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γ射线的简介

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Introduction to gamma rays
      γ射线,又称γ粒子流,是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线,是波长短于0.2埃的电磁波。γ射线有很强的穿透力,工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力,医疗上用来治疗肿瘤。
中文名:γ射线;别名:γ粒子流;来源:原子核能级跃迁时释放出的射线;波长:短于0.2埃;本质:电磁波;特性:很强的穿透力;应用:探伤或流水线的自动控制。
1.γ-ray 
1)波长短于0.2埃的电磁波。放射性原子核在发生α衰变,β衰变后产生的新核往往处于高能量级,要向低能级跃迁,辐射出γ光子。首先由法国科学家P.V维拉德发现,是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。γ射线的波长比X射线要短,所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。可以透过几厘米厚的铅板。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时,会把全部能量交给电子,使电子电离成为光电子,此即光电效应。由于核外电子壳层出现空位,将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子(>2兆电子伏特)的光电效应较弱。γ光子的能量较高时,除上述光电效应外,还可能与核外电子发生弹性碰撞,γ光子的能量和运动方向均有改变,从而产生康普顿效应。
当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时,由于受原子核的作用而转变成正负电子对,此效应随γ光子能量的增高而增强。γ光子不带电,故不能用磁偏转法测出其能量,通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出,例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪(利用晶体对γ射线的衍射)直接测量γ光子的能量。由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测γ射线强度的常用仪器。
通过对γ射线谱的研究可了解核的能级结构。γ射线有很强的穿透力,工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ射线对细胞有杀伤力,医疗上用来治疗肿瘤。
伽马射线是频率高于1.5千亿亿赫兹的电磁波光子。伽马射线不具有电荷及静质量,故具有较α粒子及β粒子弱之电离能力。伽马射线具有极强之穿透能力及带有高能量。伽马射线可被高原子数之原子核阻停,例如铅或乏铀。
2)γ源放射安全距离计算
γ源放射安全距离计算公式
式中;A¬—源活度,单位Ci 
Kr—常数,32.9×10-16C•m3(Kg•h•Bq)
NX—5.42×10-7 C/(Kg•h)
δ—透明厚度,单位:mm
h—半价层(8.78)
Rx—安全防护距离,单位:m
当源活度为16 Ci,透明厚度为18mm时,由上述公式计算得,安全防护距离为29m。
3)放射性活度:放射性活度是表示放射性核素特征的物理量,它的定义为处于特定能态的一定量的放射性核素,在dt时间内发生核跃迁数的期望值除以dt。放射性活度用A表示,单位用贝克(勒尔),符号为Bq.1贝克一个物质的放射性强度的大小通常不用体积或质量的大小来衡量,而是用放射性活度来表示。放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为它的放射性活度。在1975年国际计量大会上,规定了放射性活度的国际单位是秒的倒数(s-1),1Bq就是放射性物质在1秒内有1个原子核发生衰变。2.5MBq/L就是在1升样品中每秒有2.5M个原子发生衰变。放射性强度是放射性物质的固有属性,只和放射性物质的多少(浓度)有关,而这和温度、压强等外界条件无关。
1居里=3.7×1010贝克
居里的符号是Ci。
2.不可见光
当人类观察太空时,看到的为“可见光”,然而电磁波谱的大部分是由不同辐射组成,当中的辐射的波长有较可见光长,亦有较短,大部分单靠肉眼并不能看到。通过探测伽马射线能提供肉眼所看不到的太空影像。2008年,美国发射的费米太空望远镜,就是通过伽马射线探查宇宙的。
 
太空中的伽马射线
