6.11.5. Γ-излучение

γ-излучение может сопровождать различные виды распада, а при изомерном переходе будет единственным видом излучения.

Ядро одного и того же элемента может существовать и в основном и в возбужденном (метастабильном) состояниях. Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, называют изомерными и обозначают буквой т, поставленной после массового числа. Переход ядра с возбужденного уровня на основной, называют изомерным переходом, который сопровождается, как правило, испусканием γ-кванта (фотона): _γ

^80mBr → ⁸⁰Br.

В отличие от α-, β^- и β⁺-частиц, которые непосредственно ионизируют вещество среды (ионизирующее излучение), γ-кванты вызывают ионизацию в вещества за счет вторичных электронов, образующихся в результате первичных процессов взаимодействия γ-квантов с веществом среды. К таким процессам относятся: фотоэффект, комптоновское рассеивание с образованием пар электрон-позитрон.

Фотоэффект заключается в том, что γ-квант, взаимодействуя с атомами или молекулой, выбивает из них электрон. При этом γ-квант полностью поглощается, а вся его энергия передается электрону (фотоэлектрон). В процессе комптоновского рассеивания γ-квант передает лишь часть своей энергии электрону, а вместо первичного γ-кванта появляется рассеянный, с меньшей энергией. При энергиях γ-квантов более 1,02 МэВ (такая энергия, эквивалентная массе покоя пары электрон-позитрон) взаимодействие с силовым полем ядер может привести к образованию пары электрон-позитрон с полным поглощением γ-кванта. Позитроны замедляются веществом и могут взаимодействовать с электронами среды, давая аннигиляционное γ-излучение.

Относительный вклад каждого из трех процессов в ослабление γ-излучения зависит от энергии фотона и порядкового номера вещества поглотителя. По мере возрастания энергии γ-квантов резко уменьшается вероятность комптоновского рассеивания, а вероятность эффекта образования пар возрастает с увеличением энергии фотонов, начиная с энергии равной 1,02 МэВ.

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Например, первичным результатом действия радиоактивного излучения на воздух является появление ионов:

О₂ + hv = О⁺₂ + ē О₂ + ē = О^-₂

N₂ + hv = N⁺₂ + ē N₂ + ē = N^-₂

Н₂О + hv = Н₂О^- + ē Н₂О + ē = Н₂О^-

Н₂О = Н⁺ + ОН* Н₂О^- = Н* + ОН"

Образующиеся при протекании этих процессов радикалы Н и ОН обладают сильным физиологическим действием - при больших дозах они являются одной из причин лучевой болезни, малокровия и т.д., так как они энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови.

При бомбардировке вещества потоком α-частиц, протонов, нейтронов и т.д. происходит превращение атомов. Ядерные превращения можно представить с помощью уравнений следующего вида. Например, изотоп ²⁷Аl под действием протонов превращается в изотоп ²⁴Mq:

²⁷Аl + ¹р = ²⁴Mg + ⁴α.

Под действием нейтронов в изотоп ²⁷Mg:

²⁷Al + ¹n = ²⁷Mg + ¹р.

Часто используется краткая запись этих уравнений, соответственно:

27А1 (р, a)^{24 27}Mq Al (n, p) ²⁷Mg

При такой записи сначала указывают символ исходного атома, далее в скобках через запятую приводят бомбардирующую и выбиваемую частицы, после чего записывают символ образующегося атома.

Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиохимические превращения различных органических соединений - аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение с веществом вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На взаимодействии радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.