У-излучение. 
Радиационная экология

у-лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое нуклидами, находящимися в возбужденном состоянии. В каждом из возможных состояний (в основном и в возбужденных) ядро характеризуется вполне определенными распределениями зарядов и токов, т. е. является мультиполем¹, у-излучение возникает из-за электромагнитных эффектов, сопутствующих изменениям распределений зарядов и токов в ядре при переходе его из одного состояния в другое, у-излучение, возникающее в результате ядерных превращений, не превосходит — 10 МэВ (v — 3−10²¹Гц).

При испускании у-кванта не происходит изменения состава ядра, т. е. превращения изотопа одного элемента в изотоп другого. Испускание у-квантов сопровождает, обычно, с той или иной вероятностью все типы радиоактивных превращений.

Излучение с энергией 511 кэВ, возникающее при аннигиляции электрона и позитрона также принято называть у-излучением. Как результат электромагнитных эффектов оно ничем не отличается от других, всем нам хорошо известных типов электромагнитных колебаний (рис. 2.12). Электромагнитное излучение и с большей энергией, независимо от его природы, принято также называть у-излучением.

Любое электромагнитное излучение с энергией Е характеризуется частотой колебаний v = ?/h и длиной волны^[1][2] Л = c/v, где h = 4,135 х х 10″ ¹⁵ эВ/с — постоянная Планка, ас — скорость света. Постепенно, по мере развития науки и техники, весь возможный диапазон частот колебаний электромагнитных волн был разбит на ряд поддиапазонов, границы между которыми условны, и они частично перекрываются. По механизму возникновения ультрафиолетовое и характеристическое рентгеновское излучения, вообще говоря, не отличаются друг от друга, однако ультрафиолетовое излучение формально не относится к ионизирующим излучениям.

Рис. 2.12. Наиболее часто встречающиеся названия диапазонов частот электромагнитных колебаний, параметры, их характеризующие, и устройства или явления, характерные для них (см. также стр.: 23—25,.

30, 65):

УФ и ИК — ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. УКВ, КВ, СВ и ДВ — ультракоротковолновые, коротковолновые, средние и длинные волны у-лучи с энергией до 100 кэВ (мягкое у-излучение) отличаются от характеристического рентгеновского излучения только своим ядерным происхождением. Постепенно термин «у-лучи» стали часто применять для обозначения электромагнитного излучения любой природы, если его энергия больше —10 кэВ. При увеличении энергии волновые свойства у-излучения проявляются слабее. Определяющими становятся корпускулярные свойства у-лучей. Именно поэтому наряду с термином «у-лучи» часто используется термин «у-кванты»¹.

у-излучение не является единственно возможным каналом снятия избыточной, по сравнению с основным состоянием, энергии дочернего ядра, оказавшегося в возбужденном состоянии (см., например, рис. 2.11). С испусканием у-квантов конкурирует процесс передачи энергии возбуждения ядра электронам его атомной оболочки. В этом случае мы вместо у-квантов наблюдаем электроны внутренней конверсии^[3][4].

Если происходит испускание у-кванта, то его энергия равна разности энергий двух уровней (i и f) ядра:

Если энергия перехода передается ядром одному из электронов i-электронной оболочки атома, то этот электрон покинет атом. Как и в случае электронного захвата, внутренняя конверсия происходит, как правило, на К- и реже — на L-оболочке. Несмотря на некоторое формальное сходство между этими процессами имеется исключительно важное в практическом отношении различие. В случае внутренней конверсии точно так же, как и при испускании у-излучения, практически вся энергия перехода затрачивается на ионизацию и возбуждение той среды, в которой оказывается это излучение.

Энергия у-перехода — Е,₍ связана с кинетической энергией конверсионного электрона — Е_е соотношением.

