Гамма излучение: о вреде и пользе
Нагромождение слухов и страшилок вокруг таких понятий, как радиация, ионизация, гамма излучение, рождают путаницу и страхи у всех, кто не является дозиметристом-радиологом или физиком-ядерщиком. Попробуем разобраться в обилии фактов и разрозненных знаний, полученных обывателем в основном из средств массовой информации.
Терминология и теория
Для понимания основ допускаем, что всем известно о строении атомов всех веществ. Ядро и электроны, вращающиеся вокруг него, образуют систему с нейтральным зарядом. Если один или несколько электронов выбить из этой системы, атом приобретет определенный заряд и будет называться ион.
Выбивание электронов из системы ядро-электроны и есть процесс ионизации. Радиация — это и есть ионизирующее излучение, пучок частиц, выбивающих электроны, придающий атомам особенные свойства.
Всего известно три вида излучений, способных привести к ионизации элементарных частиц. В названии использованы греческие буквы: альфа-, бета- и гамма-излучение.
Излучения – какие они?
Любое из этих излучений — это высокоскоростной поток частиц, размер которых меньше атома. Ионизирующие частицы представляют опасность, пока они движутся. Но движение не может быть постоянным и, выбиваются электроны или нет, частицы теряют свою скорость и останавливаются. После чего они или остаются в веществе, или им поглощаются.
Все имеет время своего существования, и радиоактивные (ионизирующие) частицы не исключение. Упомянутые три вида излучений образованы разными частицами (их называют квантами) с различной скоростью и степенью проникания в вещество.
Альфа, бета, гамма
Излучение первой группы состоит из альфа-квантов, которые очень быстро теряют скорость, потому что тяжелые. Их жизненный путь всего несколько десятков микрометров.
Второй вид излучения образуют бета-кванты, отличающиеся очень большой скоростью. Проникающая способность их больше и в живой организм они проникнут на несколько миллиметров.
Гамма излучение это поток гамма-квантов, наделенных большой энергией и летящих со скоростью света, наиболее скоростные кванты, которые обладают свойствами частиц и волн.
В ключе наибольшей опасности по воздействию на человека гамма-излучение стоит на первом месте.
В чем опасность?
Альфа-кванты, конечно, очень интенсивны, но лист обычной бумаги станет для них непроходимым барьером. К тому же для воздействия необходимо ну очень близко находиться к объекту излучения.
Бета-частицы имеют маленькую массу и легко меняют направление движения при наличии препятствий. Обычное окно не пропустит это излучение. При прямом соприкосновении с телом человека поток бета-квантов может вызвать ожоги кожи.
Гамма-излучение, в отличие от альфа- и бета-, имеет огромную проникающую способность. Кроме того, особенность этого вида в том, что под его воздействием разрушение атома вещества происходит с образованием нового нестабильного по состоянию элемента.
Именно это излучение чаще всего понимают под радиацией. От него не спасет стеклянная преграда – тут необходимы экраны из свинца и мощные конструкции из бетона.
Как это работает?
Суть механизма разрушающего воздействия гамма-квантов:
- На своем пути кванты оставляют за собой ионы, которые, в свою очередь, становятся источником ионизации.
- Проходя через клетки живого организма, часть молекул разрушается и превращается в яд.
- Это излучение является сильнейшим мутагеном, который вызывает изменения на всех уровнях генетического материала.
Наиболее подвержены повреждениям те клетки организма, которые быстро делятся. Мутации передаются последующим поколениям клеток, усугубляя положение. Так, первыми страдают система образования клеток крови, лимфатические узлы, репродуктивные клетки, пищеварительные органы и волосяные сумки.
Откуда это все берется?
Естественные источники гамма-излучения существовали задолго до освоения человеком ядерной физики. Искусственные источники – объекты ядерной энергетики – не зря вызывают повышенное внимание специалистов в сфере безопасности.
Важно помнить, что получить в быту дозы облучения, представляющие серьезную опасность для жизни, почти невозможно. И близость к объектам атомной энергетики тут ни при чем.
Из естественных возможностей облучения можно выделить внешнее и внутреннее. Внешнее происходит в нашей жизни постоянно – радиация Солнца и космических галактик, излучения горных пород, особенно вулканических, и воздуха. Внутреннее вызывается продуктами или водой, попадающими в наш организм.
Уровень излучения (радиационный фон) бывает далек от среднего показателя. Есть места, где он всегда повышен, например, высокогорные местности, вблизи вулканов, а еще на космических кораблях и в кабинах авиалайнеров.
Человечество приспособилось жить в существующих диапазонах излучений и сформировало определенный биологический запас прочности, что без видимых нарушений позволяет выдержать облучение во много раз большее.
А как же польза?
