Гамма -лучи , также известные как гамма-излучение (символ γ ), являются проникающей формой электромагнитного излучения, возникающей в результате радиоактивного распада атомных ядер . Они состоят из электромагнитных волн с самой короткой длиной волны , как правило, короче, чем у рентгеновских лучей . С частотами выше 30 экзагерц (3 × 10 19 Гц ) и длины волн менее 10 пикометров (1 × 10−11 м ), гамма-фотоны имеют самую высокую энергию фотона среди всех форм электромагнитного излучения. 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 на основе их относительно сильного проникновения в вещество ; в 1900 году он уже назвал два менее проникающих типа распада излучения (открытые Анри Беккерелем ) альфа-лучи и бета-лучи в порядке возрастания проникающей способности.
Гамма-лучи от радиоактивного распада находятся в диапазоне энергий от нескольких килоэлектронвольт ( кэВ) до приблизительно 8 мегаэлектронвольт (МэВ), что соответствует типичным уровням энергии в ядрах с достаточно длительным временем жизни. Энергетический спектр гамма-лучей может быть использован для идентификации распадающихся радионуклидов с помощью гамма-спектроскопии . Гамма-лучи очень высокой энергии в диапазоне 100–1000 тераэлектронвольт (ТэВ) наблюдались из астрономических источников, таких как микроквазар Cygnus X-3 .
Естественные источники гамма-лучей, возникающие на Земле, в основном являются результатом радиоактивного распада и вторичного излучения от атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей . Однако существуют и другие редкие естественные источники, такие как вспышки земного гамма-излучения , которые производят гамма-лучи от воздействия электронов на ядро. Известные искусственные источники гамма-лучей включают деление , например, то, что происходит в ядерных реакторах , и эксперименты по физике высоких энергий , такие как распад нейтрального пиона и ядерный синтез .
Диапазоны энергии гамма-лучей и рентгеновских лучей перекрываются в электромагнитном спектре , поэтому терминология для этих электромагнитных волн различается в разных научных дисциплинах. В некоторых областях физики они различаются по своему происхождению: гамма-лучи создаются при ядерном распаде, тогда как рентгеновские лучи возникают вне ядра. В астрофизике гамма-лучи традиционно определяются как имеющие энергию фотонов выше 100 кэВ и являются предметом гамма-астрономии , в то время как излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское и является предметом рентгеновской астрономии .
Гамма-лучи являются ионизирующим излучением и поэтому опасны для жизни. Они могут вызывать мутации ДНК , рак и опухоли , а при больших дозах — ожоги и лучевую болезнь . Из-за своей высокой проникающей способности они могут повреждать 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 экранирования из плотных материалов, таких как свинец или бетон. На Земле магнитосфера защищает жизнь от большинства типов смертельного космического излучения , кроме гамма-лучей.
Первым источником гамма-излучения, который был обнаружен, был процесс радиоактивного распада, называемый гамма-распадом . При этом типе распада возбужденное ядро испускает гамма-излучение 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 Вилларда было признано как тип, принципиально отличающийся от ранее названных лучей Эрнестом Резерфордом , который назвал лучи Вилларда «гамма-лучами» по аналогии с бета- и альфа-лучами, которые Резерфорд дифференцировал 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 следуют бета-лучи, за которыми следуют гамма-лучи как наиболее проникающие. Резерфорд также отметил, что гамма-лучи не отклоняются (или, по крайней мере, нелегко отклоняются ) магнитным полем, еще одно свойство, отличающее их от альфа- и бета-лучей.
Сначала считалось, что гамма-лучи — это частицы с массой, как альфа- и бета-лучи. Сначала Резерфорд считал, что они могут быть чрезвычайно быстрыми бета-частицами, но их неспособность отклоняться магнитным полем указывала на то, что у них нет заряда. [4] В 1914 году было обнаружено, что гамма-лучи отражаются от поверхностей кристаллов, что доказывает, что они являются электромагнитным излучением. [4] Резерфорд и его коллега Эдвард Андраде измерили длины волн гамма-лучей от радия и обнаружили, что они похожи на рентгеновские лучи , но с более короткими длинами волн и, следовательно, с более высокой частотой. В конечном итоге это было признано как придание им большей энергии на фотон , как только последний термин стал общепринятым. Затем стало понятно, что гамма-распад обычно испускает гамма-фотон.