在太空中产生的伽马射线是由恒星核心的核聚变产生的,因为无法穿透地球大气层,因此无法到达地球的低层大气层,只能在太空中被探测到。太空中的伽马射线是在1967年由一颗名为“维拉斯”的人造卫星首次观测到。从20世纪70年代初由不同人造卫星所探测到的伽马射线图片,提供了关于几百颗此前并未发现到的恒星及可能的黑洞。于90年代发射的人造卫星(康普顿伽马射线观测台),提供了关于超新星、年轻星团、类星体等不同的天文信息。
 
伽马射线的波长与形成
γ射线是一种强电磁波,它的波长比X射线还要短。一般波长<0.001纳米。在原子核反应中,当原子核发生α、β衰变后,往往衰变到某个激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的,并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态,而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的,这种射线就是γ射线。
伽马射线对人体的影响
γ射线具有极强的穿透本领。人体受到γ射线照射后,γ射线可以进入到人体的内部,并与体内细胞发生电离作用,电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子,如蛋白质、核酸和酶,它们都是构成活细胞组织的主要成份,一旦它们遭到破坏,就会导致人体内的正常化学过程受到干扰,严重的可以使细胞死亡。
3.核爆炸
      一般来说:核爆炸(比如原子弹、氢弹的爆炸)的杀伤力量由四个因素构成:冲击波、光辐射、放射性沾染和贯穿辐射。其中贯穿辐射则主要由强γ射线和中子流组成。由此可见,核爆炸本身就是一个γ射线光源。通过结构的巧妙设计,可以缩小核爆炸的其他硬杀伤因素,使爆炸的能量主要 以γ射线的形式释放,并尽可能地延长γ射线的作用时间(可以为普通核爆炸的三倍),这种核弹就是γ射线弹。
与其他核武器相比,γ射线的威力主要表现在以下两个方面:一是γ射线的能量大。由于γ射线的波长非常短,频率高,因此具有非常大的能量。高能量的γ射线对人体的破坏作用是相当大的,当人体受到γ射线的辐射剂量达到200-600雷姆时,人体造血器官如骨髓将遭到损坏,白血球严重地减少,内出血、头发脱落,在两个月内死亡的概率为—80%;当辐射剂量为600-1000雷姆时,在两个月内死亡的概率为80-100%;当辐射剂量为1000-1500雷姆时,人体肠胃系统将遭到破坏,发生腹泻、发烧、内分泌失调,在两周内死亡概率几乎为100%;当辐射剂量为5000雷姆以上时,可导致中枢神经系统受到破坏,发生痉挛、震颤、失调、嗜睡,在两天内死亡的概率为100%。二是γ射线的穿透本领极强。γ射线是一种杀人武器,它比中子弹的威力大得多。中子弹是以中子流作为攻击的手段,但是中子的产额较少,只占核爆炸放出能量的很小一部分,所以杀伤范围只有500-700米,一般作为战术武器来使用。γ射线的杀伤范围,据说为方圆100万平方公里,这相当于以阿尔卑斯山为中心的整个南欧。因此,它是一种极具威慑力的战略武器。
4.无声
辐射警示标示
辐射警示标示
γ射线弹除杀伤力大外,还有两个突出的特点:一是γ射线弹无需炸药引爆。一般的核弹都装有高爆炸药和雷管,所以贮存时易发生事故。而γ射线弹则没有引爆炸药,所以平时贮存安全得多。二是γ射线弹没有爆炸效应。进行这种核试验不易不测量到,即使在敌方上空爆炸也不易被察觉。因此γ射线弹是很难防御的,正如美国国防部长科恩在接受德国《世界报》的采访时说,“这种武器是无声的、具有瞬时效应”。可见,一旦这个“悄无声息”的杀手闯入战场,将成为影响战场格局的重要因素。
5.作用
γ射线与物质的相互作用机制属于全或无相互作用,不同于α、β射线的多次小相互作用,γ射线穿透物质后强度减少但能量几乎不降低,α、β射线穿透物质后强度减少,能量也降低。 
(1)光电效应
γ光子与介质的 原子相互作用时,整个光子被原子吸收,其所有能量传递给原子中的一个电子(多发生于内层电子)。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来,称为光电子。光电子的能量等于入射γ光子的能量减去电子的结合能。光电子与普通电子一样,能继续与介质产生激发、电离等作用。由于电子壳层出现空位,外层电子补空位并发射特征X射线。但该光人眼不可见,频率最高,波长最短(波在真空中v=c光速,c=λf,λ波长,f频率)
(2)康普顿效应
1923年美国物理学家康普顿发现X光与电子散射时波长会发生移动,称为康普顿效应。
