Dmitrij Makarov
A gammasugárzás rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza kisebb, mint 1 nm, ami körülbelül 1 keV fotonenergiának felel meg.
Egyszerű magyarázat
Az univerzumban megfigyelt egyik legérdekesebb jelenség a gamma-kitörés. Ezek rövid gamma-impulzusok, amelyek átlagosan naponta egyszer jelennek meg valahol az égen. A gamma-kitörések forrásai több milliárd fényévnyire találhatók a Földtől, és a világegyetem legerősebb robbanásai. Általában néhány másodperc alatt több energiát bocsátanak ki, mint a Napunk teljes élettartama alatt. Úgy tartják, hogy a gamma-kitöréseket nagyon nagy tömegű csillagok – szupernóvák – robbanásai okozzák, amelyek fekete lyukká omlanak össze.
Rizs. 1. Tehát szupernóva-robbanást jelent. Forrás: [ ESA/Hubble / CCBY ]
Az alábbi anyag segít jobban megérteni, mi a gamma-sugárzás, mik a tulajdonságai, hogyan keletkezik és hogyan lép kölcsönhatásba az anyaggal.
Az elektromágneses sugárzás spektrumának vizualizációját tekintve észrevehető, hogy minden sugárzástípushoz valamilyen széles körben használt eszköz kapcsolódik, amely ezt a fajta sugárzást használja. Az ilyen vizualizációk „dolgozzák a képzeletet”, bizonyos értelemben „megismertetnek” minket egy bizonyos típusú elektromágneses sugárzással .
Kivételt képez a gammasugárzás (γ), amelyet leggyakrabban a radioaktivitás szimbólumának számító lóherével jelenítenek meg. A gammasugárzást valóban széles körben alkalmazzák például az orvosi diagnosztikában, de az alkalmazott eszközök jóval kevésbé elterjedtek és kevésbé ismertek, mint mondjuk egy röntgengép.
Meghatározás:
A gammasugárzás rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza kisebb, mint 1 nm, ami körülbelül 1 keV fotonenergiának felel meg.
Tulajdonságok
A gammasugárzás nagyon nagy energiájú elektromágneses hullám, azaz. nagyon rövid hullámhosszú (2. ábra). Hagyományosan elfogadott, hogy a gamma-sugárzás hullámhosszának felső határa 0,1 nm , ami körülbelül 0,1 MeV minimális gamma-kvantumenergiának felel meg. Meg kell jegyezni, hogy nincs szigorú határ a gammasugárzás és a röntgensugárzás között, amelyek hullámhossza hosszabb és energiája kisebb, mint a gammasugárzásé. Mindkét típusú elektromágneses hullám tartománya részben átfedi egymást.
Rizs. 2. Elektromágneses spektrum
A gamma-sugárzás a többi elektromágneses sugárzáshoz hasonlóan a vákuumban fénysebességgel terjed, i.e. 3*10 8 m/s
A gamma-sugárzásnál válik leginkább szembetűnővé a sugárzás kvantumtermészete. A gamma-fotonok minden megfigyelt jelenségben lendületes részecskékként viselkednek. Bár a gamma-sugárzás elektromágneses hullám, a hullámjelenségek, például a diffrakció megfigyelése nagyon nehéz.
A gamma-fotonok E energiáját a következő képlet fejezi ki:
E = h * f = h * c / λ
ahol h \u003d 6,6 * 10 -34 J * s a Planck-állandó, f a hullám frekvenciája, λ a hullámhossz, c \u003d 3 * 10 8 m / s a fény sebessége.
Források
A gamma-sugárzás forrásai szintén körülöttünk vannak. Szerencsére általában nem sugároznak ki olyan energiát, amely árthat nekünk. A természetben fő forrásai a természetes radioaktív izotópok bomlása és a kozmikus sugárzás.
A gamma-sugárzás forrása általában az atommag. A radioaktív bomlás eredményeként egy atommag gamma-kvantumot bocsát ki. A gamma-kvantum kibocsátásával az atommag megszabadul a felesleges energiától, és a gerjesztett állapotból az alapállapotba kerül.
Kölcsönhatás az anyaggal
A gammasugárzást ionizáló sugárzásnak nevezik. Ez azt jelenti, hogy az anyaggal kölcsönhatásba lépve képes atomokat és molekulákat ionizálni. A gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatásának három fő folyamatát különböztetjük meg:
Saját fotoelektromos effektus, amelyben egy anyagra beeső foton minden energiáját átadja az atomhéjon lévő elektronnak, elszakítva azt az atomoktól, vagy magasabb energiaszintre mozgatva.
