Promieniowanie gamma jest jednym z trzech rodzajów promieniowania towarzyszących przemianom jądrowym. Dwa pozostałe rodzaje to promieniowanie alfa i beta. W ich przypadku mamy do czynienia ze strumieniem cząstek naładowanych (jąder helu – alfa i elektronów - beta), promieniowanie gamma jest natomiast falą elektromagnetyczną o bardzo wysokiej energii.

Rejestracja i badanie promieniowania jądrowego jest podstawową metodą uzyskiwania informacji na temat zjawisk zachodzących w jądrach atomowych. Do tego celu niezbędna jest znajomość natury i właściwości promieniowania. W mojej pracy chciałbym omówić podstawowe cechy promieniowania gamma, zjawiska zachodzące przy przejściu promieniowania gamma przez materię oraz najważniejsze parametry makroskopowe charakteryzujące oddziaływanie promieniowania z materią. Zamieszczone w pracy animacje są jedynie moim własnym wyobrażeniem przedstawianych zjawisk, a nie dokładnym odzwierciedleniem skomplikowanych procesów fizycznych.

Promieniowanie gamma jest zazwyczaj emitowane przez jądro pochodne powstałe w wyniku rozpadu promieniotwórczego. Emitując kwant promieniowania gamma jądro wyzbywa się nadmiaru energii i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego.

Jak już wspomniałem, promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o bardzo wysokiej energii, czyli bardzo małej długości fali. Umownie przyjmuje się, że górną granicą długości fali gamma jest 0,1 nm, co odpowiada minimalnej energii kwantu gamma, czyli ok. 0,1 MeV. Jak pamiętamy, długość fali (l) elektromagnetycznej w próżni jest związana w następujący sposób z jej częstotliwością (n):

,

gdzie c jest prędkością fali.

W tym miejscu warto również przypomnieć drugi wzór wiążący częstotliwość z energią fotonu:

,

gdzie h jest stałą Plancka.

Z powyższych wzorów wynika, że znajomość jednej z wymienionych wyżej wielkości – długości fali, częstotliwości lub energii – umożliwia jednoznaczne wyznaczenie dwóch pozostałych. W fizyce jądrowej podaje się zazwyczaj energię kwantów. Ma to związek z tym, że przy tak niewielkich długościach fal (czyli dużych energiach) na pierwszy plan wysuwają się właściwości korpuskularne promieniowania i to one mają wpływ na jego sposób oddziaływania z materią. W związku z tym należy również zdefiniować pęd fotonu:

.

Przechodząc przez materię promieniowanie gamma oddziałuje z elektronami, jądrami oraz z ich polami elektrycznymi. W ogólnym przypadku opis tych zjawisk jest bardzo skomplikowany, ponieważ jednak prawdopodobieństwo zajścia większości z tych zjawisk jest bardzo niewielkie, ze statystycznego punktu widzenia interesujące są właściwie tylko trzy zjawiska:

Zjawisko to zostało zaobserwowane po raz pierwszy w roku 1888 przez Hertza i było ono pierwszym doświadczalnym dowodem korpuskularnej natury promieniowania elektromagnetycznego. Wyjaśnienie tego zjawiska przez dłuższy czas nastręczało fizykom duże problemy. Udało się to wreszcie w 1905 r. Albertowi Einsteinowi, który za to został wyróżniony nagrodą Nobla.

W zjawisku fotoelektrycznym kwant promieniowania gamma przekazuje związanemu elektronowi całą swoją energię. W ogólnym przypadku, bilans energetyczny pochłaniania fotonu może być więc przedstawiony w postaci:

,

gdzie:

E – energia wiązania elektronu

E_k – energia kinetyczna wyzwolonego elektronu

W znajdującej się poniżej animacji zademonstrowany jest schematycznie jest przebieg zjawiska fotoelektrycznego (Żeby uruchomić animację należy ustawić na niej kursor myszy.).

Zjawisko to zostało zaobserwowane po raz pierwszy w 1923 roku jego wyjaśnienie podali niezależnie A. Compton i P.J.W. Debye. W tym przypadku fotony oddziałują ze swobodnymi elektronami, to znaczy takimi, których energia wiązania jest dużo mniejsza od energii kwantów gamma. W przypadku tym nie dochodzi do pochłonięcia fotonu, ale do zmiany jego energii i pędu.

Zjawisko rozpraszania kwantu gamma na swobodnym protonie pokazane jest na poniższym rysunku:

Z praw zachowania energii i pędu możemy zapisać:

,

,

,

gdzie:

n’ - częstotliwość rozproszonego elektronu,

p  - pęd elektronu po rozproszeniu

E  - energia kinetyczna elektronu po rozproszeniu

Z powyższych wzorów, uwzględniając dodatkowo relatywistyczny związek pomiędzy pędem a energią:

,

możemy wyznaczyć energię fotonu po rozproszeniu:

oraz energię odrzutu elektronu:

.

Rozproszenie fotonu na swobodnym elektronie przedstawione jest w poniższej animacji:

To spektakularne zjawisko jest jednym z dowodów na równoważność masy i energii, co zostało przewidziane teoretycznie przez Einsteina. Po raz pierwszy zostało ono zaobserwowane w 1932 r. przez Andersena. Zjawisko to zachodzi, gdy energia kwantu gamma jest większa od dwukrotności energii spoczynkowej elektronu:

.

Nadwyżka energii kwantu gamma nad energią progową jest zamieniana na energię kinetyczną powstałych cząstek.

Warunkiem koniecznym zajścia tego zjawiska jest obecność jeszcze jednej cząstki (elektronu lub jądra), która odbierając pewną część pędu fotonu zapewnia spełnienie zasad zachowania pędu i energii. Ponieważ proton jest antycząstką elektronu i ma przeciwny do w stosunku do niego ładunek elektryczny, spełniona pozostaje również zasada zachowania energii.

Energia progowa niezbędna do wytworzenia pary elektron – pozyton w obecności cząstki o masie m jest równa:

.

Wynika z tego, że jeśli cząstką „towarzyszącą” zjawisku jest elektron, energia progowa jest dużo wyższa niż ma to miejsce w przypadku jądra. W związku z tym prawdopodobieństwo kreacji w obecności elektronu jest bardzo niewielkie.

Zjawisku tworzenia się par elektron-pozyton towarzyszy zjawisko odwrotne, czyli anihilacja, w wyniku którego wytworzony zostaje kwant promieniowania gamma.

Poniżej przedstawiony jest przebieg zjawiska kreacji pary pozyton-elektron w obecności jądra atomowego.

Wszystkie trzy opisane powyżej zjawiska zachodzą z pewnym prawdopodobieństwem, które zależy od wielu czynników. Wśród nich należy przede wszystkim wymienić energię kwantów gamma oraz rodzaj materii, z którą oddziałują. W trakcie badania rzeczywistych oddziaływań nie ma możliwości dokładnej kontroli wszystkich zachodzących w tym czasie zjawisk. Z tego względu w opisie poszczególnych procesów wykorzystuje stosuje się pewne wielkości probablistyczne. Najważniejszą z nich jest tzw. przekrój czynny na dany proces. Zrozumienie, czym jest przekrój czynny powinna ułatwić poniższa animacja.

.

Referencje