Gammasugárzás

A gammasugárzás - más néven ɣ sugárzás - szűkebb értelemben különösen áthatoló elektromágneses sugárzás , amely számos természetben előforduló vagy mesterségesen előállított radioaktív nuklid atommagjának spontán átalakulásából ("bomlásából") származik .

Az elnevezés a radioaktív bomlásból származó ionizáló sugárzás alfa sugárzásra , béta sugárzásra és gamma sugárzásra való felosztásából származik, növekvő képességükkel behatolni az anyagba. Az alfa- és béta -sugárzás töltött részecskékből áll, ezért sokkal erősebben kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, mint a töltetlen fotonok vagy a gammasugárzás kvantumai . Ennek megfelelően az utóbbiak lényegesen nagyobb behatolási képességgel rendelkeznek.

Egy tágabb értelemben, gamma-sugárzást használnak jelölésére bármely elektromágneses sugárzás a kvantum energiáit körülbelül 200  keV , függetlenül attól, hogy hogyan van generált . Ez 0,005 nm -nél (5 pm ) rövidebb hullámhossznak felel meg . Ebben az általános értelemben a kifejezést különösen akkor használják, ha a sugárzás képződési folyamata ismeretlen, nem számít (például a csillagászatban) vagy az adott feladat szempontjából (például a kívánt sugárvédelemben ), azonban azt kell kifejezni, hogy nagyobb energiák vannak jelen, mint röntgensugárzás esetén (körülbelül 100 eV - 300 keV).

A kis görög betűt ( gamma ) általában bármilyen energiájú és eredetű foton képletszimbólumaként használják. ${\ displaystyle \ gamma}$

Megjelenése

Radioaktivitás: "gamma bomlás"

A szó eredeti értelmében vett gammasugárzás akkor keletkezik, amikor a radioaktív alfa- vagy béta-bomlás után megmaradt mag ( leánymag ) gerjesztett állapotban van ; ez sokra igaz, de nem minden alfa- és béta -bomlásra. A gerjesztett mag - világosan fogalmazva - sokáig vibrál vagy forog. A kevésbé erősen gerjesztett állapotba vagy az alapállapotba való átmenet során gamma -sugárzás formájában szabadítja fel a felszabadult energiát (lásd a bomlási sémát ). Ezt a változást a mag állapotában gamma -átmenetnek vagy "gamma -bomlásnak" nevezik, bár a sejtmag semmiképpen sem "bomlik fel alkotóelemeire", mert neutronjainak és protonjainak száma állandó marad.

A gerjesztett állapot más módon is létrejöhet, például neutron befogással vagy más nukleáris reakciókkal, vagy egy magasabb energiájú kvantum korábbi abszorpciójával . ${\ displaystyle \ gamma}$

spektrum

A gammasugarak hullámhosszai vagy energiái diszkrétek és jellemzőek a megfelelő radionuklidokra, összehasonlítva a kémiai elemek optikai vonalas spektrumával . Az ismeretlen anyag gamma -spektrumának mérése ( gamma -spektroszkópia ) tehát alkalmas arra, hogy információt nyújtson a benne található radionuklidok típusairól és arányairól.

A gammaspektrum vonalak éles energiáját azzal magyarázzák, hogy a gammaátmenetek élettartama viszonylag hosszú a magfizika szempontjából. Az izgatott mag - amelyet el lehet képzelni, mint egy lüktető rögbi labdát - rezgő elektromágneses kvadrupól mezőt épít fel . A gamma kvantum csak a dipól rezgéseket képes elnyelni; kibocsátása ezért viszonylag valószínűtlen. Az energia-idő bizonytalansági összefüggés szerint az átmenet élettartama fordítottan arányos az energia bizonytalanságával vagy a vonal szélességével : ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ Gamma}$

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

Az élettartama gerjesztett magállapotok mindig nagyobb, mint körülbelül 10 ^-15  másodperc és így vezet diszkrét fotonenergiák a fél szélességben 0,3 alatt eV.

Megnevezés az alfa- vagy béta-bomlás anyanuklidja szerint

Az alfa- vagy béta-bomlás és a gamma-átmenet közötti átlagos késés vagy felezési idő a nuklidtól és az adott gerjesztett állapottól függ . Még akkor is, ha a fizikai értelemben vett „hosszú”, gyakorlati szempontból általában nagyon rövid (másodperc tört része). Ha gamma -sugárzást szeretne használni kutatási, orvosi vagy műszaki célokra - például két 1,17 és 1,33 MeV méretű foton kaszkádja, amelyet a ⁶⁰ Ni nuklid 2,5 MeV állapota bocsát ki -, ezért elő kell készítenie a ⁶⁰ Co béta -kibocsátót . Ez a nuklid a kívánt ⁶⁰ Ni állapotba bomlik, felezési ideje 5,26 év .

