Gama zračenje

Prikaz gama-zračenja (γ-čestica) iz atomskog jezgra.

Znak za opasnost od radioaktivnosti

Linearni koeficijent za slabljenje mlaza gama zraka (μ) zbog prolaza kroz aluminijum (atomski broj Z = 13) na apscisi i energija gama zraka na ordinati. Vidljivo je da uglavnom u svim područjima prevladava Komptonovo raspršenje.

Linearni koeficijent za slabljenje mlaza gama zraka (μ) zbog prolaza kroz olovo (atomski broj Z = 82) na apscisi i energija gama zraka na ordinate. Kod nižih energija gama zraka prevladava fotoelektrična apsorpcija, dok iznad 5 MeV, počinje da prevladava stvaranje parova elektron-pozitron.

Kod Komptonovog raspršenja foton gama zraka talasne dužine $\lambda$ dolazi s leve strane, sudara se s atomskom jezgrom nekog elementa i nastaje novi foton talasne duljine $\lambda '$ koji izlazi pod nekim uglom $\theta$.

Primer gama raspada kobalta-60

Mesec viđen gama zracima sa Komptonove gama-zračne opservatorije. Iznenađujuće je da je Mesec u ovoj spektralnoj oblasti sjajniji od Sunca.

Gama zračenje ili gama zraci, gama fotoni (γ-zračenje, γ-zraci) je oblik elektromagnetnog zračenja sa najprodornijim fotonima, odnosno najmanjim talasnim dužinama u elektromagnetnom spektru. Nastaju u interakcijama subatomskih čestica kao što su anihilacija čestice i antičestice i radioaktivni raspad; većina zračenja potiče iz nuklearnih reakcija koje se odigravaju u međuzvezdanoj sredini u svemiru. Ime γ-zraci (γ-zračenje) su dobili po tome što je to bila treća vrsta prodornih zraka otkrivena posle α- i β-zraka.

Gama zraci su snopovi fotona. Foton je kvant energije, odnosno „energetski paket”, bez mase mirovanja. Frekvencija i talasna dužina gama zrake u funkciji energije su određene Plankovim zakonom: ΔE = h v = h c / λ, gde je: h - Plankova konstanta, c - brzina svetlosti i λ - talasna dužina gama zraka.

Istorija

Gama zračenje je otkrio francuski istraživač Pol Vilard (franc. Paul Ulrich Villard) 1900, dok je ispitivao uranijum. Znao je da je u pitanju nova vrsta raspada jer je radijacija koju je opisao bila mnogo jača od prethodno otkrivenih.

Prvi otkriveni izvor gama čestica bio je vrsta radioaktivnog raspada, Gama raspad. U ovom raspadu, pobuđeno jezgro atoma emituje gama zrak odmah posle formiranja samog jezgra. U astronomiji važan izbor gama zračenja su supernove.

Osobine

Gama fotoni energija viših od 1.02 MeV, u blizini atomskog jezgra mogu doživeti reakciju koja se zove stvaranje parova, pri kojoj se energija od 1.02 MeV upotrebi na stvaranje dva elektrona suprotnih naelektrisanja, a ostatak energije fotona podeli se na kinetičke energije ovih čestica. Ova reakcija je od značaja samo za fotone visokih energija u materijalima sa visokim atomskim brojem.

Brzina i energija gama zraka

Kako se gama zraci sastoje od fotona velike energije i spadaju u elektromagnetno zračenje, tada je brzina gama zraka jednaka brzini svetlosti. Gama zraci ne mogu skretati u magnetnom, niti u električnom polju.

Njihova talasna dužina određuje se otklonom ili difrakcijom pomoću kristalne rešetke nekih hemijskih elemenata, kojima je poznata veličina kristalne rešetke. Eksperimentima je utvrđeno da im se talasne dužine kreću od 0,4 pm do 42,8 pm. To odgovara frekvencijama od 7×10¹⁸ Hz do 7,5×10²⁰ Hz. Kako rendgensko zračenje ima talasne dužine od 10 pm do 4930 pm, vidljivo je da se jedan deo područja zračenja preklapa. Bitna je razlika je da gama zračenje nastaje iz atomskog jezgra atoma, dok rendgensko zračenje nastaje iz elektronskog omotača atoma.

