Гамма-частицы (Гамма-излучение)
Гамма-излучение (γ-излучение), коротковолновое электромагнитное излучение, принадлежащее к наиболее высокочастотной части спектра электромагнитных волн.
Возникает при термоядерном синтезе и распаде атомных ядер и частиц и способно вызывать их превращения.
Гамма-излучение открыто в 1900 г. П. Вилларом как составляющая излучения радиоактивных ядер, которая в отличие от α- и β-излучений не отклоняется магнитным полем. В 1914 г. Э. Резерфорд и Э. Андраде в опытах по дифракции на кристалле гамма-излучения доказали его электромагнитную природу.
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновским излучением, но имеет более короткую длину волны: λ≤10−10 м. При столь малых значениях длины волны на первый план выходят корпускулярные свойства гамма-излучения, его можно рассматривать как поток частиц (гамма-квантов). Их максимальная кинетическая энергия определяется как E= m*c2/2 и составляет 0,511 МэВ
Гамма-частицы образуются:
- при аннигиляции позитрона и электрона, а потенциальная энергия превращается в два или более фотонов.
- при термоядерных реакциях за счет вытеснения из тяжелой гамма-частицы при образовании нуклонной связи легкой гамма-частицы.
Минимальная масса гамма-частицы равно сумме масс позитрона и электрона и равна 1022 МэВ.
Частота гамма-излучения превышает 3⋅1018 Гц, что соответствует скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и адронов. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица–античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами, что способствует превращению частиц.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Энергии испускаемых гамма-квантов с точностью до энергии отдачи ядра (незначительная величина) равны разностям энергий этих состояний (уровней) ядра.
Рис. 1. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде возбуждённого ядра урана-238 (238U). Спектр получен по данным исследований Ричарда Даймонда и Фрэнка Стивенса в 1967 г. Репродукция иллюстрации из книги: Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Том 2. Деформация ядер. Москва, 1977.
Энергии ядерного гамма-излучения обычно лежат в интервале от нескольких кэВ до 8–10 МэВ; спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии уровней ядра (рис. 1). При распадах частиц и реакциях с их участием испускаются гамма-кванты с бльшими энергиями: десятки–сотни мегаэлектронвольт. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, даёт важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение возникает также при торможении быстрых заряженных частиц в кулоновском поле ядер и электронов вещества (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение). Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Источниками гамма-излучения являются также процессы, происходящие в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии, получаемых на ускорителе, с интенсивными пучками видимого света, создаваемыми лазерами. При этом электрон передаёт свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.