Гамма-излучение

коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны) оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Г.-и. Обладает чрезвычайно малой длиной волны (λ ≤ 10-8см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. Е. Ведёт себя подобно потоку частиц — гамма-квантов, или Фотонов, с энергией hv (v — частота излучения, h — Планка постоянная). Г.-и. Возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество. Г.-и., сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбуждённого энергетического состояния в менее возбуждённое или в основное.

Энергия γ-кванта равна разности энергий ΔE состоянии, между которыми происходит переход (рис. 1). Испускание ядром γ-кванта не влечёт за собой изменения атомного номера (См. Атомный номер) или массового числа (См. Массовое число), в отличие от др. Видов радиоактивных превращений (см. Альфа-распад, Бета-распад). Ширина линий Г.-и. Обычно чрезвычайно мала (Гамма-излучение10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв) во много раз больше ширины линий, спектр Г.-и. Является линейчатым, т. Е. Состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров Г.-и. Позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер (см. Ядерная спектроскопия, Ядро атомное). Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц.

Так, при распаде покоящегося π°-мезона возникает Г.-и. С энергией Гамма-излучение70 Мэв. Г.-и. От распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света с. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии (см. Доплера эффект) и спектр Г.-и. Оказывается размытым в широком интервале энергии (см. Элементарные частицы). Г.-и., образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное Г.-и., так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона.

В ускорителях заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) получают тормозное Г.-и. С максимальной энергией до нескольких десятков Гэв (см. Тормозное излучение). В межзвёздном пространстве Г.-и. Может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое Г.-и. (см. Гамма-астрономия). Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых Лазерами.

Электрон передаёт энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Т. О., можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты Г.-и. Высокой энергии. Г.-и. Обладает большой проникающей способностью, т. Е. Может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии Г.-и. С веществом, — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование 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 5-й степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии Г.-и.

(см. Фотоэффект). Т. О., фотоэффект преобладает в области малых энергий γ-квантов (≤ 100 кэв) на тяжёлых элементах (Pb, U). При комптон-эффекте (См. Комптона эффект) 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 (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение — более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях Г.-и., превышающих энергию связи электронов в атомах.

Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии Гамма-излучение 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях. Если энергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hv. Поэтому при hv Гамма-излучение 10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар (рис. 2). Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником Г.-и. (см. Аннигиляция и рождение пар). Для характеристики ослабления Г.-и. В веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I0 падающего пучка Г.-и.

Ослабляется в е раз. Здесь μ0 — линейный коэффициент поглощения Г.-и. В см-1. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ0 к плотности поглотителя. В этих случаях толщину измеряют в г/см2. Экспоненциальный закон ослабления Г.-и. Справедлив для узкого направленного пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит Г.-и. Из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях (hv > 10 Мэв) процесс прохождения Г.-и. Через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать Г.-и. Благодаря процессам торможения и аннигиляции. Т. О. В веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного Г.-и., электронов и позитронов, т.

Е. 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 Г.-и. Развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и т. Н. Критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться. Эта энергия Екр тем выше, чем легче вещество. Так, для воздуха Екр = 50 Мэв, а для свинца Екр = 5 Мэв. Для измерения энергии Г.-и. В экспериментальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров Г.-и.

Магнитные, сцинтилляционные, полупроводниковые, кристалл-дифракционные, (см Гамма-спектрометр, Сцинтилляционный спектрометр, Полупроводниковый спектрометр). Изучение спектров ядерных Г.-и. Даёт важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного Г.-и., используется для изучения свойств твёрдых тел (см. Мёссбауэра эффект, Ориентированные ядра). Г.-и. Находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях (гамма-дефектоскопия, см. Дефектоскопия). В радиационной химии (См. Радиационная химия) Г.-и. Применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Г.-и. Используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания.

Основными источниками Г.-и. Служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, например 226Ra, 60Co и 137Cs, а также электронные ускорители. Е. М. Лейкин. Действие на организм Г.-и. Подобно действию др. Видов ионизирующих излучений (См. Ионизирующие излучения). Г.-и. Может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния Г.-и. Зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения (например, внешнее или внутреннее). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) Г.-и. (эффективность жёсткого рентгеновского излучения принимается за 1) составляет 0,7—0,9. В производств. Условиях (хроническое воздействие в малых дозах) ОБЭ Г.-и. Принята равной 1. Г.-и. Используется в медицине для лечения опухолей (см.

Лучевая терапия), для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Гамма-установка). Г.-и. Применяют также для получения мутаций (См. Мутации) с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков (См. Антибиотики)) и растений. См. Также Биологическое действие ионизирующих излучений. Лит. Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. С англ., под ред. К. Зигбана, в, 1, М., 1969. Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. С англ., т. 1, М., 1955. Гамма-лучи, М. — Л., 1961. Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. С англ., М., 1961. Рис.1 к ст. Гамма-излучение. Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце от энергии γ-квантов Е..