетону.

Гамма-випромінювання дальньої дії може стати для нас проблемою, оскільки це випромінювання шкідливе для живих організмів.Він дуже проникає, легко проходить по всьому тілу, а іонізація викликає ушкодження клітин різних органів. Якщо доза поглиненого випромінювання перевищує певне значення, яке називається пороговою дозою, може виникнути променева хвороба.

Іонізація викликає пошкодження клітин живих організмів. Тому гамма-випромінювання досить високої інтенсивності є смертельним для організмів. Крім того, гамма-випромінювання дуже проникне і легко проходить через товстий шар повітря і більшість навколишніх предметів. При контакті з джерелами гамма-випромінювання необхідно бути обережними і надягати захист, зазвичай у вигляді свинцевих пластин. Гамма-випромінювання найкраще поглинається матеріалами, що містять елементи з високим масовим числом, наприклад, свинець.

Однак гамма-випромінювання не є екзотичним явищем, з яким ми не стикаємося у повсякденному житті. Гамма-випромінювання, що походить від радіоактивних ізотопів, яких у кожному предметі, а також у нашому тілі міститься дуже мало, постійно присутній у навколишньому середовищі.Гамма-випромінювання також досягає поверхні Землі з космосу та є компонентом так званого космічного випромінювання. Випромінювання, що оточує нас, відоме як фонове випромінювання, не шкідливо для нас. Тільки високі дози, яким можуть піддаватися, наприклад, працівники атомних електростанцій, є проблемою і вимагають спеціального захисту.

Гамма-випромінювання утворюється всередині зірок у реакціях злиття легких ядер у важчі. При цьому виділяється величезна енергія, яка випромінюється, зокрема, у вигляді гамма-випромінювання. Найбільші викиди гамма-випромінювання відбуваються при великих космічних катастрофах, таких як зіткнення між нейтронними зірками або чорними дірками або колапс масивної зірки в чорну дірку під час вибуху наднової. Так звані гамма-спалахи, які досягають Землі, відбуваються в результаті таких подій.

Застосування

Ядерна медицина, галузь медицини, що використовує радіоактивні ізотопи для терапії та діагностики, останніми роками стрімко розвивається.Подивіться на фотографію обладнання (рисунок 5) для радіотерапії у клініці у Гейдельберзі (Німеччина). Обладнання вартістю 119 мільйонів євро займає величезний зал, і все це для пацієнта, якого ми бачимо в нижньому правому кутку, що лежить всередині величезного апарату. Ядерна медицина - це велика та цікава область. Тут ми обговоримо деякі застосування гамма-випромінювання в медицині та інших сферах життя.

Мал. 5. Університетська клініка Гейдельберга

Ми також можемо використовувати небезпечні властивості гамма-випромінювання у своїх цілях. Це випромінювання можна використовувати для стерилізації медичного обладнання, а також харчових продуктів.

Стерилізація.

Стерилізація полягає у знищенні бактерій, плісняви, грибків, паразитів та патогенних мікроорганізмів за допомогою іонізуючого випромінювання. Під час процедури використовується гамма-випромінювання, що походить від радіоактивного ізотопу кобальту, або високоенергетичні електрони, які отримують у прискорювачах.Типи джерел випромінювання та правила експлуатації радіаційного обладнання регламентуються міжнародними стандартами. Вони гарантують, що при опроміненні харчових продуктів не утворюються шкідливі для здоров'я речовини. Продукти харчування довше зберігають свою свіжість, тому що при опроміненні гинуть мікроорганізми, що викликають розкладання продуктів.

Радіоізотопні лічильники.

Одне з найпоширеніших застосувань гамма-випромінювання – радіоізотопні лічильники. Ці вимірювачі використовуються для точного виміру товщини матеріалу, коли цей вимір неможливо виконати стандартним методом. До них відносяться абсорбційні вимірювачі, принцип дії яких заснований на явищі поглинання гамма-випромінювання.

Чим товстіший матеріал, тим більше поглинається падаючий промінь. З одного боку об'єкта, що вимірювається, знаходиться джерело випромінювання, наприклад, кобальт Top Index60Co, поміщений в екран, а з іншого боку - детектор гамма-променів, який вимірює, скільки випромінювання пройшло через матеріал.Знання залежності поглинання гамма-випромінювання від товщини матеріалу дозволяє визначити вимірювану товщину.

