Gamma-sugárzás

A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses sugárzás, melynek frekvenciája 10¹⁹ Hz feletti, illetve hullámhossza 20-30 pikométer alatti. A gamma-foton energiája 30-50 keV felett van, ezért ionizáló hatású.

A gamma-sugárzás az elektromágneses spektrumban a röntgensugárzás rövidebb hullámhosszú tartományához csatlakozik. Van is köztük bizonyos átfedés hullámhosszban, frekvenciában illetve a foton energiatartalmában, hiszen a röntgensugarak akár a 60-80 keV-os tartományig terjedhetnek. Ezért nem is az energiatartalmuk alapján, hanem a keletkezésükben szerepet játszó fizikai folyamatok alapján különböztetjük meg őket. Gamma-sugárzás keletkezik a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiájú állapotba történő átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomláskor. Ez a bomlás sok esetben kíséri az alfa- és béta-bomlást, valamint a magreakciókat. De gamma-foton keletkezik a pozitron-elektron találkozásakor bekövetkező annihilációkor is.

A gamma-sugarak (mint minden más ionizáló sugárzás) előidézhetnek égési sebeket, rákot és genetikai mutációkat.

A gamma-sugarak elleni védekezés nagy atomtömegű és sűrűségű elemekkel a leghatásosabb. Erre a célra általában az ólmot használják. De például a reaktorok aktív zónáját több méter vastag nehézbeton fallal veszik körül, ami egy magas kristályvíztartalmú, nehézfémmel, például báriummal (barit) adalékolt beton. Minél nagyobb energiájú a gamma-sugárzás, annál vastagabb réteg szükséges a védekezéshez.

Kölcsönhatása az anyaggal

A gammafoton energiatartamától függően a gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása során háromféle folyamat következhet be:

• Fotoeffektus vagy fényelektromos jelenség – egy atom elektronhéja elnyeli a fotont, aminek energiája teljesen egy elektron energiájává alakul át, így az gerjesztett állapotba kerül vagy elhagyja az atomot.
• Compton-szórás a foton rugalmatlan szóródása egy szabad, illetve gyengén kötött elektronon. Ez esetben a foton energiájának csak egy részét adja át az elektronnak.
• Párképződés – elektron-pozitron pár képződhet, ha a foton energiája meghaladja az 1,02 MeV-ot (az elektron – pozitronpár nyugalmi tömege)

Az alumínium abszorpciós együttható. Látható, hogy kisebb energiákon a Compton-effektus, míg nagy energiákon a párkeltés dominál.

A gamma-sugárzás anyagban való terjedésére, illetve elnyelődésére a következő modellt állíthatjuk fel. A dx vastagságú rétegen való áthaladás közben az intenzitás csökkenése arányos a beeső intenzitás nagyságával, és a rétegvastagsággal, azaz:

$dI=-I\ \mu \ dx$

Ezt integrálva kapjuk a sugárzás intenzitásának a közegben megtett (x) távolság függvényében való csökkenésére vonatkozó összefüggést:

$I(x)=I_{0}\ e^{-\mu \ x}$

Ahol a $\mu$ abszorpciós együttható nem csak a közeg anyagától, hanem a sugárzásban terjedő fotonok energiatartalmától is függ, ahogy ez a mellékelt ábrán is látható.

Alkalmazása

• sterilizálás
• terápia – rákos daganatok eltávolítása
• radiológia – radioaktív izotópok nyomon követése a szervezetben
• gamma-radiográfia – roncsolásmentes anyagvizsgálat, átvilágítás, hibakeresés
• elemanalízis – karakterisztikus gammafotonok segítségével (például aktivációs analízis és pgaa)

Felfedezése

A gamma-sugarakat 1900-ban Paul Ulrich Villard fedezte fel. Sokáig részecskéknek hitték őket, míg 1910-ben William Henry Bragg be nem bizonyította, hogy elektromágneses hullámokról van szó. Megmérte a hullámhosszukat kristályon való diffrakció segítségével.

További információk

• A sugárzás - muszakiak.hu - a műszaki portál
• Magyarított Flash animáció a Compton-szórás, a fotoeffektus és a párképződés összevetéséről. Szerző: David M. Harrison
• Magyarított sztochasztikus Java szimuláció a Compton-effektusról. Szerző: Jan Humble
• Magyarított Flash animáció a párképződésről, majd az azt követő pozitronannihilációról. Szerző: David M. Harrison