Гамма-излучение

Гамма-излучение является самым мощным видом электромагнитной энергии во Вселенной среди открытых и изученных. Ученые узнали о нем сравнительно недавно — с момента открытия прошло немногим более 100 лет. Но даже за столь непродолжительный период исследования гамма-излучения успели немало поспособствовать бурному развитию науки, промышленности и медицины.

Однако при всей свой пользе этот тип излучения радиоактивен и несет высокую опасность для живых организмов. В этой статье мы постараемся разобраться, что представляет собой гамма-излучение, вспомним как оно было открыто и оценим важность его использования в современной жизни.

Что такое гамма-излучение

Гамма-излучение — это поток фотонов, мельчайших частиц света или квантов электромагнитного излучения. Известно, что фотоны проявляют себя не только как частицы, но и как волны. В зависимости от частоты волны, которая увеличивается пропорционально выделяемой энергии, мы можем фиксировать разные виды волн. Важно отметить, что при повышении частоты волны ее длина уменьшается. Рассмотрим характеристики нескольких распространенных видов фотонного излучения:

• радиоволны — от 3 * 10³ до 3 * 10¹² Гц;
• видимый свет — от 3,8 до 7,9 * 10¹⁴ Гц;
• ультрафиолет — от 1 до 3 * 10¹⁵ Гц;
• рентгеновское излучение — от 3 * 10¹⁶ до 6 * 10¹⁹ Гц.

Гамма-излучение имеет экстремально высокую частоту волн — более 10²⁰ Гц, при этом их длина ничтожно мала и составляет менее 2 нанометров (2 * 10^-9 метров). Такие показатели возможны только при выплеске колоссальной энергии, который возникает при распаде ядер атомов радиоактивных элементов (радионуклидов) и элементарных частиц (электронов, позитронов и пионов). Пучки гамма-фотонов могут иметь энергию от нескольких тысяч электронвольт в искусственных устройствах до сотен миллиардов электронвольт при космических катаклизмах.

История открытия гамма-излучения

Первооткрывателем гамма-излучения считается французский ученый Поль Виллар. В 1900 году он исследовал радий — один из самых радиоактивных металлов — и обнаружил странный вид излучения. Оно было особенно мощным и демонстрировало высокую способность проникать через различные материалы, а потому не могло относиться к альфа- и бета-лучам, открытым Эрнестом Резерфордом и Анри Беккерелем в 1899 и 1896 годах соответственно. В 1903 году Резерфорд установил, что Виллар открыл новый вид излучения. В соответствии с принципом повышения проникающей способности волн оно было названо гамма-излучением. Таким образом, уже само название его давало понять, что оно превосходит по проникающей способности альфа - и бета-лучи.

Первое время физики считали, что по аналогии с альфа- и бета-частицами гамма-частицы также имеют массу, однако чрезвычайно высокая скорость их перемещения приводила к ошибкам в расчетах. Сравнивая гамма-излучение с рентгеновским, ученые обнаружили, что эти волны похожи друг на друга, но отличаются частотой и длиной. В конечном итоге было признано, что гамма-излучение, как и описанные в предыдущем разделе виды излучений, состоит из фотонов — безмассовых частиц энергии, описанных Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Физические свойства гамма-излучения

Основным физическим свойством гамма-лучей можно назвать их высокую проникающую способность. Она обусловлена тем, что волны имеют чрезвычайно малую длину, примерно соответствующую размеру ядер атомов. При этом излучение не содержит заряженных частиц (электронов и протонов), а потому не меняет траекторию своего движения при взаимодействии с электромагнитными полями. Гамма-излучение беспрепятственно проходит через большинство материалов. Чтобы его замедлить или остановить, необходимо использовать очень плотное вещество, например свинец.

Во время прохождения гамма-лучей через вещество его атомы иногда ионизируются, то есть возникают электрически заряженные частицы. Рассмотрим 4 процесса, при которых наблюдается подобное явление.