Естественные источники гамма-лучей на Земле включают гамма-распад от естественных радиоизотопов, таких как калий-40 , а также как вторичное излучение от различных атмосферных взаимодействий с частицами космических лучей . Естественные земные источники, которые производят гамма-лучи, включают удары молний и земные вспышки гамма-излучения , которые производят высокоэнергетические выбросы от естественных высокоэнергетических напряжений. [5] Гамма-лучи производятся рядом астрономических процессов, в которых производятся очень высокоэнергетические электроны. Такие электроны производят вторичные гамма-лучи с помощью механизмов 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 гамма-излучающего материала, который используется для облучения или визуализации, известен как гамма-источник. Его также называют радиоактивным источником , изотопным источником или источником радиации, хотя эти более общие термины применимы также к альфа- и бета-излучающим устройствам. Гамма-источники обычно герметизируются для предотвращения радиоактивного загрязнения и транспортируются в прочной защите.
Гамма-лучи производятся во время гамма-распада, который обычно происходит после того, как происходят другие формы распада, такие как альфа- или бета- распад. Радиоактивное ядро может распадаться путем испусканияαилиβчастица. Дочернее ядро , которое получается, обычно остается в возбужденном состоянии. Затем оно может распасться до состояния с более низкой энергией, испуская гамма-фотон, в процессе, называемом гамма-распадом.
Для испускания гамма-излучения возбужденным ядром обычно требуется всего 10−12 секунд . Гамма-распад может также следовать за ядерными реакциями, такими как захват нейтронов , ядерное деление или ядерный синтез. Гамма-распад также является режимом релаксации многих возбужденных состояний атомных ядер после других типов радиоактивного распада, таких как бета-распад, при условии, что эти состояния обладают необходимым компонентом 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 , образуют тему в ядерной физике, называемую гамма-спектроскопией . Образование флуоресцентных гамма-лучей является быстрым подтипом радиоактивного гамма-распада.
В некоторых случаях возбужденное состояние ядра, которое следует за испусканием бета-частицы или другого типа возбуждения, может быть более стабильным, чем в среднем, и называется метастабильным возбужденным состоянием, если его распад занимает (по крайней мере) в 100–1000 раз больше, чем в среднем 10−12 секунд . Такие относительно долгоживущие возбужденные ядра называются ядерными изомерами , а их распады называются изомерными переходами . Такие ядра имеют периоды полураспада , которые легче измерить, и редкие ядерные изомеры способны оставаться в своем возбужденном состоянии в течение минут, часов, дней или иногда гораздо дольше, прежде чем испустить гамма-луч. Процесс изомерного перехода, таким образом, похож на любое гамма-излучение, но отличается тем, что он включает 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 одной единицы, который происходит всего за 10 −12 секунд. Скорость гамма-распада также замедляется, когда энергия возбуждения ядра мала. [6]
Испускаемый гамма-луч из любого типа возбужденного состояния может передавать свою энергию напрямую любым электронам , но, скорее всего, одному из электронов оболочки K атома, заставляя его выбрасываться 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 , в котором фотон гамма-излучения не производится как промежуточная частица (скорее, можно считать, что «виртуальный гамма-луч» опосредует процесс).
Одним из примеров производства гамма-излучения в результате распада радионуклида является схема распада кобальта-60, как показано на прилагаемой диаграмме. Во-первых,60Кораспадается до возбужденного 60Нипутем бета-распада испускания электрона0,31 МэВ . Затем возбужденный60
Ни
распадается в основное состояние (см. модель ядерной оболочки ) путем последовательного испускания гамма-лучей с энергией 1,17 МэВ, за которыми следует1,33 МэВ . Этот путь выполняется в 99,88% случаев:
Другим примером является 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
), тогда как в других случаях, например, с (241
Являюсь
/237
Нп
и192
Ир
/192
Пт
), спектр гамма-излучения сложен, что свидетельствует о существовании ряда уровней ядерной энергии.
