Gama ışını

Gama ışını veya gama radyasyonu (sembolü γ veya $\gamma$ ), atomik çekirdeklerin radyoaktif bozunmasından kaynaklanan penetran bir elektromanyetik radyasyondur. En kısa dalga boyu elektromanyetik dalgalardan oluşur ve en yüksek foton enerjisini verir. Fransız kimyager ve fizikçi olan Paul Villard, 1900 yılında radyum yaydığı radyasyonu incelerken gama radyasyonunu keşfetti. 1903 yılında Ernest Rutherford, bu radyasyon gama ışınlarını, maddenin nispeten güçlü nüfuz etmesine dayanarak adlandırdı; 1900 yılında, daha az nüfuz eden iki tip bozunma radyasyonu (Henri Becquerel tarafından keşfedildi), artan ışın sırasına göre alfa ışınları ve beta ışınları seçmişti.

Radyoaktif bozunmadan kaynaklanan gama ışınları, birkaç kiloelektronvolttan (keV) ila yaklaşık 8 megaelektronvolt'a (~ 8 MeV) kadar enerji aralığındadır, bu da oldukça uzun ömürlü çekirdeklerdeki tipik enerji seviyelerine karşılık gelir. Gama ışınlarının enerji spektrumu, gama spektroskopisini kullanarak bozunan radyonüklitleri tanımlamak için kullanılabilir. 100-1000 teraelektronvolt (TeV) aralığında çok yüksek enerjili gama ışınları, Cygnus X-3 mikrokuasar gibi kaynaklardan gözlenmiştir.

Dünya kaynaklı doğal gama ışın kaynakları çoğunlukla radyoaktif bozunma ve kozmik ışın parçacıkları ile atmosferik etkileşimlerden kaynaklanan ikincil radyasyonun bir sonucudur. Bununla birlikte, çekirdeğe elektron hareketinden gama ışınları üreten karasal gama ışını flaşları gibi başka nadir doğal kaynaklar da vardır. Dikkat çekici yapay gama ışın kaynakları, nükleer reaktörlerde meydana gelenler gibi fisyon ve nötr piyon bozunması ve nükleer füzyon gibi yüksek enerji fiziği deneylerini içerir.

Gama ışınları ve X-ışınlarının her ikisi de elektromanyetik radyasyondur ve elektromanyetik spektrumda üst üste geldiklerinden, terminoloji bilimsel disiplinler arasında değişir. Bazı fizik alanlarında, kökenleri ile ayırt edilirler: Gama ışınları nükleer bozunma ile yaratılırken, X-ışınları durumunda, kaynak çekirdeğin dışındadır. Astrofizikte, gama ışınları geleneksel olarak 100 keV'nin üzerinde foton enerjilerine sahip olarak tanımlanır ve gama ışını astronomisine konu olurken, 100 keV'nin altındaki radyasyon X-ışınları olarak sınıflandırılır ve X-ışını astronomi konusudur. Bu sözleşme, sadece 100 keV'ye kadar enerjileri olan erken insan yapımı X-ışınlarından kaynaklanırken, birçok gama ışını daha yüksek enerjilere gidebilir. Astronomik gama ışınlarının büyük bir kısmı Dünya atmosferi tarafından taranır.

Gama ışınları iyonlaştırıcı radyasyondur ve bu nedenle biyolojik olarak tehlikelidir. Yüksek penetrasyon güçleri nedeniyle kemik iliğine ve iç organlara zarar verebilirler. Alfa ve beta ışınlarından farklı olarak, vücuttan kolayca geçerler ve böylece kurşun veya beton gibi yoğun malzemelerden yapılmış koruma gerektiren zorlu bir radyasyondan korunma zorluğu oluştururlar.

Gama ışınları bir aynadan yansıtılamaz ve dalga boyları o kadar küçüktür ki dedektördeki atomlar arasında geçerler. Bu, gama ışınlarının dedektörlerinin genellikle yoğun paketlenmiş elmaslar içerdiği anlamına gelir.

Keşif tarihçesi

Keşfedilecek ilk gama ışını kaynağı, gama bozulması olarak adlandırılan radyoaktif bozunma süreciydi. Bu bozulma durumunda, uyarılmış bir çekirdek oluşumdan hemen sonra bir gama ışını yayar. Fransız bir kimyager ve fizikçi olan Paul Villard, 1900'de radyumdan yayılan radyasyonu incelerken gama radyasyonunu keşfetti. Villard, tarif ettiği radyasyonun, daha önce tarif edilen, 1896'da Henri Becquerel tarafından "radyoaktivite" olarak tanımlanan beta ışınlarını ve 1899'da Rutherford tarafından daha az nüfuz eden bir radyasyon şekli olarak keşfedilen alfa ışınlarını içeren, daha önce tarif edilen radyum türlerinden daha güçlü olduğunu biliyordu. Bununla birlikte, Villard bunları farklı bir temel tür olarak adlandırmayı düşünmedi. Daha sonra, 1903'te Villard'ın radyasyonu, Rutlardford'un 1899'da farklılaştırdığı beta ve alfa ışınlarına benzeterek Villard'ın ışınlarını "gama ışınları" olarak adlandıran Ernest Rutherford tarafından daha önce adlandırılan ışınlardan temel olarak farklı bir tür olarak kabul edildi. Radyoaktif elementler tarafından yayılan "ışınlar", Yunan alfabesinin ilk üç harfini kullanarak çeşitli malzemelere nüfuz etme güçlerine göre adlandırılmıştır: en az nüfuz eden alfa ışınları, ardından beta ışınları, ardından en nüfuz eden gamma ışınları. Rutherford ayrıca gama ışınlarının manyetik alan tarafından sapmadığını (veya en azından kolayca sapmadığını), başka bir özellik onları alfa ve beta ışınlarından farklı kıldığını belirtti.

