Гамма -лучи , также известные как гамма-излучение (символ γ или ), представляют собой проникающую форму электромагнитного излучения , возникающего в результате радиоактивного распада атомных ядер . Он состоит из электромагнитных волн с самой короткой длиной волны, обычно короче, чем у рентгеновских лучей . С частотами выше 30 экзагерц (3 × 10 19 Гц ), он передает наибольшую энергию фотонам . Поль Виллар , французский химик и физик , открыл гамма-излучение в 1900 году, изучая излучение, испускаемое радием . В 1903 году Эрнест Резерфорд назвал это излучение гамма-лучами , поскольку они относительно сильно проникают в материю ; в 1900 году он уже назвал два менее проникающих типа распадного излучения (открытых Анри Беккерелем ) альфа-лучи и бета-лучи в порядке возрастания проникающей способности.
Гамма-лучи радиоактивного распада находятся в диапазоне энергий от нескольких килоэлектронвольт ( кэВ ) до примерно 8 мегаэлектронвольт ( МэВ ), что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно длительным временем жизни. Энергетический спектр гамма-лучей можно использовать для идентификации распадающихся радионуклидов с помощью гамма-спектроскопии . Гамма-лучи очень высокой энергии в диапазоне 100–1000 тераэлектронвольт ( ТэВ ) наблюдались из таких источников, как микроквазар Cygnus X-3 .
Естественные источники гамма-лучей, возникающие на Земле, в основном являются результатом радиоактивного распада и вторичного излучения в результате взаимодействия атмосферы с частицами космических лучей . Однако существуют и другие редкие природные источники, такие как земные вспышки гамма-излучения , которые производят гамма-лучи в результате воздействия электронов на ядро. Известные искусственные источники гамма-лучей включают деление , такое как то, которое происходит в ядерных реакторах , и эксперименты по физике высоких энергий , такие как распад нейтрального пиона и ядерный синтез .
Гамма-лучи и рентгеновские лучи являются электромагнитным излучением, и поскольку они перекрываются в электромагнитном спектре , терминология варьируется в зависимости от научных дисциплин. В некоторых областях физики [ уточнить ] их различают по происхождению: гамма-лучи возникают в результате распада ядра, а рентгеновские лучи возникают вне ядра. В астрофизике гамма-лучи традиционно определяются как имеющие энергию фотонов выше 100 кэВ и являются предметом гамма-астрономии , тогда как излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновские лучи и является предметом рентгеновской астрономии .
Гамма-лучи являются ионизирующим излучением и поэтому опасны для жизни. Из-за своей высокой проникающей способности они могут повредить костный мозг и внутренние органы. В отличие от альфа- и бета-лучей, они легко проходят через тело и, таким образом, представляют собой серьезную проблему радиационной защиты , требующую защиты из плотных материалов, таких как свинец или бетон. На Земле магнитосфера защищает жизнь от большинства видов смертоносного космического излучения , кроме гамма-лучей.
Первым открытым источником гамма-излучения был процесс радиоактивного распада , называемый гамма-распадом . При этом типе распада возбужденное ядро испускает гамма-лучи почти сразу после образования. [примечание 1] Поль Виллар , французский химик и физик, открыл гамма-излучение в 1900 году, изучая излучение, испускаемое радием . Виллар знал, что описанное им излучение было более мощным, чем ранее описанные типы лучей радия, которые включали бета-лучи, впервые отмеченные как «радиоактивность» Анри Беккерелем в 1896 году, и альфа-лучи, открытые как менее проникающая форма излучения Резерфордом. в 1899 году. Однако Виллар не рассматривал возможность назвать их другим фундаментальным типом. [1] [2] Позже, в 1903 году, излучение Виллара было признано принадлежащим к типу, принципиально отличающемуся от ранее названных лучей Эрнестом Резерфордом , который назвал лучи Виллара «гамма-лучами» по аналогии с бета- и альфа-лучами, которые различал Резерфорд. в 1899 году. [3] «Лучи», испускаемые радиоактивными элементами, были названы в порядке их способности проникать в различные материалы, используя первые три буквы греческого алфавита: альфа-лучи как наименее проникающие, за ними следовали бета-лучи, за которыми следовали бета-лучи. гамма-лучи как наиболее проникающие. Резерфорд также отметил, что гамма-лучи не отклоняются (или, по крайней мере, с трудом отклоняются ) магнитным полем - еще одно свойство, отличающее их от альфа- и бета-лучей.