Гамма-лучи производятся во многих процессах физики элементарных частиц . Обычно гамма-лучи являются продуктами нейтральных систем, которые распадаются посредством электромагнитных взаимодействий (а не слабого или сильного взаимодействия). Например, при аннигиляции электрона и позитрона обычными продуктами являются два фотона гамма-излучения. Если аннигилирующие электрон и позитрон находятся в состоянии покоя, каждый из результирующих гамма-лучей имеет энергию ~ 511 кэВ и частоту ~1,24 × 10 20 Гц . Аналогично, нейтральный пион чаще всего распадается на два фотона. Многие другие адроны и массивные бозоны также распадаются электромагнитно. Эксперименты по физике высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер , соответственно используют существенную радиационную защиту. [7] Поскольку субатомные частицы в основном имеют гораздо более короткие длины волн, чем атомные ядра, гамма-лучи физики элементарных частиц, как правило, на несколько порядков более энергичны, чем гамма-лучи ядерного распада. Поскольку гамма-лучи находятся на вершине электромагнитного спектра с точки зрения энергии, все чрезвычайно высокоэнергетические фотоны являются гамма-лучами; например, фотон, имеющий энергию Планка, был бы гамма-лучами.
Известно, что в астрономии некоторые гамма-лучи возникают в результате гамма-распада (см. обсуждение SN1987A ), но большинство из них этого не делают.
Фотоны из астрофизических источников, которые несут энергию в диапазоне гамма-излучения, часто явно называются гамма-излучением. В дополнение к ядерным излучениям, они часто производятся субатомными частицами и взаимодействиями частиц и фотонов. К ним относятся электрон-позитронная аннигиляция , нейтральный пионный распад , тормозное излучение , обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение .
В октябре 2017 года ученые из различных европейских университетов предложили способ получения источников фотонов ГэВ с использованием лазеров в качестве возбудителей посредством контролируемого взаимодействия между каскадом и аномальным радиационным захватом . [8]
Грозы могут производить кратковременный импульс гамма-излучения, называемый земной гамма-вспышкой . Считается, что эти гамма-лучи производятся высокоинтенсивными статическими электрическими полями, ускоряющими электроны, которые затем производят гамма-лучи тормозным излучением , когда они сталкиваются с атомами в атмосфере и замедляются ими. Гамма-лучи до 100 МэВ могут испускаться земными грозами и были обнаружены космическими обсерваториями. Это повышает вероятность риска для здоровья пассажиров и экипажа самолетов, летящих в грозовых облаках или вблизи них. [9]
Наиболее мощные солнечные вспышки испускают весь спектр электромагнитного излучения, включая γ-лучи. Первое достоверное наблюдение произошло в 1972 году . [10]
Внеземные, высокоэнергетические гамма-лучи включают гамма-фон, возникающий, когда космические лучи (либо высокоскоростные электроны, либо протоны) сталкиваются с обычной материей, производя гамма-лучи парного рождения при 511 кэВ. Альтернативно, тормозное излучение возникает при энергиях в десятки МэВ или более, когда электроны космических лучей взаимодействуют с ядрами с достаточно высоким атомным номером (см. гамма-изображение Луны в конце этой статьи для иллюстрации).
Небо гамма-лучей (см. иллюстрацию справа) доминирует за счет более распространенного и долгосрочного производства гамма-лучей, которые исходят от пульсаров в пределах Млечного Пути. Источниками из остальной части неба являются в основном квазары . Считается, что пульсары являются нейтронными звездами 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 собственной галактике), чем квазары или более редкие источники гамма-всплесков гамма-лучей. Пульсары имеют относительно долгоживущие магнитные поля, которые производят сфокусированные пучки заряженных частиц с релятивистской скоростью, которые испускают гамма-лучи (тормозное излучение), когда они сталкиваются с газом или пылью в их близлежащей среде и замедляются. Это механизм, аналогичный производству высокоэнергетических фотонов в мегавольтных аппаратах лучевой терапии (см. тормозное излучение ). Обратное комптоновское рассеяние , при котором заряженные частицы (обычно электроны) передают энергию низкоэнергетическим фотонам, усиливая их до более высокоэнергетических фотонов. Такое воздействие фотонов на релятивистские пучки заряженных частиц является еще одним возможным механизмом производства гамма-излучения. Нейтронные звезды с очень сильным магнитным полем ( магнетары ), которые, как считается, производят астрономические мягкие гамма-повторители , являются еще одним относительно долгоживущим источником гамма-излучения, работающим на звездах.