Gama ışınlarının ilk önce alfa ve beta ışınları gibi kütleli parçacıklar olduğu düşünülüyordu. Rutherford başlangıçta son derece hızlı beta parçacıkları olabileceğine inanıyordu, ancak manyetik alan tarafından saptırılmamaları hiçbir yüklerinin olmadığını gösterdi. 1914'te gama ışınlarının kristal yüzeylerden yansıdığı ve elektromanyetik radyasyon olduğunu kanıtladıkları görülmüştür. Rutherford ve meslektaşı Edward Andrade, radyumun gama ışınlarının dalga boylarını ölçtüler ve X-ışınlarına benzer olduklarını, ancak daha kısa dalga boylarına ve (böylece) daha yüksek frekansa sahip olduklarını buldular. Bu, sonunda, genel terim genel olarak kabul edilir edilmez, foton başına daha fazla enerji verdiği kabul edildi. Daha sonra bir gama bozunmasının genellikle bir gama foton yaydığı anlaşıldı.

Kaynaklar

[File:NASA's Fermi Explores the Early Universe.ogv|thumb|300px|Bu animasyon, uzak bir blazar'un jetindeki emisyonlarından Fermi'nin Geniş Alan Teleskopuna (LAT) ulaşmalarına kadar uzay ve zaman boyunca çeşitli gama ışınlarını izler.]] Dünyadaki doğal gama ışını kaynakları arasında, potasyum-40 gibi doğal olarak oluşan radyoizotoplardan kaynaklanan gama bozunması ve ayrıca kozmik ışın parçacıkları ile çeşitli atmosferik etkileşimlerden ikincil bir radyasyon bulunmaktadır. Nükleer kaynaklı olmayan gama ışınları üreten bazı nadir karasal doğal kaynaklar, yıldırım çarpmaları ve doğal yüksek enerji voltajlarından yüksek enerji emisyonları üreten karasal gama ışını flaşlarıdır. Gama ışınları, çok yüksek enerjili elektronların üretildiği bir dizi astronomik işlemle üretilir. Bu elektronlar, bremsstrahlung, ters Compton saçılması ve senkrotron radyasyonu mekanizmaları ile ikincil gama ışınları üretir. Bu tür astronomik gama ışınlarının büyük bir kısmı Dünya atmosferi tarafından taranır. Dikkat çekici yapay gama ışın kaynakları, nükleer reaktörlerde olduğu gibi fisyonun yanı sıra nötr pion bozunması ve nükleer füzyon gibi yüksek enerjili fizik deneylerini içerir.

Işıma veya görüntüleme için kullanılan bir gama ışını yayan malzeme örneği, gama kaynağı olarak bilinir. Radyoaktif kaynak, izotop kaynağı veya radyasyon kaynağı olarak da adlandırılır, ancak bu daha genel terimler alfa ve beta yayan cihazlar için de geçerlidir. Gama kaynakları genellikle radyoaktif kontaminasyonu önlemek için mühürlenir ve ağır ekranlamada taşınır.

Radyoaktif bozunma (gama bozunması)

Gama ışınları, normalde alfa veya beta bozunma gibi diğer bozunma biçimlerinden sonra ortaya çıkan gama bozunması sırasında üretilir. Radyoaktif bir çekirdek, bir a veya β partikülünün emisyonu ile bozunabilir. Ortaya çıkan bağ çekirdeği genellikle uyarılmış bir durumda kalır. Daha sonra, bir gama ışını fotonu yayarak, gama bozunması denilen bir süreçte daha düşük bir enerji durumuna bozunabilir.

Uyarılmış bir çekirdekten bir gama ışınının yayılması tipik olarak sadece 10-12 saniye gerektirir. Gama bozulması, nötron yakalama, nükleer fisyon veya nükleer füzyon gibi nükleer reaksiyonları da takip edebilir. Gama bozunması, beta bozunması gibi diğer radyoaktif bozunma türlerinin ardından, bu durumlar nükleer spinin gerekli bileşenine sahip olduğu sürece, birçok heyecanlı atom çekirdeği durumunun gevşeme modudur. Yüksek enerjili gama ışınları, elektronlar veya protonlar bombardıman materyalleri olduğunda, uyarılan atomlar, bombardımana tutulan atomlarda uyarılmış nükleer durumların yaratılmasının ürünü olan karakteristik "ikincil" gama ışınları yayar. Bir nükleer gama floresanı biçimi olan bu geçişler, nükleer fizikte gama spektroskopisi adı verilen bir konu oluşturur. Floresan gama ışınlarının oluşumu, radyoaktif gama bozulmasının hızlı bir alt tipidir.

Bazı durumlarda, bir beta parçacığının veya başka bir uyarımın emisyonunu izleyen uyarılmış nükleer durum, ortalamadan daha kararlı olabilir ve eğer bozunma 100 ila 1000 kat daha uzun sürerse, ortalama 10−12 saniyeden daha uzunsa metastabil bir uyarılmış durum olarak adlandırılır. Bu nispeten uzun ömürlü uyarılmış çekirdeklere nükleer izomerler denir ve bozunmasına izomerik geçişler denir. Bu tür çekirdeklerin daha kolay ölçülebilen yarı ömürleri vardır ve nadir nükleer izomerler, bir gama ışını yaymadan önce uyarılmış durumlarında dakikalar, saatler, günler veya bazen çok daha uzun süre kalabilirler. Bu nedenle izomerik geçiş süreci herhangi bir gama emisyonuna benzer, ancak çekirdeklerin orta derecede metastabil uyarılmış durum(lar)ı içermesi bakımından farklılık gösterir. Metastabil durumlar genellikle sadece 10⁻¹² saniyede meydana gelen tek bir ünite geçişi yerine gama bozunmasıyla birkaç birim veya daha fazla spin değişikliği gerektiren yüksek nükleer spin ile karakterizedir. Çekirdeğin uyarma enerjisi az olduğunda gama bozunma hızı da yavaşlar.

