Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Promieniowanie gamma to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali mniejszej niż 1 nm, co odpowiada energii fotonu około 1 keV.

Proste wyjaśnienie

Jednym z najciekawszych zjawisk obserwowanych we wszechświecie są rozbłyski gamma. Są to krótkie impulsy promieni gamma, które średnio raz dziennie pojawiają się gdzieś na niebie. Źródła rozbłysków gamma znajdują się miliardy lat świetlnych od Ziemi i są najpotężniejszymi eksplozjami we wszechświecie. Zwykle uwalniają więcej energii w ciągu zaledwie kilku sekund niż nasze Słońce przez całe swoje życie.Uważa się, że rozbłyski gamma powstają w wyniku eksplozji bardzo masywnych gwiazd - supernowych - które zapadają się w czarną dziurę.

Ryż. 1. Reprezentuje eksplozję supernowej. Źródło: [ESA/Hubble/CCBY]

Poniższy materiał pomoże Ci lepiej zrozumieć czym jest promieniowanie gamma, jakie ma właściwości, jak powstaje i jak oddziałuje z materią.

Patrząc na wizualizację widma promieniowania elektromagnetycznego, można zauważyć, że każdy rodzaj promieniowania jest powiązany z jakimś szeroko stosowanym urządzeniem, które wykorzystuje ten rodzaj promieniowania. Takie wizualizacje "działają na wyobraźnię" , niejako "zaznajamiają" nas z pewnym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego.

Wyjątkiem jest promieniowanie gamma (γ), które najczęściej wizualizowane jest za pomocą koniczyny, będącej symbolem radioaktywności. Promieniowanie gamma jest rzeczywiście szeroko stosowane np. w diagnostyce medycznej, ale używane urządzenia są znacznie mniej powszechne i mniej znane niż np. aparat rentgenowski.

Definicja:

Promieniowanie gamma to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali mniejszej niż 1 nm, co odpowiada energii fotonu około 1 keV.

Właściwości

Promieniowanie gamma to fala elektromagnetyczna o bardzo dużej energii, tj. bardzo krótkiej długości fali (Rys. 2.). Umownie przyjmuje się, że górna granica długości fali gamma wynosi 0,1 nm, co odpowiada minimalnej energii kwantowej promieniowania gamma wynoszącej około 0,1 MeV. Należy zauważyć, że nie ma ścisłej granicy między promieniowaniem gamma a promieniowaniem rentgenowskim, które ma dłuższą długość fali i niższą energię niż promieniowanie gamma. Zasięgi obu rodzajów fal elektromagnetycznych częściowo się pokrywają.

Ryż. 2. Widmo elektromagnetyczne

Promieniowanie gamma, podobnie jak inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, rozchodzi się w próżni z prędkością światła, tj. 3108 m/c

W przypadku promieniowania gamma kwantowa natura promieniowania staje się najbardziej oczywista. We wszystkich obserwowanych zjawiskach fotony gamma zachowują się jak cząstki z pędem. Chociaż promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną, obserwacja zjawisk falowych, takich jak dyfrakcja, jest bardzo trudna.

Energia fotonów gamma, E, wyraża się wzorem: E=hf=hc / λ

gdzie h=6,610-34Js - stała Plancka, f - częstotliwość fali, λ - długość fali, c=3108m/s - prędkość światła.

Źródła

Źródła promieniowania gamma są też wokół nas. Na szczęście zwykle nie promieniują taką energią, która mogłaby nam zaszkodzić. W przyrodzie jego głównymi źródłami są rozpady naturalnych izotopów promieniotwórczych oraz promieniowanie kosmiczne.

Źródłem promieniowania gamma są zazwyczaj jądra atomowe. Kwant promieniowania gamma jest emitowany przez jądro atomowe w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Emitując kwant gamma, jądro pozbywa się nadmiaru energii i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

Interakcja z materią

Promieniowanie gamma nazywane jest promieniowaniem jonizującym. Oznacza to, że oddziałując z materią, jest w stanie jonizować atomy i cząsteczki. Wyróżniamy trzy główne procesy oddziaływania promieniowania gamma z materią:

    Wrodzony efekt fotoelektryczny, w którym foton padając na substancję przekazuje całą swoją energię elektronowi na powłokach atomowych, odrywając go od atomów lub przenosząc na wyższy poziom energetyczny.
  1. Rozpraszanie Comptona (efekt Comptona), w którym foton promieniowania gamma przekazuje część swojej energii elektronowi (Rys. 3). Ruch elektronu i fotonu po rozproszeniu podlega zasadzie zachowania energii i pędu. W jednym akcie interakcji zwykle następuje niewielka zmiana energii kwantu promieniowania gamma. Zmiana energii fotonu zależy od kąta rozpraszania ( θ ), tj. kąt między wektorem prędkości fotonu po rozproszeniu i przed rozproszeniem. Maksymalny transfer energii następuje w wyniku wstecznego rozproszenia, czyli gdy foton po rozproszeniu porusza się w kierunku przeciwnym do pierwotnego ( θ=180° ).

