Гамма-излучение и его свойства

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

В настоящее время твердо установлено, что γ -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 γ -излучения. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому -излучение одного и того же радиоак­тивного изотопа может содержать несколько групп γ -квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При γ -излучении A и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. γ -Излучение большинства ядер является столь коротковолно­вым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому γ -излучение рассматривают как поток частиц — γ-квантов. При радиоактивных распадах различных ядер γ -кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ. Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состоя­ние не только при испускании γ -кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предварительного испускания γ -кванта) одному из электронов того же атома. При этом испускается так называемый электрон конверсии. Само явление называется — внутренней конверсией . Внутренняя конверсия — процесс, конкурирующий с γ -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 γ -кванта, то частота излучения v определяется из извест­ного соотношения E=hν. Если же испускаются электроны внутренней конверсии, то их энергии равны E-A_K, E-A_L,… где А_K, А_L ... — работа выхода электрона из K-и L-оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсии позволяет отличить их от β-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.

γ-Кваты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении у-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеива­ются им.

γ -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка γ -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, измене­ние которой описывается экспоненциальным законом I=I_o e ^–μx (I_o и I — интенсивности γ -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной x, μ — коэф­фициент поглощения). Таккак

γ -излучение — самое проникающее излучение, то μ для многих веществ — очень малая величина; μ зависит от свойств вещества и от энергии γ -квантов.

γ -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 γ -излучения через вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение γ -излучения, — это процесс, при котором атом поглощает γ-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 γ -квантов (Е_γ≤ 100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить γ-квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

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

При Еγ >1,02 МэВ = 2m_eс² (m_e,—масса покоя электрона) становится возможным процесс образования злектронно-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероят­ность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом Еγ,. Поэтому при Eγ≈ 10 МэВ основным процессом взаимодействия γ -излучения в любом веществе является образование злектронно-позитронных пар. Если энергия γ -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре (7-8 МэВ), то в результате поглощения γ -кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Большая проникающая способность γ -излучения используется в гамма-дефектоско­пии — методе дефектоскопии, основанном на различном поглощении γ-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.

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

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

Единица поглощённой 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 дозаизлучения — физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядоввсех 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 являетсярентген (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 γ -излучения в 1 Р (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)).

§ 260. Резонансное поглощение γ -излучения (эффект Мёссбауэра**)

Как уже указывалось, дискретный спектр γ -излучения обусловлен дискретностью энер­гетических уровней ядер атомов. Однако, как следует из соотношения неопределен­ностей (215.5), энергия возбужденных состояний ядра принимает значения в пределах ∆Е≈h/∆t, где ∆t — время жизни ядра в возбужденном состоянии. Следовательно, чем меньше ∆t, тем больше неопределенность энергии ∆E возбужденного состояния. ∆E=0 только для основного состояния стабильного ядра (для него ∆t→∞). Неопределен­ность энергии квантово-механической системы (например, атома), обладающей диск­ретными уровнями энергии, определяетестественную ширину энергетического уровня(Г). Например, при времени жизни возбужденного состояния, равного 10^-13 с, естест­венная ширина энергетического уровня примерно 10^-2 эВ.

Неопределенность энергии возбужденного состояния, обусловливаемая конечным временем жизни возбужденных состояний ядра, приводит к немонохроматичности γ-излучения, испускаемого при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. Эта немонохроматичность называетсяестественной шириной линии γ -излучения.

При прохождении γ -излучения в веществе помимо описанных выше (см. § 259) процессов (фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование электронно-позитронных пар) должны в принципе наблюдаться также резонансные эффекты. Если ядро облучить γ -квантами с энергией, равной разности одного из возбужденных и основного энергетических состояний ядра, то может иметь месторезонансное поглощениеγ-излучения ядрами: ядро поглощает

γ -квант той же частоты, что и частота излучаемого ядром γ -кванта при переходе ядра из данного возбужденного состояния в основное.