• Фотоэффект (энергия до 50 кэВ) — гамма-фотон передает свою кинетическую энергию электрону атома вещества, выбивая его с орбитали. В результате этого процесса атом приобретает положительный заряд, так как в его ядре остаются только протоны.
• Эффект Комптона (от 100 кЭв до 10 МэВ) — при еще более высокоэнергетическом излучении гамма-фотон также выбивает электрон из атома, но при этом теряет (рассеивает) значительную часть своей энергии. Это приводит к ионизации атома и образованию гамма-фотона с меньшей энергией.
• Образование пар (от 1,02 МэВ) — при взаимодействии с ядром атома, генерирующим электрическое поле, есть вероятность того, что гамма-фотон преобразуется в электрон и позитрон (античастицу электрона). В результате противоположные частицы аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга), а их масса преобразуется в энергию двух гамма-фотонов. При изначальном показателе в 1,02 МэВ энергия каждого из них будет равна 0,51 МэВ.
• Ядерный фотоэффект (свыше 10 МэВ) — при особенно мощных электромагнитных всплесках гамма-фотон передает ядру атома избыточную энергию, выбивая из него основные составляющие частицы — нейтроны и протоны (нуклоны). Это приводит к фотоядерной реакции — разрушению атома, которое сопровождается высвобождением огромного количества радиоактивной энергии.

Источники гамма-излучения в природе и технике

В природе основным источником гамма-излучения являются радиоактивные изотопы, также известные как радионуклиды. Из-за повышенного количества нейтронов и протонов ядра этих элементов отличаются нестабильностью и подвергаются радиоактивному распаду, который сопровождается излучением. Среди распространенных природных радионуклидов можно отметить:

• уран-238 — широко представлен в земной коре, используется в ядерных реакторах;
• калий-40 — содержится в горных породах, позволяет определять их возраст по степени распада изотопа;
• радон-222 — переходный элемент в процессе распада урана-238, выделяется из скальных пород и представляет особенную опасность для здоровья. И хотя многим известна медицинская процедура с приемом минеральных ванн с добавлением малых доз радона, но согласно исследованиям ВОЗ, их польза соответствует эффекту плацебо. А вот то, что прием таких ванн чреват риском поражения здоровых клеток, можно считать доказанным фактом.

Земные гамма-всплески, которые также называют темными молниями, часто возникают во время грозы. В сильном электростатическом поле электроны начинают двигаться с ускорением. Сталкиваясь с атомами в атмосфере, они выбивают из их ядер электроны, которые в свою очередь сталкиваются с другими атмосферными атомами, и процесс повторяется многократно. В результате повышения энергии в грозовых облаках начинают происходить ядерные реакции, способствующие гамма-излучению. Согласно полученным данным, темные молнии могут выделять до 100 МэВ энергии.

Естественное гамма-излучение возникает не только на Земле, но и в космосе. Ближайший к нам источник такого излучения — это Солнце. Во время солнечных вспышек атмосфера звезды излучает электромагнитные волны всевозможных частот, в том числе и гамма-лучи. Еще более мощными известными источниками являются:

• пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие пучки электромагнитного излучения с разной периодичностью;
• магнетары — нейтронные звезды, обладающие магнитным полем, сила которого на несколько порядков выше, чем у земного. Из-за экстремально сильных вспышек магнитное поле постепенно распадается, что сопровождается рентгеновским и гамма-излучением;
• квазары — по современным представлениям, являются ядрами формирующихся далеких галактик — сверхмассивными черными дырами, поглотившими огромное количество звезд. Гамма-излучение всего одного квазара сильнее, чем у всех вместе взятых звезд Млечного пути;

• гамма-всплески (не путать с земными гамма-всплесками) — самые мощные взрывы среди известных во Вселенной. Поток гамма-излучения в них длится всего несколько секунд, однако он несет в себе столько же энергии, сколько Солнце выработает за все время своего существования (около 10 млрд лет). У гамма-всплесков до сих пор нет общепринятого научного объяснения.

