Номер 6, страница 231 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

6. Охарактеризуйте особенности $ \gamma $-излучения.

Природа и происхождение γ-излучения
Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой вид электромагнитного излучения с чрезвычайно высокой энергией и короткой длиной волны. Оно состоит из высокоэнергетических фотонов, называемых гамма-квантами. В отличие от альфа- и бета-излучения, которые являются потоками частиц (ядер гелия и электронов/позитронов соответственно), гамма-излучение является потоком электромагнитной энергии.
Основным источником гамма-излучения являются ядерные процессы. Оно возникает, когда ядро атома после радиоактивного распада (например, альфа- или бета-распада) или другой ядерной реакции оказывается в возбужденном, то есть нестабильном, состоянии с избытком энергии. Чтобы перейти в более стабильное состояние с меньшей энергией, ядро испускает избыточную энергию в виде гамма-кванта. Этот процесс аналогичен испусканию фотонов света возбужденными атомами, но энергии гамма-квантов на много порядков выше. Также γ-излучение может возникать при аннигиляции пары частица-античастица, например, электрона и позитрона.
Ответ: Гамма-излучение — это поток высокоэнергетических фотонов (гамма-квантов), испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в стабильное.

Физические свойства γ-квантов
Гамма-кванты, как и все фотоны, обладают следующими фундаментальными свойствами:
• Электрический заряд: Гамма-кванты не имеют электрического заряда ($q=0$). Поэтому они не отклоняются в электрических и магнитных полях, что отличает их от заряженных альфа- и бета-частиц.
• Масса покоя: Масса покоя гамма-кванта равна нулю ($m_0=0$).
• Скорость: В вакууме гамма-кванты распространяются со скоростью света, $c \approx 3 \times 10^8$ м/с.
Ответ: Гамма-кванты являются электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя, движущимися со скоростью света.

Энергетические характеристики
Гамма-излучение занимает самую высокоэнергетическую область в спектре электромагнитного излучения. Энергия гамма-квантов обычно лежит в диапазоне от нескольких килоэлектронвольт (кэВ) до десятков мегаэлектронвольт (МэВ). Для сравнения, энергия фотонов видимого света составляет всего несколько электронвольт (эВ).
Энергия гамма-кванта ($E$) напрямую связана с его частотой ($\nu$) и обратно пропорциональна длине волны ($\lambda$) согласно формуле Планка-Эйнштейна:
$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$
где $h$ — постоянная Планка, а $c$ — скорость света. Из-за высокой энергии гамма-излучение имеет очень короткую длину волны (менее $10^{-11}$ м) и высокую частоту (более $10^{19}$ Гц).
Ответ: Гамма-излучение обладает очень высокой энергией (от кэВ до МэВ), высокой частотой и, соответственно, очень короткой длиной волны.

Проникающая и ионизирующая способность
Одной из ключевых особенностей гамма-излучения является его высокая проникающая способность. Поскольку гамма-кванты не имеют заряда, они слабее взаимодействуют с атомами вещества по сравнению с альфа- и бета-частицами. Это позволяет им проникать глубоко в вещество, проходя через материалы, которые легко задерживают другие виды ионизирующих излучений. Для эффективной защиты от гамма-излучения требуются плотные материалы, такие как свинец, или толстые слои бетона.
Ионизирующая способность гамма-излучения, наоборот, относительно низка (если сравнивать с альфа-частицами той же энергии). Гамма-квант ионизирует вещество не напрямую, а опосредованно, передавая свою энергию электронам вещества (через фотоэффект, комптоновское рассеяние или рождение пар). Эти вторичные электроны уже производят основную ионизацию среды.
Ответ: Гамма-излучение характеризуется очень высокой проникающей способностью и относительно низкой (косвенной) ионизирующей способностью.

Взаимодействие с веществом
Взаимодействие гамма-квантов с веществом носит вероятностный характер и происходит посредством трех основных процессов, доминирование которых зависит от энергии кванта и атомного номера ($Z$) поглощающего вещества:
1. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект): Гамма-квант полностью поглощается атомом, передавая всю свою энергию одному из его электронов, который в результате вылетает из атома. Этот процесс преобладает при низких энергиях гамма-квантов (до ~0.5 МэВ) и для веществ с большим $Z$.
2. Комптоновское рассеяние (Комптон-эффект): Гамма-квант упруго рассеивается на свободном или слабо связанном электроне атома, передавая ему лишь часть своей энергии. В результате изменяется направление движения и уменьшается энергия самого кванта, а электрон получает кинетическую энергию. Этот эффект доминирует в диапазоне средних энергий (от ~0.5 МэВ до ~5 МэВ).
3. Рождение электрон-позитронной пары: Если энергия гамма-кванта превышает пороговое значение $1.022$ МэВ (удвоенную энергию покоя электрона), то в поле атомного ядра квант может превратиться в пару частиц: электрон и позитрон. Этот процесс становится значимым при высоких энергиях (свыше 5-10 МэВ).
Ответ: Гамма-кванты взаимодействуют с веществом через три основных механизма: фотоэффект, комптоновское рассеяние и рождение пар, выбор которых определяется энергией кванта и свойствами вещества.