Herhangi bir uyarılmış durumdan yayılan bir gama ışını, enerjisini herhangi bir elektrona doğrudan aktarabilir, ancak büyük olasılıkla atomun K kabuk elektronlarından birine aktarabilir ve bu da genellikle fotoelektrik etki olarak adlandırılan bir işlemde bu atomdan çıkarılmasına neden olur. (dış gama ışınları ve ultraviyole ışınları da bu etkiye neden olabilir). Fotoelektrik etki, bir gama ışını fotonunun ara bir parçacık olarak üretilmediği iç dönüşüm işlemi ile karıştırılmamalıdır (daha ziyade, bir "sanal gama ışını" işleme aracılık ettiği düşünülebilir).

Bozunma şemaları

kobalt-60 Radyoaktif bozunma şeması
Kobalt-60'ın gama emisyon spektrumu

Radyonüklid bozunmasına bağlı gama ışını üretiminin bir örneği, ekteki diyagramda gösterildiği gibi kobalt-60 için bozunma şemasıdır. İlk olarak, ⁶⁰Co 0.31 MeV'lik bir elektronun beta bozunması emisyonu ile ⁶⁰Ni'yi uyarır. Daha sonra uyarılmış ⁶⁰Ni, 1.17 MeV ve ardından 1.33 MeV'den sonra gama ışınları yayarak taban haline düşer (nükleer kabuk modeline bakın). Bu yol %99.88 oranında takip ediliyor.

60 27Co	→	60 28Ni*	+	e−	+	Bağlantı tanımlanmadı eklemek için tıkla	+	γ	+	1.17 MeV
60 28Ni*	→	60 28Ni					+	γ	+	1.33 MeV

Başka bir örnek ²⁴¹Am alfa bozunmasıdır ²³⁷Np oluşturmak için; bunu gama emisyonu izler. Bazı durumlarda, bağ çekirdeğinin gama emisyon spektrumu oldukça basittir (örn. ⁶⁰Co/⁶⁰Ni), (²⁴¹Am/²³⁷Np ve ¹⁹²Ir/¹⁹²Pt) gibi diğer durumlarda, gama emisyon spektrumu karmaşıktır bir dizi nükleer enerji seviyesi vardır.

Parçacık fiziği

Gama ışınları, parçacık fiziğinin birçok işleminde üretilir. Tipik olarak gama ışınları, elektromanyetik etkileşimlerle (zayıf veya güçlü bir etkileşimden ziyade) bozunan nötr sistemlerin ürünleridir. Örneğin, bir elektron-pozitron imhasında, olağan ürünler iki gama ışını fotonudur. Eğer yok edici elektron ve pozitron hareketsizse, elde edilen gama ışınlarının her biri ~ 511 keV enerjiye ve ~ 7020124000000000000♠1.24×10²⁰ Hz frekansına sahiptir. Benzer şekilde, nötr bir pion çoğu zaman iki foton haline gelir. Diğer birçok hadron ve büyük bozon da elektromanyetik olarak bozunur. Buna göre Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi yüksek enerjili fizik deneylerinde önemli miktarda radyasyon kalkanı kullanılır. Atomaltı parçacıklar çoğunlukla atom çekirdeğinden çok daha kısa dalga boylarına sahip olduklarından, parçacık fiziği gama ışınları genellikle nükleer bozunma gama ışınlarından daha enerjik birkaç mertebedir. Gama ışınları enerji açısından elektromanyetik spektrumun en üstünde olduğu için, son derece yüksek enerjili tüm fotonlar gama ışınlarıdır; örneğin, Planck enerjisine sahip bir foton bir gama ışını olacaktır.

Diğer kaynaklar

Astronomideki birkaç gama ışınının gama bozulmasından kaynaklandığı bilinmektedir (bkz. SN1987A), ancak çoğu değildir.

Gama radyasyon aralığında enerji taşıyan astrofiziksel kaynaklardan gelen fotonlar genellikle açıkça gama radyasyonu olarak adlandırılır. Nükleer emisyonlara ek olarak, genellikle atom altı parçacık ve parçacık-foton etkileşimleri ile üretilirler. Bunlar arasında elektron-pozitron imhası, nötr pion bozulması, bremsstrahlung, ters Compton saçılması ve senkrotron radyasyonu bulunur.

Laboratuvar kaynakları

Ekim 2017'de, çeşitli Avrupa üniversitelerinden bilim adamları, kaskad ve anormal radyasyon yakalama arasındaki kontrollü bir etkileşim yoluyla lazerleri heyecan verici olarak kullanan GeV foton kaynakları için bir araç önerdi.

Karasal fırtınalar

Fırtınalar, karasal gama ışını flaşı adı verilen kısa bir gama radyasyonu darbesi üretebilir. Bu gama ışınlarının, elektronları hızlandıran yüksek yoğunluklu statik elektrik alanları tarafından üretildiği düşünülür, daha sonra atmosferdeki atomlar ile çarpıştıklarında ve yavaşladıkları bremsstrahlung tarafından gama ışınları üretilir. 100 MeV'a kadar olan gama ışınları karasal fırtınalar tarafından yayılabilir ve uzay kaynaklı gözlemciler tarafından keşfedilmiştir. Bu, fırtına bulutlarının içinde veya yakınında uçan uçaklarda yolcu ve mürettebat için sağlık riski olasılığını artırır.

Güneş ışınları

En etkili güneş patlamaları, γ-ışınları dahil olmak üzere tüm EM spektrumunda yayılır. İlk kendinden emin gözlem 1972'de gerçekleşti.

Kozmik ışınlar

Dünya dışı, yüksek enerjili gama ışınları, kozmik ışınlar (yüksek hızlı elektronlar veya protonlar) sıradan bir madde ile çarpıştığında üretilen ve 511 keV'de çift üretim gama ışınları üreten gama ışını arka planını içerir. Alternatif olarak, bremsstrahlung, kozmik ışın elektronları yeterince yüksek atom sayısına sahip çekirdeklerle etkileşime girdiklerinde onlarca MeV veya daha fazla enerjide üretilir.

