Gammasugár, a legrövidebb hullámhosszú és legmagasabb energiájú elektromágneses sugárzás.
elektromágneses sugárzás: gammasugarak
Hat évvel azután, hogy a francia Henri Becquerel, az új-zélandi születésű brit fizikus, Ernest Rutherford felfedezte a radioaktivitást (1896)
A gamma sugarakat radioaktív atommagok szétesése és egyes szubatomi részecskék bomlása során termelik. Az általánosan elfogadott meghatározások a gamma-sugár és a X-ray régiók az elektromágneses spektrum tartalmaz néhány hullámhossz átfedés, gamma-sugár hullámhosszúságú sugárzástól, hogy általában rövidebb, mint néhány tized angström (10 -10 méter) és a gamma sugarak fotonok, amelyeknek energiája meghaladja a tízezredelt elektronvolta (eV) -ot. Nincs elméleti felső határ a gamma-sugár fotonok energiáira, és nincs alsó határa a gamma-sugár hullámhosszaira; a megfigyelt energiák jelenleg néhány billió elektronvoltra terjednek ki - ezeket a rendkívül nagy energiájú fotonokat csillagászati forrásokban állítják elő a jelenleg ismeretlen mechanizmusok révén.
A gamma sugár kifejezést Ernest Rutherford, a brit fizikus 1903-ban megalkotta, a radioaktív magok kibocsátásának korai tanulmányait követően. Csakúgy, mint az atomok diszkrét energiaszintjei vannak a keringő elektronok különböző konfigurációival kapcsolatban, az atommagok energiaszint-szerkezetét a magokat alkotó protonok és neutronok konfigurációja határozza meg. Míg az atomenergia-szintek közötti energiakülönbségek tipikusan az 1-10 eV tartományban vannak, a magok energiakülönbségei általában az 1-keV (ezer elektronvolt) és 10-MeV (millió elektronvolt) tartományba esnek. Amikor egy atom átmeneti a magas energiaszintről az alacsonyabb szintű energiára, fotont bocsátanak ki a felesleges energia továbbvitelére; az atomenergia szintbeli különbségek megfelelnek a foton hullámhosszának a gamma-sugár régióban.
Amikor egy instabil atommag stabilabb atommaggá bomlik (lásd radioaktivitás), akkor a „lányos” atommag időnként gerjesztett állapotban képződik. A leánymag későbbi, alacsonyabb energiaállapotú relaxációja a gamma-sugár foton kibocsátását eredményezi. A gamma-sugár spektroszkópia, amely magában foglalja a különböző magok által kibocsátott gamma-sugár fotonenergiák pontos mérését, nukleáris energia szintű struktúrákat hozhat létre, és lehetővé teszi a radioaktív elemek nyomainak azonosítását gamma-sugárzásuk révén. A gamma-sugarakat a páros megsemmisítés fontos folyamatában is előállítják, amelyben elektron és annak részecske-része, pozitron, eltűn és két foton jön létre. A fotonok ellentétes irányban bocsátanak ki, és mindegyiknek 511 keV energiát kell hordoznia - az elektron és a pozitron többi tömeges energiáját (lásd relativista tömeg). Gamma sugarakat előállíthatunk egyes instabil szubatomi részecskék, például a semleges pion lebomlásával is.
A gamma-sugár fotonok, hasonlóan a röntgen-párjaikhoz, az ionizáló sugárzás egyik formája; amikor áthaladnak az anyagon, energiájukat általában az atomok és molekulák elektronjainak felszabadítása révén helyezik el. Az alacsonyabb energiatartományoknál a gammasugár fotont gyakran teljesen abszorbeálja egy atom, és a gammasugár energiáját egyetlen kibocsátott elektronhoz továbbítja (lásd fotoelektromos hatás). A magasabb energiatartalmú gammasugarak nagyobb valószínűséggel szétszóródnak az atom elektronoktól, és energiájuk egy részét eloszlatják minden szétszórt eseménynél (lásd Compton-effektus). A gammasugarak detektálására szolgáló standard módszerek a felszabadult atomelektronok hatásain alapulnak a gázokban, kristályokban és félvezetőkben (lásd a sugárzásmérést és a szcintillációs számlálót).
A gammasugarak kölcsönhatásba léphetnek az atommagokkal. A párosítási folyamat során egy olyan gamma-sugár fotont, amelynek energiája meghaladja az elektron nyugalmi tömeg-energiájának kétszeresét (nagyobb, mint 1,02 MeV), ha egy mag közelében halad, közvetlenül elektron-pozitron párvá alakul át (lásd a fényképet). Még magasabb energiáknál (10 MeV-nál nagyobb) a gamma-sugár közvetlenül abszorbeálódhat egy magban, okozva a nukleáris részecskék kilökését (lásd fotodiszintegráció), vagy a mag szétesését a fotofóziónak nevezett folyamat során.
A gammasugarak orvosi alkalmazásai tartalmazzák a pozitron-emissziós tomográfia (PET) értékes képalkotó technikáját és a rákos daganatok kezelésére szolgáló hatékony sugárterápiát. A PET-vizsgálat során egy rövid élettartamú, pozitronokat kibocsátó radioaktív gyógyszerkészítményt injektálnak a testbe, amelyet egy adott élettani folyamatban (pl. Agyi funkció) való részvétel miatt választottak meg. A kibocsátott pozitronok gyorsan összekapcsolódnak a közeli elektronokkal, és páros megsemmisülés révén két 511-keV-os gamma-sugarat eredményeznek, amelyek ellentétes irányban haladnak. A gammasugarak detektálása után a gamma-sugárzás helyének számítógéppel generált rekonstrukciója olyan képet eredményez, amely kiemeli a vizsgált biológiai folyamat helyét.
Mélyen áthatoló ionizáló sugárzásként a gammasugarak jelentős biokémiai változásokat okoznak az élő sejtekben (lásd sugárterhelés). A sugárterápiák ezt a tulajdonságot használják a rákos sejtek szelektív elpusztítására kis lokalizált daganatokban. Radioaktív izotópokat injektálnak vagy implantálnak a tumor közelében; a radioaktív magok által folyamatosan kibocsátott gamma-sugarak bombázzák az érintett területet, és megállítják a rosszindulatú sejtek fejlődését.
A Föld felszínéből származó gamma-sugárzás emisszióinak felmérése olyan ásványok keresése céljából, amelyek nyoma radioaktív elemeket tartalmaznak, például uránt és tóriumot. Légi és földi gamma-sugár spektroszkópiát alkalmaznak a geológiai feltérképezés, az ásványi feltárás és a környezetszennyezés azonosításának támogatására. A gammasugarakat először csillagászati forrásokból fedezték fel az 1960-as években, és a gammasugár-csillagászat ma már jól megalapozott kutatási terület. A csillagászati röntgen vizsgálatához hasonlóan a gammasugár-megfigyeléseket a Föld erősen elnyelő atmoszférája fölött kell elvégezni - általában műholdak körül keringő műholdakkal vagy nagy magasságú léggömbökkel (lásd távcső: Gamma-sugár távcsövek). Számos érdekes és rosszul megérthető csillagászati gamma-sugárforrás létezik, ideértve az erőteljes pontforrásokat, amelyeket ideiglenesen pulzárok, kvazárok és szupernóva maradványokként azonosítottak. A legizgalmasabb, megmagyarázhatatlan csillagászati jelenségek között szerepel az úgynevezett gamma-sugárzás - rövid, rendkívül intenzív kibocsátások olyan forrásokból, amelyek látszólag izotropikusan terjednek az égen.
