Презентация "Гамма излучение" (11 класс, физика)

«Гамма- излучение »

Гамма­излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На  шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским  излучением, занимая область более высоких частот. Гамма­излучение  обладает чрезвычайно малой длинной волны (λ10 ­8 см) и вследствие этого  ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно  потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией h  ν (  – частота  излучения, h – Планка постоянная).  Гамма­ излучение возникает при распадах радиоактивных ядер,  элементарных частиц,  при аннигиляции пар частицы­античастица, а также  при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество. Гамма­излучение,  сопровождающее распад  радиоактивных ядер, испускается при переходах  ядра из более возбужденного  энергетического состояния в  менее возбужденное или в  основное. Энергия   равна разности энергий Δ  ε состояний, между которыми  происходит переход .  – кванта  ν γ

Гамма­излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных  частиц через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле  атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и  тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром,  верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы,  например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают  тормозное гамма­ излучение с максимальной энергией до нескольких  десятков Гэв. В межзвездном пространстве гамма­излучение может возникать в  результате соударений квантов более мягкого  длинноволнового,  электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными  магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон  передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет  превращается в более жесткое гамма­излучение. Аналогичное явление  может иметь место в земных условиях при столкновении электронов  большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в  интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает  энергию световому фотону, который превращается в  ­квант. Таким  образом, можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты  гамма­излучения высокой энергии. γ

γ Гамма­излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может  проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления.  Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма­излучения с  веществом, ­ фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское  рассеяние (Комптон­эффект) и образование пар электрон­позитрон. При  фотоэффекте происходит поглощение  ­кванта одним из электронов атома,  причём энергия  ­кванта преобразуется ( за вычетом энергии связи  электрона в атоме ) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за  пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой  степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3­й степени  энергии гамма­излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в  области малых энергии  ­квантов (  При комптон­эффекте происходит рассеяние  ­кванта на одном из  электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при  комптон­эффекте  ­квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну  волны ) и направление распрастранения. Узкий пучок гамма­лучей в  результате комптон­эффекта становится более широким, а само излучение ­  более мягким (длинноволновым ). Интенсивность комптоновского рассеяния  пропорциональна числу электронов в 1см3 вещества, и поэтому вероятность  этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества.  100 кэв ) на тяжелых элементах ( Pb, U). γ γ γ γ

Комптон­эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером  и при энергиях гамма­излучения, превышают энергию связи электронов в  атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с  вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В  случае Al Комптон­эффект преобладает при гораздо меньших энергиях. Если энергия  ­кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс  образования электрон­позитроновых пар в электрическом поле ядер.  Вероятность образования пар  пропорциональна квадрату атомного номера и  увеличивается с ростом h . Поэтому при h  ~10 Мэв основным процессом в  любом веществе  оказывается образование пар. γ ν ν Обратный процесс аннигиляция  электрон­позитронной пары  является источником гамма­ излучения. Для характеристики ослабления  гамма­излучения в веществе обычно  пользуются коэффициентом  поглощения, который показывает, на  какой толщине Х поглотителя  интенсивность I0 падающего пучка  гамма­излучение ослабляется в е раз

I=I0e­μ0x Здесь μ0 – линейный коэффициент поглощения гамма­излучения. Иногда  вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ0 к плотности  поглотителя.  Экспоненциальный закон ослабления гамма­излучения справедлив для узкого  направления пучка гамма­лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и  рассеяния, выводит гамма­излучение из состава первичного пучка. Однако при  высоких энергиях процесс прохождения гамма­излучения через вещество  значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают  большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма­излучение  благодаря процессам торможения и аннигиляции. Таким образом в веществе  возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма­излучения,  электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число  вторичных частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая  максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над  процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма­ излучения развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и так  называемой критической энергией, после которой ливень в данном веществе  практически теряет способность развиваться. Для изменения энергии гамма­излучения в экспериментальной физике  применяются гамма­спектрометры различных типов, основанные большей  частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы  спектрометров гамма­излучения: магнитные, сцинтилляционные,  полупроводниковые, кристалл­дифракционные.

γ Действие на организм гамма­излучения подобно действию других видов  ионизирующих излучений. Гамма­излучение может вызывать лучевое  поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма­ излучения зависит от энергии  ­квантов и пространственных особенностей  облучения, например, внешнее или внутреннее. Относительная  биологическая эффективность гамма­излучения составляет 0,7­0,9. В  производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах)  относительная биологическая эффективность гамма­излучения принята  равной 1. Гамма­излучение используется в медицине для лечения опухолей,  для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов.  Гамма­излучение применяют также для получения мутаций с последующим  отбором хозяйственно­полезных форм. Так выводят высокопродуктивные  сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков ) и растений.  Ионизирующие излучения стали использовать для повышения сроков  хранения сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения различных  насекомых­вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор  пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то  возможность размножения насекомых­вредителей будет исключена и зерно  сможет храниться длительное время без каких­либо потерь. Само зерно как  питательный продукт не меняется при таких дозах облучения. Употребление  его для корма четырех поколений экспериментальных животных не вызвало  каких бы то ни было отклонений в росте, способности к размножению и  других патологических отклонений от нормы.

Осциллограмма гамма-излучения