§ 259.  Гамма-излучение и его свойства

Экспериментально установлено, что g-излучение (см. § 255) не является самосто­ятельным видом радиоактивности, а толь­ко сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при тор­можении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-Спектр является линейчатым. g-Спектр — это распределение числа g-квантов по энергиям (такое же толкова­ние b-спектра дано в § 258). Дискретность g-спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

В настоящее время твердо установле­но, что g-излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбужденным, за время примерно 10^-13—10^-14 с, значительно меньшее вре­мени жизни возбужденного атома (при­мерно 10^-8 с), переходит в основное со­стояние с испусканием g-излучения. Воз­вращаясь в основное состояние, воз­бужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому g-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп g-квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При g-излучении А и Z ядра не изме­няются, поэтому оно не описывается ни­какими правилами смещения. g-Излучение большинства ядер является столь коротко­волновым, что его волновые свойства про­являются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства,

Этот процесс сопровождается выпол­нением законов сохранения электрических зарядов, импульса и массовых чисел. Кро­ме того, данное превращение энергетиче­ски возможно, так как масса покоя ней­трона превышает массу атома водорода, т. е. протона и электрона вместе взятых. Данной разности в массах соответствует энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой энергии может происходить самопроиз­вольное превращение нейтрона в протон; энергия распределяется между электро­ном и антинейтрино.

Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно и вообще возмож­но, то должен наблюдаться радиоактив­ный распад свободных нейтронов (т.е. нейтронов вне ядра). Обнаружение

 

418

поэтому g-излучение рассматривают как поток частиц — g-квантов. При радиоак­тивных распадах различных ядер g-кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное со­стояние не только при испускании g-кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предваритель­ного испускания g-кванта) одному из электронов того же атома. При этом ис­пускается так называемый электрон кон­версии. Само явление называется внутрен­ней конверсией. Внутренняя конверсия — процесс, конкурирующий с g-излучением.

Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся энергия Е выделяется в виде g-кванта, то частота излучения v опреде­ляется из известного соотношения E=hv. Если же испускаются электроны внутрен­ней конверсии, то их энергии равны E-А_K, Е- А_L, ... , где А_K, A_L, ... — работа выхода электрона из K- и L-оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсии позволя­ет отличить их от b-электронов, спектр которых непрерывен (см. §258). Возник­шее в результате вылета электрона ва­кантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внут­ренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излу­чением.

g-Кванты, обладая нулевой массой по­коя, не могут замедляться в среде, поэто­му при прохождении g-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. g-Кванты не несут элек­трического заряда и тем самым не испыты­вают влияния кулоновских сил. При про­хождении пучка g-квантов сквозь вещест­во их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспонен­циальным законом I=I₀е^-mx (I₀ и I — интенсивности g-излучения на входе и вы-

ходе слоя поглощающего вещества толщи­ной х, m — коэффициент поглощения). Так как g-излучение — самое проникающее излучение, то m для многих веществ — очень малая величина; m зависит от свойств вещества и от энергии g-квантов.

g-Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электрон­ной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. В квантовой электродинамике до­казывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение g-излучения через вещество, являются фотоэф­фект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение g-излучения,— это процесс, при котором атом поглощает g-квант и ис­пускает электрон. Так как электрон вы­бивается из одной из внутренних оболо­чек атома, то освободившееся место за­полняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излу­чением. Фотоэффект является преоблада­ющим механизмом поглощения в области малых энергий g-квантов (E_g£ 100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связан­ных электронах, так как свободный элект­рон не может поглотить g-квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

По мере увеличения энергии g-квантов (E_g»0,5МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом вза­имодействия g-квантов с веществом явля­ется комптоновское рассеяние (см. §206).

При E_g>1,02 МэВ=2m_ec² (m_e — мас­са покоя электрона) становится возмож­ным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса пропор­циональна Z² и увеличивается с ростом E_g. Поэтому при E_g»10МэВ основным про­цессом взаимодействия g-излучения в лю­бом веществе является образование электронно-позитронных пар.

Если энергия g-кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7— 8МэВ), то в результате поглощения g-кванта может наблюдаться ядерный фо-

 

 

419

тоэффект — выброс из ядра одного из нук­лонов, чаще всего нейтрона.

Большая проникающая способность g-излучения используется в гамма-дефек­тоскопии — методе дефектоскопии, осно­ванном на различном поглощении g-излучения при распространении его на одина­ковое расстояние в разных средах. Место­положение и размеры дефектов (ракови­ны, трещины и т. д.) определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разные участки просве­чиваемого изделия.

Воздействие g-излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизи­рующего излучения. Различаются:

Поглощенная доза излучения — физи­ческая величина, равная отношению энер­гии излучения к массе облучаемого ве­щества.

Единица поглощенной дозы излуче­ния — грей (Гр): 1 Гр=1 Дж/кг — доза излучения, при которой облученному ве­ществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.

Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, ос­вобожденными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизиру­ющей способности электронов), к массе этого воздуха.

Единица экспозиционной дозы излу­чения— кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р): 1 Р = 2,58•10^-4 Кл/кг.

Биологическая доза — величина, оп­ределяющая воздействие излучения на ор­ганизм.

Единица биологической дозы — биоло­гический эквивалент рентгена (бэр): 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же био­логическое действие, как и доза рентгенов­ского или g-излучения в 1 P (1 бэр=10^-2 Дж/кг).

Мощность дозы излучения — величи­на, равная отношению дозы излучения к времени облучения. Различают: 1) мощ­ность поглощенной дозы (единица — грей на секунду (Гр/с)); 2) мощность экспози­ционной дозы (единица — ампер на кило­грамм (А/кг)).