Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Žiarenie gama je krátkovlnné elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou menšou ako 1 nm, čo zodpovedá energii fotónu približne 1 keV.

Jednoduché vysvetlenie

Jedným z najzaujímavejších javov pozorovaných vo vesmíre sú záblesky gama žiarenia. Ide o krátke impulzy gama lúčov, ktoré sa niekde na oblohe objavia priemerne raz za deň. Zdroje gama zábleskov sa nachádzajú miliardy svetelných rokov od Zeme a sú najsilnejšími výbuchmi vo vesmíre. Zvyčajne uvoľňujú viac energie za pár sekúnd ako naše Slnko za celý svoj život.Predpokladá sa, že záblesky gama žiarenia sú výsledkom výbuchov veľmi hmotných hviezd - supernov - ktoré sa zrútia do čiernej diery.

Ryža. 1. So predstavuje výbuch supernovy. Zdroj: [ESA/Hubble / CCBY]

Materiál nižšie vám pomôže lepšie pochopiť, čo je gama žiarenie, aké sú jeho vlastnosti, ako vzniká a ako interaguje s hmotou.

Pri pohľade na vizualizáciu spektra elektromagnetického žiarenia môžete vidieť, že každý typ žiarenia je spojený s nejakým široko používaným zariadením, ktoré používa tento typ žiarenia. Takéto vizualizácie "fungujú pre predstavivosť" , v istom zmysle nás "zoznamujú" s určitým typom elektromagnetického žiarenia.

Výnimkou je žiarenie gama ( γ ), ktoré sa najčastejšie zobrazuje ďatelinovým lúčom, ktorý je symbolom rádioaktivity. Gama žiarenie je skutočne široko používané napríklad v lekárskej diagnostike, ale používané prístroje sú oveľa menej bežné a menej známe ako napríklad röntgenový prístroj.

Definícia:

Žiarenie gama je krátkovlnné elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou menšou ako 1 nm, čo zodpovedá energii fotónu približne 1 keV.

Vlastnosti

Žiarenie gama je elektromagnetické vlnenie veľmi vysokej energie, t.j. veľmi krátka vlnová dĺžka (obr. 2.). Bežne sa uznáva, že horná hranica dĺžky gama vlny je 0,1 nm, čo zodpovedá minimálnej kvantovej energii gama žiarenia približne 0,1 MeV. Je potrebné poznamenať, že neexistuje striktná hranica medzi gama žiarením a röntgenovým žiarením, ktoré má dlhšiu vlnovú dĺžku a nižšiu energiu ako gama žiarenie. Rozsahy oboch typov elektromagnetických vĺn sa čiastočne prekrývajú.

Ryža. 2. Elektromagnetické spektrum

Žiarenie gama, podobne ako iné druhy elektromagnetického žiarenia, sa šíri vo vákuu rýchlosťou svetla, t.j. 3108 m/c

V prípade gama žiarenia je kvantová povaha žiarenia najzrejmejšia. Vo všetkých pozorovaných javoch sa gama fotóny správajú ako častice s hybnosťou. Hoci je gama žiarenie elektromagnetické vlnenie, pozorovanie vlnových javov ako je difrakcia je veľmi ťažké.

Energia fotónov gama, E, je vyjadrená vzorcom: E=hf=hc / λ

kde h=6,610-34Js - Planckova konštanta, f - vlnová frekvencia, λ - vlnová dĺžka, c=3108m/s - rýchlosť svetla.

Zdroje

Zdroje gama žiarenia sú aj okolo nás. Našťastie väčšinou nevyžarujú takú energiu, ktorá by nám mohla uškodiť. V prírode sú jeho hlavnými zdrojmi rozpady prírodných rádioaktívnych izotopov a kozmického žiarenia.

Zdrojom gama žiarenia sú zvyčajne atómové jadrá. Kvantum gama žiarenia je emitované atómovým jadrom v dôsledku rádioaktívneho rozpadu. Vyžiarením gama kvanta sa jadro zbaví prebytočnej energie a prejde z excitovaného stavu do základného.

Interakcia s hmotou

Žiarenie gama sa nazýva ionizujúce žiarenie. To znamená, že pri interakcii s hmotou je schopný ionizovať atómy a molekuly. Rozlišujeme tri hlavné procesy interakcie gama žiarenia s hmotou:

    Inherentný fotoelektrický efekt, pri ktorom fotón dopadajúci na látku odovzdá všetku svoju energiu elektrónu na atómových obaloch, čím ho odtrhne od atómov alebo ho presunie na vyššiu energetickú hladinu.
  1. Comptonov rozptyl (Comptonov efekt), pri ktorom fotón gama žiarenia odovzdá časť svojej energie elektrónu (obr. 3). Pohyb elektrónu a fotónu po rozptyle sa riadi princípom zachovania energie a hybnosti. Pri jednom akte interakcie zvyčajne nastáva malá zmena energie kvanta gama žiarenia. Zmena energie fotónu závisí od uhla rozptylu ( θ ), t.j. uhol medzi vektorom rýchlosti fotónu po rozptyle a pred rozptylom. K maximálnemu prenosu energie dochádza v dôsledku spätného rozptylu, to znamená, keď sa fotón po rozptyle pohybuje v opačnom smere ako pôvodný (θ=180°).

