감마선

감마선(, γ선)은 원자핵의 방사성 붕괴와 같은 고에너지 상호작용이나 태양 플레어와 같은 천문 현상에서 발생하는 투과력이 강한 전자기파의 한 형태이다. 에너지가 낮은 감마선은 엑스선 복사의 상단 부분과 겹치기도 하는데, 이들은 발생 기원에 따라 구분된다. 감마선 광자의 에너지는 하단에서 10keV에서 10,000keV 사이이며, 초고에너지 감마선은 1011keV 이상의 에너지를 가진다. 프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르는 1900년에 라듐에서 방출되는 방사선을 연구하던 중 감마선을 발견했다. 1903년, 어니스트 러더퍼드는 물질에 대한 상대적으로 강한 투과력을 바탕으로 이 방사선을 감마선이라고 명명했다. 그는 이미 1900년에 (앙리 베크렐이 발견한) 투과력이 낮은 두 종류의 붕괴 방사선을 투과력이 낮은 순서대로 알파선과 베타선이라고 명명한 바 있다.

방사성 붕괴에서 발생하는 감마선은 10KeV에서 10MeV 사이의 에너지 범위를 가지며, 이는 합리적으로 긴 수명을 가진 핵의 전형적인 에너지 수준에 해당한다. 감마선의 에너지 스펙트럼은 감마선 분광법을 사용하여 붕괴하는 방사성 동위 원소를 식별하는 데 사용될 수 있다. 백조자리 X-3 마이크로퀘이사와 같은 천체 광원에서는 100~1000테라전자볼트(TeV) 범위의 고에너지 감마선이 관측되기도 했다.

지구에서 발생하는 천연 감마선원은 대부분 방사성 붕괴와 우주선 입자가 대기와 상호작용하여 발생하는 이차 방사선의 결과물이다. 그러나 전자의 핵 작용을 통해 감마선을 생성하는 지상 감마선 폭발과 같은 다른 희귀한 천연 선원도 존재한다. 주목할 만한 인공 감마선원으로는 원자로에서 발생하는 것과 같은 핵분열, 그리고 중성 파이 중간자 붕괴 및 핵융합과 같은 고에너지 물리학 실험이 있다.

감마선과 엑스선의 에너지 범위는 전자기 스펙트럼에서 겹치기 때문에, 이러한 전자기파에 대한 용어는 학문 분야에 따라 달라진다. 물리학의 일부 분야에서 이들은 기원에 의해 구별된다. 감마선은 핵 붕괴에 의해 생성되는 반면, 엑스선은 핵 외부에서 기원한다. 천체물리학에서 감마선은 관습적으로 광자 에너지가 100 keV 이상인 것으로 정의되며 감마선 천문학의 연구 대상인 반면, 100 keV 미만의 방사선은 엑스선으로 분류되어 엑스선천문학의 연구 대상이 된다.

감마선은 이온화 방사선이므로 생명체에 위험하다. 감마선은 DNA 돌연변이, 암 및 종양을 유발할 수 있으며, 고용량에서는 화상과 급성방사선증후군을 일으킬 수 있다. 높은 투과력 때문에 골수와 내부 장기에 손상을 줄 수 있다. 알파선 및 베타선과 달리 감마선은 많은 일반적인 물질을 쉽게 통과하므로 상당한 방사선 방어 과제를 제기하며, 납이나 콘크리트와 같은 밀도가 높은 물질로 만든 차폐가 필요하다. 지구에서 자기권은 감마선을 제외한 대부분의 치명적인 우주 방사선으로부터 생명체를 보호한다.

 발견의 역사 
처음으로 발견된 감마선원은 감마 붕괴라고 불리는 방사성 붕괴 과정이었다. 이 유형의 붕괴에서 들뜬 상태의 핵은 형성 직후 거의 즉시 감마선을 방출한다. 프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르는 1900년 라듐에서 방출되는 방사선을 연구하던 중 감마선을 발견했다. 빌라르는 자신이 설명한 방사선이 이전에 라듐에서 발견된 다른 종류의 광선들보다 더 강력하다는 것을 알았다. 여기에는 1896년 앙리 베크렐이 처음으로 "방사능"으로 주목한 베타선과 1899년 러더퍼드가 투과력이 낮은 방사선 형태로 발견한 알파선이 포함되어 있었다. 그러나 빌라르는 이들을 다른 근본적인 유형으로 명명하는 것을 고려하지 않았다. See also:  이후 1903년, 빌라르가 발견한 방사선은 어니스트 러더퍼드에 의해 이전에 명명된 광선들과 근본적으로 다른 유형임이 인정되었으며, 러더퍼드는 1899년에 구분한 베타선 및 알파선과의 유추를 통해 빌라르의 광선을 "감마선"이라고 명명했다.Rutherford named γ rays on page 177 of  방사성 원소에서 방출되는 "광선"은 다양한 물질을 투과하는 능력에 따라 그리스 알파벳의 처음 세 글자를 사용하여 명명되었다. 알파선이 투과력이 가장 낮고, 베타선이 그 다음이며, 감마선이 투과력이 가장 강했다. 러더퍼드는 또한 감마선이 자기장에 의해 굴절되지 않는다는(또는 적어도  굴절되지 않는다는) 점에 주목했는데, 이는 알파선 및 베타선과 다른 또 다른 성질이었다.

감마선은 처음에는 알파선이나 베타선처럼 질량이 있는 입자로 생각되었다. 러더퍼드는 처음에 감마선이 매우 빠른 베타 입자일 수 있다고 믿었지만, 자기장에 의해 굴절되지 않는다는 사실은 감마선에 전하가 없음을 나타냈다. 1914년, 감마선이 결정 표면에서 반사되는 것이 관찰되어 전자기파임이 증명되었다. 러더퍼드와 그의 동료 에드워드 안드라데는 라듐에서 나오는 감마선의 파장을 측정했고, 이것이 엑스선과 유사하지만 파장이 더 짧고 진동수가 더 높다는 것을 발견했다. 이는 결과적으로 광자당 에너지가 더 높다는 것으로 인식되었으며, 곧 광자라는 용어가 일반적으로 받아들여지게 되었다. 그 후 감마 붕괴는 보통 감마 광자를 방출하는 것으로 이해되었다.