Energija gama zračenja zavisi od radioaktivnog elementa koji ga zrači, a može iznositi od 0,03 do 3,1 MeV. Ispitivanjem je utvrđeno da se spektri gama zraka sastoje od jedne ili nekoliko spektralnih linija, tako da gama zraci imaju jednu ili više iznosa energija.

Jonizirajuće zračenje

Gama zračenja spadaju u najprodorniju vrstu jonizujućeg zračenja, ali im je jačina jonizacije puno manja od alfa-čestica i beta-čestica. Zapravo, gama zračenje indirektno jonizuje gasove, usled toga što duž svoje putanje izbacuju elektrone iz atoma i molekula gasova, pa ovi sekundarni elektroni na svojim kratkim stazama stvaraju jonske parove. Neki gama zraci mogu da prođu i kroz olovnu ploču debljine 200 mm ili čeličnu ploču debljine 300 mm.

Prolazak gama zračenja kroz razne materijale

Međudelovanje gama zraka s raznim materijalima se odvija putem tri nuklearne reakcije:

• Fotoelektrični efekt ili fotoelektrična apsorpcija
• Komptonovo raspršenje
• Stvaranje parova

Fotoelektrična apsorpcija

Fotoelektrična apsorpcija je pojava u kojoj foton reaguje s atomom u celini, izbacujući pri tome jedan elektron iz njegove ljuske. Kinetička energija izbačenog elektrona je jednaka razlici energije fotona (odnosno gama kvanta) i energije veze tog elektrona u atomu. U ovom procesu biva potpuno apsorbovana energija upadnog fotona. Zakon o očuvanju momenta kretanja u ovom procesu može biti ispunjen jedino ako atom dobije moment kretanja suprotan momentu kretanja izbačenog elektrona. Zbog toga efekt fotoelektrične apsorpcije (koji nastaje i u fotoćelijama delovanjem vidljivog svetla na atome) nije moguć sa slobodnim elektronom. Udarni presek za fotoelektričnu apsopciju je značajan kod niskih energija gama zraka i brzo opada sa porastom energije tih zraka.

Komptonovo raspršenje

Komptonovo raspršenje je nuklearni proces u kojem takođe dolazi do međudelovanja gama kvanta sa elektronom u plaštu atoma. Za razliku od fotoelektričke apsorpcije u ovom procesu ne dolazi do potpune apsorpcije gama zraka, jer se pored izbačenog elektrona emituje i gama zrak, ali sa smanjenom energijom.

Stvaranje parova elektron-pozitron

Nuklearna reakcija stvaranja parova je proces pretvaranja energije u masu. U toj nuklearnoj reakciji foton, odnosno gama kvant, reaguje s energetskim poljem atomske jezgre, biva anihiliran i pri tome stvara par materijalnih čestica elektron-pozitron. Prema Ajnštajnovoj ekvivalentnosti mase i energije (ΔE=Δmc²), energetski ekvivalent masi mirovanja para elektron-pozitron iznosi 1,02 MeV. To je ujedno i minimalna energija gama zraka koja može dovesti do stvaranja parova. Pozitron koji nastaje u nuklearnoj reakciji stvaranja parova je veoma kratkog veka. Taj pozitron biva brzo anihiliran s elektronom, pri čemu se stvaraju 2 gama kvanta energije od po 0,51 MeV koji odlaze na suprotne strane.

Promena intenziteta snopa gama zraka pri prolazu kroz materiju

Eksperimentalno je potvrđen jednostavan matematički zakon za slabljenje snopa onog dela gama zraka koje prolazeći kroz materijal gustine ρ ne reaguju sa materijalom. Taj zakon ima oblik:

$I(d)=I_{0}\cdot e^{-\mu d}$

gde je: I – intenzitet gama zračenja, I₀ - intenzitet gama zračenja pre prolaza kroz materijal, μ - linearni koeficijent za slabljenje mlaza gama zraka zbog prolaza kroz materijal (m⁻¹), d – debljina materijala.

