Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Záření gama je krátkovlnné elektromagnetické záření o vlnové délce menší než 1 nm, což odpovídá energii fotonu asi 1 keV.

Jednoduché vysvětlení

Jedním z nejzajímavějších jevů pozorovaných ve vesmíru jsou záblesky gama. Jde o krátké pulzy gama paprsků, které se někde na obloze objeví průměrně jednou denně. Zdroje gama záblesků se nacházejí miliardy světelných let od Země a jsou nejsilnějšími explozemi ve vesmíru. Obvykle uvolňují více energie během několika sekund než naše Slunce za celou dobu svého života.Předpokládá se, že záblesky gama jsou výsledkem výbuchů velmi hmotných hvězd - supernov - které se zhroutí do černé díry.

Rýže. 1. So představuje výbuch supernovy. Zdroj: [ESA/Hubble / CCBY]

Níže uvedený materiál vám pomůže lépe pochopit, co je gama záření, jaké jsou jeho vlastnosti, jak k němu dochází a jak interaguje s hmotou.

Při pohledu na vizualizaci spektra elektromagnetického záření můžete vidět, že každý typ záření je spojen s nějakým široce používaným zařízením, které tento typ záření využívá. Takové vizualizace „fungují pro představivost“, v jistém smyslu nás „seznamují“ s určitým typem elektromagnetického záření.

Výjimkou je gama záření ( γ ), které je nejčastěji vizualizováno jetelem, který je symbolem radioaktivity. Gama záření se skutečně hojně využívá například v lékařské diagnostice, ale používané přístroje jsou mnohem méně běžné a méně známé než třeba rentgenový přístroj.

Definice:

Záření gama je krátkovlnné elektromagnetické záření o vlnové délce menší než 1 nm, což odpovídá energii fotonu asi 1 keV.

Vlastnosti

Gamma záření je elektromagnetická vlna o velmi vysoké energii, tzn. velmi krátká vlnová délka (obr. 2.). Běžně se uznává, že horní hranice délky gama vlny je 0,1 nm, což odpovídá minimální kvantové energii gama záření asi 0,1 MeV. Je třeba poznamenat, že neexistuje žádná přísná hranice mezi zářením gama a rentgenovým zářením, které má delší vlnovou délku a nižší energii než záření gama. Rozsahy obou typů elektromagnetických vln se částečně překrývají.

Rýže. 2. Elektromagnetické spektrum

Záření gama se stejně jako jiné druhy elektromagnetického záření šíří ve vakuu rychlostí světla, tzn. 3108 m/c

V případě gama záření je kvantová povaha záření nejzřetelnější. Ve všech pozorovaných jevech se gama fotony chovají jako částice s hybností. Přestože je gama záření elektromagnetické vlnění, pozorování vlnových jevů, jako je difrakce, je velmi obtížné.

Energie fotonů gama, E, je vyjádřena vzorcem: E=hf=hc / λ

kde h=6,610-34Js - Planckova konstanta, f - vlnová frekvence, λ - vlnová délka, c=3108m/s - rychlost světla.

Zdroje

Zdroje gama záření jsou také kolem nás. Naštěstí většinou nevyzařují takovou energii, která by nám mohla ublížit. V přírodě jsou jeho hlavními zdroji rozpady přírodních radioaktivních izotopů a kosmického záření.

Zdrojem gama záření jsou obvykle atomová jádra. Kvantum gama záření je emitováno atomovým jádrem v důsledku radioaktivního rozpadu. Vyzářením gama kvanta se jádro zbaví přebytečné energie a přejde z excitovaného stavu do základního.

Interakce s hmotou

Záření gama se nazývá ionizující záření. To znamená, že při interakci s hmotou je schopen ionizovat atomy a molekuly. Rozlišujeme tři hlavní procesy interakce gama záření s hmotou:

    Inherentní fotoelektrický jev, při kterém foton dopadající na látku předá veškerou svou energii elektronu na atomových obalech, čímž jej odtrhne od atomů nebo jej přesune na vyšší energetickou hladinu.
  1. Comptonův rozptyl (Comptonův jev), při kterém foton gama záření předá část své energie elektronu (obr. 3). Pohyb elektronu a fotonu po rozptylu se řídí principem zachování energie a hybnosti. Při jednom aktu interakce obvykle dojde k malé změně energie kvanta gama záření. Změna energie fotonu závisí na úhlu rozptylu ( θ ), tzn. úhel mezi vektorem rychlosti fotonu po rozptylu a před rozptylem. K maximálnímu přenosu energie dochází v důsledku zpětného rozptylu, to znamená, když se foton po rozptylu pohybuje v opačném směru než původní (θ=180°).