Более мощные гамма-лучи от очень далеких квазаров и более близких активных галактик, как полагают, имеют источник производства гамма-лучей, похожий на ускоритель частиц . Высокоэнергетические электроны, производимые квазаром и подвергаемые 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 уничтожает звезды и фокусирует полученные заряженные частицы в пучки, которые выходят из их полюсов вращения. Когда эти пучки взаимодействуют с газом, пылью и фотонами с более низкой энергией, они производят рентгеновские лучи и гамма-лучи. Известно, что эти источники колеблются с продолжительностью в несколько недель, что предполагает их относительно небольшой размер (менее нескольких световых недель в поперечнике). Такие источники гамма- и рентгеновских лучей являются наиболее часто видимыми источниками высокой интенсивности за пределами галактики Млечный Путь. Они светят не вспышками (см. иллюстрацию), а относительно непрерывно, если смотреть с помощью гамма-телескопов. Мощность типичного квазара составляет около 10 40 Вт, небольшая часть которой приходится на гамма-излучение. Большая часть остального излучается в виде электромагнитных волн всех частот, включая радиоволны.
Наиболее интенсивные источники гамма-лучей, также являются наиболее интенсивными источниками любого типа электромагнитного излучения, известного в настоящее время. Они являются источниками гамма-лучей "длительной продолжительности" ("длительной" в этом контексте, что означает несколько десятков секунд), и они редки по сравнению с источниками, обсуждавшимися выше. Напротив, "короткие" гамма-всплески длительностью 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 . [11]
Так называемые длительные гамма-всплески производят общий выход энергии около 10 44 джоулей (столько же энергии, сколько Солнце произведет за всю свою жизнь), но за период всего от 20 до 40 секунд. Гамма-лучи составляют примерно 50% от общего выхода энергии. Ведущими гипотезами о механизме производства этих пучков излучения с самой высокой из известных интенсивностей являются обратное комптоновское рассеяние и синхротронное излучение от высокоэнергетических заряженных частиц. Эти процессы происходят, когда релятивистские заряженные частицы покидают область горизонта событий недавно образованной черной дыры , созданной во время взрыва сверхновой. Пучок частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, фокусируется на несколько десятков секунд магнитным полем взрывающейся гиперновой . Термоядерный взрыв гиперновой управляет энергетикой процесса. Если узконаправленный луч случайно направлен в сторону Земли, он излучает гамма-излучение с такой интенсивностью, что его можно обнаружить даже на расстоянии до 10 миллиардов световых лет, что близко к краю видимой Вселенной .
Из-за своей проникающей природы гамма-лучи требуют большого количества экранирующей массы, чтобы снизить их до уровней, которые не вредны для живых клеток, в отличие от альфа-частиц , которые могут быть остановлены бумагой или кожей, и бета-частиц , которые могут быть экранированы тонким алюминием. Гамма-лучи лучше всего поглощаются материалами с высокими атомными числами ( Z ) и высокой плотностью, которые вносят вклад в общую останавливающую способность. Из-за этого свинцовый (высокий Z ) экран на 20–30% лучше в качестве гамма-экрана, чем равная масса другого материала с низким Z , такого как алюминий, бетон, вода или почва; главное преимущество свинца заключается не в меньшем весе, а скорее в его компактности из-за его 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 экранирование из того же материала. Материалы для экранирования гамма-лучей обычно измеряются толщиной, необходимой для снижения интенсивности гамма-лучей вдвое ( слой половинного значения или HVL). Например, гамма-лучи, которым требуется 1 см (0,4 дюйма) свинца для снижения их интенсивности на 50%, также будут иметь свою интенсивность, сниженную вдвое 4,1 см гранитной породы , 6 см (2,5 дюйма) бетона или 9 см (3,5 дюйма) уплотненного грунта . Однако масса такого количества бетона или грунта всего на 20–30% больше, чем у свинца с той же поглощающей способностью.
Обедненный уран иногда используется для защиты в портативных источниках гамма-излучения из-за меньшего слоя половинной мощности по сравнению со свинцом (примерно в 0,6 раза толще обычных источников гамма-излучения, т. е. иридия-192 и кобальта-60) [12] и более низкой стоимости по сравнению с вольфрамом . [13]
На атомной электростанции экранирование может быть обеспечено сталью и бетоном в корпусе давления и защиты от частиц, в то время как вода обеспечивает радиационную защиту топливных стержней во время хранения или транспортировки в активную зону реактора. Потеря воды или удаление «горячей» топливной сборки в воздух приведет к гораздо более высокому уровню радиации, чем при хранении под водой.
