伽马射线

伽马射线，是的贯通形式的电磁辐射从所述产生的放射性衰变的原子核。它由最短波长的电磁波组成，因此可以提供最高的光子能量。保罗维拉尔，法国化学家和物理学家，1900年发现的伽玛辐射，同时研究辐射发射的镭。1903年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）将该辐射伽马射线命名为其相对强的物质穿透力; 1900年，他已经按穿透力的升序命名了两种穿透力较小的衰减辐射类型（由Henri Becquerel发现）、α射线和β射线。

放射性衰变产生的伽玛射线的能量范围从几千电子伏特（keV）到大约8兆电子伏特（〜8  MeV），相当于寿命较长的原子核中的典型能级。伽马射线的能谱可用于使用伽马能谱鉴定衰变的放射性核素。从诸如天鹅座X-3微型星源等来源观察到了100-1000兆电子伏特（TeV）范围内的超高能伽马射线。

源自地球的伽玛射线的天然来源主要是放射性衰变和大气与宇宙射线粒子相互作用产生的二次辐射的结果。但是，还有其他稀有的自然资源，例如地面伽马射线闪光，它们是通过电子作用于原子核而产生伽马射线的。伽玛射线的著名人工来源包括裂变（例如发生在核反应堆中的裂变）和高能物理实验（例如中性介子的衰变和核聚变）。

伽马射线和X射线都是电磁辐射，并且由于它们在电磁光谱中重叠，因此术语在科学学科之间有所不同。在某些物理学领域，它们的来源是不同的：伽马射线是由核衰变产生的，而在X射线的情况下，其起源是在原子核之外。在天体物理学中，伽马射线通常被定义为具有高于100  keV的光子能量，是伽马射线天文学的主题，而低于100 keV的辐射被归类为X射线，并且是X射线天文学的主题。这个约定源于早期的人造X射线，其能量最高只能达到100 keV，而许多伽马射线可以照射到更高的能量。天文学的伽马射线大部分被地球大气层遮挡。

伽马射线是电离辐射，因此具有生物危害性。由于它们的高穿透力，它们会损坏骨髓和内部器官。与alpha和beta射线不同，它们容易穿过人体，因此带来了巨大的辐射防护挑战，需要使用高密度材料（例如铅或混凝土）制成的屏蔽材料。

地球上伽玛射线的天然来源包括自然发生的放射性同位素（例如40钾）引起的伽玛射线衰变，以及作为各种大气与宇宙射线粒子相互作用的次级辐射。产生非核起源伽马射线的一些罕见的陆地自然资源是雷击和地面伽马射线闪光，它们会通过自然高能电压产生高能发射。伽玛射线是通过许多天文学过程产生的，其中产生了非常高能的电子。此类电子通过ms致辐射的康普逆散射机理产生二次伽马射线。和同步辐射。此类天文伽马射线的很大一部分都被地球大气层遮挡了。伽玛射线的明显人工来源包括裂变（例如发生在核反应堆中）以及高能物理实验（例如中性介子的衰变和核聚变）。

用于辐射或成像的伽马射线发射材料的样本被称为伽马源。它也称为放射源，同位素源或辐射源，尽管这些更笼统的术语也适用于发射α和β的设备。伽玛射线源通常被密封以防止放射性污染，并以沉重的屏蔽层进行运输。

伽玛射线是在伽玛衰减期间产生的，伽玛衰减通常发生在其他形式的衰减发生之后，例如alpha或beta衰减。放射性核可以通过发射一种或者b粒子。产生的子核通常处于激发态。然后，它可以通过发射伽玛射线光子，以称为“伽玛衰减”的过程衰减到较低的能量状态。

从受激原子核发射伽马射线通常仅需要10 ^-12秒。伽玛衰变也可能伴随着中子捕获，核裂变或核聚变等核反应。伽玛衰变也是伴随其他类型的放射性衰变（例如β衰变）而使原子核的许多激发态弛豫的一种方式，只要这些态具有核自旋的必要成分。当高能伽马射线、电子或质子轰击材料时，被激发的原子会发出特征性的“次级”伽马射线，这是在被轰击的原子中产生激发核态的产物。这种跃迁是核伽马荧光的一种形式，形成了核物理学中称为伽马光谱学的一个话题。荧光伽玛射线的形成是放射性伽玛射线衰减的快速亚型。