Comtonov jav je nepružný rozptyl fotónu nabitou časticou, zvyčajne elektrónom, pomenovaný po objaviteľovi Arthurovi Holly Comptonovi. Ak výsledkom rozptylu je pokles energie, pretože časť energie fotónu sa prenáša na odrazený elektrón, čo zodpovedá zvýšeniu vlnovej dĺžky fotónu (čo môže byť röntgenový alebo gama fotón), potom je tento proces nazývaný Comptonov efekt

WikipediaRyža. 3. Diagram Comptonovho rozptylu

3. Vytváranie párov elektrón-pozitrón, ktoré spočíva v zmene vysokoenergetického fotónu na pár častica-antičastica. Aby k procesu došlo, energia kvanta gama žiarenia musí byť väčšia ako súčet pokojových hmotností častíc, vynásobený c2Hmotnosť elektrónu, definovaná v jednotkách MeV / c2je 0,51. Limitná energia fotónu je teda asi 1,02 MeV.

Pravdepodobnosť výskytu toho či onoho procesu závisí od energie fotónov gama žiarenia a od materiálu, v ktorom prebieha interakcia.Obrázok 4 znázorňuje schému podmienok, v ktorých dominujú určité spomenuté procesy. Na osi x je energia fotónu, na osi y je atómové číslo (číslo náboja) materiálu. V prípade materiálov so stredným a vysokým atómovým číslom dominuje fotoelektrický jav pri nízkych energiách fotónov (pod cca 1 MeV), Comptonov jav dominuje pri stredných fotónových energiách (asi 1-5 MeV). Vysokoenergetické kvantá gama žiarenia (nad 5 MeV) podliehajú najmä tvorbe elektrón-pozitrónových párov.

Ryža. 4. Schéma podmienok, za ktorých dominujú tri hlavné procesy interakcie elektromagnetického žiarenia s hmotou

Žiarenie gama sa vyznačuje veľmi vysokou prenikavou silou. Efektívna absorpcia fotónového lúča vyžaduje použitie hrubých obrazoviek, zvyčajne vyrobených z olova alebo iného materiálu s vysokou hustotou a atómovým číslom.

Vo všetkých týchto javoch sa objavujú vysokoenergetické elektróny, ktoré ďalej ionizujú hmotu.Výskyt jedného z týchto javov je náhodný. Fotón gama žiarenia môže prejsť v hmote ďaleko a nie je absorbovaný. Ak lúč gama lúčov prechádza hmotou, niektoré fotóny budú náhodne odstránené z lúča v dôsledku jedného z vyššie uvedených procesov, zatiaľ čo iné sa budú pohybovať bez prekážok aj cez hrubú vrstvu hmoty.

Absorpcia fotónov gama žiarenia v hmote sa dá prirovnať k jazde šialených vodičov, ktorí sa pohybujú konštantne vysokou rýchlosťou a nezastavujú na semaforoch. Niektorí z nich sú pre nehody rýchlo mimo premávky, no niektorí šťastlivci môžu cestovať stovky kilometrov.

Ochrana a poškodenie pred gama žiarením

Žiarenie gama je žiarenie s dlhou vlnovou dĺžkou - rozsah gama žiarenia v látke je teoreticky nekonečný, ale v praxi dostatočnú ochranu poskytujú olovené platne alebo mnoho metrov betónu.

Gama žiarenie s dlhým dosahom môže byť pre nás problém, pretože toto žiarenie je pre živé organizmy škodlivé.Je veľmi prenikavý, ľahko prechádza celým telom a ionizácia spôsobuje poškodenie buniek rôznych orgánov. Ak dávka absorbovaného žiarenia prekročí určitú hodnotu, nazývanú prahová dávka, môže dôjsť k chorobe z ožiarenia.

Ionizácia spôsobuje poškodenie buniek živých organizmov. Preto je gama žiarenie dostatočne vysokej intenzity pre organizmy smrteľné. Navyše gama žiarenie je veľmi prenikavé a ľahko prechádza hustým vzduchom a väčšinou predmetov okolo nás. Pri kontakte so zdrojmi gama žiarenia je potrebné postupovať opatrne a používať ochranné pomôcky, zvyčajne vo forme olovených platní. Gama lúče najlepšie pohlcujú materiály obsahujúce prvky s vysokou hmotnosťou, ako je olovo.