Как известно, все в нашем мире дуально. И гамма-излучение не исключение. При умелом обращении и использовании современного оборудования и средств защиты и оно приносит пользу человеку. Вот лишь несколько примеров использования гамма-квантов:
- стерилизация оборудования и инструментов в медицине;
- гамма-дефектоскопия – эффективный метод сверхточного определения дефектов деталей;
- определение расстояний – от глубины скважин и особенностей полостей земной коры, до космических измерений;
- в биотехнологии применяют гамма-облучение для получения мутантных организмов для выведения новых пород животных и сортов растений;
- как элемент лучевой терапии при лечении онкологических заболеваний.
Способы защиты
Как уже говорилось, природный фон не может стать существенным элементом заражения. Но после развития ядерной энергетики и освоения энергии полураспада радиоактивных частиц, облучение может настигнуть нас внезапно. Трагедия на Чернобыльской АЭС продемонстрировала миру неготовность к таким последствиям в освоении мирного атома.
Эффективны в целях защиты от гамма-излучения только специализированные убежища. Но и подвал дома ослабит воздействие от излучения в тысячу раз.
Не лишним будет и внимательное отношение к предметам со специальной маркировкой. Например, в датчиках пожароопасности используется радиоактивный плутоний. А циферблаты датчиков обледенения и водолазных часов содержится соль радия 226. Снаружи эти предметы не опасны, но не стоит их разбирать.
Меры предосторожности
В уголовном кодексе предусмотрена статья за намеренное или случайное радиоактивное загрязнение. Поэтому если вы обнаружили предмет с радиационной маркировкой, то:
- не разбирайте его и не выбрасывайте;
- сообщите в специализированную службу;
- обезопасьте себя и окружающих, отойдя на возможное расстояние от источника.
Личная профилактика сводится к тщательному мытью рук, ведь загрязнение радиоактивного характера передается подобно бактериальному.
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение, испускаемое при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, т. е. при переходе ядра атома из одного энергетического состояния в другое.
Г.-и. применяют в медицине для лечения опухолей (см. Гамма-терапия, Лучевая терапия), а также для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Стерилизация, холодная). В качестве источников Г.-и. используют гамма-излучатели — естественные и искусственные радиоактивные изотопы (см. Изотопы, радиоактивные), в процессе распада
которых испускаются гамма-кванты. Гамма-излучатели применяют для изготовления источников Г.-и. различной интенсивности и конфигурации (см. Гамма-аппараты).
По своей природе гамма-лучи сходны с рентгеновскими, инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами, а также с видимым светом и радиоволнами. Эти виды электромагнитного излучения (см.) отличаются только условиями образования. Напр., в результате торможения быстро летящих заряженных частиц (электронов, альфа-частиц или протонов) возникает тормозное излучение (см.); при различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное происходит испускание видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового или характеристического рентгеновского излучения (см.).
В процессе взаимодействия с веществом электромагнитное излучение проявляет как волновые свойства (интерферирует, преломляется, дифрагирует), так и корпускулярные. Поэтому его можно характеризовать по длине волны или рассматривать как поток незаряженных частиц — квантов (фотонов), которые обладают определенной массой Мк и энергией (E=hv, где h=6,625×10 27 эрг×сек — квант действия, или постоянная Планка, ν = c/λ — частота электромагнитного излучения). Чем выше частота, а следовательно и энергия электромагнитного излучения, тем в большей мере проявляются его корпускулярные свойства.
Свойства различных видов электромагнитного излучения не зависят от способа их образования и определяются длиной волны (λ) или энергией квантов (E). При этом следует иметь в виду, что энергетической границы между тормозным и Г.-и. не существует, в отличие от таких видов электромагнитного излучения, как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, для каждого из которых характерен определенный диапазон энергий (или длин волн), практически не перекрывающийся. Так, энергия гамма-квантов, испускаемых в процессе радиоактивного распада (см. Радиоактивность), лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт, а при некоторых ядерных превращениях может достигать десятков мега-электрон-вольт. В то же время на современных ускорителях генерируется тормозное излучение с энергией от нуля до сотен и тысяч мега-электрон-вольт. Однако тормозное и Г.-и. существенно различаются не только по условиям образования. Спектр тормозного излучения — непрерывный, а спектр Г.-и., как и спектр характеристического излучения атома, — дискретный (линейчатый). Объясняется это тем, что ядра, так же как атомы и молекулы, могут находиться только в определенных энергетических состояниях, и переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно.
В процессе прохождения через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с самим ядром. В результате происходит ослабление интенсивности первичного пучка Г.-и. в основном за счет трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), некогерентного рассеяния (комптон-эффект) и образования пар.
Фотоэлектрическое поглощение — процесс взаимодействия с электронами атомов, при к-ром гамма-кванты передают им всю свою энергию. В результате гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии. В этом случае энергия гамма-кванта передается преимущественно электронам, находящимся на К-оболочке (т. е. на оболочке, наиболее близкой к ядру). С увеличением атомного номера вещества-поглотителя (z) вероятность фотоэффекта растет примерно пропорционально 4-й степени атомного номера вещества (z 4 ), а с увеличением энергии гамма-квантов вероятность этого процесса резко уменьшается.
