|
Гамма-излучение
Введение
Гамма-излучение
(γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее
высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн.
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. Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Частота
гамма-излучения (> 3∙1018 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.
Механизм возникновения и
характеристики излучения
Источником
гамма-излучения являются:
торможение
быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение, образующееся при
прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением
в кулоновском поле ядер вещества) или при их движении в сильных магнитных полях
(синхротронное излучение);
процессы
в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров,
радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд;
переходы
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
большими энергиями - десятки-сотни МэВ.
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.
Энергия
γ–кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит
переход.
  Е2
 hν
Е1
Рис.1
Образование гамма-кванта
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. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также
образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы
часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого
возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается
размытым в широком интервале энергий.
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);
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).
Что рождает гамма-излучение в космосе?
Рис.2
Образование вспышки гамма-излучения
Таинственные
вспышки гамма-излучения действительно вызваны последствиями вспышек новых звезд
с образованием черных дыр. Это подтвердили результаты нового исследования.
Исследователи из Австралии, США и Великобритании - включая Пауля Прайса из
Mount Stromlo Observatory в Канберре сообщают о своих результатах 13 сентября в
выпуске журнала Nature.
Вспышки
гамма-излучения самые сильные и мощные во Вселенной. Они были впервые
зарегистрированы в 60-ых годах прошлого века американскими военными, которые
ошибочно их приняли за ядерные взрывы советских атомных бомб. С тех пор ученые
обнаружили, что они исходят из дальнего космоса – в миллиардах световых лет от
нас. Но что было причиной их возникновения оставалось тайной.
Согласно
доктору Паулю Фрэнсису, старшему лектору в Австралийском Национальном
Университете и астрофизику Прайсу из Mount Stromlo Observatory, недавно
появились две конкурирующие гипотезы объяснения причин вспышек гамма-излучения.
Одна из них заключалась в том, что вспышки гамма-излучения возникают из-за
столкновения нейтронных звезд и черных дыр. Другая основывалась на вспышках
гамма-излучения в момент коллапса новых звезд и становления черных дыр.
Однако
теперь Прайс и его коллеги нашли, что близлежащие вспышки гамма-излучения
фактически столь же мощны как и те, которые исходят из дальнего космоса, просто
фиксируются их последствия – вторая стадия. Им удалось впервые
засвидетельствовать по крайней мере одну вспышку гамма-излучения, которая была
связана с новой звездой.
Кроме
гамма-излучения от этих объектов исходит свет и радиоволны. Ученые выяснили,
что вспышки гамма-излучения возникают в двух моментах на определенных стадиях.
Сначала происходит очень короткий и сильный взрыв, который сопровождается
потоками гамма-излучения. Его практически невозможно засечь, поскольку нужно
знать где произойдет вспышка в определенный момент времени. Затем возникает
более энергичная по длительности вспышка на несколько дней, которая
сопровождается 'послесвечением' с излучением оптических и радиоволн. Эти
последствия коллапса новой звезды фактически составляют только 1% полной
энергии от первой вспышки гамма-излучения. Если рассматривать сумму излученной
энергии близлежащих вспышек гамма-излучения, включая потоки радио- и световых
волн, то они эквивалентны энергии потоков гамма-излучения, приходящих из
далекого космоса. То есть, в основном мы регистрируем последствия вспышек новых
звезд, так называемое ‘послесвечение’. Миллиарды лет назад, вспышки новых звезд
случались гораздо чаще и были интенсивными. Именно их мы и регистрируем, как
картину прошлого. Эти вспышки гамма-излучения могут показать нам, как звезды
умирают. "Мы теперь знаем", говорит Прайс, "что в то время, как
последствия вспышек гамма-излучения являются очень разрушительными, в
реальности они составляют только наконечник айсберга по мощи выпущенной
энергии."
Рис.3
Процесс получения гамма-излучения от чёрных дыр
Применение гамма-излучения
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. |
