Гамма излучение обозначение. Обратное комптоновское рассеяние лазерных фотонов на электронах. Гамма излучение — применение

Сдавался в русской школе на Кипре (оценка 5-)

Гамма-излучение.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны (λ10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией h ν (ν – частота излучения, h – Планка постоянная).

Гамма- излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное. Энергия γ – кванта равна разности энергий Δε состояний, между которыми происходит переход.

Возбужденное состояние

Основное состояние ядра Е1

Испускание ядром γ-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10 -2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося π 0 - мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.

В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового, электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Таким образом, можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии γ-квантов (100 кэв) на тяжелых элементах (Pb, U).

При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длинну волны) и направление распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1см 3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.

Если жнергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hν. Поэтому при hν ~10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар.

50

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Энергия γ-лучей (Мэв)

Обратный процесс аннигиляция электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.

Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются коэффициентом поглощения, который показывает, на какой толщине Х поглотителя интенсивность I 0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в е раз:

I=I 0 e - μ 0 x

Здесь μ 0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ 0 к плотности поглотителя.

Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения справедлив для узкого направления пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться.

Для изменения энергии гамма-излучения в эксперементальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые, кристал-дифракционные.

Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного гамма-излучения, используется для изучения свойств твёрдых тел.

Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях – гамма-дефектоскопия. В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители.

Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения, например, внешнее или внутреннее. Относительная биологическая эффективность гамма-излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений.

Современные возможности лучевой теропии расширились в первую очередь за счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии. Успехи дистанционной гамма-теропии достигнуты в результате большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов.

Большое значение дистанционной гамма-теропии объясняется также сравнительной доступностью и удобствами использования гамма-аппаратов. Последние, так же как и рентгеновские, конструируют для статического и подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся создать большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей. Осуществлены конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов, направленные на уменьшение полутени, улучшение гомогенизации полей, использование фильтров жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты.

Использование ядерных излучений в растениеводстве открыло новые, широкие возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений, повышение их урожайности, ускорения развития и улучшения качества.

В результате первых исследований радиобиологов было установлено, что ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на рост, развитие и обмен веществ живых организмов. Под влиянием гамма-облучения у растений, животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая.

Следует особо отметить, что при гамма-облучении в семена не попадают радиоактивные вещества. Облученные семена, как и выращенный из них урожай, нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения только ускоряют нормальные процессы, происходящие в растении, и поэтому совершенно необоснованны какие-либо опасения и предостережения против использования в пищу урожая, полученного из семян, подвергавшихся предпосевному облучению.

Ионизирующие излучения стали использовать для повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения различных насекомых-вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться длительное время без каких-либо потерь. Само зерно как питательный продукт не меняется при таких дозах облучения. Употребление его для корма четырех поколений экспериментальных животных не вызвало каких бы то ни было отклонений в росте, способности к размножению и других патологических отклонений от нормы.

> Гамма-излучение

Рассмотрите мощность, источники и измерение гамма-излучения . Узнайте, что такое гамма-распад, высокая частота электромагнитных лучей, диапазон длины волны.

Гамма-лучи – электромагнитные волны, формирующиеся в радиоактивном распаде с частотами больше 10 19 Гц.

Задача обучения

• Выяснить диапазон гамма-лучей, отметив биологическое влияние.

Основные пункты

• Это наивысшее электромагнитное излучение с энергией больше 100 кэВ, частотой – 10 19 Гц и длиной волн – 10 пикометров.
• Гамма-лучи при радиоактивном распаде определяются этой категорией, не основываясь на энергии, поэтому нет нижнего предела.
• По характеристикам совпадают с рентгеновскими лучами, но отличаются источником происхождения.
• Среди природных источников: радиоизотопы и космические лучи.
• Это ионизирующая разновидность, поэтому несет биологическую опасность.

Термины

• Гамма-лучи – высокочастотное электромагнитное излучение, созданное при радиоактивности.
• Гамма-распад – ядерная реакция с производством гамма-лучей.
• Ионизирующее излучение – может привести к ионизации в веществах.

Гамма-излучение

Гамма-излучение - электромагнитные лучи на высокой частоте и энергии. Обычно показатели превышают 10 эксагерц (10 19 Гц), по энергии – 100кэВ, а длине волны – 10 пикометров (меньше диаметра атома). Гамма-лучи в радиоактивном распаде входят в эту категорию, не зависимо от энергии, поэтому нижнего предела не существует.

Излучение гамма-лучей (γ) из атомного ядра

Речь идет об ионизирующих лучах, поэтому они несут биологическую угрозу. Создаются распадом высокоэнергетических атомных ядер (гамма-распад) и прочими процессами. Гамма-лучи в 1900 году нашел Пол Вильяр, изучавший распад радия. В 1903 году Эрнест Резерфорд дал им наименование «гамма».

Источники гамма-лучей

Среди природных источников гамма-лучей стоит вспомнить радиоизотопы вроде калия-40, а также вторичное излучение атмосферных контактов с космическими лучами. Некоторые земные источники создают гамма-лучи, но не обладают ядерным происхождением. Это удары молнии и зеленые гамма-вспышки.

В астрономических процессах создается много гамма-лучей. Все дело в высокоэнергетических электронах, которые генерируют вторичные гамма-лучи в тормозном излучении, обратном комптоновском рассеивании и синхронном излучении. Большая их часть отбивается земной атмосферой и находится космическими аппаратами. Искусственными источниками служат ядерные реакторы и эксперименты в физике высоких энергий.

