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γ射线及其在现代技术中的应用

TIME:2019-06-06   click: 1115 次
γ ray and its application in modern technology
内容摘要:γ射线的发现为科学技术和人类历史的进程起了巨大而深刻的影响。根据γ射线具有波长短、能量高、穿透能力强和对细胞有很强的杀伤力的特性,现在已经将γ射线应用到了经济、军事、工农业生产、生物科学、医疗卫生领域,并且在工农业生产和医疗卫生方面取得了巨大的成果和显著的效益。γ射线的应用已成了一门新兴产业,正在蓬勃快速的发展,其应用领域也在不断拓宽,它以低能耗、无污染、无残留、安全卫生等优点,深受众多行业的青睐,同样,其危害性也不容忽视。
关键词:射线、电磁波、辐射、伽马刀
     19世纪下半叶,许多物理学家对X射线和阴极射线的研究,导致了放射性、电子以及α、β、γ射线的发现,这些射线的发现同时也为原子科学的发展奠定了基础。
自20世纪进入原子能时代,科学家对射线进行了更进一步的研究,射线在科学技术中开始渗透,其中γ射线的应用也成了一门新兴产业,现在它已经应用到了国民经济和社会生活的各个领域,特别是在工农业、医疗卫生和生物学方面取得了巨大的成果和效益。
一、射线的发现
γ射线是1900年由法国物理学家维拉德(Paul Villard,1860—1934)发现的。当时他正研究阴极射线的反射、折射性质,试图将含镭的氯化钡拿来比较,看看它的射线有没有类似行为。就在这一实验中,他发现了γ射线。
维拉德把镭源放在铅管中,铅管一侧开了一个6mm宽的长方口,让一束辐射射出,经过磁场后用照片记录其轨迹。照片包在几层黑纸里,前面还有一张铝箔挡着,β射线肯定已被偏折,剩下的只是α射线,α射线肯定不能穿透。可是照片记录下的轨迹,除了在预期的偏角处有β射线的轨迹外,在无偏角的方向上却仍然记录到了轨迹,即使加0.2mm的铅箔仍能穿透,显然,这不是α射线。于是维拉德写道:“上述事实导致如下结论,在镭发出的不受偏折的辐射成分中,含有贯穿力非常强的辐射,它可以穿过金属箔片,用照相法显示出来。”后来,卢瑟福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线。
二、γ射线的产生
γ射线的产生
γ射线是原子核衰变和核反应产生的。在原子核反应中,当原子核发生α、β衰变后,长生的子核往往处于激发态,处于激发态的原子核仍是不稳定的,就会由高激发态向低激发态或基态跃迁发射光子,由于核能级间隔比原子极间隔大得多,所以发出的光子能量很高,称它们为γ光子或γ射线。
核 是典型的γ放射源。 经 衰变到 的激发态,处于激发态的Ni跃迁到低能态时,就会放出γ光子,放出的γ光子的能量等于两能级的能量差,对 的衰变,两光子的能量分别为1.17MeV和1.33MeV,右图为能级跃迁图。
太空中的在太空中产生的伽玛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。太空中的伽玛射线是在1967年由一颗名为“维拉斯”的人造卫星首次观测到。
三、γ射线的性质
γ射线,英文名称是gamma-ray,中文翻译为伽马射线,是继α、β射线后发现的第三中原子核射线,它又称为γ光子流,是原子核能级跃迁衰变过程中发射的一种电磁波,它具有光波的一切特性,如反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。其波长小于0.02nm( ),频率在 以上,能量高于 
( ),γ射线还具有很强的穿透能力和对细胞有很大杀伤力,是目前能够检测到的波长最短,频率最高,能量最大的电磁波。
四、γ射线的应用
(一)γ射线在农业中的应用
1、农作物的辐射育种
利用γ射线照射农作物的种子、植株或某些器官和组织,促使它们产生各种变异,再从中选出我们所需要的可遗传的优良变异,经过培育而成为优良的新品种。例如:用一定强度的γ射线照射水稻种子,就可得到变异的后代,选出种子的品种,经过几代培育可得高产、抗病、早熟的优良品种。
2、γ射线引起害虫绝育
    人们在与农业上的各种害虫作斗争的过程中,希望有一种巧妙的方法, 能够达到消灭害虫的后代,以便最后根绝虫害的目的。
    人们从研究射线的生物效应中发现,辐射不对其它细胞有严重的损伤,只引起雄性害虫的遗传基因发生变化,这种害虫与雌虫交配过以后,雌虫就失去了繁殖后代的能力,这样,我们一次灭虫就不是只杀灭一只或几只害虫,而是灭绝一群,灭绝一代以至几代的害虫。
3、γ射线刺激生物生长
在射线在射线的剂量不是很高时,用射线照射生物,生物细胞会发生一系列物理的化学的和生理的变化,有可能加速细胞分裂的过程,因此刺激生物的生长发育。例如:用少剂量的γ射线照射一串红花的幼苗,促进植株快速生长,提前开花期。
(二)γ射线在工业中的应用
1、γ射线探伤
γ射线有很强的穿透性,γ射线探伤就是利用γ射线得穿透性和直线性来探伤的方法。γ射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知,但它可使照相底片感光,也可用特殊的接收器来接收。当γ射线穿过(照射)物质时,该物质的密度越大,射线强度减弱得越多,即射线能穿透过该物质的强度就越小。此时,若用照相底片接收,则底片的感光量就小;若用仪器来接收,获得的信号就弱。因此,用γ射线来照射待探伤的零部件时,若其内部有气孔、夹渣等缺陷,射线穿过有缺陷的路径比没有缺陷的路径所透过的物质密度要小得多,其强度就减弱得少些,即透过的强度就大些,若用底片接收,则感光量就大些,就可以从底片上反映出缺陷垂直于射线方向的平面投影;若用其它接收器也同样可以用仪表来反映缺陷垂直于射线方向的平面投影和射线的透过量。一般情况下,γ射线探伤是不易发现裂纹的,或者说,γ射线探伤对裂纹是不敏感的。因此,γ射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。即γ射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤,而不适宜面积型缺陷探伤。
2、放射性物质的检测
