Gammasäteily
Gammasäteily, sähkömagneettinen säteily, jolla on lyhin aallonpituus ja suurin energia.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Gammasäteilyä syntyy radioaktiivisten atomiytimien hajoamisessa ja eräiden subatomisten hiukkasten hajoamisessa. Sähkömagneettisen spektrin gamma- ja röntgensäteilyalueiden yleisesti hyväksyttyihin määritelmiin sisältyy jonkin verran aallonpituuksien päällekkäisyyttä: gammasäteilyn aallonpituudet ovat yleensä lyhyempiä kuin muutama angströmin kymmenesosa (10-10 metriä) ja gammafotonien energiat ovat suurempia kuin kymmeniä tuhansia elektronivoltteja (eV). Gammafotonien energioille ei ole teoreettista ylärajaa eikä gammasäteilyn aallonpituuksille alarajaa; havaitut energiat ulottuvat tällä hetkellä muutamiin triljooniin elektronivoltteihin – näitä erittäin suurienergisiä fotoneja tuotetaan tähtitieteellisissä säteilylähteissä toistaiseksi tuntemattomilla mekanismeilla.
Britannialainen fyysikko Ernest Rutherford keksi termin ”gammasäteily” vuonna 1903 radioaktiivisten ydinten säteilylähteistä tekemiensä varhaistutkimusten jälkeen. Aivan kuten atomeilla on erillisiä energiatasoja, jotka liittyvät kiertävien elektronien eri konfiguraatioihin, myös atomiytimillä on energiatasorakenteita, jotka määräytyvät ytimen muodostavien protonien ja neutronien konfiguraatioiden mukaan. Kun atomien energiatasojen väliset energiaerot ovat tyypillisesti 1- 10 eV:n välillä, ytimien energiaerot ovat yleensä 1-keV:n (tuhannen elektronivoltin) ja 10-MeV:n (miljoonan elektronivoltin) välillä. Kun ydin siirtyy korkealta energiatasolta matalammalle energiatasolle, emittoituu fotoni, joka vie ylimääräisen energian pois; ydinten energiatasoerot vastaavat fotonin aallonpituuksia gammasäteilyn alueella.
© Avoin yliopisto (Britannica Publishing Partner)Katso kaikki tämän artikkelin videot
Kun epästabiili atomiydin hajoaa vakaammaksi ytimeksi (ks. radioaktiivisuus), ”tytär”-ydin syntyy joskus kiihdytetyssä tilassa. Tytärytimen myöhempi relaksaatio matalamman energian tilaan johtaa gammasäteilyfotonin emittoitumiseen. Gammaspektroskopialla, jossa mitataan tarkasti eri ytimien lähettämien gammafotonien energioita, voidaan määrittää ydinten energiatasorakenteet ja tunnistaa radioaktiivisia alkuaineita niiden gammasäteilypäästöjen perusteella. Gammasäteilyä syntyy myös tärkeässä pariannihilaatioprosessissa, jossa elektroni ja sen antihiukkanen, positroni, häviävät ja syntyy kaksi fotonia. Fotonit emittoituvat vastakkaisiin suuntiin, ja kummassakin on oltava energiaa 511 keV – elektronin ja positronin lepomassaenergia (ks. relativistinen massa). Gammasäteilyä voi syntyä myös joidenkin epästabiilien subatomisten hiukkasten, kuten neutraalin pionin, hajoamisessa.
Gammafotonit ovat röntgensäteiden tapaan eräänlaista ionisoivaa säteilyä; kun ne kulkevat aineen läpi, ne yleensä luovuttavat energiansa vapauttamalla elektroneja atomeista ja molekyyleistä. Alemmilla energia-alueilla gammasäteilyfotoni absorboituu usein kokonaan atomiin ja gammasäteilyn energia siirtyy yksittäiseen irtoavaan elektroniin (ks. valosähköinen ilmiö). Korkeamman energian gammasäteet sirpaloituvat todennäköisemmin atomin elektroneista ja luovuttavat osan energiastaan jokaisessa sirontatapahtumassa (ks. Comptonin vaikutus). Standardimenetelmät gammasäteilyn havaitsemiseksi perustuvat kaasuissa, kiteissä ja puolijohteissa vapautuvien atomielektronien vaikutuksiin (ks. säteilymittaus ja tuikelaskuri).