Когда гамма-луч проходит через вещество, вероятность поглощения пропорциональна толщине слоя, плотности материала и поперечному сечению поглощения материала. Полное поглощение показывает экспоненциальное уменьшение интенсивности с расстоянием от падающей поверхности:
где x — толщина материала от падающей поверхности, μ= n σ — коэффициент поглощения, измеряемый в см −1 , n — число атомов на см3 материала (атомная плотность), а σ — сечение поглощения в см2 .
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 произвести значительную 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 ).
Высокоэнергетические (от 80 ГэВ до ~10 ТэВ ) гамма-лучи, прибывающие из далеких квазаров, используются для оценки внегалактического фонового света во Вселенной: лучи с самой высокой энергией легче взаимодействуют с фотонами фонового света, и, таким образом, плотность фонового света можно оценить, анализируя спектры входящих гамма-лучей. [14] [15]
Гамма-спектроскопия — это изучение 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. пики в «резонансе»), когда энергия гамма-луча такая же, как и энергия энергетического перехода в ядре. В случае гамма-лучей такой резонанс наблюдается в технике мёссбауэровской спектроскопии . В эффекте Мёссбауэра узкое резонансное поглощение для 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 в кинетическую энергию отскакивающих ядер ни на испускающем, ни на поглощающем конце гамма-перехода. Такая потеря энергии приводит к сбою резонансного поглощения гамма-лучей. Однако когда испускаемые гамма-лучи несут в себе практически всю энергию девозбуждения атомного ядра, которое их производит, этой энергии также достаточно для возбуждения того же энергетического состояния во втором иммобилизованном ядре того же типа.
Гамма-лучи предоставляют информацию о некоторых из самых энергичных явлений во Вселенной; однако они в значительной степени поглощаются атмосферой Земли. Инструменты на борту высотных аэростатов и спутниковых миссий, таких как космический гамма-телескоп Ферми , предоставляют нам единственный взгляд на Вселенную в гамма-лучах.
Молекулярные изменения, вызванные гамма-излучением, также могут быть использованы для изменения свойств полудрагоценных камней и часто используются для превращения белого топаза в голубой топаз .
Бесконтактные промышленные датчики обычно используют источники гамма-излучения в нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, химической, пищевой, мыловаренной и моющей промышленности, а также в целлюлозно-бумажной промышленности для измерения уровней, плотности и толщины. [16] Датчики гамма-излучения также используются для измерения уровней жидкости в водной и нефтяной промышленности. [17] Обычно они используют изотопы Co-60 или Cs-137 в качестве источника излучения.
В США детекторы гамма-излучения начинают использоваться в рамках Инициативы по безопасности контейнеров (CSI). Эти машины рекламируются как способные сканировать 30 контейнеров в час.
Гамма-излучение часто используется для уничтожения живых организмов в процессе, называемом облучением . Его применение включает стерилизацию медицинского оборудования (в качестве альтернативы автоклавам или химическим средствам), удаление вызывающих гниение бактерий из многих продуктов питания 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-ножом , несколько концентрированных пучков гамма-лучей направляются на опухоль, чтобы убить раковые клетки. Пучки направлены под разными углами, чтобы сконцентрировать излучение на опухоли, 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 сканировании ПЭТ радиоактивно меченый сахар, называемый фтордезоксиглюкозой, испускает позитроны , которые аннигилируются электронами, производя пары гамма-лучей, которые выделяют рак, поскольку рак часто имеет более высокую скорость метаболизма, чем окружающие ткани. Наиболее распространенным гамма-излучателем, используемым в медицинских приложениях, является ядерный изомер технеций-99m , который испускает гамма-лучи в том же диапазоне энергий, что и диагностические рентгеновские лучи. Когда этот радионуклидный индикатор вводится пациенту, гамма-камера может использоваться для формирования изображения распределения радиоизотопа путем обнаружения испускаемого гамма-излучения (см. также SPECT ). В зависимости от того, какая молекула была помечена индикатором, такие методы могут использоваться для диагностики широкого спектра состояний (например, распространение рака на кости посредством сканирования костей ).
