Гамма-лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с малой длиной волны, испускаемое ядрами атомов. Элементарные порции электромагнитной энергии получили название квантов, а такие же порции гамма-излучения — гамма-квантов. Каждый гамма-квант обладает определенной энергией. По энергии гамма-квантов различают мягкое и жесткое гамма-излучения. Чем выше энергия гамма-квантов, тем через большие толщи материалов способно проникать гамма-излучение.
Проходя через какую-либо среду, эти лучи взаимодействуют с ней. В основе этого взаимодействия лежат три главных процесса: фотоэлектрическое поглощение (испускание электронов атомами за счет поглощения гамма-квантов), рассеяние (изменение направления движения гамма-кванта с одновременным уменьшением его энергии в результате взаимодействия с электронами встречного атома) и образование пар (процесс превращения одного гамма-кванта в электрическом поле ядра в две частицы — электрон и позитрон).
В результате взаимодействия происходит ионизация атомов среды (в том числе и тканей живых организмов), чем и объясняется вредное воздействие гамма-излучения. Однако при прохождении через толщу материала интенсивность излучения вследствие затраты гамма-квантами энергии на ионизацию атомов среды уменьшается. Поэтому чем толще слой материала, тем больше ослабляется, проходя через него, гамма-излучение.
Проникающая способность гамма-лучей характеризуется толщиной слоя материала, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое. Для различных материалов величина этого слоя будет неодинаковой. Например, железо толщиной около 35–40 сантиметров ослабляет гамма-излучение в десятки тысяч раз, слой грунта такой же толщины — почти в 10 раз, а дерева — только в 2,5 раза. Таким образом, очевидно, что чем выше плотность материала, тем больше он ослабляет интенсивность гамма-излучения.
Каковы же источники гамма-излучения? В момент осуществления ядерной реакции в атомной бомбе ядра урана (плутония) при поглощении (захвате) нейтронов делятся, испуская при этом от 2 до 8 гамма-квантов с энергией в среднем 2–3 миллиона электроновольт. Захватывая нейтрон, ядро может и не разделиться. Однако и в этом случае оно также испускает несколько гамма-квантов (такой процесс получил название радиационного захвата нейтронов). Кроме того, в результате радиационного захвата нейтронов элементами, входящими в состав материалов корпуса и частей бомбы, происходит дополнительное гамма-излучение.
В процессе радиоактивного распада гамма-кванты излучаются «осколками» деления. При этом значительная часть гамма-лучей испускается в первые несколько минут после взрыва. Изотопы, образующиеся при радиационном захвате нейтронов, чаще всего радиоактивны, т. е. испускают бета-частицы и гамма-кванты и таким образом усиливают гамма-излучение.
С течением времени интенсивность гамма-излучения резко снижается. Это объясняется естественным радиоактивным распадом продуктов взрыва и быстрым подъемом облака радиоактивных газов. Скорость движения облака вверх очень велика. Например, через 48 секунд после взрыва бомбы среднего калибра она составляет около 90 м/сек. Вследствие указанных причин интенсивность гамма-излучения, достигшего поверхности земли, через несколько десятков секунд становится ничтожной.
Падение интенсивности излучения с увеличением расстояния от эпицентра взрыва происходит по двум причинам: излучение ослабляется толщами воздуха и распределяется по большой поверхности. Для удобства оценки поражающего действия гамма-излучения принята определенная доза, называемая рентгеном. Доза гамма-излучения в 400–600 рентгенов опасна для жизни человека. Такую дозу не защищенные укрытием люди могут получить на расстоянии 1000–1100 метров от эпицентра взрыва атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 000 тонн.
Из всех частиц, испускаемых ядрами атомов, наибольшей проникающей способностью обладают нейтроны. Это объясняется тем, что они не имеют электрического заряда, а потому не испытывают воздействия со стороны электрических сил атомов среды, как, например, альфа- и бета-частицы. Нейтроны взаимодействуют только с атомными ядрами (диаметры которых примерно в 10 000 раз меньше диаметров самих атомов), теряя при этом свою энергию.