Гамма излучение для чего применяется
Гамма-излучение
Художественная иллюстрация: ядро атома испускает гамма-квант.
Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 10 5 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.
1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (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 ). 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.
Содержание
Физические свойства
Детектирование
Использование
Области применения гамма-излучения:
Биологические эффекты
Защита
Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).
Как защититься от гаммы излучения человеку — применение
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:
Стоит отметить, что радиационный процесс подразделяется на два вида в зависимости от того, что именно в результате выделяется.
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:
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 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:
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:
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.
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.
Видео: Гамма-излучение
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи), виды, образование, биологическая опасность и защита
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи), виды, образование, биологическая опасность и защита.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — это вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны – менее 2⋅10 −10 м – и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) и его виды:
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.
Гамма-излучение относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.
Гамма-излучение (в узком смысле) – это проникающее электромагнитное излучение, возникающее при спонтанных превращениях («распаде») атомных ядер многих естественных или искусственно созданных радиоактивных элементов (радионуклидов).
В более широком смысле гамма-излучением называется любое электромагнитное излучение с квантовыми энергиями от нескольких сотен килоэлектронвольт и выше, независимо от характера их возникновения.
Название гамма-лучей происходит от деления ионизирующего излучения на альфа-излучение, бета-излучение и гамма- излучение в соответствии с их возрастающей способностью проникать в материю. Альфа- и бета-лучи состоят из заряженных частиц и поэтому взаимодействуют с материей значительно сильнее, чем незаряженные фотоны или кванты гамма-излучения. Соответственно, последние имеют значительно более высокую проникающую способность.
Альфа-излучение (α-лучи) – это поток ядер атомов гелия-4, имеющих положительный заряд. Ядро атома гелия-4 (α-частица) – 4 2He 2+ образовано двумя протонами и двумя нейтронами.
Бета-излучение (β-лучи) являют собой поток электронов – е – (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов – p (соответственно, частиц с положительным зарядом).
– мягкое гамма-излучение (с энергиями фотонов от нескольких сотен килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение средних энергий (с энергиями фотонов от нескольких мегаэлектронвольт до десятков мегаэлектронвольт),
– гамма-излучение высоких энергий (с энергиями фотонов от нескольких десятков мегаэлектронвольт до 10 11 электронвольт),
– гамма-излучение сверхвысоких энергий (с энергиями фотонов свыше 10 11 электронвольт).
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением. При этом четкая граница между гамма-излучением и жестким рентгеновским излучением не определена.
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия. Он поместил радий-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) в магнитное поле. В результате компоненты излучения были разделены на три составляющие 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 такую терминологию использования предложил Э. Резерфорд в начале 1903 года.
Возникновение и образование гамма-излучения:
Гамма-излучение возникает:
– при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер в стабильное (при т.н. изомерном переходе);
– при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.),
– при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.
Гамма излучение также возникает в космическом пространстве.
Биологический эффект и опасность гамма-излучения:
Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором. Оно поражает ДНК клеток человека.
Свойства гамма-излучения:
– гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями;
– гамма-лучи характеризуются большей проникающей способностью (по сравнению с α- и β- лучами) при равных энергиях и прочих равных условиях;
– гамма-излучение при прохождении через вещество вызывает ионизацию атомов вещества;
Фотоэффект или фотоэлектрический эффект – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения (например, гамма-излучения) с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества (энергия фотона поглощается электроном оболочки атома). В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нём своё энергетическое состояние, переходят из связанного состояния в свободное без вылета наружу) фотоэффект. При внутреннем фотоэффекте как следствие поглощения фотона образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.
При взаимодействии гамма-кванта с веществом происходит поглощение энергии гамма-кванта электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится положительно ионизированным).
Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера химического элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Фотоэффект, как правило, преобладает при энергиях гамма-кванта от нескольких сотен килоэлектронвольт и менее.
Комптон-эффект – явление некогерентного рассеяния электромагнитного излучения (например, фотонов, гамма-квантов) на свободных электронах, сопровождающееся уменьшением частоты электромагнитного излучения (увеличением длины волны). Часть энергии фотонов и гамма-квантов после рассеяния передается электронам.
