§ 259. Гамма-випромінювання та його властивості
Експериментально встановлено, що -випромінювання (див. § 255) не є самостійним видом радіоактивності, а тільки супроводжує - та -розпади і також виникає при ядерних реакціях, при гальмуванні заряджених частинок, їх розпаді і т. д. -Спектр є лінійним. -Спектр — це розподіл числа -квантів за енергіями (таке саме тлумачення -спектру дано у § 258). Дискретність -спектру має важливе значення, оскільки є доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер.
Нині твердо встановлено, що -випромінювання випускається дочірнім (а чи не материнським) ядром. Дочірнє ядро в момент свого утворення, виявляючись збудженим, за час приблизно 10 -13 -10 -1 4 с, значно менше часу життя збудженого атома (приблизно 10 -8 с), переходить в основний стан із випромінюванням -випромінювання. Повертаючись в основний стан, збуджене ядро може пройти через ряд проміжних станів, тому -випромінювання одного і того ж радіоактивного ізотопу може містити декілька груп -квантів, що відрізняються одна від одної своєю енергією.
При -випромінюванніАта Z ядра не змінюються, тому воно не описується жодними правилами усунення. -Випромінювання більшості ядер є настільки короткохвильовим, що його хвильові властивості проявляються дуже слабо. Тут на перший план виступають корпускулярні властивості,
Цей процес супроводжується виконанням законів збереження електричних зарядів, імпульсу та масових чисел. Крім того, це перетворення енергетично можливе, оскільки маса спокою нейтрону перевищує масу атома водню, тобто протона та електрона разом узятих. Даної різниці в масах відповідає енергія, що дорівнює 0,782 МеВ. За рахунок цієї енергії може відбуватисямимовільне перетворення нейтрону на протон; енергія розподіляється між електроном та антинейтрино.
Якщо перетворення нейтрону на протон енергетично вигідне і взагалі можливе, то має спостерігатися радіоактивний розпад вільних нейтронів (тобто нейтронів поза ядром). Виявлення
тому -випромінювання розглядають як потік частинок - -квантів. При радіоактивних розпадах різних ядер -кванти мають енергії від 10 кеВ до 5 МеВ.
Ядро, що знаходиться у збудженому стані, може перейти в основний стан не тільки при випромінюванні -кванта, але і при безпосередній передачі енергії збудження (без попереднього випромінювання -кванта) одному з електронів того ж атома. При цьому випускається так званийелектрон конверсії.Саме явище називаєтьсявнутрішньою конверсією.Внутрішня конверсія — процес, що конкурує з -випромінюванням.
Електронам конверсії відповідають дискретні значення енергії, що залежить від роботи виходу електрона з оболонки, з якої електрон виривається, і від енергіїЕ,ядром, що віддається, при переході з збудженого стану в основне. Якщо вся енергіяЕвиділяється у вигляді -кванта, то частота випромінювання v визначається з відомого співвідношенняE=hv.Якщо ж випромінюються електрони внутрішньої конверсії, їх енергії рівні E-АK, Е-АL,.,деАK,AL,.—робота виходу електрона зK-іL-оболонок. . Вакантне місце на внутрішній оболонці атома, що виникло в результаті вильоту електрона, заповнюватиметься електронами з вищележачих оболонок. Тому внутрішня конверсіязавжди супроводжується характерним рентгенівським випромінюванням.
-Кванти, маючи нульову масу спокою, не можуть сповільнюватися в середовищі, тому при проходженні -випромінювання крізь речовину вони або поглинаються, або розсіюються ним. -Кванти не несуть електричного заряду і тим самим не зазнають впливу кулонівських сил. При проходженні пучка -квантів крізь речовину їх енергія не змінюється, але в результаті зіткнень послаблюється інтенсивність, зміна якої описується експоненційним закономI=I0е - x (I0 іI— інтенсивності -випромінювання на вході та ви-
ході шару поглинаючої речовини завтовшких,- коефіцієнт поглинання). Так як -випромінювання - найпроникливіше випромінювання, то для багатьох речовин - дуже мала величина; залежить від властивостей речовини та від енергії -квантів.
