Gammastrålning
Gammastrålning, elektromagnetisk strålning med den kortaste våglängden och högsta energin.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Gammastrålar produceras vid sönderfallet av radioaktiva atomkärnor och vid sönderfallet av vissa subatomära partiklar. De allmänt accepterade definitionerna av gamma- och röntgenområdena i det elektromagnetiska spektrumet omfattar en viss överlappning av våglängder, där gammastrålning har våglängder som i allmänhet är kortare än några tiondels angström (10-10 meter) och gammafotoner har energier som är större än tiotusentals elektronvolt (eV). Det finns ingen teoretisk övre gräns för gammastrålefotonernas energi och ingen nedre gräns för gammastrålarnas våglängd; observerade energier sträcker sig för närvarande upp till några biljoner elektronvolt – dessa extremt högenergifotoner produceras i astronomiska källor genom för närvarande oidentifierade mekanismer.
Tecknet gammastråle myntades av den brittiske fysikern Ernest Rutherford 1903 efter tidiga studier av utsläppen från radioaktiva atomkärnor. Precis som atomer har diskreta energinivåer som är förknippade med olika konfigurationer av de omloppsbanande elektronerna, har atomkärnor energinivåstrukturer som bestäms av konfigurationen av de protoner och neutroner som utgör atomkärnorna. Medan energidifferenserna mellan atomers energinivåer vanligtvis ligger i intervallet 1- till 10 eV, ligger energidifferenserna i atomkärnor vanligtvis i intervallet 1-keV (tusen elektronvolt) till 10-MeV (miljon elektronvolt). När en kärna gör en övergång från en hög energinivå till en lägre energinivå avges en foton för att transportera bort överskottsenergin; skillnaderna mellan kärnornas energinivåer motsvarar fotons våglängder i gammastrålområdet.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Se alla videor till den här artikeln
När en instabil atomkärna sönderfaller till en stabilare atomkärna (se radioaktivitet) produceras ibland ”dotterkärnan” i ett exciterat tillstånd. Den efterföljande relaxationen av dotterkärnan till ett tillstånd med lägre energi resulterar i utsläpp av en gammastrålefoton. Gammastrålspektroskopi, som innebär en exakt mätning av de gammastrålefotonenergier som avges av olika atomkärnor, kan fastställa kärnans energinivåstrukturer och gör det möjligt att identifiera radioaktiva spårämnen med hjälp av deras gammastrålningsemissioner. Gammastrålar produceras också i den viktiga processen med parannihilation, där en elektron och dess antipartikel, en positron, försvinner och två fotoner skapas. Fotonerna avges i motsatta riktningar och måste bära 511 keV energi vardera – elektronens och positronens vilomassaenergi (se relativistisk massa). Gammastrålar kan också genereras vid sönderfallet av vissa instabila subatomära partiklar, till exempel den neutrala pionen.
Gammastrålningspotoner är, liksom sina röntgenmotparter, en form av joniserande strålning; när de passerar genom materia deponerar de vanligtvis sin energi genom att frigöra elektroner från atomer och molekyler. I de lägre energiområdena absorberas en gammastrålefoton ofta helt av en atom och gammastrålens energi överförs till en enda utskjuten elektron (se fotoelektrisk effekt). Gammastrålar med högre energi är mer benägna att spridas från atomens elektroner och avger en del av sin energi vid varje spridningstillfälle (se Compton-effekten). Standardmetoder för detektion av gammastrålar bygger på effekterna av de frigjorda atomelektronerna i gaser, kristaller och halvledare (se strålningsmätning och scintillationsräknare).
Gammastrålar kan också interagera med atomkärnor. Vid parproduktionsprocessen omvandlas en gammastrålningsfoton med en energi som överstiger två gånger elektronens vilomassaenergi (mer än 1,02 MeV), när den passerar nära en atomkärna, direkt till ett elektron-positronpar (se fotografi). Vid ännu högre energier (större än 10 MeV) kan en gammastråle absorberas direkt av en kärna, vilket leder till att kärnpartiklar kastas ut (se fotodesintegration) eller att kärnan splittras i en process som kallas fotofission.
Med tillstånd av Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, Berkeley
Medicinska tillämpningar av gammastrålar inkluderar den värdefulla avbildningstekniken positronemissionstomografi (PET) och effektiva strålbehandlingar för att behandla cancertumörer. Vid en PET-undersökning injiceras ett kortlivat positronemitterande radioaktivt läkemedel, som valts ut på grund av att det deltar i en viss fysiologisk process (t.ex. hjärnans funktion), i kroppen. Positroner som avges kombineras snabbt med närliggande elektroner och ger genom parförintelse upphov till två 511-keV-gammastrålar som färdas i motsatt riktning. Efter detektering av gammastrålarna ger en datorgenererad rekonstruktion av gammastrålarnas placering en bild som belyser platsen för den biologiska process som undersöks.
Som en djupt genomträngande joniserande strålning orsakar gammastrålar betydande biokemiska förändringar i levande celler (se strålningsskada). Strålbehandlingar utnyttjar denna egenskap för att selektivt förstöra cancerceller i små lokaliserade tumörer. Radioaktiva isotoper injiceras eller implanteras nära tumören; gammastrålar som kontinuerligt avges av de radioaktiva kärnorna bombarderar det drabbade området och stoppar utvecklingen av de elakartade cellerna.
Luftburna undersökningar av gammastrålningsutsläpp från jordens yta söker efter mineraler som innehåller spår av radioaktiva grundämnen som uran och torium. Flyg- och markbaserad gammastrålspektroskopi används för att stödja geologisk kartläggning, mineralprospektering och identifiering av miljöföroreningar. Gammastrålar upptäcktes för första gången från astronomiska källor på 1960-talet, och gammastråleastronomi är nu ett väletablerat forskningsområde. Liksom vid studier av astronomisk röntgenstrålning måste gammastrålningsobservationer göras ovanför den starkt absorberande atmosfären på jorden – vanligtvis med satelliter i omloppsbana eller ballonger på hög höjd (se teleskop: Gammastrålningsteleskop). Det finns många fascinerande och dåligt förstådda astronomiska gammastrålkällor, inklusive kraftfulla punktkällor som preliminärt identifierats som pulsarer, kvasarer och supernovarester. Bland de mest fascinerande oförklarade astronomiska fenomenen finns så kallade gammastrålningsutbrott – korta, extremt intensiva utsläpp från källor som till synes är isotropt fördelade på himlen.