Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Гама радиацията е електромагнитно излъчване с къса дължина на вълната с дължина на вълната под 1 nm, което съответства на фотонна енергия от около 1 keV.

Просто обяснение

Едно от най-интересните явления, наблюдавани във Вселената, са изблиците на гама лъчи. Това са кратки импулси на гама лъчи, които се появяват средно веднъж на ден някъде в небето. Източниците на гама-лъчи се намират на милиарди светлинни години от Земята и са най-мощните експлозии във Вселената. Те обикновено отделят повече енергия само за няколко секунди, отколкото нашето Слънце през целия си живот.Смята се, че изблиците на гама лъчи са резултат от експлозии на много масивни звезди - свръхнови - които колапсират в черна дупка.

Ориз. 1. Така представлява експлозия на свръхнова. Източник: [ESA/Hubble/CCBY]

Материалът по-долу ще ви помогне да разберете по-добре какво е гама лъчение, какви са неговите свойства, как възниква и как взаимодейства с материята.

Разглеждайки визуализацията на спектъра на електромагнитното лъчение, можете да видите, че всеки тип лъчение е свързан с някое широко използвано устройство, което използва този тип лъчение. Такива визуализации „работят за въображението“, в известен смисъл ни „запознават“ с определен вид електромагнитно излъчване.

Изключение прави гама радиацията (γ), която най-често се визуализира с детелина, която е символ на радиоактивност. Гама-лъчението наистина се използва широко, например в медицинската диагностика, но използваните устройства са много по-рядко срещани и по-малко известни от, да речем, рентгенов апарат.

Дефиниция:

Гама радиацията е електромагнитно излъчване с къса дължина на вълната с дължина на вълната под 1 nm, което съответства на фотонна енергия от около 1 keV.

Свойства

Гама радиацията е електромагнитна вълна с много висока енергия, т.е. много къса дължина на вълната (фиг. 2.). Традиционно се приема, че горната граница на дължината на гама-вълната е 0,1 nm, което съответства на минималната квантова енергия на гама-лъчите от около 0,1 MeV. Трябва да се отбележи, че няма строга граница между гама лъчение и рентгенови лъчи, които имат по-голяма дължина на вълната и по-ниска енергия от гама лъчение. Обхватите на двата типа електромагнитни вълни частично се припокриват.

Ориз. 2. Електромагнитен спектър

Гама лъчението, подобно на другите видове електромагнитно лъчение, се разпространява във вакуум със скоростта на светлината, т.е. 3108 m/c

В случая на гама лъчение, квантовата природа на лъчението става най-очевидна. При всички наблюдавани явления гама фотоните се държат като частици с импулс. Въпреки че гама лъчението е електромагнитна вълна, наблюдаването на вълнови явления като дифракция е много трудно.

Енергията на гама фотоните, E, се изразява с формулата: E=hf=hc / λ

където h=6.610-34Js - константа на Планк, f - честота на вълната, λ - дължина на вълната, c=3108m/s - скорост на светлината.

Източници

Източниците на гама лъчение също са около нас. За щастие те обикновено не излъчват такава енергия, която да ни навреди. В природата основните му източници са разпадането на естествени радиоактивни изотопи и космическата радиация.

Източникът на гама лъчение обикновено са атомни ядра. Квант гама-лъчи се излъчва от атомно ядро в резултат на радиоактивен разпад. Чрез излъчване на гама квант, ядрото се освобождава от излишната енергия и преминава от възбудено състояние в основно състояние.

Взаимодействие с материята

Гама лъчението се нарича йонизиращо лъчение. Това означава, че взаимодействайки с материята, той е способен да йонизира атоми и молекули. Различаваме три основни процеса на взаимодействие на гама лъчение с материята:

    Присъщ фотоелектричен ефект, при който фотон, падащ върху вещество, предава цялата си енергия на електрон върху атомни черупки, като го откъсва от атомите или го премества на по-високо енергийно ниво.
  1. Разсейване на Комптън (ефект на Комптън), при което фотон на гама лъчи предава част от енергията си на електрон (фиг. 3). Движението на електрон и фотон след разсейване се подчинява на принципа за запазване на енергията и импулса. В един акт на взаимодействие обикновено се получава малка промяна в енергията на кванта на гама-лъчите. Промяната в енергията на фотона зависи от ъгъла на разсейване ( θ ), т.е. ъгълът между вектора на скоростта на фотона след разсейване и преди разсейване. Максималният трансфер на енергия възниква в резултат на обратното разсейване, тоест когато фотонът след разсейване се движи в посока, обратна на първоначалната (θ=180°).

Ефектът на Комптън е нееластичното разсейване на фотон от заредена частица, обикновено електрон, кръстен на откривателя Артър Холи Комптън. Ако разсейването води до намаляване на енергията, тъй като част от енергията на фотона се прехвърля към отразения електрон, което съответства на увеличаване на дължината на вълната на фотона (който може да бъде рентгенов или гама фотон), тогава този процес е наречен ефект на Комптън

УикипедияОриз. 3. Комптънова диаграма на разсейване

3. Създаване на двойки електрон-позитрон, което се състои в промяна на високоенергиен фотон в двойка частица-античастица. За да се осъществи процесът, енергията на кванта на гама-лъчите трябва да бъде по-голяма от сумата на масите на покой на частиците, умножена по c2Масата на електрона, дефинирана в единици MeV / c2е 0,51. По този начин ограничаващата фотонна енергия е около 1,02 MeV.

Вероятността за възникване на този или онзи процес зависи от енергията на фотоните на гама лъчение и от материала, в който се осъществява взаимодействието.Фигура 4 показва диаграма на условията, при които доминират определени, споменати процеси. Оста x е енергията на фотона, оста y е атомният номер (числото на заряда) на материала. В случай на материали със среден и висок атомен номер, фотоелектричният ефект доминира при ниски фотонни енергии (под около 1 MeV), ефектът на Комптън доминира при средни фотонни енергии (около 1-5 MeV). Високоенергийните гама-кванти (над 5 MeV) са обект главно на създаването на двойки електрон-позитрон.

Ориз. 4. Диаграма на условията, при които доминират три основни процеса на взаимодействие на електромагнитното излъчване с материята

Гама радиацията се характеризира с много висока проникваща способност. Ефективното поглъщане на фотонния лъч изисква използването на дебели екрани, обикновено направени от олово или друг материал с висока плътност и атомен номер.

При всички тези явления се появяват високоенергийни електрони, които допълнително йонизират материята.Появата на едно от тези явления е случайна. Един гама-лъчев фотон може да премине дълъг път в материята и да не бъде погълнат. Ако лъч гама лъчи премине през материя, някои от фотоните ще бъдат произволно отстранени от лъча в резултат на един от горните процеси, докато други ще се движат безпрепятствено дори през дебел слой материя.

Поглъщането на гама фотони в материята може да се сравни с шофирането на луди шофьори, които се движат с постоянна висока скорост и не спират на светофара. Някои от тях бързо излизат от движение поради инциденти, но някои късметлии могат да изминат стотици километри.

Защита и вреда от гама лъчение

Гама лъчението е лъчение с дълга дължина на вълната - диапазонът на гама лъчение в дадено вещество е теоретично безкраен, но на практика достатъчна защита се осигурява от оловни плочи или много метри бетон.

Дългообхватното гама-лъчение може да бъде проблем за нас, защото това лъчение е вредно за живите организми.Той е много проникващ, лесно преминава през тялото, а йонизацията причинява увреждане на клетките на различни органи. Ако дозата на абсорбираната радиация надвиши определена стойност, наречена прагова доза, може да възникне лъчева болест.

Йонизацията причинява увреждане на клетките на живите организми. Следователно гама-лъчението с достатъчно висок интензитет е фатално за организмите. Освен това гама-лъчението е много проникващо и лесно преминава през плътния въздух и повечето обекти около нас. Трябва да се внимава при контакт с източници на гама лъчение и да се носи защитно оборудване, обикновено под формата на оловни пластини. Гама лъчите се абсорбират най-добре от материали, съдържащи елементи с голям брой маси като олово.

Въпреки това, гама-лъчението не е екзотично явление, което не срещаме в ежедневието. Гама-лъчението, идващо от радиоактивни изотопи, от които има много малко във всеки обект, както и в нашето тяло, постоянно присъства в околната среда.Гама-лъчението също достига земната повърхност от космоса и е компонент на това, което е известно като космическо лъчение. Радиацията около нас, известна като фонова радиация, не е вредна за нас. Само високите дози, на които могат да бъдат изложени работниците в атомните електроцентрали например, са проблем и изискват специална защита.

Гама радиация се произвежда вътре в звездите при реакциите на синтез на леки ядра в по-тежки. В този случай се освобождава огромна енергия, която се излъчва по-специално под формата на гама лъчение. Най-големите изпускания на гама лъчи се случват по време на големи космически катастрофи, като сблъсъци между неутронни звезди или черни дупки или колапс на масивна звезда в черна дупка при експлозия на свръхнова. Така наречените гама-изригвания, които достигат до Земята, са резултат от такива събития.

Приложение

Нуклеарната медицина, клонът на медицината, който използва радиоактивни изотопи за терапия и диагностика, се развива бързо през последните години.Вижте снимката на оборудването (Фигура 5) за лъчетерапия в клиника в Хайделберг (Германия). Оборудването на стойност 119 милиона евро заема огромна зала, всичко за пациента, който виждаме в долния десен ъгъл, лежащ в огромния апарат. Нуклеарната медицина е обширна и интересна област. Тук ще обсъдим някои приложения на гама лъчение в медицината и други области на живота.

Ориз. 5. Университетска болница Хайделберг

Можем също да използваме опасните свойства на гама лъчението за наши собствени цели. Тази радиация може да се използва за стерилизиране на медицинско оборудване, както и хранителни продукти.

Стерилизация.

Стерилизацията е унищожаването на бактерии, плесени, гъбички, паразити и патогени с помощта на йонизиращо лъчение. По време на процедурата се използва гама лъчение, излъчвано от радиоактивен изотоп на кобалта или високоенергийни електрони, получени в ускорители.Видовете източници на радиация и правилата за експлоатация на радиационно оборудване се регулират от международни стандарти. Те гарантират, че облъчените храни не произвеждат вещества, вредни за здравето. Хранителните продукти запазват свежестта си по-дълго, тъй като облъчването убива микроорганизмите, които причиняват разграждането на храната.

Радиоизотопни броячи.

Едно от най-разпространените приложения на гама лъчението са радиоизотопните броячи. Тези измервателни уреди се използват за точно измерване на дебелината на материала, когато това измерване не може да се направи по стандартния метод. Те включват измерватели на абсорбция, чийто принцип се основава на феномена на абсорбция на гама лъчение.

Колкото по-дебел е материалът, толкова повече падащият лъч се абсорбира. От едната страна на измервания обект е източник на радиация, например Top Index60Co, поставен в екран, а от другата страна е детектор на гама лъчи, който измерва колко радиация има преминали през материала.Познаването на зависимостта на поглъщането на гама лъчение от дебелината на материала ви позволява да определите измерената дебелина.

Диапазонът на измерване на дебелината е много широк и варира от части от милиметъра до няколко сантиметра. Радиоизотопните измервателни уреди не влизат в контакт с измервания материал по време на измерването, което дава възможност за измерване на движещи се, високотемпературни, вискозни материали, както и материали и медицински изделия, за които е важно да не се замърси пробата по време на измерването. . Кобалтово гама-лъчение60Co се използва и при дефектоскопия, която се занимава с откриването на скрити дефекти в продуктите.

Нуклеарна медицина.

