Gammasugárzás
Gammasugárzás, a legrövidebb hullámhosszú és legnagyobb energiájú elektromágneses sugárzás.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A gamma-sugárzás a radioaktív atommagok bomlása és egyes szubatomi részecskék bomlása során keletkezik. Az elektromágneses spektrum gamma- és röntgensugárzási tartományának általánosan elfogadott definíciói némi hullámhossz-átfedést tartalmaznak: a gamma-sugárzás hullámhossza általában néhány tized angströmnél (10-10 méter) rövidebb, a gamma-fotonok energiája pedig több tízezer elektronvoltnál (eV) nagyobb. A gammafotonok energiájának nincs elméleti felső határa, és a gammasugárzás hullámhosszának sincs alsó határa; a megfigyelt energiák jelenleg néhány trillió elektronvoltig terjednek – ezeket a rendkívül nagy energiájú fotonokat csillagászati forrásokban, jelenleg azonosítatlan mechanizmusok révén állítják elő.
A gammasugárzás kifejezést Ernest Rutherford brit fizikus alkotta meg 1903-ban a radioaktív atommagok kibocsátásának korai tanulmányozása után. Ahogy az atomoknak is vannak különálló energiaszintjeik, amelyek a keringő elektronok különböző konfigurációihoz kapcsolódnak, úgy az atommagok energiaszint-struktúráját is az atommagokat alkotó protonok és neutronok konfigurációi határozzák meg. Míg az atomi energiaszintek közötti energiakülönbségek jellemzően az 1- és 10 eV közötti tartományba esnek, addig az atommagok energiakülönbségei általában az 1-keV (ezer elektronvolt) és 10-MeV (millió elektronvolt) közötti tartományba esnek. Amikor egy atommag átmenetet hajt végre egy nagy energiájú szintről egy alacsonyabb energiájú szintre, a felesleges energia elszállítására fotont bocsát ki; az atomenergiaszintek közötti különbségek a gamma-sugárzás tartományában lévő fotonok hullámhosszának felelnek meg.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)See all videos for this article
Amikor egy instabil atommag egy stabilabb atommagra bomlik (lásd radioaktivitás), a “leány” atommag néha gerjesztett állapotban keletkezik. A leánymag ezt követő relaxációja egy alacsonyabb energiájú állapotba, gammasugár-foton kibocsátását eredményezi. A gammaspektroszkópia, amely a különböző atommagok által kibocsátott gammafotonok energiájának pontos mérését foglalja magában, meg tudja határozni a mag energiaszintjének szerkezetét, és lehetővé teszi a radioaktív nyomelemek azonosítását gammasugár-kibocsátásuk alapján. Gammasugárzás keletkezik a pármegsemmisítés fontos folyamata során is, amelynek során egy elektron és antirészecskéje, a pozitron eltűnik, és két foton keletkezik. A fotonok ellentétes irányban bocsátódnak ki, és mindegyiküknek 511 keV energiát kell hordoznia – az elektron és a pozitron nyugalmi tömegének energiáját (lásd relativisztikus tömeg). Gammasugárzás keletkezhet néhány instabil szubatomi részecske, például a semleges pion bomlása során is.
A gammafotonok, akárcsak röntgensugaras társaik, az ionizáló sugárzás egyik formája; amikor áthaladnak az anyagon, energiájukat általában úgy adják le, hogy elektronokat szabadítanak fel az atomokból és molekulákból. Az alacsonyabb energiatartományokban a gammafoton gyakran teljesen elnyelődik egy atomban, és a gammasugár energiája egyetlen kilépő elektronra száll át (lásd fotoelektromos hatás). A nagyobb energiájú gammasugarak nagyobb valószínűséggel szóródnak az atomi elektronokról, és energiájuk egy részét minden egyes szóródási esemény során leadják (lásd Compton-effektus). A gammasugarak kimutatásának szabványos módszerei a gázokban, kristályokban és félvezetőkben felszabaduló atomi elektronok hatásán alapulnak (lásd sugárzásmérés és szcintillációs számláló).
A gammasugarak az atommagokkal is kölcsönhatásba léphetnek. A pártermelési folyamat során az elektron nyugalmi tömegenergiájának kétszeresét meghaladó (1,02 MeV-nál nagyobb) energiájú gamma-foton, ha egy atommag közelében halad el, közvetlenül elektron-pozitron párossá alakul (lásd fénykép). Még nagyobb energiáknál (10 MeV-nál nagyobb) egy gammasugár közvetlenül elnyelődhet egy atommagban, ami a mag részecskéinek kilökődését (lásd fotodiszintegráció) vagy az atommag kettéhasadását okozza az úgynevezett fotofízis során.
A Kaliforniai Egyetem, Berkeley Lawrence Berkeley Laboratóriumának jóvoltából
A gammasugarak orvosi alkalmazásai közé tartozik a pozitronemissziós tomográfia (PET) értékes képalkotó technikája és a rákos daganatok kezelésére szolgáló hatékony sugárterápiák. A PET-vizsgálat során egy rövid élettartamú, pozitronokat kibocsátó radioaktív gyógyszert fecskendeznek a szervezetbe, amelyet egy adott élettani folyamatban (pl. agyműködésben) való részvétele miatt választanak ki. A kibocsátott pozitronok gyorsan egyesülnek a közeli elektronokkal, és páronkénti annihiláció révén két ellentétes irányú, 511 keV-os gammasugárzást hoznak létre. A gamma-sugarak észlelése után a gamma-sugárzás kibocsátási helyeinek számítógépes rekonstrukciója olyan képet eredményez, amely kiemeli a vizsgált biológiai folyamat helyét.
A gamma-sugárzás mélyen behatoló ionizáló sugárzásként jelentős biokémiai változásokat okoz az élő sejtekben (lásd sugárkárosodás). A sugárterápiák ezt a tulajdonságot használják ki a rákos sejtek szelektív elpusztítására a kis lokalizált daganatokban. Radioaktív izotópokat injektálnak vagy ültetnek be a daganat közelébe; a radioaktív atommagok által folyamatosan kibocsátott gamma-sugarak bombázzák az érintett területet, és megállítják a rosszindulatú sejtek fejlődését.
A Föld felszínéről származó gamma-sugárzások légi felmérése során radioaktív nyomelemeket, például uránt és tóriumot tartalmazó ásványokat keresnek. A légi és földi gamma-spektroszkópiát a geológiai térképezés, az ásványkincsek feltárása és a környezetszennyezés azonosításának támogatására alkalmazzák. A gammasugarakat először az 1960-as években észlelték csillagászati forrásokból, és a gammasugárzás-csillagászat ma már jól megalapozott kutatási terület. A csillagászati röntgensugárzás vizsgálatához hasonlóan a gammasugárzás megfigyelését is a Föld erősen elnyelő légköre felett kell végezni – jellemzően keringő műholdakkal vagy nagy magasságú ballonokkal (lásd távcső: Gammatávcsövek). Számos érdekes és kevéssé ismert csillagászati gammasugár-forrás létezik, köztük olyan erős pontforrások, amelyeket ideiglenesen pulzárokként, kvazárokként és szupernóva-maradványokként azonosítottak. A leglenyűgözőbb megmagyarázhatatlan csillagászati jelenségek közé tartoznak az úgynevezett gammakitörések – rövid, rendkívül intenzív sugárzások olyan forrásokból, amelyek látszólag izotropikusan oszlanak el az égen.