Гамма-лучи сначала считались частицами с массой, подобной альфа- и бета-лучам. Первоначально Резерфорд полагал, что это могут быть чрезвычайно быстрые бета-частицы, но их неспособность отклоняться магнитным полем указывала на то, что они не имеют заряда. [4] В 1914 году наблюдалось отражение гамма-лучей от поверхностей кристаллов, что доказывало, что это электромагнитное излучение. [4] Резерфорд и его коллега Эдвард Андраде измерили длины волн гамма-лучей радия и обнаружили, что они похожи на рентгеновские лучи , но с более короткими длинами волн и, следовательно, с более высокой частотой. В конечном итоге было признано, что это дает им больше энергии на фотон , как только последний термин стал общепринятым. Тогда считалось, что гамма-распад обычно сопровождается испусканием гамма-фотона.
Естественные источники гамма-лучей на Земле включают гамма-распад природных радиоизотопов , таких как калий-40 , а также вторичное излучение от различных атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей . Некоторыми редкими земными природными источниками, производящими гамма-лучи неядерного происхождения, являются удары молний и земные вспышки гамма-лучей , которые производят выбросы высокой энергии из-за естественных высокоэнергетических напряжений. Гамма-лучи возникают в результате ряда астрономических процессов, в ходе которых образуются электроны очень высоких энергий. Такие электроны производят вторичные гамма-лучи по механизмам тормозного излучения , обратного комптоновского рассеяния и синхротронного излучения . Большая часть таких астрономических гамма-лучей экранируется атмосферой Земли. Известные искусственные источники гамма-лучей включают деление , например, происходящее в ядерных реакторах , а также эксперименты по физике высоких энергий , такие как распад нейтрального пиона и ядерный синтез .
Образец материала, излучающего гамма-лучи, который используется для облучения или визуализации, известен как источник гамма-излучения. Его также называют радиоактивным источником , источником изотопов или источником радиации, хотя эти более общие термины также применимы к устройствам, излучающим альфа- и бета-излучение. Источники гамма-излучения обычно герметизируют для предотвращения радиоактивного заражения и транспортируют в прочной защите.
Гамма-лучи образуются во время гамма-распада, который обычно происходит после других форм распада, таких как альфа- или бета- распад. Радиоактивное ядро может распасться с испусканиемαилиβчастица. Образующееся дочернее ядро обычно остается в возбужденном состоянии. Затем он может перейти в состояние с более низкой энергией, испуская фотон гамма-излучения, в процессе, называемом гамма-распадом.
Испускание гамма-лучей из возбужденного ядра обычно занимает всего 10–12 секунд . Гамма-распад может также следовать за ядерными реакциями , такими как захват нейтрона , ядерное деление или ядерный синтез. Гамма-распад также является способом релаксации многих возбужденных состояний атомных ядер после других типов радиоактивного распада, таких как бета-распад, при условии, что эти состояния обладают необходимой составляющей ядерного спина . Когда высокоэнергетические гамма-лучи, электроны или протоны бомбардируют материалы, возбужденные атомы испускают характерные «вторичные» гамма-лучи, которые являются продуктами создания возбужденных ядерных состояний в бомбардируемых атомах. Такие переходы, форма ядерной гамма- флуоресценции , составляют тему в ядерной физике , называемую гамма-спектроскопией . Образование флуоресцентных гамма-лучей представляет собой быстрый подтип радиоактивного гамма-распада.
В некоторых случаях возбужденное ядерное состояние, которое следует за испусканием бета-частицы или другим типом возбуждения, может быть более стабильным, чем среднее, и называется метастабильным возбужденным состоянием, если его распад занимает (по крайней мере) в 100–1000 раз больше времени. чем в среднем 10-12 секунд . Такие относительно долгоживущие возбужденные ядра называются ядерными изомерами , а их распады — изомерными переходами . Такие ядра имеют период полураспада , который легче измерить, а редкие ядерные изомеры способны оставаться в возбужденном состоянии в течение минут, часов, дней, а иногда и намного дольше, прежде чем испустить гамма-лучи. Таким образом, процесс изомерного перехода подобен любому гамма-излучению, но отличается тем, что он включает в себя промежуточное метастабильное возбужденное состояние(я) ядер. Метастабильные состояния часто характеризуются высоким ядерным спином , требующим изменения спина на несколько единиц или более при гамма-распаде вместо перехода на одну единицу, который происходит всего за 10–12 секунд . Скорость гамма-распада замедляется и при малой энергии возбуждения ядра. [5]
Гамма-лучи, испускаемые из любого типа возбужденного состояния, могут передавать свою энергию непосредственно любым электронам , но, скорее всего, одному из электронов K-оболочки атома, вызывая его выброс из этого атома в процессе, обычно называемом фотоэлектрическим эффектом . (внешние гамма-лучи и ультрафиолетовые лучи также могут вызывать этот эффект). Фотоэлектрический эффект не следует путать с процессом внутреннего преобразования , при котором фотон гамма-излучения не образуется в качестве промежуточной частицы (скорее можно считать, что «виртуальный гамма-луч» опосредует этот процесс).
