Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!

Gama zračenje je elektromagnetsko zračenje kratke valne duljine s valnom duljinom manjom od 1 nm, što odgovara energiji fotona od oko 1 keV.

Jednostavno objašnjenje

Jedan od najzanimljivijih fenomena opaženih u svemiru su izboji gama zraka. Riječ je o kratkim impulsima gama zraka koji se u prosjeku jednom dnevno pojavljuju negdje na nebu. Izvori izboja gama zraka nalaze se milijardama svjetlosnih godina od Zemlje i najsnažnije su eksplozije u svemiru. Oni obično oslobode više energije u samo nekoliko sekundi nego naše Sunce u cijelom svom životu.Vjeruje se da su eksplozije gama zraka rezultat eksplozija vrlo masivnih zvijezda - supernova - koje kolabiraju u crnu rupu.

Riža. 1. Tako predstavlja eksploziju supernove. Izvor: [ESA/Hubble/CCBY]

Materijal u nastavku pomoći će vam da bolje razumijete što je gama zračenje, koja su njegova svojstva, kako nastaje i u kakvoj je interakciji s materijom.

Gledajući vizualizaciju spektra elektromagnetskog zračenja, možete vidjeti da je svaka vrsta zračenja povezana s nekim široko korištenim uređajem koji koristi ovu vrstu zračenja. Takve vizualizacije "rade za maštu" , na neki način nas "upoznaju" s određenom vrstom elektromagnetskog zračenja.

Iznimka je gama zračenje (γ) koje se najčešće vizualizira djetelinom koja je simbol radioaktivnosti. Gama zračenje se doista široko koristi, primjerice, u medicinskoj dijagnostici, ali uređaji koji se koriste mnogo su rjeđi i manje poznati od, recimo, rendgenskog aparata.

Definicija:

Gama zračenje je elektromagnetsko zračenje kratke valne duljine s valnom duljinom manjom od 1 nm, što odgovara energiji fotona od oko 1 keV.

Svojstva

Gama zračenje je elektromagnetski val vrlo visoke energije, tj. vrlo kratke valne duljine (slika 2.). Konvencionalno je prihvaćeno da je gornja granica duljine gama vala 0,1 nm, što odgovara minimalnoj kvantnoj energiji gama zračenja od oko 0,1 MeV. Treba napomenuti da ne postoji stroga granica između gama zračenja i x-zraka, koje imaju dužu valnu duljinu i nižu energiju od gama zračenja. Rasponi obje vrste elektromagnetskih valova djelomično se preklapaju.

Riža. 2. Elektromagnetski spektar

Gama zračenje, kao i druge vrste elektromagnetskog zračenja, širi se u vakuumu brzinom svjetlosti, tj. 3108 m/c

U slučaju gama zračenja, kvantna priroda zračenja postaje najočitija. U svim promatranim pojavama gama fotoni se ponašaju kao čestice s količinom gibanja. Iako je gama zračenje elektromagnetski val, vrlo je teško promatrati valne pojave kao što je difrakcija.

Energija gama fotona, E, izražava se formulom: E=hf=hc / λ

gdje je h=6,610-34Js - Planckova konstanta, f - valna frekvencija, λ - valna duljina, c=3108m/s - brzina svjetlosti.

Izvori

Izvori gama zračenja također su oko nas. Srećom, obično ne zrače takvom energijom koja bi nam mogla naškoditi. U prirodi su njegovi glavni izvori raspadi prirodnih radioaktivnih izotopa i kozmičko zračenje.

Izvor gama zračenja obično su atomske jezgre. Kvant gama zraka emitira atomska jezgra kao rezultat radioaktivnog raspada. Emitiranjem gama kvanta jezgra se oslobađa viška energije i prelazi iz pobuđenog stanja u osnovno stanje.

Interakcija s materijom

Gama zračenje naziva se ionizirajuće zračenje. To znači da, u interakciji s materijom, može ionizirati atome i molekule. Razlikujemo tri glavna procesa interakcije gama zračenja s materijom:

    Inherentni fotoelektrični učinak, u kojem foton koji pada na tvar prenosi svu svoju energiju na elektron na atomskim ljuskama, odvajajući ga od atoma ili pomičući na višu energetsku razinu.
  1. Comptonovo raspršenje (Comptonov efekt), u kojem foton gama zraka predaje dio svoje energije elektronu (slika 3). Gibanje elektrona i fotona nakon raspršenja pokorava se principu održanja energije i količine gibanja. U jednom činu međudjelovanja obično se dogodi mala promjena energije kvanta gama zraka. Promjena energije fotona ovisi o kutu raspršenja ( θ ), tj. kut između vektora brzine fotona nakon raspršenja i prije raspršenja. Maksimalni prijenos energije nastaje kao rezultat povratnog raspršenja, odnosno kada se foton nakon raspršenja kreće u smjeru suprotnom od izvornog ( θ=180° ).