Гамма и рентгеновские лучи

Рентгеновское и гамма-излучение похожи по характеристикам, но отличаются источником. На более высоких частотах гамма-лучи сильнее проникают и несут больше разрушений живой ткани. Их также применяют в области медицины для терапии рака.

В последние десятилетия подход к их отличию резко изменился. Ранее использовался критерий длины волны, где показатель ниже 10-11 м автоматически относил волну к гамма. Но искусственным источникам удалось воспроизводить это явление и при глубоком изучении приняли решение отличать их по источнику происхождения. Гамма создаются ядром, а рентгеновские – электронами вне ядра.

Исключения встречаются в астрономии, где гамма-распад способен возникнуть при послесвечении сверхновых и прочих процессов с высокими энергиями, которые не связаны с радиоактивным распадом. Наиболее яркий пример – длительные гамма-всплески, чей механизм генерации не сходится с радиоактивным распадом. Они связаны с крушением звезд – гиперновые.

Это снимок неба в 100 МэВ, сделанный на прибор EGRET космического корабля CGRO. Яркие пятна – пульсары (вращающиеся нейтронные звезды с мощными магнитными полями). Ниже и выше плоскости – квазары (галактики со сверхмассивными черными дырами)

Влияние на здоровье

Любая ионизирующая радиация серьезно вредит на клеточном уровне. Но альфа и бета-частицы практически не проникают, поэтому вред наносится на локализированном уровне (радиационный ожог). А гамма-лучи и нейтроны сильнее проникают, из-за чего происходит диффузное повреждение организма. Наиболее опасные формы гамма-лучей создаются при энергиях 3-10 МэВ.

При создании этого раздела в основном были использованы материалы монографий и обзора .

Изотопные источники гамма-квантов

Обычно в качестве радиоактивных источников гамма-квантов используются бета-активные изотопы. На рис. 1 в качестве примера показаны схемы распада 60 Co и 22 Na. Ядро 60 Co в основном распадается на возбужденное состояние 4 + дочернего ядра 60 Ni посредством разрешенного гамов-теллеровского перехода. Это возбужденное состояние переходит в основное посредством каскада E2-переходов с энергиями гамма-квантов 1173 и 1333 кэВ. Ядро 22 Na испытывает β + -распад. Также, как и в случае 60 Co, распад происходит в основном на возбужденное состояние дочернего ядра. 22 Na является источником γ -квантов с энергией 1275 и 511 кэВ. Последние образуются в результате аннигиляции позитронов.
Кроме бета-активных изотопов в качестве источников гамма-квантов используются также изомеры , например 119m Sn. Период полураспада измерного состояния 119m Sn T 1/2 = 293.1 дня, энергия 23.9 кэВ. Кроме гамма-линии от распада изомерного состояния 119m Sn является источником рентгеновских квантов с энергиями 25.2 и 28.6 кэВ, которые сопровождают процесс внутренней конверсии , конкурирующим с гамма-переходом.
Собственные ширины γ -линий на много порядков меньше энергий γ -квантов, поэтому радиоактивные источники можно считать монохроматическими. Интенсивность радиоактивных источников может быть доведена до 10 14 фотонов в секунду.
В табл. 1 показаны бета-активные изотопы, которые используются в образцовых спектрометрических источниках (ОСГИ), применяемых в качестве рабочих эталонов для поверки и градуировки средств измерений фотонного излучения.

Гамма-кванты из ядерных реакций

Монохроматические γ-кванты более высокой энергии можно получить, используя ядерные реакции, которые приводят к сильному возбуждению конечного ядра. Если ядро сильно возбуждено, то вероятность его распада Г определяется соотношением

Г = Г x + Г γ ,

где Г x - вероятность испускания ядром нуклонов и более сложных частиц, а Г γ - вероятность излучения γ-кванта.
Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона, то Г x = 0 и Г = Г γ . Вероятность излучения γ-кванта Г γ также велика при возбуждениях ядер, вызванных захватом медленных нейтронов. В этом случае Г= Г n + Г γ , где Г n - вероятность обратного испускания нейтрона, причем для многих ядер Г γ > Г n . Испускание γ-квантов при захвате медленных нейтронов называется радиационным захватом или реакцией (n,γ).
При радиационном захвате медленных нейтронов обычно образуются γ-кванты с энергиями от 4 до 11 МэВ (энергии связи нейтронов в различных ядрах). Энергетический спектр γ-квантов такого источника содержит одну или несколько линий.
Создание достаточно интенсивных источников γ-квантов путем радиационного захвата нейтронов предполагает использование мощных ядерных реакторов. Современные ядерные реакторы позволяют получать интенсивности γ-квантов радиационного захвата до 10 8 квант/с.
Неизбежным недостатком γ-источников такого типа является большой нейтронный фон.
Если энергия возбуждения ядра значительно превышает энергию связи нуклона, то, как правило, возбуждение будет сниматься испусканием протонов, нейтронов или более сложных частиц. Однако и здесь возможны особые случаи, когда Г x 0 и Г Г γ .
Рассмотрим в качестве примера состояние 1 + в ядре 8 Ве, имеющее энергию возбуждения 17.64 МэВ. Оно лежит ниже порога испускания нейтрона (18.9 МэВ), а обычный распад ядра 8 Ве, идущий по схеме 8 Ве→ 2α, запрещен, поскольку система двух α-частиц может находиться лишь в состояниях 0 + , 2 + , 4 + и т. д. Поэтому указанное выше состояние в 8 Ве распадается с излучением γ-кванта. Спектр γ-квантов содержит две линии: при переходе в основное состояние 0 + испускаются γ-кванты с энергией 17.64 МэВ (узкая линия), при переходе на первое возбужденное состояние 2 + - γ-кванты с энергией 14.74 МэВ (широкая линия), При этом интенсивность первой линии примерно в два раза превосходит интенсивность второй.
Для возбуждения состояния ядра 8 Ве с энергией 17.64 МэВ используется захват ядром 7 Li протонов с Е р = 440кэВ:

