Космическое гамма-излучение

Как известно, в учебниках А. Стожарова по радиационной медицине указано, что

источники космического гамма-излучения до сих пор не открыты.

Тем, кто интересуется или хочет блеснуть познаниями на экзамене, –

моя статья.

Космическое гамма-излучение

Прежде чем начинать разговор о занимательной частности, давайте вспомним несколько общих положений об излучениях.

Посмотрев на шкалу длин волн, вы не увидите чётких границ перехода одного электромагнитного излучения в другое. Видимые лучи, следуя за инфракрасными, плавно переходят в мягкий ультрафиолет, жёсткий ультрафиолет предшествует мягкому рентгеновскому излучению, которое перетекает в гамма-излучение. Более того, из курса радиационной медицины вы, возможно, уже знаете, что спектры рентгеновского и гамма-излучений пересекаются. В чём же разница между двумя видами лучей?

По официальной версии кафедры радиационной медицины и экологии, гамма-излучение возникает только при внутриядерных явлениях. Например, оно может сопровождать любой из видов ядерного распада как «побочный» продукт. В схеме деления ядер урана-235, кроме двух осколков и столь важных для поддержания цепной реакции нейтронов, присутствуют гамма-кванты. Кроме того, стоит запомнить ещё один вид ядерных событий, сопровождаемый исключительно гамма-излучением – переход ядра из метастабильного состояния в стабильное. Например:

^99mTc→ ⁹⁹Tc + γ (используется в онкологии для сцинтиграфии)

Правда, всё в том же учебнике оговаривается, что гамма-кванты могут возникать при аннигиляции пар частица-античастица. Помнится, в ответах к экзамену написано, что гамма-квант в поле ядра может распадаться на электрон и позитрон, двумя строчками ниже написано, что при аннигиляции той же пары образуется два гамма-кванта. Чему же верить? Оказывается, количество образованных при аннигиляции квантов зависит только от исходной энергии электрона и позитрона: их может быть от одного до многих, чаще 2 – 3. Надеюсь, понятным является и то, что гамма-квант может распасться только на один позитрон и один электрон. Иначе их суммарный заряд не будет равен нулю, а электромагнитные излучения нейтральны.

Вернёмся к отличию гамма-излучения от рентгеновского. Рентгеновское излучение бывает двух разновидностей: тормозное и характеристическое. Тормозное излучение образуется при торможении заряженных частиц (например, электронов) в веществе. Скорость движущейся частицы резко падает, и кинетическая энергия должна перейти в другой вид по закону сохранения энергии. Некоторую аналогию можно провести с явлением, которое вы много раз наблюдали в повседневной жизни. Если потереть руки одна об одну или о какую-нибудь ткань за счёт сил трения происходит некоторое торможение, замедление движения. Избыточная энергия выделяется в виде тепла, иначе говоря – в виде инфракрасного излучения.

Вспомним шкалу длин волн, в которой слева направо уменьшается длина волны и возрастает энергия. Слева в ней инфракрасное излучение, справа – рентгеновское и гамма. То есть ваши руки не излучают в рентгеновском диапазоне только за счёт малой энергии. В рентгеновской же трубке электроны обладают огромной скоростью, и при торможении на аноде энергия испускается в виде Х-квантов.

Характеристическое излучение – термин, с которым вы также встречались. Напомню, это было при описании фотоэффекта, суть которого заключается во взаимодействии гамма-кванта с внутренним электроном. Электрон получает энергию кванта и покидает атом. Свято место пусто не бывает, кроме того, все системы во Вселенной стремятся к более энергетически выгодному состоянию, поэтому место выбитого электрона занимает электрон с более удалённой орбитали. Избыток энергии он отдаёт в виде кванта излучения, которое является рентгеновским. Для каждого атома есть строгий набор энергетических состояний электронов и переходов между ними, следовательно, по энергии кванта можно определить вид атома. Х-кванты характеризуют данный элемент.

Является ли вопрос о главном отличии тормозного и характеристического излучений любимым «спасательным кирпичом» у сотрудников кафедры на экзамене, мне неизвестно. Я бы, на их месте, задавала его всем. Поэтому сейчас отвечу сама. Как выглядят спектры того и другого излучений?

Представьте себе, что вас посадили с суперприбором в руках возле работающей рентгеновской трубки и дали карандаш и листик. Задача ваша заключается в том, чтобы отследить каждый квант рентгеновского излучения и столбиком или штришком на шкале изобразить его энергию. Теперь посмотрим на процесс, протекающий между катодом и анодом. Там беспрерывно движутся, «текут» электроны. Если помните, это называется электрическим током. Электроны эти все разные, обладают разным источником, скоростью и, соответственно, энергией. Вскоре вы увидите, что вся шкала равномерно заполняется, не оставляя пробелов. Другими словами, спектр тормозного рентгеновского излучения сплошной.

