Tia gamma, bức xạ điện từ có bước sóng ngắn nhất và năng lượng cao nhất.
bức xạ điện từ: tia Gamma
Sáu năm sau khi phát hiện ra phóng xạ (1896) bởi Henri Becquerel của Pháp, nhà vật lý người Anh gốc New Zealand Ernest Rutherford
Tia gamma được tạo ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử phóng xạ và trong sự phân rã của các hạt hạ nguyên tử nhất định. Các định nghĩa thường được chấp nhận về các vùng tia gamma và tia X của phổ điện từ bao gồm một số bước sóng chồng chéo, với bức xạ tia gamma có bước sóng thường ngắn hơn một phần mười của angstrom (10 −10 mét) và gamma- các photon tia có năng lượng lớn hơn hàng chục nghìn vôn electron (eV). Không có giới hạn trên lý thuyết đối với năng lượng của các photon tia gamma và không có giới hạn dưới đối với bước sóng tia gamma; năng lượng quan sát hiện đang mở rộng lên đến vài nghìn tỷ volt điện tử, những photon năng lượng cực cao này được tạo ra trong các nguồn thiên văn thông qua các cơ chế hiện chưa được xác định.
Thuật ngữ tia gamma được đặt ra bởi nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford vào năm 1903 sau những nghiên cứu ban đầu về sự phát thải của hạt nhân phóng xạ. Giống như các nguyên tử có mức năng lượng riêng biệt liên quan đến các cấu hình khác nhau của các electron quay quanh, hạt nhân nguyên tử có cấu trúc mức năng lượng được xác định bởi cấu hình của các proton và neutron tạo thành hạt nhân. Trong khi sự khác biệt về năng lượng giữa các mức năng lượng nguyên tử thường nằm trong khoảng 1 đến 10 eV, thì sự khác biệt về năng lượng trong hạt nhân thường rơi vào dải 1-keV (nghìn volt) đến 10-MeV (triệu volt). Khi một hạt nhân thực hiện quá trình chuyển đổi từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn, một photon được phát ra để mang đi năng lượng dư thừa; sự khác biệt mức năng lượng hạt nhân tương ứng với bước sóng photon trong vùng tia gamma.
Khi một hạt nhân nguyên tử không ổn định phân rã thành một hạt nhân ổn định hơn (xem phóng xạ), hạt nhân con gái của nhà vua đôi khi được tạo ra trong trạng thái kích thích. Sự thư giãn tiếp theo của hạt nhân con gái đến trạng thái năng lượng thấp hơn dẫn đến sự phát xạ của một photon tia gamma. Quang phổ tia gamma, liên quan đến việc đo chính xác năng lượng photon tia gamma phát ra từ các hạt nhân khác nhau, có thể thiết lập cấu trúc mức năng lượng hạt nhân và cho phép xác định các nguyên tố phóng xạ vi lượng thông qua phát xạ tia gamma của chúng. Các tia gamma cũng được tạo ra trong quá trình hủy cặp quan trọng, trong đó một electron và phản hạt của nó, positron, biến mất và hai photon được tạo ra. Các photon được phát ra theo hai hướng ngược nhau và mỗi năng lượng phải mang theo năng lượng 511 keV năng lượng khối lượng còn lại (xem khối lượng tương đối tính) của electron và positron. Tia gamma cũng có thể được tạo ra trong sự phân rã của một số hạt hạ nguyên tử không ổn định, chẳng hạn như pion trung tính.
Các photon tia gamma, giống như các bản sao tia X của chúng, là một dạng bức xạ ion hóa; khi chúng đi qua vật chất, chúng thường lắng đọng năng lượng của chúng bằng cách giải phóng các electron khỏi các nguyên tử và phân tử. Ở các dải năng lượng thấp hơn, một photon tia gamma thường được hấp thụ hoàn toàn bởi một nguyên tử và năng lượng của tia gamma được truyền tới một electron bị đẩy ra (xem hiệu ứng quang điện). Các tia gamma năng lượng cao có nhiều khả năng tán xạ từ các electron nguyên tử, lắng đọng một phần năng lượng của chúng trong mỗi sự kiện tán xạ (xem hiệu ứng Compton). Các phương pháp tiêu chuẩn để phát hiện tia gamma dựa trên tác động của các electron nguyên tử được giải phóng trong khí, tinh thể và chất bán dẫn (xem phép đo bức xạ và bộ đếm phản xạ).