Kod niskih energija prevladava uticaj fotoelektrične apsorpcije, kod srednjih Komptonovo raspršenje, a kod najviših stvaranje parova. Međutim, apsorpcija gama zraka nastaje samo kod fotoelektričkog efekta. Komptonovo raspršenje i stvaranje parova stvaraju nove gama zrake, čime se povećava intenzitet gama zraka pri prolazu kroz materijal. Povećanje se iskazuje tzv. faktorom nakupljanja (engl. buildup factor), koji se primenjuje kod proračuna bioloških štitova. Taj faktor zavisi od energije gama zraka i geometrije biološkog štita. Vrednosti faktora nakupljanja mogu doseći iznos od 10 i više, te nisu zanemarive.

Prodornost gama zraka kroz materijale je neuporedivo veća od prodornosti beta-čestica i alfa-čestica. Zbog toga se štitovi za zaštitu okoline od zračenja nuklearnih postrojenja (ti štitovi se najčešće izrađuju iz betona ili olova) projektiraju za zaštitu od gama zraka.

Merne jedinice jonizujućeg zračenja

Glavni članak: Merne jedinice jonizujućeg zračenja

Aktivnost radioaktivnog uzorka meri se u bekerelima (Bq). Aktivnost od 1 Bq znači jedan raspad atomskog jezgra u sekundi. Kako su aktivnosti uzoraka često vrlo velike u upotrebi je i veća jedinica, kiri (Ci). 1 Ci iznosi 3,7×10¹⁰ Bq.

Da bi se merila energija, koju putem zračenja apsorbuje određena materija, koristi se jedinica grej (Gy). Odnos te energije i mase tela koje ju je apsorbovalo zove se apsorbovana doza. Ako se energija od 1 J apsorbuje u 1 kg materije radi se o apsorbovanoj dozi od 1 Gy. Ovako definisana doza ne govori ništa o biološkim učincima apsorbovanog zračenja. Svaka vrsta zračenja (α, β, γ) ima drugačiji uticaj na žive ćelije, koji se opisuje faktorom Q. Zato se definiše ekvivalentna doza, koju se dobija tako što se apsorbovana doza pomnoži faktorom Q. Jedinica za ekvivalentnu dozu je sivert (Sv).

Gama raspad

Kod metastabilnosti sastavu je potrebna dodatna energija (mala) da bi preskočila energijska barijera

Gama raspad se očituje odašiljanjem gama zračenja. Gama raspadom, za razliku od alfa i beta raspada, ne nastaje novi element. Gama zračenje emituje svako uzbuđeno (ekscitirano) jezgro nakon beta raspada. Uzbuđeno jezgro se oslobađa viška energije emisijom fotona (čestica elektromagnetskog zračenja), tj. gama zraka. Takav foton ima energiju koja je i do milion puta veća od fotona vidljive svetlosti i naziva se gama foton ili gama zrak. Broj protona i neutrona ostaje isti, a promenjena je samo energija uzbude (uzbuđena energija) jezgra koja se spustila s većeg na niži nivo. S neke stepenice svog energijskog stepeništa jezgro može da skoči na dno ođednom ili preko jedne ili više međustepenica. Zato je rezultat gama raspada jedan ili više gama zraka različitih energija.

Ponekad se, umesto gama raspadom, jezgro oslobađa viška energije na drugi način. Uzmimo za primer jezgro ksenona-125 koje je nastalo iz jezgra joda-125. Ta jezgra ima 35 keV viška energije koji se ponekad oslobađa emisijom gama zrake čija je energija E_γ = 35 KeV. Češće jezgro tu energiju predaje svom K elektronu (elektronu iz prve, K ljuske). Tako K elektron dobija dovoljno energije da se oslobodi iz omotača i da napusti atom. Prazno mesto popunjavaju elektroni iz gornjih ljuski, dok se razlika njihovih energija oslobađa u obliku fotona, što se naziva karakterističnim gama zračenjem. Celi se proces zove interna konverzija (ili izomerni prelaz). Kao što se vidi iz ovog primera najčešće su gama raspad i interna konverzija konkurentni procesi.