Comptonov efekt je neelastično raspršenje fotona na nabijenoj čestici, obično elektronu, nazvano po otkrivaču Arthuru Hollyju Comptonu. Ako raspršenje rezultira smanjenjem energije, budući da se dio energije fotona prenosi na reflektirani elektron, što odgovara povećanju valne duljine fotona (koji može biti rendgenski ili gama foton), tada je ovaj proces zove se Compton efekt

WikipediaRiža. 3. Comptonov dijagram raspršenja

3. Stvaranje parova elektron-pozitron, koje se sastoji u promjeni fotona visoke energije u par čestica-antičestica. Da bi se proces dogodio, energija kvanta gama zraka mora biti veća od zbroja masa mirovanja čestica, pomnoženog s c2Masa elektrona, definirana u jedinicama MeV / c2je 0,51. Dakle, granična energija fotona je oko 1,02 MeV.

Vjerojatnost pojave ovog ili onog procesa ovisi o energiji fotona gama zračenja i o materijalu u kojem se odvija interakcija.Slika 4. prikazuje dijagram uvjeta u kojima dominiraju pojedini, navedeni procesi. X-os je energija fotona, y-os je atomski broj (broj naboja) materijala. U slučaju materijala sa srednjim i visokim atomskim brojem, fotoelektrični efekt dominira pri niskim energijama fotona (ispod oko 1 MeV), Comptonov efekt dominira pri srednjim energijama fotona (oko 1-5 MeV). Kvanti gama zraka visoke energije (iznad 5 MeV) uglavnom su podložni stvaranju parova elektron-pozitron.

Riža. 4. Dijagram uvjeta u kojima dominiraju tri glavna procesa interakcije elektromagnetskog zračenja s materijom

Gama zračenje karakterizira vrlo velika moć prodora. Učinkovita apsorpcija snopa fotona zahtijeva upotrebu debelih zaslona, obično izrađenih od olova ili drugog materijala visoke gustoće i atomskog broja.

U svim ovim pojavama pojavljuju se elektroni visoke energije koji dodatno ioniziraju materiju.Pojava jednog od ovih fenomena je slučajna. Foton gama zraka može prijeći dug put u materiji i ne biti apsorbiran. Ako snop gama zraka prođe kroz materiju, neki od fotona će biti nasumično uklonjeni iz snopa kao rezultat jednog od gore navedenih procesa, dok će se drugi kretati neometano čak i kroz debeli sloj materije.

Apsorpcija fotona gama zraka u materiji može se usporediti s vožnjom ludih vozača koji se kreću konstantno velikom brzinom i ne staju na semaforu. Neki od njih brzo budu izvan prometa zbog nesreća, ali neki sretnici mogu putovati stotinama kilometara.

Zaštita i šteta od gama zračenja

Gama zračenje je zračenje dugih valnih duljina - raspon gama zračenja u tvari je teoretski beskonačan, ali u praksi dovoljnu zaštitu pružaju olovne ploče ili mnogo metara betona.

Gama zračenje dugog dometa može nam predstavljati problem, jer je to zračenje štetno za žive organizme.Vrlo je prodoran, lako prolazi cijelim tijelom, a ioniziranjem dolazi do oštećenja stanica raznih organa. Ako doza apsorbiranog zračenja prijeđe određenu vrijednost, koja se naziva prag doze, može doći do radijacijske bolesti.

Ionizacija uzrokuje oštećenje stanica živih organizama. Stoga je gama zračenje dovoljno visokog intenziteta pogubno za organizme. Osim toga, gama zračenje je vrlo prodorno i lako prolazi kroz gusti zrak i većinu predmeta oko nas. Treba biti oprezan pri doticaju s izvorima gama zračenja i nositi zaštitnu opremu, obično u obliku olovnih ploča. Gama zrake najbolje apsorbiraju materijali koji sadrže elemente velike mase kao što je olovo.

