Как защититься от гаммы излучения человеку — применение. Гамма-излучение

> Гамма-излучение

Рассмотрите мощность, источники и измерение гамма-излучения . Узнайте, что такое гамма-распад, высокая частота электромагнитных лучей, диапазон длины волны.

Гамма-лучи – электромагнитные волны, формирующиеся в радиоактивном распаде с частотами больше 10 19 Гц.

Задача обучения

Выяснить диапазон гамма-лучей, отметив биологическое влияние.

Основные пункты

Это наивысшее электромагнитное излучение с энергией больше 100 кэВ, частотой – 10 19 Гц и длиной волн – 10 пикометров.
Гамма-лучи при радиоактивном распаде определяются этой категорией, не основываясь на энергии, поэтому нет нижнего предела.
По характеристикам совпадают с рентгеновскими лучами, но отличаются источником происхождения.
Среди природных источников: радиоизотопы и космические лучи.
Это ионизирующая разновидность, поэтому несет биологическую опасность.

Термины

Гамма-лучи – высокочастотное электромагнитное излучение, созданное при радиоактивности.
Гамма-распад – ядерная реакция с производством гамма-лучей.
Ионизирующее излучение – может привести к ионизации в веществах.

Гамма-излучение

Гамма-излучение - электромагнитные лучи на высокой частоте и энергии. Обычно показатели превышают 10 эксагерц (10 19 Гц), по энергии – 100кэВ, а длине волны – 10 пикометров (меньше диаметра атома). Гамма-лучи в радиоактивном распаде входят в эту категорию, не зависимо от энергии, поэтому нижнего предела не существует.

Излучение гамма-лучей (γ) из атомного ядра

Речь идет об ионизирующих лучах, поэтому они несут биологическую угрозу. Создаются распадом высокоэнергетических атомных ядер (гамма-распад) и прочими процессами. Гамма-лучи в 1900 году нашел Пол Вильяр, изучавший распад радия. В 1903 году Эрнест Резерфорд дал им наименование «гамма».

Источники гамма-лучей

Среди природных источников гамма-лучей стоит вспомнить радиоизотопы вроде калия-40, а также вторичное излучение атмосферных контактов с космическими лучами. Некоторые земные источники создают гамма-лучи, но не обладают ядерным происхождением. Это удары молнии и зеленые гамма-вспышки.

В астрономических процессах создается много гамма-лучей. Все дело в высокоэнергетических электронах, которые генерируют вторичные гамма-лучи в тормозном излучении, обратном комптоновском рассеивании и синхронном излучении. Большая их часть отбивается земной атмосферой и находится космическими аппаратами. Искусственными источниками служат ядерные реакторы и эксперименты в физике высоких энергий.

Гамма и рентгеновские лучи

Рентгеновское и гамма-излучение похожи по характеристикам, но отличаются источником. На более высоких частотах гамма-лучи сильнее проникают и несут больше разрушений живой ткани. Их также применяют в области медицины для терапии рака.

В последние десятилетия подход к их отличию резко изменился. Ранее использовался критерий длины волны, где показатель ниже 10-11 м автоматически относил волну к гамма. Но искусственным источникам удалось воспроизводить это явление и при глубоком изучении приняли решение отличать их по источнику происхождения. Гамма создаются ядром, а рентгеновские – электронами вне ядра.

Исключения встречаются в астрономии, где гамма-распад способен возникнуть при послесвечении сверхновых и прочих процессов с высокими энергиями, которые не связаны с радиоактивным распадом. Наиболее яркий пример – длительные гамма-всплески, чей механизм генерации не сходится с радиоактивным распадом. Они связаны с крушением звезд – гиперновые.

Это снимок неба в 100 МэВ, сделанный на прибор EGRET космического корабля CGRO. Яркие пятна – пульсары (вращающиеся нейтронные звезды с мощными магнитными полями). Ниже и выше плоскости – квазары (галактики со сверхмассивными черными дырами)

Влияние на здоровье

Любая ионизирующая радиация серьезно вредит на клеточном уровне. Но альфа и бета-частицы практически не проникают, поэтому вред наносится на локализированном уровне (радиационный ожог). А гамма-лучи и нейтроны сильнее проникают, из-за чего происходит диффузное повреждение организма. Наиболее опасные формы гамма-лучей создаются при энергиях 3-10 МэВ.

Гамма излучение представляет собой довольно серьезную опасность для человеческого организма, да и для всего живого в общем.

Это электромагнитные волны с очень маленькой длиной и высокой скоростью распространения.

Чем же они так опасны, и каким образом можно защититься от их воздействия?

О гамме излучение

Все знают, что атомы всех веществ содержат в себе ядро и электроны, которые вращаются вокруг него. Как правило, ядро – это довольно стойкое образование, которому трудно нанести повреждения.

При этом существуют вещества, ядра которых неустойчивы, и при некотором воздействии на них происходит излучение их составляющих. Такой процесс называется радиоактивным, он имеет определенные составляющие, названные по первым буквам греческого алфавита:

гамма излучения.

Стоит отметить, что радиационный процесс подразделяется на два вида в зависимости от того, что именно в результате выделяется.

Виды:

Поток лучей с выделением частиц – альфа, бета и нейтронное;
Излучение энергии – рентгеновское и гамма.

Гамма излучение – это поток энергии в виде фотонов. Процесс разделения атомов под воздействием радиации сопровождается образованием новых веществ. При этом атомы вновь образовавшегося продукта имеют довольно нестабильное состояние. Постепенно при взаимодействии элементарных частиц возникает восстановление равновесия. В результате происходит выброс лишней энергии в виде гаммы.

Проникающая способность такого потока лучей очень высока. Оно способно проникать через кожные покровы, ткани, одежду. Более тяжелым будет проникновение через металл. Чтобы задержать такие лучи необходима довольно толстая стена из стали или бетона. Однако длина волныγ-излучения очень мала и составляет меньше 2·10 −10 м, а ее частота находится в диапазоне 3*1019 – 3*1021 Гц.

Гамма частицами являются фотоны с довольно высокой энергией. Исследователи утверждают, что энергия гаммы излучения может превышать показатель 10 5 эВ. При этом граница между рентгеновскими и γ-лучами далеко не резкая.

Источники:

Различные процессы в космическом пространстве,
Распад частиц в процессе опытов и исследований,
Переход ядра элемента из состояния с большой энергией в состояние покоя или с меньшей энергией,
Процесс торможения заряженных частиц в среде либо движение их в магнитном поле.

Открыл гамма излучение французский физик Поль Виллар в 1900 году, проводя исследование излучения радия.

Чем опасно гамма-излучение

Гамма излучение является наиболее опасным, нежели альфа и бета.

Механизм действия:

Гамма лучи способны проникать через кожные покровы внутрь живых клеток, в результате происходит их повреждение и дальнейшее разрушение.
Поврежденные молекулы провоцируют ионизацию новых таких же частиц.
В результате возникает изменение в структуре вещества. Пострадавшие частицы при этом начинают разлагаться и превращаться в токсические вещества.
В итоге происходит образование новых клеток, но они уже с определенным дефектом и поэтому не могут полноценно работать.

Гамма излучения опасно тем, что такое взаимодействие человека с лучами не ощущается им ни в коей мере. Дело в том, что каждый орган и система человеческого организма реагирует по-разному на γ-лучи. Прежде всего, страдают клетки, способные быстро делиться.

Системы:

Лимфатическая,
Сердечная,
Пищеварительная,
Кроветворная,
Половая.

Оказывается негативное влияние и на генетическом уровне. Кроме того, такое излучение имеет свойство накапливаться в человеческом организме. При этом в первое время оно практически не проявляется.

Где применяется гамма-излучение

Несмотря на негативное влияние, ученые нашли и положительные стороны. В настоящее время такие лучи применяются в различных сферах жизни.

Гамма излучение — применение:

В геологических исследованиях с их помощью определяют длину скважин.
Стерилизация различных медицинских инструментов.
Используется для контроля внутреннего состояния различных вещей.
Точное моделирование пути космических аппаратов.
В растениеводстве применяется для вывода новых сортов растений из тех, что мутируют под воздействием лучей.

Излучение гамма частиц нашло свое применение в медицине. Используется оно в терапии онкологических больных. Такой метод имеет название «лучевая терапия» и основывается на воздействии лучей на быстро делящиеся клетки. В результате при правильном использовании появляется возможность уменьшить развитие патологических клеток опухоли. Однако такой метод, как правило, применяется в том случае, когда другие уже бессильны.

Отдельно стоит сказать о влияние его на мозг человека

Современные исследования позволили установить, что мозг постоянно испускает электрические импульсы. Ученые считают, что гамма излучения возникает в те моменты, когда человеку приходится работать с разной информацией одновременно. При этом небольшое количество таких волн ведет к уменьшению запоминающей способности.

Как защититься от гамма-излучения

Какая же защита существует, и что сделать, чтобы уберечься от этих вредных лучей?

В современном мире человек окружен различными излучениями со всех сторон. Однако гамма частицы из космоса оказывают минимальное воздействие. А вот то, что находится вокруг представляет гораздо большую опасность. Особенно это относится к людям, работающим на различных атомных станциях. В таком случае защита от гамма излучения состоит в применении некоторых мер.

Меры:

Не находится длительное время в местах с таким излучением. Чем дольше времени человек находится под воздействием этих лучей, тем больше разрушений возникнет в организме.
Не стоит находиться там, где расположены источники излучения.
Необходимо использовать защитную одежду. В ее состав входит резина, пластик с наполнителями из свинца и его соединений.

Стоит отметить, что коэффициент ослабления гамма излучения зависит от того, из какого материала сделан защитный барьер. Так, например, лучшим металлом считается свинец в виду его свойства поглощать излучение в большом количестве. Однако он плавится при довольно низких температурах, поэтому в некоторых условиях используется более дорогой металл, например, вольфрам или тантал.