Gama žiarenie však nie je exotický jav, s ktorým sa v bežnom živote nestretávame. Gama žiarenie pochádzajúce z rádioaktívnych izotopov, ktoré sú veľmi malé v každom objekte, ako aj v našom tele, je neustále prítomné v prostredí.Gama žiarenie sa na zemský povrch dostáva aj z vesmíru a je súčasťou toho, čo je známe ako kozmické žiarenie. Žiarenie okolo nás, známe ako žiarenie pozadia, nám nie je škodlivé. Problémom sú len vysoké dávky, ktorým môžu byť vystavení napríklad pracovníci v jadrových elektrárňach a vyžadujú si špeciálnu ochranu.

Žiarenie gama vzniká vo vnútri hviezd pri fúznych reakciách ľahkých jadier na ťažšie. V tomto prípade sa uvoľňuje obrovská energia, ktorá je emitovaná najmä vo forme gama žiarenia. K najväčšiemu uvoľneniu gama žiarenia dochádza počas veľkých kozmických katastrof, ako sú zrážky medzi neutrónovými hviezdami alebo čiernymi dierami alebo kolaps obrovskej hviezdy do čiernej diery pri výbuchu supernovy. Takzvané gama záblesky, ktoré dopadnú na Zem, sú výsledkom takýchto udalostí.

Aplikácia

Nukleárna medicína, odvetvie medicíny využívajúce rádioaktívne izotopy na terapiu a diagnostiku, sa v posledných rokoch prudko rozvíja.Pozrite si fotografiu zariadenia (obrázok 5) na rádioterapiu na klinike v Heidelbergu (Nemecko). Vybavenie za 119 miliónov eur zaberá obrovskú sálu, všetko pre pacienta, ktorého vidíme v pravom dolnom rohu, ležiaceho vo vnútri obrovského prístroja. Nukleárna medicína je rozsiahly a zaujímavý odbor. Tu rozoberieme niektoré aplikácie gama žiarenia v medicíne a iných oblastiach života.

Ryža. 5. Univerzitná nemocnica Heidelberg

Nebezpečné vlastnosti gama žiarenia môžeme využiť aj na vlastné účely. Toto žiarenie je možné použiť na sterilizáciu zdravotníckych zariadení, ako aj potravinárskych výrobkov.

Sterilizácia.

Sterilizácia je ničenie baktérií, plesní, húb, parazitov a patogénov pomocou ionizujúceho žiarenia. Pri zákroku sa využíva gama žiarenie, vychádzajúce z rádioaktívneho izotopu kob altu, alebo vysokoenergetické elektróny získané v urýchľovačoch.Druhy zdrojov žiarenia a prevádzkové predpisy pre radiačné zariadenia upravujú medzinárodné normy. Zabezpečujú, aby ožiarené potraviny neprodukovali zdraviu škodlivé látky. Potravinárske výrobky si zachovávajú svoju čerstvosť dlhšie, pretože ožarovanie zabíja mikroorganizmy, ktoré spôsobujú rozklad potravín.

Počítadlá rádiových izotopov.

Jednou z najbežnejších aplikácií gama žiarenia sú rádioizotopové čítače. Tieto meradlá sa používajú na presné meranie hrúbky materiálu, keď toto meranie nemožno vykonať štandardnou metódou. Patria sem absorpčné merače, ktorých princíp je založený na fenoméne absorpcie gama žiarenia.

Čím je materiál hrubší, tým viac je dopadajúci lúč absorbovaný. Na jednej strane meraného objektu je zdroj žiarenia, napríklad Top Index60Co umiestnený v obrazovke a na druhej strane je detektor gama žiarenia, ktorý meria, koľko žiarenia má prešiel materiálom.Poznanie závislosti absorpcie gama žiarenia od hrúbky materiálu umožňuje určiť nameranú hrúbku.

Rozsah merania hrúbky je veľmi široký a pohybuje sa od zlomkov milimetra až po niekoľko centimetrov. Rádioizotopomery počas merania neprichádzajú do kontaktu s meraným materiálom, čo umožňuje merať pohyblivé, vysokoteplotné, viskózne materiály, ako aj materiály a medicínske prístroje, pri ktorých je dôležité nekontaminovať vzorku počas merania. . Kob altové gama žiarenie60Co sa používa aj pri detekcii chýb, ktorá sa zaoberá odhaľovaním skrytých chýb vo výrobkoch.

Nukleárna medicína.

