Гамма-излучение, коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длиной волны (l£ 10^-8см) 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).

Рис.1 к ст. Гамма-излучение.

  Гамма-излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частица-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

  Гамма-излучение, 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 Гамма-излучение обычно чрезвычайно мала (~10^-2эв). Поскольку расстояние между уровнями (от нескольких кэв до нескольких Мэв) во много раз больше ширины линий, спектр Гамма-излучение является линейчатым, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров Гамма-излучение 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 Гамма-излучение с энергией ~70 Мэв. Гамма-излучение 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 Гамма-излучение оказывается размытым в широком интервале энергии (см. Элементарные частицы).

  Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное Гамма-излучение, 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 Гамма-излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв (см. Тормозное излучение).

  В межзвёздном пространстве Гамма-излучение 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 Гамма-излучение (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 Гамма-излучение высокой энергии.

  Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии Гамма-излучение 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 Гамма-излучение (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 см³вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях Гамма-излучение, 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 Гамма-излучение (см. Аннигиляция и рождение пар).

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце от энергии g-квантов Е.

Для характеристики ослабления Гамма-излучение в веществе обычно пользуются коэффициент поглощения, который показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I₀ падающего пучка Гамма-излучение ослабляется в е раз:  

  Здесь m₀ — линейный коэффициент поглощения Гамма-излучение 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 Гамма-излучение справедлив для узкого направленного пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит Гамма-излучение из состава первичного пучка. Однако при высоких энергиях (hv > 10 Мэв) процесс прохождения Гамма-излучение через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать Гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляции. Т. о. в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного Гамма-излучение, 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 Гамма-излучение 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 Е_кр тем выше, чем легче вещество. Так, для воздуха Екр = 50 Мэв, а для свинца Екр = 5 Мэв.

Для измерения энергии Гамма-излучение в экспериментальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров Гамма-излучение: магнитные, сцинтилляционные, полупроводниковые, кристалл-дифракционные, (см Гамма-спектрометр, Сцинтилляционный спектрометр, Полупроводниковый спектрометр).

Изучение спектров ядерных Гамма-излучение даёт важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного Гамма-излучение, используется для изучения свойств твёрдых тел (см. Мёссбауэра эффект, Ориентированные ядра). Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях (гамма-дефектоскопия, см. Дефектоскопия). В радиационной химии Гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками Гамма-излучение служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, например ²²⁶Ra, ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs, а также электронные ускорители.

  Е. М. Лейкин.

Действие на организм Гамма-излучение подобно действию др. видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния Гамма-излучение зависит от энергии g-квантов и пространственных особенностей облучения (например, внешнее или внутреннее). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) Гамма-излучение (эффективность жёсткого рентгеновского излучения принимается за 1) составляет 0,7—0,9. В производств. условиях (хроническое воздействие в малых дозах) ОБЭ Гамма-излучение принята равной 1.

  Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей (см. Лучевая терапия), для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов (см. Гамма-установка). Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений. См. также Биологическое действие ионизирующих излучений.

 

  Лит.: Альфа-, бетаи гамма-спектроскопия, пер. с англ., под ред. К. Зигбана, в, 1, М., 1969; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 1, М., 1955: Гамма-лучи, М. — Л., 1961; Глесстон С., Атом. Атомное ядро. Атомная энергия, пер. с англ., М., 1961.