Гамма-излучение

У этого термина существуют и другие значения, см. Гамма.

Га́мма-излуче́ние (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. Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.

Художественная иллюстрация: ядро атома испускает гамма-квант

Гамма-излучение представляет собой поток фотонов, имеющих высокую энергию (гамма-квантов). Условно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 10⁵(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.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. (Изомерный переход); энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях, при взаимодействиях и распадах элементарных частиц (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, (Тормозное 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.

Гамма-излучение было открыто французским физиком (Полем Вилларом) в 1900 году при исследовании излучения радия. Три компонента ионизирующего излучения радия-226 (в смеси с его дочерними радионуклидами) были разделены 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 такая терминология была использована Э. Резерфордом в начале 1903 года. В 1912 году Резерфорд и ^[англ.] доказали электромагнитную природу гамма-излучения.

Физические свойства

Вклад разных эффектов в коэффициент поглощения гамма-излучения разной энергии в алюминии

Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и (β-лучей), не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

• Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая (работу выхода), покидает атом (который становится положительно ионизированным).
• (Комптон-эффект) — гамма-квант рассеивается при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.
• (Эффект образования пар) — гамма-квант в электрическом поле ядра превращается в электрон и позитрон.
• (Ядерный фотоэффект) — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.

Детектирование

Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических (детекторов ионизирующего излучения) (сцинтилляционных, , (полупроводниковых) и т. д.).

Использование

Области применения гамма-излучения:

• Гамма-дефектоскопия — контроль изделий просвечиванием γ-лучами.
• Пищевая промышленность: консервирование пищевых продуктов (гамма-стерилизация для увеличения срока хранения).
• Медицина: (стерилизация) медицинских материалов и оборудования; (лучевая терапия); (радиохирургия).
• (Гамма-каротаж) в геофизике.
• Приборы для измерения расстояний: (уровнемеры), гамма-высотомеры на космических аппаратах.
• (Гамма-астрономия).

Биологические эффекты

Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток при локальном воздействии на них. Гамма-излучение является мутагенным и (тератогенным фактором).

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.).

В таблице ниже указаны параметры ^[англ.] гамма-излучения с энергией 1 МэВ для различных материалов:

Материал защиты	Плотность, г/см³	Слой половинного ослабления, см	Масса 1 см² слоя половинного ослабления, г
Воздух	0,0013	~8500	11,05
Вода	1,00	~10	10
Бетон	1,5-3,5	3,8-6,9	10,35-13,3
Алюминий	2,82	4,3	12,17
Сталь	7,5-8,05	1,27	9,53-10,22
Свинец	11,35	0,8	9,08
Вольфрам	19,3	0,33	6,37
(Обеднённый уран)	19,5	0,28	5,46

Хотя эффективность поглощения и зависит от материала, первоочередное значение имеет просто удельный вес.

Примечания

1. Д. П. Гречухин. Гамма-излучение // (Физическая энциклопедия) : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — .
2. РМГ 78-2005. Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и понятия. от 10 сентября 2016 на Wayback Machine М.: Стандартинформ, 2006.
3. Согласно (практической транскрипции), правильным вариантом передачи фамилии является Вильяр, однако данный вариант не встречается в источниках.
4. The discovery of gamma rays 16 марта 2005 года. (англ.)
5. Gerward L. Paul Villard and his Discovery of Gamma Rays // Physics in Perspective. — 1999. — Vol. 1. — P. 367—383.
6. В РФ планируется программа гамма-стерилизации сельхозпродукции  (рус.). РИА Новости (28 сентября 2010). Дата обращения: 28 сентября 2010. Архивировано 25 августа 2011 года.
7. Half Value Layers (in cm) for Gamma and X-Ray Radiations at Varying Energies for Various Materials (англ.). Snow College. Дата обращения: 4 февраля 2020.
8. Absorption ofγ-rays –Determination of the Half-valueThickness of Absorber Materials  (неопр.). Laboratory Manuals for Students in Biology and Chemistry - Course PHY117. Physik-Institut der Universität Zürich. Дата обращения: 10 февраля 2020. 10 июня 2020 года.
9. Shielding Radiation - Alphas, Betas, Gammas and Neutrons (англ.). USA NRC (7 мая 2011). Дата обращения: 5 февраля 2020. 5 февраля 2020 года.
10. A. Akkaş. Determination of the Tenth and Half Value Layer Thickness of Concretes with Different Densities : [англ.] : [ 24 октября 2018] // Acta Physica Polonica A. — 2016. — Т. 129, вып. Special Issue of the 5th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress & Exhibition APMAS2015, Lykia, Oludeniz, Turkey, April 16-19, 2015, № 4 (April). — С. 770-772. — doi:10.12693/APhysPolA.129.770.
11. Elert, Glenn Density of Steel  (неопр.). Дата обращения: 23 апреля 2009. 2 ноября 2019 года.
12. Half-Value Layer  (неопр.). NDT Resource Center. Дата обращения: 4 февраля 2020. 5 января 2020 года.
13. Tungsten (англ.). Midwest Tungsten Service. Дата обращения: 11 февраля 2020. 9 февраля 2020 года.
14. Brian Littleton. Depleted Uranium Technical Brief (англ.). U.S. Environmental Protection Agency (Dec. 2006). Дата обращения: 11 февраля 2020. 10 июня 2020 года.

Литература

• Гамма-излучение — статья из (Физической энциклопедии)