Veľmi dôležitou oblasťou použitia gama žiarenia je medicína. Toto žiarenie sa používa na liečbu aj diagnostiku rakoviny. Ide o odvetvie medicíny nazývané nukleárna medicína. Medzi zariadenia používané v nukleárnej medicíne patria:

  1. Kob altová bomba je zariadenie používané na liečbu rakoviny, ako aj na sterilizáciu vyššie uvedených potravín.Izotop kob altu60Co, ktorý vyžaruje gama lúče s energiami 1,17 a 1,33 MeV, je umiestnený v hrubej olovenej obrazovke s kanálmi, ktoré vyžarujú lúč žiarenia. Kob altová bomba môže byť tiež vybavená mechanizmom na manipuláciu so vzorkami na diaľku bez vystavenia operátora žiareniu.
  2. Gamma nôž je mimoriadne presný medicínsky prístroj používaný v rádiochirurgii, t.j. operácia mozgu bez otvorenia lebky. Na presné vykonanie postupu je pacient imobilizovaný. Pomocou zobrazovania, ako je počítačová tomografia, sa určuje umiestnenie nádoru. Potom sa na miesto nádoru vyšle asi 200 lúčov gama žiarenia, ktorého zdrojom sú kapsuly obsahujúce rádioaktívny kob alt60Co. Podstata metódy spočíva v tom, že jednotlivé lúče žiarenia sú dostatočne slabé na to, aby pri prieniku nepoškodili mozog. Na druhej strane na presne definovanom mieste sa dávka z jednotlivých lúčov sčítava - jej dávkový príkon je 200-krát vyšší ako dávkový príkon z jedného lúča.Výsledkom je, že v oblasti nádoru žiarenie dosiahne silu potrebnú na zničenie nádorových buniek. Riziko vedľajších účinkov je v porovnaní s tradičnou neurochirurgiou veľmi nízke. Okrem toho liečba prakticky nevyžaduje zotavenie. Pacienti, ktorí podstúpili ožarovanie gama nožom, sa deň po zákroku vracajú do normálneho života.
  3. Jednofotónová emisná počítačová tomografia (SPECT) je technika, ktorá využíva gama žiarenie na vytvorenie priestorového obrazu akejkoľvek oblasti tela pacienta.

Vyšetrenie sa začína zavedením rádiofarmák do tela pacienta. Ide o chemické zlúčeniny pozostávajúce z dvoch prvkov – rádioaktívneho izotopu a nosiča schopného ukladať sa v tkanivách a orgánoch. Nosiče sú obzvlášť intenzívne absorbované rakovinovými bunkami vo vnútri nádoru. Atómové jadrá rádioaktívneho izotopu prechádzajú premenou, počas ktorej vyžarujú gama lúče. Množstvo emitovaného žiarenia závisí od obsahu rádiofarmaka v príslušnej oblasti.Z oblasti nádoru bude teda vyžarovať viac gama lúčov ako z iných oblastí.

Emisie sa meria priamo externým detektorom - gama kamerou. Priestorový obraz sa získa otáčaním kamery okolo oblasti záujmu pacienta. Snímky sa zbierajú z po sebe idúcich pozícií sond, ktoré sa líšia o niekoľko stupňov. Merania sa teda vykonávajú s úplnou rotáciou okolo pacienta. Na urýchlenie procesu zberu dát sa najčastejšie používajú dvojhlavové kamery umiestnené oproti sebe. Merania vykonávajú súčasne, čím sa vyšetrenie zrýchľuje dvojnásobne (obr. 6.). Všetky získané výsledky meraní sú následne podrobené počítačovému spracovaniu, ktoré umožňuje vytvorenie trojrozmerného obrazu skúmanej oblasti.

Ryža. 6. SPECT stroj s dvojhlavovou gama-kvantovou zobrazovacou kamerou. Zdroj: [KieranMaher at English Wikibooks/Public domain]

Zoznam referencií

    Kogan R.M., Nazarov I.M., Fridman Sh.D. Základy gama spektrometrie prírodných prostredí. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 233 s.
  1. Shirokov, Yu.M. Jadrová fyzika [Text] / Yu.M. Širokov, N.P. Yudin // M.: Nauka. - 1980, 783 s.
  2. Bulavin L. A., Tartakovsky V. K. Jadrová fyzika. - K. : Knowledge, 2005. - 439 s.
  3. Gamma-lúčové teleskopy a detektory. NASA GSFC. Získané 22. 11. 2011.
  4. Villard, P. (1900). "Sur la reflexion et la refraction des kathodiques a des deviables du rádium" . comptes rendus. 130:1010-1012. Pozri tiež: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du rádium. comptes rendus. 130: 1178-1179.
  5. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M. Fyzika. 11. ročník. Učebnica pre všeobecné vzdelávacie organizácie M.: Vzdelávanie, 2014. - S. 310 - 327, 346 - 350.

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Kategórie:

Budova