Atarcalar ve manyetarlar

CGRO uzay aracındaki EGRET aleti tarafından görüldüğü gibi 100 MeV veya daha büyük gama ışınlarındaki tüm gökyüzünün görüntüsü. Galaktik düzlem içindeki parlak noktalar pulsar iken, düzlemin üstünde ve altındakiler kuasar olarak düşünülür.

Gama ışını gökyüzüne (sağdaki resme bakın), Samanyolu içindeki pulsarlardan çıkan daha yaygın ve daha uzun süreli gama ışınlarının üretimine hakimdir. Gökyüzünün geri kalanından gelen kaynaklar çoğunlukla kuasarlardır. Pulsarların odaklanmış radyasyon ışınları üreten ve çok daha az enerjik, daha yaygın, manyetik alanlı nötron yıldızları olduğu düşünülmektedir ve kuasarlardan veya daha nadir gama ışını patlama gama ışınları kaynaklarından çok daha yakın kaynaklar (genellikle sadece kendi galaksimizde görülür). Pulsarlar, yakındaki ortamlarına gaz veya toz vurduğunda ve yavaşladığında gama ışınları (bremsstrahlung) yayan ve göreceli olarak hızlandırılmış parçacıkların odaklanmış ışınlarını üreten nispeten uzun ömürlü manyetik alanlara sahiptir. Bu, mega voltaj radyasyon terapi makinelerinde yüksek enerjili fotonların üretimine benzer bir mekanizmadır (bkz. Bremsstrahlung). Yüklü parçacıkların (genellikle elektronlar) düşük enerjili fotonlara enerji verdiği Ters Compton saçılması, onları daha yüksek enerjili fotonlara yükseltir. Fotonların göreli yüklü parçacık ışınları üzerindeki bu etkileri, gama ışını üretiminin bir başka olası mekanizmasıdır. Astronomik yumuşak gama tekrarlayıcıları ürettiği düşünülen çok yüksek manyetik alana (magnetarlar) sahip nötron yıldızları, nispeten uzun ömürlü yıldız enerjili bir gama radyasyonu kaynağıdır.

Kuasarlar ve aktif galaksiler

Çok uzak kuasarlardan ve daha yakın aktif galaksilerden daha güçlü gama ışınlarının, parçacık hızlandırıcısına benzer bir gama ışını üretim kaynağına sahip olduğu düşünülmektedir. Kuasar tarafından üretilen ve ters Compton saçılması, senkrotron radyasyonu veya bremsstrahlung'a maruz kalan yüksek enerjili elektronlar, bu nesnelerden kaynaklanan gama ışınlarının olası kaynağıdır. Bu galaksilerin merkezindeki süper kütleli bir kara deliğin yıldızları aralıklı olarak yok eden ve ortaya çıkan yüklü parçacıkları dönme kutuplarından çıkan ışınlara odaklayan güç kaynağı sağladığı düşünülmektedir. Bu ışınlar gaz, toz ve düşük enerjili fotonlarla etkileşime girdiğinde X ışınları ve gama ışınları üretir. Bu kaynakların nispeten küçük boyutlarını (birkaç haftadan az ışık haftaları) düşündürerek birkaç haftalık sürelerle dalgalandığı bilinmektedir. Bu tür gama ve röntgen kaynakları galaksimizin dışında en çok görülen yüksek yoğunluklu kaynaklardır. Patlamalarda parlamazlar, ancak gama ışını teleskoplarıyla görüntülendiğinde nispeten sürekli olarak parlarlar. Tipik bir kuasarın gücü yaklaşık 10⁴⁰ watt'tır, küçük bir kısmı gama radyasyonudır. Geri kalanların çoğu radyo dalgaları da dahil olmak üzere tüm frekansların elektromanyetik dalgaları olarak yayılır.

Gama ışını patlamaları

Gama ışınlarının en yoğun kaynakları, günümüzde bilinen her türlü elektromanyetik radyasyonun en yoğun kaynaklarıdır. Astronomi alanındaki "uzun süreli patlama" gama ışınlarının kaynaklarıdır (bu bağlamda "uzun", birkaç on saniye anlamına gelir) ve yukarıda tartışılan kaynaklara kıyasla nadirdirler. Aksine, süpernovalarla ilişkili olmayan iki saniye veya daha kısa "kısa" gama ışını patlamaları, nötron yıldız çiftlerinin veya bir nötron yıldızının ve bir kara deliğin çarpışması sırasında gama ışınları ürettiği düşünülmektedir.

Uzun süreli gama ışını patlamaları olarak adlandırılan toplam enerji çıktısı yaklaşık 10⁴⁰ jul (Güneşimizin tüm yaşam süresi boyunca üreteceği kadar enerji), ancak sadece 20 ila 40 saniyelik bir sürede üretilir. Gama ışınları toplam enerji çıkışının yaklaşık %50'sidir. Bu en bilinen yoğunluktaki radyasyon ışınlarının üretim mekanizması için önde gelen hipotezler, yüksek enerjili yüklü parçacıklardan ters Compton saçılması ve senkrotron radyasyonudur. Bu süreçler, rölativistik yüklü parçacıklar, süpernova patlaması sırasında oluşturulan yeni oluşturulmuş bir kara deliğin olay ufkunun bölgesini terk ettikleri zaman meydana gelir. Göreli hızlarda hareket eden parçacık demeti, patlayan hipernovaların manyetik alanı tarafından birkaç on saniye boyunca odaklanır. Hipernova'nın füzyon patlaması, sürecin enerjisini yönlendirir. Dar yönlendirilmiş ışın Dünya'ya doğru yönelirse, görünür bir evrenin kenarına yakın olan 10 milyar ışık yılına kadar mesafelerde bile tespit edilebilen gama ışını frekanslarında parlar.

Özellikleri

Maddeye nüfuzu

Alfa radyasyonu helyum çekirdeklerinden oluşur ve bir kağıt tarafından kolayca durdurulur. Elektronlardan veya pozitronlardan oluşan beta radyasyonu, alüminyum bir plaka tarafından durdurulur, ancak gama radyasyonu, kurşun veya beton gibi yoğun malzemelerle korunmayı gerektirir.