Некогерентное рассеяние — взаимодействие с электронами атомов, при к-ром гамма-квант передает электрону только часть своей энергии и количества движения и после соударения изменяет направление своего движения (рассеивается). В этом случае взаимодействие происходит в основном с внешними (валентными) электронами. С увеличением энергии гамма-квантов вероятность некогерентного рассеяния уменьшается, но более медленно, чем вероятность фотоэффекта. Вероятность процесса возрастает пропорционально увеличению атомного номера вещества-поглотителя, т. е. примерно пропорционально его плотности.
Образование пар — процесс взаимодействия Г.-и. с электрическим полем ядра, в результате к-рого происходит превращение гамма-кванта в пару частиц: электрон и позитрон. Этот процесс наблюдается только при энергии гамма-кванта больше 1,022 Мэв (больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона); с увеличением энергии гамма-кванта вероятность этого процесса возрастает пропорционально квадрату атомного номера вещества-поглотителя (z 2 ).
Наряду с основными процессами взаимодействия Г.-и. с веществом наблюдается когерентное (классическое) рассеяние Г.-и. Это такой процесс взаимодействия с электронами атома, в результате к-рого гамма-квант изменяет только направление своего движения (рассеивается), а его энергия не изменяется. До процесса рассеяния и после него электрон остается связанным с атомом, т. е. его энергетическое состояние не изменяется. Этот процесс существен только для Г.-и. с энергией до 100 кэв. При энергии излучения выше 100 кэв вероятность когерентного рассеяния на 1—2 порядка меньше, чем некогерентного. Гамма-кванты могут взаимодействовать также с ядрами атомов, вызывая различные ядерные реакции (см.), называемые фотоядерными. Вероятность фотоядерных реакций на несколько порядков меньше, чем вероятность других процессов взаимодействия Г.-и. с веществом.
Т. о., при всех основных процессах взаимодействия гамма-квантов с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию (см.). В результате ионизации в сложных хим. веществах происходит изменение их хим. свойств, а в живой ткани эти изменения в конечном итоге приводят к биол, эффектам (см. Ионизирующие излучения, биологическое действие).
Удельный вес каждого из указанных процессов взаимодействия Г.-и. с веществом зависит от энергии гамма-квантов и атомного номера вещества-поглотителя. Так, в воздухе, воде и биол, тканях поглощение за счет фотоэффекта составляет 50% при энергии Г.-и., равной примерно 60 кэв. При энергии 120 кэв доля фотоэффекта составляет всего 10% , а начиная с 200 кэв основным процессом, обусловливающим ослабление Г.-и. в веществе, является некогерентное рассеяние. Для веществ со средним атомным номером (железо, медь) доля фотоэффекта незначительна при энергии больше 0,5 Мэв; для свинца фотоэффект необходимо учитывать до энергии Г.-и. порядка 1,5—2 Мэв. Процесс образования пар начинает играть нек-рую роль для веществ с малым атомным номером примерно с 10 Мэв, а для веществ с большим атомным номером (свинец) — с 2,5—3 Мэв. Ослабление Г.-и. в веществе происходит тем сильнее, чем меньше энергия гамма-квантов и чем больше плотность и атомный номер вещества. При узком направлении пучка Г.-и. уменьшение интенсивности моноэнергетического Г.-и. (состоящего из гамма-квантов с одинаковой энергией) происходит по экспоненциальному закону:
где I — интенсивность излучения в данной точке после прохождения слоя поглотителя толщиной d, Io— интенсивность излучения в этой же точке при отсутствии поглотителя, e — число, основание натуральных логарифмов (е = 2,718), μ (см -1 ) — линейный коэффициент ослабления, характеризующий относительное ослабление интенсивности Г.-и. слоем вещества толщиной в 1 см; линейный коэффициент ослабления представляет собой суммарную величину, складывающуюся из линейных коэффициентов ослабления τ, σ и χ, обусловленных соответственно процессами фотоэффекта, некогерентного рассеяния и образования пар (μ =τ+σ+χ).
Т. о., коэффициент ослабления зависит от свойств поглотителя и от энергии Г.-и. Чем тяжелее вещество и чем меньше энергия Г.-и., тем больше коэффициент ослабления.
Библиография: Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений, с. 48 и др., М.—Л., 1950; Бибергаль А. В., Маргулис У. Я. и Воробьев Е. И. Защита от рентгеновских и гамма-лучей, М., 1960; Гусев Н. Г. и др. Физические основы защиты от излучений, с. 82, М., 1969; Кимель Л. Р. и Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений, с. 74, М., 1972.
Гамма-излучение
- Га́мма-излуче́ние (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.
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. В физике 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.
Что представляет собой гамма излучение
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.