Promień gamma
Promień gamma, promieniowanie elektromagnetyczne o najkrótszej długości fali i najwyższej energii.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Promienie gamma powstają w rozpadzie promieniotwórczych jąder atomowych oraz w rozpadzie niektórych cząstek subatomowych. Powszechnie przyjęte definicje zakresów promieniowania gamma i rentgenowskiego widma elektromagnetycznego obejmują pewne nakładanie się długości fal, przy czym promieniowanie gamma ma długości fal na ogół krótsze niż kilka dziesiątych angstremów (10-10 metrów), a fotony promieniowania gamma mają energie większe niż dziesiątki tysięcy elektronowoltów (eV). Nie istnieje teoretyczna górna granica energii fotonów promieniowania gamma ani dolna granica długości fali promieniowania gamma; obserwowane energie sięgają obecnie kilku bilionów elektronowoltów – te niezwykle wysokoenergetyczne fotony są wytwarzane w źródłach astronomicznych za pośrednictwem obecnie niezidentyfikowanych mechanizmów.
Termin „promień gamma” został ukuty przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda w 1903 r. po wczesnych badaniach emisji jąder promieniotwórczych. Tak jak atomy mają dyskretne poziomy energetyczne związane z różnymi konfiguracjami orbitujących elektronów, tak jądra atomowe mają struktury poziomów energetycznych określone przez konfiguracje protonów i neutronów, które tworzą jądra. Podczas gdy różnice energii pomiędzy atomowymi poziomami energetycznymi są zwykle w zakresie od 1 do 10-EV, różnice energii w jądrach zwykle mieszczą się w zakresie od 1-keV (tysiąc elektronowoltów) do 10-MeV (milionów elektronowoltów). Kiedy jądro przechodzi z poziomu wysokoenergetycznego na poziom niżejenergetyczny, emitowany jest foton, który przenosi nadmiar energii; różnice poziomów energetycznych jąder odpowiadają długościom fal fotonów w zakresie promieniowania gamma.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Zobacz wszystkie filmy do tego artykułu
Gdy niestabilne jądro atomowe rozpada się na bardziej stabilne jądro (patrz radioaktywność), jądro „córki” jest czasami produkowane w stanie wzbudzonym. Późniejsza relaksacja jądra pochodnego do stanu o niższej energii powoduje emisję fotonu promieniowania gamma. Spektroskopia promieniowania gamma, polegająca na precyzyjnym pomiarze energii fotonów promieniowania gamma emitowanych przez różne jądra, pozwala na ustalenie struktury poziomów energetycznych jąder atomowych i umożliwia identyfikację śladowych pierwiastków promieniotwórczych na podstawie emisji promieniowania gamma. Promienie gamma powstają również w ważnym procesie anihilacji par, w którym elektron i jego antycząstka, pozyton, znikają i powstają dwa fotony. Fotony są emitowane w przeciwnych kierunkach i każdy z nich musi nieść energię 511 keV – energię masy spoczynkowej (patrz masa relatywistyczna) elektronu i pozytonu. Promienie gamma mogą być również generowane w rozpadzie niektórych niestabilnych cząstek subatomowych, takich jak neutralny pion.
Fotony promieniowania gamma, podobnie jak ich odpowiedniki rentgenowskie, są formą promieniowania jonizującego; kiedy przechodzą przez materię, zwykle oddają swoją energię, uwalniając elektrony z atomów i cząsteczek. W niższych zakresach energii foton promieniowania gamma jest często całkowicie pochłaniany przez atom, a energia promieniowania gamma przekazywana jest pojedynczemu wyrzuconemu elektronowi (patrz efekt fotoelektryczny). Promienie gamma o wyższych energiach częściej rozpraszają się od elektronów atomu, oddając ułamek swojej energii w każdym zdarzeniu rozpraszającym (patrz efekt Comptona). Standardowe metody wykrywania promieni gamma są oparte na efektach uwolnionych elektronów atomowych w gazach, kryształach i półprzewodnikach (patrz pomiar promieniowania i licznik scyntylacyjny).
Promienie gamma mogą również oddziaływać z jądrami atomowymi. W procesie produkcji par, foton promieniowania gamma o energii przekraczającej dwukrotnie energię masy spoczynkowej elektronu (większej niż 1,02 MeV), przechodząc w pobliżu jądra, jest bezpośrednio zamieniany w parę elektron-pozyton (patrz fotografia). Przy jeszcze wyższych energiach (większych niż 10 MeV), promień gamma może być bezpośrednio pochłonięty przez jądro, powodując wyrzut cząstek jądrowych (patrz fotodezintegracja) lub rozszczepienie jądra w procesie znanym jako rozszczepienie.
Dzięki uprzejmości Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, Berkeley
Medyczne zastosowania promieni gamma obejmują cenną technikę obrazowania, jaką jest pozytonowa tomografia emisyjna (PET), oraz skuteczne terapie radiacyjne w leczeniu guzów nowotworowych. W skanie PET do organizmu wstrzykuje się krótkożyciowy radioaktywny środek emitujący pozytony, wybrany ze względu na jego udział w określonym procesie fizjologicznym (np. funkcjonowaniu mózgu). Emitowane pozytony szybko łączą się z pobliskimi elektronami i poprzez anihilację par powodują powstanie dwóch promieni gamma o energii 511 keV, które poruszają się w przeciwnych kierunkach. Po wykryciu promieni gamma, komputerowo wygenerowana rekonstrukcja miejsc emisji promieni gamma tworzy obraz, który uwydatnia miejsce badanego procesu biologicznego.
Jako głęboko penetrujące promieniowanie jonizujące, promienie gamma powodują znaczące zmiany biochemiczne w żywych komórkach (patrz uraz popromienny). Terapie radiacyjne wykorzystują tę właściwość do selektywnego niszczenia komórek nowotworowych w małych, zlokalizowanych guzach. Izotopy promieniotwórcze są wstrzykiwane lub wszczepiane w pobliżu guza; promienie gamma, które są stale emitowane przez jądra promieniotwórcze, bombardują dotknięty obszar i zatrzymują rozwój złośliwych komórek.
Powietrzne badania emisji promieniowania gamma z powierzchni Ziemi poszukują minerałów zawierających śladowe pierwiastki promieniotwórcze, takie jak uran i tor. Powietrzna i naziemna spektroskopia promieniowania gamma jest wykorzystywana do wspierania map geologicznych, poszukiwania minerałów i identyfikacji skażenia środowiska. Promienie gamma zostały po raz pierwszy wykryte w źródłach astronomicznych w latach 60-tych, astronomia promieniowania gamma jest obecnie dobrze rozwiniętą dziedziną badań. Podobnie jak w przypadku badania astronomicznego promieniowania rentgenowskiego, obserwacje promieniowania gamma muszą być prowadzone ponad silnie pochłaniającą atmosferą Ziemi – zazwyczaj za pomocą orbitujących satelitów lub balonów umieszczonych na dużych wysokościach (patrz teleskop: Teleskopy promieniowania gamma). Istnieje wiele intrygujących i słabo poznanych astronomicznych źródeł promieniowania gamma, w tym potężne źródła punktowe wstępnie zidentyfikowane jako pulsary, kwazary i pozostałości po supernowych. Jednym z najbardziej fascynujących, niewyjaśnionych zjawisk astronomicznych są tak zwane wybuchy promieniowania gamma – krótkie, niezwykle intensywne emisje ze źródeł, które są pozornie izotropowo rozmieszczone na niebie.