Comptonův jev je nepružný rozptyl fotonu nabitou částicí, obvykle elektronem, pojmenovaným po objeviteli Arthuru Holly Comptonovi. Pokud má rozptyl za následek snížení energie, protože část energie fotonu se přenese na odražený elektron, což odpovídá zvětšení vlnové délky fotonu (což může být rentgenový nebo gama foton), pak je tento proces nazýván Comptonův efekt

WikipedieRýže. 3. Comptonův diagram rozptylu

3. Tvorba elektron-pozitronových párů, která spočívá ve změně vysokoenergetického fotonu na pár částice-antičástice. Aby k procesu došlo, musí být energie kvanta gama záření větší než součet klidových hmotností částic, vynásobený c2Hmotnost elektronu, definovaná v jednotkách MeV / c2je 0,51. Takže limitní energie fotonu je asi 1,02 MeV.

Pravděpodobnost výskytu toho či onoho procesu závisí na energii fotonů gama záření a na materiálu, ve kterém k interakci dochází.Obrázek 4 ukazuje schéma podmínek, ve kterých určité, zmíněné procesy dominují. Na ose x je energie fotonu, na ose y je atomové číslo (číslo náboje) materiálu. V případě materiálů se středním a vysokým atomovým číslem dominuje fotoelektrický jev při nízkých energiích fotonů (pod cca 1 MeV), Comptonův jev dominuje při středních energiích fotonů (cca 1-5 MeV). Vysokoenergetická kvanta gama záření (nad 5 MeV) podléhají především tvorbě elektron-pozitronových párů.

Rýže. 4. Diagram podmínek, za kterých dominují tři hlavní procesy interakce elektromagnetického záření s hmotou

Záření gama se vyznačuje velmi vysokou pronikavou silou. Účinná absorpce fotonového paprsku vyžaduje použití silných obrazovek, obvykle vyrobených z olova nebo jiného materiálu s vysokou hustotou a atomovým číslem.

Ve všech těchto jevech se objevují vysokoenergetické elektrony, které dále ionizují hmotu.Výskyt jednoho z těchto jevů je náhodný. Foton gama záření může projít ve hmotě daleko a nebude absorbován. Pokud svazek gama paprsků prochází hmotou, některé fotony budou náhodně odstraněny z paprsku v důsledku jednoho z výše uvedených procesů, zatímco jiné se budou bez překážek pohybovat i tlustou vrstvou hmoty.

Absorpci fotonů gama ve hmotě lze přirovnat k řízení šílených řidičů, kteří se pohybují konstantní vysokou rychlostí a nezastavují na semaforech. Někteří z nich jsou kvůli nehodám rychle mimo provoz, ale někteří šťastlivci mohou ujet stovky kilometrů.

Ochrana a poškození před gama zářením

Záření gama je dlouhovlnné záření - dosah gama záření v látce je teoreticky nekonečný, ale v praxi dostatečnou ochranu poskytují olověné desky nebo mnoho metrů betonu.

Dlouhé gama záření pro nás může být problém, protože toto záření je pro živé organismy škodlivé.Je velmi pronikavý, snadno prochází celým tělem a ionizace způsobuje poškození buněk různých orgánů. Pokud dávka absorbovaného záření překročí určitou hodnotu, tzv. prahovou dávku, může dojít k nemoci z ozáření.

Ionizace způsobuje poškození buněk živých organismů. Proto je gama záření dostatečně vysoké intenzity pro organismy smrtelné. Gama záření je navíc velmi pronikavé a snadno prochází hustým vzduchem a většinou objektů kolem nás. Při kontaktu se zdroji gama záření je třeba dbát opatrnosti a nosit ochranné pomůcky, obvykle ve formě olověných destiček. Gama paprsky jsou nejlépe absorbovány materiály obsahujícími prvky s vysokým hmotnostním číslem, jako je olovo.