За счет уменьшения толщины литиевой мишени энергетическая ширина γ 0 -линии (17.64 МэВ) может быть доведена примерно до 12 кэВ.
Варьируя энергию протонов Е р, можно плавно менять энергию γ-квантов поскольку эти величины связаны соотношением

E(γ 0) = (17.25+ 7/8Е р) МэВ,
Е(γ 1) = (14.35 + 7/8Е р) МэВ.

Однако возможности изменения энергии сильно ограничены, так как увеличение энергии протонов приводит к быстрому уменьшению интенсивности γ-излучения. Так, уже при Е р = 800-900 кэВ интенсивность γ-квантов уменьшается примерно в 20 раз. Кроме того, начинает доминировать γ-линия с меньшей энергией.
Другой часто используемой реакцией является реакция 19 F(p,αγ) 16 О, в которой генерируются три γ-линии с энергиями 6.14, 6.92 и 7.12 МэВ, возникающие при распаде возбужденных состояний ядра 16 О. Их относительные интенсивности можно менять, варьируя энергии протонов. Так, при Е р = 2.05 МэВ 80% γ-квантов испускается с энергией 7.12 МэВ. Энергетическая ширина γ-линии 130 кэВ.
Реакция радиационного захвата протонов легкими ядрами наиболее удобна для создания γ-источников подобного типа. Одна из причин этого в том, что энергии связи протонов в легких ядрах велики, что позволяет получать монохроматические γ-кванты довольно больших энергий. Так, в реакции 3 Н(р,γ) 4 Не (энергия связи протона в 4 Не - 19.81 МэВ) можно получить γ-кванты с энергией более 20 МэВ. Энергетическая ширина γ-пучка в этой реакции может быть доведена до 40 кэВ. Плавное увеличение энергии протонов приводит и к плавному увеличению энергии γ-квантов. Верхняя граница энергии протонного пучка определяется выходом нейтронов в конкурирующей реакции 3 Н(р,n), начинающейся при Е р = 1.02 МэВ.
Получение удобного для экспериментов пучка монохроматических γ-квантов с энергиями существенно большими 20 МэВ в реакции (p,γ), так же как и в других ядерных реакциях, невозможно. Это связано с тем, что даже легкие ядра, захватывая протоны с Е р >1МэВ, оказываются в области энергий возбуждения, где уровни составного ядра начинают перекрываться. Кроме того, при возрастании энергии возбуждения увеличивается доля, каскадных γ-переходов. Все это приводит к сильному усложнению спектра γ-квантов и неизбежной конкуренции распадов с вылетом нуклонов и других частиц. Недостаток источников этого типа заключается также в сравнительно невысокой интенсивности γ -квантов.
Диапазон плавного изменения энергии γ-квантов у источников рассматриваемого типа сильно ограничен.

Тормозное излучение от электронных ускорителей

Двигаясь с ускорением, быстрые электроны испускают электромагнитное излучение, называемое тормозным. Для получения тормозного γ -излучения достаточно поток электронов направить на любую мишень. В этом случае тормозное излучение возникает за счет ускоренного движения электронов в кулоновском поле ядер и атомарных электронов мишени.
Энергетический спектр γ-квантов тормозного излучения непрерывен и имеет верхнюю границу Т. Если полная энергия электронов до взаимодействия с мишенью равна Е 0 , то

где mc 2 - энергия покоя электрона (0.511 МэВ). Исключая область вблизи верхней границы, энергетический спектр тормозного излучения подчиняется простой зависимости l/E γ , где E γ - энергия испущенного γ-кванта.
Угловое распределение тормозного излучения обладает азимутальной симметрией. Оно определяется лишь величиной угла θ между направлениями движения фотонов и первичных электронов и характеризуется резким максимумом в направлении движения электронного пучка до взаимодействия с мишенью (т. е. при θ = 0°). Наибольшая доля радиации заключена в пределах малого для релятивистских электронов угла θ 0 < mc 2 /E 0 . Отсюда следует, что по мере увеличения энергии электронов тормозное излучение сосредоточивается во все более малом телесном угле.

Поскольку сечение тормозного излучения быстро растет с увеличением атомного номера мишени, то последняя обычно изготовляется из вещества с большим Z (платина, вольфрам и др.). На рис. 2 в качестве примера приведены спектры тормозного излучения при различных Е 0 , рассчитанные для платиновой мишени.

Любой ускоритель электронов может быть использован как источник тормозного излучения. Такие источники обеспечивают наиболее интенсивные потоки высокоэнергичных γ -квантов. При токе электронного пучка в 100 МкА и тормозной мишени толщиной в 0.01 радиационную длину интенсивность фотонов независимо от энергии падающих электронов приблизительно равна 6 . 10 12 / E γ фотонов на МэВ.

