Radiații gamma

Radiații gamma (reprezentare ilustrativă)

Radiații gamma - scris ɣ radiatii - este în mai îngust sensul unei penetrantă în particular electromagnetic de radiație , care provine din transformările spontane ( „descompunere“) a nucleelor atomice ale multor produse existente în mod natural sau artificial radioactive nuclides .

Numele provine din divizarea radiațiilor ionizante din dezintegrarea radioactivă în radiații alfa , radiații beta și radiații gamma, cu capacitatea lor tot mai mare de a penetra materia. Radiațiile alfa și beta constau din particule încărcate și, prin urmare, interacționează mult mai puternic cu materia decât fotonii neîncărcați sau cuantele radiației gamma. În consecință, acestea din urmă au o capacitate de penetrare semnificativ mai mare.

Diferite tipuri de spectru electromagnetic ( raze gamma englezești )

Într-un sens mai larg, radiația gamma este utilizată pentru a desemna orice radiație electromagnetică cu energii cuantice peste 200  keV , indiferent de modul în care este generată . Aceasta corespunde lungimilor de undă mai mici de 0,005 nm (5 pm ). În acest sens general, termenul este folosit în special atunci când procesul de formare a radiației este necunoscut nu contează (de exemplu, în astronomie) sau pentru sarcina specifică (de exemplu, în protecția împotriva radiațiilor dorită), totuși, trebuie exprimat că sunt prezente energii mai mari decât cu radiații cu raze X (în jur de 100 eV până la 300 keV).

Litera greacă mică ( gamma ) este, în general, utilizată ca simbol simbol pentru un foton de orice energie și tip de origine. ${\ displaystyle \ gamma}$

Apariția

Radioactivitate: „descompunere gamma”

Radiația gamma în sensul original al cuvântului apare atunci când nucleul (nucleul fiică ) care rămâne după o decădere radioactivă alfa sau beta se află într-o stare excitată ; acest lucru este valabil pentru mulți, dar nu pentru toate descompunerile alfa și beta. Nucleul excitat vibrează sau se rotește - ca să fie clar - pentru o lungă perioadă de timp. În timpul tranziției către o stare mai puțin excitată sau starea fundamentală , eliberează energia eliberată sub formă de radiații gamma (vezi schema de descompunere ). Această modificare a stării nucleului este cunoscută sub numele de tranziție gamma sau „dezintegrare gamma”, deși nucleul în niciun caz „nu se dezintegrează în componentele sale”, deoarece numărul de neutroni și protoni rămâne constant.

Starea excitată poate apărea și în alte moduri, cum ar fi captarea neutronilor sau alte reacții nucleare sau absorbția anterioară a unei cuantice cu energie mai mare. ${\ displaystyle \ gamma}$

spectru

Spectru gama măsurat de ⁶⁰ Co , linii la 1173 și 1332 keV

Lungimile de undă sau energiile razelor gamma sunt discrete și sunt caracteristice radionuclidului respectiv, comparabile cu spectrul de linie optică al elementelor chimice. Măsurarea spectrului gamma al unei substanțe necunoscute ( spectroscopie gamma ) este, prin urmare, adecvată pentru furnizarea de informații despre tipurile și proporțiile radionuclizilor pe care îi conține.

Energiile ascuțite ale liniilor spectrale gamma sunt explicate prin faptul că durata de viață a tranzițiilor gamma este relativ lungă în ceea ce privește fizica nucleară. Nucleul excitat - pe care îl poți imagina ca o minge pulsantă de rugby - construiește un câmp cvadrupol electromagnetic oscilant . Un cuantum gamma poate absorbi doar oscilațiile dipolice; emisia sa este, prin urmare, relativ puțin probabilă. Conform relației de incertitudine energie-timp , durata de viață a unei tranziții este invers proporțională cu incertitudinea energetică sau lățimea liniei : ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ Gamma}$

${\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {\ hbar} {\ tau}}}$.

Duratele de viață ale stărilor nucleare excitate sunt întotdeauna mai mari de aproximativ 10 ⁻¹⁵  secunde și, prin urmare, conduc la energii discrete ale fotonilor cu jumătăți de lățime sub 0,3 eV.