Gammasäteet voivat olla vuorovaikutuksessa myös atomiytimien kanssa. Parinmuodostusprosessissa gammasäteilyn fotoni, jonka energia ylittää kaksi kertaa elektronin lepomassaenergian (yli 1,02 MeV), muuttuu ytimen läheltä kulkiessaan suoraan elektroni-positronipariksi (ks. valokuva). Vielä suuremmilla energioilla (yli 10 MeV) gammasäde voi absorboitua suoraan ytimeen aiheuttaen ydinhiukkasten sinkoutumisen (ks. fotodisintegraatio) tai ytimen pilkkoutumisen prosessissa, joka tunnetaan nimellä fotofissio.
Courtesy of the Lawrence Berkeley Laboratory, the University of California, Berkeley
Gammasäteiden lääketieteellisiä sovelluksia ovat muun muassa arvokas kuvantamistekniikka positroniemissiotomografia (PET) ja tehokkaat sädehoidot syöpäkasvainten hoidossa. PET-tutkimuksessa elimistöön ruiskutetaan lyhytikäistä positroneita säteilevää radioaktiivista lääkettä, joka on valittu sen vuoksi, että se osallistuu tiettyyn fysiologiseen prosessiin (esim. aivojen toimintaan). Emittoituneet positronit yhdistyvät nopeasti läheisten elektronien kanssa ja synnyttävät pariannihilaation kautta kaksi vastakkaisiin suuntiin kulkevaa 511 keV:n gammasädettä. Gammasäteiden havaitsemisen jälkeen gammasäteilyn emissiopaikkojen tietokoneella tuotettu rekonstruktio tuottaa kuvan, joka korostaa tutkittavan biologisen prosessin sijainnin.
Syvälle tunkeutuvana ionisoivana säteilynä gammasäteet aiheuttavat merkittäviä biokemiallisia muutoksia elävissä soluissa (ks. säteilyvaurio). Sädehoidoissa hyödynnetään tätä ominaisuutta syöpäsolujen valikoivaan tuhoamiseen pienissä paikallisissa kasvaimissa. Radioaktiivisia isotooppeja ruiskutetaan tai istutetaan kasvaimen lähelle; radioaktiivisten ydinten jatkuvasti emittoimat gammasäteet pommittavat kyseistä aluetta ja pysäyttävät pahanlaatuisten solujen kehittymisen.
Maapallon pinnalta tulevien gammasäteilyn emissioiden ilmatutkimuksissa etsitään mineraaleja, jotka sisältävät radioaktiivisia hivenaineita, kuten uraania ja toriumia. Ilma- ja maanpäällistä gammaspektroskopiaa käytetään geologisen kartoituksen, mineraalien etsinnän ja ympäristön saastumisen tunnistamisen tukena. Gammasäteilyä havaittiin ensimmäisen kerran tähtitieteellisistä lähteistä 1960-luvulla, ja gammasäteilytähtitiede on nykyään vakiintunut tutkimusala. Kuten tähtitieteellisen röntgensäteilyn tutkimuksessa, myös gammasäteilyhavainnot on tehtävä Maan voimakkaasti absorboivan ilmakehän yläpuolella – tyypillisesti kiertävillä satelliiteilla tai korkealla sijaitsevilla ilmapalloilla (ks. teleskooppi: Gammateleskoopit). On olemassa monia kiehtovia ja huonosti tunnettuja tähtitieteellisiä gammasäteilylähteitä, kuten voimakkaita pistemäisiä lähteitä, jotka on alustavasti tunnistettu pulsareiksi, kvasaareiksi ja supernovan jäänteiksi. Kiehtovimpia selittämättömiä tähtitieteellisiä ilmiöitä ovat niin sanotut gammapurkaukset – lyhyet, erittäin voimakkaat päästöt lähteistä, jotka ovat ilmeisesti jakautuneet taivaalle isotrooppisesti.