1. Властивості гамма-випромінювання.

Гамма-випромінювання – це короткохвильове електромагнітне випромінювання. На шкалі електромагнітних хвиль воно поряд з жорстким рентгенівським випромінюванням, займаючи область вищих частот. Гамма-випромінювання володіє надзвичайно малою довгою хвилею (л10 -8 см) і внаслідок цього яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто поводиться подібно до потоку частинок – гамма квантів, або фотонів, з енергією hv (v – частота випромінювання, h – Планка постійна).

Гамма- випромінювання виникає при розпадах радіоактивних ядер, елементарних частинок, при анігіляції пар частини-античастина, а також при проходженні швидких заряджених частинок через речовину.

Гамма-випромінювання, супроводжуюче розпад радіоактивних ядер, випускається при переходах ядра з більш збудженого енергетичного полягання в менш збуджене або в основне. Енергія г – кванта рівна різниці енергій Де станів, між якими відбувається перехід.

Збуджений стан

Е2

hv

Основний стан ядра Е1

Випускання ядром г-кванта не спричиняє за собою зміни атомного номера або масового числа, на відміну від інших видів радіоактивних перетворень. Ширина ліній гамма-випромінювань надзвичайно мала (~10-2 эв). Оскільки відстань між рівнями у багато разів більше ширини ліній, спектр гамма-випромінювання є лінійчатим, тобто складається з ряду дискретних ліній. Вивчення спектрів гамма-випромінювання дозволяє встановити енергії збуджених станів ядер. Гамма-кванти з великими енергіями випускаються при розпадах деяких елементарних частинок. Так, при розпаді р0- мезона, що покоїться, виникає гамма-випромінювання з енергією ~70Мэв. Гамма-випромінювання від розпаду елементарних частинок також утворює лінійчатий спектр. Елементарні частинки, що проте випробовують розпад, часто рухаються з швидкостями, порівнянними із швидкістю світла. Внаслідок цього виникає доплеровське розширення лінії і спектр гамма-випромінювання виявляється розмитим в широкому інтервалі енергій. Гамма-випромінювання, що утворюється при проходженні швидких заряджених частинок через речовину, викликається їх гальмуванням до кулонівському полі атомних ядер речовини. Гальмівне гамма – випромінювання, також як і гальмівне рентгенівське випромінювання, характерезуєтся суцільним спектром, верхня межа якого співпадає з енергією зарядженої частинки, наприклад електрона. У прискорювачах заряджених частинок отримують гальмівне гамма- випромінювання з максимальною енергією до декількох десятків Гев.

У космічеому просторі гамма-випромінювання може виникати в результаті зіткнень квантів м'якшого довгохвильового, електромагнітного випромінювання, наприклад світла, з електронами, прискореними магнітними полями космічних об'єктів. При цьому швидкий електрон передає свою енергію електромагнітному випромінюванню і видиме світло перетворюється на жорсткіше гамма-випромінювання.

Аналогічне явище може мати місце в земних умовах при зіткнені електронів великої енергії, що отримуються на прискорювачах, з фотонами видимого світла в інтенсивних пучках світла, що створюються лазерами. Електрон передає енергію світловому фотону, який перетворюється на г-квант. Таким чином, можна на практиці перетворювати окремі фотони світла на кванти гамма-випромінювання високої енергії.

Гамма-випромінювання володіє великою проникаючою здатністю, тобто може проникати крізь великі товщі речовини без помітного ослаблення. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії гамма-випромінювання з речовиною, - фотоелектричне поглинання (фотоефект), комптонівське розсіяння (комптон-ефект) і створення пара електрон-позитрон. При фотоефекті відбувається поглинання г-кванта одним з електронів атома, причому енергія г -кванта перетвориться ( за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі ) в кінетичну енергію електрона, що вилітає за межі атома. Вірогідність фотоефекту прямо пропорційна п'ятому ступеню атомного номера елементу і назад пропорційна 3-у ступеню енергії гамма-випромінювання. Таким чином, фотоефект переважає в області малих енергії г-квантів ( 100 кэв ) на важких елементах ( Pb, U).

При комптон-ефекті відбувається розсіяння г-кванта на одному з електронів, слабо зв'язаних в атомі. На відміну від фотоефекту, при комптон-ефекті г-квант не зникає, а лише змінює енергію ( довжину хвилі ) і напрям розповсюдження. Вузький пучок гамма-променів в результаті комптон-ефекту стає ширшим, а само випромінювання - м'якшим (довгохвильовим ). Інтенсивність комптонівського розсіяння пропорційна числу електронів в 1см3 речовини, і тому вірогідність цього процесу пропорційна атомному номеру речовини. Комптон-ефект стає помітним в речовинах з малим атомним номером і при енергіях гамма-випромінювання, превышвют енергію зв'язку електронів в атомах. Так, у разі Pb вірогідність комптонівського розсіяння порівнянна з вірогідністю фотоелектричного поглинання при енергії ~ 0,5 Мев. У разі Al комптон-ефект переважає при набагато менших енергіях.Якщо ж енергія г-кванта перевищує 1,02 Мев, стає можливим процес утворення электрон-позитронових пар в електричному полі ядер. Вірогідність утворення пар пропорційна квадрату атомного номера і збільшується із зростанням hн. Тому при hн ~10 Мев основним процесом в будь-якій речовині опиняється утворення пар.

100

50

0

0,1 0,5 1 2 5 10 50

Енергія г-променів ( Мев )

Зворотний процес анігіляція электрон-позитронової пари є джерелом гамма-випромінювання.

Для характеристики ослаблення гамма-випромінювання в речовині зазвичай користуються коефіцієнтом поглинання, який показує, на якій товщині Х поглинача інтенсивність I0 падаючого пучка гамма-випромінювання ослабляється в е разів:

I=I0e-м0x

Тут м0 – лінійний коефіцієнт поглинання гамма-випромінювання. Іноді вводять масовий коефіцієнт поглинання, рівний відношенню м0 до щільності поглинача.

Експоненціальний закон ослаблення гамма-випромінювання справедливий для вузького напряму пучка гамма-променів, коли будь-який процес, як поглинання, так і розсіяння, виводить гамма-випромінювання з складу первинного пучка. Проте при високих енергіях процес проходження гамма-випромінювання через речовину значно ускладнюється. Вторинні електрони і позитрони володіють великою енергією і тому можуть, у свою чергу, створювати гамма-випромінювання завдяки процесам гальмування і анигіляції. Таким чином в речовині виникає ряд поколінь вторинного гамма-випромінювання, що чергуються, електронів і позитронів, тобто відбувається розвиток каскадної зливи. Число вторинних частинок в такій зливі спочатку зростає з