Одним из примеров образования гамма-лучей в результате распада радионуклида является схема распада кобальта-60, как показано на прилагаемой диаграмме. Первый,60Кораспадается до возбуждения 60Нив результате бета-распада испускания электрона0,31 МэВ . Тогда взволнованный60
Ни
распадается до основного состояния (см. модель ядерной оболочки ) путем испускания гамма-лучей последовательно с энергией 1,17 МэВ, за которой следует1,33 МэВ . Этот путь используется в 99,88% случаев:
Другой пример — альфа-распад241
Являюсь
формировать237
Нп
; за которым следует гамма-излучение. В некоторых случаях спектр гамма-излучения дочернего ядра довольно прост (например,60
Ко
/60
Ни
), а в других случаях, например, с (241
Являюсь
/237
Нп
и192
ИК
/192
Пт
), спектр гамма-излучения сложен, что указывает на существование ряда уровней ядерной энергии.
Гамма-лучи производятся во многих процессах физики элементарных частиц . Обычно гамма-лучи являются продуктами нейтральных систем, которые распадаются за счет электромагнитных взаимодействий (а не слабых или сильных взаимодействий). Например, при электрон-позитронной аннигиляции обычными продуктами являются два фотона гамма-излучения. Если аннигилирующие электрон и позитрон покоятся, каждый из образующихся гамма-лучей имеет энергию ~511 кэВ и частоту ~1,24 × 10 20 Гц . Точно так же нейтральный пион чаще всего распадается на два фотона. Многие другие адроны и массивные бозоны также распадаются электромагнитным путем. Соответственно, в экспериментах по физике высоких энергий, таких как Большой адронный коллайдер , используется существенная радиационная защита. [6] Поскольку субатомные частицы в основном имеют гораздо более короткие длины волн, чем атомные ядра, гамма-лучи физики элементарных частиц обычно на несколько порядков более энергичны, чем гамма-лучи ядерного распада. Поскольку гамма-лучи находятся на вершине электромагнитного спектра с точки зрения энергии, все фотоны чрезвычайно высокой энергии являются гамма-лучами; например, фотон, имеющий планковскую энергию, будет гамма-лучем.
Известно, что некоторые гамма-лучи в астрономии возникают в результате гамма-распада (см. обсуждение SN1987A ), но большинство из них этого не делает.
Фотоны из астрофизических источников, несущих энергию в диапазоне гамма-излучения, часто прямо называют гамма-излучением. Помимо ядерных выбросов, они часто возникают в результате взаимодействия субатомных частиц и частиц с фотонами. К ним относятся электрон-позитронная аннигиляция , распад нейтрального пиона , тормозное излучение , обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение .
В октябре 2017 года ученые из различных европейских университетов предложили способ создания источников фотонов ГэВ с использованием лазеров в качестве возбудителей посредством контролируемого взаимодействия между каскадом и аномальным радиационным захватом . [7]
Грозы могут вызвать короткий импульс гамма-излучения, называемый земной вспышкой гамма-излучения . Считается, что эти гамма-лучи производятся статическими электрическими полями высокой интенсивности, ускоряющими электроны, которые затем производят гамма-лучи за счет тормозного излучения , когда они сталкиваются с атомами в атмосфере и замедляются ими. Гамма-лучи с энергией до 100 МэВ могут испускаться земными грозами и были обнаружены космическими обсерваториями. Это повышает вероятность риска для здоровья пассажиров и членов экипажа самолетов, летающих в грозовых облаках или вблизи них. [8]
Наиболее мощные солнечные вспышки излучают весь электромагнитный спектр, включая γ-лучи. Первое уверенное наблюдение произошло в 1972 году . [9]
Внеземные гамма-лучи высокой энергии включают в себя фон гамма-лучей, образующийся, когда космические лучи (либо высокоскоростные электроны, либо протоны) сталкиваются с обычным веществом, производя парное гамма-лучи с энергией 511 кэВ. Альтернативно, тормозное излучение возникает при энергиях десятков МэВ и более, когда электроны космических лучей взаимодействуют с ядрами с достаточно высоким атомным номером (для иллюстрации см. Изображение Луны в гамма-лучах в конце этой статьи).