S obzirom da su elektromagnetne sile, koje uzrokuju gama raspad, jače od slabih sila, gama raspad je gotovo trenutan, dok je beta raspad puno sporiji. Ponekad je moguć i relativno spori gama raspad. Taj se događa kada, najčešće nakon beta raspada, jezgro-ćerka nađe u tzv. metastabilno stanje. Iako metastabilno stanje ima povišenu energiju, prelazi u niža stanja malo su verovatni, tako da se jezgra u tom stanju nalaze relativno dugo. Sistemu je potrebna dodatna energija (mala) da bi preskočilo energijsku barijeru. Ta dodatna energiju se dobija međudelovanjem s okolinom. Zahvaljujući tom lokalnom minimumu proći će više vremena da se sistem spusti u stabilno stanje iz kojeg ga ponovno može izbaciti samo veći dotok energije.

Zaštita

Za zaštitu od gama čestica potrebna je velika masa nekog materijala, za razliku od Alfa čestica koje mogu da se blokiraju listom papira. Gama zrake dobro upijaju materijali velike gustine i atomskog broja. Olovo se pokazalo kao najefikasnija zaštita zbog sboje velike gustine. Što je energija gama čestice veća, to je potreban deblji štit.

Interakcija sa materijom

Totalni koeficijent apsorpcije gama zraka u aluminijumu (atomski broj 13) nacrtan u funkciji energije gama zračenja i doprinos tri efekta. Skoro u celom pokazanom opsegu dominira Komptonov efekat.

Kada se gama zračenje propušta kroz materiju, verovatnoća za apsorpciju u tankom sloju proporcionalna je debljini tog sloja. Zbog toga u sloju konačnih dimenzija intenzitet zračenja eksponencijalno opada sa debljinom sloja

$I(d)=I_{0}\cdot e^{-\mu d}$

Ovde je μ = n×σ apsorpcioni koeficijent meren u cm⁻¹, n broj atoma po cm³ u materijalu, σ apsorpcioni presek u cm² i d debljina materijala u cm.

Pri prolasku kroz materiju, gama zračenje je jonizuje preko tri glavna procesa: Fotoelektrični efekat, Komptonov efekat i stvaranje parova.

Na niskim energijama dominira fotoelektrični efekat – interakcija fotona sa celim atomom, to jest, apsorpcija fotona. Energija fotona izbacuje elektron, fotoelektron, čija je energija jednaka razlici energija inicijalnog fotona i energije veze izbačenog elektrona. Upražnjeno mesto elektrona popunjava elektron sa više orbite i pritom se emituje iks zračenje (fluorescentno zračenje) ili Ožeovi elektroni. Verovatnoća da se dogodi fotoefekat opada kako raste energija fotona. Tada počinje da raste i dominira verovatnoća za Komptonov efekat (rasejanje fotona).

Pod njim se podrazumeva interakcija fotona sa orbitalnim elektronom. Kako je sada energija fotona znatno veća od energije orbitalnog elektrona, smatramo da je on slobodan elektron i da se sudar među njima zbiva uz konzervaciju energije i momenta sistema. Foton deo svoje energije prenosi elektronu i po sudaru skreće pod nekim uglom u odnosu na primarni pravac. Energija rasejanog fotona zavisi od početne energije fotona i ugla rasejanja fotona.

${}^{60}{\hbox{Co}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni*}}\;+\;e^{-}\;+\;{\overline {\nu }}_{e}.$

${}^{60}{\hbox{Ni*}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni}}\;+\;\gamma .$

Literatura

• L'Annunziata, Michael F. (2007). Radioactivity: introduction and history. Amsterdam, Netherlands: Elsevier BV. str. 55-58. ISBN 978-0-444-52715-8. 

Spoljašnje veze

• Medicinske informacije o gama zračenju
• Radijacija
• GCSE informacija
• Činjenice o radijaciji
• Informacije o radijaciji Arhivirano na sajtu Wayback Machine (11. jun 2010)
• Gama zraci
• Tabela radioaktivnih izotopa