Tia gamma cũng có thể tương tác với hạt nhân nguyên tử. Trong quá trình sản xuất cặp, một photon tia gamma có năng lượng vượt quá hai lần năng lượng khối lượng còn lại của electron (lớn hơn 1,02 MeV), khi đi gần hạt nhân, được chuyển đổi trực tiếp thành cặp electron-positron (xem ảnh). Ở những năng lượng thậm chí cao hơn (lớn hơn 10 MeV), một tia gamma có thể được hấp thụ trực tiếp bởi một hạt nhân, gây ra sự phóng ra của các hạt nhân (xem sự quang hóa) hoặc sự phân tách của hạt nhân trong một quá trình được gọi là sự quang hóa.
Các ứng dụng y tế của tia gamma bao gồm kỹ thuật hình ảnh có giá trị của chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và liệu pháp xạ trị hiệu quả để điều trị khối u ung thư. Trong chụp PET, một loại dược phẩm phóng xạ positron tồn tại trong thời gian ngắn, được chọn vì nó tham gia vào một quá trình sinh lý đặc biệt (ví dụ, chức năng não), được tiêm vào cơ thể. Các positron phát ra nhanh chóng kết hợp với các electron gần đó và, thông qua sự hủy cặp, tạo ra hai tia gamma 511-keV đi ngược chiều nhau. Sau khi phát hiện các tia gamma, một sự tái tạo do máy tính tạo ra các vị trí phát xạ tia gamma tạo ra một hình ảnh làm nổi bật vị trí của quá trình sinh học đang được kiểm tra.
Là một bức xạ ion hóa thâm nhập sâu, tia gamma gây ra những thay đổi sinh hóa đáng kể trong các tế bào sống (xem tổn thương bức xạ). Các liệu pháp xạ trị sử dụng đặc tính này để tiêu diệt có chọn lọc các tế bào ung thư trong các khối u nhỏ cục bộ. Đồng vị phóng xạ được tiêm hoặc cấy gần khối u; tia gamma liên tục được phát ra bởi hạt nhân phóng xạ bắn phá khu vực bị ảnh hưởng và bắt giữ sự phát triển của các tế bào ác tính.
Các cuộc điều tra trên không về phát xạ tia gamma từ tìm kiếm bề mặt trái đất đối với các khoáng chất có chứa các nguyên tố phóng xạ vi lượng như uranium và thorium. Quang phổ tia gamma trên không và mặt đất được sử dụng để hỗ trợ lập bản đồ địa chất, thăm dò khoáng sản và xác định ô nhiễm môi trường. Tia gamma lần đầu tiên được phát hiện từ các nguồn thiên văn vào những năm 1960 và thiên văn học tia gamma hiện là một lĩnh vực nghiên cứu được thiết lập tốt. Như với nghiên cứu về tia X thiên văn, các quan sát tia gamma phải được thực hiện trên bầu khí quyển hấp thụ mạnh của Trái đất thông thường với các vệ tinh quay quanh hoặc bóng bay tầm cao (xem kính viễn vọng: Kính viễn vọng tia Gamma). Có rất nhiều nguồn tia gamma thiên văn hấp dẫn và được hiểu kém, bao gồm các nguồn điểm mạnh được xác định tạm thời là pulsar, quasar và tàn dư siêu tân tinh. Trong số các hiện tượng thiên văn học không giải thích được hấp dẫn nhất được gọi là vụ nổ tia gamma ngắn gọn, phát xạ cực kỳ dữ dội từ các nguồn rõ ràng là phân bố đẳng hướng trên bầu trời.