Гамма-лучи вызывают повреждения на клеточном уровне и проникают, вызывая диффузные повреждения по всему телу. Однако они менее ионизирующие, чем альфа- или бета-частицы, которые менее проникающие.
Низкие уровни гамма-лучей вызывают стохастический риск для здоровья, который для оценки дозы облучения определяется как вероятность индукции рака и генетического повреждения. Международная комиссия по радиологической защите утверждает: «В диапазоне низких доз, ниже примерно 100 мЗв, научно обоснованно предположить, что заболеваемость раком или наследственными эффектами будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и тканях» [18] : 51 Высокие дозы вызывают детерминированные эффекты, которые представляют собой тяжесть острого повреждения тканей, которое обязательно произойдет. Эти эффекты сравниваются с физической величиной поглощенной дозы, измеряемой единицей грей (Гр). [18] : 61
Когда гамма-излучение разрушает молекулы ДНК, клетка может быть способна восстановить поврежденный генетический материал, в определенных пределах. Однако исследование Роткамма и Лобриха показало, что этот процесс восстановления хорошо работает после воздействия высокой дозы, но гораздо медленнее в случае воздействия низкой дозы. [19]
Исследования показали, что низкой дозы гамма-излучения может быть достаточно, чтобы вызвать рак. [20] В исследовании на мышах им давали низкую дозу гамма-излучения, характерную для человека, с генотоксическими эффектами через 45 дней после непрерывного воздействия низкой дозы гамма-излучения, со значительным увеличением хромосомных повреждений, повреждений ДНК и фенотипических мутаций в клетках крови облученных животных, охватывающих три типа генотоксической активности. [20] В другом исследовании изучались эффекты острого ионизирующего гамма-излучения у крыс, до 10 Гр , и у которых в конечном итоге наблюдалось острое окислительное повреждение белка, повреждение ДНК, карбонилирование сердечного тропонина Т и долгосрочная кардиомиопатия . [21]
Естественное воздействие на открытом воздухе в Соединенном Королевстве колеблется от 0,1 до 0,5 мкЗв/ч со значительным увеличением вокруг известных ядерных и загрязненных объектов. [22] Естественное воздействие гамма-излучения составляет около 1-2 мЗв в год, а среднее общее количество радиации, полученное за один год на одного жителя в США, составляет 3,6 мЗв. [23] Существует небольшое увеличение дозы из-за естественного гамма-излучения вокруг небольших частиц материалов с высоким атомным числом в организме человека, вызванное фотоэлектрическим эффектом. [24]
Для сравнения, доза облучения при рентгенографии грудной клетки (около 0,06 мЗв) составляет лишь часть годовой естественной фоновой дозы облучения. [25] КТ грудной клетки обеспечивает от 5 до 8 мЗв. ПЭТ /КТ всего тела может обеспечить от 14 до 32 мЗв в зависимости от протокола. [26] Доза при флюороскопии желудка намного выше, примерно 50 мЗв (в 14 раз больше годового фона).
Острая эквивалентная однократная доза облучения всего тела в 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 серьезные симптомы (то есть тошноту, диарею, выпадение волос, кровотечение и неспособность бороться с инфекциями) и приведет к смерти в значительном количестве случаев — примерно от 10% до 35% без медицинского лечения. Доза 3–5 Зв (3–5 Гр) считается приблизительно LD 50 ( или летальной дозой для 50% облученного населения) для острого воздействия радиации даже при стандартном медицинском лечении. [27] [28] Доза выше 5 Зв (5 Гр) увеличивает вероятность смерти свыше 50%. Выше 7,5–10 Зв (7,5–10 Гр) на все тело, даже чрезвычайное лечение, такое как пересадка костного мозга, не предотвратит смерть человека, подвергшегося облучению (см. радиационное отравление ). [29] (Дозы, намного превышающие эту, однако, могут быть доставлены к отдельным частям тела в ходе лучевой терапии .)
