ガンマ線
最も波長が短く、最もエネルギーの高い電磁波。
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ガンマ線は放射性原子核の崩壊や特定の素粒子の崩壊で発生するものです。 電磁スペクトルのガンマ線とX線領域の一般的な定義では、ガンマ線の波長は一般に10分の数オングストローム（10-10メートル）より短く、ガンマ線光子のエネルギーは数万電子ボルト（eV）より大きく、いくつかの波長の重なりを含んでいます。 ガンマ線のエネルギーには理論的な上限がなく、ガンマ線の波長にも下限がありません。現在観測されているエネルギーは数兆電子ボルトに及び、これらの非常に高いエネルギーの光子は、現在未確認のメカニズムによって天体の発生源で生成されています。 原子には軌道を回る電子の配置に応じたエネルギー準位があるように、原子核には原子核を構成する陽子と中性子の配置に応じたエネルギー準位構造があります。 原子のエネルギー準位間の差は通常1～10eVであるのに対し、原子核のエネルギー差は通常1keV（千電子ボルト）～10MeV（百万電子ボルト）の範囲にある。 原子核が高エネルギー準位から低エネルギー準位に遷移するとき、余分なエネルギーを持ち去るために光子が放出されるが、原子核のエネルギー準位の差はガンマ線領域の光子の波長に対応する。
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不安定な原子核がより安定な原子核に崩壊するとき（放射能参照）、「娘」原子核が励起状態で生成されることがあります。 その後、娘核がより低いエネルギー状態に緩和されると、ガンマ線が放出されます。 ガンマ線分光法では、異なる原子核から放出されるガンマ線のエネルギーを精密に測定することで、原子核のエネルギーレベルの構造を明らかにし、ガンマ線の放出から微量放射性元素の同定を可能にします。 ガンマ線は、電子とその反粒子である陽電子が消滅し、2個の光子が発生する対消滅という重要な過程でも発生します。 この光子は反対方向に放出され、電子と陽電子の静止質量エネルギー（相対論的質量を参照）である511keVのエネルギーを持たなければならない。 ガンマ線は、中性パイ中間子のような不安定な素粒子の崩壊でも発生します。
ガンマ線は、X線と同様、電離放射線の一種であり、物質を通過するとき、通常は原子や分子から電子を解放することによってエネルギーを蓄積します。 低エネルギー領域では、ガンマ線は原子に完全に吸収され、ガンマ線のエネルギーは放出された1個の電子に伝達されます（光電効果を参照）。 高エネルギーのガンマ線は原子電子から散乱しやすく、散乱のたびにエネルギーの一部が蓄積されます（コンプトン効果参照）。 ガンマ線の標準的な検出方法は、気体、結晶、半導体中の解放された原子電子の効果に基づいています（放射線測定とシンチレーションカウンターを参照）
ガンマ線は原子核と相互作用することも可能です。 電子の静止質量エネルギーの2倍以上のエネルギー（1.02MeV以上）を持つガンマ線光子が原子核の近くを通過すると、対生成の過程で直接電子-陽電子対に変換されます（写真参照）。 さらに高いエネルギー（10MeV以上）では、ガンマ線は原子核に直接吸収され、核粒子の放出（光分解参照）または原子核の分裂（光核分裂と呼ばれる）を引き起こします。 上の例では、ガンマ線は原子電子にエネルギーを奪われ、長い軌跡を残しながら左にカールしています。 ガンマ線は電荷を持たないため、気泡室内では飛跡を残しません。
カリフォルニア大学バークレー校ローレンス・バークレー研究所提供
ガンマ線の医療応用には、ポジトロン断層法（PET）という貴重な画像技術や癌腫瘍の治療に効果的な放射線治療があります。 PETスキャンでは、特定の生理学的プロセス（例えば、脳機能）に関与しているという理由で選ばれた、短寿命のポジトロン放出放射性医薬品が体内に注入されます。 放出された陽電子は近くの電子と素早く結合し、対消滅により511keVのガンマ線が2本発生し、反対方向に進みます。
深く浸透する電離放射線であるガンマ線は、生きている細胞に大きな生化学的変化をもたらします（放射線障害を参照）。 放射線療法はこの性質を利用して、小さな局所的な腫瘍の癌細胞を選択的に破壊します。 放射性同位元素を腫瘍の近くに注射または埋め込み、放射性核種から継続的に放出されるガンマ線を患部に照射し、悪性細胞の発生を阻止します。
地球表面からのガンマ線放出に関する航空調査は、ウランやトリウムなどの微量放射性元素を含む鉱物を探します。 航空および地上でのガンマ線スペクトロスコピーは、地質図作成、鉱物探査、環境汚染の特定をサポートするために採用されています。 ガンマ線は1960年代に初めて天体から検出され、現在ではガンマ線天文学が確立された研究分野となっています。 ガンマ線の観測は、X線の研究と同様、地球上の吸収の強い大気の上空で行わなければならず、通常は軌道上の衛星や高高度の気球を用いて行われます（「望遠鏡：ガンマ線望遠鏡」の項を参照）。 パルサー、クエーサー、超新星残骸などの強力な点光源を含む、多くの魅力的な天体ガンマ線源があり、またあまり理解されていません。 中でも最も魅力的な未解明の天文現象は、ガンマ線バーストと呼ばれる、空に等方的に分布しているように見える天体からの短時間の非常に強い放射です
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