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^[1]. Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков^[2].

Художественная иллюстрация: ядро атома испускает гамма-квант

Гамма-излучение представляет собой поток фотонов (гамма-квантов), имеющих высокую энергию. 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^[3] в 1900 году при исследовании излучения радия^[4][5]. 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^[4]. В 1912 году Резерфорд и Эдвард Андраде^[англ.] доказали электромагнитную природу гамма-излучения^[4].

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).
• Комптоновский 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 больше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.

Детектирование

Зарегистрировать гамма-кванты можно с помощью ряда ядерно-физических детекторов ионизирующего излучения (сцинтилляционных, газонаполненных, 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)^[6].
• 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 местном воздействии на них. Гамма-излучение обладает мутагенным и тератогенным действием.

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 слоя половинного ослабления^[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[7]	~8500[7][8]	11,05
Вода	1,00[7]	~10[7][8][9]	10
Бетон	1,5-3,5[10]	3,8-6,9[10]	10,35-13,3
Алюминий	2,82[7]	4,3[7][8]	12,17
Сталь	7,5-8,05[11]	1,27[12]	9,53-10,22
Свинец	11,35[7]	0,8[7][8][9][12]	9,08
Вольфрам	19,3[13]	0,33[12]	6,37
Обеднённый уран	19,5[14]	0,28[12]	5,46

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