Гамма-лучи
Гамма-лучи (γ-лучи) — электромагнитное излучение с длиной волны около 1 ангстрема и короче, испускаемое ядрами природных и искусственных радиоактивных элементов. Гамма-лучи не сопровождаются изменением заряда излучающего ядра, атомного номера и массового числа, в отличие от α- и β-распадов. Термин «гамма-лучи» применяют также для обозначения электромагнитного излучения любой природы, если его энергия больше 100 кэВ (например, при торможении заряженных частиц, аннигиляции частиц и античастиц, распаде частиц с высокой энергией и др.).
- Энергия кванта: важной характеристикой гамма-лучей является энергия отдельного кванта E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота излучения.
- Диапазон энергий: при радиоактивном распаде ядер наблюдается γ-излучение с энергией γ-квантов от 10 кэВ до 5 МэВ, а при ядерных реакциях — до 20 МэВ.
- Спектр: γ-излучение атомных ядер имеет линейчатый спектр, подобно характеристическому рентгеновскому или оптическому излучению атома. Переход между уровнями возбуждённого ядра не обязательно сопровождается излучением γ-кванта; энергия перехода может быть передана ядром одному из электронов атома, который покидает атом (внутренняя конверсия).
Взаимодействие с веществом
При прохождении γ-лучей через вещество наблюдаются три основных процесса:
- Фотоэффект — энергия γ-кванта полностью передаётся одному из электронов атома. Вероятность этого процесса велика в области малых энергий (примерно до 200 кэВ) и пропорциональна Z⁵, где Z — атомный номер поглощающего вещества.
- Эффект Комптона — наблюдается во всём интервале энергий, его вероятность пропорциональна Z.
- Образование пар (позитрон и электрон) — возникает при энергии γ-кванта более 2m₀c², где m₀c² — энергия покоящегося электрона (511 кэВ); вероятность процесса пропорциональна Z².
Поглощение гамма-лучей обусловлено всеми тремя процессами, рассеяние — комптон-эффектом. При расчётах интенсивности гамма-лучей учитываются конкретные геометрические условия измерений. В простейшем случае (параллельный или узкий пучок) интенсивность рассчитывается по формуле: J = J₀e⁻ᵐᶜ, где J₀ и J — интенсивности до и после поглощения, m — коэффициент поглощения, c — толщина поглощающего слоя.
- Проникающая способность: гамма-лучей естественных радиоактивных элементов в воздухе достигает сотен метров, в горных породах — нескольких десятков сантиметров.
Опасность больших доз гамма-лучей для людей и живых организмов требует использования биологической защиты (бетонные и металлические стены), а источники гамма-лучей хранятся в свинцовых контейнерах.
Современный контекст
Современные исследования (2020-е годы) расширили представления о гамма-лучах за счёт наблюдений в астрофизике (гамма-всплески, активные ядра галактик) и применения в медицине (гамма-нож, ПЭТ-диагностика). В геологии и науках о Земле гамма-лучи используются для радиоизотопного датирования, каротажа скважин и мониторинга радиоактивного загрязнения окружающей среды.
М. М. Соколов