Efekt Comptona to nieelastyczne rozpraszanie fotonu przez naładowaną cząstkę, zwykle elektron, nazwany na cześć odkrywcy Arthura Holly Comptona. Jeśli rozpraszanie skutkuje spadkiem energii, ponieważ część energii fotonu jest przekazywana do odbitego elektronu, co odpowiada zwiększeniu długości fali fotonu (którym może być foton rentgenowski lub gamma), to proces ten jest zwany efektem Comptona

WikipediaRyż. 3. Diagram rozpraszania Comptona

3. Tworzenie par elektron-pozyton, które polega na zamianie wysokoenergetycznego fotonu w parę cząstka-antycząstka. Aby proces zaszedł, energia kwantu promieniowania gamma musi być większa niż suma mas spoczynkowych cząstek pomnożona przez c2Masa elektronu, zdefiniowana w jednostkach MeV / c2wynosi 0,51. Zatem graniczna energia fotonu wynosi około 1,02 MeV.

Prawdopodobieństwo wystąpienia tego lub innego procesu zależy od energii fotonów promieniowania gamma oraz od materiału, w którym zachodzi interakcja.Na rycinie 4 przedstawiono schemat warunków, w których dominują określone, wymienione procesy. Oś x to energia fotonu, oś y to liczba atomowa (liczba ładunków) materiału. W przypadku materiałów o średniej i dużej liczbie atomowej efekt fotoelektryczny dominuje przy małych energiach fotonów (poniżej około 1 MeV), efekt Comptona dominuje przy średnich energiach fotonów (około 1-5 MeV). Wysokoenergetyczne kwanty promieniowania gamma (powyżej 5 MeV) podlegają głównie tworzeniu się par elektron-pozyton.

Ryż. 4. Schemat warunków, w których dominują trzy główne procesy oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią

Promieniowanie gamma charakteryzuje się bardzo dużą siłą przenikania. Efektywna absorpcja wiązki fotonów wymaga zastosowania grubych ekranów, zwykle wykonanych z ołowiu lub innego materiału o dużej gęstości i liczbie atomowej.

We wszystkich tych zjawiskach pojawiają się wysokoenergetyczne elektrony, które dodatkowo jonizują materię.Wystąpienie jednego z tych zjawisk jest przypadkowe. Foton promieniowania gamma może przejść długą drogę w materii i nie zostać wchłonięty. Jeśli wiązka promieni gamma przechodzi przez materię, część fotonów zostanie przypadkowo usunięta z wiązki w wyniku jednego z powyższych procesów, podczas gdy inne będą poruszać się bez przeszkód nawet przez grubą warstwę materii.

Absorpcję fotonów promieniowania gamma w materii można porównać do jazdy szalonych kierowców, którzy poruszają się ze stałą dużą prędkością i nie zatrzymują się na światłach. Niektóre z nich szybko znikają z ruchu z powodu wypadków, ale niektórzy szczęśliwcy mogą przebyć setki kilometrów.

Ochrona i szkody przed promieniowaniem gamma

Promieniowanie gamma to promieniowanie długofalowe - zasięg promieniowania gamma w substancji jest teoretycznie nieskończony, ale w praktyce wystarczającą ochronę zapewniają ołowiane płyty lub wiele metrów betonu.

Promieniowanie gamma dalekiego zasięgu może być dla nas problemem, ponieważ jest to promieniowanie szkodliwe dla organizmów żywych.Jest bardzo penetrujący, łatwo przenika przez całe ciało, a jonizacja powoduje uszkodzenia komórek różnych narządów. Jeśli dawka pochłoniętego promieniowania przekroczy pewną wartość, zwaną dawką progową, może wystąpić choroba popromienna.

Jonizacja powoduje uszkodzenia komórek żywych organizmów. Dlatego promieniowanie gamma o odpowiednio dużym natężeniu jest zabójcze dla organizmów. Ponadto promieniowanie gamma jest bardzo przenikliwe i łatwo przechodzi przez gęste powietrze i większość obiektów wokół nas. Należy zachować ostrożność podczas kontaktu ze źródłami promieniowania gamma i nosić sprzęt ochronny, zwykle w postaci ołowianych płyt. Promienie gamma najlepiej pochłaniają materiały zawierające pierwiastki o dużej liczbie masowej, takie jak ołów.