Gama ışınları doğaları geregi maddeye nüfuz eder, kağıt ve ince alüminyum ile korunabilen beta parçacıkları veya cilt tarafından durdurulabilen alfa parçacıklarının aksine, canlı hücrelere zararlı olmayan seviyelere düşürmek için büyük miktarda koruyucu kütleye ihtiyaç duyar. Gama ışınları en iyi toplam durdurma gücüne katkıda bulunan yüksek atom numarası (Z) ve yüksek yoğunluklu malzemeler tarafından emilir. Bu nedenle, kurşun (yüksek Z) kalkanı, gama kalkanı olarak alüminyum, beton, su veya toprak gibi düşük Z korumalı bir malzemenin eşit kütlesinden %20-30 daha iyidir; kurşun'un en büyük avantajı daha düşük ağırlıkta değil, daha yüksek yoğunluğu nedeniyle kompaktlığıdır. Koruyucu giysiler, gözlükler ve solunum maskeleri, alfa veya beta yayan parçacıklarla iç temastan veya yutulmasından koruyabilir, ancak dış kaynaklardan gelen gama radyasyonundan koruma sağlamaz.

Gama ışınlarının enerjisi ne kadar yüksek olursa, aynı koruyucu malzemeden yapılan ekranlama o kadar kalın olur. Gama ışınlarını korumak için malzemeler tipik olarak gama ışınlarının yoğunluğunu yarıya indirmek için gereken kalınlıkla ölçülür (yarı değerli katman veya HVL). Örneğin, yoğunluklarını %50 azaltmak için 1 cm (0.4″) kurşun gerektiren gama ışınlarının yoğunlukları da 4.1 cm granit kaya, 6 cm (2 (2½″) beton veya 9 cm (3½″) paketlenmiş toprak ihtiyav duyar. Bununla birlikte, bu kadar betonun veya toprağın kütlesi, aynı emme kapasitesine sahip kurşunun kütlesinden sadece %20-30 daha fazladır. Tükenmiş uranyum taşınabilir gama ışını kaynaklarında ekranlama için kullanılır, ancak burada taşınabilir bir kaynak gerekli ekranlamaya göre çok küçük olduğu için kurşun üzerindeki ağırlıktaki tasarruflar daha büyüktür, bu nedenle ekranlama bir dereceye kadar küreye benzemektedir. Kürenin hacmi yarıçapın küpüne bağlıdır; yarıçapı yarı yarıya kesilmiş bir kaynağın hacmi (ve ağırlığı) sekiz kat azaltılacak ve bu da uranyumun daha yüksek yoğunluğunu telafi etmekten daha fazla olacak (ayrıca kütleyi azaltacak). Bir nükleer santralde, basınç ve partikül tutma kabındaki çelik ve beton tarafından koruma sağlanabilirken, su depolama veya reaktör çekirdeğine taşıma sırasında yakıt çubuklarının radyasyondan korunmasını sağlar. Su kaybı veya "sıcak" yakıt grubunun havaya çıkarılması, su altında tutulduğundan çok daha yüksek radyasyon seviyelerine yol açar.

Madde etkileşimi

Bir gama ışını maddenin içinden geçtiğinde, emilim olasılığı tabakanın kalınlığı, malzemenin yoğunluğu ve malzemenin emme enine kesiti ile orantılıdır. Toplam emilim, olay yüzeyinden uzaklıkla birlikte üssel bir yoğunluk düşüşü gösterir:

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

burada x, gelen yüzeyden malzemenin kalınlığıdır, μ= nσ, cm⁻¹ olarak ölçülen emme katsayısı, n, malzemenin cm³'ü başına atom sayısı (atom yoğunluğu) ve σ, cm² cinsinden emme kesiti'dir.

Maddeden geçerken, gama radyasyonu üç işlemle iyonize olur: fotoelektrik etki, Compton saçılması ve çift üretimi.

Fotoelektrik etki: Bu, bir gama fotonunun etkileştiği ve enerjisini bir atomik elektrona aktardığı ve bu elektronun atomdan atılmasına neden olduğu durumu açıklar. Elde edilen fotoelektronun kinetik enerjisi, olay gama fotonunun enerjisine ek olarak elektronu atoma bağlayan enerjiye (bağlanma enerjisi) eşittir. Fotoelektrik etki, enerjileri 50 keV'nin (bin elektronvolt) altında olan X-ışını ve gama ışını fotonları için baskın enerji transfer mekanizmasıdır, ancak daha yüksek enerjilerde çok daha az önemlidir.
Compton saçılımı: Bu, bir olayda gama fotonunun atomik bir elektrona atılmasına neden olmak için yeterli enerjiyi kaybettiği, orijinal fotonun geri kalan enerjisinin yeni olarak yayıldığı bir etkileşimdir, emisyon yönü olay gama fotondan farklı olan daha düşük enerjili gama foton, dolayısıyla "saçılma" terimidir. Artan foton enerjisi ile Compton saçılma olasılığı azalır. Compton saçılımının, 100 keV ila 10 MeV ara enerji aralığında gama ışınları için ana emilim mekanizması olduğu düşünülmektedir. Compton saçılması, emici malzemenin atom numarasından nispeten bağımsızdır, bu nedenle kurşun gibi çok yoğun malzemeler, ağırlık bazında, daha az yoğun malzemelere göre sadece mütevazı olarak daha iyi kalkanlardır.
Çift üretimi: Bu, 1,02 MeV'yi aşan gama enerjileri ile mümkün olur ve 5 MeV üzerindeki enerjilerde bir emilim mekanizması olarak önem kazanır. Bir çekirdeğin elektrik alanıyla etkileşime girerek, gelen fotonun enerjisi bir elektron-pozitron çiftinin kütlesine dönüştürülür. İki parçacığın eşdeğer dinlenme kütlesini aşan herhangi bir gama enerjisi (toplamda en az 1.02 MeV), çiftin kinetik enerjisi ve yayan çekirdeğin geri tepmesinde görülür. Pozitron aralığının sonunda, serbest bir elektron ve iki imha ile birleşir ve bu ikisinin tüm kütlesi daha sonra her biri en az 0,51 MeV enerjiye (veya imha edilen partiküllerin kinetik enerjisine göre daha yüksek) iki gama fotonuna dönüştürülür.

