Гамма излучение способы получения. Электромагнитные волны: что такое гамма-излучение и его вред

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (γ-излучение), коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны λ≤10 -10 м, короче, чем у рентгеновского излучения). При столь малых λ волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, первостепенное значение имеют корпускулярные свойства. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов, которые, как и другие фотоны, характеризуются энергией Е = hv (h - постоянная Планка, v - частота электромагнитных колебаний). Гамма-излучение открыто в начале 20 века как компонента излучения радиоактивных ядер, которая не отклонялась при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и ß-излучений. В 1914 году Э. Резерфорд совместно с английским физиком Э. Андраде в опытах по дифракции гамма-лучей на кристалле доказал электромагнитную природу гамма-излучения.

Гамма-излучение может испускаться атомными ядрами и элементарными частицами, а также в результате ядерных реакций и реакций между частицами, в частности аннигиляции пар частица - античастица. Гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, и гамма-излучения ядер даёт информацию о структуре этих микрообъектов.

Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.

При распаде частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с энергиями в десятки - сотни МэВ.

Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц энергия тормозного гамма-излучения достигает десятков ГэВ.

Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными лазерными пучками. При этом электрон передаёт свою энергию оптическому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд (смотри Гамма-астрономия).

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (Комптона эффект) и образование пар электрон - позитрон.

Гамма-излучение используется в технике (например, в дефектоскопии), радиационной химии для инициирования химических превращений (например, при полимеризации), сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и др.

Лит.: Де Бенедетти С. Ядерные взаимодействия. М., 1968; Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М., 1979; Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. М., 1986. Т. 2; Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. М., 1993. Кн. 1. Ч. 1.

И. М. Капитонов.

Действие на организм. Гамма-излучение действует на живые клетки подобно другим видам ионизирующих излучений. Хотя биосфера подвергается постоянному воздействию гамма-излучения в составе космических лучей и излучений радиоактивных элементов, находящихся в рассеянном виде в почвах, атмосфере и воде (радиационный фон Земли), их интенсивность невелика, и они не представляют опасности для живых организмов. Действие гамма-излучения проявляется по мере накопления вторичных электронов в объекте облучения и их переноса в близлежащие структуры. Тотальное гамма-нейтронное облучение организмов, сопровождающее ядерные взрывы, в зависимости от дозы может приводить к гибели организмов (для человека смертельная доза - 100 Гр), развитию лучевой болезни (при дозах 5-10 Гр). Воздействие более низких доз опасно отдалёнными последствиями: злокачественным перерождением клеток, развитием лейкозов, рождением генетически неполноценного потомства и др. Гамма-излучение применяют в медицине при лечении онкологических заболеваний (гамма-терапия; смотри Лучевая терапия). Оно используется также в генетических исследованиях для получения мутаций в молекулах ДНК и селекции организмов с последующим отбором хозяйственно полезных форм. Таким образом, например, были получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов, продуцирующих антибиотики. В качестве источников гамма-излучения применяют естественные и искусственные радиоактивные изотопы (обычно 60 Со, реже 137 Cs).

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation

Гамма-излучение (γ-излучение)– электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название	Длина волны , м	Частота , Гц
радиоволны	3·10 5 - 3	10 3 - 10 8
микроволны	3 - 3·10 -3	10 8 - 10 11
инфракрасное излучение	3·10 -3 - 8·10 -7	10 11 - 4 . 10 14
видимый свет	8·10 -7 - 4·10 -7	4·10 14 - 8·10 14
ультрафиолетовое излучение	4·10 -7 - 3·10 -9	8·10 14 - 10 17
рентгеновское излучение	3·10 -9 - 10 -10	10 17 - 3·10 18
гамма-излучение	< 10 -10	> 3·10 18

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ. сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

Частота гамма-излучения (> 3·10 18 Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями - десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Мало кто из нас знает о таком явлении, как гамма-излучение, так как не все мы обладаем специальными познаниями в области физики.

Итак, гамма-излучение представляет собой одну из многочисленных разновидностей электромагнитного излучения. в данном случае очень невелика, как и ее волновые свойства. История открытия данного излучения началась больше ста лет назад. В 1900 году это явление было открыто одним из французских физиков - Полем Виллардом. А произошло это открытие совершенно случайно в результате исследования радия.

Гамма-лучи по-своему уникальны и имеют ряд уникальных свойств. Основные процессы возникают при проникновении данного излучения через определенные виды веществ. Фотоэффект таких лучей основывается на возникновении электронов в веществе при воздействии на него света. Фотоэффект в данном случае может быть как внешним, так и внутренним.

