Gammastråler
Gammastråler, elektromagnetisk stråling med den korteste bølgelængde og højeste energi.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Gammastråler dannes ved nedbrydning af radioaktive atomkerner og ved henfald af visse subatomare partikler. De almindeligt accepterede definitioner af gamma- og røntgenområdet i det elektromagnetiske spektrum omfatter en vis overlapning af bølgelængder, idet gammastråling har bølgelængder, der generelt er kortere end et par tiendedele af en angstrom (10-10 meter), og gammafotoner har energier, der er større end titusindvis af elektronvolt (eV). Der er ingen teoretisk øvre grænse for energien af gammastrålefotoner og ingen nedre grænse for gammastrålernes bølgelængder; de observerede energier strækker sig i øjeblikket op til et par trillioner elektronvolt – disse ekstremt højenergifotoner produceres i astronomiske kilder gennem i øjeblikket uidentificerede mekanismer.
Begrebet gammastråling blev opfundet af den britiske fysiker Ernest Rutherford i 1903 efter tidlige undersøgelser af emissioner fra radioaktive atomkerner. Ligesom atomer har diskrete energiniveauer, der er forbundet med forskellige konfigurationer af de omløbende elektroner, har atomkerner energiniveaustrukturer, der er bestemt af konfigurationen af de protoner og neutroner, som udgør atomkernen. Mens energiforskellene mellem atomers energiniveauer typisk ligger i intervallet 1- til 10-eV, ligger energiforskellene i atomkerner normalt i intervallet 1-keV (tusind elektronvolt) til 10-MeV (en million elektronvolt). Når en kerne foretager en overgang fra et højt energiniveau til et lavere energiniveau, udsendes en foton for at fjerne den overskydende energi; forskelle i kerneenerginiveauer svarer til fotonbølgelængder i gammastråleområdet.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Se alle videoer til denne artikel
Når en ustabil atomkerne henfalder til en mere stabil kerne (se radioaktivitet), produceres “datter”-kernen nogle gange i en exciteret tilstand. Den efterfølgende afslapning af datterkernen til en tilstand med lavere energi resulterer i udsendelse af en gammastrålefoton. Gammastrålespektroskopi, som omfatter en præcis måling af gammastrålefotonernes energi, der udsendes af forskellige kerner, kan fastslå strukturerne af kerneenerginiveauer og gør det muligt at identificere radioaktive sporstoffer ved hjælp af deres gammastråleemissioner. Gammastråler produceres også i den vigtige proces med parannihilation, hvor en elektron og dens antipartikel, en positron, forsvinder, og to fotoner dannes. Fotonerne udsendes i modsatte retninger og skal hver bære 511 keV energi – elektronens og positronens hvilemasseenergi (se relativistisk masse). Gammastråler kan også dannes ved henfaldet af nogle ustabile subatomare partikler, som f.eks. den neutrale pion.
Gammastrålefotoner er ligesom deres røntgenmodstykker en form for ioniserende stråling; når de passerer gennem stof, afsætter de normalt deres energi ved at frigøre elektroner fra atomer og molekyler. I de lavere energiområder absorberes en gammastrålefoton ofte fuldstændigt af et atom, og gammastrålens energi overføres til en enkelt udskudt elektron (se fotoelektrisk effekt). Gammastråler med højere energi er mere tilbøjelige til at blive spredt fra atomernes elektroner og afgiver en brøkdel af deres energi ved hver spredningshændelse (se Compton-effekten). Standardmetoder til påvisning af gammastråler er baseret på virkningerne af de frigjorte atomelektroner i gasser, krystaller og halvledere (se strålingsmåling og scintillationsmåler).
Gammastråler kan også interagere med atomkerner. Ved pardannelse omdannes en gammastrålefoton med en energi, der overstiger det dobbelte af elektronens hvilemasseenergi (mere end 1,02 MeV), når den passerer tæt på en kerne, direkte til et elektron-positronpar (se fotografi). Ved endnu højere energier (over 10 MeV) kan en gammastråle absorberes direkte af en kerne, hvilket forårsager udkastning af kernepartikler (se fotodesintegration) eller spaltning af kernen i en proces kendt som fotofission.
Med venlig hilsen fra Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, Berkeley
Medicinske anvendelser af gammastråler omfatter den værdifulde billeddannelsesteknik positronemissionstomografi (PET) og effektive strålebehandlinger til behandling af kræftsvulster. Ved en PET-scanning indsprøjtes et kortlivet positronemitterende radioaktivt lægemiddel, der er valgt på grund af dets deltagelse i en bestemt fysiologisk proces (f.eks. hjernefunktion), i kroppen. De udsendte positroner kombineres hurtigt med nærliggende elektroner og giver gennem parannihilation anledning til to 511-keV-gammastråler, der bevæger sig i modsatte retninger. Efter detektion af gammastrålerne giver en computergenereret rekonstruktion af placeringen af gammastråleemissionerne et billede, der fremhæver placeringen af den biologiske proces, der undersøges.
Som en dybt gennemtrængende ioniserende stråling forårsager gammastråler betydelige biokemiske ændringer i levende celler (se strålingsskade). Strålebehandlinger gør brug af denne egenskab til selektivt at ødelægge kræftceller i små lokaliserede tumorer. Radioaktive isotoper injiceres eller implanteres i nærheden af tumoren; gammastråler, der kontinuerligt udsendes af de radioaktive kerner, bombarderer det berørte område og standser udviklingen af de ondartede celler.
Luftbårne undersøgelser af gammastråleemissioner fra jordens overflade søger efter mineraler, der indeholder spor af radioaktive elementer som uran og thorium. Gammaspektroskopi fra luften og fra jorden anvendes til at støtte geologisk kortlægning, mineralefterforskning og identifikation af miljøforurening. Gammastråler blev først påvist fra astronomiske kilder i 1960’erne, og gammastråleastronomi er nu et veletableret forskningsområde. Ligesom ved studiet af astronomisk røntgenstråling skal gammastråleobservationer foretages over Jordens stærkt absorberende atmosfære – typisk med satellitter i kredsløb eller balloner i høj højde (se teleskop: Gammastråle-teleskoper). Der findes mange spændende og dårligt forståede astronomiske gammastrålekilder, herunder kraftige punktkilder, der forsøgsvis er identificeret som pulsarer, kvasarer og supernova-rester. Blandt de mest fascinerende uforklarlige astronomiske fænomener er de såkaldte gammastråleudbrud – korte, ekstremt intense emissioner fra kilder, der tilsyneladende er isotropisk fordelt på himlen.