При взаимодействии гамма-кванта с электроном образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
Эффект образования (рождения) пар – явление, при котором возникают пары частица-античастица. Эффект образования (рождения) пар является обратным процессу аннигиляции,
Гамма-квант, взаимодействуя с электромагнитным полем атомного ядра, превращается в электрон и позитрон.
Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта энергии выше 3 МэВ с электромагнитным полем ядра является преобладающим процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом. При более низких энергиях гамма-квантов действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект. А при энергиях гамма-кванта ниже 1,022 МэВ эффект рождения пар вообще отсутствует.
Ядерный фотоэффект – явление испускания ядрами атомов нуклонов (протонов и нейтронов) при ядерных реакциях, происходящих при поглощении гамма-квантов ядрами атомов.
Ядерный фотоэффект действует при энергиях гамма-кванта выше нескольких десятков МэВ.
Применение гамма-излучения:
– в гамме-дефектоскопии: контроль качества изделий просвечиванием γ-лучами;
– в пищевой промышленности при консервировании пищевых продуктов: гамма-стерилизация для увеличения срока хранения;
– в приборах для измерения расстояний: уровнемеры, гамма-высотомеры на космических аппаратах;
Гамма-излучение
мягкое
энергия E — от 100 кэВ = 10 5 эВ
температураТ — от 20 млн К
частота ν (ню) — от 2 ·10 19 Гц
длина волны λ (лямбда) —
жесткое
E — от 10 МэВ = 10 7 эВ
Т — от 2 ·10 10 К
ν — от 2 ·10 21 Гц
λ — до 10 –13 м
сверхвысоких энергий
E — от 100 ГэВ = 10 11 эВ
Т — от 2 ·10 14 К
ν — от 2 ·10 25 Гц
λ — до 10 –17 м
ультравысоких энергий
E — от 100 ТэВ = 10 14 эВ
Т — от 2 ·10 17 К
ν — от 2 ·10 28 Гц
λ — до 10 –20 м
Открыто в 1910 г. Генри Брэггом. Электромагнитная природа доказана в 1914 г. Эрнестом Резерфордом.
Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое — при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.
Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.
При энергии свыше 10 14 эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты — 10 20 –10 21 эВ, приходят из космоса крайне редко — примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.
Источники
Остаток вспышки сверхновой звезды в гамма-лучах сверхвысоких энергий
Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS. Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей — энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. Схема генерации гамма-излучения). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта — нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.
Схема генерации гамма-излучения
Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. Схема телескопа для гамма-излучения сверхвысоких энергий). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд.
Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (рис. художника)
В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.
При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.
Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.
Приемники
Гамма-телескоп сверхвысоких энергий HESS
Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см, которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).
Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц — космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.
Схема телескопа для гамма-излучения сверхвысоких энергий
Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.
Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение, которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.
При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц — широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.
Гамма-обсерватория INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)
Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)
Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.
Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз — по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.
Важная особенность ФЭУ — быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.
Матрица ФЭУ
Отдельный ФЭУ имеет очень небольшую площадь фотокатода и регистрирует только те кванты, которые движутся в его направлении. Чтобы повысить эффективность регистрации, вокруг объема сцинтиллятора размещают большое число ФЭУ, связанных в единую систему. Матрицы ФЭУ также применяют для регистрации частиц широких атмосферных ливней и в нейтринных телескопах.
Обзоры неба
Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ (CGRO)
Обзор в диапазоне жесткого гамма-излучения выполнен космической гамма-обсерваторией «Комптон» (Compton Gamma Ray Observatory, CGRO), которая была запущена по программе NASA «Великие обсерватории» и с 1991 по 2000 год вела наблюдения в диапазоне от 20 кэВ до 30 ГэВ, то есть от жесткого рентгена до жесткого гамма-излучения.
На карте отчетливо видна плоскость Галактики, где излучение формируется в основном остатками сверхновых. Яркие источники вдали от плоскости Галактики имеют в основном внегалактическое происхождение.
Небо в гамма-лучах с энергией 1,8 МэВ (CGRO-COMPTEL)
Этот обзор в диапазоне мягкого гамма-излучения также выполнен обсерваторией «Комптон» (см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ), а точнее установленным на ней телескопом COMPTEL.
Источники также концентрируются к плоскости Галактики. В основном это компактные объекты.