 선원 
섬네일|300px|이 애니메이션은 먼 블레이자의 제트에서 방출된 후 페르미 감마선 우주망원경의 대면적 망원경(LAT)에 도달하기까지 시공간을 통과하는 여러 감마선을 추적한다.
지구상에서 감마선의 천연 선원으로는 칼륨-40과 같이 자연적으로 발생하는 방사성 동위 원소의 감마 붕괴가 있으며, 또한 우주선 입자와 다양한 대기 상호작용을 통해 발생하는 이차 방사선이 있다. 감마선을 생성하는 천연 지상 선원에는 낙뢰와 지상 감마선 폭발이 포함되며, 이는 천연 고전압에서 고에너지 방출을 생성한다. 감마선은 매우 높은 에너지를 가진 전자가 생성되는 수많은 천문학적 과정에 의해 생성된다. 그러한 전자들은 제동 복사, 역 콤프턴 산란, 그리고 싱크로트론 방사 메커니즘을 통해 이차 감마선을 생성한다. 이러한 천문 감마선의 상당 부분은 지구 대기에 의해 차단된다. 주목할 만한 인공 감마선원으로는 원자로에서 발생하는 것과 같은 핵분열뿐만 아니라 중성 파이 중간자 붕괴 및 핵융합과 같은 고에너지 물리학 실험이 있다.

조사 또는 이미징에 사용되는 감마선 방출 물질 샘플은 감마선원이라고 알려져 있다. 이는 방사성 선원, 동위 원소 선원 또는 방사선원이라고도 불리지만, 이러한 일반적인 용어는 알파 및 베타 방출 장치에도 적용된다. 감마선원은 일반적으로 방사능 오염을 방지하기 위해 밀봉되어 있으며 무거운 차폐체에 담겨 운반된다.

 방사성 붕괴 (감마 붕괴) 

감마선은 일반적으로 알파 붕괴나 베타 붕괴와 같은 다른 형태의 붕괴가 일어난 후에 발생하는 감마 붕괴 중에 생성된다. 방사성 핵은 알파 입자 또는 베타 입자를 방출하여 붕괴할 수 있다. 그 결과 생성되는 딸핵은 대개 들뜬 상태로 남게 된다. 그 후 감마 붕괴라는 과정을 통해 감마선 광자를 방출함으로써 더 낮은 에너지 상태로 붕괴할 수 있다.

들뜬 핵에서 감마선이 방출되는 데는 일반적으로 10−12초밖에 걸리지 않는다. 감마 붕괴는 중성자 포획, 핵분열 또는 핵융합과 같은 핵반응 이후에도 일어날 수 있다. 감마 붕괴는 또한 베타 붕괴와 같은 다른 유형의 방사성 붕괴 이후에 발생하는 원자핵의 많은 들뜬 상태가 필요한 핵 스핀 성분을 가지고 있는 한 완화되는 모드이기도 하다. 고에너지 감마선, 전자 또는 양성자가 물질에 부딪힐 때, 들뜬 원자들은 충격을 받은 원자에서 들뜬 핵 상태가 생성된 결과물인 특징적인 "이차" 감마선을 방출한다. 핵 감마 형광의 한 형태인 이러한 전이는 감마선 분광법이라 불리는 핵물리학의 주제를 형성한다. 형광 감마선의 형성은 방사성 감마 붕괴의 빠른 하위 유형이다.

특정 경우에, 베타 입자의 방출이나 다른 유형의 여기 후에 나타나는 들뜬 핵 상태가 평균보다 더 안정적일 수 있으며, 붕괴가 평균 10−12초보다 (최소) 100~1000배 더 오래 걸리는 경우 이를 준안정 들뜬 상태라고 한다. 이러한 상대적으로 수명이 긴 들뜬 핵을 이성질핵이라고 하며, 이들의 붕괴를 이성질핵 전이라고 한다. 이러한 핵은 측정하기 더 쉬운 반감기를 가지며, 드문 이성질핵은 감마선을 방출하기 전까지 몇 분, 몇 시간, 몇 일 또는 때로는 훨씬 더 오래 들뜬 상태를 유지할 수 있다. 따라서 이성질핵 전이 과정은 여느 감마 방출과 유사하지만, 핵의 중간 준안정 들뜬 상태를 수반한다는 점에서 차이가 있다. 준안정 상태는 종종 높은 핵 스핀을 특징으로 하며, 이는 10−12초 만에 일어나는 단일 단위 전이 대신 감마 붕괴와 함께 여러 단위 이상의 스핀 변화를 요구한다. 감마 붕괴 속도는 핵의 여기 에너지가 작을 때도 느려진다.

어떤 유형의 들뜬 상태에서 방출된 감마선이든 그 에너지를 임의의 전자에게 직접 전달할 수 있지만, 원자의 K껍질 전자에게 전달할 가능성이 가장 높으며, 이로 인해 해당 원자에서 전자가 튀어나가게 되는데 이 과정을 일반적으로 광전 효과라고 한다(외부 감마선과 자외선도 이 효과를 일으킬 수 있다). 광전 효과는 감마선 광자가 중간 입자로 생성되지 않는 내부 전환 과정과 혼동해서는 안 된다(오히려 "가상 감마선"이 그 과정을 매개한다고 생각할 수 있다).

