Žiarenie gama

Gama žiarenie často vzniká spolu s alfa či beta žiarením pri rádioaktívnom rozpade jadier atómov. Keď jadro vyžiari časticu α alebo β, nové jadro môže byť v excitovanom stave. Do nižšieho energetického stavu môže prejsť vyžiarením fotónu gama žiarenia podobne ako elektrón v obale atómu vyžiarením kvanta ultrafialového žiarenia.

Príkladom môže byť beta rozpad kobaltu-60 ⁶⁰Co na nikel-60 ⁶⁰Ni, pri ktorom v prvom stupni najprv jadro kobaltu vyšle časticu β (teda elektrón e^-) a elektrónové antineutríno ν_e a premení sa na jadro niklu v excitovanom stave:

${\displaystyle {}^{60}{\hbox{Co}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni*}}\;+\;e^{-}\;+\;{\overline {\nu }}_{e}.}$

Potom sa novo vzniknuté excitované jadro zbaví prebytočnej energie vyžiarením kvanta žiarenia gama:

${\displaystyle {}^{60}{\hbox{Ni*}}\;\to \;^{60}{\hbox{Ni}}\;+\;\gamma .}$

Vyžiarené kvantá žiarenia gama majú v tomto prípade energiu buď 1,17 MeV alebo 1,33 MeV.

Iným príkladom môže byť alfa rozpad amerícia-241 ²⁴¹Am na Neptúnium-237 ²³⁷Np, ktorý je podobne ako predchádzajúci sprevádzaný vyžiarením gama kvánt. Rozdiel je v tom, že teraz majú vyžiarené kvantá omnoho viac rôznych energií, rovnako ako napr.. pri beta rozpade irídia-192 ¹⁹²Ir na platinu-192 ¹⁹²Pt.

Aj keď je žiarenie gama menej ionizujúce ako α i β, je pre živé organizmy vrátane človeka nebezpečné. Spôsobuje podobné poškodenia ako röntgenové žiarenie: popáleniny, rakovinu, mutácie. Preto je nutné sa pred účinkami gama žiarenia chrániť. Žiarenie gama by pri prípadnom nukleárnom konflikte spôsobilo najviac úmrtí.

Poškodzuje orgány živých organizmov pri zvýšených dávkach. Dávky sa merajú v Grayoch (1 Gy = J/kg). Ožiarenie živočícha alebo osoby nad 1 Gy spôsobuje akútny radiačný syndróm alebo akútnu chorobu z ožiarenia. Prejavuje sa poškodením tkanív a buniek v tele, ktoré sa intenzívne delia. To je zárodočné a krvotvorné tkanivo a potom epitelová výstelka tenkého čreva a epidermis. Z toho vyplýva, že vysoké dávky žiarenia poškodia embryo alebo fétus v matkinom tele, prudko znížia hladiny erytrocytov, leukocytov a trombocytov v krvi (= tzv. krvná forma radiačného syndrómu). Črevná forma sa prejavuje nauzeou, zvracaním a malabsorpsiou, eventuálne poškodený epitel predstavuje výborné miesto na osídlenie mikroorganizmami. Na koži sa vyskytuje erytém, epilácia (strata vlasov) a dermatitída.

Žiarenie gama reaguje s materiálmi troma hlavnými spôsobmi. Fotoelektrickým javom, Comptonovým javom a vznikom elektrón-pozitrónového páru. Z nich prvé dva spôsobujú ionizáciu atómov s ktorými sa kvantá dostanú do interakcie.

Fotoelektrický jav vzniká, keď fotón γ interaguje s elektrónom na orbite atómu a odovzdá mu všetku energiu, čo elektrónu umožní opustiť atóm. Kinetická energia uvoľneného elektrónu sa rovná energii fotónu γ znížené o väzobnú energiu elektrónu ktorou bol pôvodne viazaný v atóme. Fotoelektrický jav je dominantný mechanizmus výmeny energie pre rontgenové žiarenie a gama žiarenie s energiou pod 50 keV, u energetickejších prevažujú iné formy výmeny.