γ光子与原子外层电子(可视为自由电子)发生弹性碰撞,γ光子只将部分能量传递给原子中外层电子,使该电子脱离核的束缚从原子中射出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称为康普顿电子,能继续与介质发生相互作用。散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角,一般记为θ。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角,一般记为φ。当散射角θ=0°,散射光子的能量为最大值,这时反冲电子的能量为0,光子能量没有损失;当散射角θ=180°时,入射光子和电子对头碰撞,沿相反方向散射回来,而反冲电子沿入射射光子方向飞出,这种情况称反散射,此时散射光子的能量最小。
(3)电子对效应
能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时,在原子核的库仑场作用下,γ光子转变成一个电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV),其余就作为他们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用;正电子在损失能量之后,将于物质中的负电子相结合而变成γ射线,即湮没,探测这种湮没辐射是判明正电子产生的可靠实验依据。
(4)相干散射
对低能光子(能量远小于电子静止能量)来说,内层电子受原子核束缚较紧不能视为自由电子。如果光子和这种束缚电子碰撞,相当于和整个原子相碰,碰撞中光子传给原子的能量很小,几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长。称为汤姆逊散射(Thomson scattering)或瑞利散射(Rayleigh scattering)或相干散射(coherent scattering)。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加,外层电子所占比例降低,所以波长不变的散射光子强度随之增强,而波长变长的康普顿散射光子强度随之减弱。
瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度范围内。即其光子角分布在光子的前进方向有尖锐的峰,偏转光子的能量损失可以忽略。随着散射光子散射角φ增大,波长不变的瑞利散射光子相对强度逐渐减弱,而波长变长的康普顿散射光子相对强度逐渐增强,同时波长的改变量也逐渐增大。
(5)光致核反应
也称为光核吸收,大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用,能发射出粒子,例如(γ,n)反应。但这种相互作用的大小与其他效应相比是小的,所以可以忽略不计。光核吸收的阈能在5 MeV或更高,这种过程类似于原子光电效应,但在这一过程中光子为原子核所吸收而不是由围绕核转动的壳层电子,光核吸收一般会引起中子的发射。光核吸收最显著的特点是“巨共振” (giant resonance)。光核反应中的巨共振是一种偶极共振,它来自γ光子所引起的电偶极激发,称为巨偶极共振(Giant Dipole Resonance,GDR)。对于轻核,吸收截面的中心约在24MeV。随着靶核质量数增加,中心能量减少,巨共振峰的位置也随之减少,最重的稳定为12 MeV,巨共振的宽度(相当于半最大高度截面的能量差)随靶核而变化,大约为3-9MeV。即使是共振峰,光核截面比前面提到的光电截面要小,它对总截面的贡献小于10%,然而在辐射屏蔽设计中,光核吸收很重要,因为所发射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性。在辐照技术中引起的放射性显得更重要。
(6)核共振反应
入射光子把原子核激发到激发态,然后退激时再放出γ光子。
综述
前三种相互作用影响最大。
对于窄束γ射线(即通过吸收后的γ光子仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成),μ记作γ射线穿过吸收介质的总线性衰减系数,它包含了γ光子真正被介质吸收和被散射离开准直的两种贡献。有的研究直接将μ表述为总吸收系数,μ相当于介质对γ射线的宏观吸收截面,μ的量纲为长度的倒数,显然μ值反映了介质对于γ射线的吸收能力。
对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质,光电效应占优势;对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质,康普顿效应占优势;对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质,电子对效应占优势。
光子能量在100keV至30 MeV范围内,后三种次要的相互作用方式对于γ射线的吸收所做的贡献小于1%。
 

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