Gammasäteily

Gammasäteily (havainnollinen kuva)

Gammasäteily - myös kirjoitettu ɣ -säteily - on suppeammassa mielessä erityisen läpäisevä sähkömagneettinen säteily , joka syntyy monien luonnossa esiintyvien tai keinotekoisesti tuotettujen radioaktiivisten nuklidien atomien ytimien spontaanista muutoksesta ("hajoamisesta") .

Nimi tulee radioaktiivisesta hajoamisesta peräisin olevan ionisoivan säteilyn jakamisesta alfa- , beetasäteilyksi ja gammasäteilyksi niiden kasvavan kyvyn läpäistä aineen kanssa. Alfa ja beta säteily koostuu varattuja hiukkasia ja näin ollen vuorovaikutuksessa paljon voimakkaammin aineen kanssa kuin varaukseton fotonit tai quanta gammasäteilyn. Näin ollen jälkimmäisillä on huomattavasti suurempi tunkeutumiskyky.

Erilaiset sähkömagneettiset spektrit ( englanninkieliset gammasäteet )

Eräässä laajemmassa merkityksessä, gammasäteilyä käytetään tarkoittamaan mitä tahansa sähkömagneettista säteilyä kvanttienergia yli noin 200  keV , riippumatta siitä, miten se on tuotettu . Tämä vastaa aallonpituuksia, jotka ovat lyhyempiä kuin 0,005 nm (5 pm ). Tässä yleisessä mielessä termiä käytetään erityisesti silloin, kun säteilyn muodostumisprosessia ei tunneta, sillä ei ole merkitystä (esimerkiksi tähtitieteessä) tai tiettyyn tehtävään (esimerkiksi haluttuun säteilysuojeluun ) on kuitenkin ilmaistava, että energiaa on enemmän kuin röntgensäteilyllä (noin 100 eV-300 keV).

Pientä kreikkalaista kirjainta ( gamma ) käytetään yleensä kaavan symbolina minkä tahansa energian ja alkuperän fotonille. ${\ displaystyle \ gamma}$

Esiintyminen

Radioaktiivisuus: "gammahajonta"

Gammasäteily sanan alkuperäisessä merkityksessä syntyy, kun radioaktiivisen alfa- tai beetahajoamisen jälkeen jäljelle jäänyt ydin ( tytärytymä ) on virittyneessä tilassa ; tämä pätee moniin, mutta ei kaikkiin alfa- ja beetahajoamisiin. Innoissaan ydin värisee tai pyörii - selkeästi sanottuna - pitkään. Siirtymisen aikana vähemmän voimakkaaseen tai perustilaan se vapauttaa vapautuneen energian gammasäteilyn muodossa (ks. Hajoamiskaavio ). Tämä muutos ytimen tilassa tunnetaan gammasiirtymänä tai "gammahajoamisena", vaikka ydin ei missään nimessä "hajoa osiinsa", koska sen neutronien ja protonien määrä pysyy vakiona.

Viritetty tila voi olla syntynyt myös muilla tavoilla, kuten neutronien sieppauksella tai muilla ydinreaktioilla tai aikaisemmalla korkeamman energian kvantin absorboinnilla . ${\ displaystyle \ gamma}$

taajuuksia

Mitattu gammaspektri ⁶⁰ Co , linjat 1173 ja 1332 keV

Gammasäteiden aallonpituudet tai energiat ovat erillisiä ja ovat ominaisia ​​kullekin radionuklidille, verrattavissa kemiallisten elementtien optiseen linjaspektriin . Tuntemattoman aineen gammaspektrin mittaus ( gammaspektroskopia ) on siksi sopiva antamaan tietoa sen sisältämien radionuklidien tyypeistä ja osuuksista.