Bu üç işlemden herhangi birinde üretilen ikincil elektronlar (veya pozitronlar) çoğu zaman iyonlaşmanın kendileri için yeterli enerjiye sahiptir.

Ek olarak, gama ışınları, özellikle yüksek enerjili olanlar, atom çekirdeği ile etkileşime girebilir, bu da fotodisintegrasyonda partiküllerin atılmasına ve hatta bazı durumlarda nükleer fisyona (fotofisyon) neden olabilir.

Işık etkileşimi

Uzaktaki kuasarlardan gelen yüksek enerjili (80 GeV ila ~ 10 TeV) gama ışınları, evrendeki ekstragalaktik arka plan ışığını tahmin etmek için kullanılır: En yüksek enerjili ışınlar, arka plan ışığı fotonları ve dolayısıyla yoğunluğu ile daha kolay etkileşir. arka plan ışığı gelen gama ışını spektrumlarını analiz ederek tahmin edilebilir.

Gama spektroskopisi

Gama spektroskopisi atom çekirdeğindeki genel olarak gama ışınlarının emilmesi veya yayılması ile ilişkili olan enerjisel geçişlerin incelenmesidir. Optik spektroskopide olduğu gibi (bkz. Franck-Condon etkisi) gama ışınlarının bir çekirdek tarafından emilmesi özellikle gama ışınının enerjisi, bir gama ışınının enerjisi ile aynı olduğunda, çekirdeği. Gama ışınları durumunda, Mössbauer spektroskopisi tekniğinde böyle bir rezonans görülür. Mössbauer etkisinde nükleer gama emilimi için dar rezonans emilimi, bir kristal içinde atomik çekirdeklerin fiziksel olarak hareketsizleştirilmesiyle başarılı bir şekilde elde edilebilir. Bir gama rezonans etkileşiminin her iki ucundaki çekirdeklerin immobilizasyonu gereklidir, böylece bir gama geçişinin yayan veya emici ucundaki geri tepme çekirdeklerinin kinetik enerjisine hiçbir gama enerjisi kaybolmaz. Bu tür enerji kaybı, gama ışını rezonans emiliminin başarısız olmasına neden olur. Bununla birlikte, yayılan gama ışınları esasen onları üreten atomik nükleer eksitasyon uyarımının tüm enerjisini taşıdığında, bu enerji aynı enerji durumunu aynı tipteki ikinci bir hareketsizleştirilmiş çekirdeğe uyarmak için de yeterlidir.

Kullanımları

Gama ışınları evrendeki en enerjik olaylardan bazıları hakkında bilgi sağlar; ancak, büyük ölçüde Dünya atmosferi tarafından emilirler. Fermi Gamma-ışını Uzay Teleskobu gibi yüksek irtifa balonları ve uydu misyonlarındaki enstrümanlar, gama ışınlarındaki evreni görmemizi sağlar.

Gama kaynaklı moleküler değişiklikler yarı değerli taşların özelliklerini değiştirmek için de kullanılabilir ve genellikle beyaz topazın mavi topaz haline dönüştürülmesi için kullanılır.

Temassız endüstriyel sensörler, seviyelerin, yoğunluğun ve kalınlıkların ölçülmesi için rafinaj, madencilik, kimyasallar, gıda, sabunlar ve deterjanlar ile kağıt hamuru ve kağıt endüstrilerinde genel olarak gama radyasyon kaynaklarını kullanır. Gama ışını sensörleri, su ve yağ endüstrilerindeki sıvı seviyelerini ölçmek için de kullanılır. Tipik olarak, bunlar radyasyon kaynağı olarak Co-60 veya Cs-137 izotoplarını kullanır.

ABD'de gama ışını dedektörleri, Container Security Initiative'in (CSI) bir parçası olarak kullanılmaya başlanmaktadır. Bu makinelerin saatte 30 konteyneri tarayabildiği ilan edilmektedir.

Gama radyasyonu genellikle ışınlama adı verilen bir süreçte canlı organizmaları öldürmek için kullanılır. Bunun uygulamaları, tıbbi ekipmanın sterilizasyonunu (otoklavlara veya kimyasal araçlara alternatif olarak), bozunmaya neden olan bakterilerin birçok gıdadan çıkarılmasını ve tazelik ve lezzet sağlamak için meyve ve sebzelerin filizlenmesinin önlenmesini içerir.

Kansere neden olan özelliklerine rağmen, gamma ışınları bazı kanser türlerini tedavi etmek için de kullanılır, çünkü ışınlar kanser hücrelerini de öldürür. Gama bıçağı ameliyatı denilen prosedürde, kanserli hücreleri öldürmek için çoklu konsantre gama ışınları büyümesine yönlendirilir. Kirişler, radyasyonun büyüme üzerine yoğunlaşmasını sağlarken, çevre dokulara verilen zararı en aza indirir.

Gama ışınları ayrıca görüntüleme tekniklerinde nükleer tıpta teşhis amaçlı kullanılmaktadır. Bir dizi farklı gama yayan radyoizotop kullanılır. Örneğin, bir PET taramasında, fludeoksiglukoz adı verilen radyoaktif etiketli bir şeker, elektronlar tarafından yok edilen pozitronlar yayar ve kanser genellikle çevre dokulardan daha yüksek bir metabolik hıza sahip olduğu için kanseri vurgulayan gama ışınları çiftleri üretir. Tıbbi uygulamalarda kullanılan en yaygın gama yayıcı, teşhis X-ışınları ile aynı enerji aralığında gama ışınları yayan nükleer izomer technetium-99m'dir. Bu radyonüklid izleyici bir hastaya uygulandığında, yayılan gama radyasyonunu tespit ederek radyoizotop dağılımının bir görüntüsünü oluşturmak için bir gama kamerası kullanılabilir . İzleyici ile hangi molekülün etiketlendiğine bağlı olarak, bu tür teknikler çok çeşitli durumları teşhis etmek için kullanılabilir (örneğin, kanserin kemik taraması yoluyla kemiklere yayılması).