С развитием ядерной энергетики и физики элементарных частиц начали появляться искусственные источники гамма-излучения. Среди них можно выделить:

• ядерные реакторы;
• ускорители заряженных частиц;
• ядерное оружие;
• ядерные отходы.

Какие методы обнаружения гамма-излучения существуют

В отличие от видимого света и рентгеновского излучения гамма-лучи нельзя обнаружить с помощью зеркальных детекторов, так как они настолько малы, что беспрепятственно проходят сквозь их атомы. Однако еще в 1914 году было установлено, что лучи можно «поймать» с помощью кристаллических поверхностей, что позволило как фиксировать гамма-излучение, так и изучать его свойства. Возможность обнаружения гамма-лучей с помощью кристаллов объясняется ранее упомянутым комптон-эффектом рассеивания. Иными словами, кристаллические детекторы улавливают не само излучение, а возникающие заряженные частицы.

Перечислим основные современные методы обнаружения гамма-излучения и их особенности.

• Сцинтилляционный. Наиболее эффективный метод обнаружения заключается в том, что некоторые вещества под воздействием гамма-излучения выделяют низкоэнергетические фотоны видимого света. К распространенным сцинтилляторам относятся йодиды натрия, лития и цезия. Возникающие вспышки света фиксируют фоточувствительные сенсоры, которые преобразуют их в электрические импульсы. Полученные данные позволяют определить тип и интенсивность излучения.
• Химический. Ряд химических веществ, таких как хлороформ или двухвалентное железо, меняют свою структуру под воздействием гамма-лучей. Облучение сопровождается изменением цвета вещества, по которому ученые и определяют мощность излучения.
• Фотографический. Воздействуя на фотоэмульсию, состоящую из микроскопических кристаллов бромистого серебра, гамма-лучи выбивают электроны, что приводит к затемнению фотопленки. По степени затемнения можно определить интенсивность излучения.
• Ионизационный. При этом методе гамма-излучение фиксируют посредством герметичной камеры, заполненной газом и помещенной в электрическое поле. При прохождении лучей в газовой среде возникает ионизационный ток, сила которого показывает интенсивность гамма-излучения.

Где применяют гамма-излучение

Гамма-излучение имеет большую ценность для науки, в частности, астрофизики. Оно позволяет анализировать события, которые происходили в далеком прошлом на расстоянии многих миллиардов световых лет от Земли. Исследования гамма-всплесков в ранней Вселенной дают ценную информацию о процессах формирования звезд и их структуре на ранних этапах эволюции. Атмосфера нашей планеты активно поглощает гамма-лучи, из-за чего они теряют значительную часть энергии, поэтому высокочувствительные детекторы размещали и размещают на орбитальных космических телескопах («Хаббл», «Ферми») и обсерваториях («Кеплер», «Гайя»).

Благодаря высокой проникающей способности гамма-излучение используют в геофизике. Оно позволяет находить залежи радиоактивных полезных ископаемых, таких как уран или радий. Измеряя энергию гамма-фотонов, исходящих из недр Земли, ученые с высокой степенью точности определяют тип полезного ископаемого.

Искусственно созданное гамма-излучение применяют в самых разных сферах человеческой деятельности.

• Медицина. Гамма-лучи используют для лечения рака. Точечно направленное излучение убивает раковые клетки, почти не повреждая окружающие ткани организма. Благодаря способности гамма-излучения убивать микроорганизмы оно также используется для стерилизации оборудования и инструментов. Некоторые операции на головном мозге невозможно выполнить с помощью обычного скальпеля из-за его чрезмерно высокой толщины, поэтому врачи используют «гамма-лучевые ножи», позволяющие точно воздействовать на пораженные области.
• Промышленность. Специальные гамма-датчики позволяют с высокой степенью точности определять толщину и плотность различных материалов, а также уровень жидкости, чем обусловлено их использование в химической, целлюлозной-бумажной и нефтяной промышленности. Производители пищевых продуктов используют гамма-лучи, чтобы удалить вызывающие гниение бактерии, а также предотвратить прорастание овощей и фруктов.
• Космическая отрасль. Гамма-лучи можно использовать для определения высоты. Излучение ряда изотопов кобальта и цезия отражается от подстилающей поверхности Земли — тонкого переходного слоя между поверхностью и атмосферой планеты. Гамма-лучевыми высотомерами оснащают посадочные модули «Союз» для обеспечения безопасного приземления.