 붕괴도 
섬네일|의 방사성 붕괴도
섬네일|코발트-60의 감마 방출 스펙트럼
방사성 동위 원소 붕괴로 인한 감마선 생성의 한 예는 첨부된 도표에 설명된 코발트-60의 붕괴도이다. 먼저, 은  전자의 베타 붕괴 방출을 통해 들뜬 상태의 으로 붕괴한다. 그런 다음 들뜬 은 1.17 MeV에 이어 의 감마선을 연속적으로 방출하여 바닥 상태(핵 껍질 모형 참조)로 붕괴한다. 이 경로는 99.88%의 확률로 진행된다.
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또 다른 예는 이 알파 붕괴하여 을 형성한 후 감마 방출이 뒤따르는 것이다. 어떤 경우에는 딸핵의 감마 방출 스펙트럼이 매우 단순한 반면(예: /), (/ 및 /)과 같은 다른 경우에는 감마 방출 스펙트럼이 복잡하여 일련의 핵 에너지 준위가 존재함을 보여준다.

 입자물리학 
감마선은 입자물리학의 많은 과정에서 생성된다. 일반적으로 감마선은 (약한 상호작용이나 강한 상호작용보다는) 전자기 상호작용을 통해 붕괴하는 전기적 중성 시스템의 산물이다. 예를 들어, 전자-양전자 쌍소멸에서 통상적인 생성물은 두 개의 감마선 광자이다. 만약 소멸하는 전자와 양전자가 정지 상태라면, 결과로 나오는 각 감마선은 약 511 keV의 에너지와 약 의 진동수를 가진다. 반대로, 1022 keV 이상의 감마선은 전자와 양전자의 쌍생성을 통해 핵과 상호작용할 수 있다. 마찬가지로, 중성 파이 중간자는 대부분 두 개의 광자로 붕괴한다. 많은 다른 강입자와 질량이 큰 보손들도 전자기적으로 붕괴한다. 대형 강입자 충돌기와 같은 고에너지 물리학 실험은 이에 따라 상당한 방사선 차폐를 사용한다. 아원자 입자는 대부분 원자핵보다 훨씬 짧은 파장을 가지기 때문에, 입자물리학의 감마선은 일반적으로 핵 붕괴 감마선보다 몇 자릿수 더 높은 에너지를 가진다. 감마선은 에너지 측면에서 전자기 스펙트럼의 최상단에 있으므로, 모든 극고에너지 광자는 감마선이다. 예를 들어, 플랑크 에너지를 가진 광자는 감마선일 것이다.

 기타 선원 

천문학의 몇몇 감마선은 감마 붕괴에서 발생하는 것으로 알려져 있지만(SN 1987A에 관한 논의 참조), 대부분은 그렇지 않다.

감마선 범위의 에너지를 운반하는 천체물리학적 광원으로부터의 광자는 종종 명시적으로 감마선 복사라고 불린다. 핵 방출 외에도, 이들은 종종 아원자 입자 및 입자-광자 상호작용에 의해 생성된다. 여기에는 전자-양전자 쌍소멸, 중성 파이 중간자 붕괴, 제동 복사, 역 콤프턴 산란, 그리고 싱크로트론 방사가 포함된다.
섬네일|right|200px|빨간색 점들은 2010년까지 페르미 감마선 우주망원경에 의해 매일 감지된 약 500개의 지상 감마선 폭발 중 일부를 보여준다. 출처: NASA/Goddard Space Flight Center.

 실험실 선원 
2017년 10월, 여러 유럽 대학의 과학자들은 캐스케이드와 변칙적인 방사 복사 가둠 사이의 제어된 상호작용을 통해 레이저를 여기자로 사용하는 GeV 광자원 생성 수단을 제안했다.

 지상 뇌우 
뇌우는 지상 감마선 폭발이라고 불리는 짧은 감마 방사선 펄스를 생성할 수 있다. 이러한 감마선은 전자를 가속시키는 고강도 정전기장에 의해 생성되는 것으로 생각되며, 가속된 전자가 대기 중의 원자와 충돌하여 감속될 때 제동 복사를 통해 감마선을 방출한다. 최대 100 MeV의 감마선이 지상 뇌우에 의해 방출될 수 있으며, 이는 우주 관측선에 의해 발견되었다. 이는 뇌구름 내부나 근처를 비행하는 항공기 승객과 승무원의 건강 위험 가능성을 제기한다.

 태양 플레어 
가장 격렬한 태양 플레어는 감마선을 포함한 전자기 스펙트럼 전체에 걸쳐 방출한다. 최초의 확신 있는 관측은 1972년에 이루어졌다.

 우주선 
지구 밖의 고에너지 감마선에는 우주선(고속의 전자 또는 양성자)이 일반 물질과 충돌할 때 생성되는 감마선 배경이 포함되며, 이는 511 keV에서 쌍생성 감마선을 생성한다. 또는 우주선 전자가 충분히 높은 원자 번호를 가진 핵과 상호작용할 때 수십 MeV 이상의 에너지로 제동 복사가 생성된다(이 기사 끝부분의 달의 감마선 이미지를 예시로 참조).
섬네일|300px|right|CGRO 위성에 탑재된 EGRET 장비로 본 100 MeV 이상의 감마선 전천 이미지. 은하 평면 내의 밝은 점들은 펄사이며, 평면 위아래의 점들은 퀘이사로 생각된다.

 펄사와 마그네타 
감마선 하늘(오른쪽 그림 참조)은 우리 은하 내의 펄사에서 방출되는 더 일반적이고 장기적인 감마선 생성에 의해 지배된다. 나머지 하늘의 선원들은 대부분 퀘이사이다. 펄사는 집중된 방사선 빔을 생성하는 자기장을 가진 중성자별로 생각되며, 퀘이사나 더 드문 감마선 폭발 선원보다 에너지가 훨씬 낮고 더 흔하며 훨씬 가까운 선원(보통 우리 은하 내에서만 관측됨)이다. 펄사는 상대론적 속도의 전하 입자의 집중된 빔을 생성하는 상대적으로 수명이 긴 자기장을 가지고 있으며, 이들이 주변 매질의 가스나 먼지에 부딪혀 감속될 때 감마선(제동 복사)을 방출한다. 이는 메가전압 방사선 치료 기기에서 고에너지 광자를 생성하는 것과 유사한 메커니즘이다(제동 복사 참조). 역 콤프턴 산란은 전하 입자(보통 전자)가 저에너지 광자에 에너지를 전달하여 고에너지 광자로 증폭시키는 과정이다. 상대론적 전하 입자 빔에 대한 이러한 광자의 충돌은 감마선 생성의 또 다른 가능한 메커니즘이다. 매우 강한 자기장을 가진 중성자별(마그네타)은 천문학적인 연감마선 연속 방출원을 생성하는 것으로 생각되며, 이는 감마선의 또 다른 상대적으로 수명이 긴 항성 동력 선원이다.