Gammaspektrilinjojen terävät energiat selitetään sillä, että gammasiirtymien elinaika on suhteellisen pitkä ydinfysiikan kannalta. Innoissaan ydin - jonka voit kuvitella kuin sykkivä rugbipallo - rakentaa värähtelevän sähkömagneettisen kvadrupolikentän . Gammakvantti voi absorboida vain dipolivärähtelyjä; sen päästöt ovat siksi suhteellisen epätodennäköisiä. Mukaan energiaa ajan epävarmuus nähden , käyttöikä siirtyminen on kääntäen verrannollinen sen energian epävarmuus tai viivan leveys : ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ Gamma}$

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

Viriteltyjen ydintilojen elinaika on aina suurempi kuin noin ^10-15  sekuntia ja johtaa siten erillisiin fotonienergioihin, joiden puolileveys on alle 0,3 eV.

Nimitys alfa- tai beetahajoamisen äidinuklidin mukaan

Keskimääräinen viive tai puoliintumisaika alfa- tai beetahajoamisen ja gammasiirtymän välillä riippuu nuklidista ja vastaavasta viritystilasta. Vaikka se onkin "pitkä" fyysisessä mielessä, käytännöllisestä näkökulmasta katsottuna se on yleensä hyvin lyhyt (sekunnin murto-osa). Jos haluat käyttää gammasäteilyä tutkimukseen, lääketieteellisiin tai teknisiin tarkoituksiin - esimerkiksi kahden 1,17 ja 1,33 MeV: n fotonin kaskadi, jota emittoi 2,5 MeV: n nuklidin ⁶⁰ Ni -tila - sinun on siksi valmistettava beetasäteilijä ⁶⁰ Co . Tämä nuklidi hajoaa haluttuun ⁶⁰ Ni -tilaan puoliintumisajalla 5,26 vuotta .

Hajoamisjärjestelmä ⁶⁰ Co

Tästä käytännön syystä, gammasäteilyä (paitsi ⁶⁰ Ni, mutta yleensä myös tieteellisiä ja teknisiä dokumentteja, taulukoita, nuklidin kartat jne) on aina määritetty äiti nuklidi edellisen alfa- tai beta rappeutuminen, että esimerkki ⁶⁰ Co: Ihminen puhuu koboltti-60-säteilystä, koboltti-tykistä jne., vaikka kyse olisi vain tytärydin ⁶⁰ Ni: n lähettämästä gammasäteilystä .

Harvinaisia ​​virittyneitä atomiytimiä, joiden gammasiirtymien puoliintumisajat ovat sekunteja, minuutteja tai jopa pidempiä, kutsutaan metastabiileiksi tai ydinisomeereiksi . Vain näissä tapauksissa varsinaista gammaa emittoivaa nuklidia käytetään nimityksenä. Yksi esimerkki on teknetium -isotooppi ^{99 m} Tc, jota käytetään lääketieteellisessä diagnostiikassa (ks. Skintigrafia ).

Parin tuhoaminen

Aikana pari tuhoaminen , reaktio hiukkasen kanssa assosioituneiden antihiukkanen , fotonit syntyä myös (yksinään tai lisäksi muita mahdollisia reaktiotuotteita), joita kutsutaan myös gamma-säteilyä. Tämä gammakvantti kuljettaa tuhoutuneita hiukkasia vastaavan massan energiaa vähemmän lopullista sitoutumisenergiaa, jos nämä kaksi partikkelia olivat jo sitoutuneet toisiinsa tai toisiinsa, "kiertävät", ja plus mikä tahansa aiemmin olemassa oleva kineettinen energia .

Gammasäde puhkeaa tähtitieteessä

Gamma-ray murtuu ( Englanti gammapurkaus ) - tunnetaan myös gamma-ray räjähdykset - ovat yksi energinen ilmiöt maailmankaikkeudessa on muodostumisen mekanismi on vain osittain ymmärretty .. Spektri on jatkuva fotonienergioilla noin 1 keV: stä MeV -alueeseen. Se sisältää muun muassa röntgensäteitä . Kyse ei ole gammasäteilystä kapeammassa, ydinfyysisessä mielessä (katso johdanto).