Методы монохроматизации гамма-излучения высокой энергии

Аннигиляция на лету быстрых позитронов

Суть метода состоит в использовании процесса аннигиляции на лету позитронов, движущихся с релятивистскими скоростями.
Быстрый позитрон с энергией E pos , двигаясь в веществе, может испытать аннигиляцию, не успев потерять сколько-нибудь значи­тельную часть своей первоначальной энергии. При аннигиляции позитрона могут образовываться два и более фотонов. Наиболее вероятный процесс - двухфотонная аннигиляция. Именно этот процесс и приводит к образованию монохроматических фотонов. Образование большего числа фотонов, например трех, приводит к непрерывному энергетическому распределению. Однако в связи с тем, что сечение трехфотонной аннигиляции мало, ею можно пренебречь (трехфотонная аннигиляция происходит в 370 раз реже, чем двухфотонная).
При двухфотонной аннигиляции, которую и будем рассматривать в дальнейшем, образуется два γ-кванта с энергиями

	(2)
E γ2 = E pos - E γ1 + mc 2 ,	(3)

где θ - угол между направлением испускания первого фотона и направлением движения позитрона.
Наиболее вероятно испускание двух фотонов в противоположных направлениях под углами, близкими к 0 и 180° относительно направления движения позитрона. При этом фотон, испускаемый под углом 0°, т. е. в переднем направлении, уносит практически всю энергию. Действительно, полагая θ = 0 и mc 2 << E pos , из (2 и 3) получаем

Зависимость энергии аннигиляционных γ-квантов от угла θ (см. формулу (2) и рис. 3) приводит к тому, что спектр фотонов в конечном телесном угле не является строго монохроматичным. При увеличении энергии позитрона энергетический разброс уменьшается. Если пренебречь многократным рассеянием позитронов в веществе мишени, где происходит аннигиляция, то угол, в котором энергетический разброс не превышает величины

δ = ΔE γ1 /E γ1 ,

согласно оценкам равен (2E pos) 1/2 . Поэтому, выделяя аннигиляционные фотоны, летящие в пределах достаточно малого телесного угла, можно достичь весьма высокой степени монохроматизации γ-излучения. Быстрые позитроны, необходимые для создания аннигиляционногоизлучения, получают,направляя релятивистские электроны с полной энергией E el на мишень (конвертор) с высоким Z (тяжелые ядра). Тормозное излучение, генерируемое в мишени, образует в этой же мишени электронно-позитронные пары. Позитроны выходят из конвертора в широком телесном угле и имеют полные энергии в интервале от 0 до E el - 2mс 2 . Располагающийся после конвертора магнитный анализатор выделяет позитроны, энергии которых заключены в узком интервале. Эти позитроны либо сразу, либо после дополнительного ускорения направляются на аннигиляционную мишень с малым Z (легкие ядра). Образующиеся в этой мишени аннигиляционные γ-кванты и используются далее для проведения эксперимента.
Поскольку процесс образования аннигиляционных фотонов является двухступенчатым, то выход монохроматического излучения очень мал. Обычно вероятность рождения электроном позитрона в конверторе не превышает 10 -4 - 10 -3 , а выход аннигиляционных фотонов на один позитрон приблизительно равен 10 -4 . Таким образом, выход аннигиляционных фотонов на один электрон составляет величину не более 10 -8 - 10 -7 . Очевидно поэтому, что создание интенсивных потоков аннигиляционного γ-излучения возможно лишь при наличии сильноточных электронных ускорителей.

Рассмотрим в качестве примера монохроматор (рис. 4), работавший в Ливерморе (Калифорнийский университет, США) .

Электроны с энергией 150 кэВ инжектировались в первую секцию линейного ускорителя. В конце секции перед попаданием на конвертор они имели энергию около 10 МэВ. Конвертор, изготовленный из тантала (Z = 73) или вольфрама (Z = 74), имел толщину около 2.5 мм. Позитроны, образующиеся в конверторе, фокусировались магнитной линзой и ускорялись двумя следующими секциями линейного ускорителя примерно до 30 МэВ. Перестройка секций ускорителя с режима ускорения электронов на режим ускорения позитронов и наоборот осуществлялась поворотом фазы высокочастотного электрического напряжения. Полный выход позитронов на один электрон был равен 10 -5 . С учетом того что магнитный анализатор отбирал для дальнейшего ускорения позитроны с разбросом по энергии не более 1%, выход позитронов на один электрон составлял величину около 10 -7 .
Необходимо отметить, что энергия позитронов, вводившихся во вторую секцию линейного ускорителя, была примерно в три раза меньше энергии электронов, попадавших на конвертор. Это было связано с тем, что энергетическое распределение позитронов, выходящих из конвертора, имеет максимум при энергии, соответствующей примерно одной трети энергии электронов. В качестве аннигиляционной мишени использовался образец из LiH толщиной 0.15 мм. Выход аннигиляционных фотонов на один позитрон для такой мишени был равен ~10 -11 .
Как уже упоминалось, конверторы изготовляют из материалов с высоким Z, в связи с тем что выход позитронов зависит от вероятности двух последовательных процессов: образования тормозного γ-излучения и рождения электронно-позитронных пар, причем сечение каждого из этих процессов растет, как Z 2 .
Выбор в качестве материала для аннигиляционной мишени веществ с малым Z объясняется необходимостью максимального подавления относительного вклада тормозного γ-излучения позитронов, которое неизбежно сопровождает аннигиляционное γ-излучение. Поскольку выход аннигиляционных γ-квантов порционален Z, то для легких ядер соотношение между числом аннигиляционных и тормозных γ-квантов будет максимальным.