 퀘이사 및 활동 은하 
매우 먼 퀘이사와 더 가까운 활동 은하에서 나오는 더 강력한 감마선은 입자 가속기와 유사한 감마선 생성원을 가지고 있다고 생각된다. 퀘이사에서 생성되어 역 콤프턴 산란, 싱크로트론 방사 또는 제동 복사를 겪는 고에너지 전자가 해당 천체로부터 나오는 감마선의 유력한 원인이다. 이러한 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀이 간헐적으로 별을 파괴하고 결과적으로 생성된 전하 입자를 회전축에서 나오는 빔으로 집중시키는 동력원을 제공하는 것으로 생각된다. 이러한 빔이 가스, 먼지 및 낮은 에너지의 광자와 상호작용할 때 엑스선과 감마선을 생성한다. 이러한 광원들은 몇 주 정도의 기간으로 변동하는 것으로 알려져 있으며, 이는 그 크기가 상대적으로 작음을(직경이 몇 광주 미만) 시사한다. 이러한 감마선 및 엑스선 선원은 우리 은하 밖에서 가장 흔하게 관측되는 고강도 선원이다. 이들은 감마선 폭발처럼 폭발적으로 빛나는 것이 아니라, 감마선 망원경으로 볼 때 상대적으로 지속적으로 빛난다. 전형적인 퀘이사의 출력은 약 1040와트이며, 그 중 작은 부분만이 감마선 복사이다. 나머지 대부분은 전파를 포함한 모든 진동수의 전자기파로 방출된다.
섬네일|300px|극초신성. 핵융합이 가벼운 원소를 더 무거운 원소로 전환함에 따라 질량이 큰 별의 수명을 보여주는 예술가의 삽화. 융합이 더 이상 중력에 대항할 충분한 압력을 생성하지 못할 때, 별은 급격히 붕괴하여 블랙홀을 형성한다. 이론적으로 붕괴 중에 회전축을 따라 에너지가 방출되어 장시간 감마선 폭발을 형성할 수 있다.

 감마선 폭발 

가장 강렬한 감마선원은 현재 알려진 모든 유형의 전자기파 복사 중에서 가장 강렬한 선원이기도 하다. 이들은 천문학에서 감마선의 "장시간 폭발" 선원이며(여기서 "장시간"은 수십 초를 의미함), 위에서 논의한 선원들에 비해 드물다. 대조적으로, 초신성과 관련이 없는 2초 이하의 "단시간" 감마선 폭발은 한 쌍의 중성자별 또는 중성자별과 블랙홀의 충돌 중에 감마선을 생성하는 것으로 생각된다.

이른바 장시간 감마선 폭발은 약 1044줄의 총 에너지를 방출하지만(태양이 수명 전체에 걸쳐 생성할 에너지와 맞먹음), 그 기간은 단 20~40초에 불과하다. 감마선은 총 에너지 출력의 약 50%를 차지한다. 이러한 최고 강도의 방사선 빔 생성 메커니즘에 대한 주요 가설은 고에너지 전하 입자로부터의 역 콤프턴 산란과 싱크로트론 방사이다. 이러한 과정은 상대론적 전하 입자가 초신성 폭발 중에 생성된 갓 형성된 블랙홀의 사건의 지평선 영역을 떠날 때 발생한다. 상대론적 속도로 움직이는 입자 빔은 폭발하는 극초신성의 자기장에 의해 수십 초 동안 집중된다. 극초신성의 융합 폭발이 이 과정의 에너지를 구동한다. 좁게 유도된 빔이 우연히 지구를 향하게 되면 감마선 진동수에서 매우 강렬하게 빛나서 최대 100억 광년 떨어진 거리, 즉 가시 우주의 가장자리 근처에서도 감지될 수 있다.

 성질 

 물질 투과 

upright=1.2|섬네일|알파선은 헬륨 핵으로 구성되어 있으며 종이 한 장으로 쉽게 막을 수 있다. 전자나 양전자로 구성된 베타선은 알루미늄 판으로 차단되지만, 감마선은 납이나 콘크리트와 같은 고밀도 물질에 의한 차폐가 필요하다.

감마선은 투과성이 강하기 때문에 살아있는 세포에 해롭지 않은 수준으로 줄이려면 많은 양의 차폐 질량이 필요하다. 이와 대조적으로 알파 입자는 종이나 피부로 막을 수 있고, 베타 입자는 얇은 알루미늄으로 차폐될 수 있다. 감마선은 총 저지능에 기여하는 원자 번호(Z)가 높고 밀도가 높은 물질에 의해 가장 잘 흡수된다. 이 때문에 납(높은 Z) 차폐물은 알루미늄, 콘크리트, 물 또는 흙과 같은 낮은 원자 번호의 차폐 물질과 같은 질량일 때 감마 차폐 효과가 20~30% 더 우수하다. 납의 주요 장점은 가벼운 무게가 아니라 높은 밀도로 인한 소형화에 있다. 보호복, 고글 및 호흡기는 알파 또는 베타 방출 입자의 내부 접촉 또는 섭취로부터 보호할 수 있지만 외부 선원으로부터의 감마선에 대해서는 보호 기능을 제공하지 못한다.