Erre a gyakorlati ész, gamma-sugárzás (nem csak a ⁶⁰ Ni, de általában is a tudományos és műszaki dokumentumok, táblázatok, nuklid térképek , stb) mindig rendelt anya nuklidspecifikus az előző alfa- vagy béta-bomlás, a ^60. példa Co: Az ember kobalt-60 sugárzásról, kobaltágyúról stb. beszél , még akkor is, ha csak a ⁶⁰ Ni leánymag által kibocsátott gamma-sugárzásról van szó .

A gerjesztett atommagok ritka eseteit, amelyek gamma-átmeneteinek felezési ideje másodpercek, percek vagy még hosszabb, metastabil vagy nukleáris izomereknek nevezzük . Csak ezekben az esetekben használják a tényleges gamma-kibocsátó nuklidot jelölésként. Az egyik példa a ^{99 m} Tc technécium -izotóp , amelyet az orvosi diagnosztikában használnak (lásd szcintigráfia ).

Pár megsemmisítés

A páros megsemmisítés során egy részecske reakciója a kapcsolódó antirészecskével , fotonokkal is felmerül (önmagukban vagy más lehetséges reakciótermékek mellett), amelyeket gammasugárzásnak is neveznek. Ez a gamma-kvantum a megsemmisült részecskéknek megfelelő tömeg energiája mentén hordozza a kevesebb esetleges kötési energiát, ha a két részecske már egymáshoz vagy egymáshoz kötődött, "körözött", és plusz a már létező kinetikus energia .

A gamma-sugár kitör a csillagászatban

A gammasugár -kitörések ( angolul gammasugár -kitörések ) - más néven gammasugár -robbanások - az univerzum egyik legerősebb jelensége, mivel a kialakulási mechanizmusod csak részben érthető. A spektrum folyamatos, kb. 1 keV és MeV tartomány közötti fotonenergiákkal. Többek között röntgensugarakat tartalmaz . Nem szűkebb, nukleáris fizikai értelemben vett gammasugárzásról van szó (lásd a bevezetőt).

Terminológia: gamma- és röntgensugarak

A természetes gamma és a röntgensugarak energia-tartományai átfedik egymást, ami e kifejezések bizonyos elmosódását eredményezi. Egyes szerzők továbbra is a klasszikus értelemben vett kifejezéseket használják a sugárzás eredetének azonosítására (nukleáris folyamatokból származó gammasugárzás, nagy energiájú folyamatokból származó röntgensugarak elektronokkal). Más szerzők azonban a kvantumenergia szerint differenciálnak, az elválasztó vonal ekkor 100-250 kiloelektron volt körül van. Ennek azonban nincs pontos meghatározása. A félreértések elkerülése érdekében ezért mindig hasznos kifejezetten kimondani a kvantumenergiát és annak létrehozási folyamatát. Másrészt a populáris tudományos szakirodalomban pontosan ez a pontos információ rendszeresen nehézségeket okoz a megértésben, mert sok olvasót elárasztanak a keV információk vagy olyan kifejezések, mint például a bremsstrahlung vagy a synchrotron sugárzás , míg a gamma és a röntgensugár kifejezéseket általában ismerjük. A szerzőknek ezért mérlegelniük kell az érthetőség és a megfogalmazás homályossága között.

Interakció az anyaggal

A töltött részecskék sugárzásának Bragg -görbéjével ellentétben a gamma -sugárzás intenzitása (és ezáltal az energiabevitel) exponenciálisan csökken a behatolási mélységgel. Ez azt jelenti, hogy a gamma-sugarak száma minden felére csökkent vastagság után a felére csökken. A félérték vastagsága a gamma-sugárzás hullámhosszától és az árnyékoló anyag atomszámától függ : ezért az ólom a leggyakoribb anyag, amelyet a gamma-sugárzás elleni sugárzás elleni védelemre használnak. Félérték vastagsága 2 MeV energiájú gammasugárzás esetén 14 mm. Ez egyértelműen mutatja a sokkal behatoló hatást a töltött részecskesugárzáshoz képest.

A legfontosabb interakciós folyamatok, amikor a gammasugárzás áthalad az anyagon , a fotoionizáció , a Compton-szórás ( Compton-effektus ) és a párképzés .