Таким образом, спектр γ-квантов, возникающих при попадании на аннигиляционную мишень быстрых позитронов, не является строго монохроматическим, так как содержит тормозное излучение. Энергетические спектры γ-квантов, рассчитанные для случая бериллиевой мишени, приведены на рис. 5. При этом полагалось dE γ , равным 1 МэВ, а форма аннигиляционного пика считалась гауссовой и соответствовала энергетическому разрешению 5%. Видно, что с увеличением E pos соотношение между числом аннигиляционных и тормозных γ-квантов ухудшается. Действительно, число аннигиляционных γ-квантов растет, как E pos , а число тормозных γ-квантов в низкокоэнергетичной части спектра растет примерно как E 2 pos .
Неизбежное присутствие тормозного γ -излучения является недостатком описываемого метода монохроматизации, так как приводит к необходимости получения конечного результата в виде разности двух измерений. Вначале измеряют выход Y pos (E pos) реакции с пучком фотонов, генерируемых аннигиляционной мишенью при попадании на нее позитронов энергии E pos , а затем - выход реакции Y el (E el) с пучком фотонов, возникающих в аннигиляционной мишени при попадании на нее такого же числа позитронов или электронов той же энергии. В последнем случае спектр фотонов чисто тормозной и разность Y pos (E pos) - Y el (E el) есть выход исследуемой реакции, отвечающий пику аннигиляционного излучения.
Однако извлечение корректной информации о сечениях реакций на основании экспериментальных данных о выходах представляет из себя нетривиальную задачу и требует хорошего знания параметров аппаратной функции .
Сравнительно невысокая интенсивность аннигиляционных пучков ограничивает их эффективное использование одним типом экспериментов - измерением эффективных сечений фотонейтронных реакций. Недостаточно высокая интенсивность аннигиляционного излучения в таких экспериментах может быть компенсирована большим (до нескольких сот граммов) весом исследуемой мишени.

Меченые фотоны

В этом методе исследуемой мишени облучается пучком тормозного излучения, и для каждого случая фотоядерной реакции определяется энергия фотона, который эту реакцию вызвал. Осуществляется это следующим образом (см. рис. 6). Пучок электронов выводится из ускорителя и направляется на тормозную мишень, расположенную вне ускорительной камеры. Электрон с энергией E 0 , взаимодействуя с тормозной мишенью, испускает фотон с энергией E γ и выходит из нее с меньшей энергией Е. Фотон попадает далее на исследуемую мишень и вызывает фотоядерную реакцию. Поскольку E 0 , Е и E γ однозначно связаны соотношением

E γ = E 0 - Е,

то, измерив энергию Е рассеянного электрона и зарегистрировав его на совпадение с продуктами фотоядерной реакции, можно найти энергию E γ фотона, который эту реакцию вызвал (E 0 известна, так как определяется режимом работы ускорителя). Энергию рассеянного электрона Е обычно определяют с помощью магнитного спектрометра.
Энергию E γ можно варьировать, меняя энергии E 0 и Е.
Энергетическое разрешение метода меченых фотонов определяется главным образом разрешением магнитного спектрометра и в принципе может быть выше энергетического разрешения метода аннигиляции на лету быстрых позитронов. Метод меченых фотонов был впервые реализован на синхротроне Корнельского университета (США). Монохроматор, использующий метод меченых фотонов, был создан также в 1961 г. в Иллинойском университете (США) . Его энергетическое разрешение равно 0.67% для фотонов с энергией 11-19 МэВ. Максимальная интенсивность пучка фотонов составила величину 5 . 10 5 фотонов в секунду. Вторичные электроны детектировались шестью пластиковыми сцинтилляторами, расположенными в фокальной плоскости магнитного спектрометра. Одновременно фиксировалась энергия электронов Е и время их регистрации. Энергия нейтронов из реакций (γ,xn) определялась методом времени пролета .
К недостаткам метода меченых фотонов следует отнести необходимость непосредственной регистрации продуктов ядерной реакции, что не позволяет использовать ряд методов регистрации, например, метод наведенной активности. Один из наиболее перспективных путей повышения интенсивности пучка меченых фотонов - использование линейных ускорителей со стопроцентным рабочим циклом. Однако, даже на таких ускорителях удается использовать лишь часть интенсивности электронных пучков (см. табл. 2). Основное ограничение на интенсивность накладывает быстродействие системы регистрации. (Характерное разрешающее время в системах меченных фотонов составляет ~1 нс.)

Здесь E e - энергия электронов, J e - ток электронов, k - коэффициент заполнения пучка, E γ - энергия гамма-квантов, - эффективность системы мечения, J - используемый ток электронов при работе в режиме мечения фотонов, I - поток меченных фотонов в диапазоне ΔE γ /E γ 1%.

Комптон-эффект на покоящемся электроне

Для создания источника монохроматических фотонов регулируемой энергии можно использовать комптон-эффект на покоящемся и движущемся электроне (так называемый прямой и обратный комптон-эффект). В первом случае пучок монохроматических -квантов, образующихся в какой-либо ядерной реакции, испытывает рассеяние на электронах неподвижной мишени. Во втором - фотонный пучок мощного лазера пучок рассеивается на встречном пучке высокоэнергичных монохроматических электронов.
Использование прямого комптон-эффекта позволяет устранить один из наиболее существенных недостатков пучков γ -квантов, образующихся в ядерных реакциях - невозможность плавной регулировки энергии фотонов. Действительно, энергия E γ0 падающего фотона связана с энергией E γ фотона после комптоновского рассеяния следующим соотношением:

Если рассеиватель занимает участок сферической поверхности, на которой расположены источник монохроматических фотонов фиксированной энергии и исследуемая мишень, то энергия всех фотонов, попадающих на исследуемую мишень, будет одной и той же (рис. 7). Эту энергию можно менять, перемещая либо мишень, либо γ -источник вдоль поверхности сферы.