Теперь дадим вам такое же задание, но посадим вас рядом с некоторым количеством известного вещества и будем облучать его гамма-излучением, достаточной энергии для возникновения фотоэффекта (до 0,5 МэВ). Как уже упоминалось, для каждого атома существует конечное количество разрешённых переходов электронов с орбитали на орбиталь, и каждый из этих переходов совершается с поглощением либо испусканием кванта рентгеновского излучения. Скажем, энергия перехода электрона с орбитали на орбиталь равна Е. Если энергия, поглощённая или излучённая электроном, не будет кратна энергии Е, переход не будет совершаться (это следствие из одного из постулатов Бора).

Значит, зарисовывая энергии квантов на этот раз, вы получите лишь определённые, отдельные штрихи. То есть, спектр характеристического излучения дискретный.

Всё, о чём я сейчас говорила, справедливо и непоколебимо только на земле. Космос – совсем другой уровень, уровень сверхэнергий, сверхскоростей, сверхтемператур и сверхрасстояний. Можно сказать, космос поднимает привычную физику на новый уровень.

Итак, в результате каких процессов образуются гамма-кванты в космосе?

Во-первых, это протекание ядерных реакций, в частности, в недрах звёзд. Уже давно известно, что горение звёзд поддерживается за счёт ядерных реакций. Таким образом, самый ближний к нам источник гамма-излучения – Солнце. Мощные потоки гамма-лучей возникают во время сильных вспышек.

Во-вторых, торможение заряжённых частиц в электрическом поле атомов. Очень похоже на тормозное рентгеновское излучение, не так ли? Кроме того, кафедра лучевой диагностики, если помните, выделяет отдельно ТИВЭ – тормозное излучение высоких энергий, получаемое, как и рентгеновское, но в специальных устройствах, где энергии заряженных частиц значительно превышают таковые в рентгеновской трубке. Строго говоря, ТИВЭ – тоже рентгеновское излучение. Однако в космосе мы имеем дело со сверхскоростями, и тормозное излучение в этом случае совпадает по длине волны с гамма. Для наблюдательной астрономии разницы нет, поскольку приборы, улавливающие гамма-излучение, настроены на определённый диапазон длин волн, а не на механизм их образования.

В-третьих, «свечение» горячего газа. Из школьного курса физики известно, что любое тело, отличное от абсолютно чёрного, излучает энергию. Чем выше температура, тем меньше длина волны, поэтому утюг не меняет своего цвета (инфракрасные лучи не видны глазом), угли красные, солнце жёлтое, а самые горячие звёзды белые и голубые. По мере повышения температуры излучение переходит в ультрафиолетовую и рентгеновскую области спектра. Что, если температура достигает миллиардов градусов? Нагретый объект излучает в гамма-диапазоне.

Итак, Вселенная в гамма-лучах выглядит следующим образом:

1) фоновое гамма-излучение, сосредоточенное в плоскости Млечного Пути,

2) дискретные источники гамма-излучения, ассоциированные с пульсарами,

3) гамма-вспышки.

Фоновое гамма-излучение – следствие уже описанных процессов торможения заряженных частиц в веществе и излучения звёзд. Наибольшая плотность наблюдается именно в диске Галактики, так как именно там сосредоточена огромная масса звёзд, ближайших к нам, и межзвездного вещества.

Кроме того, по многим наблюдениям в центрах галактик, особенно спиралевидных, находятся мощные источники гамма-излучения, происхождение которых не выяснено.

Пульсар – понятие, носящее описательный характер. Доказано, что пульсары являются нейтронными звёздами – сверхкомпактными объектами, «останками» сверхновых звёзд. Нейтронная звезда образуется за счёт мощного сжатия, когда в результате взаимодействия протонов и электронов вещества образуются нейтроны. На поверхности звезды происходит распад нейтронов, и электроны разгоняются мощным магнитным полем нейтронной звезды, покидая её. Взаимодействуя с веществом, они вновь вызывают появление гамма-излучения. По мере старения звезды, длина волны излучения становится всё больше, спектр смещается в сторону рентгеновского излучения и постепенно нейтронная звезда становится радиоисточником.

Гамма-вспышки – короткие мощные импульсы гамма-излучения, равномерно рассеянные по небу. Некоторые из них отождествлены с неяркими видимыми источниками, происхождение других до сих пор не выяснено.

Возникает вопрос: а зачем, собственно, нам это знать? Космическое излучение формирует значительную часть естественного радиационного фона земли. Несмотря на то, что земная атмосфера непроницаема для излучений с длиной волны меньше, чем у ближнего ультрафиолета, электромагнитные излучения взаимодействуют с веществом атмосферы путем уже известных вам эффектов. На этом основан один из методов регистрации гамма-излучения с поверхности земли: регистрируют вторичные электроны, образующиеся в атмосфере при фотоэффекте.

Надеюсь, данная статья была вам полезна, а главное, интересна.

2 февраля 2013 г.

Для подготовки использованы материалы книги «Энциклопедия для детей, Т8: Астрономия, глав. ред. М. Д. Аксёнова, М: Аванта+, 1997.»

(с) Mara Strega 2013