Sağlık etkileri

Gama ışınları hücresel düzeyde hasara neden olur ve nüfuz ederek vücutta yaygın hasara neden olur. Bununla birlikte, daha az nüfuz eden alfa veya beta parçacıklarından daha az iyonlaştırıcıdırlar.

Düşük gama ışınları, radyasyon doz değerlendirmesi için kanser indüksiyonu ve genetik hasar olasılığı olarak tanımlanan stokastik bir sağlık riskine neden olur. Yüksek dozlar, gerçekleşmesi kesin olan akut doku hasarının ciddiyeti olan deterministik etkiler üretir. Bu etkiler ünite grisi (Gy) tarafından ölçülen fiziksel miktar tarafından emilen dozla karşılaştırılır.

Vücut tepkisi

Gama radyasyonu DNA moleküllerini kırarsa, hücre hasarlı genetik materyali sınırlar içinde onarabilir. Bununla birlikte, Rothkamm ve Lobrich'in bir çalışması, bu onarım işleminin yüksek doz maruziyetinden sonra iyi çalıştığını, ancak düşük doz maruziyetinde çok daha yavaş olduğunu göstermiştir.

Risk değerlendirmesi

Birleşik Krallık'taki doğal dış mekân maruziyeti, bilinen nükleer ve kontamine alanlar çevresinde önemli bir artışla 0.1 ila 0.5 µSv/s arasında değişir. Gama ışınlarına doğal maruziyet yılda yaklaşık 1 ila 2 mSv'dir ve ABD'de yaşayan kişi başına bir yılda alınan ortalama toplam radyasyon miktarı 3,6 mSv'dir. Doğal olarak oluşan gama radyasyonu nedeniyle, insan vücudunda fotoelektrik etkinin neden olduğu yüksek atom numaralı malzemelerin küçük parçacıklarının etrafında küçük dozda bir artış vardır.

Karşılaştırıldığında, göğüs radyografisinden (yaklaşık 0.06 mSv) gelen radyasyon dozu, doğal olarak oluşan yıllık arka plan radyasyon dozunun bir kısmıdır. Bir göğüs BT 5 ila 8 mSv sağlar. Tüm vücut PET/CT taraması, protokole bağlı olarak 14 ila 32 mSv iletebilir. Midenin floroskopisinden alınan doz çok daha yüksektir, yaklaşık 50 mSv (yıllık arka planın 14 katı).

1 V (1000 mSv) akut tüm vücut eşdeğeri tek maruz kalma dozu hafif kan değişikliklerine neden olur, ancak 2,0-3,5 Sv (2,0–3,5 Gy) çok şiddetli bulantı, saç dökülmesi ve kanama sendromuna neden olur ve önemli sayıda vaka - tıbbi tedavi olmadan yaklaşık %10 ila %35. Standart tıbbi tedavide bile radyasyona akut maruz kalma için 5 Sv (5 Gy) doz yaklaşık LD50 (maruz kalan popülasyonun %50'si için ölümcül doz) olarak kabul edilir. 5 Sv'den (5 Gy) yüksek bir doz, ölüm riskini %50'nin üzerine çıkarır. Tüm vücuda 7.5-10 Sv'nin (7.5-10 Gy) üstünde, kemik iliği nakli gibi olağanüstü tedavi bile maruz kalan bireyin ölümünü engellemez (bkz. Radyasyon zehirlenmesi). (Bununla birlikte, bundan daha büyük dozlar, radyasyon tedavisi sırasında vücudun seçilen bölgelerine verilebilir.)

Düşük doza maruz kalma için, örneğin yılda ortalama 19 mSv radyasyon dozu alan nükleer işçiler arasında, kanserden ölme riski (lösemi hariç) yüzde 2 oranında artar. 100 mSv'lik bir doz için risk artışı yüzde 10'dur. Buna karşılık, Hiroşima ve Nagazaki'nin atom bombardımanından sağ kurtulanlar için kanserden ölme riski yüzde 32 arttı.

Ölçme ve pozlama birimleri

Aşağıdaki tabloda SI ve SI olmayan birimlerdeki radyasyon miktarları gösterilmektedir:

İyonize radyasyona bağlı miktarlar gör ‧ tartış ‧ düzenle
Miktar	Birim	sembolü	türetme	Yıl	SI denklik
Aktivite (A)	becquerel	Bq	s⁻¹	1974	SI birimi
	küri	Ci	3.7 × 10¹⁰ s⁻¹	1953	3.7×10¹⁰ Bq
	rutherford	Rd	10⁶ s⁻¹	1946	1,000,000 Bq
Radyasyona maruz kalma (X)	kilogram başına coulomb	C/kg	C⋅kg⁻¹ kapalı hava	1974	SI birimi
Radyasyona maruz kalma (X)	röntgen	R	esu / 0.001293 g kapalı hava	1928	2.58 × 10⁻⁴ C/kg
Emilen doz (D)	gray	Gy	J⋅kg⁻¹	1974	SI birimi
	gram başına erg	erg/g	erg⋅g⁻¹	1950	1.0 × 10⁻⁴ Gy
	rad	rad	100 erg⋅g⁻¹	1953	0.010 Gy
Doz eşdeğeri (H)	sievert	Sv	J⋅kg⁻¹ × W_R	1977	SI birimi
Doz eşdeğeri (H)	röntgen eşdeğeri adam	rem	100 erg⋅g⁻¹	1971	0.010 Sv

Kuru havada gama ve X-ışınlarının iyonlaştırıcı etkisinin ölçüsüne, 1928'den itibaren eski bir birim olan röntgen'in kullanıldığı pozlama denir. Bu, artık esas olarak cihaz kalibrasyonu amacıyla kullanılan ancak alınan doz etkisi için kullanılmayan kerma ile değiştirildi. Gama ve diğer iyonlaştırıcı radyasyonun canlı doku üzerindeki etkisi, havanın iyonizasyonundan ziyade dokuda biriken enerji miktarı ile daha yakından ilişkilidir ve 1953'ten itibaren radyasyondan korunma için yedek radyometrik üniteler ve miktarlar tanımlanmış ve geliştirilmiştir.