Compton-szórás (Compton-effektus), melynek során egy gammasugárzás foton energiája egy részét egy elektronnak adja át (3. ábra). Az elektron és a foton mozgása a szórást követően az energia- és impulzusmegmaradás elvének engedelmeskedik. A kölcsönhatás egyik aktusa során általában egy kis változás következik be a gammasugár-kvantum energiájában. A fotonenergia változása a szórási szögtől ( θ ) függ, azaz. a fotonsebességvektor közötti szög a szórás után és a szórás előtt. A maximális energiaátadás a visszaszórás eredményeként jön létre, vagyis amikor a szórást követően a foton az eredetivel ellentétes irányba (θ = 180°) mozog.
A Compton-effektus a foton rugalmatlan szórása egy töltött részecske, általában egy elektron által, amelyet a felfedező Arthur Holly Comptonról neveztek el. Ha a szórás az energia csökkenéséhez vezet, mivel a foton energiájának egy része átkerül a visszavert elektronra, ami megfelel a foton hullámhosszának növekedésének (amely lehet röntgen- vagy gamma-foton), akkor ez A folyamatot Compton-effektusnak nevezik
Rizs. 3. Compton szórási diagram /Wikipédia
3. Elektron-pozitron párok létrehozása, amely abból áll, hogy egy nagy energiájú fotont részecske-antirészecske párrá alakítunk. A folyamat végbemeneteléhez a gammasugár-kvantum energiájának nagyobbnak kell lennie, mint a részecske nyugalmi tömegeinek összege szorozva c 2 -vel . Az elektron tömege MeV / c 2 egységekben 0,51. Így a korlátozó fotonenergia körülbelül 1,02 MeV.
Ennek vagy annak a folyamatnak a bekövetkezésének valószínűsége a gammasugárzás fotonjainak energiájától és attól az anyagtól függ, amelyben a kölcsönhatás létrejön. A 4. ábra azt mutatja be, hogy bizonyos, említett folyamatok milyen körülmények között dominálnak. Az x tengely a foton energiája, az y tengely pedig az anyag atomszáma (töltésszáma). Közepes és nagy atomszámú anyagoknál alacsony fotonenergiáknál (kb. 1 MeV alatt) a fotoelektromos hatás, közepes fotonenergiáknál (kb. 1-5 MeV) a Compton effektus. A nagyenergiájú (5 MeV feletti) gamma-sugárzás kvantumok főként elektron-pozitron párok létrehozásának vannak kitéve.
Rizs. 4. Az elektromágneses sugárzás anyaggal való kölcsönhatásának három fő folyamata dominál
A gamma-sugárzást nagyon nagy áthatolóképesség jellemzi. A fotonnyaláb hatékony abszorpciójához vastag, általában ólomból vagy más, nagy sűrűségű és rendszámú anyagból készült képernyők használata szükséges.
Mindezekben a jelenségekben nagy energiájú elektronok jelennek meg, amelyek tovább ionizálják az anyagot. E jelenségek egyikének előfordulása véletlenszerű. A gammasugárzás fotonja messzire képes eljutni az anyagba, és nem nyelődik el. Ha egy gamma-nyaláb áthalad az anyagon, akkor a fotonok egy része véletlenszerűen kikerül a nyalábból a fenti folyamatok valamelyike következtében, míg mások akadálytalanul mozognak akár vastag anyagrétegen is.
A gamma-fotonok anyagban való elnyelése az őrült sofőrök vezetéséhez hasonlítható, akik állandóan nagy sebességgel haladnak, és nem állnak meg a közlekedési lámpáknál. Egy részük balesetek miatt hamar kiesik a forgalomból, de van, aki több száz kilométert is megtehet.
A gammasugárzás elleni védelem és ártalmak
A gammasugárzás hosszú hullámhosszú sugárzás - egy anyagban a gammasugárzás tartománya elméletileg végtelen, de a gyakorlatban elegendő védelmet biztosítanak az ólomlemezek vagy sok méternyi beton.
A nagy hatótávolságú gammasugárzás problémát jelenthet számunkra, mert ez a sugárzás káros az élő szervezetekre. Nagyon behatoló, könnyen átjut az egész testen, és az ionizáció károsítja a különböző szervek sejtjeit. Ha az elnyelt sugárzás dózisa meghalad egy bizonyos értéket, az úgynevezett küszöbdózist, sugárbetegség léphet fel.
Az ionizáció károsítja az élő szervezetek sejtjeit. Ezért a kellően nagy intenzitású gamma-sugárzás végzetes az élőlényekre. Ezenkívül a gamma-sugárzás nagyon átható, és könnyen áthatol a sűrű levegőn és a legtöbb körülöttünk lévő tárgyon. Óvatosan kell eljárni a gamma-sugárzás forrásaival való érintkezéskor, és védőfelszerelést kell viselni, általában ólomlemezek formájában. A gamma-sugarakat a legjobban a nagy tömegszámú elemeket, például ólmot tartalmazó anyagok elnyelik.