В первых экспериментах с монохроматором такого типа использовались γ -кванты радиационного захвата тепловых нейтронов пластинкой кадмия (рассеиватель - графит). Интенсивность рассеянных -квантов была такой, что на расстоянии 10 м от источника на площадку в 1 см 2 падал 1 фотон в секунду в интервале энергий 1 эВ. Энергия γ -квантов могла плавно меняться в интервале от 0.1 до 8.0 МэВ.
В другой установке этого типа использовались γ -кванты радиационного захвата нейтронов в Ti и Ni. Рассеиватель изготовлялся из алюминия. Энергия рассеянных γ-квантов менялась от 0.5 до 8.5 МэВ. Энергетическое разрешение было равно 1-3%, а интенсивность фотонов 1 квант/эВ. с. см 2 .
Недостаток этого метода в том, что энергия рассеянных фотонов ограничена сверху и без того не слишком высокой энергией γ-квантов радиационного захвата. Наиболее целесообразно использование γ-квантов радиационного захвата медленных нейтронов, интенсивность которых может быть очень высокой).

Обратное комптоновское рассеяние лазерных фотонов на электронах

Монохроматические γ -кванты более высокой энергии можно получить, используя обратный комптон-эффект .
Комптон-эффект на движущемся электроне обладает важной особенностью - в процессе рассеяния возникают фотоны значительно более жесткие, чем рассеиваемые. Так при рассеянии световых фотонов на релятивистских электронах рассеянные фотоны имеют энергию, сравнимую с энергией первичных электронов. Действительно, обобщая выражение (6) для случая, когда электроны движутся со скоростью v, можно получить

(7)

где Е 0 - полная энергия электрона до взаимодействия, а смысл углов θ и φ поясняется рис. 8.
Таким образом, при фиксированных значениях Е 0 и E γ 0 энергия рассеянного фотона полностью определяется геометрией эксперимента (углами и ).
Поскольку мы рассматриваем случай рассеяния фотонов не слишком высокой энергии на ультрарелятивистских электронах, то Е 0 >> Е γ0 и третьим слагаемым в знаменателе выражения (7) можно пренебречь. В этом приближении

Из соотношения видно, что даже в случае использования источника фотонов малой энергии энергия рассеянных фотонов может быть сколь угодно большой за счет повышения энергии электронов. Это открывает возможность получения интенсивного пучка монохроматических γ-квантов высокой энергии за счет использования мощных лазеров. Действительно, при рассеянии фотонов рубинового лазера (Е γ0 = 1.78 эВ) на электроне с энергией 6 ГэВ E γ max = 848 МэВ.
Энергию рассеянных фотонов можно варьировать либо изменением энергий Е 0 и Е γ0 , либо изменением угла наблюдения - φ. С увеличением Е 0 и Е γmax растет очень быстро. При Е γ0 = 1.78 эВ:

Энергетическое разрешение пучка рассеянных фотонов зависит от степени их коллимации, т. е. разброса в угле θ - φ. Рассмотрим случай, когда фотон после рассеяния назад летит под малым углом относительно направления движения первичного пучка электронов (θ = 180° и θ - φ0°). Из соотношения (8) с учетом того, что vc, получаем

(максимальная энергия рассеянного фотона дается формулой (9)). Отсюда следует, что для оценки энергетического разрешения пучка рассеянных назад фотонов можно использовать выражение

(12)

Полагая = 10 -5 рад, Е γ0 = 1.78 эВ и Е 0 = 8 ГэВ, получаем Е γmax = 1.44 ГэВ и энергетическое разрешение около 2%. С ростом Е 0 энергетическое разрешение при том же угле коллимации ухудшается. Так, при Е 0 = 16 ГэВ (Е γmax = 4.7 ГэВ) оно равно 6.5%.
Интенсивность пучка монохроматических фотонов, получаемых с помощью обратного комптон-эффекта, определяется как интенсивностью лазерного излучения, так и интенсивностью электронного пучка. Число фотонов, излучаемое мощными лазерами, достигает 10 20 в импульсе при длительности импульса 10 -8 с. Рассеяние такого числа фотонов на электронном сгустке такой же длительности с числом электронов 10 11 позволит получить интенсивность монохроматических фотонов до 10 7 фотон/с при энергетическом разрешении около 5%.
Для получения комптоновских пучков целесообразно использовать электронные накопители с током в несколько сотен миллиампер.
Метод обратного рассеяния был предложен в 1963 г. Первая установка, на которой начались ядернофизические исследования была создана во Фраскати (Ladone). С 1994 г. в Новосибирске ведутся исследования на установках РОКК (Р ассеянные О братные К омптоновские К ванты). В настоящее время на комптоновсих пучках ведутся работы также в Брукхейвене на установке LEGS (L aser E lectron G amma S ource), в Гренобле - GRAAL (GR enoble A ccelerateur A nneau L aser), в Японии - LEPS (L aser E lectron P hoton S ource). В табл. 4 приведены основные параметры установок с пучками обратных комптоновских фотонов.