Terminologia: gammasäteet ja röntgensäteet

Luonnollisten gamma- ja röntgensäteiden energia-alueet ovat päällekkäisiä, mikä johtaa näiden termien tiettyyn hämärtymiseen. Jotkut kirjoittajat käyttävät edelleen termejä klassisessa merkityksessä säteilyn alkuperän tunnistamiseksi (ydinprosesseista saatu gammasäteily, röntgensäteet suurenergisistä prosesseista elektronien kanssa). Muut kirjoittajat eroavat kuitenkin toisistaan ​​kvanttienergian mukaan, jolloin jakolinja on noin 100--250 kiloelektronivolttia. Tarkkaa määritelmää tälle ei kuitenkaan ole. Väärinkäsitysten välttämiseksi on siksi aina hyödyllistä ilmaista kvanttienergia ja sen luomisprosessi nimenomaisesti. Toisaalta juuri tämä populaaritieteellisessä kirjallisuudessa oleva tarkka tieto johtaa säännöllisesti ymmärtämisvaikeuksiin, koska monet lukijat ovat täynnä keV-tietoja tai termejä, kuten bremsstrahlung tai synkrotronisäteily , kun taas termit gamma ja röntgensäteily ovat yleisesti tunnettuja. Tekijöiden on siis punnittava sanamuotonsa ymmärrettävyyden ja epämääräisyyden välillä.

Vuorovaikutus aineen kanssa

Gammasäteily on monimutkaisin ionisoiva säteily, joka on suojattava.

Toisin kuin varautuneiden hiukkassäteilyjen Braggin käyrä , gammasäteilyn voimakkuus (ja siten energian syöttö) pienenee eksponentiaalisesti tunkeutumissyvyyden mukaan. Tämä tarkoittaa, että gammasäteiden määrä puolittuu jokaisen puoliarvoisen paksuuden jälkeen . Puoliarvopaksuus riippuu gammasäteilyn aallonpituudesta ja suojaavan materiaalin atomiluvusta : lyijy on siis yleisin materiaali, jota käytetään säteilysuojeluun gammasäteilyä vastaan. Sen puoliarvopaksuus gammasäteilylle, jonka energia on 2 MeV, on 14 mm. Tämä osoittaa selvästi paljon läpäisevämmän vaikutuksen verrattuna varattuihin hiukkassäteilyihin.

Tärkeimmät vuorovaikutusprosessit gammasäteilyn kulkiessa aineen läpi ovat fotoionisaatio , Comptonin sironta ( Comptonin vaikutus ) ja parinmuodostus .

Biologinen vaikutus

Jos gammasäteily absorboituu ihmisen, eläimen tai kasvin kudoksiin , sen energia tulee tehokkaaksi ionisaatiossa ja muissa prosesseissa. Kudoksessa esiintyy toissijaista säteilyä , kuten vapautuneita elektroneja ja röntgensäteitä. Kaiken kaikkiaan kemiallisten sidosten hajoaminen aiheuttaa vaikutuksia, jotka ovat enimmäkseen haitallisia organismille. Kokonaisvaikutuksen laajuus kuvataan annosekvivalentilla . Seuraukset voivat ilmetä itse säteilytetyllä organismilla ( somaattiset vauriot) tai geneettisen koostumuksen vaurioitumisen seurauksena sen jälkeläisillä geneettisinä vaurioina.

Solujen toiminnallisuus säilyy aluksi enimmäkseen jopa suurilla säteilyannoksilla. Heti kun solu jakaa tai tuottaa proteiineja, muutokset geneettisessä materiaalissa ja soluorganellien vaurioituminen voivat johtaa solun kuolemaan. Säteily sairaus vaikuttaa niin vasta jonkin ajan kuluttua kohtalokas, jos tietyt elintärkeää solutyyppejä , jotka säännöllisesti kuolevat pois jopa terveillä ihmisillä ja uudelleen muodostettu, ei enää ole riittävästi. Tämä vaikuttaa erityisesti verisoluihin. Vaihtoehtoisesti säteilyn aiheuttamat mutaatiot voivat johtaa hallitsemattomaan solujakautumiseen, jakautuvat solut menettävät enimmäkseen alkuperäisen biologisen tehtävänsä. Se aiheutti kasvaimia, joita metastaasien ulkopuolella voi muodostua ( syöpä ).