В небе с гамма-лучами (см. иллюстрацию справа) преобладает более распространенное и продолжительное производство гамма-лучей, исходящих от пульсаров в пределах Млечного Пути. Источниками на остальной части неба являются в основном квазары . Считается, что пульсары представляют собой нейтронные звезды с магнитными полями, которые производят сфокусированные пучки излучения, и являются гораздо менее энергичными, более распространенными и гораздо более близкими источниками (обычно наблюдаемыми только в нашей галактике), чем квазары или более редкие источники гамма-всплесков. гамма-лучей. Пульсары обладают относительно долгоживущими магнитными полями, которые создают сфокусированные пучки заряженных частиц с релятивистской скоростью, которые испускают гамма-лучи (тормозное излучение), когда те ударяются о газ или пыль в близлежащей среде, и замедляются. Этот механизм аналогичен производству фотонов высокой энергии в мегавольтных аппаратах лучевой терапии (см. Тормозное излучение ). Обратное комптоновское рассеяние , при котором заряженные частицы (обычно электроны) передают энергию фотонам с низкой энергией, повышая их фотонам с более высокой энергией. Такое воздействие фотонов на пучки релятивистских заряженных частиц является еще одним возможным механизмом образования гамма-лучей. Нейтронные звезды с очень сильным магнитным полем ( магнетары ), которые, как полагают, производят астрономические мягкие гамма-ретрансляторы , являются еще одним относительно долгоживущим звездным источником гамма-излучения.
Считается , что более мощные гамма-лучи от очень далеких квазаров и более близких активных галактик имеют источник производства гамма-лучей, подобный ускорителю частиц . Электроны высокой энергии, производимые квазаром и подвергающиеся обратному комптоновскому рассеянию, синхротронному излучению или тормозному излучению, являются вероятным источником гамма-лучей от этих объектов. Считается, что сверхмассивная черная дыра в центре таких галактик обеспечивает источник энергии, который периодически разрушает звезды и фокусирует образующиеся заряженные частицы в лучи, исходящие из их полюсов вращения. Когда эти лучи взаимодействуют с газом, пылью и фотонами более низкой энергии, они производят рентгеновские и гамма-лучи. Известно, что эти источники колеблются с продолжительностью в несколько недель, что позволяет предположить их относительно небольшой размер (менее нескольких световых недель в поперечнике). Такие источники гамма- и рентгеновского излучения являются наиболее часто видимыми источниками высокой интенсивности за пределами галактики Млечный Путь. Они светятся не вспышками (см. иллюстрацию), а относительно непрерывно, если смотреть в гамма-телескопы. Мощность типичного квазара составляет около 10 40 Вт, небольшую часть которой составляет гамма-излучение. Большая часть остального излучается в виде электромагнитных волн всех частот, включая радиоволны.
Наиболее интенсивные источники гамма-лучей являются также наиболее интенсивными источниками любого известного в настоящее время типа электромагнитного излучения. Это источники гамма-лучей с «длительными всплесками» в астрономии («длительные» в данном контексте, означающие несколько десятков секунд), и они редки по сравнению с источниками, обсуждаемыми выше. Напротив, «короткие» гамма-всплески продолжительностью две секунды или меньше, которые не связаны со сверхновыми, как полагают, производят гамма-лучи во время столкновения пар нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры . [10]
Так называемые длительные гамма-всплески производят общий выход энергии около 10 44 джоулей (столько энергии, сколько Солнце будет производить за всю свою жизнь), но за период всего от 20 до 40 секунд. Гамма-лучи составляют примерно 50% всей выделяемой энергии. Ведущими гипотезами механизма образования этих пучков излучения самой высокой из известных интенсивностей являются обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение заряженных частиц высоких энергий. Эти процессы происходят при выходе релятивистских заряженных частиц из области горизонта событий вновь образовавшейся черной дыры , образовавшейся при взрыве сверхновой. Пучок частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, на несколько десятков секунд фокусируется магнитным полем взрывающейся гиперновой . Термоядерный взрыв гиперновой определяет энергетику процесса. Если узконаправленный луч направлен на Землю, он светится на частотах гамма-излучения с такой интенсивностью, что его можно обнаружить даже на расстояниях до 10 миллиардов световых лет, что близко к краю видимой Вселенной .
Из-за своей проникающей природы гамма-лучи требуют большого количества защитной массы, чтобы снизить их до уровней, которые не вредны для живых клеток, в отличие от альфа-частиц , которые можно остановить бумагой или кожей, и бета-частиц , которые можно защитить. тонким алюминием. Гамма-лучи лучше всего поглощаются материалами с высокими атомными номерами ( Z ) и высокой плотностью, которые способствуют общей останавливающей способности. По этой причине свинцовый экран (с высоким Z ) на 20–30% лучше защищает от гамма-излучения, чем такая же масса другого экранирующего материала с низким Z , такого как алюминий, бетон, вода или почва; Главное преимущество свинца не в меньшем весе, а в его компактности из-за более высокой плотности. Защитная одежда, очки и респираторы могут защитить от внутреннего контакта или проглатывания альфа- или бета-излучающих частиц, но не обеспечивают защиты от гамма-излучения из внешних источников.
Чем выше энергия гамма-лучей, тем толще требуется защита из того же защитного материала. Материалы для защиты от гамма-лучей обычно измеряются по толщине, необходимой для уменьшения интенсивности гамма-лучей наполовину ( слой половинного значения или HVL). Например, интенсивность гамма-лучей, для снижения интенсивности которых на 50 % требуется 1 см (0,4 дюйма) свинца, также будет уменьшена вдвое на 4,1 см гранитной породы , 6 см (2,5 дюйма) бетона или 9 см ( 3,5 дюйма) утрамбованной почвы . Однако масса такого количества бетона или грунта всего на 20–30% больше, чем у свинца с такой же поглощающей способностью. Обедненный уран используется для защиты в портативных источниках гамма-излучения , но здесь экономия в весе по сравнению со свинцом больше, поскольку портативный источник очень мал по сравнению с необходимой защитой, поэтому защита в некоторой степени напоминает сферу. Объем сферы зависит от куба радиуса; таким образом, у источника с уменьшенным вдвое радиусом объем (и вес) уменьшится в восемь раз, что более чем компенсирует большую плотность урана (а также уменьшение объема). [ необходимы разъяснения ] На атомной электростанции защита может быть обеспечена сталью и бетоном в камере высокого давления и защитной камере для частиц, а вода обеспечивает радиационную защиту топливных стержней во время хранения или транспортировки в активную зону реактора. Потеря воды или вынос «горячей» топливной сборки в воздух приведет к гораздо более высокому уровню радиации, чем при хранении под водой.
Когда гамма-лучи проходят через вещество, вероятность поглощения пропорциональна толщине слоя, плотности материала и сечению поглощения материала. Полное поглощение демонстрирует экспоненциальное уменьшение интенсивности по мере удаления от падающей поверхности:
где x – толщина материала от падающей поверхности, µ= n σ – коэффициент поглощения, измеряемый в см -1 , n – число атомов на см 3 материала (атомная плотность) и σ – сечение поглощения в см 2 .
Проходя через вещество, гамма-излучение ионизируется посредством трех процессов:
Вторичные электроны (и/или позитроны), образующиеся в любом из этих трех процессов, часто обладают достаточной энергией, чтобы сами производить сильную ионизацию .
Кроме того, гамма-лучи, особенно высокоэнергетические, могут взаимодействовать с атомными ядрами, что приводит к выбросу частиц при фотораспаде или, в некоторых случаях, даже к делению ядер ( фотоделению ).
Гамма -лучи высокой энергии (от 80 ГэВ до ~10 ТэВ ), приходящие от далеких квазаров, используются для оценки внегалактического фонового света во Вселенной: лучи с самой высокой энергией легче взаимодействуют с фотонами фонового света и, следовательно, с плотностью фоновый свет можно оценить путем анализа спектров входящего гамма-излучения. [11] [12]
Гамма-спектроскопия — это исследование энергетических переходов в атомных ядрах, которые обычно связаны с поглощением или испусканием гамма-лучей. Как и в оптической спектроскопии (см. Эффект Франка – Кондона ), поглощение гамма-лучей ядром особенно вероятно (т. е. имеет пик в «резонансе»), когда энергия гамма-лучей такая же, как энергия энергетического перехода в ядро. В случае гамма-лучей такой резонанс наблюдается в технике мессбауэровской спектроскопии . При эффекте Мессбауэра узкое резонансное поглощение ядерного гамма-поглощения может быть успешно достигнуто путем физической иммобилизации атомных ядер в кристалле. Иммобилизация ядер на обоих концах гамма-резонансного взаимодействия необходима для того, чтобы гамма-энергия не терялась из-за кинетической энергии отдающихся ядер ни на излучающем, ни на поглощающем конце гамма-перехода. Такая потеря энергии приводит к нарушению резонансного поглощения гамма-лучей. Однако когда испускаемые гамма-лучи несут по существу всю энергию атомного ядерного девозбуждения, которое их производит, этой энергии также достаточно, чтобы возбудить то же энергетическое состояние во втором иммобилизованном ядре того же типа.
Гамма-лучи предоставляют информацию о некоторых наиболее энергетических явлениях во Вселенной; однако они в значительной степени поглощаются атмосферой Земли. Приборы на борту высотных воздушных шаров и спутников, такие как космический гамма-телескоп Ферми , позволяют нам увидеть Вселенную только в гамма-лучах.
Молекулярные изменения, вызванные гамма-излучением, также можно использовать для изменения свойств полудрагоценных камней и часто используют для превращения белого топаза в голубой топаз .
Бесконтактные промышленные датчики обычно используют источники гамма-излучения в нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, химической, пищевой, мыльной и моющей, целлюлозно-бумажной промышленности для измерения уровней, плотности и толщины. [13] Датчики гамма-излучения также используются для измерения уровня жидкостей в водной и нефтяной промышленности. [14] Обычно в качестве источника излучения используются изотопы Co-60 или Cs-137.
В США детекторы гамма-излучения начинают использоваться в рамках Инициативы по безопасности контейнеров (CSI). Рекламируется, что эти машины способны сканировать 30 контейнеров в час.
Гамма-излучение часто используется для уничтожения живых организмов в процессе, называемом облучением . Применения этого включают стерилизацию медицинского оборудования (в качестве альтернативы автоклавам или химическим средствам), удаление вызывающих гниение бактерий из многих пищевых продуктов и предотвращение прорастания фруктов и овощей для сохранения свежести и вкуса.
Несмотря на свои канцерогенные свойства, гамма-лучи также используются для лечения некоторых видов рака , поскольку лучи также убивают раковые клетки. В процедуре, называемой хирургией гамма-ножа , несколько концентрированных лучей гамма-лучей направляются на рост, чтобы убить раковые клетки. Лучи направлены под разными углами, чтобы сконцентрировать излучение на ростке, минимизируя при этом повреждение окружающих тканей.
Гамма-лучи также используются в диагностических целях в ядерной медицине в методах визуализации. Используется ряд различных гамма-излучающих радиоизотопов. Например, при ПЭТ-сканировании радиоактивно меченный сахар, называемый фтордезоксиглюкозой , испускает позитроны , которые уничтожаются электронами, образуя пары гамма-лучей, которые выявляют рак, поскольку рак часто имеет более высокую скорость метаболизма, чем окружающие ткани. Наиболее распространенным гамма-излучателем, используемым в медицине, является ядерный изомер технеций-99m , который излучает гамма-лучи в том же энергетическом диапазоне, что и диагностические рентгеновские лучи. Когда пациенту вводят этот радионуклидный индикатор, можно использовать гамма-камеру для формирования изображения распределения радиоизотопа путем обнаружения испускаемого гамма-излучения (см. также ОФЭКТ ). В зависимости от того, какая молекула была помечена индикатором, такие методы можно использовать для диагностики широкого спектра состояний (например, распространения рака на кости посредством сканирования костей ).
Гамма-лучи вызывают повреждения на клеточном уровне и проникают, вызывая диффузные повреждения по всему телу. Однако они менее ионизируют, чем альфа- или бета-частицы, которые обладают меньшей проникающей способностью.
Низкие уровни гамма-лучей вызывают стохастический риск для здоровья, который для оценки дозы радиации определяется как вероятность индукции рака и генетического повреждения. Международная комиссия по радиологической защите заявляет: «В диапазоне низких доз, ниже примерно 100 мЗв, с научной точки зрения обоснованно предположить, что заболеваемость раком или наследственными эффектами будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и тканей» [15] : 51 Высокие дозы вызывают детерминированные эффекты, которые определяют тяжесть острого повреждения тканей, которое наверняка произойдет. Эти эффекты сравниваются с физической величиной поглощенной дозы , измеряемой в единицах грея (Гр). [15] : 61
Когда гамма-излучение разрушает молекулы ДНК, клетка может восстановить поврежденный генетический материал в определенных пределах. Однако исследование Роткамма и Лобриха показало, что этот процесс восстановления работает хорошо после воздействия высоких доз, но гораздо медленнее в случае воздействия низких доз. [16]
Естественное облучение на открытом воздухе в Соединенном Королевстве колеблется от 0,1 до 0,5 мкЗв/ч со значительным увеличением вокруг известных ядерных и загрязненных объектов. [17] Естественная экспозиция гамма-лучей составляет от 1 до 2 мЗв в год, а среднее общее количество радиации, получаемой за год на одного жителя в США, составляет 3,6 мЗв. [18] Существует небольшое увеличение дозы из-за естественного гамма-излучения вокруг небольших частиц материалов с высоким атомным номером в организме человека, вызванное фотоэлектрическим эффектом. [19]
Для сравнения, доза радиации при рентгенографии грудной клетки (около 0,06 мЗв) составляет лишь часть годовой естественной фоновой дозы радиации. [20] КТ грудной клетки обеспечивает мощность от 5 до 8 мЗв. ПЭТ /КТ-сканирование всего тела может дать от 14 до 32 мЗв в зависимости от протокола. [21] Доза при рентгеноскопии желудка значительно выше, примерно 50 мЗв (в 14 раз превышает годовой фон).
Острая однократная доза облучения всего тела, равная 1 Зв (1000 мЗв) или 1 Гр, вызовет легкие симптомы острой лучевой болезни , такие как тошнота и рвота; а доза 2,0–3,5 Зв (2,0–3,5 Гр) вызывает более тяжелые симптомы (т. е. тошноту, диарею, выпадение волос, кровотечение и неспособность бороться с инфекциями) и в значительном числе случаев — около 10% — приводит к смерти. до 35% без лечения. Доза 5 Зв [22] (5 Гр) считается примерно ЛД 50 (смертельная доза для 50% облученного населения) при остром облучении даже при стандартном медицинском лечении. Доза выше 5 Зв (5 Гр) увеличивает вероятность смерти выше 50%. При дозе облучения всего тела выше 7,5–10 Зв (7,5–10 Гр) даже экстренное лечение, такое как трансплантация костного мозга, не предотвратит смерть человека, подвергшегося облучению (см. Радиационное отравление ). [23] (Однако в ходе лучевой терапии в отдельные части тела могут быть доставлены дозы, намного превышающие эту .)
При облучении низкими дозами, например, среди работников атомной отрасли, которые получают среднюю годовую дозу радиации 19 мЗв, [ нужны разъяснения ] риск смерти от рака (исключая лейкемию ) увеличивается на 2 процента. Для дозы 100 мЗв увеличение риска составляет 10 процентов. Для сравнения, риск смерти от рака увеличился на 32 процента для выживших после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки . [24]
В следующей таблице показаны величины радиации в единицах СИ и других единицах СИ:
Мера ионизирующего эффекта гамма- и рентгеновских лучей в сухом воздухе называется экспозицией, для которой с 1928 года использовалась устаревшая единица рентгена . Она была заменена кермой , которая сейчас в основном используется для целей калибровки приборов, но не на эффект полученной дозы. Влияние гамма-излучения и других ионизирующих излучений на живые ткани более тесно связано с количеством энергии, выделяемой в тканях, а не с ионизацией воздуха, и с 1953 года были определены и разработаны запасные радиометрические единицы и количества для радиационной защиты . Это:
Традиционное различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами со временем изменилось. Первоначально электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, почти всегда имело большую длину волны , чем излучение (гамма-лучи), испускаемое радиоактивными ядрами . [26] В более старой литературе различают рентгеновское и гамма-излучение на основе длины волны, причем излучение короче некоторой произвольной длины волны, например 10–11 м , определяемой как гамма-лучи. [27] Поскольку энергия фотонов пропорциональна их частоте и обратно пропорциональна длине волны, это прошлое различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами можно также рассматривать с точки зрения их энергии, при этом гамма-лучи считаются электромагнитным излучением более высокой энергии. чем рентген.