감마선의 에너지가 높을수록 동일한 차폐 물질로 만든 차폐물의 두께가 더 두꺼워져야 한다. 감마선 차폐용 물질은 일반적으로 감마선의 강도를 절반으로 줄이는 데 필요한 두께(반가층 또는 HVL)로 측정된다. 예를 들어, 강도를 50% 줄이기 위해 1 cm의 납이 필요한 감마선은 의 화강암 바위, 6 cm의 콘크리트, 또는 9 cm의 다져진 흙에 의해서도 강도가 절반으로 줄어든다. 그러나 이 정도 양의 콘크리트나 흙의 질량은 동일한 흡수 능력을 가진 납보다 20~30%만 더 무거울 뿐이다.

감손 우라늄은 납에 비해 반가층이 작고(일반적인 감마선원인 이리듐-192 및 코발트-60의 경우 납 두께의 약 0.6배) 텅스텐에 비해 가격이 저렴하기 때문에 휴대용 감마선원의 차폐에 때때로 사용된다.

원자력 발전소에서 차폐는 압력 및 입자 격납 용기의 강철과 콘크리트에 의해 제공될 수 있으며, 물은 저장 또는 원자로 노심으로의 운송 중에 연료봉의 방사선 차폐를 제공한다. 물이 없어지거나 "뜨거운" 연료 집합체를 공기 중으로 꺼내면 물속에 보관할 때보다 훨씬 높은 방사선 수치가 발생하게 된다.

 물질 상호작용 

upright=1.35|섬네일|감마선 에너지에 따른 알루미늄(원자 번호 13)의 총 흡수 계수와 세 가지 효과의 기여도. 보통 낮은 에너지에서는 광전 효과가 가장 크고, 중간 에너지에서는 콤프턴 산란이 지배적이며, 높은 에너지에서는 쌍생성이 지배적이다.
upright=1.35|섬네일|감마선 에너지에 따른 납(원자 번호 82)의 총 흡수 계수와 세 가지 효과의 기여도. 여기서는 낮은 에너지에서 광전 효과가 지배적이다. 5 MeV 이상에서는 쌍생성이 지배하기 시작한다.
감마선이 물질을 통과할 때 흡수 확률은 층의 두께, 물질의 밀도 및 물질의 흡수 단면적에 비례한다. 총 흡수량은 입사 표면으로부터의 거리에 따라 강도가 지수적 감쇠를 나타낸다.

여기서 x는 입사 표면으로부터의 물질 두께이고, μ= nσ는 cm−1 단위로 측정되는 흡수 계수이며, n은 물질의 cm3당 원자 수(원자 밀도), σ는 cm2 단위의 흡수 단면적이다.

물질을 통과할 때 감마선은 몇 가지 다른 과정을 통해 이온화된다.
 광전 효과: 이는 감마 광자가 원자 전자와 상호작용하여 에너지를 전달하고, 그 전자를 원자에서 튀어나가게 하는 경우를 설명한다. 결과로 생성되는 광전자의 운동 에너지는 입사 감마 광자의 에너지에서 원래 전자를 원자에 묶어두었던 에너지(결합 에너지)를 뺀 것과 같다. 광전 효과는 50 keV 미만의 에너지를 가진 엑스선 및 감마선 광자의 주요 에너지 전달 메커니즘이지만, 더 높은 에너지에서는 훨씬 덜 중요해진다.
 콤프턴 산란: 이는 입사 감마 광자가 원자 전자에 충분한 에너지를 잃어 전자를 튀어나가게 하고, 원래 광자 에너지의 나머지가 입사 감마 광자의 방향과 다른 방향으로 방출되는 새로운 저에너지 감마 광자로 방출되는 상호작용이다. 콤프턴 산란의 확률은 광자 에너지가 증가함에 따라 감소한다. 이는 100 keV에서 10 MeV의 중간 에너지 범위에서 감마선의 주요 흡수 메커니즘으로 생각된다. 콤프턴 산란은 흡수 물질의 원자 번호와 상대적으로 무관하며, 이것이 납과 같이 밀도가 매우 높은 물질이 덜 밀한 물질보다 단위 무게당 차폐 효과가 약간만 더 좋은 이유이다.
 쌍생성: 이는 1.02 MeV를 초과하는 감마 에너지에서 가능해지며, 5 MeV 이상의 에너지에서 중요한 흡수 메커니즘이 된다(오른쪽 납에 대한 그림 참조). 핵의 전기장과의 상호작용에 의해 입사 광자의 에너지가 전자-양전자 쌍의 질량으로 전환된다. 두 입자의 정지 질량에 해당하는 에너지(총 최소 1.02 MeV)를 초과하는 모든 감마 에너지는 쌍의 운동 에너지와 방출하는 핵의 반동으로 나타난다. 양전자의 비정 끝에서 양전자는 자유 전자와 결합하여 두 입자가 소멸하며, 이 두 입자의 전체 질량은 각각 최소 0.51 MeV 에너지(또는 소멸된 입자의 운동 에너지에 따라 그 이상)를 가진 두 개의 감마 광자로 전환된다.

 광핵 반응: 감마선이 핵을 고에너지 상태로 들뜨게 하고, 이 핵은 아원자 입자를 방출하거나 핵 광분열을 일으키며 붕괴한다.

이 세 가지 과정 중 어느 하나에서 생성된 이차 전자(및 양전자)는 종종 그 자체로 많은 이온화를 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 가진다.

 빛 상호작용 
먼 퀘이사로부터 도착하는 고에너지(80 GeV에서 약 10 TeV) 감마선은 우주의 은하외 배경광을 추정하는 데 사용된다. 에너지가 가장 높은 광선은 배경광 광자와 더 쉽게 상호작용하므로, 들어오는 감마선 스펙트럼을 분석하여 배경광의 밀도를 추정할 수 있다.