Gri (Gy), ışınlanmış malzemede biriken radyasyon enerjisi miktarı olan emilen dozun SI birimidir.

Gama radyasyonu için bu, sayısal olarak sievert tarafından ölçülen eşdeğer doza eşdeğerdir; bu, düşük radyasyon seviyelerinin insan dokusu üzerindeki stokastik biyolojik etkisini gösterir. Absorbe edilen dozdan eşdeğer doza radyasyon ağırlıklandırma dönüşüm faktörü gama için 1 iken, alfa parçacıkları 20 faktörüne sahiptir ve doku üzerindeki iyonlaştırıcı etkilerini yansıtır.

Rad, emilen doz için kullanımdan kaldırılmış CGS birimidir ve rem, esas olarak ABD'de kullanılan eşdeğer dozun kullanımdan kaldırılmış CGS birimidir.

X-ışınları Farkları

X-ışınları ve gama ışınları arasındaki geleneksel ayrım zamanla değişmiştir. Başlangıçta, X-ışını tüpleri tarafından yayılan elektromanyetik radyasyonun neredeyse her zaman radyoaktif çekirdeklerin yaydığı radyasyondan (gama ışınları) daha uzun bir dalga boyu vardı. Daha eski literatür, dalga boyu temelinde X- ve gama radyasyonu arasında, gama ışınları olarak tanımlanan 10−11 m gibi rasgele bir dalga boyundan daha kısa radyasyon ile ayrılmıştır. Fotonların enerjisi frekanslarıyla orantılı olduğundan ve dalga boyuyla ters orantılı olarak, X-ışınları ve gama ışınları arasındaki bu geçmiş ayrımın enerjisi açısından da düşünülebilir, gama ışınları X-ışınlarından daha yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon olarak kabul edilir.

Bununla birlikte, mevcut yapay kaynaklar artık çekirdekten kaynaklanan herhangi bir elektromanyetik radyasyonu ve çok daha yüksek enerjileri çoğaltabildiğinden, radyoaktif gama ışını kaynaklarının diğer uzunluklara karşı karakteristik dalga boyları artık tamamen örtüşmektedir. Böylece, gama ışınları şimdi kökenlerine göre ayırt edilir: X-ışınları çekirdeğin dışındaki elektronların tanımı ile yayılırken, gama ışınları çekirdeğin yaydığıdır. Bu düzenin istisnaları, bazı süpernovaların gama ışınında gama bozulmasının görüldüğü astronomide meydana gelir, ancak radyoaktif bozunma dışındaki diğer radyasyon kaynaklarını içerdiği bilinen yüksek enerji işlemlerinden gelen radyasyon hala gama radyasyonu olarak sınıflandırılır.

Örneğin, kanserde megavoltaj tedavisi için doğrusal hızlandırıcılar tarafından üretilen modern yüksek enerjili X-ışınları, nükleer gama bozunması ile üretilen çoğu klasik gama ışınlarından daha yüksek enerjiye (4 ila 25 MeV) sahiptir. Tanısal nükleer tıpta kullanılan en yaygın gama ışını yayan izotoplardan biri olan technetium-99m, tanısal X-ışını makineleri tarafından üretilenle aynı enerjinin (140 keV), ancak doğrusaldan terapötik fotonlardan önemli ölçüde daha düşük gama radyasyonu üretir. Günümüzde tıp camiasında, nükleer bozunma tarafından üretilen radyasyonun "gama" radyasyonu olarak adlandırılan tek tip olduğu konvansiyonuna hala uyulmaktadır.

Enerji aralıklarındaki bu geniş çakışma nedeniyle, fizikte iki tür elektromanyetik radyasyon artık kökenlerine göre tanımlanmaktadır: X-ışınları elektronlar tarafından yayılır (çekirdeğin dışındaki orbitallerde veya bremsstrahlung tipi radyasyon üretmek için hızlandırılırken), gama ışınları çekirdek tarafından veya diğer parçacık bozunmaları veya imha olayları yoluyla yayılır. Nükleer reaksiyonlarla üretilen fotonların enerjisinde alt sınır yoktur ve bu nedenle bu işlemlerle üretilen ultraviyole veya düşük enerjili fotonlar da "gama ışınları" olarak tanımlanır. Halen evrensel olarak saygı duyulan tek adlandırma kuralı, atom nükleer kaynaklı olduğu bilinen elektromanyetik radyasyona her zaman "gama ışınları" denir ve asla X-ışınları olarak adlandırılmaz. Bununla birlikte, fizik ve astronomide, (tüm gama ışınlarının nükleer kaynaklı olduğu düşünülen) karşıt düzende sıklıkla ihlal edilmektedir.

Astronomide, daha yüksek enerjili gama ve X-ışınları enerji tarafından tanımlanır, çünkü bunları üreten süreçler belirsiz olabilir ve kaynak değil, foton enerjisi gerekli astronomik dedektörleri belirler. Nükleer bozunma dışındaki süreçler tarafından üretildiği bilinen ancak yine de gama radyasyonu olarak adlandırılan yüksek enerjili fotonlar doğada meydana gelir. Bir örnek, 10 ila 20 MeV'deki yıldırım deşarjlarından "gama ışınları" dır ve bremsstrahlung mekanizması tarafından üretildiği bilinmektedir.