Гамма излучение


Сдавался в русской школе на Кипре ( оценка 5- )
                                   Реферат
                                   по теме
                              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 (?(10  -8  см)  и  вследствие  этого  ярко  выраженными
корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц  –  гамма
квантов, или фотонов, с энергией h? (? –  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  ? – кванта равна разности энергий  ??
состояний, между которыми происходит переход.
                           Возбужденное состояние
                                                              Е2


                                                                 h?


                               Основное состояние ядра    Е1
Испускание ядром ?-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  ?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  ?-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 ?-кванта одним из  электронов  атома,  причём  энергия  ?-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 ?-квантов ( (100  кэв  )  на
тяжелых элементах ( Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние ?-кванта на одном  из  электронов,
слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при  комптон-эффекте  ?-
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 1см3 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 ?-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 h?. Поэтому при h?  ~10  Мэв  основным  процессом  в
любом веществе  оказывается образование пар.



                            100



                              50



                                0
                                   0,1    0,5    1     2        5        10
50
                                         Энергия ?-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 I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется  в
е раз:
                                  I=I0e-?0x
Здесь ?0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения.  Иногда  вводят
массовый  коэффициент  поглощения,  равный   отношению   ?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 ?-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.