 감마선 분광법 

감마선 분광법은 일반적으로 감마선의 흡수 또는 방출과 관련된 원자핵의 에너지 전이를 연구하는 학문이다. 광학 분광학(프랑크-콘돈 원리 참조)에서와 마찬가지로, 감마선의 에너지가 핵의 에너지 전이 에너지와 같을 때 핵에 의한 감마선 흡수가 특히 일어날 가능성이 높다(즉, "공명"에서 피크를 이룸). 감마선의 경우, 이러한 공명은 뫼스바우어 분광학 기술에서 볼 수 있다. 뫼스바우어 효과에서 핵 감마 흡수에 대한 좁은 공명 흡수는 결정 내의 원자핵을 물리적으로 고정함으로써 성공적으로 달성될 수 있다. 감마 전이의 방출단 또는 흡수단 어느 쪽에서도 반동하는 핵의 운동 에너지로 감마 에너지가 손실되지 않도록 감마 공명 상호작용의 양쪽 끝에서 핵을 고정하는 것이 필요하다. 이러한 에너지 손실은 감마선 공명 흡수를 실패하게 만든다. 그러나 방출된 감마선이 그들을 생성한 원자핵 탈여기의 에너지를 실질적으로 모두 운반할 때, 이 에너지는 동일한 유형의 두 번째 고정된 핵을 동일한 에너지 상태로 들뜨게 하기에 충분하다.

 응용 
upright=1.3|섬네일|VACIS(차량 및 컨테이너 이미징 시스템)로 촬영한 두 명의 밀항자가 타고 있는 트럭의 감마선 이미지
감마선은 우주에서 가장 에너지가 넘치는 현상에 대한 정보를 제공한다. 그러나 대부분 지구 대기에 의해 흡수된다. 고고도 열기구와 페르미 감마선 우주망원경과 같은 위성 임무에 탑재된 기구들은 감마선으로 우주를 볼 수 있는 유일한 방법을 제공한다.

감마선에 의한 분자 변화는 황옥과 같은 보석의 성질을 변화시키는 데 사용될 수도 있으며, 종종 하얀 황옥을 푸른 황옥으로 바꾸는 데 사용된다.

비접촉식 산업용 센서는 제련, 광업, 화학, 식품, 비누 및 세제, 펄프 및 종이 산업에서 수위, 밀도 및 두께 측정을 위해 감마 방사선원을 흔히 사용한다. 감마선 센서는 물 및 석유 산업에서 유체 수위를 측정하는 데에도 사용된다. 일반적으로 이들은 방사선원으로 Co-60 또는 Cs-137 동위 원소를 사용한다.

미국에서 감마선 검출기는 컨테이너 안전 협정(CSI)의 일환으로 사용되기 시작했다. 이 기계들은 시간당 30개의 컨테이너를 스캔할 수 있다고 홍보된다.

감마 방사선은 조사라고 불리는 과정을 통해 살아있는 유기체를 죽이는 데 종종 사용된다. 이의 응용 분야로는 의료 기기의 살균(고압멸균 또는 화학적 수단의 대안), 많은 식품에서 부패를 일으키는 세균 제거, 신선도와 맛을 유지하기 위한 과일과 채소의 발아 억제 등이 있다.

암을 유발하는 성질에도 불구하고, 감마선은 암세포도 죽이기 때문에 일부 유형의 암을 치료하는 데에도 사용된다. 감마 나이프 수술이라고 불리는 절차에서는 암세포를 죽이기 위해 여러 개의 집중된 감마선 빔을 종양에 쏜다. 주변 조직의 손상을 최소화하면서 종양에 방사선을 집중시키기 위해 빔을 다양한 각도에서 조준한다.

감마선은 이미징 기술의 핵의학 진단 목적으로도 사용된다. 여러 가지 감마선 방출 방사성 동위 원소가 사용된다. 예를 들어, PET 스캔에서 플루오로데옥시글루코스라고 불리는 방사성 표지 설탕은 전자에 의해 소멸되는 양전자를 방출하여 감마선 쌍을 생성하며, 암은 종종 주변 조직보다 대사율이 높기 때문에 암을 강조한다. 의료 응용 분야에서 사용되는 가장 일반적인 감마선 방출체는 진단용 엑스선과 동일한 에너지 범위의 감마선을 방출하는 이성질핵인 테크네튬-99m이다. 이 방사성 동위 원소 추적자를 환자에게 투여하면, 방출되는 감마 방사선을 감지하여 방사성 동위 원소의 분포 이미지를 형성하는 데 감마 카메라를 사용할 수 있다(SPECT 참조). 어떤 분자가 추적자로 표지되었는지에 따라, 이러한 기술을 사용하여 광범위한 질환을 진단할 수 있다(예: 뼈 스캔을 통한 암의 뼈 전이).

 건강에 미치는 영향 

감마선은 세포 수준에서 손상을 입히며 투과성이 강해 몸 전체에 확산된 손상을 일으킨다. 그러나 투과력이 약한 알파 또는 베타 입자보다는 이온화력이 낮다.

낮은 수준의 감마선은 추계학적 건강 위험을 초래하며, 방사선 선량 평가에서 이는 암 발생 및 유전적 손상의 확률로 정의된다. 국제 방사선 방어 위원회는 "약 100 mSv 미만의 낮은 선량 범위에서는 암 또는 유전적 영향의 발생률이 관련 장기 및 조직의 등가선량 증가에 직접 비례하여 상승한다고 가정하는 것이 과학적으로 타당하다"고 밝히고 있다. (단위 mSv는 밀리시버트이다). 고용량은 확실히 일어나는 급성 조직 손상의 심각도인 결정론적 효과를 나타낸다. 이러한 효과는 단위 그레이(Gy)로 측정되는 물리량인 흡수선량과 비교된다.

 영향 및 신체 반응 
감마 방사선이 DNA 분자를 파괴할 때, 세포는 한계 내에서 손상된 유전 물질을 복구할 수 있을지도 모른다. 그러나 엑스선 방사선에 관한 로트캄과 로브리히의 연구에 따르면, 이 복구 과정은 고용량 노출 후에는 잘 작동하지만 저용량 노출의 경우에는 훨씬 느리다.