Promieniowanie gamma nie jest jednak zjawiskiem egzotycznym, z którym nie spotykamy się na co dzień. Promieniowanie gamma pochodzące od izotopów promieniotwórczych, które są bardzo małe w każdym obiekcie, a także w naszym ciele, jest stale obecne w środowisku.Promieniowanie gamma dociera również do powierzchni Ziemi z kosmosu i jest składnikiem tzw. promieniowania kosmicznego. Otaczające nas promieniowanie, zwane promieniowaniem tła, nie jest dla nas szkodliwe. Tylko wysokie dawki, na które mogą być narażeni np. pracownicy elektrowni jądrowych, stanowią problem i wymagają szczególnej ochrony.

Promieniowanie gamma powstaje wewnątrz gwiazd w reakcjach syntezy lekkich jąder w cięższe. W tym przypadku uwalniana jest ogromna energia, która jest emitowana w szczególności w postaci promieniowania gamma. Największe emisje promieni gamma mają miejsce podczas wielkich katastrof kosmicznych, takich jak zderzenia gwiazd neutronowych lub czarnych dziur lub zapadnięcie się masywnej gwiazdy w czarną dziurę podczas wybuchu supernowej. Skutkiem takich zdarzeń są tak zwane rozbłyski promieniowania gamma, które docierają do Ziemi.

Aplikacja

Medycyna nuklearna, dziedzina medycyny wykorzystująca izotopy promieniotwórcze w terapii i diagnostyce, rozwija się w ostatnich latach bardzo dynamicznie.Spójrz na zdjęcie sprzętu (ryc. 5) do radioterapii w klinice w Heidelbergu (Niemcy). Sprzęt o wartości 119 milionów euro zajmuje ogromną salę, a wszystko dla pacjenta, którego widzimy w prawym dolnym rogu, leżącego wewnątrz ogromnego aparatu. Medycyna nuklearna to rozległa i interesująca dziedzina. Tutaj omówimy niektóre zastosowania promieniowania gamma w medycynie i innych dziedzinach życia.

Ryż. 5. Szpital Uniwersytecki w Heidelbergu

Możemy też wykorzystać niebezpieczne właściwości promieniowania gamma do własnych celów. Promieniowanie to może być wykorzystywane do sterylizacji sprzętu medycznego, a także produktów spożywczych.

Sterylizacja.

Sterylizacja to niszczenie bakterii, pleśni, grzybów, pasożytów i patogenów za pomocą promieniowania jonizującego. Podczas zabiegu wykorzystywane jest promieniowanie gamma, pochodzące od radioaktywnego izotopu kob altu, czy wysokoenergetyczne elektrony pozyskiwane w akceleratorach.Rodzaje źródeł promieniowania i zasady działania urządzeń radiacyjnych regulują normy międzynarodowe. Zapewniają, że napromieniowana żywność nie wytwarza substancji szkodliwych dla zdrowia. Produkty spożywcze dłużej zachowują świeżość, ponieważ napromieniowanie zabija mikroorganizmy powodujące rozkład żywności.

Liczniki radioizotopów.

Jednym z najczęstszych zastosowań promieniowania gamma są liczniki radioizotopów. Mierniki te służą do dokładnego pomiaru grubości materiału, gdy pomiar ten nie może być wykonany standardową metodą. Należą do nich mierniki absorpcji, których zasada działania opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania gamma.

Im grubszy materiał, tym bardziej pochłaniana jest padająca wiązka. Po jednej stronie mierzonego obiektu znajduje się źródło promieniowania, np. Top Index60Co umieszczone w ekranie, a po drugiej stronie detektor promieniowania gamma mierzący ilość promieniowania przeszedł przez materiał.Znajomość zależności absorpcji promieniowania gamma od grubości materiału pozwala na wyznaczenie zmierzonej grubości.

Zakres pomiaru grubości jest bardzo szeroki i waha się od ułamków milimetra do kilku centymetrów. Mierniki radioizotopowe nie stykają się z mierzonym materiałem podczas pomiaru, co umożliwia pomiar materiałów ruchomych, wysokotemperaturowych, lepkich, a także materiałów i wyrobów medycznych, dla których ważne jest, aby nie zanieczyścić próbki podczas pomiaru . Promieniowanie gamma kob altu60Co jest również wykorzystywane w defektoskopii, która zajmuje się wykrywaniem ukrytych wad produktów.

Medycyna nuklearna.