При низкодозном облучении, например, среди работников атомной промышленности, которые получают среднюю годовую дозу радиации 19 мЗв, [ необходимо разъяснение ] риск смерти от рака (исключая лейкемию ) увеличивается на 2 процента. При дозе 100 мЗв риск увеличивается на 10 процентов. Для сравнения, риск смерти от рака увеличился на 32 процента для выживших после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки . [30]
В следующей таблице приведены величины излучения в единицах СИ и вне системы СИ:
Мера ионизирующего эффекта гамма- и рентгеновских лучей в сухом воздухе называется экспозицией, для которой с 1928 года использовалась устаревшая единица, рентген . Она была заменена на керму , которая теперь используется в основном для калибровки приборов, но не для эффекта полученной дозы. Эффект гамма- и другого ионизирующего излучения на живую ткань более тесно связан с количеством энергии, отложенной в ткани, а не с ионизацией воздуха, и с 1953 года были определены и разработаны заменяющие радиометрические единицы и величины для защиты от радиации . 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 . [32] В более старой литературе различие между рентгеновским и гамма-излучением проводилось на основе длины волны, причем излучение короче некоторой произвольной длины волны, например, 10−11 м , определялось как гамма-лучи. [33] 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 его энергии, при этом гамма-лучи считались более высокоэнергетическим электромагнитным излучением, чем рентгеновские лучи.
Однако, поскольку современные искусственные источники теперь способны дублировать любое электромагнитное излучение, которое возникает в ядре, а также гораздо более высокие энергии, длины волн, характерные для источников радиоактивного гамма-излучения по сравнению с другими типами, теперь полностью перекрываются. Таким образом, гамма-лучи теперь обычно различаются по их происхождению: рентгеновские лучи по определению испускаются электронами вне ядра, в то время как гамма-лучи испускаются ядром. [32] [34] [35] [36] Исключения из этого соглашения происходят в астрономии, где гамма-распад наблюдается в послесвечении некоторых сверхновых, но излучение от высокоэнергетических процессов, которые, как известно, включают другие источники излучения, нежели радиоактивный распад, по-прежнему классифицируется 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, производимых ядерным гамма-распадом . Один из наиболее распространенных гамма-излучающих изотопов, 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 из линейных ускорителей частиц. В современном медицинском сообществе по-прежнему соблюдается соглашение о том, что излучение, производимое ядерным распадом, является единственным типом, называемым «гамма-излучением».
Из-за этого широкого совпадения в энергетических диапазонах в физике два типа электромагнитного излучения теперь часто определяются по их происхождению: рентгеновские лучи испускаются электронами (либо на орбиталях вне ядра, либо при ускорении для получения излучения типа тормозного излучения), [37] в то время как гамма-лучи испускаются ядром или посредством других распадов частиц или событий аннигиляции. Не существует нижнего предела энергии фотонов, производимых ядерными реакциями, и, таким образом, ультрафиолетовые или более низкоэнергетические фотоны, производимые этими процессами, также будут определяться как «гамма-лучи» (действительно, это происходит для изомерного перехода крайне низкоэнергетического изомера 229m Th ). [38] Единственным соглашением об именовании, 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 обратное положение (считается, что все гамма-лучи имеют ядерное происхождение) часто нарушается.
В астрономии гамма- и рентгеновские лучи с более высокой энергией определяются энергией, поскольку процессы, которые их производят, могут быть неопределенными, а энергия фотона, а не его происхождение, определяет необходимые астрономические детекторы. [39] Высокоэнергетические фотоны встречаются в природе, и известно, что они производятся процессами, отличными от ядерного распада, но все еще называются гамма-излучением. Примером являются «гамма-лучи» от разрядов молний при 10–20 МэВ, и известно, что они производятся механизмом тормозного излучения.
Другим примером являются гамма-всплески, которые, как теперь известно, производятся из процессов, слишком мощных, чтобы включать простые наборы атомов, подвергающихся радиоактивному распаду. Это неотъемлемая часть общего понимания того, что многие гамма-лучи, производимые в астрономических процессах, возникают не в результате радиоактивного распада или аннигиляции частиц, а скорее в нерадиоактивных процессах, подобных рентгеновским лучам. [ необходимо разъяснение ] Хотя гамма-лучи в астрономии часто возникают из нерадиоактивных событий, несколько гамма-лучей в астрономии, как известно, возникают из гамма-распада ядер (о чем свидетельствуют их спектры и период полураспада излучения). Классическим примером является сверхновая SN 1987A , которая испускает «послесвечение» гамма-фотонов от распада недавно созданных радиоактивных никеля-56 и кобальта-56 . Однако большинство гамма-лучей в астрономии возникают по другим механизмам.