Однако, поскольку нынешние искусственные источники теперь способны дублировать любое электромагнитное излучение, возникающее в ядре, а также гораздо более высокие энергии, длины волн, характерные для радиоактивных источников гамма-излучения, по сравнению с другими типами теперь полностью перекрываются. Таким образом, гамма-лучи теперь обычно различают по их происхождению: рентгеновские лучи по определению испускаются электронами вне ядра, а гамма-лучи испускаются ядром. [26] [28] [29] [30] Исключения из этого правила встречаются в астрономии, где гамма-распад наблюдается в послесвечении некоторых сверхновых, но излучение от высокоэнергетических процессов, в которых, как известно, участвуют другие источники излучения, кроме радиоактивного распада, по-прежнему классифицируется как как гамма-излучение.
Например, современные высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые линейными ускорителями для мегавольтного лечения рака, часто имеют более высокую энергию (от 4 до 25 МэВ), чем большинство классических гамма-лучей, образующихся в результате ядерного гамма-распада . Один из наиболее распространенных изотопов гамма-излучения, используемых в диагностической ядерной медицине , технеций-99m , производит гамма-излучение той же энергии (140 кэВ), что и диагностические рентгеновские аппараты, но значительно более низкой энергии, чем терапевтические фотоны от линейных ускорители частиц. Сегодня в медицинском сообществе по-прежнему соблюдается мнение, что излучение, возникающее в результате ядерного распада, является единственным типом, называемым «гамма-излучением».
Из-за такого широкого перекрытия энергетических диапазонов в физике теперь два типа электромагнитного излучения часто определяются по их происхождению: рентгеновские лучи испускаются электронами (либо на орбиталях вне ядра, либо во время ускорения с образованием тормозного излучения типа излучение), [31] в то время как гамма-лучи испускаются ядром или посредством распада других частиц или событий аннигиляции. Не существует нижнего предела энергии фотонов, образующихся в результате ядерных реакций, и поэтому ультрафиолетовые фотоны или фотоны с более низкой энергией, образующиеся в результате этих процессов, также можно было бы определить как «гамма-лучи» (действительно, это происходит при изомерном переходе чрезвычайно низкоэнергетических фотонов). изомер 229m Th ). [32] Единственным соглашением об именах, которое до сих пор повсеместно соблюдается, является правило, согласно которому электромагнитное излучение, которое, как известно, имеет атомно-ядерное происхождение, всегда называется «гамма-лучами», а не рентгеновскими лучами. Однако в физике и астрономии часто нарушается обратное соглашение (что все гамма-лучи считаются ядерными).
В астрономии гамма- и рентгеновские лучи более высокой энергии определяются энергией, поскольку процессы, которые их производят, могут быть неопределенными, а энергия фотонов, а не их происхождение, определяет необходимые астрономические детекторы. [33] В природе встречаются фотоны высокой энергии, которые, как известно, производятся не только ядерным распадом, но и называются гамма-излучением. Примером являются «гамма-лучи» от грозовых разрядов с энергией от 10 до 20 МэВ, которые, как известно, производятся по механизму тормозного излучения.
Другим примером являются гамма-всплески, которые, как теперь известно, возникают в результате процессов, слишком мощных, чтобы задействовать простые группы атомов, подвергающихся радиоактивному распаду. Это неотъемлемая часть общего понимания того, что многие гамма-лучи, образующиеся в астрономических процессах, возникают не в результате радиоактивного распада или аннигиляции частиц, а скорее в результате нерадиоактивных процессов, подобных рентгеновским лучам. [ нужны разъяснения ] Хотя гамма-лучи в астрономии часто возникают в результате нерадиоактивных событий, известно, что некоторые гамма-лучи в астрономии возникают в результате гамма-распада ядер (о чем свидетельствуют их спектры и период полураспада излучения). Классическим примером является сверхновая SN 1987A , которая испускает «послесвечение» гамма-фотонов в результате распада новообразованных радиоактивных никеля-56 и кобальта-56 . Однако большинство гамма-лучей в астрономии возникают по другим механизмам.