Međutim, gama zračenje nije egzotična pojava s kojom se ne susrećemo u svakodnevnom životu. Gama zračenje koje dolazi od radioaktivnih izotopa kojih ima vrlo malo u svakom predmetu, pa tako iu našem tijelu, stalno je prisutno u okolišu.Gama zračenje također dopire do površine Zemlje iz svemira i sastavni je dio onoga što je poznato kao kozmičko zračenje. Zračenje oko nas, poznato kao pozadinsko zračenje, nije štetno za nas. Problem predstavljaju samo visoke doze kojima mogu biti izloženi npr. radnici u nuklearnim elektranama i zahtijevaju posebnu zaštitu.

Gama zračenje nastaje unutar zvijezda u reakcijama fuzije lakih jezgri u teže. U ovom slučaju oslobađa se ogromna energija, koja se emitira, posebno, u obliku gama zračenja. Najveće oslobađanje gama zraka događa se tijekom velikih kozmičkih katastrofa, poput sudara neutronskih zvijezda ili crnih rupa ili kolapsa masivne zvijezde u crnu rupu u eksploziji supernove. Takozvane baklje gama zraka koje dopiru do Zemlje rezultat su takvih događaja.

Prijava

Nuklearna medicina, grana medicine koja koristi radioaktivne izotope za terapiju i dijagnostiku, posljednjih se godina ubrzano razvija.Pogledajte fotografiju opreme (Slika 5) za radioterapiju u klinici u Heidelbergu (Njemačka). Oprema vrijedna 119 milijuna eura zauzima golemu dvoranu, a sve za pacijenta kojeg vidimo u donjem desnom kutu kako leži unutar ogromnog aparata. Nuklearna medicina je veliko i zanimljivo područje. Ovdje ćemo raspravljati o nekim primjenama gama zračenja u medicini i drugim područjima života.

Riža. 5. Sveučilišna bolnica Heidelberg

Opasna svojstva gama zračenja možemo koristiti i za vlastite potrebe. Ovo zračenje može se koristiti za sterilizaciju medicinske opreme, kao i prehrambenih proizvoda.

Sterilizacija.

Sterilizacija je uništavanje bakterija, plijesni, gljivica, parazita i patogena pomoću ionizirajućeg zračenja. Tijekom postupka koristi se gama zračenje koje proizlazi iz radioaktivnog izotopa kob alta ili visokoenergetskih elektrona dobivenih u akceleratorima.Vrste izvora zračenja i pravila rada za opremu za zračenje regulirana su međunarodnim standardima. Oni osiguravaju da ozračena hrana ne proizvodi tvari štetne za zdravlje. Prehrambeni proizvodi dulje zadržavaju svježinu jer zračenje ubija mikroorganizme koji uzrokuju raspadanje hrane.

Brojači radioizotopa.

Jedna od najčešćih primjena gama zračenja su brojači radioizotopa. Ovi se mjerači koriste za točno mjerenje debljine materijala kada se to mjerenje ne može izvršiti standardnom metodom. Tu spadaju apsorpcijski mjerači čiji se princip temelji na fenomenu apsorpcije gama zračenja.

Što je materijal deblji, to se upadna zraka više apsorbira. S jedne strane mjerenog objekta nalazi se izvor zračenja, na primjer, Top Index60Co postavljen na zaslon, a s druge strane je detektor gama zraka koji mjeri koliko zračenja ima prošao kroz materijal.Poznavanje ovisnosti apsorpcije gama zračenja o debljini materijala omogućuje određivanje izmjerene debljine.

Raspon mjerenja debljine je vrlo širok i varira od djelića milimetra do nekoliko centimetara. Radioizotopni mjerači tijekom mjerenja ne dolaze u kontakt s mjerenim materijalom, što omogućuje mjerenje pokretnih, visokotemperaturnih, viskoznih materijala, kao i materijala i medicinskih uređaja za koje je važno da tijekom mjerenja ne kontaminiraju uzorak. . Kob altno gama zračenje60Co također se koristi u detekciji grešaka, koja se bavi otkrivanjem skrivenih nedostataka u proizvodima.

Nuklearna medicina.

