promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma — Promieniowanie gamma (γ) – krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii i długości fali niższej od 0,1 nm, emitowane przez wzbudzone lub promieniotwórcze jądra atomowe podczas rozpadu promieniotwórczego lub reakcji jądrowych.

Właściwości promieniowania gamma

Promieniowanie gamma (γ) jest krótkofalowym promieniowaniem elektromagnetycznym (fotonowym) emitowanym w postaci fali elektromagnetycznej o dużej energii i długości fali niższej od 1 nm przez wzbudzone lub promieniotwórcze jądra atomowe podczas rozpadu promieniotwórczego lub reakcji jądrowych.

Promieniowanie elektromagnetyczne w opisie kwantowym definiowane jest jako strumień nie posiadających masy, ładunku elektrycznego oraz momentu magnetycznego cząstek elementarnych, zwanych fotonami. Energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali – krótsza fala niesie większą ilość energii, dłuższa fala niesie mniejszą ilość energii. Promieniowanie gamma, stanowiące rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o najkrótszej długości fali, składa się więc z fotonów o najwyższej energii (wyższej niż 50 kiloelektronowoltów).

Promieniowanie gamma, jako promieniowanie cechujące się bardzo wysoką energią oraz składające się z cząstek pozbawionych ładunku elektrycznego, wykazuje zdolność pośredniej jonizacji atomów lub cząsteczek ośrodka materialnego, czyli oderwania co najmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki bądź wybicia tego elektronu ze struktury krystalicznej. Promieniowanie gamma cechuje się ponadto dużą przenikliwością (zdolnością do przenikania przez materiały znacznej grubości, np. ołów, beton). Właściwości te sprawiają, że stanowi ono istotne zagrożenie dla organizmów żywychstrukturze DNA i chromosomów.

Promieniowanie gamma zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez francuskiego chemika i fizyka Paula Ulricha Villarda podczas badań nad promieniowaniem radu w 1900 r. Jako promieniowanie o dużo większej przenikliwości niż znane wówczas cząstki α i β zostało określone mianem promieniowania gamma (γ) przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda w 1903 r.

Emisja fotonu gamma (γ) z jądra atomowego, fot. shutterstock

Emisja promieniowania gamma w postaci strumienia fotonów gamma może być wywoływana przez:

• zmiany w stanie jądra atomowego i powłok elektronowych atomów lub cząsteczek podczas przejścia atomu lub cząsteczki ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii;
• zmiany stanu oscylacyjnego i rotacyjnego cząsteczek; oscylacja cząsteczki (gwałtowne zwiększenie bądź zmniejszenie długości wiązania) wywołuje zmianę prędkości jej obrotu;
• zmiany pędu cząstek naładowanych (głównie wysokoenergetycznych elektronów) poruszających się w silnym polu elektrycznym (np. jąder atomowych) bądź polu magnetycznym (promieniowanie hamowania, promieniowanie synchrotronowe);
• anihilację par elektron-pozyton – oddziaływanie cząstki z odpowiadającą jej antycząstką, podczas którego cząstka i antycząstka zostają zamienione w dwa fotony o energii równoważnej ich masom (proces zamiany materii na promieniowanie elektromagnetyczne).
• rozpad nietrwałych cząstek elementarnych, np. mezonów π (pionów);
• odwrotne rozpraszanie Comptona – rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na elektronach relatywistycznych (o prędkościach bliskich prędkości światła w próżnizjawisko występujące np. po wybuchach supernowych.

Oddziaływanie promieniowania gamma z materią

Pochłanianie (absorpcja) promieniowania gamma przechodzącego przez dany ośrodek materialny zachodzi wskutek jego oddziaływania z tym ośrodkiem. Proces absorpcji fotonów gamma przez materię wywoływany jest przez:

• zjawisko fotoelektryczne – zjawisko polegające na emisji elektronów z powierzchni atomu lub cząsteczki bądź przenoszenia ich na wyższe poziomy energetyczne, wskutek przekazywania im energii przez fotony gamma;
• rozpraszanie fotonów (rozpraszanie comptonowskie) – zjawisko polegające na rozpraszaniu promieniowania gamma w postaci wysokoenergetycznych fotonów na swobodnych elektronach;
• wytwarzanie par elektron-pozyton – zjawisko polegające na zderzaniu się fotonów gamma (o energii wyższej niż 1,02 megaelektronowolta) z polem elektrycznym jądra atomowego, wskutek czego energia fotonu gamma przekształcana jest w masę pary elektron-pozyton;
• reakcje fotojądrowe – zjawisko polegające na przekazywaniu energii jądrom atomowym przez fotony gamma o odpowiednio wysokiej energii, czego wynikiem jest wzbudzenie jądra atomowego, który następnie może wypromieniować kolejne fotony gamma, ulec rozpadowi bądź rozszczepieniu.

Rozpraszanie comptonowskie, fot. shutterstock

Zastosowanie promieniowania gamma

Promieniowanie gamma wykorzystywane jest do celów badawczych (np. w dziedzinie chemii radiacyjnej do badań procesów zachodzących podczas napromieniowywania prostych oraz  złożonych układów chemicznych; badaniach procesów przemysłowych, np. przepływu mieszanin wielofazowych).

Promieniowanie gamma ma również zastosowanie w medycynie w zwalczaniu nowotworów (teleradioterapii z wykorzystaniem bomby kobaltowej oraz radiochirurgii z wykorzystaniem noża gamma); w diagnostyce medycznej (np. tomografii emisyjnej pojedynczych fotonów), stosowane jest także do sterylizacji sprzętu medycznego oraz żywności.

Radioterapia z wykorzystaniem bomby kobaltowej, fot. shutterstock