A gammasugárzás azonban nem egy egzotikus jelenség, amellyel a mindennapi életben nem találkozunk. A radioaktív izotópokból származó gamma-sugárzás, amely minden tárgyban, valamint szervezetünkben is nagyon kicsi, folyamatosan jelen van a környezetben. A gammasugárzás az űrből is eléri a Föld felszínét, és az úgynevezett kozmikus sugárzás összetevője. A minket körülvevő sugárzás, az úgynevezett háttérsugárzás, nem káros ránk. Csak azok a nagy dózisok jelentenek problémát és igényelnek különleges védelmet, amelyeknek például az atomerőművek dolgozói lehetnek kitéve.
A gamma sugarak a csillagok belsejében keletkeznek, amikor a könnyű atommagok nehezebbekké egyesülnek. Ebben az esetben hatalmas energia szabadul fel, amelyet különösen gamma-sugárzás formájában bocsátanak ki. A gammasugárzás legnagyobb kibocsátása nagy kozmikus katasztrófák, például neutroncsillagok vagy fekete lyukak ütközésekor, vagy szupernóva-robbanás során egy hatalmas csillag fekete lyukká való összeomlása során következik be. A Földet érő úgynevezett gamma-kitörések ilyen események következményei.
Alkalmazás
A nukleáris medicina, az orvostudomány azon ága, amely radioaktív izotópokat használ terápiás és diagnosztikai célokra, az elmúlt években gyorsan fejlődött. Tekintse meg a fényképet a berendezésről (5. ábra) egy heidelbergi (Németország) klinikán a sugárterápiához. A 119 millió eurós berendezés egy hatalmas termet foglal el, mindezt a beteg számára, akit a jobb alsó sarokban látunk, a hatalmas készülék belsejében. A nukleáris medicina hatalmas és érdekes terület. Itt megvitatjuk a gamma-sugárzás néhány alkalmazását az orvostudományban és az élet más területein.
Rizs. 5. Heidelbergi Egyetemi Kórház
A gammasugárzás veszélyes tulajdonságait saját céljainkra is felhasználhatjuk. Ez a sugárzás felhasználható orvosi berendezések és élelmiszerek sterilizálására.
Sterilizáció.
A sterilizálás a baktériumok, penészgombák, gombák, paraziták és kórokozók elpusztítása ionizáló sugárzás segítségével. Az eljárás során gamma-sugárzást alkalmaznak, amely a kobalt radioaktív izotópjából, vagy a gyorsítókban nyert nagy energiájú elektronokból származik. A sugárforrások típusait és a sugárzó berendezések üzemeltetési szabályait nemzetközi szabványok szabályozzák. Biztosítják, hogy a besugárzott élelmiszerek ne termeljenek egészségre káros anyagokat. Az élelmiszerek hosszabb ideig megőrzik frissességüket, mivel a besugárzás során elpusztulnak az élelmiszer-lebomlást okozó mikroorganizmusok.
radioizotóp számlálók.
A gamma-sugárzás egyik leggyakoribb alkalmazása a radioizotóp-számlálók. Ezeket a mérőeszközöket az anyagvastagság pontos mérésére használják, ha ez a mérés nem végezhető el a szabványos módszerrel. Ide tartoznak az abszorpciós mérők, amelyek működési elve a gamma-sugárzás abszorpciójának jelenségén alapul.
Minél vastagabb az anyag, annál jobban elnyeli a beeső sugarat. A mért tárgy egyik oldalán egy sugárforrás, például a képernyőn elhelyezett Top Index 60 Co, a másik oldalon pedig egy gammasugárdetektor található, amely azt méri, hogy mennyi sugárzás haladt át az anyagon. A gamma-sugárzás abszorpciójának az anyag vastagságától való függésének ismerete lehetővé teszi a mért vastagság meghatározását.
A vastagság mérési tartománya nagyon széles, és egy milliméter töredékétől néhány centiméterig terjed. A radioizotópos mérőeszközök a mérés során nem érintkeznek a mért anyaggal, ami lehetővé teszi mozgó, magas hőmérsékletű, viszkózus anyagok mérését, valamint olyan anyagok és orvosi eszközök mérését, amelyeknél fontos, hogy a mérés során a mintát ne szennyezzék. A kobalt 60 Co gammasugárzását a hibák észlelésére is használják, amely a termékek rejtett hibáinak felderítésével foglalkozik.
Nukleáris gyógyszer.