Наблюдение резонансного поглощения γ -квантов ядрами считалось долгое время невозможным, так как при переходе ядра из возбужденного состояния с энергией Е в основное (его энергия принята равной нулю) излучаемый γ -квант имеет энергию Е, несколько меньшую, чем Е, из-за отдачи ядра в процессе излучения

где Е, — кинетическая энергия отдача ядра. При возбуждении же ядра и перехода его из основного состояния в возбужденное с энергией Еγ-квант должен иметь энергию

где Е, — энергия отдачи, которую γ -квант должен передать поглощающему ядру.

Таким образом, максимумы линий излучения и поглощения сдвинуты друг от­носительно друга на величину 2Е_я, (рис. 344). Используя закон сохранения импульса, согласно которому в рассмотренных процессах излучения и поглощения импульсы γ -кванта и ядра должны быть равны, получим

Например, возбужденное состояние изотопа иридия ¹⁹⁷₇₇Ir имеет энергию 129 кэВ, а время его жизни порядка 10^-10 с, так что ширина уровня Г≈4∙10^-5 эВ. Энергия же отдачи при излучении с этого уровня, согласно (260.1), приблизительно равна 5∙10^-2 эВ, т. е. на три порядка больше ширины уровня. Естественно, что никакое резонансное поглощение в таких условиях невозможно (для наблюдения резонансного поглощения линия поглощения должна совпадать с линией излучения). Из опытов также следовало, что на свободных ядрах резонансное поглощение не наблюдается.

Резонансное поглощение γ-излучения в принципе может быть получено только при компенсации потери энергии на отдачу ядра. Эту задачу решил в 1958 г. Р. Мёссбауэр (Нобелевская премия 1961 г.). Он исследовал излучение и поглощение γ -излучения в ядрах, находящихся в кристаллической решетке, т. е. в связанном состоянии (опыты проводились при низкой температуре). В данном случае импульс и энергия отдачи передаются не одному ядру, излучающему (поглощающему) γ -квант, а всей кристал­лической решетке в целом. Так как кристалл обладает гораздо большей массой по сравнению с массой отдельного ядра, то в соответствии с формулой (260.1) потери энергии на отдачу становятся исчезающе малыми. Поэтому процессы излучения и по­глощения γ -излучения происходят практически без потерь энергии (идеально упруго).

Явление упругого испускания (поглощения) γ -квантов атомными ядрами, связан­ными в твердом теле, не сопровождающееся изменением внутренней энергии тела, называется эффектом Мёссбауэра. При рассмотренных условиях линии излучения и поглощения

γ -излучения практически совпадают и имеют весьма малую ширину, равную естественной ширине Г. Эффект Мёссбауэра был открыт на глубоко охлажденном

Рис. 344

¹⁹¹₇₇Ir (с понижением температуры колебания решетки «замораживаются»), а впос­ледствии обнаружен более чем на 20 стабильных изотопах (например, ⁵⁷Fe, ⁶⁷Zn).

Мёссбауэр вооружил экспериментальную физику новым методом измерений неви­данной прежде точности. Эффект Мёссбауэра позволяет измерять энергии (частоты) излучения с относительной точностью Г/Е = 10^-15÷10^-17, поэтому во многих облас­тях науки и техники может служить тончайшим «инструментом» различного рода измерений. Появилась возможность измерять тончайшие детали γ -линий, внутренние магнитные и электрические поля в твердых телах и т. д.

Внешнее воздействие (например, зеемановское расщепление ядерных уровней или смещение энергии фотонов при движении в поле тяжести) может привести к очень малому смещению либо линии поглощения, либо линии излучения, иными словами, привести к ослаблению или исчезнове­нию эффекта Мёссбауэра. Это смещение, следовательно, может быть зафиксировано. Подобным образом в лабораторных условиях был обнаружен (1960) такой тончайший эффект, как «гравита­ционное красное смещение», предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна.