Gamma odnosi się do wysokiej częstotliwości, promieniowania elektromagnetycznego o fotonu którego długość fali jest mniejsza niż około dziesięć nanometrów (<10 -8 m ), co odpowiada częstotliwości powyżej około 30 petahertz (> 3 x 10 16 Hz ). Mogą mieć energię w zakresie od kilku k eV do kilkuset GeV lub nawet do 450 TeV dla najbardziej energetycznej, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Odkrycie promieni gamma w 1900 roku zawdzięczamy Paulowi Villardowi , francuskiemu chemikowi (1860-1934), który zaobserwował to promieniowanie podczas de-wzbudzenie jądra atomowego powstałego w wyniku rozpadu , ten proces emisji nazywa się „promieniotwórczością gamma” .
Promienie gamma są bardziej przenikliwe niż cząstki alfa i beta , ale są mniej jonizujące . Mają taką samą naturę jak promienie rentgenowskie, ale różnią się pochodzeniem i częstotliwością.
Promienie gamma są wytwarzane przez przejścia jądrowe, podczas gdy promienie X są wytwarzane przez przejścia elektronowe, zwykle spowodowane zderzeniem elektronu z atomem przy dużej prędkości. Częstotliwość ich fal jest rzędu od 10 17 do 10 19 (w Hz). Ponieważ nie jest to możliwe dla pewnych przejść elektronowych jest więcej energii niż przemian jądrowych, istnieją pewne nakładanie się rentgenowskich o wysokiej energii i niskim zużyciu energii promieniowania gamma.
Obserwacje promieniowania gamma emitowanego podczas burzy gromadzą się, co wydaje się być związane z prądami elektrycznymi, których najbardziej widocznym przejawem jest piorun. Uwzględnienie wpływu naturalnych prądów elektrycznych na poziomie jądrowym umożliwiło zrozumienie przypadkowych, gwałtownych przejawów pojawiających się czasami w bateriach elektrycznych, którym towarzyszy produkcja neutronów i innych cząstek.
Źródła promieniowania gamma we Wszechświecie znane są od 1948 r., ale zaobserwowano je dopiero od wczesnych lat 60. Rzeczywiście, fotony gamma są prawie całkowicie zatrzymane przez ziemską atmosferę. Pierwsze obserwacje astronomiczne zostały wykonane z balonów , z brzmiące (czas bardzo krótkie obserwacje). Są teraz obserwowane przez wyspecjalizowane teleskopy kosmiczne . Najbardziej energetyczne promienie gamma mogą być pośrednio obserwowane przez obserwatoria naziemne, które wychwytują kaskadę elektromagnetyczną generowaną przez efekt Wawiłowa-Czerenkowa . Promieniowanie gamma z kosmicznych źródeł wynika z najbardziej gwałtownych wydarzeń we wszechświecie: relatywistycznych dżetów wytwarzanych przez supermasywne czarne dziury ( blazary ), rozbłyski gamma itp. Energia emitowanych fotonów gamma może sięgać setek GeV .
Przechodząc przez materię, promienie gamma są pochłaniane wykładniczo:
Tutaj :
Widzimy więc, że ekranowanie przed promieniami gamma wymaga dużej ilości materiału i że nie da się zatrzymać 100% promieniowania. Na przykład, osłony, która zmniejsza intensywność 1 MeV gamma 50% wymaga 1 cm z ołowiu , 6 cm z betonu, albo 9 cm ziemi. Im wyższa liczba atomowa ( Z ), tym silniejsze tłumienie. Odwracając powyższą zależność, grubość niezbędną do tłumienia promieniowania o współczynnik X = I 0 / I jest dana wzorem d = [Ln (1 / 1- X )] / µ . Przy ekranowaniu ołowianym, liczbie atomowej Z = 82 i współczynniku absorpcji µ = 0,693147 cm- 1 , potrzeba 6,6 cm, aby usunąć 99%, 13 cm, aby usunąć 99,99% i 19,9 cm, aby wyeliminować 99,9999% (co osłabia energię promieniowania o współczynnik 10 6 ). Przy ekranowaniu betonem, współczynnik absorpcji µ = 0,1155, potrzeba 19,9 cm, aby wyeliminować 90% promieniowania gamma, 99,6 cm, aby wyeliminować 99,999%, 1,20 m dla 99,9999% i 1,30 m dla 99,99999% (promieniowanie gamma podzielone przez 10 7 ).
Wnikając w substancję, taką jak żywa materia, dawka napromieniowania promieniami gamma najpierw przechodzi przez maksimum lub „grzbiet Taverniera”, nazwany na cześć belgijskiego fizyka Guya Taverniera, który odkrył to zjawisko w 1948 roku, a następnie zmniejsza się wykładniczo wraz z głębokością. To maksimum wynosi około 1 cm głębokości dla promieni gamma, a intensywność tego promieniowania gamma jest silnie zależna od długości dyfuzji ważnej dla penetrowanej substancji.
