Гамма-излучение

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=h . Фотоны с энергиями Е > 0 кэВ относят к гамма-квантам.

Частота гамма-излучения (> 3•10 18 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 кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход. Е 2 h Е 1 Рис.1 Образование гамма-кванта 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. 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 радиои 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.

Список используемой литературы 1. Абрамов А. И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е изд., перераб. и доп. М., Энергоатомиздат, 1985 2. Альфа-, бетаи гамма-спектроскопия, пер. с англ., под ред. К. Зигбана, в, 1, М., 1969 3. Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 1, М., 1955 4. Трофимова Т. И. Курс физики.

Учебное пособие для вузов. Изд 9-е, перераб. И доп. М:. Издательский центр Академия , 2004. 560 с. 5. В.Ф. Сулейманов.