Gamma staru fizika

Gamma stars, īsākā viļņa garuma un lielākās enerģijas elektromagnētiskais starojums.

elektromagnētiskais starojums: gamma stari

Sešus gadus pēc tam, kad Jaunzēlandē dzimušais britu fiziķis Ernests Rutherfords atklāja radioaktivitāti (1896) no Francijas Henri Bekerelara

Gamma stari rodas radioaktīvo atomu kodolu sadalīšanās laikā un noteiktu subatomisko daļiņu sabrukšanas laikā. Elektromagnētiskā spektra gamma un rentgenstaru reģionu vispārpieņemtās definīcijas ietver zināmu viļņu garuma pārklāšanos ar gamma starojuma starojumu, kura viļņu garums parasti ir īsāks par dažām angstromas desmitdaļām (^10–10 metri) un gamma- staru fotoni, kuru enerģija ir lielāka par desmitiem tūkstošu elektronu voltu (eV). Nav teorētiskas gamma-staru fotonu enerģijas robežas un gamma-starojuma viļņu garumu; novērotās enerģijas pašlaik sniedzas līdz dažiem triljoniem elektronu voltu - šie ārkārtīgi lielās enerģijas fotoni tiek ražoti astronomiskos avotos, izmantojot pašlaik neidentificētus mehānismus.

Terminu gamma starojums 1903. gadā izgudroja britu fiziķis Ernests Rutherfords pēc agrīniem radioaktīvo kodolu izmešu pētījumiem. Tāpat kā atomiem ir diskrēti enerģijas līmeņi, kas saistīti ar dažādām riņķojošo elektronu konfigurācijām, arī atomu kodoliem ir enerģijas līmeņa struktūras, ko nosaka protonu un neitronu konfigurācijas, kas veido kodolus. Kaut arī enerģijas atšķirības starp atomu enerģijas līmeņiem parasti ir diapazonā no 1 līdz 10-eV, kodola enerģijas atšķirības parasti nokrīt no 1-keV (tūkstošiem elektronu voltu) līdz 10-MeV (miljons elektronu voltu). Kad kodols veic pāreju no augstas enerģijas līmeņa uz zemāku enerģijas līmeni, tiek izstarots fotons, lai pārvadātu lieko enerģiju; kodolenerģijas līmeņa atšķirības atbilst fotonu viļņu garumiem gamma staru reģionā.

Kad nestabils atoma kodols sadalās stabilākā kodolā (sk. Radioaktivitāti), “meitas” kodols dažreiz tiek satrauktā stāvoklī. Turpmākā meitas kodola relaksācija zemākas enerģijas stāvoklī rada gamma-starojuma fotona izstarošanu. Gamma-ray spektroskopija, kas ietver precīzu dažādu kodolu izstaroto gamma-starojuma fotonu enerģijas mērīšanu, var izveidot kodolenerģijas līmeņa struktūras un ļauj identificēt radioaktīvo elementu pēdas, izmantojot to gamma-starojuma izstarojumu. Gamma stari tiek ražoti arī svarīgajā pāra iznīcināšanas procesā, kurā tiek izveidots elektrons un tā pretdaļiņas, pozitronu, izzūd un divi fotoni. Fotonus izstaro pretējos virzienos, un katram no tiem jābūt 511 keV enerģijas - elektronu un pozitronu pārējās masas enerģijas (sk. Relativistisko masu). Gamma starus var ģenerēt arī dažu nestabilu subatomisko daļiņu, piemēram, neitrāla piona, sabrukšanas laikā.

Gamma-starojuma fotoni, tāpat kā to rentgena kolēģi, ir jonizējošā starojuma forma; Kad tie iziet caur matēriju, viņi parasti nogulsnē savu enerģiju, atbrīvojot elektronus no atomiem un molekulām. Zemākajos enerģijas diapazonos gamma staru fotonu bieži pilnībā absorbē atoms, un gamma staru enerģija tiek nodota vienā izstumtā elektronā (skat. Fotoelektrisko efektu). Augstākas enerģijas gamma stari, visticamāk, izkliedēsies no atomu elektroniem, katrā izkliedes notikumā nogulsnējot daļu savas enerģijas (sk. Komptona efektu). Standarta metodes gamma staru noteikšanai ir balstītas uz atbrīvoto atomu elektronu iedarbību gāzēs, kristālos un pusvadītājos (sk. Radiācijas mērījumu un scintilācijas skaitītāju).

Gamma stari var mijiedarboties arī ar atomu kodoliem. Pāru ražošanas procesā gamma-starojuma fotons ar enerģiju, kas divreiz pārsniedz elektrona masas enerģiju (vairāk nekā 1,02 MeV), pārejot tuvu kodolam, tiek tieši pārveidots par elektronu-pozitronu pāri (sk. Fotogrāfiju). Pie vēl lielākām enerģijām (vairāk nekā 10 MeV) gamma staru var tieši absorbēt kodols, izraisot kodola daļiņu izmešanu (skat. Fotodisintegrāciju) vai kodola sadalīšanos procesā, ko sauc par fotofiziju.

Gamma staru medicīniskais pielietojums ietver vērtīgu pozitronu emisijas tomogrāfijas (PET) attēlveidošanas paņēmienu un efektīvu staru terapiju vēža audzēju ārstēšanai. PET skenēšanā ķermenī tiek ievadīts īslaicīgs pozitronu izstarojošs radioaktīvs medikaments, kas izvēlēts tā piedalīšanās dēļ noteiktā fizioloģiskā procesā (piemēram, smadzeņu funkcijā). Izstarotie pozitroni ātri apvienojas ar tuvumā esošajiem elektroniem un, iznīcinot pāri, rodas divi 511 keV gamma stari, kas pārvietojas pretējos virzienos. Pēc gamma staru noteikšanas ar datora ģenerētu gamma staru izstarošanas vietu rekonstrukciju tiek iegūts attēls, kas izceļ pārbaudāmā bioloģiskā procesa atrašanās vietu.

Tā kā gamma stari, dziļi iekļūstot jonizējošā starojumā, izraisa būtiskas bioķīmiskas izmaiņas dzīvās šūnās (sk. Radiācijas traumu). Radiācijas terapijas izmanto šo īpašību, lai selektīvi iznīcinātu vēža šūnas mazos lokalizētos audzējos. Radioaktīvos izotopus ievada vai implantē audzēja tuvumā; gamma stari, kurus nepārtraukti izstaro radioaktīvie kodoli, bombardē skarto zonu un apstādina ļaundabīgo šūnu attīstību.

Gaismas staru apsekojumi no Zemes virsmas, meklējot minerālus, kas satur radioaktīvos mikroelementus, piemēram, urānu un toriju. Lai atbalstītu ģeoloģisko kartēšanu, minerālu izpēti un vides piesārņojuma identificēšanu, tiek izmantota gamma-staru spektroskopija no gaisa un zemes. Gamma stari pirmo reizi tika atklāti no astronomiskiem avotiem 20. gadsimta 60. gados, un gamma staru astronomija tagad ir vispāratzīts pētījumu lauks. Tāpat kā astronomisko rentgena pētījumu laikā, gamma staru novērojumi jāveic virs spēcīgi absorbējošās Zemes atmosfēras - parasti ar riņķojošiem satelītiem vai gaisa baloniem augstumā (sk. Teleskopu: Gamma-ray teleskopi). Ir daudz intriģējošu un slikti izprotamu astronomisku gamma staru avotu, ieskaitot spēcīgus punktu avotus, kas provizoriski tiek identificēti kā pulsāri, kvazāri un supernovas paliekas. Starp aizraujošākajām neizskaidrojamām astronomiskajām parādībām ir tā saucamie gamma staru pārrāvumi - īsas, ārkārtīgi intensīvas emisijas no avotiem, kas acīmredzami izotropiski izplatās debesīs.