在某些情况下，发出β粒子或其他类型的激发之后的激发核态可能比平均值更稳定，并且如果其衰变时间（至少）长100到1000倍，则称为亚稳态激发态。比平均10 ^-12秒 这种寿命相对较长的激发核称为核异构体，其衰变称为异构体跃迁。这样的核具有半衰期它们更容易测量，并且稀有核异构体能够在发射伽马射线之前保持其激发态数分钟、数小时、数天，有时甚至更长的时间。因此，异构体跃迁的过程与任何伽马发射相似，但不同之处在于，它涉及原子核的中间亚稳态激发态。亚稳态通常以高核自旋为特征，需要随着γ衰变而改变几个或多个单位的自旋，而不是仅在10 ^-12秒内发生的单个单位跃迁。当原子核的激发能量较小时，伽马衰减的速率也会减​​慢。

从任何类型的激发态发出的伽马射线都可以将其能量直接转移到任何电子，但最有可能转移到原子的K个壳层电子之一，从而将其从该原子中排出，这一过程通常称为光电效应。（外部伽玛射线和紫外线也可能导致此效果）。光电效应不应与内部转换过程混淆，在内部转换过程中，不会产生伽马射线光子作为中间粒子（相反，可以认为是“虚拟伽马射线”来介导该过程）。

由于它们具有穿透性，因此伽玛射线需要大量的屏蔽物质才能将其降低到对活细胞无害的水平，与之相反，α粒子可以被纸或皮肤阻挡，而β粒子则可以被屏蔽由薄铝制成。伽玛射线xxx被具有高原子序数（Z）和高密度的材料吸收，这有助于总的阻止能力。因此，铅（高Z）屏蔽层作为伽马屏蔽层的质量要比同等质量的另一个低Z屏蔽层高20–30％屏蔽材料，例如铝，混凝土，水或土壤；铅的主要优点不是重量轻，而是由于密度高而致密。防护服，护目镜和呼吸器可防止内部接触或摄入α或β发射颗粒，但不能保护其免受外部来源的γ辐射。

伽马射线的能量越高，由相同屏蔽材料制成的屏蔽就越厚。用于屏蔽伽玛射线的材料通常通过将伽玛射线的强度减小一半（半价层或HVL）所需的厚度来测量。例如，需要1厘米（0.4英寸）铅将其强度降低50％的伽马射线，其强度也将降低一半，即减少4.1厘米的花岗岩岩石，6厘米（2½英寸）的混凝土或9厘米（ 3½“）堆积的土壤。但是，这种具有大量吸收能力的混凝土或土壤的质量仅比铅的质量大20–30％。贫铀γ射线用于便携式伽玛射线源的屏蔽，但是相对于所需的屏蔽来说，便携式光源的体积很小，因此在铅上的重量节省更大，因此屏蔽在某种程度上类似于球体。球体的体积取决于半径的立方。因此，将半径减小一半的源将使其体积（和重量）减小八分之一，这将足以补偿铀的更大密度（并减小体积）。在核电站中，压力和颗粒容器中的钢和混凝土可以提供屏蔽，而水在存储或运输到反应堆堆芯期间可以为燃料棒提供辐射屏蔽。与保持在水下相比，水的损失或“热”燃料组件的排空将导致更高的辐射水平。