Еще один способ обезопасить себя – это измерить мощность гамма излучения в Вт. Кроме того, мощность измеряется также в зивертах и рентгенах.

Норма гамма излучения не должна превышать 0,5 микрозиверта в час. Однако лучше если этот показатель не будет выше 0,2 микрозиверта в час.

Чтобы измерить гамма излучение, применяется специальное устройство – дозиметр. Таких приборов существует довольно много. Часто используется такой аппарат, как «дозиметр гамма излучения дкг 07д дрозд». Он предназначен для оперативного и качественного измерения гамма и рентгеновского излучения.

У такого устройства есть два независимых канала, которые могут измерять МЭД и Эквивалент дозировки. МЭД гамма излучения это мощность эквивалентной дозировки, то есть количество энергии, которую поглощает вещество в единицу времени с учетом того, какое воздействие лучи оказывают на человеческий организм. Для этого показателя также существуют определенные нормы, которые обязательно должны быть учтены.

Излучение способно негативно влиять на организм человека, однако даже для него нашлось применение в некоторых сферах жизни.

Видео: Гамма-излучение

Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое - при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.

Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.

При энергии свыше 10 14 эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты - 10 20 –10 21 эВ , приходят из космоса крайне редко - примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.

Источники

Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS . Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей - энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. ). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта - нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.

Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. ). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд .

Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (рис. художника )

В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.

При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.

Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.

Приемники

Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см , которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).

Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц - космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.

Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.

Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение , которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.

При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.

Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.

Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.

Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз - по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.

Важная особенность ФЭУ - быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где - бета-излучение - электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона:

Гамма излучение - это поток электромагнитных волн. По своим характеристикам они близки к рентгеновским лучам, но обладают большей энергией, т.к. их частота колебаний выше ( < 0,03нм).

По своей природе гамма-излучение ядерного происхождения . Оно сопровождает радиоактивный распад ядра или переход ядра из одного энергетического состояния в другое.

Поскольку длина волны гамма-излучения соизмерима с размерами атомов, а энергия квантов составляет десятки килоэлектрон вольт (кэВ) и более, то проникающая способность его очень велика.

Проходя через вещество, электромагнитные волны гамма излучения взаимодействуют с электронами атома, электрическим полем ядра и самим ядром, а точнее с протонами и нейтронами ядра.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма-излучения с электронами атома сводится к поглощению электромагнитной энергии, часть которой тратится на возбуждение атомов и преобразуется в тепло, а другая часть - на образование заряженных частиц, т. е. на ионизацию атомов. Этот процесс называется фотоэлектрическим поглощением энергии.

Но так как энергия гамма -кванта всегда превышает энергию связи электронов с ядром, то сорванные электроны имеют достаточный запас энергии и производят вторичную ионизацию нейтральных атомов.

С увеличением атомного номера вещества вероятность фотоэлектрического поглощения возрастает в Z 4 раз, однако с увеличением энергии гамма кванта эта вероятность уменьшается.

Учитывая, что электроны атома обладают зарядом и массой, то часть энергии гамма кванта отклоняется от направления своего движения на некоторый угол и уходит за пределы пучка, но величина этой энергии незначительна. Этот процесс называется некогерентным рассеянием энергии.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с полем ядра вызывает отклонение на некоторый угол от направления движения части энергии и уход ее за пределы пучка, т.е. происходит некогерентное рассеяние энергии . При этом, чем выше плотность вещества (номер элемента), тем большее количество энергии гамма кванта рассеивается.

Это необходимо учитывать при изготовлении защитных конструкций.

Взаимодействие электромагнитных волн гамма квантов с протонами и нейтронами ядра может привести к ядерным превращениям, т.е. превращению протона в нейтрон или нейтрона в протон и выбросу в молекулярное пространство бета-частицы. Но это возможно только при условии, что энергия гамма кванта больше суммы энергии, взаимосвязанной с массой покоя электрона и позитрона в ядре. Энергия покоя электрона и позитрона в ядре очень велика и равна 1,02 мэВ, что снижает вероятность этого процесса.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом часть энергии поглощается, т. е. преобразуется в тепло и заряженные частицы, часть рассеивается.

Защита от гамма-излучения: так как гамма-излучение не обладает массой и электрическим зарядом, то какой бы ни была взята толщина слоя вещества нельзя полностью поглотить поток ЭМВ гамма квантов, можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

Толщина слоя вещества, после прохождения которого интенсивность гамма-излучения ослабляется в 2 раза, называется слоем половинного ослабления.

При изготовлении защитных конструкций от гамма-излучения используют материал большой плотности: свинец, бетон и др.

Наиболее эффективными методами защиты от внешнего гамма- излучения являются:

Защита временем: проведение работ с гамма-излучением в минимально короткое время;

Защита расстоянием: использование дистанционных средств управления;

Защита экранами: использование защитных конструкций.