-Кванти, проходячи крізь речовину, можуть взаємодіяти як з електронною оболонкою атомів речовини, так і з їх ядрами. У квантовій електродинаміці доводиться, що основними процесами, що супроводжують проходження -випромінювання через речовину, є фотоефект, комптон-ефект (комптонівське розсіювання) та утворення електронно-позитронних пар.
Фотоефект, абофотоелектричне поглинання-випромінювання,—це процес, при якому атом поглинає -квант і випромінює електрон. Так як електрон вибивається з однієї з внутрішніх оболонок атома, то місце, що звільнилося заповнюється електронами з вищележачих оболонок, і фотоефект супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Фотоефект є переважним механізмом поглинання в області малих енергій -квантів (E 100 кеВ). Фотоефект може йти тільки на зв'язаних електронах, тому що вільний електрон не може поглинути-квант, при цьому одночасно не задовольняються закони збереження енергії та імпульсу.
У міру збільшення енергії -квантів (E0,5МеВ) ймовірність фотоефекту дуже мала і основним механізмом взаємодії -квантів з речовиною єкомптонівське розсіювання(див. §206).
При E>1,02 МеВ=2mec 2(me—маса спокою електрона) стає можливим процес утворення електронно-позитронних пар в електричних полях ядер . Імовірність цього процесу пропорційна Z 2 і збільшується зі зростанням E. Тому при E10МеВ основним процесом взаємодії -випромінювання в будь-якій речовині єутворення електронно-позитронних пар.
Якщо енергія -кванта перевищує енергію зв'язку нуклонів в ядрі (7- 8МеВ), то в результаті поглинання -кванта може спостерігатися ядерний фо-
тоефект- викид з ядра одного з нуклонів, найчастіше нейтрону.
Велика проникаюча здатність -випромінювання використовується вгама-дефектоскопії— методі дефектоскопії, заснованому на різному поглинанні -випромінювання при поширенні його на однакову відстань у різних середовищах. Розташування та розміри дефектів (раковини, тріщини і т. д.) визначаються за різницею в інтенсивності випромінювання, що пройшло через різні ділянки виробу, що просвічується.
Вплив -випромінювання (а також інших видів іонізуючого випромінювання) на речовину характеризуютьдозою іонізуючого випромінювання.Розрізняються:
Поглинена доза випромінювання -фізична величина, що дорівнює відношенню енергії випромінювання до маси речовини, що опромінюється.
Одиниця поглиненої дози випромінювання -грій(Гр): 1 Гр=1 Дж/кг - доза випромінювання, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія будь-якогоіонізуючого випромінювання 1 Дж.
Експозиційна доза випромінювання -фізична величина, що дорівнює відношенню суми електричних зарядів всіх іонів одного знака, створених електронами, звільненими в опроміненому повітрі (за умови повного використання іонізуючої здатності електронів), до маси цього повітря.
Одиниця експозиційної дози випромінювання – кулон на кілограм (Кл/кг); позасистемною одиницею єрентген(Р): 1 Р = 2,58 • 10 -4 Кл/кг.
Біологічна доза -величина, що визначає вплив випромінювання на організм.
Одиниця біологічної дози -біологічний еквівалент рентгену(бер): 1 бер - доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, що виробляє таку ж біологічну дію, як і доза рентгенівського або -випромінювання в 1 P (1 бер=10 -2 Дж/кг).
Потужність дози випромінювання -величина, що дорівнює відношенню дози випромінювання до часу опромінення. Розрізняють: 1)потужність поглиненої дози(одиниця - грей на секунду (Гр/с)); 2)потужність експозиційної дози(одиниця - ампер на кілограм (А/кг)).