根据γ射线自身的特性,如波长短、频率高、穿透性强等做出的射线检测仪就可以对物质进行检测是否有放射性,就可在公共运输系统,政府大楼,重要集会场所,军事部门等处应用。
(三)γ射线在医疗卫生中的应用
1、γ射线治疗肿瘤
γ射线对细胞有很强的杀伤力,医疗上用来治疗肿瘤。肿瘤细胞受到γ射线照射时发生电离作用,电离产生的离子破坏了组成细胞的蛋白质、核酸和酶等有机分子,使肿瘤细胞死亡。
目前利用最广泛的就是伽马刀手术,该手术无创伤、不出血、不需麻醉,无手术禁忌症,是一种理想的肿瘤局部治疗手段,适应症较广。
2、利用γ射线对死后经过时间的推断
动物死后对γ射线的辐射强度和死后经过时间呈近似的指数衰减的相关关系。所以,用动物死后对γ射线的吸收变化规律可对死后经过时间的推断。
(四)γ射线在环境保护上的应用
γ射线对废水的净化处理,γ射线照射,它能使废水中的有害物质发生分解而达到清除的目的。射线处理污水,最大的优点就是不会造成二次污染。
五、γ射线在未来的应用趋势
(一)γ射线在信息产业中的应用
21世纪已成为信息化的时代,计算机、网络等信息产业都在飞速的发展,因此信息传递也越来越受到人们的关注。在未来,γ射线将会取代传统的信息通讯方式,迎来信息产业的新篇章。
(二)γ射线在人类生活中的应用趋势
现在电磁辐射在人类生存的空间中已是无处不在,给人类的生产生活带来了极大的危害,并且科学家也越来越重视电磁辐射的危害,电磁辐射已经成了科学家研究的重要课题。
为了给人类创造一个环保、健康的生活环境,γ射线将会成为这一领域的重要一员。如科学家可以根据γ射线所特有的性质研发能吸收电磁波的电磁波吸收仪,减少人类生存环境中的辐射。
(三)γ射线在军事科技中的应用趋势
国家军事力量的强大直接体现着一个国家的强大,军事力量的强大就得依靠先进的科学技术,γ射线的应用作为一门新兴产业和一项先进的技术将会趋向于军事科技。如:γ射线炸弹,它无需炸药引爆,令某些放射性元素在极短的时间内迅速衰变,从而释放出大量的伽马射线。γ射线弹爆炸后产生的效应不大,也不会使人立刻死去,但能造成放射性沾染,迫使敌人离开,所以它比氢弹、中子弹更高级更有威慑力。
六、γ射线的危害
γ射线能够使植物发生变异也能杀死人体的肿瘤细胞和变病组。同样,过量的γ射线照射也会破坏人体的正常组织,造成部分机体的失常,引起射线病,如皮炎、脱发、呕吐、白血球减少、癌症甚至死亡。
随着现在人们生活节奏的加快,科学的快速发展,人们吃的粮食、蔬菜大部分都被射线处理过,人们长时间食用这些被射线处理过的食物,部分放射性元素有可能就会残留在体内,最终引起射线病,严重的很有可能就会遗传给下一代,影响下一代的正常生活,因此γ射线也称为“隐形炸弹”。
结束语
γ射线的发现大大加快了人类历史的进程。射线既是物质的载体(各种射线是物质结构中的一些不同的层次),又是能量的载体(射线具有很高的能量),当它们与物质相互作用时会产生各种物理学、化学和生物学上的效应,射线与物质相互作用过程中的这些效应正是人们研究射线、防御射线和利用射线的基础。
到了今天,射线的应用已经非常的普及和非常的深入,在生产、工作和生活的各个领域中给人类带来种种的好处,大大改善了人类的生活,坚定了人类改造自然、改造社会的决心和信心,而且我们完全有理由相信,未来的发展会更加迅速,更加惊人!最后,我用英国著名的科学家和哲学家B.罗素在20世纪20年代说过的一句话作为结语:
  “归根到底,是科学使得我们这个时代不同于以往的任何时代。科学能为人类创造一个比以往任何时候都要美好的环境。”
 
参考文献:
[1]赵凯华,奉克成,物理学照亮世界[M],北京大学出版社,2005年
[2]梁少荣,刘昌年,盛正华,量子物理学基础(第三版)[M],高等教育出版社,2008年
[3]宜宾科技[M],γ射线及应用[J],2006年第4期,总第113期
 
Gamma rays and its application in modern technology
 
Content abstract: gamma-ray found for science and technology and the course of the history of man plays a great and profound effect. According to the gamma rays have shorter wavelengths, energy, high penetration ability strong and the cells have strong lethality characteristics, has now will gamma rays applied to economic, military and industrial and agricultural production, biological sciences, medical service domain, and in industrial and agricultural production and medical and health have made great achievements and significant benefits. Gamma-ray application has become an emerging industry, are flourishing fast development, its application field, also in expanding, and it with low energy consumption, no pollution, no residues, safety and health advantages, deeply multitudinous profession's favour, also, its hazardous nature also nots allow to ignore.
Keywords: rays, electromagnetic wave, electromagnetic radiation, gamma knife
 

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