Comptonov jav nazývaný tiež Comptonov rozptyl či Compton-Debyeov jav je interakcia fotónu s voľným, alebo slabo viazaným orbitálnym elektrónom, pri ktorom časť energie fotónu umožní únik elektrónu z atómu a zvyšok energie je vyžiarený v podobe menej energetického fotónu. Tento jav je dominantný pre fotóny γ o energiách 100 keV až 10 MeV; pri jadrovom výbuchu je v tomto rozsahu energií vyžiarená väčšina fotónov žiarenia gama. Comptonov jav je relatívne nezávislý od atómového čísla interagujúceho materiálu.

Vznik elektron-pozitronového páru nastáva pri prelete fotónu v dosahu coulombovskej sily jadra. Energia fotónu je využitá na vznik páru elektrón-pozitrón. Na vznik týchto častíc je potrebné 1,02 MeV, (čo je energetický ekvivalent dvoch pokojových hmotností elektrónu), zvyšná energia sa zmení na kinetickú energiu vznikajúceho páru a jadra. Pozitrón má veľmi krátky čas rozpadu. Počas asi 10^-8 s anihiluje s voľným elektrónom pri vyžiarení dvoch gama fotónov s energiou po 511 keV.

Na pohltenie žiarenia γ je potrebné veľkú masu materiálu. najvhodnejšie sú materiály s vysokým atómovým číslom a vysokou hustotou. Čím energetickejšie je žiarenie, tým hrubší materiál na tienenie je potrebný. Schopnosť materiálu pohlcovať žiarenie spravidla vyjadrujeme polohrúbkou materiálu.

Polohrúbka materiálu označuje takú hrúbku materiálu, cez ktorú prejdené žiarenie gama zníži svoju intenzitu na polovicu. Napríklad žiarenie γ s energiou 1MeV sa po prechode 1 cm olova zredukuje na 50 %. Rovnako bude mať polovičnú intenzitu tiež po prechode cez 6 cm betónu.

Vysokoenergetická povaha žiarenia gama z neho vytvára účinný prostriedok na hubenie baktérii a plesní, čo sa využíva pri sterilizácii lekárskych nástrojov, alebo pri ošetrovaní potravín. S výhodou sa používa tiež na červotočom napadnuté staré drevené umelecké diela, ktoré by chemikálie mohli poškodiť.

Aj keď žiarenie gama samo osebe spôsobuje rakovinu, používa sa aj pri jej liečení. Prístroj gama nôž využíva niekoľko nízkoenergetických lúčov z rôznych smerov, ktoré sa pretnú v mieste nádoru a tým vytvoria vysokoenergetický bod, ktorý dokáže zničiť napadnutú bunku. Nízkoenergetický lúč samotný pritom bunky nezničí.

Využíva sa tiež v nukleárnej medicíne pre diagnostické účely. Ako zdroj žiarenia sa používajú rádioizotopy napr. technécium-99m.

Žiarenie gama objavil francúzsky chemik a fyzik Paul Ulrich Villard v roku 1900 pri štúdiu uránu. Pomocou aparatúry, ktorú si sám postavil, pozoroval, že žiarenie nie je ohýbané magnetickým poľom.

Spočiatku sa myslelo, že žiarenie γ má časticovú povahu, rovnako ako α a β. Britský fyzik William Henry Bragg v roku 1910 ukázal jeho vlnový charakter tým, že ionizuje plyn obdobne ako röntgenové žiarenie.

V r. 1914 Ernest Rutherford a Edward Andrade dokázali zmeraním jeho vlnovej dĺžky pomocou röntgenovej kryštalografie, že žiarenie gama je druh elektromagnetického žiarenia. Pomenovanie „žiarenie gama“ zaviedol Ernest Rutherford ako obdobu alfa a beta žiarenia ešte v dobe, keď nebol známy rozdiel vo fyzikálnej podstate týchto druhov žiarenia.

Fyzikálny portál