Bardzo ważną dziedziną zastosowania promieniowania gamma jest medycyna. Promieniowanie to jest wykorzystywane zarówno w leczeniu, jak i diagnostyce raka. Jest to gałąź medycyny zwana medycyną nuklearną. Urządzenia stosowane w medycynie nuklearnej to:

  1. Bomba kob altowa jest urządzeniem służącym do leczenia raka, a także do sterylizacji wspomnianej powyżej żywności.Izotop kob altu60Co, który emituje promienie gamma o energiach 1,17 i 1,33 MeV, jest umieszczony w grubym ołowianym ekranie z kanałami wyprowadzającymi wiązkę promieniowania. Bombę kob altową można również wyposażyć w mechanizm umożliwiający zdalne manipulowanie próbkami bez narażania operatora na promieniowanie.
  2. Gamma Knife to niezwykle precyzyjny wyrób medyczny stosowany w radiochirurgii tj. operacja mózgu bez otwierania czaszki. Aby dokładnie wykonać zabieg, pacjent jest unieruchomiony. Za pomocą obrazowania, takiego jak tomografia komputerowa, określa się lokalizację guza. Następnie w miejsce guza wysyłanych jest około 200 wiązek promieniowania gamma, którego źródłem są kapsułki zawierające radioaktywny kob alt60Co. Istota metody polega na tym, że poszczególne wiązki promieniowania są na tyle słabe, że nie uszkodzą mózgu podczas penetracji. Z kolei w ściśle określonym miejscu sumuje się dawka z poszczególnych wiązek – jej moc dawkowania jest 200 razy większa niż moc dawki z jednej wiązki.W efekcie w obszarze guza promieniowanie osiąga moc niezbędną do zniszczenia komórek nowotworowych. Ryzyko wystąpienia działań niepożądanych jest bardzo niskie w porównaniu z tradycyjną neurochirurgią. Ponadto leczenie praktycznie nie wymaga rekonwalescencji. Pacjenci poddani naświetlaniu nożem gamma wracają do normalnego życia dzień po zabiegu.
  3. Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT) to technika wykorzystująca promieniowanie gamma do stworzenia przestrzennego obrazu dowolnego obszaru ciała pacjenta.

Badanie rozpoczyna się wprowadzeniem radiofarmaceutyków do organizmu pacjenta. Są to związki chemiczne składające się z dwóch pierwiastków – izotopu promieniotwórczego oraz nośnika zdolnego do odkładania się w tkankach i narządach. Nośniki są szczególnie intensywnie wchłaniane przez komórki nowotworowe wewnątrz guza. Jądra atomowe izotopu promieniotwórczego przechodzą przemianę, podczas której emitują promienie gamma. Ilość emitowanego promieniowania zależy od zawartości radiofarmaceutyku w danym obszarze.W ten sposób więcej promieni gamma zostanie wyemitowanych z obszaru guza niż z innych obszarów.

Emisja jest mierzona bezpośrednio za pomocą zewnętrznego detektora - kamery gamma. Obraz przestrzenny uzyskuje się obracając kamerę wokół obszaru zainteresowania pacjenta. Obrazy są zbierane z kolejnych pozycji sondy, które różnią się o kilka stopni. W ten sposób pomiary są wykonywane przy pełnym obrocie wokół pacjenta. Aby przyspieszyć proces zbierania danych, najczęściej stosuje się kamery dwugłowicowe umieszczone naprzeciw siebie. Dokonują pomiarów jednocześnie, co dwukrotnie przyspiesza badanie (ryc. 6.). Wszystkie uzyskane wyniki pomiarów poddawane są następnie obróbce komputerowej, która pozwala na stworzenie trójwymiarowego obrazu badanego obszaru.

Ryż. 6. Maszyna SPECT z dwugłowicową kamerą do obrazowania gamma-kwantowego. Źródło: [KieranMaher z angielskich Wikibooks/domena publiczna]

Powiązane referencje

    Kogan RM, Nazarov IM, Fridman Sh.D. Podstawy spektrometrii gamma środowisk naturalnych. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 233 s.
  1. Shirokov, Yu.M. Fizyka jądrowa [Tekst] / Yu.M. Shirokov, N.P. Yudin // M.: Nauka. - 1980, 783 s.
  2. Bulavin LA, Tartakovsky VK Fizyka jądrowa. - K. : Wiedza, 2005. - 439 s.
  3. Teleskopy i detektory promieniowania gamma. NASA GSFC. Źródło 2011-11-22.
  4. Villard, P. (1900). „Sur la reflexion et la refraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium”. rendusy konkursowe. 130:1010-1012. Zobacz także: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du radium. rendusy konkursowe. 130: 1178-1179.
  5. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M. Fizyka Klasa 11. Podręcznik dla ogólnokształcących organizacji edukacyjnych M.: Edukacja, 2014. - S. 310 - 327, 346 - 350.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Budynek