Діапазон вимірювання товщини дуже широкий і варіюється від часток міліметра до кількох сантиметрів. Вимірювачі радіоізотопів не контактують з вимірюваним матеріалом під час вимірювання, що дозволяє проводити вимірювання рухомих, високотемпературних, в'язких матеріалів, а також матеріалів і медичних виробів, для яких важливо не забруднювати зразок під час вимірювання. Гамма-випромінювання кобальту60Co також використовується в дефектоскопії, яка займається виявленням прихованих дефектів у виробах.

Ядерна медицина.

Дуже важливою сферою застосування гамма-випромінювання є медицина. Це випромінювання використовується як на лікування раку, так діагностики. Цим займається галузь медицини, яка називається ядерною медициною. Пристрої, що використовуються в ядерній медицині, включають:

  1. Кобальтова бомба - це пристрій, що використовується для лікування раку, а також для згаданої стерилізації продуктів харчування.Ізотоп кобальту60Co, що випускає гамма-промені з енергією 1,17 і 1,33 МеВ, поміщений в товстий свинцевий екран, що має канали, що виводять пучок випромінювання. Кобальтова бомба також може бути оснащена механізмом, що дозволяє дистанційно маніпулювати зразками, не піддаючи оператора радіації впливу.
  2. Гамма-ніж - надзвичайно точний медичний прилад, використовуваний радіохірургії, тобто. хірургії мозку без розтину черепа. Для точного виконання процедури пацієнт знерухомлюється. За допомогою візуалізації, наприклад комп'ютерної томографії, визначається місцезнаходження пухлини. Потім місце розташування пухлини направляється близько 200 пучків гамма-випромінювання, джерелом яких є капсули, що містять радіоактивний кобальт60Co. Суть методу у тому, що окремі пучки випромінювання досить слабкі, ніж пошкодити мозок під час проникнення. З іншого боку, у певному місці доза від окремих променів підсумовується - її потужність у 200 разів перевищує потужність дози від одного променя.У результаті пухлини випромінювання досягає потужності, необхідної для знищення пухлинних клітин. Ризик побічних ефектів дуже низький у порівнянні з традиційною нейрохірургією. Крім того, лікування практично не потребує одужання. Пацієнти, які пройшли опромінення на гамма-ножі, повертаються до нормального життя наступного дня після процедури.
  3. Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОФЕКТ) - це метод, що використовує гамма-випромінювання для створення просторового зображення будь-якої області тіла пацієнта.

Обстеження починається із введення радіофармпрепаратів в організм пацієнта. Це хімічні сполуки, які з двох елементів - радіоактивного ізотопу і носія, здатного депонуватися в тканинах і органах. Носії особливо інтенсивно поглинаються раковими клітинами усередині пухлини. Атомні ядра радіоактивного ізотопу піддаються трансформації, під час якої вони випускають гамма-кванти. Кількість випромінювання, що випускається, залежить від вмісту радіофармацевтичного препарату у відповідній області.Таким чином, з області пухлини буде випускатися більше гамма-квантів, ніж з інших областей.

Випромінювання вимірюється безпосередньо за допомогою зовнішнього детектора - гамма-камери. Просторове зображення виходить при обертанні камери навколо досліджуваної області пацієнта. Зображення збираються із послідовних положень зонда, що відрізняються на кілька градусів. Таким чином, виміри проводяться при повному обігу навколо пацієнта. Для прискорення процесу збору даних найчастіше використовуються двоголові камери, розташовані один навпроти одного. Вони проводять вимірювання одночасно, що прискорює обстеження вдвічі (рис. 6.). Всі отримані результати вимірювань потім піддаються комп'ютерній обробці, що дозволяє створити тривимірне зображення досліджуваної області.

Мал. 6. ОФЕКТ-апарат із двоголовковою гамма-квантовою камерою візуалізації. Джерело: [ KieranMaher at English Wikibooks / Public domain]

Список використаної літератури

    Коган Р. М., Назаров І. М., Фрідман Ш. Д. Основи гамма-спектрометрії природних середовищ. - М.: Вища школа, 1991. - 233 с.
  1. Широков, Ю.М. Ядерна фізика [Текст]/Ю.М. Широков, Н.П. Юдін // М.: Наука. - 1980, 783 с.
  2. Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. - К.: Знання, 2005. - 439 с.
  3. "Gamma-Ray Telescopes & Detectors" . NASA GSFC. Retrieved 2011-11-22.
  4. Villard, P. (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium" . Comptes rendus. 130: 1010-1012. See also: Villard, P. (1900). "Sur le rayonnement du radium" . Comptes rendus. 130: 1178-1179.
  5. Мякішев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругін В.М. Фізика.11 клас. Підручник для загальноосвітніх організацій М.: Просвітництво, 2014. – С. 310 – 327, 346 – 350.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво