Гамма-лучи

Гамма-излучение или гамма-лучи – электромагнитное излучение высокой энергии с длиной волны меньше 1 ангстрем. Образуется в реакциях с участием атомных ядер и элементарных частиц в процессах распада, синтеза, аннигиляции, при торможении заряженных частиц большой энергии.
Обозначаются греческой буквой ?.
Гамма-лучи вызывают ионизацию атомов вещества, имеют большую проницаемость, не преломляются, порождают электрон-позитронные пары.
Образование
Схема радиоактивного распада 60 Co. В результате бета-распада образуется ядро Ni * 60 в возбужденном состоянии. Со временем происходит каскад переходов в основное состояние с излучением гамма-квантов. Одним из процессов образования гамма-квантов является излучение радиоактивным ядром, которое было образовано в возбужденном состоянии. Гамма-квант излучается при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. При этом не меняются ни атомный номер, ни массовое число ядра.
Гамма-кванты могут появляться также в других, более сложных ядерных реакциях.
Другим источником гамма-лучей является тормозное излучение высокоэнергетичных заряженных частиц. Заряженные частицы, двигаясь с ускорением излучают электромагнитные волны. Спектр излучения зависит от энергии частицы. Для того чтобы частица излучала гамма-кванты, ее энергия должна быть очень высокой, лежать в области крайней мере десятков МэВ. Такие частицы можно получить в ускорителях, в частности синхротронах.
Гамма-лучи могут рождаться при аннигиляции частиц с античастицами. Поскольку в таком случае суммарный импульс частиц и античастиц в таких случаях обычно невысок, образованные при аннигиляции два гамма-кванты распространяются в противоположных направлениях. Одновременное детектирование двух гамма-квантов, распространяющихся в противоположных направлениях, является экспериментальным свидетельством акта аннигиляции.
Взаимодействие с веществом
Гамма-лучи имеют наибольшую проницаемость из всех видов радиоактивности. Соответственно, от них труднее защититься. Взаимодействие фотонов больших энергий с веществом слабая. Поглощаясь или рассеиваясь в веществе, гамма-лучи передают большую энергию заряженным частицам, которые отвечают за рождение большого числа радиационных дефектов. Существует три вида взаимодействия гамма-квантов с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и рождение электрон-позитронных пар.
Явление фотоэффекта зависит от взаимодействия электромагнитной волны с электронами в составе атомов. Большая энергия, а, следовательно, частота, гамма-квантов приводит к уменьшению эффективности такого взаимодействия, поскольку электроны становятся слишком инертными, чтобы реагировать на быстрые изменения напряженности электрического поля волны. Поэтому фотоэффект, который является основным типом взаимодействия гамма-квантов малых энергий с веществом, дает с увеличением энергии гамма-квантов стало уменьшаться вклад в процесс их поглощения.
При больших энергиях гамма-квантов основным каналом поглощения становится рождения электрон-позитронных пар. Гамма-квант может образовать электрон-позитронных пар, если его энергия крайней мере вдвое больше массы покоя электрона. В пустом пространстве образования электрон-позитронной пары невозможно из-за требования одновременного выполнения законов сохранения энергии и импульса. Для образования электрон-позитронной пары нужно еще одно тело, которое могло бы взять на себя лишний импульс, поэтому рождение пар происходит лишь в веществе.
При промежуточных энергиях гамма-квантов основным каналом их взаимодействия с веществом является комптоновское рассеяния. Оно отличается от других типов взаимодействия тем, что, рассеиваясь на заряженных частицах, гамма-квант не исчезает, а отдает лишь часть энергии.
Резонансного поглощения гамма-квантов ядрами в целом не происходит, поскольку энергия гамма-кванта, который излучается атомами, несколько отличается от разности энергий ядерных уровней. Часть энергии идет на отдачу ядру. Однако такое поглощение можно наблюдать в специальных условиях, обеспеченных постановкой эксперимента. Подробнее об этом в статье Эффект Месбауера.
Использование
Несмотря на опасность гамма-лучей для живых организмов, они применяются в медицине. Способность высокочастотных фотонов убивать живые клетки можно использовать для стерилизации медицинских инструментов и для уничтожения раковых клеток Для диагностики викорстовуються меченые атомы, которые тоже при распаде излучают гамма-лучи.