Комптон-эффект - еще одно свойство гамма-излучения, которое также заслуживает особого изучения. В данном случае отмечается увеличение электромагнитной волны. Это явление было открыто в далеком 1923 году.

Образование пар - очередное уникальное свойство гамма-лучей. В результате определенной реакции, квант, расположенный в самом центре ядра, становится и электроном, и позитроном. А вот благодаря ядерному эффекту такого излучения гамма-квант способен выбивать из ядра нуклоны. Гамма-излучение в современном мире применяется в самых разных областях жизни человечества. Гамма-дефектоскопия, например, позволяет контролировать работу многих аппаратов и изделий при помощи специальных лучей. Консервирование многих продуктов также происходит с использованием подобных лучей. При этом срок годности заготовок значительно увеличивается, а о каких-либо вредных последствиях и вовсе не может быть и речи.

С использованием гамма-излучения проводятся процессы стерилизации оборудования, медицинских инструментов, некоторых продуктов питания. В медицине такие лучи также нашли область своего применения. При помощи например, лечится огромное количество разновидностей злокачественных опухолей. Согласитесь, это немаловажный вклад в развитии медицины, так как это удается далеко не каждому лекарственному препарату. При использовании гамма-лучей мы наблюдаем достаточно неплохие результаты в лечении онкологических заболеваний и к тому же при относительно небольших затратах. Да и вообще, гамма-лучи благодаря своим специфическим свойствам смогли существенно продвинуть медицину вперед.

Гамма-каротаж является неотъемлемой частью геологии. Используя различные источники гамма-излучения, геологи измеряют глубину скважин. А вот гамма-высотомер - это способ точно определить расстояние, преодолеваемое То есть данные излучения нашли активное применение и в космонавтике, и в геологии, и в медицине, и на производстве. Но при всех этих положительных моментах гамма-излучение имеет и некоторые недостатки, о которых необходимо обязательно знать. Из-за продолжительного контакта с квантами, например, возникает опасное заболевание - лучевая болезнь. Самым серьезным последствием такого облучения являются различные виды онкологических болезней.

Кроме того, данные лучи обладают еще и тератогенным воздействием на организм, в результате которого происходят мутация и эмбриональное нарушение нормального развития. По сути, гамма-излучение - это та же самая радиация, о которой мы много слышали, но о которой мало знаем. Хотя при правильном использовании в небольших дозах с использованием современного оборудования данные излучения способны существенно облегчить и улучшить жизнедеятельность человека!

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где - бета-излучение - электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона:

Гамма излучение представляет собой довольно серьезную опасность для человеческого организма, да и для всего живого в общем.

Это электромагнитные волны с очень маленькой длиной и высокой скоростью распространения.

Чем же они так опасны, и каким образом можно защититься от их воздействия?

О гамме излучение

Все знают, что атомы всех веществ содержат в себе ядро и электроны, которые вращаются вокруг него. Как правило, ядро – это довольно стойкое образование, которому трудно нанести повреждения.

При этом существуют вещества, ядра которых неустойчивы, и при некотором воздействии на них происходит излучение их составляющих. Такой процесс называется радиоактивным, он имеет определенные составляющие, названные по первым буквам греческого алфавита:

гамма излучения.

Стоит отметить, что радиационный процесс подразделяется на два вида в зависимости от того, что именно в результате выделяется.

Виды:

Поток лучей с выделением частиц – альфа, бета и нейтронное;
Излучение энергии – рентгеновское и гамма.

Гамма излучение – это поток энергии в виде фотонов. Процесс разделения атомов под воздействием радиации сопровождается образованием новых веществ. При этом атомы вновь образовавшегося продукта имеют довольно нестабильное состояние. Постепенно при взаимодействии элементарных частиц возникает восстановление равновесия. В результате происходит выброс лишней энергии в виде гаммы.

Проникающая способность такого потока лучей очень высока. Оно способно проникать через кожные покровы, ткани, одежду. Более тяжелым будет проникновение через металл. Чтобы задержать такие лучи необходима довольно толстая стена из стали или бетона. Однако длина волныγ-излучения очень мала и составляет меньше 2·10 −10 м, а ее частота находится в диапазоне 3*1019 – 3*1021 Гц.

Гамма частицами являются фотоны с довольно высокой энергией. Исследователи утверждают, что энергия гаммы излучения может превышать показатель 10 5 эВ. При этом граница между рентгеновскими и γ-лучами далеко не резкая.

Источники:

Различные процессы в космическом пространстве,
Распад частиц в процессе опытов и исследований,
Переход ядра элемента из состояния с большой энергией в состояние покоя или с меньшей энергией,
Процесс торможения заряженных частиц в среде либо движение их в магнитном поле.