Biológiai hatás

Ha a gammasugárzást elnyeli az emberi, az állati vagy a növényi szövet , akkor energiája az ionizációban és más folyamatokban hatékony lesz . Másodlagos sugárzás , például felszabadult elektronok és röntgensugarak fordulnak elő a szövetben . Összességében elmondható, hogy a kémiai kötések megszakadása többnyire a szervezetre káros hatásokat eredményez. Az összhatás mértékét a dózisegyenérték írja le . A következmények jelentkezhetnek magán a besugárzott organizmuson ( szomatikus károsodás), vagy a genetikai alkat károsodásán keresztül , utódainál, mint genetikai károsodásként.

A sejtek funkcionalitása kezdetben többnyire megmarad, még nagy dózisú sugárzás esetén is. Amint a sejt osztja vagy termel fehérjéket, a genetikai anyag megváltozása és a sejtszervek károsodása a sejt halálához vezethet . A sugárbetegség csak bizonyos idő után végzetes, ha bizonyos létfontosságú sejttípusok, amelyek egészséges embereknél is rendszeresen elpusztulnak és újjáalakulnak, már nem léteznek elegendő számban. Ez különösen a vérsejteket érinti. Alternatív megoldásként a sugárzás okozta mutációk ellenőrizetlen sejtosztódáshoz vezethetnek, az osztódó sejtek többnyire elveszítik eredeti biológiai funkciójukat. Olyan daganatokat okozott , amelyek áttéteken túl is kialakulhatnak ( rák ).

Alkalmazások

A technológiában használt gamma-kibocsátók főleg ⁶⁰ Co , ⁷⁵ Se , ¹⁶⁹ Yb és ¹⁹² Ir . A gammasugarak hátránya, hogy a sugárforrásokat nem lehet kikapcsolni. Ha gamma-sugárzást használnak üzem közben, kiterjedt sugárvédelmi intézkedéseket kell tenni annak veszélyessége miatt .

orvosság

A sugárterápiában radioaktív forrásokból származó gammasugarakat használnak . A sugárzási energiának a teleterápiában a lehető legnagyobbnak kell lennie, legfeljebb 23 MeV értékek lehetségesek; használják pl. B. ⁶⁰ Co , amely 1,17 MeV és 1,33 MeV energiával bocsát ki gamma kvantumokat. Mivel a lehető legnagyobb energiájú fotonokra van szükség, és a radioaktív sugárzókhoz kapcsolódó biztonsági problémák miatt a gamma-sugárzást a távterápiában általában elektron- törésként kapják meg egy wolframlemezen , és nagy energiájú röntgensugárzásnak is nevezik . Az elektronnyalábot lineáris gyorsítóval állítják elő . A radioaktív sugárforrásokkal ellentétben ez a kezelés részeként be- vagy kikapcsolható.

A brachyterápiában ("belülről történő besugárzás") a gammasugárzást a szervezetbe juttatott kis készítmények, általában ¹⁹² Ir .

A diagnosztikai célokra - szcintigráfia és SPECT - rövid életű gamma-sugárzók, mint a ^99m Tc , ¹²³ I , ¹³¹ I, ¹³³ Xe vagy ¹¹¹ In alkalmazunk.

Szenzortechnika és anyagvizsgálat

A gamma -sugarak behatolhatnak az anyagba anélkül, hogy visszaverődnének vagy megtörnének . A sugárzás egy része áthaladva elnyelik, a közeg sűrűségétől és vastagságától függően . A gamma-sugárzással végzett szintmérésnél ezt a körülményt alkalmazzuk, mert a mért sugárzási intenzitás attól függ, hogy van-e az adott érben közeg vagy sem.

A gammasugarak egy másik alkalmazását megtalálják a röntgenvizsgálatokban , amelyek felhasználhatók a készülékek és a csővezetékek belsejében található lerakódások, korróziós vagy eróziós károk kimutatására.

Határvédelem és határkutatás

A határőröknél radionuklid -azonosító eszközöket használnak, amelyek lehetővé teszik a következtetések levonását a gamma -sugárzáson keresztül szállított radioaktív anyagokról.

Nevében a Állambiztonsági Minisztérium az a Német Demokratikus Köztársaság , az úgynevezett gamma ágyúk a radioaktív ¹³⁷ Cs voltak telepítve a határ-ellenőrzési pontok a belső-német határon . Ezek röntgenfelvételt készítettek a keletről nyugatra tartó járművekről, hogy felderítsék az NDK-ból érkező menekülteket .