Видно, что в этих установках перекрывается широкий диапазон энергий. Интенсивность пучка не превышает 10 7 с -1 . Ограничение по интенсивности связано с выбиванием лазерным пучком электронов с орбиты накопителя. Повышения интенсивности можно достичь, используя длинноволновые лазеры, когда потери энергии электронов на излучение гамма-квантов сравнительно невелики и электроны не теряются в накопителе, а возвращаются на равновесную орбиту.
Для получения высокой монохроматичности пучка небольших энергий (Е γ < 100 МэВ) используется коллимация пучка. Однако с увеличением энергии требуемый диаметр коллиматора становится слишком малы, поэтому дополнительно применяется система меченных фотонов.
Для примера на рис. 9 показана схема установки РОКК-2.

Преимущества метода обратного комптоновского рассеяния заключаются в том, что

• при довольно высокой интенсивности удается получить хорошую монохроматичность;
• фон тормозных низкоэнергетических фотонов, который в данном случае возникает только на остаточном газе вакуумной системы накопителя очень мал;
• можно плавно менять верхнюю границу комптоновского спектра, изменяя начальную энергию электронов;
• интенсивность пучка гамма-квантов слабо зависит от энергии электронов;
• можно получать гамма-кванты с линейной или циркулярной поляризацией, степень которой близка к 100%, поляризацией пучка легко управлять, изменяя поляризацию лазерных фотонов.

Квазимонохроматическое излучение фотонов из ориентированных монокристаллов

Спектр когерентного излучения из ориентированного кристалла, облучаемого электронами, кроме тормозной компоненты, один из которых (при меньшей энергии) имеет максимальную интенсивность. Метод был реализован во Фраскатти и Харькове. Обычно используются тонкие (~0.5-2 мм) монокристаллы алмаза. Настройка по энергии осуществляется вращением кристалла относительно направления падающего пучка. Во Фраскати при энергии электронов 1 ГэВ диапазон энергий гамма-квантов составлял 100-550 МэВ. Как во Фраскати, так и в Харькове были получены интенсивности ~10 10 c -1 при степени монохроматичности 10%.

Литература

1. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными ядрами. Изд. МГУ, 1979.
2. В книге В.Г. Недорезов, А.Н. Мушкаренков. Электромагнитные взаимодействия ядер главы и .
3. В.Г. Недорезов, Ю.Н. Ранюк. Фотоделение ядер за гигантским резонансом. Киев, Наукова думка (1989).

О вреде рентгенологического исследования знают многие. Есть и такие, кто слышал об опасности, которую представляют лучи из гамма-категории. Но далеко не все в курсе, что такое и какую конкретно опасность оно таит.

Среди многочисленных видов электромагнитного излучения существуют гамма-лучи. О них обыватели знают гораздо меньше, чем о рентгеновском излучении. Но это не делает их менее опасными. Главной особенностью этого излучения считается небольшая длина волны.

По своей природе они похоже на свет. Скорость их распространения в пространстве идентичная световой, и составляет 300 000 км/сек. Но из-за своих особенностей такое излучение несет сильное токсическое и травмирующее воздействие на все живое.

Главные опасности гамма-излучения

Основными источниками гамма-облучения числятся космические лучи. Также на их образование влияет распад атомных ядер различных элементов с радиоактивной составляющей и несколько других процессов. Вне зависимости от того, каким конкретно способом излучение попало на человека, оно всегда несет идентичные последствия. Это сильное ионизирующее воздействие.

Физики отмечают, что самые короткие волны электромагнитного спектра имеют самую большую энергетическую насыщенность квантов. Из-за этого гамма-фон получил славу потока с большим энергетическим запасом.

Его влияние на все живое заключается в следующих аспектах:

• Отравление и повреждение живых клеток. Вызвано это тем, что проникающая способность гамма-излучения отличается особенно высоким уровнем.
• Круговорот ионизации. По пути движения луча разрушенные из-за него молекулы начинают активно ионизировать следующую порцию молекул. И так до бесконечности.
• Трансформация клеток. Разрушенные подобным образом клетки вызывают сильные изменения в различных ее структурах. Получившийся результат негативно сказывается на организме, превращая здоровые компоненты в яды.
• Рождение мутированных клеток, которые не способны исполнять возложенные на них функциональные обязанности.

Но главной опасностью такого типа излучения считается отсутствие у человека особого механизма, направленного на своевременное обнаружение таких волн. Из-за этого человек может получить смертельную дозу облучения и даже сразу не понять этого.

Все органы человека по-разному реагируют на гамма-частицы. Некоторые системы справляются лучше других за счет сниженной индивидуальной чувствительности к столь опасным волнам.

Хуже всего такое воздействие сказывается на кроветворной системе. Объясняется это тем, что именно тут присутствуют одни из наиболее быстро делящихся клеток в организме. Также от такого облучения сильно страдают:

• пищеварительный тракт;
• лимфатические железы;
• половые органы;
• волосяные фолликулы;
• структура ДНК.

Проникнув в структуру цепочки ДНК, лучи запускают процесс многочисленных мутаций, сбивая природный механизм наследственности. Далеко не всегда врачи могут сразу определить, в чем причина резкого ухудшения самочувствия больного. Происходит это за счет длительного латентного периода и способности облучения накапливать вредоносное действие в клетках.

Области применения гамма-излучения

Разобравшись с тем, что такое гамма-излучение, людей начинает интересовать сфера использования опасных лучей.

Согласно последним исследованиям, при неконтролируемом стихийном воздействии излучения из гамма-спектра последствия дают о себе знать нескоро. В особо запущенных ситуациях облучение может «отыграться» на следующем поколении, не имея видимых последствий для родителей.

