Gammakiirgus

Gammakiirgus on kõige lühema lainepikkusega (suurusjärgus alla 10 pikomeetri) ja seega suurima sagedusega ning energiaga elektromagnetiline kiirgus. Gammakiirgus koosneb gammakvantidest ehk suure energiaga (üle 100 keV) footonitest. Gammakiirgus tekib tuumaprotsessides, mõne teist tüüpi radioaktiivse kiirguse teisese kiirgusena ning elementaarosakeste annihileerumisel.
Röntgenikiirguse spekter kattub osaliselt gammakiirguse spektriga (suure sagedusega röntgenikiirgus on sama, mis madala sagedusega gammakiirgus). Nende eristamisel lähtutakse mitte kiirguse sagedusest, vaid selle tekkimise viisist. Röntgenikiirgus tekib elektronide liikumisel kõrgemalt energeetiliselt tasemelt madalamale, gammakiirgus tekib aga tuumaprotsessides.
Tulenevalt gammakiirguse poolt kantavast suurest energiast tekitab gammakiirgus eluskudedele suuri kahjustusi. Gammakiirgus on ioniseeriv kiirgus.
Gammakiirguse tekkimine.
Annihileerumine.
Gammakiirgus tekib elementaarosakeste annihileerumisel. Osakese ja antiosakese kokkupõrkel osakesed "hävivad" – nende massid muutuvad energiaks. Annihileerumise tulemusena tekib vähemalt kaks gammakvanti, mis kannavad ära osakeste kineetilise energia ja seisuenergia. Näiteks β+ lagunemise puhul tekivad beetaosakesed positronid, mis annihileeruvad (enamasti laguneva aatomi enda elektronkatte) elektronidega, tekitades gammakiirguse.
Tuumareaktsioonid.
Tuumareaktsioonide puhul kannavad gammakvandid ära tuumareaktsioonil tekkinud üleliigse energia. Näiteks aatomituumade lagunemisel muutub osa laguneva tuuma seoseenergiast lagunemisjääkide (tuumapoolte ja vabade neutronite) kineetiliseks energiaks ning ülejäänud osa energiast eraldub gammakiirgusena. Levinuim tuumareaktsioon, millega gammakiirgust tekitatakse, on koobalt-60 beetalagunemine. Näiteks palju kära tekitanud AS Steri steriliseerimisprotsess kasutas meditsiinivahendite steriliseerimiseks just koobalt-60 tekitatud gammakiirgust.
Ergastatud aatomid.
Kui aatomituum neelab kineetilist energiat omava osakese (näiteks alfaosakese või neutroni), siis tuum ergastub. Selleks, et tuum läheks tagasi oma põhiolekusse, peab ta lisaenergiast vabanema, ehk kiirgama gammakvandi. Ergastatud olekusse võib jääda tuum ka pärast tuumareaktsiooni. Näiteks koobalt-60 beetalagunemine toimub järgmiselt:
Co → Ni* + β– + formula_1e + γ (1,7 MeV) Tuumareaktsioon
Koobalti aatomi tuum kiirgab beetaosakese (energiaga 0,31 MeV), antielektronneutriino ja gammakvandi (energiaga 1,7 MeV). (Ka neutriino kannab energiat ära, kuid see on vähemärgatav võrreldes beetaosakese ja gammakvandiga.) Tuum jääb ergastatud seisundisse. Selleks, et minna oma põhiolekusse, kiirgab ta veel ühe gammakvandi (energiaga 1,33 MeV).
Ni* → Ni + γ (1,33 MeV) Ergastatud aatomi minek põhiolekusse
Sama kehtib ka elektronkatte kohta. Kui elektronkate neelab suure energiaga beetaosakese või gammakvandi, siis aatom ergastub – mõni tema elektronidest tõuseb kõrgemale energeetilisele tasemele. Selleks, et aatom läheks tagasi põhiolekusse, peab ta kiirgama ühe (või mitu) gammakvanti. Terminoloogiliselt nimetatakse elektronkatte tekitatud kiirgust siiski röntgenikiirguseks, kuigi tema lainepikkus võib olla sama kui tuuma tekitatud gammakiirgusel.
Gammakiirguse mõju ainele.
Gammakiirgus ioniseerib ainet, mida ta läbib (gammakiirgus on ioniseeriv kiirgus). Ioniseerimine toimub kolmel põhilisel moel – fotoefektina, Comptoni hajumisena ja elektron-positron paaride tekkimisena. Kõigi kolme meetodi puhul tekkinud vabad elektronid (positronid) omavad piisavalt energiat, et olla ka ise ioniseeriva toimega. Samuti tekib gammakiirguse neeldumisel ohtralt teisest gammakiirgust.
Fotoefekt.
Fotoefekt on elektronide "väljalöömine" aatomi elektronkattest. Kui aatomi elektronkattes olev elektron neelab gammakvandi, siis saab ta piisavalt energiat, et lahkuda oma potentsiaali august aatomis ja muutuda vabaks elektroniks, mille kineetiline energia on gammakvandi energia miinus elektroni seoseenergia aatomis. Elektroni loovutanud aatom muutub positiivseks iooniks.
Fotoefekt on põhiline ainega reageerimise viis röntgenikiirte ja madala energiaga (alla 50 keV) gammakiirguse puhul. Suuremate energiate puhul on teiste ioniseerimisprotsesside toimumise tõenäosus oluliselt suurem.
Comptoni hajumine.
Comptoni hajumine on protsess, mille puhul toimub samuti elektroni "väljalöömine" aatomi elektronkattest, kuid tekkiv vaba elektron viib ära ainult osa gammakvandi kineetilisest energiast. Ülejäänud kineetilise energia viib minema uus gammakvant. Sellisel moel gammakiirgus ei neeldu, vaid tema energia väheneb.
Comptoni hajumine on põhiline protsess gammakiirgusel, mille kvantidel on energia vahemikus 100 keV kuni 10 MeV. Suurema energia puhul selle protsessi tõenäosus väheneb kiiresti.
Paaride teke.
Aatomi tuuma elektriväljas võib piisavalt suure energiaga gammakvant lüüa vaakumist välja elektroni-positroni paari. Elektroni ja positroni loomiseks vajalikust energiast üle jääv gammakvandi energia muutub elektroni, positroni ja elektrivälja tekitanud aatomituuma kineetiliseks energiaks. Positron annihileerub kohtudes mõne elektroniga ning selle tulemusena tekib kaks uut gammakvanti.
Gammakiirguse varjestamine.
Gammakiirgus on kõige ohtlikum ja kõige suurema läbimisvõimega radioaktiivne kiirgus.
Gammakiirguse varjestamiseks kasutatakse võimalikult suure aatomnumbriga ja võimalikult tihedat ainet (enamasti pliid). Et gammakvandi neeldumise tõenäosus on võrdeline läbitava aine paksusega, siis varje paksuse suurendamine vähendab sellest läbi tungiva gammakiirguse intensiivsust eksponentsiaalselt. See kehtib küll ainult kitsa gammakiirguse kimbu (kiire) puhul. Laia gammakiirguse varjestamine on keerulisem, sest arvesse tuleb võtta ka varje sees tekkiv teisene gammakiirgus.
Reeglina mõõdetakse erinevate materjalide gammakiirguse varjestamisvõimet materjali paksusega, mis on vajalik kiirguse intensiivsuse vähendamiseks poole võrra. Näiteks kui 1 cm paksune pliiplaat vähendab gammakiirgust poole võrra, siis sama efekti saamiseks peab betoon olema 6 cm paksune ja tihendatud pinnas 9 cm paksune.