A gamma-sugárzás nagyon fontos alkalmazási területe az orvostudomány. Ezt a sugárzást a rák kezelésére és diagnosztizálására egyaránt használják. Ez az orvostudomány nukleáris medicina nevű ága. A nukleáris medicinában használt eszközök a következők:
A kobaltbomba a rák kezelésére, valamint a fent említett élelmiszerek sterilizálására szolgáló eszköz. Az 1,17 és 1,33 MeV energiájú gamma-sugarakat kibocsátó 60 Co kobalt izotóp vastag ólomernyőbe kerül, amelynek csatornái kivezetik a sugárzási sugarat. A kobaltbomba olyan mechanizmussal is felszerelhető, amely lehetővé teszi a minták távoli kezelését anélkül, hogy a kezelőt sugárzásnak tennénk ki.
A Gamma Knife egy rendkívül precíz orvosi eszköz, amelyet a sugársebészetben használnak, i.e. agyműtét a koponya kinyitása nélkül. Az eljárás pontos végrehajtása érdekében a pácienst immobilizálják. Képalkotó vizsgálat, például számítógépes tomográfia segítségével meghatározzák a daganat helyét. Ezután körülbelül 200 gamma-sugárzást küldenek a daganat helyére, amelynek forrása radioaktív kobalt 60 -at tartalmazó kapszula.Co. A módszer lényege abban rejlik, hogy az egyes sugárnyalábok elég gyengék ahhoz, hogy a behatolás során ne károsítsák az agyat. Másrészt egy pontosan meghatározott helyen az egyes nyalábokból származó dózis összegzésre kerül - ennek dózisteljesítménye 200-szor nagyobb, mint egy nyalábból származó dózisteljesítmény. Ennek eredményeként a daganat területén a sugárzás eléri a daganatsejtek elpusztításához szükséges teljesítményt. A mellékhatások kockázata nagyon alacsony a hagyományos idegsebészethez képest. Ezenkívül a kezelés gyakorlatilag nem igényel gyógyulást. A gamma késsel besugárzott betegek az eljárást követő másnap visszatérnek a normális életbe.
Az egyfoton emissziós számítógépes tomográfia (SPECT) egy olyan technika, amely gammasugárzást használ a páciens testének bármely területéről háromdimenziós kép létrehozására.
A vizsgálat a radiofarmakonoknak a páciens szervezetébe történő bejuttatásával kezdődik. Ezek két elemből álló kémiai vegyületek - egy radioaktív izotópból és egy hordozóból, amely képes lerakódni a szövetekben és szervekben. A hordozóanyagokat különösen intenzíven szívják fel a daganaton belüli rákos sejtek. A radioaktív izotóp atommagjai átalakuláson mennek keresztül, melynek során gamma-sugarakat bocsátanak ki. A kibocsátott sugárzás mennyisége az adott területen lévő radiofarmakon tartalomtól függ. Így több gamma sugarat bocsátanak ki a daganat területéről, mint más területekről.
A sugárzást közvetlenül egy külső detektor – egy gammakamera – segítségével mérik. A térbeli képet úgy kapjuk, hogy a kamerát a páciens érdeklődési köre körül forgatjuk. A képeket az egymást követő szondapozíciókból gyűjtik össze, amelyek több fokkal különböznek egymástól. Így a mérések a páciens körüli teljes körforgásban történnek. Az adatgyűjtési folyamat felgyorsítására leggyakrabban egymással szemben elhelyezett kétfejű kamerákat alkalmaznak. Egyszerre végeznek méréseket, ami kétszer gyorsítja a vizsgálatot (6. ábra). Az összes kapott mérési eredményt ezután számítógépes feldolgozásnak vetik alá, amely lehetővé teszi a vizsgált terület háromdimenziós képének elkészítését.
Rizs. 6. SPECT gép kétfejes gamma-kvantum képalkotó kamerával. Forrás: [ KieranMaher az angol Wikikönyvekben / Nyilvános domain]
Bibliográfia
Kogan R. M., Nazarov I. M., Fridman Sh. D. A természetes környezet gamma-spektrometriájának alapjai. — M. : Energoatomizdat, 1991. — 233 p.
Shirokov, Yu.M. Nukleáris fizika [Szöveg] / Yu.M. Shirokov, N.P. Judin // M.: Nauka. – 1980, 783 p.
Bulavin L.A., Tartakovsky V.K. Nukleáris fizika. - K .: Tudás, 2005. - 439 p.
Gamma sugártávcsövek és detektorok. NASA GSFC. Letöltve: 2011-11-22.
Villard, P. (1900). "Sur la reflexion et la refraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". comptes rendus. 130:1010–1012. Lásd még: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du radium. comptes rendus. 130:1178–1179.
Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M. Fizika 11. évfolyam. Tankönyv oktatási szervezetek számára M.: Prosveshchenie, 2014. - S. 310 - 327, 346 - 350.