Gama záření však není žádný exotický jev, se kterým se v běžném životě nesetkáme. Gama záření pocházející z radioaktivních izotopů, které jsou velmi malé v každém objektu, stejně jako v našem těle, je neustále přítomno v prostředí.Gama záření také dopadá na zemský povrch z vesmíru a je součástí toho, co je známé jako kosmické záření. Záření kolem nás, známé jako záření pozadí, pro nás není škodlivé. Pouze vysoké dávky, kterým mohou být vystaveni například pracovníci v jaderných elektrárnách, jsou problémem a vyžadují zvláštní ochranu.

Záření gama vzniká uvnitř hvězd při fúzních reakcích lehkých jader na těžší. V tomto případě se uvolňuje obrovská energie, která je emitována zejména ve formě gama záření. K největším únikům gama záření dochází při velkých kosmických katastrofách, jako jsou srážky mezi neutronovými hvězdami nebo černými dírami nebo kolaps masivní hvězdy do černé díry při explozi supernovy. Takzvané gama záblesky, které dopadnou na Zemi, jsou výsledkem takových událostí.

Aplikace

Nukleární medicína, obor medicíny využívající radioaktivní izotopy k terapii a diagnostice, se v posledních letech rychle rozvíjí.Podívejte se na fotografii zařízení (obrázek 5) pro radioterapii na klinice v Heidelbergu (Německo). Vybavení v hodnotě 119 milionů eur zabírá obrovskou halu, vše pro pacienta, kterého vidíme v pravém dolním rohu, ležícího uvnitř obrovského aparátu. Nukleární medicína je rozsáhlý a zajímavý obor. Zde probereme některé aplikace gama záření v medicíně a dalších oblastech života.

Rýže. 5. Fakultní nemocnice Heidelberg

Nebezpečné vlastnosti gama záření můžeme využít také pro naše vlastní účely. Toto záření lze použít ke sterilizaci lékařského vybavení i potravinářských výrobků.

Sterilizace.

Sterilizace je zničení bakterií, plísní, hub, parazitů a patogenů pomocí ionizujícího záření. Při zákroku se využívá záření gama, vycházející z radioaktivního izotopu kob altu, nebo vysokoenergetické elektrony získané v urychlovačích.Druhy zdrojů záření a provozní řády pro radiační zařízení upravují mezinárodní normy. Zajišťují, aby ozářené potraviny neprodukovaly zdraví škodlivé látky. Potravinářské výrobky si déle uchovávají čerstvost, protože ozáření zabíjí mikroorganismy, které způsobují rozklad potravin.

Počítadla radioizotopů.

Jednou z nejběžnějších aplikací gama záření jsou radioizotopové čítače. Tato měřidla se používají k přesnému měření tloušťky materiálu, pokud toto měření nelze provést standardní metodou. Mezi ně patří absorpční měřiče, jejichž princip je založen na jevu absorpce záření gama.

Čím silnější je materiál, tím více je absorbován dopadající paprsek. Na jedné straně měřeného objektu je zdroj záření, například Top Index60Co umístěný na stínítku, a na druhé straně je detektor gama záření, který měří, kolik záření má prošel materiálem.Znalost závislosti absorpce gama záření na tloušťce materiálu umožňuje určit naměřenou tloušťku.

Rozsah měření tloušťky je velmi široký a pohybuje se od zlomků milimetru po několik centimetrů. Radioizotopové měřiče při měření nepřicházejí do styku s měřeným materiálem, což umožňuje měřit pohyblivé, vysokoteplotní, viskózní materiály, ale i materiály a zdravotnické prostředky, u kterých je důležité nekontaminovat vzorek při měření. . Kob altové gama záření60Co se používá také při detekci vad, která se zabývá odhalováním skrytých vad výrobků.

Nukleární medicína.

