Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego . Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV , co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 E Hz , a długości fali mniejszej od 124 pm . Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego . W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie, w wyniku zderzeń elektronów z atomami . Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym . Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ.

Źródła promieniowania gamma

• Reakcja jądrowa – jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.
• Nukleosynteza – dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć emisja jednego lub wielu kwantów gamma.
• Anihilacja – zderzenie cząstki i antycząstki , np. elektronu i pozytonu , powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma.
• Rozpady cząstek elementarnych – fotony gamma mogą być produktami rozpadu wielu nietrwałych cząstek elementarnych, np. neutralny pion rozpada się najczęściej na dwa fotony.
• Promieniowanie hamowania i promieniowanie synchrotronowe – wysokoenergetyczne cząstki naładowane (najczęściej elektrony ) poruszające się w silnym polu elektrycznym , np. jąder atomowych , lub polu magnetycznym mogą emitować fotony promieniowania gamma.
• Odwrotne rozpraszanie Comptona – wysokoenergetyczne elektrony mogą zderzać się z niskoenergetycznymi fotonami (np. promieniowania tła ) i przekazywać im energię, zmieniając je w kwanty gamma.

Oddziaływanie z materią

Zależność absorpcji promieniowania gamma od energii dla aluminium

Promieniowanie gamma przechodząc przez materię ulega pochłanianiu (wielkość pochłaniania zależy od energii promieniowania). Za pochłanianie promieniowania gamma odpowiadają następujące zjawiska (w nawiasie podane są opisy odnoszące się do wykresu):

1. wewnętrzny efekt fotoelektryczny (Photo) w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię elektronom odrywając je od atomów lub przenosząc na wyższe poziomy energetyczne,
2. rozpraszanie komptonowskie (Compton) słabo związane lub swobodne elektrony doznają przyspieszenia w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez promieniowanie gamma.
3. kreacja par elektron-pozyton (Pair), kwant gamma uderzając o jądro atomowe powoduje powstanie par cząstka-antycząstka (warunkiem zajścia zjawiska jest energia kwantu gamma > 1,02 MeV – dwukrotnej wartości masy spoczynkowej elektronu),
4. reakcje fotojądrowe – w tym oddziaływaniu promieniowanie gamma oddaje energię jądrom atomowym wzbudzając je i, przy odpowiednio wysokiej energii fotonu, produkując nowe cząstki. Wzbudzone jądro atomowe może wypromieniować kwant gamma, ulec rozpadowi lub rozszczepieniu. Przekrój czynny takiej reakcji jest zazwyczaj niewielki, może być jednak rezonansowo zwiększony jeżeli energia kwantu gamma odpowiada dokładnie energii wzbudzenia jądra.

W wybuchu jądrowym

Podczas wybuchu jądrowego bomby atomowej około 5% energii wybuchu zamienia się na promieniowanie jonizujące w tym i na promieniowanie gamma. Skutki oddziaływania promieniowania gamma powstałego podczas wybuchu są mniejsze niż efekty wywołane falą uderzeniową i promieniowaniem cieplnym. Większym problemem jest skażenie promieniotwórcze, powstaje opad radioaktywny , który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma powstające podczas rozpadu pochłoniętych przez istoty żywe izotopów promieniotwórczych niemalże w całości jest pochłaniane przez organizm powoduje wzrost dawki promieniowania. W związku z tym miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia. Szacuje się, że w Hiroszimie liczba osób, które umarły w wyniku napromieniowania, jest porównywalna z liczbą osób jakie zmarły w wyniku wybuchu.

Detekcja promieniowania gamma

Człowiek nie posiada narządów zmysłów pozwalających mu na postrzeganie promieniowania gamma, którego detekcja stała się konieczna wraz z rozwojem technologii jądrowej. Ogólnie detektory promieniowania gamma wykorzystują własności jonizacyjne tego promieniowania i można je podzielić na:

• detektor barwnikowy
• detektory gazowe , do których należą:
  • komora jonizacyjna
  • licznik Geigera-Müllera
  • licznik proporcjonalny
• detektor półprzewodnikowy
• emulsja fotograficzna
• licznik scyntylacyjny

Zastosowania

Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych . W medycynie używa się ich w radioterapii (tzw. bomba kobaltowa ) do leczenia raka , oraz w diagnostyce np. pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa . Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego szkła w wannach hutniczych, w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu mieszanin wielofazowych , przeróbki rudy miedzi). Promieniowanie γ ma zastosowanie w badaniach z dziedziny chemii radiacyjnej .

Zobacz też

• detekcja promieniowania jądrowego
• astronomia promieniowania gamma
• Geminga
• oddziaływanie elektromagnetyczne
• rozbłyski gamma