ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение, испускаемое при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, т. е. при переходе ядра атома из одного энергетического состояния в другое.

Г.-и. применяют в медицине для лечения опухолей (см. Изотопы, радиоактивные), в процессе распада

которых испускаются гамма-кванты. Гамма-излучатели применяют для изготовления источников Г.-и. различной интенсивности и конфигурации (см. Гамма-аппараты).

По своей природе гамма-лучи сходны с рентгеновскими, инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами, а также с видимым светом и радиоволнами. Эти виды рентгеновского излучения (см.).

В процессе взаимодействия с веществом электромагнитное излучение проявляет как волновые свойства (интерферирует, преломляется, дифрагирует), так и корпускулярные. Поэтому его можно характеризовать по длине волны или рассматривать как поток незаряженных частиц — квантов (фотонов), которые обладают определенной массой Мк и энергией (E=hv, где h=6,625×10²⁷ эрг×сек — квант действия, или постоянная Планка, ν = c/λ — частота электромагнитного излучения). Чем выше частота, а следовательно и энергия электромагнитного излучения, тем в большей мере проявляются его корпускулярные свойства.

Свойства различных видов электромагнитного излучения не зависят от способа их образования и определяются длиной волны (λ) или энергией квантов (E). При этом следует иметь в виду, что энергетической границы между тормозным и Г.-и. не существует, в отличие от таких видов электромагнитного излучения, как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, для каждого из которых характерен определенный диапазон энергий (или длин волн), практически не перекрывающийся. Так, энергия гамма-квантов, испускаемых в процессе радиоактивного распада (см. Радиоактивность), лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт, а при некоторых ядерных превращениях может достигать десятков мега-электрон-вольт. В то же время на современных ускорителях генерируется тормозное излучение с энергией от нуля до сотен и тысяч мега-электрон-вольт. Однако тормозное и Г.-и. существенно различаются не только по условиям образования. Спектр тормозного излучения — непрерывный, а спектр Г.-и., как и спектр характеристического излучения атома, — дискретный (линейчатый). Объясняется это тем, что ядра, так же как атомы и молекулы, могут находиться только в определенных энергетических состояниях, и переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно.

В процессе прохождения через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с самим ядром. В результате происходит ослабление интенсивности первичного пучка Г.-и. в основном за счет трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), некогерентного рассеяния (комптон-эффект) и образования пар.

Фотоэлектрическое поглощение — процесс взаимодействия с электронами атомов, при к-ром гамма-кванты передают им всю свою энергию. В результате гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии. В этом случае энергия гамма-кванта передается преимущественно электронам, находящимся на К-оболочке (т. е. на оболочке, наиболее близкой к ядру). С увеличением атомного номера вещества-поглотителя (z) вероятность фотоэффекта растет примерно пропорционально 4-й степени атомного номера вещества (z⁴), а с увеличением энергии гамма-квантов вероятность этого процесса резко уменьшается.

Некогерентное рассеяние — взаимодействие с электронами атомов, при к-ром гамма-квант передает электрону только часть своей энергии и количества движения и после соударения изменяет направление своего движения (рассеивается). В этом случае взаимодействие происходит в основном с внешними (валентными) электронами. С увеличением энергии гамма-квантов вероятность некогерентного рассеяния уменьшается, но более медленно, чем вероятность фотоэффекта. Вероятность процесса возрастает пропорционально увеличению атомного номера вещества-поглотителя, т. е. примерно пропорционально его плотности.

Образование пар — процесс взаимодействия Г.-и. с электрическим полем ядра, в результате к-рого происходит превращение гамма-кванта в пару частиц: электрон и позитрон. Этот процесс наблюдается только при энергии гамма-кванта больше 1,022 Мэв (больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона); с увеличением энергии гамма-кванта вероятность этого процесса возрастает пропорционально квадрату атомного номера вещества-поглотителя (z²).

Наряду с основными процессами взаимодействия Г.-и. с веществом наблюдается когерентное (классическое) рассеяние Г.-и. Это такой процесс взаимодействия с электронами атома, в результате к-рого гамма-квант изменяет только направление своего движения (рассеивается), а его энергия не изменяется. До процесса рассеяния и после него электрон остается связанным с атомом, т. е. его энергетическое состояние не изменяется. Этот процесс существен только для Г.-и. с энергией до 100 кэв. При энергии излучения выше 100 кэв вероятность когерентного рассеяния на 1—2 порядка меньше, чем некогерентного. Гамма-кванты могут взаимодействовать также с ядрами атомов, вызывая различные ядерные реакции (см.), называемые фотоядерными. Вероятность фотоядерных реакций на несколько порядков меньше, чем вероятность других процессов взаимодействия Г.-и. с веществом.

Т. о., при всех основных процессах взаимодействия гамма-квантов с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят Ионизирующие излучения, биологическое действие).

Удельный вес каждого из указанных процессов взаимодействия Г.-и. с веществом зависит от энергии гамма-квантов и атомного номера вещества-поглотителя. Так, в воздухе, воде и биол, тканях поглощение за счет фотоэффекта составляет 50% при энергии Г.-и., равной примерно 60 кэв. При энергии 120 кэв доля фотоэффекта составляет всего 10% , а начиная с 200 кэв основным процессом, обусловливающим ослабление Г.-и. в веществе, является некогерентное рассеяние. Для веществ со средним атомным номером (железо, медь) доля фотоэффекта незначительна при энергии больше 0,5 Мэв; для свинца фотоэффект необходимо учитывать до энергии Г.-и. порядка 1,5—2 Мэв. Процесс образования пар начинает играть нек-рую роль для веществ с малым атомным номером примерно с 10 Мэв, а для веществ с большим атомным номером (свинец) — с 2,5—3 Мэв. Ослабление Г.-и. в веществе происходит тем сильнее, чем меньше энергия гамма-квантов и чем больше плотность и атомный номер вещества. При узком направлении пучка Г.-и. уменьшение интенсивности моноэнергетического Г.-и. (состоящего из гамма-квантов с одинаковой энергией) происходит по экспоненциальному закону:

где I — интенсивность излучения в данной точке после прохождения слоя поглотителя толщиной d, I_o— интенсивность излучения в этой же точке при отсутствии поглотителя, e — число, основание натуральных логарифмов (е = 2,718), μ (см^-1) — линейный коэффициент ослабления, характеризующий относительное ослабление интенсивности Г.-и. слоем вещества толщиной в 1 см; линейный коэффициент ослабления представляет собой суммарную величину, складывающуюся из линейных коэффициентов ослабления τ, σ и χ, обусловленных соответственно процессами фотоэффекта, некогерентного рассеяния и образования пар (μ =τ+σ+χ).

Т. о., коэффициент ослабления зависит от свойств поглотителя и от энергии Г.-и. Чем тяжелее вещество и чем меньше энергия Г.-и., тем больше коэффициент ослабления.

См. также Ионизирующие излучения.

Библиография: Аглинцев К. К. Дозиметрия ионизирующих излучений, с. 48 и др., М.—Л., 1950; Бибергаль А. В., Маргулис У. Я. и Воробьев Е. И. Защита от рентгеновских и гамма-лучей, М., 1960; Гусев Н. Г. и др. Физические основы защиты от излучений, с. 82, М., 1969; Кимель Л. Р. и Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений, с. 74, М., 1972.

У. Я. Маргулис.