伽马射线穿过物质时会通过三个过程进行电离：光电效应、康普顿散射和成对产生。

• 光电效应：这描述了一种情况，其中伽马光子与原子电子相互作用并将其能量转移给原子电子，从而导致该电子从原子中喷出。所得光电子的动能等于入射伽马光子的能量减去最初将电子束缚到原子上的能量（束缚能）。对于能量低于50 keV（千电子伏特）的X射线和伽马射线光子，光电效应是主要的能量传递机制，但在更高的能量下，光电效应的重要性要小得多。
• 康普顿散射：这是一种相互作用，其中入射的伽马光子将足够的能量损失给原子电子以引起其喷射，而原始光子能量的其余部分作为新的，较低能的伽马光子发射，其发射方向与入射伽马光子，因此称为“散射”。康普顿散射的可能性随着光子能量的增加而降低。康普顿散射被认为是中等能量范围（100 keV至10 MeV）内伽马射线的主要吸收机制。康普顿散射相对独立于吸收材料的原子序数，这就是为什么非常重的材料（如铅）在重量上仅适度更好的屏蔽层的原因 根据，比不那么密集的材料。
• 成对产生：伽马能量超过1.02 MeV时，这才有可能实现，当能量超过5 MeV时，它作为吸收机制变得很重要。通过与原子核电场的相互作用，入射光子的能量被转换为电子-正电子对的质量。超过两个粒子的等效静止质量（总计至少1.02 MeV）的任何伽马能量都将以该对的动能和发射核的后坐力形式出现。在正电子范围的尽头，它与自由电子结合，然后将两个two灭，然后将这两个的整个质量转换为两个至少具有0.51 MeV能量（或根据被particles灭的粒子的动能更高）的伽马光子。

在这三个过程中的任何一个过程中产生的二次电子（和/或正电子）通常具有足够的能量以自身产生大量的电离。

此外，伽马射线，特别是高能射线，可以与原子核相互作用，导致在光解或某些情况下甚至在核裂变（光裂变）中射出粒子。

来自遥远类星体的高能（从80 GeV到〜10 TeV）伽玛射线用于估算宇宙中的河外背景光：最高能量的射线与背景光子的相互作用更容易，因此，可以通过分析入射的伽马射线光谱来估计背景光。 

伽马能谱是对原子核中能量跃迁的研究，通常与γ射线的吸收或发射有关。如在光学光谱学中（见弗兰克-康登效应），当伽马射线的能量与能量在跃迁中的能量相同时，原子核对伽马射线的吸收特别可能（即“共振”中的峰）。核。在伽马射线的情况下，这种共振在穆斯堡尔光谱技术中可见。在莫斯鲍尔效应中通过将原子核物理固定在晶体中，可以成功地实现对核γ吸收的窄共振吸收。需要将核固定在γ共振相互作用的两端，以便在γ跃迁的发射端或吸收端，没有γ能量损失到反冲的动能中。这种能量损失导致伽马射线共振吸收失败。但是，当所发射的伽马射线基本上携带产生该射线的原子核去激励的所有能量时，该能量也足以在相同类型的第二固定核中激发相同的能态。

伽玛射线提供有关宇宙中一些最活跃的现象的信息；但是，它们很大程度上被地球的大气吸收。诸如费米伽马射线太空望远镜之类的高空气球和卫星任务上的仪器提供了我们对伽马射线的xxx观测。

伽马射线诱导的分子变化也可以用来改变半宝石的性质，并且经常用于将白色托帕石变成蓝色托帕石。

非接触式工业传感器通常在精炼、采矿、化学、食品、肥皂和洗涤剂以及纸浆和造纸工业中使用伽马辐射源来测量液位、密度和厚度。伽马射线传感器还用于测量水和石油工业中的液位。通常，这些使用Co-60或Cs-137同位素作为辐射源。

伽玛射线通常被用来杀死生物，这一过程称为放射线。其应用包括对医疗设备进行灭菌（作为高压灭菌器或化学方法的替代品），从许多食品中去除引起腐烂的细菌以及防止水果和蔬菜发芽以保持新鲜度和风味。

尽管伽马射线具有致癌特性，但它们也可用于治疗某些类型的癌症，因为伽马射线还可以杀死癌细胞。在称为伽玛刀手术的程序中，将多个集中的伽玛射线束引向生长，以杀死癌细胞。从不同角度瞄准光束，以将辐射集中在生长物上，同时xxx程度地减少对周围组织的损害。

