Номер 5, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 55. Естественная радиоактивность. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 5, страница 204.

5. Как возникает гамма-излучение?

Гамма-излучение (γ-излучение или гамма-лучи) — это вид электромагнитного излучения с чрезвычайно высокой энергией фотонов, самой высокой частотой и самой короткой длиной волны в электромагнитном спектре. Оно возникает в результате различных субатомных и астрофизических процессов.

Существует несколько основных механизмов возникновения гамма-излучения:

1. Ядерные переходы (гамма-распад)

Это самый распространенный источник гамма-лучей. Процесс происходит внутри атомного ядра. Подобно электронам в атоме, нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре занимают дискретные энергетические уровни. После ядерной реакции (например, альфа-распада, бета-распада или деления) ядро часто остается в возбужденном состоянии с избыточной энергией. Чтобы вернуться в более стабильное, основное состояние, ядро испускает эту избыточную энергию в виде высокоэнергетического фотона — гамма-кванта.

Энергия $E_\gamma$ испущенного гамма-кванта точно равна разности энергий между начальным возбужденным ($E_i$) и конечным ($E_f$) состояниями ядра: $E_\gamma = E_i - E_f$.

При гамма-распаде состав ядра (число протонов и нейтронов) не меняется, поэтому сам химический элемент не превращается в другой. Например, изотоп кобальт-60 ($^{60}_{27}\text{Co}$) претерпевает бета-распад до возбужденного ядра никеля-60 ($^{60}_{28}\text{Ni}^*$), которое затем почти мгновенно испускает гамма-кванты и переходит в стабильное состояние: $^{60}_{28}\text{Ni}^* \rightarrow ^{60}_{28}\text{Ni} + \gamma$.

2. Аннигиляция частицы и античастицы

Когда частица сталкивается со своей античастицей, они взаимоуничтожаются (аннигилируют). Их полная масса преобразуется в энергию, как правило, в виде двух гамма-квантов, разлетающихся в противоположных направлениях для сохранения импульса. Наиболее частый пример — аннигиляция электрона ($e^−$) и его античастицы, позитрона ($e^+$):

$e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma$

Энергия каждого из возникающих гамма-квантов в этом случае строго определена и составляет 511 кэВ, что соответствует энергии покоя электрона.

3. Другие источники

Гамма-излучение также генерируется в ряде других процессов. К ним относятся:

Астрофизические явления: мощные гамма-лучи возникают в экстремальных космических событиях, таких как взрывы сверхновых, слияние нейтронных звезд, процессы вблизи черных дыр (в активных ядрах галактик) и гамма-всплески.

Распад элементарных частиц: некоторые нестабильные элементарные частицы, например, нейтральный пи-мезон ($\pi^0$), распадаются с образованием гамма-квантов: $\pi^0 \rightarrow 2\gamma$.

Взаимодействие высокоэнергетических частиц с веществом: например, при резком торможении быстрых заряженных частиц в веществе возникает тормозное излучение, которое при достаточной энергии частиц может быть гамма-излучением.

Ответ: Гамма-излучение возникает в результате нескольких высокоэнергетических процессов. Основной механизм — это переход возбужденных атомных ядер в состояние с меньшей энергией, что сопровождается испусканием гамма-кванта (гамма-распад). Другими важными источниками являются аннигиляция пар частица-античастица (например, электрон-позитрон), распад некоторых элементарных частиц, а также мощные астрофизические явления, такие как взрывы сверхновых и процессы вблизи черных дыр.