Gammasäteily
Gammasäteily koostuu korkeaenergisistä fotoneista, joita ydin emittoi siirtyessään korkeammasta sisäisestä energiatilasta alempaan. Puhtaassa gammasiirtymässä protonien ja neutronien määrät eivät muutu: A ja Z säilyvät.
Ydintilan energiasiirtymä
Gammafotonin energia on tasojen erotus: Eγ=hν=hc/λ. Koska ydinten energiatilat ovat kvantittuneita, gammaspektrit voivat sisältää tarkkoja, nuklidille ominaisia viivoja.
Siirtymä voi muuttaa ytimen kulmaliikemäärää tai pariteettia valintasääntöjen sallimalla tavalla, vaikka ytimen koostumus ei muutu.
Gamma seuraa usein alfa- tai beetahajoamista
Alfa- tai beetahajoaminen voi jättää datterytimen virittyneeseen tilaan. Datter voi sen jälkeen laskeutua alempiin tiloihin lähettämällä yhden tai useita gammafotoneja.
Siksi gammasäteily on usein de-eksitaatiovaihe eikä varsinainen alkuaineen muuttava vaihe. Pelkkä gammaemissio ei siirrä ydintä jaksollisessa järjestelmässä.
Vaimeneminen aineessa on eksponentiaalista
Homogeenisessa aineessa kapean monoenergeettisen säteen intensiteettiä kuvataan likimäärin kaavalla I=I₀e−μx.
Puoliarvopaksuus toteuttaa μx₁/₂=ln2. Jokainen samanpaksuinen lisäkerros siis pienentää jäljellä olevaa säteilyä samalla kertoimella, ei samalla absoluuttisella määrällä.
Vaimenemisen tutkija
Gammafotoni ionisoi pääasiassa epäsuorasti
Keskeiset vuorovaikutukset ovat fotoelektrinen absorptio, Compton-sironta ja riittävän suurella energialla parinmuodostus. Niiden todennäköisyydet riippuvat sekä energiasta että materiaalista.
Gammasäteilylle ei siksi ole yhtä terävää kantamaa. Osa fotoneista voi kulkea pitkälle ilman vuorovaikutusta, kun taas osa poistuu alkuperäisestä säteestä jo lyhyellä matkalla.
Ratkaistuja esimerkkejä
1. Fotonienergia
ν=3,0×10¹⁹ Hz.
Ratkaisu
E=hν≈1,99×10⁻¹⁴ J.
2. Puhdas gamma
Miten A ja Z muuttuvat?
Ratkaisu
Eivät mitenkään. Vain ytimen viritysenergia pienenee.
3. Puoliarvopaksuus
μx=ln2.
Ratkaisu
I/I₀=e−ln2=1/2.
Lineaarinen vaimennuskerroin kuvaa fotonin poistumista alkuperäisestä sädesuunnasta tietyssä geometriassa. Sironneet fotonit voivat silti saavuttaa detektorin, joten käytännön säteilysuojaus vaatii usein kerrostumisen, sironnan ja spektrin energiariippuvuuden tarkempaa mallintamista. Materiaalivalinta ei perustu pelkästään tiheyteen vaan myös fotonien energiaan.
Ydinfysiikan laskuissa määritelmät ja alku- sekä lopputilaan kuuluvat hiukkaset on pidettävä tarkasti erillään. Massaluku A on kokonaisluku, joka laskee nukleonit, kun taas taulukoitu atomimassa on mitattu massa, johon sisältyvät myös elektronit. Atomimassoja ja paljaiden ytimien massoja ei siksi saa sekoittaa ilman korjausta. Turvallinen menetelmä on kirjoittaa koko reaktio tai siirtymä, tarkistaa A, Z ja sähkövaraus ja vasta sen jälkeen tehdä massa- ja energiatase. Positiivinen Q-arvo kertoo, että lopputila on energisesti mahdollinen, mutta ei yksin prosessin nopeutta. Tunnelointi, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettiset valintasäännöt ja käytettävissä olevat viritystilat määräävät todennäköisyyksiä. Mitattua säteilyä ja puoliintumisaikaa tulkitaan siis säilymislakien rinnalla, ei niiden korvikkeena.