伽玛射线还用于成像技术中的核医学诊断目的。使用了许多不同的发射伽马射线的放射性同位素。例如，在PET扫描中，一种放射性标记的糖（称为氟氧葡萄糖）发出正电子，该正电子被电子electron灭，产生伽玛射线对，突显癌症，因为该癌症的代谢率通常高于周围组织。医疗应用中最常用的伽马发射器是核异构体 tech 99m，它发射与诊断X射线相同能量范围的伽马射线。将这种放射性核素示踪剂施用于患者时，会使用伽马相机可以通过检测发射的伽马射线来形成放射性同位素分布的图像。取决于使用示踪剂标记的分子，可以使用此类技术来诊断各种疾病（例如，通过骨扫描将癌症扩散到骨骼）。

X射线和伽马射线之间的常规区别已随时间而改变。最初，X射线管发射的电磁辐射几乎总是比放射性核发射的辐射（伽玛射线）具有更长的波长。较早的文献根据波长区分X射线和伽马射线，其辐射短于某些任意波长（例如10 ^-11 m，被定义为伽马射线）。由于光子的能量与频率成正比，与波长成反比，因此过去对X射线的区分 伽马射线的能量也可以被考虑，伽马射线被认为比X射线具有更高的能量电磁辐射。

但是，由于当前的人工源现在能够复制源自原子核的任何电磁辐射以及更高的能量，因此与其他类型的放射源相比，放射性伽马射线源的特征波长现已完全重叠。因此，伽马射线现在通常通过它们的来源来区分：X射线是由原子核外部的电子按定义发出的，而伽马射线是由原子核发出的。   在天文学中会发生这种惯例的例外，在某些超新星的余辉中会出现伽马衰变，但是已知由高能过程产生的辐射仍被归类为伽马辐射，其中高能过程的辐射还涉及放射性衰变以外的其他辐射源。

例如，由线性加速器产生的用于癌症中兆伏电压治疗的现代高能X射线通常比由核伽马衰变产生的大多数经典伽马射线具有更高的能量（4至25 MeV）。一个在诊断中最常用的发射γ射线的同位素的核医学，锝-99m，产生相同的能量（140千电子伏），其由诊断X射线机产生的γ辐射，但比治疗显著较低能量的光子从线性粒子加速器。在当今的医学界，仍然遵循这样的惯例，即由核衰变产生的辐射是xxx被称为“伽马”辐射的类型。

由于能量范围的这种广泛重叠，在物理学中，现在经常按其起源来定义两种类型的电磁辐射：X射线是由电子发射的（或者在原子核以外的轨道中，或者在加速产生致辐射型时）辐射，而γ射线是由核或通过其它的装置发射粒子衰变或湮灭事件。对由核反应产生的光子的能量没有下限，因此，由这些过程产生的紫外线或较低能的光子也将被定义为“伽马射线”。xxx仍被普遍尊重的命名惯例是这样的规则，即已知具有原子核起源的电磁辐射始终被称为“伽马射线”，而不是X射线。但是，在物理学和天文学中，经常违反相反的约定（即所有伽马射线都被认为是核起源）。

在天文学中，较高能量的伽马射线和X射线由能量定义，因为产生它们的过程可能是不确定的，而光子能量而非起源决定了所需的天文探测器。高能光子在自然界出现，已知是由除核衰变以外的过程产生的，但仍被称为伽马辐射。一个例子是雷电在10到20 MeV下产生的“伽马射线”，已知是由致辐射机制产生的。

另一个例子是伽马射线爆发，现在已经知道它是由太强大的过程产生的，以至于无法简单吸收经历放射性衰变的原子。这是普遍认识到的一部分，在天文学过程中产生的许多伽玛射线不是由放射性衰变或粒子an灭产生的，而是由类似于X射线的非放射性过程产生的。尽管天文学的伽马射线通常来自非放射性事件，但天文学中的一些伽马射线特别已知是由原子核的伽马衰变产生的（通过光谱和发射半衰期证明）。一个经典的例子是超新星SN 1987A，它从新产生的放射性镍56和钴56的衰变中发出“余辉”的伽马射线光子。但是，天文学中的大多数伽马射线是由其他机制引起的。