Sterilizálás, csíracsökkentés, sugárzás-kémiai térhálósítás

A sugársterilizáláshoz és a polimer -Kunststoffen térhálósításához gamma -besugárzó berendezéseket kell használni. Szinte kizárólag ⁶⁰ Co- val dolgoznak , amelyet ⁵⁹ Co- ból állítanak elő atomreaktorokban neutron befogás útján . A sugárbiztonság az üzemben mély a visszavezethetőség révén, amelyet a sugárforrások egy mély vízgyűjtőbe juttatnak, vagy eléri a tengely alakú beton bunkereket.

Gyógyászati ​​termékek gammasterilizálása, pl. B. hegesztett vészhelyzeti készletek, előnye más módszerekkel szemben, hogy az értékesítési csomagolásban elvégezhető.

Az élelmiszer- besugárzás területén külön meg kell említeni a hagymás besugárzást, amelyet az NDK-ban hajtottak végre 1986 és 1990 között. Volt egy speciális gamma-sugárzás rendszert a Queisben mezőgazdasági termelés szövetkezet a Spickendorf. Az NDK-ban sok más ételt is besugárztak (baromfi, fűszerek, egész tojáspor stb.); a termékek címkézése nem volt szándékos. A német újraegyesítéssel ezek az engedélyek lejártak.

Vannak például nagy besugárzási rendszerek. B. Hollandiában és Dél -Afrikában.

Mössbauer spektroszkópia

A visszahatás , hogy az atommag általában megkapja, ha a gamma kvantum kibocsátott lehet, hogy bizonyos körülmények között lehet átvette az egész kristályrács , amelyben van ágyazva. Ennek eredményeként az energiamennyiség, amelyet a foton elveszít a visszarúgás révén, elhanyagolhatóan kicsi lesz. Ezenkívül, ha a gerjesztett állapot felezési ideje magas, rendkívül éles energiájú gamma-sugarak keletkeznek. A kémiai elemzésben fontos Mössbauer-spektroszkópia erre épül.

bizonyíték

A gammasugárzás az anyaggal való kölcsönhatásával detektálható, pl. B. részecskeérzékelőkkel, például ionizációs kamrával vagy Geiger-Müller számlálócsővel , szcintillációs számlálókkal , félvezető detektorokkal vagy Cherenkov számlálókkal .

Kutatástörténet

1900 -ban Paul Villard egy olyan összetevőt talált a négy évvel korábban Antoine Henri Becquerel által felfedezett radioaktív sugárzásban , amelyet a mágneses mezők nem tudtak elterelni , és nagyon magas anyagáteresztő képességet mutattak. Mivel ez volt a harmadik talált sugárkomponens , Ernest Rutherford megalkotta a gamma -sugárzás kifejezést .

A gamma -sugárzás kristályokon történő diffrakciójával Rutherfordnak és Edward Andrade -nek 1914 -ben sikerült megmutatnia, hogy ez az elektromágneses sugárzás egy formája . A talált hullámhosszak nagyon rövidek voltak, és összehasonlíthatók a röntgensugarakéval .

Lásd még

• A gamma -sugárzás multipolaritása

irodalom

• Werner Stolz, radioaktivitás. Alapok - Mérés - Alkalmazások , Teubner, 5. kiadás, 2005, ISBN 3-519-53022-8

Atomfizika

• Theo Mayer-Kuckuk , Kernphysik , Teubner, 6. kiadás, 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge , Nukleáris Fizika , Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, A nukleáris fizika alapjai: A nukleáris szerkezettől a kozmológiáig , Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Kutatástörténet

• Milorad Mlađenović, A korai atomfizika története (1896–1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Sugárvédelem

• Hanno Krieger: A sugárfizika és a sugárvédelem alapjai . Vieweg + Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, sugárvédelem alapszak . Gyakorlati ismeretek a radioaktív anyagok kezeléséhez , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection , Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

orvosság

• Günter Goretzki, Orvosi sugártudomány . Fizikai-műszaki alapismeretek , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Clinical Radiation Biology-dióhéjban , Urban & Fischer, 2006. február, ISBN 3-437-23960-0

internetes linkek

• A gamma -sugárzásról szóló irodalom a Német Nemzeti Könyvtár katalógusában
• A „Szótár sugárvédelmi” a Jülich Kutatóközpont magyarázható sok kapcsolódó kifejezések ionizáló sugárzás (alfa, béta, gamma-sugárzás, rendeletek, sugárvédelem, stb.)
• MAGIC teleszkópok La Palma, gamma-csillagászat alacsony energián, nagy érzékenységgel

Egyéni bizonyíték

1. ^ Tájékoztató levél a BG RCI -től ( Memento , 2015. április 2, az Internet Archívumban ) (PDF; 136 kB).
2. ↑ 1994. december 19 -től nincs menekülőtükör