Denumire în funcție de nucleul mamă al dezintegrării alfa sau beta

Întârzierea medie sau timpul de înjumătățire între decăderea alfa sau beta și tranziția gamma depinde de nuclid și de starea respectivă excitată. Chiar dacă este „lung” în sensul fizic central, din punct de vedere practic, este de obicei foarte scurt (fracțiuni de secundă). Dacă doriți să utilizați radiația gamma în scopuri de cercetare, medicale sau tehnice - de exemplu cascada a doi fotoni de 1,17 și 1,33 MeV emise de starea 2,5 MeV a nucleului ⁶⁰ Ni - aveți nevoie de o pregătire a emițătorului beta ⁶⁰ Co . Acest nuclid se descompune la starea dorită de ⁶⁰ Ni cu un timp de înjumătățire de 5,26 ani .

Schema de descompunere de ⁶⁰ Co

Din acest motiv practic, razele gamma (nu numai pentru ⁶⁰ Ni, dar, în general, și în documentele științifice și tehnice, tabele, hărți nuclidice etc.) sunt întotdeauna atribuite nucleului mamă al decăderii alfa sau beta precedente, în Exemplul ⁶⁰ Co: Omul vorbește despre radiația cobalt-60, tunul de cobalt etc., chiar dacă este vorba doar de radiația gamma emisă de miezul fiicei ⁶⁰ Ni.

Cazurile rare de nuclee atomice excitate ale căror tranziții gamma au timp de înjumătățire de câteva secunde, minute sau chiar mai mult sunt numite izomeri metastabili sau nucleari . Numai în aceste cazuri se folosește ca desemnare nuclidul care emite gamma efectiv. Un exemplu este izotopul de tehneziu ^{99 m} Tc, care este utilizat în diagnosticul medical (a se vedea scintigrafia ).

Pericol de anihilare

În timpul anihilării în perechi , reacția unei particule cu antiparticulele asociate , apar și fotoni (singuri sau în plus față de alți posibili produși de reacție), care sunt numiți și radiații gamma. Această cuantă gamma transportă de-a lungul energiei masei corespunzătoare particulelor distruse mai puțină energie de legare eventuală în cazul în care cele două particule erau deja legate una de cealaltă sau una de cealaltă, „încercuind” și plus orice energie cinetică preexistentă .

Razele gamma izbucnesc în astronomie

Exploziile de raze gamma ( engleză gamma raze de explozii ) - cunoscute și sub numele de explozii de raze gamma - sunt unul dintre cele mai energice fenomene din univers , mecanismul de formare este doar parțial înțeles. Spectrul este continuu cu energii fotonice de la aproximativ 1 keV la gama MeV. Printre altele, acesta conține raze X . Nu este vorba de radiații gamma în sens fizic nuclear mai restrâns (a se vedea introducerea).

Terminologie: raze gamma și raze X.

Gama de energie a gama naturală și a razelor X se suprapun, ceea ce duce la o anumită estompare a acestor termeni. Unii autori continuă să folosească termenii în sens clasic pentru a identifica originea radiației (radiația gamma din procesele nucleare, razele X din procesele cu energie ridicată cu electroni). Cu toate acestea, alți autori diferențiază în funcție de energia cuantică, linia despărțitoare fiind apoi de aproximativ 100 până la 250 kiloelectron volți. Cu toate acestea, nu există o definiție precisă pentru aceasta. Pentru a evita neînțelegerile, este, prin urmare, întotdeauna util să se precizeze în mod explicit energia cuantică și procesul de creare a acesteia. Pe de altă parte, tocmai aceste informații exacte din literatura științifică populară duc în mod regulat la dificultăți de înțelegere, deoarece mulți cititori sunt copleșiți de informații keV sau termeni precum radiații bremsstrahlung sau sincrotron , în timp ce termenii radiații gamma și radiații X sunt în general cunoscuți. Prin urmare, autorii trebuie să cântărească între înțelegerea și imprecizia formulării lor.

Interacțiunea cu materia

Radiația gamma este cea mai complexă radiație ionizantă care trebuie protejată.

Spre deosebire de curba Bragg pentru radiațiile particulelor încărcate, intensitatea (și, astfel, energia de intrare) a radiației gamma scade exponențial cu adâncimea de penetrare. Aceasta înseamnă că numărul de raze gamma este înjumătățit după fiecare grosime de jumătate de valoare . Grosimea pe jumătate depinde de lungimea de undă a radiației gamma și de numărul atomic al materialului de protecție: plumbul este, prin urmare, cel mai comun material utilizat pentru protecția împotriva radiațiilor împotriva radiațiilor gamma. Grosimea sa de jumătate pentru radiația gamma cu o energie de 2 MeV este de 14 mm. Acest lucru arată clar efectul mult mai penetrant în comparație cu radiația particulelor încărcate.

