إشعاع غاما

انتقال بين مستويات الطاقة النووية

مستويات الطاقة النووية مكمّاة، لذلك تكون طاقة فوتون غاما مساوية تقريباً لفارق الطاقة بين المستوى الابتدائي والنهائي: Eγ = hν = hc/λ. لهذا تظهر أطياف غاما خطوطاً مميزة يمكن ربطها ببنية النواة.

تتعرض النواة لارتداد صغير عند انبعاث الفوتون حتى يُحفظ الزخم. في كثير من التطبيقات تكون طاقة الارتداد أصغر بكثير من طاقة الفوتون، لكنها مهمة في القياسات عالية الدقة وبعض الظواهر الطيفية.

طاقة الفوتون وطوله الموجي

لأن طاقات غاما غالباً في keV أو MeV تكون أطوالها الموجية أصغر بكثير من الضوء المرئي. لا يعني الاسم «غاما» نوعاً مختلفاً من الكهرومغناطيسية؛ الفوتون يتبع نفس العلاقة بين الطاقة والتردد والطول الموجي، لكن مصدره هنا انتقال نووي.

يمكن أن تتداخل نطاقات طاقة أشعة غاما والأشعة السينية. التمييز الأكثر دقة يعتمد على المنشأ: غاما من انتقالات نووية، بينما الأشعة السينية كثيراً ما ترتبط بإلكترونات الذرة أو بإشعاع الكبح.

التوهين والتفاعل مع المادة

لا تفقد حزمة غاما شدتها بمعدل ثابت من الطاقة لكل وحدة مسافة مثل جسيم مشحون منفرد، بل ينخفض عدد الفوتونات غير المتفاعلة تقريباً وفق I = I₀e^(−μx). معامل μ يعتمد على طاقة الفوتون ومادة الدرع.

تشمل آليات التفاعل الرئيسية التأثير الكهروضوئي وتشتت كومبتون وإنتاج الأزواج عند طاقات كافية. لذلك لا توجد مادة «توقف غاما» فجأة؛ زيادة السماكة تقلل الاحتمال المتبقي تدريجياً، وتستخدم مواد كثيفة عندما تكون مناسبة للهندسة والطاقة.

علاقة غاما باضمحلال ألفا وبيتا والتحويل الداخلي

كثير من اضمحلالات ألفا أو بيتا تترك النواة البنت في حالة مثارة، ثم تتبعها فوتونات غاما من دون تغيير A أو Z. وهكذا يجب عدم الخلط بين التحول الذي غيّر تركيب النواة وبين إزالة الإثارة اللاحقة.

قد تنتقل طاقة الإثارة أحياناً مباشرة إلى إلكترون ذري بدلاً من إصدار فوتون؛ تسمى هذه العملية التحويل الداخلي. وهي تنافس إصدار غاما في بعض الانتقالات، ثم يمكن أن تظهر أشعة سينية أو إلكترونات أوجيه أثناء إعادة ترتيب القشرة الإلكترونية.

أمثلة محلولة

طول موجي لفوتون غاما

قانون التوهين

غاما بعد بيتا