Много важна област на приложение на гама лъчението е медицината. Това лъчение се използва както за лечение, така и за диагностика на рак. Това е клонът на медицината, наречен нуклеарна медицина. Устройствата, използвани в ядрената медицина, включват:

  1. Кобалтовата бомба е устройство, използвано за лечение на рак, както и за стерилизиране на храни, споменати по-горе.Кобалтовият изотоп60Co, който излъчва гама лъчи с енергия от 1,17 и 1,33 MeV, е поставен в дебел оловен екран с канали, които извеждат радиационния лъч. Кобалтовата бомба може също така да бъде снабдена с механизъм за манипулиране на проби от разстояние, без да излага оператора на радиация.
  2. Гама ножът е изключително прецизен медицински уред, използван в радиохирургията, т.е. операция на мозъка без отваряне на черепа. За да се извърши точно процедурата, пациентът е обездвижен. С помощта на образна диагностика, като компютърна томография, се определя местоположението на тумора. След това към мястото на тумора се изпращат около 200 лъча гама радиация, чийто източник са капсули, съдържащи радиоактивен кобалт60Co. Същността на метода се състои в това, че отделните лъчи на радиация са достатъчно слаби, за да не увреждат мозъка при проникване. От друга страна, на точно определено място се сумира дозата от отделни лъчи - нейната мощност на дозата е 200 пъти по-висока от мощността на дозата от един лъч.В резултат на това в областта на тумора радиацията достига необходимата мощност за унищожаване на туморните клетки. Рискът от странични ефекти е много нисък в сравнение с традиционната неврохирургия. В допълнение, лечението практически не изисква възстановяване. Пациентите, подложени на облъчване с гама нож, се връщат към нормалния живот на следващия ден след процедурата.
  3. Компютърната томография с еднофотонна емисия (SPECT) е техника, която използва гама лъчение за създаване на пространствено изображение на всяка област от тялото на пациента.

Изследването започва с въвеждане на радиофармацевтик в тялото на пациента. Това са химични съединения, състоящи се от два елемента - радиоактивен изотоп и носител, способни да се отлагат в тъканите и органите. Носителите се абсорбират особено интензивно от раковите клетки вътре в тумора. Атомните ядра на радиоактивен изотоп претърпяват трансформация, по време на която излъчват гама лъчи. Количеството излъчвана радиация зависи от съдържанието на радиофармацевтика в съответната област.По този начин повече гама лъчи ще бъдат излъчени от областта на тумора, отколкото от други области.

Излъчването се измерва директно с външен детектор - гама камера. Пространствено изображение се получава чрез завъртане на камерата около зоната на интерес на пациента. Изображенията се събират от последователни позиции на сондата, които се различават с няколко градуса. Така измерванията се правят с пълно завъртане около пациента. За ускоряване на процеса на събиране на данни най-често се използват двуглави камери, разположени една срещу друга. Те правят измервания едновременно, което ускорява изследването два пъти (фиг. 6.). След това всички получени резултати от измерванията се подлагат на компютърна обработка, което позволява създаване на триизмерно изображение на изследваната област.

Ориз. 6. SPECT апарат с двуглава гама-квантова камера. Източник: [KieranMaher в английски Wikibooks/Обществено достояние]

Списък с литература

    Коган Р.М., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Основи на гама спектрометрията на природни среди. - М. : Енергоатомиздат, 1991. - 233 с.
  1. Широков, Ю.М. Ядрена физика [Текст] / Ю.М. Широков, Н.П. Юдин // М.: Наука. - 1980, 783 стр.
  2. Булавин Л. А., Тартаковски В. К. Ядрена физика. - К. : Знание, 2005. - 439 с.
  3. Гама-телескопи и детектори. НАСА GSFC. Посетено на 22 ноември 2011 г.
  4. Вилард, П. (1900). „Sur la reflexion et la refraction des rayons cathodique et des rayons déviables du radium“. comptes rendus. 130:1010-1012. Вижте също: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du radium. comptes rendus. 130: 1178-1179.
  5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 клас. Учебник за общообразователни организации М.: Образование, 2014. - С. 310 - 327, 346 - 350.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Сграда