Cele mai importante procese de interacțiune când radiația gamma trece prin materie sunt fotoionizarea , împrăștierea Compton ( efectul Compton ) și formarea perechilor .

Efect biologic

Dacă radiația gamma este absorbită în țesutul uman, animal sau vegetal , energia sa devine eficientă în ionizare și în alte procese. Radiațiile secundare, cum ar fi electronii eliberați și razele X, apar în țesut . În general, ruperea legăturilor chimice are ca rezultat efecte care sunt în mare parte dăunătoare organismului. Măsura efectului general este descrisă de doza echivalentă . Consecințele pot apărea asupra organismului iradiat în sine ( leziuni somatice ) sau, prin deteriorarea machiajului genetic , asupra descendenților săi ca leziuni genetice .

Funcționalitatea celulelor este păstrată inițial în cea mai mare parte, chiar și cu doze mari de radiații. De îndată ce celula se împarte sau produce proteine, modificările materialului genetic și deteriorarea organelor celulare pot duce la moartea celulei. Boala radiatii afecteaza acest lucru numai după un anumit timp fatală dacă anumite vitale tipuri de celule care mor în mod regulat în afara chiar și la persoanele sănătoase și au format-re, nu există mai în număr suficient. Celulele sanguine sunt deosebit de afectate de acest lucru. Alternativ, mutațiile cauzate de radiații pot duce la diviziunea celulară necontrolată, celulele care se împart în cea mai mare parte își pierd funcția biologică originală. A provocat tumori care dincolo de metastaze se pot forma ( cancer ).

Aplicații

Emițătorii gamma utilizați în tehnologie sunt în principal ⁶⁰ Co , ⁷⁵ Se , ¹⁶⁹ Yb și ¹⁹² Ir . Un dezavantaj al razelor gamma este că sursele de radiații nu pot fi oprite. Atunci când se utilizează radiații gamma în funcțiune, trebuie luate măsuri extinse de protecție împotriva radiațiilor din cauza pericolului acesteia .

medicament

Razele gamma din surse radioactive sunt utilizate în radioterapie . Energia radiației în teleterapie trebuie să fie cât mai mare posibil, sunt posibile valori de până la 23 MeV; este folosit de ex. B. ⁶⁰ Co , care emite cuante gamma cu energii 1,17 MeV și 1,33 MeV. Datorită necesității fotonilor cu energie ridicată posibil și a problemelor de siguranță asociate emițătorilor radioactivi, radiația gamma în teleterapie se obține de obicei sub formă de bremsstrahlung de electroni pe o placă de tungsten și este denumită și radiație cu raze X de mare energie . Fasciculul de electroni este generat cu un accelerator liniar . Spre deosebire de sursele de radiații radioactive, aceasta poate fi activată sau dezactivată ca parte a tratamentului.

În brahiterapie („iradierea din interior”), radiația gamma este utilizată prin intermediul unor mici preparate introduse în organism, de obicei ¹⁹² Ir .

În scopuri de diagnostic - scintigrafie și tomografie computerizată cu emisie de fotoni unici - se utilizează emițătoare gamma de scurtă durată, cum ar fi ^99m Tc , ¹²³ I , ¹³¹ I, ¹³³ Xe sau ¹¹¹ In .

Tehnologia senzorilor și testarea materialelor

Razele gamma pot pătrunde în materie fără a fi reflectate sau refractate . O parte din radiație este absorbită pe măsură ce trece , în funcție de densitatea și grosimea mediului. În măsurarea nivelului cu radiații gamma se folosește această circumstanță, deoarece intensitatea radiației măsurate depinde dacă există sau nu un mediu vascular considerat.

O altă aplicație a razelor gamma se găsește în testarea radiografică , care poate fi utilizată pentru a detecta depunerile, deteriorarea coroziunii sau deteriorarea eroziunii din interiorul aparatului și conductelor.

Protecția frontierei și căutările la frontieră

Dispozitivele de identificare a radionuclizilor sunt utilizate în grăniceri , care permit tragerea concluziilor despre substanțele radioactive transportate prin radiația gamma.

În numele Ministerului Securității de Stat al Republicii Democrate Germane , așa-numitele tunuri gamma cu radioactiv ¹³⁷ Cs au fost instalate la punctele de control la frontieră de pe marginea interioară-germană . Acestea au radiografiat vehiculele care conduceau de la est la vest pentru a depista refugiații din RDG .

Sterilizare, reducerea germenilor, reticulare radiație-chimică

Pentru sterilizarea prin iradiere și legarea încrucișată a polimerului -Kunststoffen fi instalațiile de iradiere gamma utilizate. Lucrează aproape exclusiv cu ⁶⁰ Co, care este produs din ⁵⁹ Co din reactoarele nucleare prin captarea neutronilor . Siguranța radiațiilor la planta este adâncă prin retractability surselor de radiații într - un bazin adânc de apă sau atinge un ax în formă de buncăre din beton.

Sterilizarea gamma a produselor medicale, de ex. B. truse de urgență sudate, are avantajul față de alte metode că se poate realiza în ambalajul de vânzare.

În domeniul iradierii alimentelor , ar trebui menționată în special iradierea cepei, care a fost efectuată în RDG între 1986 și 1990. La cooperativa de producție agricolă Queis din Spickendorf a existat un sistem specializat de iradiere gamma . În RDG au fost iradiate și multe alte alimente (păsări de curte, condimente, ouă praf întregi etc.); etichetarea produselor nu a fost intenționată. Odată cu reunificarea germană, aceste aprobări au expirat.

Există, de exemplu, sisteme mari de iradiere. B. în Olanda și în Africa de Sud.

Spectroscopie Mössbauer

Reculul că nucleul atomic primește în mod normal , atunci când cuanta gamma este emisă poate, în anumite circumstanțe, să fie preluate de către întreaga rețea cristalină în care este încorporat. Ca urmare, cantitatea de energie pe care fotonul o pierde prin recul devine neglijabil de mică. În plus, dacă timpul de înjumătățire al stării excitate este ridicat, se creează raze gamma cu energie extrem de ascuțită. Pe aceasta se bazează spectroscopia Mössbauer, care este importantă în analiza chimică.

dovada

Radiația gamma poate fi detectată prin interacțiunea sa cu materia, de ex. B. cu detectoare de particule precum camera de ionizare sau contorul Geiger-Müller , contoare de scintilație , detectoare cu semiconductori sau contoare Cherenkov .

Istoria cercetării

În 1900, Paul Villard a găsit o componentă din radiația radioactivă descoperită cu patru ani mai devreme de Antoine Henri Becquerel , care nu putea fi deviată de câmpurile magnetice și arăta o permeabilitate foarte mare a materiei. Întrucât a fost a treia componentă de raze găsită, Ernest Rutherford a inventat termenul de radiație gamma .

Prin difracția radiației gamma pe cristale , Rutherford și Edward Andrade au reușit în 1914 să arate că este o formă de radiație electromagnetică . Lungimile de undă găsite au fost foarte scurte și comparabile cu cele ale razelor X.

Vezi si

• Multipolaritatea radiațiilor gamma

literatură

• Werner Stolz, radioactivitate. Noțiuni de bază - Măsurare - Aplicații , Teubner, ediția a 5-a 2005, ISBN 3-519-53022-8

Fizica nucleara

• Theo Mayer-Kuckuk , Kernphysik , Teubner, ediția a VI-a 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge , Nuclear Physics , Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamente în fizica nucleară: de la structura nucleară la cosmologie , Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Istoria cercetării

• Milorad Mlađenović, Istoria fizicii nucleare timpurii (1896-1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Protecția împotriva radiațiilor

• Hanno Krieger: Bazele fizicii radiațiilor și ale protecției împotriva radiațiilor . Vieweg + Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, curs de bază în radioprotecție. Cunoștințe practice pentru manipularea substanțelor radioactive , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection , Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

medicament

• Günter Goretzki, Știința radiațiilor medicale. Bazele fizico-tehnice , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Clinical Radiation Biology - pe scurt , Urban & Fischer februarie 2006, ISBN 3-437-23960-0

Link-uri web

Wikționar: radiații gamma  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Literatură de și despre radiații gamma în catalogul Bibliotecii Naționale Germane
• „Protecția împotriva radiațiilor Glosar“ a Centrului de Cercetare Jülich a explicat mulți termeni referitori la radiații ionizante (alfa, beta, radiații gamma, reglementări, protecția împotriva radiațiilor, etc.).
• Telescopuri MAGICE La Palma, astronomie cu raze gamma la energii mici cu sensibilitate ridicată

Dovezi individuale

1. ^ Scrisoare informativă de la BG RCI ( Memento din 2 aprilie 2015 în Arhiva Internet ) (PDF; 136 kB).
2. ↑ Nu există o oglindă de evacuare din 19 decembrie 1994