Sovellukset

Teknologiassa käytettävät gammasäteilijät ovat pääasiassa ⁶⁰ Co , ⁷⁵ Se , ¹⁶⁹ Yb ja ¹⁹² Ir . Gammasäteiden haittana on, että säteilylähteitä ei voida kytkeä pois päältä. Gammasäteilyä käytettäessä on toteutettava laajat säteilysuojelutoimenpiteet sen vaarallisuuden vuoksi .

lääke

Radioaktiivisista lähteistä peräisin olevia gammasäteitä käytetään sädehoidossa . Säteilyn energia teletherapy on oltava mahdollisimman suuri, arvot korkeintaan 23 MeV ovat mahdollisia; käytetään esim. B. ⁶⁰ Co , joka lähettää gammakvantteja energialla 1,17 MeV ja 1,33 MeV. Johtuen tarpeesta korkean energian fotonit mahdollisimman ja turvallisuus liittyvät ongelmat radioaktiivisen aiheuttajat, gammasäteilyn teletherapy saadaan tavallisesti elektronin jarrutussäteilyä on volframi levy , ja se on myös nimitystä korkean energian röntgensäteilyn . Elektronisuihku muodostetaan lineaarisella kiihdyttimellä . Toisin kuin radioaktiiviset säteilylähteet, tämä voidaan kytkeä päälle tai pois osana hoitoa.

In brakyhoito ( "säteilytys sisältä"), gamma-säteily on käyttää avulla pienten valmisteiden kehoon, yleensä ¹⁹² Ir .

Ja diagnostisia tarkoituksia varten - skintigrafiaa ja yhden yksifotoniemissiotomografiassa - lyhytikäisiä gammasäteilijöillä kuten ^99m Tc , ¹²³ I , ¹³¹ I, ¹³³ Xe tai ¹¹¹ In käytetään.

Anturitekniikka ja materiaalien testaus

Gammasäteet voivat tunkeutua aineeseen heijastumatta tai taittumatta . Osa säteilystä absorboituu se kulkee , riippuen tiheydestä ja väliaineen paksuus. Vuonna tason mittaus gammasäteilyllä yksi käyttää tässä tilanteessa, koska mitattu säteily voimakkuus riippuu siitä, onko tarkasteltavaan verisuonten keskipitkällä tai ei.

Toinen gammasäteiden sovellus löytyy radiografisista testeistä , joita voidaan käyttää havaitsemaan saostumat, korroosiovauriot tai eroosiovauriot laitteen ja putkiston sisäpuolelta.

Rajaturvallisuus ja rajahaut

Rajavartiolaitoksissa käytetään radionuklidien tunnistuslaitteita , joiden avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä gammasäteilyn kautta kuljetetuista radioaktiivisista aineista.

Puolesta Stasi on DDR , niin sanottu gamma tykit radioaktiiviseen ¹³⁷ Cs oli asennettiin vuoden rajatarkastuspaikoilla on sisempi ja Saksan rajalla . Nämä kuvattiin idästä länteen ajavia ajoneuvoja jäljittääkseen pakolaisia ​​DDR: stä .

Sterilointi, alkioiden vähentäminen, säteilykemiallinen silloitus

Ja säteily sterilointi ja silloitusaineen ja polymeerin -Kunststoffen olla gammasäteilytys tilat käytetään. Ne toimivat lähes yksinomaan ⁶⁰ Co: lla, joka tuotetaan ⁵⁹ Co: sta ydinreaktoreissa neutronien talteenoton avulla . Säteilyturvallisuuden laitoksella on syvä kautta palautumisominaisuus säteilylähteet syvään vesialtaaseen tai saavuttaa kuilun muotoinen betonibunkkereita.

Lääketuotteiden gammasterilointi, esim. B. hitsatuilla hätäpaketeilla on etu muihin menetelmiin verrattuna, että se voidaan tehdä myyntipakkauksissa.