Promienie gamma oddziałują z materią za pośrednictwem trzech głównych mechanizmów:
W efektu fotoelektrycznego , a y fotonów współdziała z materii przez przeniesienie całej energii do oczodołu elektronów , który jest następnie wyrzucana z atomem, z którym została związana. Energia kinetyczna tego obrazu -elektron jest równa energii fotonu gamma minus energia wiązania elektronu. Uważa się, że efekt fotoelektryczny jest mechanizmem transferu energii pierwotnej dla promieni rentgenowskich i gamma o energii poniżej 50 keV , ale jest znacznie mniej ważny przy wyższych energiach. Jego zakres energii zależy od liczby atomowej.
W przypadku rozpraszania Comptona foton gamma ma więcej niż wystarczającą energię, aby oderwać elektron z orbity; pozostała energia jest ponownie emitowana w postaci nowego fotonu gamma o niższej energii, którego kierunek emisji różni się od kierunku padania oryginalnego fotonu gamma. Wydajność rozpraszania Comptona spada wraz ze wzrostem energii fotonów; uważa się, że jest to główny mechanizm absorpcji promieniowania gamma w zakresie energii od 100 keV do 10 MeV , czyli tym, który obejmuje większość promieniowania gamma z wybuchu jądrowego . Rozpraszanie Comptona jest względnie niezależne od liczby atomowej materiału absorbującego fotony gamma.
Oddziałując z siłą Coulomba w sąsiedztwie jądra atomowego, energia padającego fotonu gamma może spontanicznie zostać przekształcona w masę w postaci pary elektron - pozyton . Wytwarzanie takiej pary wymaga więcej energii niż masy spoczynkowej cząstek, z których jest złożona, czyli 1,022 MeV : nadmierna energia jest przenoszona w postaci energii kinetycznej do pary utworzonej jak i jądrze atomu. Wytworzony elektron, często nazywany elektronem wtórnym , jest silnie jonizujący. Jeśli chodzi o pozyton, który również jest bardzo jonizujący, ma on bardzo krótką żywotność w materii: 10-8 s , ponieważ gdy tylko zostanie mniej więcej zatrzymany, jest anihilowany przez elektron; całkowita energia masowa tych dwóch cząstek jest następnie przekształcana w dwa fotony gamma o mocy 0,511 MeV każdy.
Pozytony wytwarzane w tych trzech procesach wytwarzają dużo jonizacji , które spowalniają je do końca ich podróży, gdzie pozytony anihilują z elektronami z ośrodka materialnego.
To jest spektrometria absorpcyjna.
Próbka jest wzbudzana przez promieniowanie gamma (fotony), którego energia jest zróżnicowana wokół energii przejścia jądrowego. W tym celu mamy źródło emitujące ciągłe promieniowanie i wprawiamy je w ruch przez oscylacje; to efekt Dopplera-Fizeau powoduje zmianę energii.
Za próbką znajduje się detektor. Gdy energia padającego promieniowania odpowiada energii przejścia, promieniowanie jest pochłaniane, a zatem zebrane natężenie jest mniejsze.
Widmo mössbauerowskie składa się z zestawu multipletów, których kształt i położenie (przesunięcie chemiczne) są charakterystyczne zarówno dla stopnia utlenienia, jak i natury i geometrii najbliższych sąsiadów badanego pierwiastka chemicznego.
Promienie gamma pochodzące z opadu radioaktywnego byłyby prawdopodobnie największym zagrożeniem w przypadku wojny nuklearnej . Jeśli promienie gamma są mniej jonizujące niż promienie alfa lub beta, wymagają znacznie większej grubości osłony, aby się przed nimi chronić (rzędu kilku metrów grubości żelbetu). Mogą powodować uszkodzenia podobne do tych wytwarzanych przez promieniowanie rentgenowskie i inne promieniowanie jonizujące, takie jak oparzenia ( efekt deterministyczny ), nowotwory i mutacje genetyczne ( efekty stochastyczne ).
We Francji Krajowa Sieć Pomiarów Radioaktywności Środowiska (RNM) nadaje pomiary promieniowania gamma w różnych punktach kraju. Poniżej rzędy wielkości (wyrażone w nanosiwertach na godzinę, symbol nSv/h) tego promieniowania mierzonego przez różne organizacje w latach 2009-2012:
Środki EFR:
Pomiary IRSN miejsc o wysokiej radioaktywności naturalnej:
Środki IRSN:
Środki CEA:
Inne środki: