Гамма-випромінювання
Гамма-випромінювання — це високоенергетичні фотони, які ядро випускає під час переходу зі збудженого стану в нижчий. На відміну від α- або β-розпаду, чистий γ-перехід не змінює число протонів і нейтронів: змінюється внутрішня енергія ядра.
Походження γ-кванта
Після ядерної реакції або радіоактивного перетворення дочірнє ядро часто народжується збудженим. Воно може перейти на нижчий дискретний рівень і віддати різницю енергій фотону: Eγ=ΔE=hν. Тому енергії гамма-ліній є характеристичними для конкретних ядерних переходів.
Чому спектр лінійчастий
Ядерні рівні квантуються, тому гамма-фотони не мають довільної енергії. Якщо доступно кілька послідовних переходів, у спектрі з’являється набір ліній. Їхні енергії та інтенсивності дозволяють відновлювати схему рівнів, а збігові вимірювання показують, які переходи йдуть каскадом.
Взаємодія з речовиною
Гамма-фотон не втрачає енергію поступово як важка заряджена частинка. Найважливіші механізми — фотоефект, комптонівське розсіяння та народження електрон-позитронної пари за достатньо великої енергії. Їхня відносна роль залежить від енергії фотона й атомного номера поглинача.
Ослаблення і захист
Для вузького пучка часто використовують I=I₀e^(−μx), де μ — лінійний коефіцієнт ослаблення. Це не означає, що кожен фотон поступово стає слабшим: окремі фотони або проходять, або взаємодіють. Для захисту застосовують товсті шари щільних матеріалів і враховують вторинне розсіяння.
Гамма і рентген
Гамма- та рентгенівські фотони мають однакову фізичну природу. Назва визначається переважно походженням: гамма-кванти пов’язують з ядерними переходами, рентгенівські — з електронними оболонками або гальмуванням електронів. Енергетичні діапазони можуть перекриватися.
Внутрішня конверсія
Збуджене ядро не завжди випускає γ-фотон. Воно може передати енергію безпосередньо атомному електрону, який вилітає з оболонки. Це внутрішня конверсія. Після утворення вакансії атомна оболонка перебудовується і може дати характеристичне рентгенівське випромінювання або Оже-електрони.
Практичне значення
Гамма-спектроскопія ідентифікує радіонукліди, а проникність фотонів використовується в неінвазивній діагностиці, промисловій дефектоскопії та контролі матеріалів. У кожному випадку важливі не лише енергія джерела, а й геометрія, дозова потужність, час та ефективність детектора.
Енергетична роздільність і піки
У реальному гамма-спектрі повна енергія фотона не завжди потрапляє в один пік. Якщо фотон віддає всю енергію детектору, виникає фотопік; комптонівське розсіяння створює неперервний фон і характерну комптонівську границю. Якість спектрометра визначається не лише ефективністю, а й енергетичною роздільністю: два близькі переходи можна відрізнити тільки тоді, коли ширина піків достатньо мала.
Вправа
Чому чистий γ-перехід не переводить атом в інший хімічний елемент?
Розв’язання
Тому що ядро втрачає енергію, але не змінює число протонів Z. Хімічний елемент визначається саме Z; масове число A також лишається тим самим.