Elintarvikkeiden säteilytyksen alalla on erityisesti mainittava sipulisäteilytys, joka tehtiin DDR: ssä vuosina 1986–1990. Queisin maataloustuotanto- osuuskunnassa Spickendorfissa oli erikoistunut gammasäteilytysjärjestelmä . DDR: ssä säteilytettiin myös monia muita elintarvikkeita (siipikarja, mausteet, kokonainen munajauhe jne.); tuotteiden merkintöjä ei ollut tarkoitettu. Kun Saksan yhdistymisen nämä hyväksynnät vanhentunut.

On esimerkiksi suuria säteilytysjärjestelmiä. B. Alankomaissa ja Etelä-Afrikassa.

Mössbauer-spektroskopia

Rekyyli , että atomin ytimen normaalisti vastaanottaa, kun gammakvantin vapautuu voi tietyissä olosuhteissa, voidaan ottaa yli , jonka koko kidehilassa , johon se on upotettu. Tämän seurauksena energian määrä, jonka fotoni menettää takaisinkytkennän kautta, tulee vähäpätöiseksi. Lisäksi, jos viritetyn tilan puoliintumisaika on korkea, syntyy erittäin terävän energian omaavia gammasäteitä. Tähän perustuu kemiallisessa analyysissä tärkeä Mössbauer -spektroskopia.

todiste

Gammasäteily voidaan havaita vuorovaikutuksessa aineen kanssa, esim. B. hiukkasilmaisimilla, kuten ionisaatiokammio tai Geiger-Müller-laskuriputki , tuikelaskurit , puolijohdetunnistimet tai Cherenkov-laskurit .

Tutkimushistoria

Vuonna 1900 Paul Villard löysi neljä vuotta aiemmin Antoine Henri Becquerelin löytämästä radioaktiivisesta säteilystä komponentin , jota magneettikentät eivät voineet taipua ja osoitti aineen hyvin läpäisevää. Koska se oli kolmas löydetty sädekomponentti, Ernest Rutherford loi termin gammasäteily .

Mukaan diffraktio gamma-säteilyn kiteitä , Rutherford ja Edward Andrade onnistuneet 1914 osoittaa, että se on eräänlaista sähkömagneettista säteilyä . Löydetyt aallonpituudet olivat hyvin lyhyitä ja verrattavissa röntgensäteisiin .

Katso myös

• Gammasäteilyn moninapaisuus

kirjallisuus

• Werner Stolz, radioaktiivisuus. Perusteet-Mittaus-Sovellukset , Teubner, 5. painos 2005, ISBN 3-519-53022-8

Ydinfysiikka

• Theo Mayer-Kuckuk , Kernphysik , Teubner, 6. painos 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge , Ydinfysiikka , Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Ydinfysiikan perusteet: ydinrakenteesta kosmologiaan , Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Tutkimushistoria

• Milorad Mlađenović, Varhaisen ydinfysiikan historia (1896–1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Säteilysuojaus

• Hanno Krieger: Säteilyfysiikan perusteet ja säteilysuojelu . Vieweg + Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, säteilysuojelun peruskurssi. Käytännön tietoa radioaktiivisten aineiden käsittelystä , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Physics for Radiation Protection , Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

lääke

• Günter Goretzki, lääketieteellinen säteilytiede. Fyysiset ja tekniset perusteet , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Clinical Radiation Biology-pähkinänkuoressa , Urban & Fischer helmikuu 2006, ISBN 3-437-23960-0

nettilinkit

Wikisanakirja: Gammasäteily  - selitykset merkityksille, sanan alkuperälle, synonyymeille, käännöksille

• Gammasäteilyn kirjallisuus Saksan kansalliskirjaston luettelossa
• "Sanasto säteilysuojelun" on Jülichin tutkimuskeskuksen selittää monet liittyvät termit ionisoivaa säteilyä (alfa-, beeta-, gamma- säteilyä, asetukset, säteilysuojelu, jne).
• MAGIC-kaukoputket La Palma, gammasäteilyn tähtitiede matalilla energialähteillä, erittäin herkkää

Yksittäiset todisteet

1. ^ Tiedot kirjeen BG RCI ( Memento of 02 huhtikuu 2015 vuonna Internet Archive ) (PDF, 136 kt).
2. ↑ Ei ole pakopaikkaa 19. joulukuuta 1994 lähtien