Гамма-дефектоскопия
Га'мма-дефектоскопи'я, метод обнаружения внутренних дефектов в изделиях при просвечивании их гамма-лучами; см. Дефектоскопия .
Гамма-излучение
Га'мма-излуче'ние, коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Г.-и. обладает чрезвычайно малой длиной волны (l £ 10-8 см ) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц — гамма-квантов, или фотонов , с энергией hv (v — частота излучения, h — Планка постоянная ).
Г.-и. возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.
Г.-и., сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбуждённого энергетического состояния в менее возбуждённое или в основное. Энергия g -кванта равна разности энергий DE состоянии, между которыми происходит переход (рис. 1 ). Испускание ядром g -кванта не влечёт за собой изменения атомного номера или массового числа , в отличие от др. видов радиоактивных превращений (см. Альфа-распад , Бета-распад ). Ширина линий Г.-и. обычно чрезвычайно мала (~10-2 эв ). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв ) во много раз больше ширины линий, спектр Г.-и. является линейчатым, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров Г.-и. позволяет установить энергии возбуждённых состояний ядер (см. Ядерная спектроскопия , Ядро атомное ).
Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося p° -мезона возникает Г.-и. с энергией ~70 Мэв. Г.-и. от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света с. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии (см. Доплера эффект ) и спектр Г.-и. оказывается размытым в широком интервале энергии (см. Элементарные частицы ).
Г.-и., образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное Г.-и., так же как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное Г.-и. с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв (см. Тормозное излучение ).
В межзвёздном пространстве Г.-и. может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое Г.-и. (см. Гамма-астрономия ).
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 передаёт энергию световому фотону, который превращается в g -квант. Т. о., можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты Г.-и. высокой энергии.
Г.-и. обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии Г.-и. с веществом, — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение g -кванта одним из электронов атома, причём энергия g -кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна 5-й степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии Г.-и. (см. Фотоэффект ). Т. о., фотоэффект преобладает в области малых энергий g -квантов (£ 100 кэв) на тяжёлых элементах (Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние g -кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте g -квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение — более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях Г.-и., превышающих 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 комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.
Если энергия g -кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hv. Поэтому при hv ~ 10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар (рис. 2 ). Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником Г.-и. (см. Аннигиляция и рождение пар ).
Для характеристики ослабления Г.-и. в веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I0 падающего пучка Г.-и. ослабляется в е раз:
Здесь m0 — линейный коэффициент поглощения Г.-и. в см -1 . Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению m0 к плотности поглотителя. В этих случаях толщину измеряют в г/см2 .
Экспоненциальный закон ослабления Г.-и. справедлив для узкого направленного пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит Г.-и. из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях (hv > 10 Мэв ) процесс прохождения Г.-и. через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать Г.-и. благодаря процессам торможения и аннигиляции. Т. о. в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного Г.-и., электронов и позитронов, т. е. 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 Г.-и. развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и т. н. критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться. Эта энергия Екр тем выше, чем легче вещество. Так, для воздуха Екр = 50 Мэв, а для свинца Екр = 5 Мэв.
Для измерения энергии Г.-и. в экспериментальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров Г.-и.: магнитные, сцинтилляционные, полупроводниковые, кристалл-дифракционные, (см Гамма-спектрометр , Сцинтилляционный спектрометр , Полупроводниковый спектрометр ).
Изучение спектров ядерных Г.-и. даёт важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного Г.-и., используется для изучения свойств твёрдых тел (см. Мёссбауэра эффект , Ориентированные ядра ). Г.-и. находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях (гамма-дефектоскопия, см. Дефектоскопия ). В радиационной химии Г.-и. применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Г.-и. используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками Г.-и. служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, например 226 Ra, 60 Co и 137 Cs, а также электронные ускорители.
