Warto przeczytać

Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o bardzo wysokiej energii, czyli bardzo małej długości fali (Rys. 1.). Umownie przyjmuje się, że górną granicą długości fali gamma jest 0,1 nm, co odpowiada minimalnej energii kwantu gamma około 0,1 MeVelektronowolt (eV)eV. Należy zaznaczyć, że nie ma ścisłej granicy między promieniowaniem gamma, a promieniowaniem rentgenowskim, które ma większą długość fali i mniejszą energię niż promieniowanie gamma. Zakresy obu rodzajów fal elektromagnetycznych częściowo pokrywają się.

RsYK9W0lTbOIq

Rys. 1. przedstawia widmo promieniowania elektromagnetycznego. Na białym tle od dołu znajdują się: wyskalowana od 10 do potęgi 4 do 10 do 20 oś pozioma skierowana w prawo oznaczona: częstotliwość [Hz]. Nad nią widnieje czerwona krzywa w kształcie fali o zmniejszającej się długości wraz z napisami, od lewej: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, nadfiolet, promienie Roentgena, promienie gamma. Na samej górze znajduje się: wyskalowana od 10 do potęgi -16 do 3 razy 10 do 4 oś pozioma skierowana w lewo oznaczona: długość fali [m]. Wyróżnione zostało światło widzialne w postaci wąskiego pionowego paska w barwach tęczy - od czerwonej do fioletowej.

Źródłem promieniowania gamma są zazwyczaj jądra atomowe. Kwant gamma jest emitowany przez jądro atomowe powstałe w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Emitując kwant promieniowania gamma, jądro pozbywa się nadmiaru energii i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

Promieniowanie gamma tak, jak inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, rozchodzi się w próżni z prędkością światła, czyli $3·{10}^8\frac{m}{s}$.

W przypadku promieniowania gamma najsilniej uwidacznia się natura kwantowa promieniowania. We wszystkich obserwowanych zjawiskach fotony gamma zachowują się jak cząstki posiadające pęd. Choć promieniowanie gamma to fala elekromagnetyczna, obserwacja zjawisk falowych, takich jak dyfrakcja jest bardzo trudna.

Energia fotonu gamma, E, wyraża się wzorem:

gdzie $h=6,6·{10}^{-34}J·s$ jest stałą Plancka, $f$ – częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali, $c=3\cdot {10}^8\frac{m}{s}$ – prędkością światła.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym, co oznacza, że fotony gamma mogą wybijać elektrony z atomów i cząsteczek. Po oderwaniu elektronu od atomu tworzą się jony, czyli cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym: elektron jest jonem ujemnym, atom pozbawiony elektronu – jonem dodatnim. Jeśli takie naładowane cząstki poruszają się w materii z odpowiednio dużą energią, powodują kolejne akty jonizacjijonizacjajonizacji. Naładowana cząstka oddziałuje siłami elektrycznymi z elektronami mijanych atomów, co powoduje odrywanie elektronów od atomów. Poruszająca się w materii cząstka, obdarzona ładunkiem, pozostawia za sobą pary jonów, tracąc stopniowo energię kinetyczną, aż do zatrzymania się.

Fotony gamma nie mają ładunku elektrycznego, nie oddziałują elektrycznie z elektronami, jak więc jonizują materię? Odziaływanie fotonów gamma z materią zachodzi na trzy sposoby:

1. Zjawisko fotoelektrycznezjawisko fotoelektryczneZjawisko fotoelektryczne polegające na pochłonięciu całej energii fotonu gamma przez atom, w wyniku czego z atomu wybity zostaje elektron. Foton znika, a wybity elektron porusza się z dużą energią kinetyczną, unosząc prawie całą energię pochłoniętego fotonu gamma.

2. Zjawisko Comptonazjawisko ComptonaZjawisko Comptona, czyli rozpraszanie fotonu gamma na swobodnym elektronie. Foton po zderzeniu z elektronem zmienia kierunek ruchu i oddaje część swojej energii elektronowi, który zaczyna się poruszać.

3. Kreacja par – to najbardziej ekscytujące zjawisko. Polega na tym, że foton gamma znika, a pojawia się para elektron – antyelektron, zwany pozytonem. Zjawisko to zachodzi wyłącznie w obecności trzeciego ciała, najczęściej jądra atomowego lub elektronu, które odbiera niewielką część energii i pędu fotonu, a cała pozostała energia fotonu zamienia się na energię dwóch cząstek: elektronu i pozytonu. Warunkiem zajścia kreacji par jest odpowiednio duża energia fotonu gamma, wystarczająca na utworzenie elektronu i pozytonu. Więcej na ten temat dowiesz się w e‑materiale „Kreacja par cząstka‑antycząstka”.

We wszystkich tych zjawiskach pojawiają się wysokoenergetyczne elektrony, które dalej jonizują materię. Wystąpienie jednego z powyższych zjawisk jest przypadkowe. Foton gamma może przebyć długą drogę w materii i nie zostać pochłonięty. Jeśli przez materię przechodzi wiązka promieniowania gamma, to część fotonów będzie w sposób przypadkowy eliminowana z wiązki w jednym z powyższych procesów, a inne będą poruszały się bez przeszkód nawet przez grubą warstwę materii.

Pochłanianie fotonów gamma w materii możemy porównać z jazdą szalonych kierowców, którzy poruszają się ze stałą, dużą szybkością i nie zatrzymują się na światłach. Część z nich szybko zostanie wyeliminowana z ruchu wskutek wypadków, ale niektórzy szczęściarze mogą przejechać setki kilometrów.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem długozasięgowym - zasięg promieniowania gamma w materii jest teoretycznie nieskończony, ale w praktyce wystarczającą ochronę zapełniają płyty ołowiane lub wielometrowa warstwa betonu.

Długi zasięg promieniowania gamma może stanowić dla nas problem, ponieważ promieniowanie to jest szkodliwe dla organizmów żywych. Jest bardzo przenikliwe, łatwo przechodzi przez cały organizm, a jonizacja powoduje uszkodzenia komórek różnych organów. Jeśli dawka pochłoniętego promieniowania przekracza pewną wartość, zwaną dawką progową, może wystąpić choroba popromienna.

Promieniowanie gamma nie jest jednak egzotycznym zjawiskiem, z którym nie mamy do czynienia w codziennym życiu. W naszym otoczeniu jest stale obecne promieniowanie gamma pochodzące z izotopów radioaktywnych, których bardzo małe domieszki posiada każdy przedmiot, a także nasze ciało. Promieniowanie gamma dochodzi także do powierzchni Ziemi z kosmosu, stanowi składnik tak zwanego promieniowania kosmicznego. To otaczające nas promieniowanie, zwane promieniowaniem tła, nie jest dla nas szkodliwe. Dopiero duże dawki promieniowania, na jakie mogą być narażeni, na przykład, pracownicy elektrowni jądrowych, stanowią problem i wymagają specjalnej ochrony.

Promieniowanie gamma powstaje we wnętrzach gwiazd w reakcjach syntezy lekkich jąder w cięższe. Wydziela się przy tym ogromna energia, emitowana, między innymi, własnie w postaci promieniowania gamma. Największe emisje promieniowania gamma pojawiają się, gdy dochodzi do wielkich kosmicznych katastrof takich, jak zderzenia gwiazd neutronowych albo czarnych dziur, lub zapadnięcie się masywnej gwiazdy do postaci czarnej dziury w wybuchu supernowej. Dochodzące do Ziemi, tak zwane, błyski gamma pochodzą właśnie z takich zdarzeń.

Słowniczek