Открыл гамма излучение французский физик Поль Виллар в 1900 году, проводя исследование излучения радия.

Чем опасно гамма-излучение

Гамма излучение является наиболее опасным, нежели альфа и бета.

Механизм действия:

Гамма лучи способны проникать через кожные покровы внутрь живых клеток, в результате происходит их повреждение и дальнейшее разрушение.
Поврежденные молекулы провоцируют ионизацию новых таких же частиц.
В результате возникает изменение в структуре вещества. Пострадавшие частицы при этом начинают разлагаться и превращаться в токсические вещества.
В итоге происходит образование новых клеток, но они уже с определенным дефектом и поэтому не могут полноценно работать.

Гамма излучения опасно тем, что такое взаимодействие человека с лучами не ощущается им ни в коей мере. Дело в том, что каждый орган и система человеческого организма реагирует по-разному на γ-лучи. Прежде всего, страдают клетки, способные быстро делиться.

Системы:

Лимфатическая,
Сердечная,
Пищеварительная,
Кроветворная,
Половая.

Оказывается негативное влияние и на генетическом уровне. Кроме того, такое излучение имеет свойство накапливаться в человеческом организме. При этом в первое время оно практически не проявляется.

Где применяется гамма-излучение

Несмотря на негативное влияние, ученые нашли и положительные стороны. В настоящее время такие лучи применяются в различных сферах жизни.

Гамма излучение — применение:

В геологических исследованиях с их помощью определяют длину скважин.
Стерилизация различных медицинских инструментов.
Используется для контроля внутреннего состояния различных вещей.
Точное моделирование пути космических аппаратов.
В растениеводстве применяется для вывода новых сортов растений из тех, что мутируют под воздействием лучей.

Излучение гамма частиц нашло свое применение в медицине. Используется оно в терапии онкологических больных. Такой метод имеет название «лучевая терапия» и основывается на воздействии лучей на быстро делящиеся клетки. В результате при правильном использовании появляется возможность уменьшить развитие патологических клеток опухоли. Однако такой метод, как правило, применяется в том случае, когда другие уже бессильны.

Отдельно стоит сказать о влияние его на мозг человека

Современные исследования позволили установить, что мозг постоянно испускает электрические импульсы. Ученые считают, что гамма излучения возникает в те моменты, когда человеку приходится работать с разной информацией одновременно. При этом небольшое количество таких волн ведет к уменьшению запоминающей способности.

Как защититься от гамма-излучения

Какая же защита существует, и что сделать, чтобы уберечься от этих вредных лучей?

В современном мире человек окружен различными излучениями со всех сторон. Однако гамма частицы из космоса оказывают минимальное воздействие. А вот то, что находится вокруг представляет гораздо большую опасность. Особенно это относится к людям, работающим на различных атомных станциях. В таком случае защита от гамма излучения состоит в применении некоторых мер.

Меры:

Не находится длительное время в местах с таким излучением. Чем дольше времени человек находится под воздействием этих лучей, тем больше разрушений возникнет в организме.
Не стоит находиться там, где расположены источники излучения.
Необходимо использовать защитную одежду. В ее состав входит резина, пластик с наполнителями из свинца и его соединений.

Стоит отметить, что коэффициент ослабления гамма излучения зависит от того, из какого материала сделан защитный барьер. Так, например, лучшим металлом считается свинец в виду его свойства поглощать излучение в большом количестве. Однако он плавится при довольно низких температурах, поэтому в некоторых условиях используется более дорогой металл, например, вольфрам или тантал.

Еще один способ обезопасить себя – это измерить мощность гамма излучения в Вт. Кроме того, мощность измеряется также в зивертах и рентгенах.

Норма гамма излучения не должна превышать 0,5 микрозиверта в час. Однако лучше если этот показатель не будет выше 0,2 микрозиверта в час.

Чтобы измерить гамма излучение, применяется специальное устройство – дозиметр. Таких приборов существует довольно много. Часто используется такой аппарат, как «дозиметр гамма излучения дкг 07д дрозд». Он предназначен для оперативного и качественного измерения гамма и рентгеновского излучения.

У такого устройства есть два независимых канала, которые могут измерять МЭД и Эквивалент дозировки. МЭД гамма излучения это мощность эквивалентной дозировки, то есть количество энергии, которую поглощает вещество в единицу времени с учетом того, какое воздействие лучи оказывают на человеческий организм. Для этого показателя также существуют определенные нормы, которые обязательно должны быть учтены.

Излучение способно негативно влиять на организм человека, однако даже для него нашлось применение в некоторых сферах жизни.