Vrlo važno područje primjene gama zračenja je medicina. Ovo zračenje koristi se i za liječenje i za dijagnozu raka. To je grana medicine koja se naziva nuklearna medicina. Uređaji koji se koriste u nuklearnoj medicini uključuju:

  1. Kob altna bomba je uređaj koji se koristi za liječenje raka kao i za sterilizaciju gore spomenute hrane.Izotop kob alta60Co, koji emitira gama zrake s energijama od 1,17 i 1,33 MeV, smješten je u debeli olovni zaslon s kanalima koji emitiraju zraku zračenja. Kob altna bomba također može biti opremljena mehanizmom za upravljanje uzorcima na daljinu bez izlaganja operatera radijaciji.
  2. Gama nož je izuzetno precizan medicinski uređaj koji se koristi u radiokirurgiji, tj. operacija mozga bez otvaranja lubanje. Za točno izvođenje postupka, pacijent je imobiliziran. Uz pomoć snimanja, kao što je kompjutorizirana tomografija, određuje se mjesto tumora. Zatim se na mjesto tumora šalje oko 200 snopova gama zračenja, čiji su izvor kapsule koje sadrže radioaktivni kob alt60Co. Bit metode leži u činjenici da su pojedinačne zrake zračenja dovoljno slabe da ne oštećuju mozak tijekom prodiranja. S druge strane, na točno određenom mjestu zbraja se doza iz pojedinih snopova - njegova doza je 200 puta veća od doze iz jednog snopa.Kao rezultat toga, u području tumora zračenje postiže snagu potrebnu za uništavanje stanica tumora. Rizik od nuspojava vrlo je nizak u usporedbi s tradicionalnom neurokirurgijom. Osim toga, liječenje praktički ne zahtijeva oporavak. Pacijenti koji su bili podvrgnuti zračenju gama nožem vraćaju se u normalan život dan nakon zahvata.
  3. Single photon emission computed tomography (SPECT) je tehnika koja koristi gama zračenje za stvaranje prostorne slike bilo kojeg područja pacijentova tijela.

Pregled započinje unošenjem radiofarmaka u tijelo pacijenta. To su kemijski spojevi koji se sastoje od dva elementa - radioaktivnog izotopa i nosača koji se mogu taložiti u tkivima i organima. Nosače posebno intenzivno apsorbiraju stanice raka unutar tumora. Atomske jezgre radioaktivnog izotopa prolaze kroz transformaciju tijekom koje emitiraju gama zrake. Količina emitiranog zračenja ovisi o sadržaju radiofarmaka u dotičnom području.Stoga će više gama zraka biti emitirano iz područja tumora nego iz drugih područja.

Emisija se mjeri izravno vanjskim detektorom - gama kamerom. Prostorna slika se dobiva rotiranjem kamere oko područja interesa pacijenta. Slike se prikupljaju iz uzastopnih položaja sonde koji se razlikuju za nekoliko stupnjeva. Stoga se mjerenja izvode s punom rotacijom oko pacijenta. Kako bi se ubrzao proces prikupljanja podataka, najčešće se koriste dvoglave kamere smještene jedna nasuprot druge. Mjerenja rade istovremeno, što duplo ubrzava pregled (slika 6.). Svi dobiveni rezultati mjerenja zatim se podvrgavaju računalnoj obradi, što omogućuje stvaranje trodimenzionalne slike područja koje se proučava.

Riža. 6. SPECT aparat s dvoglavom gama-kvantnom slikovnom kamerom. Izvor: [KieranMaher na engleskom Wikibooks/Public domain]

Popis referenci

    Kogan R.M., Nazarov I.M., Fridman Sh.D. Osnove gama spektrometrije prirodnih okruženja. - M. : Energoatomizdat, 1991. - 233 str.
  1. Shirokov, Yu.M. Nuklearna fizika [Tekst] / Yu.M. Shirokov, N.P. Yudin // M.: Nauka. - 1980, 783 str.
  2. Bulavin L. A., Tartakovsky V. K. Nuklearna fizika. - K. : Knowledge, 2005. - 439 str.
  3. Teleskopi i detektori gama zraka. NASA GSFC. Preuzeto 22.11.2011.
  4. Villard, P. (1900). "Sur la refleksija et la refraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium" . comptes rendus. 130:1010-1012. Vidi također: Villard, P. (1900). Sur le rayonnement du radium. comptes rendus. 130: 1178-1179.
  5. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M. Fizika.11.razred. Udžbenik za općeobrazovne organizacije M.: Obrazovanje, 2014. - S. 310 - 327, 346 - 350.

Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!

Kategorija:

Zgrada