연구에 따르면 저용량 감마 방사선은 암을 유발하기에 충분할 수 있다. 생쥐를 대상으로 한 연구에서 인간과 관련된 저용량 감마 방사선을 조사했을 때, 45일간의 지속적인 저용량 조사 후 유전 독성 효과가 나타났으며, 조사된 동물의 혈액 세포에서 염색체 손상, DNA 병변 및 표현형 돌연변이가 유의미하게 증가하여 세 가지 유형의 유전 독성 활동을 모두 포괄했다. 또 다른 연구에서는 쥐를 대상으로 최대 10 Gy까지의 급성 이온화 감마 방사선의 영향을 연구했는데, 그 결과 급성 산화 단백질 손상, DNA 손상, 심장 트로포닌 T 카보닐화 및 장기적인 심근병증이 나타났다.

 위험 평가 
영국에서 천연 감마 방사선은 평균 방사선 선량의 약 13%를 차지한다. 감마선에 대한 천연 노출은 연간 약 1~2 mSv이며, 미국 거주자 1인당 연간 평균 총 방사선량은 3.6 mSv이다.United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Annex E: Medical radiation exposures – Sources and Effects of Ionizing – 1993, p. 249, New York, UN 사용후 탄약에서 나온 감손 우라늄 미세 입자가 인체에 들어갈 경우 천연 감마 방사선 효과가 증가하여 선량이 소폭 증가할 수 있다.

이에 비해 흉부 방사선촬영(약 0.06 mSv)으로 인한 방사선 선량은 연간 자연 방사선 배경 선량의 일부분에 불과하다.US National Council on Radiation Protection and Measurements – NCRP Report No. 93 – pp 53–55, 1987. Bethesda, Maryland, USA, NCRP 흉부 CT는 5~8 mSv를 전달한다. 전신 PET/CT 스캔은 프로토콜에 따라 14~32 mSv를 전달할 수 있다. 위장의 투시 촬영 선량은 훨씬 높아서 약 50 mSv(연간 배경 방사선의 14배)이다.

급성 전신 등가 단일 노출 선량이 1 Sv (1000 mSv) 또는 1 Gy이면 메스꺼움과 구토와 같은 가벼운 급성방사선증후군 증상을 유발한다. 2.0~3.5 Sv (2.0~3.5 Gy)의 선량은 더 심각한 증상(메스꺼움, 설사, 탈모, 출혈, 감염 대항 능력 상실 등)을 유발하며, 의료 치료가 없을 경우 약 10%에서 35%에 달하는 상당수 사례에서 사망을 초래한다. 3~5 Sv (3~5 Gy)의 선량은 표준적인 의료 치료를 받더라도 급성 방사선 노출에 대한 약 LD50(또는 노출된 인구의 50%에 대한 치사량)으로 간주된다. 5 Sv (5 Gy)보다 높은 선량은 사망 확률을 50% 이상으로 높인다. 전신에 7.5~10 Sv (7.5~10 Gy) 이상을 받으면 골수 이식과 같은 비상 치료로도 노출된 개인의 사망을 막을 수 없다(방사선 중독 참조). (그러나 이보다 훨씬 큰 선량이 방사선 치료 과정에서 신체의 선택된 부위에 전달될 수 있다.)

예를 들어 연간 평균 방사선 선량이 19 mSv인 원자력 종사자와 같은 저용량 노출의 경우, (백혈병을 제외한) 암으로 사망할 위험이 2% 증가한다. 100 mSv 선량의 경우 위험 증가율은 10%이다. 이에 비해 히로시마·나가사키 원자폭탄 투하 생존자들의 경우 암으로 사망할 위험이 32% 증가했다.

 측정 및 노출 단위 
다음 표는 SI 및 비SI 단위의 방사선량을 보여준다.

건조한 공기에서 감마선과 엑스선의 이온화 효과를 측정하는 것을 조사선량이라고 하며, 1928년부터 뢴트겐이라는 유산 단위가 사용되었다. 이는 현재 주로 기기 교정 목적으로 사용되지만 수신된 선량 효과에는 사용되지 않는 커마로 대체되었다. 살아있는 조직에 대한 감마선 및 기타 이온화 방사선의 효과는 공기의 이온화보다는 조직에 퇴적된 에너지의 양과 더 밀접하게 관련되어 있으며, 1953년부터 방사선 방어를 위한 대체 방사선 단위와 양이 정의되고 개발되었다. 다음과 같다:
 그레이(Gy)는 흡수선량의 SI 단위로, 조사된 물질에 퇴적된 방사선 에너지의 양이다. 감마 방사선의 경우 이는 수치적으로 시버트로 측정되는 등가선량과 동일하며, 이는 인간 조직에 대한 낮은 수준의 방사선의 추계학적 생물학적 효과를 나타낸다. 흡수선량에서 등가선량으로의 방사선 가중치 변환 계수는 감마선의 경우 1인 반면, 알파 입자는 20으로 조직에 대한 더 큰 이온화 효과를 반영한다.
 라드(rad)는 흡수선량에 대해 더 이상 사용되지 않는 CGS 단위이며, 렘(rem)은 주로 미국에서 사용되는 등가선량의 더 이상 사용되지 않는 CGS 단위이다.

 엑스선과의 구별 
섬네일|upright|콤프턴 감마선 천문대에서 본 20 MeV 이상의 감마선 영역의 달. 이들은 표면에 대한 우주선 충격으로 생성된다. 우주선의 타겟 역할을 할 고원자 번호의 표면이 없는 태양은 보통 이러한 에너지에서 전혀 보이지 않는데, 이 에너지는 태양의 핵융합과 같은 일차 핵반응에서 나오기에는 너무 높다(비록 가끔 태양은 태양 플레어 동안 사이클론 유형의 메커니즘으로 감마선을 생성하기도 함). 감마선은 일반적으로 엑스선보다 높은 에너지를 가진다.