где В, — энергия связи для той оболочки атома, из которой вылетает конверсионный электрон. То, что у-излучение и внутренняя конверсия являются конкурирующими процессами, выражается с помощью понятия «коэффициент внутренней конверсии» (отношение вероятностей внутренней конверсии и испускания у-кванта). Его часто обозначают буквой, а = /_е//_у, где /_е и /_у — интенсивности конверсионных электронов и у-излучения, сопровождающих переход ядра из состояния i в состояние/.

Каждый радионуклид характеризуется своим весьма большим числом возбужденных уровней. Количество испускаемых у-квантов в зависимости от их энергии (спектр у-излучения) зависит, прежде всего, от того, какие из возбужденных уровней дочернего ядра оказываются заселенными в результате произошедшего а- или (3-распада. Коэффициент конверсии увеличивается с уменьшением энергии перехода, с возрастанием мультипольности перехода и заряда ядра. Обычно приходится иметь дело с у-излучением небольшой мультипольности (малые значения уносимого квантом момента количества движения L). Вероятность того, что энергия возбуждения будет теряться за счет испускания у-кванта, зависит от свойств уровней, между которыми происходит переход, а именно от разности энергий, спинов и четности уровней.

Наблюдаемое на опыте количество групп у-квантов, испускаемых ядром, ограничено, а иногда у-кванты не наблюдаются вовсе. Испускание у-кванта происходит за время ~ 10^-8—10~¹² с в зависимости от энергии перехода и значения L. аили (3-распад претерпевают материнские ядра, а у-излучение испускается уже другими — дочерними ядрами. Так, в случае, представленном на рис. 2.11, а-распад испытывает ядро ^228Th, а у-излучение испускается уже ядром ²²⁴Ra. Из рисунка следует, например, что для ²²⁴Ra в силу правил отбора у-кванты с энергиями, соответствующими переходам между уровнями с энергиями 290 кэВ и 251 кэВ или между уровнем 251 кэВ и основным уровнем, не наблюдаются.

Что касается радионуклидов антропогенного происхождения, то часто основным дозообразующим нуклидом является ¹³⁷Cs. Его (3-распад (Q_p = 546 кэВ) приводит в 94,4% случаев к образованию дочернего ядра ¹³⁷Ва в изомерном состоянии с энергией 661,7 кэВ и временем жизни ~2,5 мин. В 5,6% случаев распад происходит в основное состояние ядра ¹³⁷Ва. Следовательно, известное многим у-излучение с энергией 661,7 кэВ испускается не ядром ¹³⁷Cs, а ¹³⁷Ва. Происходит это в 85,1% случаев. В остальных случаях энергия возбуждения снимается за счет внутренней конверсии. Таким образом, средняя энергия у-излучения на один распад ¹³⁷Cs —532 кэВ.

Вторым по значимости радионуклидом антропогенного происхождения является ⁹⁰Sr. Как и в случае ¹³⁷Cs, его распад сопровождается только (3-излучением. Однако его дочернее ядро — ⁹⁰Y оказывается в основном состоянии и у-излучения нет. ⁹⁰Y, в свою очередь, также является радионуклидом и с периодом полураспада 64,1 ч превращается в стабильный нуклид ⁹⁰Zr, который с вероятностью 99,9885% также оказывается в основном состоянии. Поскольку оба радионуклида: ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y являются (3-излучателями — Qp = 546 кэВ и 2282 кэВ соответственно, в радиоэкологии вкладом ⁹⁰Sr во внешнее облучение, как правило, пренебрегают. Таким образом, мы имеем дело с очень важной в практическом отношении цепочкой распадов, в которой почти не возникает у-излучения.

Радионуклиды, образовавшиеся в результате а-распада, оказываются, как правило, в возбужденных состояниях с не очень большой энергией возбуждения и Е_у, как правило, меньше 0,5 МэВ (см. рис. 2.11). Это является следствием экспоненциального уменьшения вероятности проникновения а-частиц через потенциальный барьер при уменьшении их энергии.

При (3-распаде зависимость вероятности распада от энергии не так сильно выражена, поэтому могут заселяться возбужденные состояния дочерних ядер с энергиями вплоть до ~2,5 МэВ. У не слишком тяжелых радионуклидов в этом интервале энергий обычно имеется небольшое число уровней и наличие правил запретов приводит к тому, что спектр у-излучения будет состоять только из одной или двух интенсивных линий.

Из радионуклидов естественного происхождения наибольшим по интенсивности воздействия у-излучения является уже упоминавшийся ⁴⁰К, превращающийся в 10,7% случаях путем электронного захвата в ⁴⁰Аг, Е_у = 1461 кэВ (время жизни уровня 1,12 пс).

Для того чтобы испускались у-кванты с большими энергиями, должны заселяться более высоколежащие возбужденные уровни. Это происходит уже не в результате радиоактивных превращений, а ядерных реакций. Если при этом ядро оказывается в состоянии возбуждения с энергией, большей энергии связи какой-либо частицы, вероятность испускания последней может оказаться тем не менее небольшой из-за правил отбора, запрещающих подобное превращение. В результате испускание у-квантов может стать эффективным процессом.

Таким образом, область у-переходов простирается от основного уровня до энергии возбуждения, при которой становится энергетически возможным испускание ядром нуклонов или частицы (либо деление ядер). Выше этого порога начинается область непрерывного энергетического спектра ядерных состояний. Величина порога варьируется от ядра к ядру. Так, для ⁸Ве порог составляет 1,665 МэВ, а для ¹²С — 18,721 МэВ), но он меньше 20 МэВ даже в случае легких ядер.

Подводя итоги, мы можем сказать, что после того, как ядро оказалось в данном возбужденном состоянии, дальнейшая его судьба не зависит от способа его образования. Вероятность¹ перехода ядра в новое состояние с меньшей энергией и путь^[5][6], по которому такой переход реализуется, зависит только от свойств энергетических уровней ядра и определяется правилами отбора. Поскольку первые возбужденные уровни обычно расположены далеко друг от друга, наблюдающиеся в результате радиоактивного распада у-линии в практически важных случаях достаточно удалены друг от друга по энергии.

Ядро пребывает в возбужденном состоянии, как правило, очень короткий промежуток времени, у-переходы происходят за временные интервалы 10^-8—10~¹² с и, следовательно, в среднем через такое время радионуклид оказывается в состоянии с более низкой энергией. Если правила отбора запрещают испускание у-кванта с данного энергетического уровня в основное состояние, то разрядка происходит путем испускания каскада у-квантов (или конверсионных электронов).

• [1] Мультиполь — характеристика системы, создающей вокруг себя постоянное илипеременное (излучаемое) электромагнитное поле. Тип мультиполя определяет поведение поля на больших расстояниях от данной системы зарядов и токов.
• [2] Для у-лучей, испускаемых при распаде встречающихся в природе радионуклидов, длина волны излучения всегда больше размеров ядра (для ?у = 1 МэВ, X = 1,2- 1СИ2 м).Поэтому часто говорят, что у-излучение — это мультипольное излучение, подразумеваяпод этим электромагнитное излучение с длиной волны, большой по сравнению с размерами излучающей системы.
• [3] Широко используется и понятие «фотон» — квант поля любого электромагнитногоизлучения.
• [4] Электроны внутренней конверсии (ЭК) — электроны, испускаемые атомомв результате электромагнитного перехода возбужденного атомного ядра в состояниес меньшей энергией, когда избыток энергии ядро отдает одному из атомных электронов. Малая доля энергии перехода < —0,01% передается конечному атому вследствиеэффекта отдачи. Электроны могут быть испущены из различных оболочек атома и, соответственно, различают К-, L-, М-конверсию и т. д.
• [5] Величина, обратно пропорциональная среднему времени жизни ядра в данномвозбужденном состоянии.
• [6] Другими словами, прямо в основное состояние или путем каскада переходов.