Несмотря на доказанную опасность таких лучей, ученые все равно продолжают использовать это излучение в промышленных масштабах. Зачастую его применение встречается в таких отраслях:

• стерилизация продуктов;
• обработка медицинского инструментария и техники;
• контроль над внутренним состоянием ряда изделий;
• геологические работы, где требуется определить глубину скважины;
• космические исследования, где нужно произвести замер расстояния;
• культивирование растений.

В последнем случае мутации сельскохозяйственных культур позволяют использовать их для выращивания на территории стран, изначально к этому не приспособленных.

Применяются гамма-лучи в медицине при лечении различных онкологических заболеваний. Метод получил название лучевой терапии. Он направлен на то, чтобы максимально сильно воздействовать на клетки, которые делятся особо быстро. Но помимо утилизации таких вредных для организма клеток происходит убийство сопутствующих здоровых клеток. Из-за такого побочного эффекта врачи многие годы пытаются отыскать более результативные лекарства для борьбы с раком.

Но существуют такие формы онкологии и сарком, от которых избавиться любым другим известным науке методом не получится. Тогда и назначается лучевая терапия, чтобы в сжатые сроки подавить жизнедеятельность патогенных опухолевых клеток.

Другие сферы использования излучения

Сегодня энергия гамма-излучения изучена достаточно хорошо, чтобы понимать все сопутствующие риски. Но еще лет сто назад люди относились к такому облучению более пренебрежительно. Их познания в свойствах радиоактивности были ничтожно малы. Из-за такого незнания многие люди страдали от непонятных для докторов прошлой эпохи болезней.

Встретить радиоактивные элементы можно было в:

• глазури для керамики;
• ювелирных украшениях;
• старинных сувенирах.

Некоторые «приветы из прошлого» могут нести в себе опасность даже сегодня. Особенно это касается частей устаревшего медицинского или военного оборудования. Их находят на территории заброшенных воинских частей, госпиталей.

Также огромную опасность представляет радиоактивный металлолом. Он может нести угрозу сам по себе, а может быть найден на территории с повышенной радиацией. Чтобы избежать скрытого воздействия от предметов металлолома, найденного на свалке, каждый объект нужно проверять со специальным оборудованием. Он может выявить его настоящий радиационный фон.

В «чистом виде» наибольшую опасность гамма-излучение представляет из таких источников:

• процессы в космическом пространстве;
• опыты с распадом частиц;
• переход ядра элемента с высоким содержанием энергии в состоянии покоя;
• движении заряженных частиц в магнитном поле;
• торможении заряженных частиц.

Первооткрывателем в области изучения гамма-частиц стал Поль Виллар. Этот французский специалист в сфере физических изысканий заговорил о свойствах излучения гамма-лучей еще в 1900 году. Натолкнул его на это эксперимент по изучению особенностей радия.

Как защититься от вредоносного излучения?

Чтобы защита зарекомендовала себя в качестве действительно эффективного блокиратора, нужно подходить к ее созданию комплексно. Причина тому – естественные излучения электромагнитного спектра, которые окружают человека постоянно.

В обычном состоянии источники подобных лучей считаются относительно безвредными, так как их доза минимальна. Но помимо затишья в окружающей среде существуют и периодические всплески облучения. Жителей Земли от космических выбросов защищает удаленность нашей планеты от других. Но спрятаться от многочисленных атомных электростанций у людей не получится, ведь они распространены повсеместно.

Оборудование таких учреждений несет особую опасность. Ядерные реакторы, а также различные технологические контуры представляют угрозу для среднестатистического гражданина. Ярким тому примером выступает трагедия на Чернобыльской АЭС, последствия которой всплывают до сих пор.

Чтобы свести к минимуму влияние гамма-излучения на организм человека на особо опасных предприятиях, была введена собственная система безопасности. Она включает в себя несколько основных пунктов:

• Ограничение по времени нахождения вблизи опасного объекта. Во время операции по ликвидации последствий на ЧАЭС каждому ликвидатору предоставлялось всего несколько минут для проведения одного из многочисленных этапов общего плана по устранению последствий.
• Ограничение по расстоянию. Если позволяет ситуация, то все процедуры должны производиться в автоматическом режиме максимально удаленно от опасного объекта.
• Наличие защиты. Это не только специальная форма для работника особо опасного производства, но и дополнительные защитные барьеры из разных материалов.

В качестве блокиратора для таких барьеров выступают материалы с повышенной плотностью и высоким атомным номером. Среди наиболее распространенных принято называть:

• свинец,
• свинцовое стекло,
• стальной сплав,
• бетон.

• свинцовой пластины толщиной в 1 см;
• бетонной прослойки 5 см по глубине;
• водной толщи глубиной 10 см.

Все вместе это позволяет снизить излучение в два раза. Но полностью от него избавиться все равно не получится. Также свинец невозможно использовать в среде повышенных температур. Если в помещении постоянно держится режим высокой температуры, то легкоплавкий свинец делу не поможет. Его необходимо заменить дорогостоящими аналогами:

• вольфрамом,
• танталом.

Все сотрудники предприятий, где поддерживается высокая гамма-радиация, обязаны носить регулярно обновляющуюся спецодежду. Она содержит в себе не только свинцовый наполнитель, но и резиновое основание. При необходимости костюм дополняют противорадиационные экраны.

Если же радиация накрыла большой участок территории, то лучше сразу спрятаться в специальное укрытие. Если его поблизости не оказалось, можно воспользоваться подвалом. Чем толще стена такого подвала, тем ниже вероятность получить высокую дозу радиации.

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).