엑스선과 감마선의 전통적인 구분은 시간이 지남에 따라 변해왔다. 원래 엑스선관에서 방출되는 전자기파는 방사성 원자핵에서 방출되는 복사(감마선)보다 거의 변함없이 파장이 더 길었다. 오래된 문헌에서는 파장을 기준으로 엑스선과 감마선을 구분했으며, 10−11 m와 같이 임의의 파장보다 짧은 방사선을 감마선으로 정의했다. 광자 에너지는 진동수에 비례하고 파장에 반비례하므로, 이러한 과거의 엑스선과 감마선 구분은 에너지 측면에서도 생각할 수 있으며, 감마선은 엑스선보다 높은 에너지의 전자기파로 간주되었다.

그러나 현재의 인공 선원은 핵에서 기원하는 모든 전자기파와 훨씬 더 높은 에너지를 복제할 수 있기 때문에, 방사성 감마선원 대 다른 유형의 파장 특성은 이제 완전히 겹친다. 따라서 감마선은 이제 일반적으로 그 기원에 의해 구별된다. 엑스선은 정의상 핵 외부의 전자에 의해 방출되는 반면, 감마선은 핵에 의해 방출된다. 이 관습에 대한 예외는 천문학에서 발생하는데, 특정 초신성의 잔광에서 감마 붕괴가 관찰되지만, 방사성 붕괴 이외의 다른 방사선원을 포함하는 것으로 알려진 고에너지 과정의 복사도 여전히 감마선 복사로 분류된다.

예를 들어, 암의 메가전압 치료를 위해 선형 가속기에 의해 생성되는 현대의 고에너지 엑스선은 핵 감마 붕괴에 의해 생성되는 대부분의 고전적인 감마선보다 종종 더 높은 에너지(4~25 MeV)를 가진다. 진단용 핵의학에서 가장 흔히 사용되는 감마선 방출 동위 원소 중 하나인 테크네튬-99m은 진단용 엑스선 장비에서 생성되는 것과 동일한 에너지(140 keV)를 생성하지만, 선형 입자 가속기의 치료용 광자보다 에너지가 현저히 낮다. 오늘날 의료계에서는 방사성 붕괴에 의해 생성된 복사만이 "감마" 방사선으로 지칭된다는 관습이 여전히 존중되고 있다.

이러한 에너지 범위의 광범위한 중복으로 인해, 물리학에서 두 유형의 전자기파는 이제 종종 그 기원에 의해 정의된다. 엑스선은 전자에 의해 방출되는 반면(핵 외부의 궤도에 있거나 제동 복사형 방사선을 생성하기 위해 가속되는 동안),"제동 복사"는 "braking radiation"이지만, "가속"은 여기에서 전자가 그 경로에서 이탈하는 특정 의미로 사용되고 있다:  감마선은 핵에 의해 또는 다른 입자 붕괴나 소멸 사건을 통해 방출된다. 핵반응에 의해 생성되는 광자의 에너지에는 하한선이 없으므로, 이러한 과정에 의해 생성되는 자외선 또는 더 낮은 에너지의 광자도 "감마선"으로 정의될 것이다(실제로 극저에너지 이성질체인 229mTh의 이성질핵 전이에서 이런 일이 일어남). 여전히 보편적으로 존중되는 유일한 명명 관습은 원자핵 기원으로 알려진 전자기파는 항상 "감마선"으로 지칭되며 절대 엑스선으로 지칭되지 않는다는 규칙이다. 그러나 물리학과 천문학에서는 그 반대의 관습(모든 감마선은 핵 기원으로 간주된다는 것)이 자주 위반된다.

천문학에서 더 높은 에너지의 감마선과 엑스선은 에너지에 의해 정의된다. 왜냐하면 그들을 생성하는 과정이 불확실할 수 있고 기원이 아닌 광자 에너지가 필요한 천문 검출기를 결정하기 때문이다. 핵 붕괴 이외의 과정에 의해 생성되는 것으로 알려진 고에너지 광자가 자연에서 발생하지만 여전히 감마선 복사로 지칭된다. 한 예로 10~20 MeV의 번개 방전에서 나오는 "감마선"이 있으며, 이는 제동 복사 메커니즘에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다.

또 다른 예는 감마선 폭발인데, 이제는 방사성 붕괴를 겪는 단순한 원자 집단이 관여하기에는 너무 강력한 과정에서 생성되는 것으로 알려져 있다. 이는 천문학적 과정에서 생성되는 많은 감마선이 방사성 붕괴나 입자 소멸이 아니라 엑스선과 유사한 비방사성 과정에서 기인한다는 일반적인 인식의 일부이다. 비록 천문학의 감마선이 종종 비방사성 사건에서 나오기는 하지만, 천문학의 몇몇 감마선은 (그들의 스펙트럼과 방출 반감기에 의해 입증되듯이) 특히 핵의 감마 붕괴에서 기원하는 것으로 알려져 있다. 고전적인 예로는 새로 만들어진 방사성 니켈-56과 코발트-56의 붕괴로부터 감마선 광자의 "잔광"을 방출하는 초신성 SN 1987A가 있다. 그러나 천문학의 대부분의 감마선은 다른 메커니즘에 의해 발생한다.
섬네일|center|upright=1.7|실제로 감마선 에너지는 엑스선 범위, 특히 "경" 엑스선이라고 불리는 고주파 영역과 겹친다. 이 묘사는 파장에 의해 구별하는 오래된 관습을 따르고 있다.

 같이 보기 
 알파선
 베타선
 델타선
 X-선
 엡실론선
 감마선 천문학
 감마선 폭발
 방사선 치료
 이온화 방사선

 각주 

 외부 링크 



분류:입자물리학
분류:핵물리학
분류:전자기파
분류:IARC 1군 발암 물질
분류:방사능