Gammasäteily

Gammasäteily on ionisoivaa sähkömagneettista säteilyä, joka on peräisin atomiydinten viritystilojen purkautumisesta radioaktiivisessa hajoamisessa, fissiosta tai elektroni-positroniparien annihilaatiosta. Gammasäteilyä vapautuu suuria määriä gammapurkauksissa.
Gammasäteilyä syntyy maailmankaikkeudessa monissa rajuissa ilmiöissä kuten kaasun kuumentuessa mustaa aukkoa ympäröivässä kertymäkiekossa. Gammatähtitiede on erityisesti satelliiteilla tehtävän avaruustutkimuksen uudempia aloja. Myös maassa luonnollisissa ilmiössä, kuten ukkosissa, syntyy salamoiden aiheuttamaa gammasäteilyä.
Ominaisuuksia.
Gammasäteily on kaikkein suurienergisintä sähkömagneettista säteilyä. Yksittäisen gammakvantin energia on tyypillisesti yli 100 keV, taajuus luokkaa 1020 Hz ja aallonpituus alle 10 pm. Pienen aallonpituutensa vuoksi gammakvantin keskimääräinen vapaa matka väliaineessa on suuri ja siksi se on hyvin läpitunkevaa. Gammasäteilyn tehon vähentämiseksi 50 %:iin vaaditaan 1 cm lyijyä, 4,6 cm graniittia tai 6 cm betonia.
Suuren energiansa vuoksi gammasäteily on vaarallista eläville soluille ja sitä käytetään lääketieteessä muun muassa syöpäsolujen tuhoamiseen ja lääketieteellisten instrumenttien sterilointiin. Gammasäteilyä käytetään myös isotooppi- eli gammakuvauksessa esimerkiksi teollisuudessa. Tavallisin gammasäteilyn lähde on koboltti-60 tai iridium-192.
Vuorovaikutus materiaalin kanssa.
Gammasäteilyllä on pääasiassa kolme tapaa vuorovaikuttaa materiaalin kanssa: valosähköinen ilmiö, Compton-sironta ja parinmuodostus.
Gammasäteilyn synty.
Gammasäteilyä syntyy tavallisesti yhdessä muunlaisen säteilyn kanssa. Monessa tapauksessa radioaktiivisen hajoamisen tuloksena syntyy virittynyt ydin. Kun ytimen viritystila laukeaa, ydin emittoi osan energiastaan gammafotonina. Emittoituneen gammahiukkasen energia vastaa ytimen alkutilan energian ja lopputilan energian erotusta.
Esimerkiksi koboltti-60 hajoaa ensin virittyneeksi nikkeli-60:ksi beetahajoamisella:
formula_1
Sitten nikkeli-60:n viritystila purkautuu ja viritystilaa vastaava energiamäärä purkautuu gammasäteilynä:
formula_2
Historia.
Gammasäteilyn havaitsi ranskalainen kemisti Paul Ulrich Villard vuonna 1900 tutkiessaan Curien pariskunnalta saamiaan radiumnäytteitä. Hän toimi silloin École Normale -korkeakoulussa Pariisissa. Tiedettiin radiumin lähettävän kahdenlaista säteilyä, joista toinen beta-säteilyksi ristitty reagoi magneettikenttään ja toinen alfa-säteilyksi ajateltu ei. Villard ensimmäisenä havaitsi, ettei kaikki radiumin lähettämä, magneettikentässä kääntymätön säteily ollut alfa-säteilyä, vaan jotain kolmatta, siihen asti tuntematonta lajia. Vaikka se olikin määrältään vähäisempää kuin beta-säteily, sillä oli suuri tunkeutumiskyky ja heikostakin radiumnäytteestä lähtevä säteily pystyi läpäisemään 0,2 mm paksun lyijyfolion siinä missä betasäteily ei läpäissyt edes yhtä valokuvauslevyä. Villard pystyi erottamaan radiumin säteilystä kolme eri säteilylajia, mutta hänen löytönsä ei ensin saanut laajempaa huomiota.
Nimien "alfa-, beta-" ja "gammasäteily" uskotaan olevan Ernest Rutherfordilta vuodelta 1903.
Toisin kuin moni aikalaisensa Marie Curie tarkasteli myös gammasäteilyä väitöskirjassaan 1904, mutta piti sen hyödyntämismahdollisuuksia radiografiassa vähäisinä verrattuna röntgensäteilyyn. Ihmisen luiden ja kudosten erottuminen oli heikkoa ja vaadittava valotusaika paljon pidempi, kuin röntgensäteillä. Gammasäteilyn uskottiin kuitenkin olevan massallisia hiukkasia. Röntgensäteilyn aaltoluonteen osoittivat ensimmäisenä 1912 Max von Laue, Walther Friedrich ja Paul Knipping käyttämällä kidehilaa sen sirottamiseen. Kaksi vuotta myöhemmin 1914 Rutheford ja Edward Andrade pystyivät määrittämään samankaltaisella tekniikalla gammasäteilyn aallonpituuden. 
Vuoteen 1924 mennessä oli todistettu gamma- ja röntgensäteilyn sähkömagneettinen aaltoluonne (Rutherford &amp; Andrade), lyhytaaltoisimman (energisimmän) röntgensäteilyn ja pitkäaaltoisimman gammasäteilyn samanlaisuus, röntgensäteilyn samanaikainen hiukkasluonne (Compton) sekä sironneiden röntgensäteiden polarisaatio (Compton). 
Altistus- ja mittayksiköt.
Gammasäteilyn ionisoivaa vaikutusta kutsutaan altistumiseksi:
Ionisoivan säteilyn, kuten gammasäteilyn, vaikutus elävään kehoon liittyy enemmänkin siihen, kuinka suuren energiamäärän säteily on jättänyt kohdeaineeseen massayksikköä kohden. Tätä ilmaistaan absorboituneella annoksella:
Ekvivalenttiannos kuvaa ionisoivan säteilyn aiheuttamaa säteilyannosta ja nimenomaan sen biologista vaikutusta. Gammasäteillä se on yhtä suuri kuin absorboitunut säteilyannos.