Как гамма-излучение влияет на организм человека

Гамма-лучи чрезвычайно опасны для человеческого организма, так как они проникают сквозь тело, попутно вызывая повреждения на клеточном уровне. Исследования показали, что от степени интенсивности облучения зависит вероятность развития рака и приобретения генетических повреждений. При особенно высоких дозах поражение тканей будет неизбежно. Одним из самых тяжелых последствий является лучевая болезнь, при которой необратимый ущерб получают многие системы организма: иммунная, кровеносная, эндокринная, половая и другие.

Гамма-излучение несет потенциальную опасность не только для отдельных людей, но и для всего человечества. Если Земля подвергнется точечному воздействию гамма-всплеска, произошедшего в нашей галактике, все живые существа на планете будут моментально уничтожены. Однако бояться этого не стоит, ведь мощнейший поток гамма-фотонов очень непродолжителен во времени и ослабевает с увеличением расстояния. Вероятность того, что он будет направлен точно на Землю, близка к нулевой.

Способы защиты от гамма-излучения

Чтобы измерить гамма-излучение, используют специальные дозиметры, которые также фиксируют рентеновское и бета-излучение. При превышении безопасной дозы они издают сигналы тревоги, услышав которые человек должен отойти на максимально возможное расстояние от источника. Также дозиметры помогают определить степень полученного организмом облучения, чтобы спланировать последующую медицинскую помощь.

Традиционные методы защиты от радиации, такие как прорезиненные костюмы, перчатки, респираторы и противогазы, не дают должной защиты от гамма-излучения из-за его высокой проникающей способности. В некоторой степени нейтрализовать вредное воздействие позволяют вставки из плотных материалов: свинца, стали или бетона. Специалисты, работающие с источниками гамма-лучей, часто используют защитные экраны из свинцового стекла (прозрачного материала из свинцового силиката и кварца) или обедненного урана с незначительной долей содержания радиоактивных изотопов.

Интересные факты о гамма-излучении

• Когда в США в 1960-х запустили первые спутники с детекторами гамма-излучения, они зафиксировали неожиданно большое количество импульсов. Потребовалось некоторое время, чтобы понять, что эти гамма-лучи приходят из далекого космоса, а не являются результатами ядерных испытаний.
• Гамма-лучи сыграли важную роль при экспериментальном открытии бозона Хиггса — элементарной частицы, отвечающей за придание массы другим элементарным частицам. Теория предсказывала, что бозоны Хиггса могут распадаться на гамма-фотоны, и именно их зафиксировали детекторы Большого адронного коллайдера.
• Земные гамма-всплески были открыты только в 1994 году, во время эксперимента на космической обсерватории «Комптон». Это стало большим событием, так как до этого ученые считали, что столь мощное излучение может исходить только из космоса. Каждый день детекторы фиксируют порядка 50 темных молний.

• Несмотря на свою опасность, гамма-излучение является одним из факторов развития жизни на Земле. Будучи побочным продуктом термоядерного синтеза, гамма-фотоны являются мощным источником энергии в ядре Солнца, поддерживая температуру на высоком уровне. Этой тепловой энергии хватает, чтобы согревать живые организмы на расстоянии в 150 млн километров.

***

Гамма-излучение является одним из самых интересных проявлений электромагнетизма. Оно помогает нам изучать далекий космос и нашу собственную планету, открывает новые возможности для медицины и промышленности, способствует развитию фундаментальной физики. В будущем сверхинтенсивная энергия гамма-фотонов может помочь ответить на неразрешенные загадки мироздания и достичь новых высот в создании сложных технических устройств.

Изображение на обложке: AI-generated by A.Romantsova