Velmi důležitou oblastí použití gama záření je medicína. Toto záření se používá jak pro léčbu rakoviny, tak pro diagnostiku. Jedná se o obor nukleární medicíny. Zařízení používaná v nukleární medicíně zahrnují:

  1. Kob altová bomba je zařízení používané k léčbě rakoviny a také ke sterilizaci výše uvedených potravin.Izotop kob altu60Co, který vyzařuje gama paprsky s energiemi 1,17 a 1,33 MeV, je umístěn v tlusté olověné obrazovce s kanály, které vydávají paprsek záření. Kob altová bomba může být také vybavena mechanismem pro manipulaci se vzorky na dálku, aniž by byl operátor vystaven radiaci.
  2. Gamma nůž je extrémně přesný lékařský přístroj používaný v radiochirurgii, tzn. operace mozku bez otevření lebky. Pro přesné provedení postupu je pacient imobilizován. Pomocí zobrazení, jako je počítačová tomografie, se určí umístění nádoru. Poté je do místa nádoru vysláno asi 200 paprsků gama záření, jehož zdrojem jsou kapsle obsahující radioaktivní kob alt60Co. Podstata metody spočívá v tom, že jednotlivé paprsky záření jsou dostatečně slabé na to, aby při průniku nepoškodily mozek. Na druhou stranu v přesně definovaném místě se dávka z jednotlivých paprsků sečte - její dávkový příkon je 200x vyšší než dávkový příkon z jednoho paprsku.Výsledkem je, že v oblasti nádoru záření dosáhne síly potřebné k zničení nádorových buněk. Riziko nežádoucích účinků je ve srovnání s tradiční neurochirurgií velmi nízké. Léčba navíc prakticky nevyžaduje zotavení. Pacienti, kteří podstoupili ozařování gama nožem, se den po zákroku vracejí do normálního života.
  3. Jednofotonová emisní počítačová tomografie (SPECT) je technika, která využívá gama záření k vytvoření prostorového obrazu jakékoli oblasti pacientova těla.

Vyšetření začíná zavedením radiofarmak do těla pacienta. Jedná se o chemické sloučeniny skládající se ze dvou prvků – radioaktivního izotopu a nosiče schopného ukládat se v tkáních a orgánech. Nosiče jsou zvláště intenzivně absorbovány rakovinnými buňkami uvnitř nádoru. Atomová jádra radioaktivního izotopu procházejí přeměnou, během níž vyzařují gama záření. Množství emitovaného záření závisí na obsahu radiofarmaka v příslušné oblasti.Z oblasti nádoru tak bude vyzařováno více gama paprsků než z jiných oblastí.

Emise je měřena přímo externím detektorem - gama kamerou. Prostorový obraz se získá otáčením kamery kolem oblasti zájmu pacienta. Snímky se shromažďují z postupných pozic sond, které se liší o několik stupňů. Měření se tedy provádějí s plnou rotací kolem pacienta. Pro urychlení procesu sběru dat se nejčastěji používají dvouhlavé kamery umístěné proti sobě. Měření provádějí současně, čímž se vyšetření urychlí dvakrát (obr. 6.). Všechny získané výsledky měření jsou následně podrobeny počítačovému zpracování, které umožňuje vytvořit trojrozměrný obraz studované oblasti.

Rýže. 6. SPECT stroj s dvouhlavou gama-kvantovou zobrazovací kamerou. Zdroj: [KieranMaher at English Wikibooks/Public domain]

Seznam referencí

    Kogan R.M., Nazarov I.M., Fridman Sh.D. Základy gama spektrometrie přírodních prostředí. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 233 s.
  1. Shirokov, Yu.M. Nukleární fyzika [Text] / Yu.M. Shirokov, N.P. Yudin // M.: Nauka. - 1980, 783 s.
  2. Bulavin L. A., Tartakovsky V. K. Jaderná fyzika. - K. : Knowledge, 2005. - 439 s.
  3. Teleskopy a detektory gama záření. NASA GSFC. Získáno 22. 11. 2011.
  4. Villard, P. (1900). „Sur la reflexion et la refraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium“. comptes rendus. 130:1010-1012. Viz též: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du radium. comptes rendus. 130: 1178-1179.
  5. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M. Fyzika. Třída 11. Učebnice pro všeobecně vzdělávací organizace M.: Vzdělávání, 2014. - S. 310 - 327, 346 - 350.

Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!

Kategorie:

Budova