Radiazione gamma

La radiazione gamma è costituita da fotoni ad alta energia emessi quando un nucleo passa da uno stato energetico più alto a uno più basso. In una transizione gamma pura il numero di protoni e neutroni non cambia: cambiano l'energia interna del nucleo e spesso il suo stato di momento angolare.

Una transizione tra livelli energetici nucleari

Un nucleo eccitato può liberare energia sotto forma di fotone gamma. L'energia del fotone è uguale alla differenza tra i due livelli nucleari: Eγ = hν = hc/λ. Poiché i livelli energetici nucleari sono quantizzati, gli spettri gamma contengono spesso righe caratteristiche.

stato nucleare eccitatostato nucleare inferiorefotone gammaEγ = differenza tra i livelli
L'emissione gamma riduce l'eccitazione nucleare senza modificare A o Z. Il fotone emesso trasporta la differenza di energia.

L'emissione gamma segue spesso un altro decadimento

Un decadimento alfa o beta può lasciare il nucleo figlio in uno stato eccitato. Il nucleo figlio può quindi emettere uno o più fotoni gamma mentre scende a livelli inferiori. «Radiazione gamma» descrive quindi spesso la fase di diseccitazione, non un cambiamento di elemento. L'emissione gamma va perciò distinta concettualmente dalla trasformazione che ha prodotto il nucleo eccitato.

sottilepiù spessopiù materialerestano meno fotoni
L'attenuazione è probabilistica. Un assorbitore più spesso riduce l'intensità trasmessa; non fa perdere gradualmente a ogni fotone sopravvissuto una frazione fissa della propria energia.

L'attenuazione è esponenziale

Per un fascio stretto in un assorbitore uniforme, un modello comune è I = I₀e−μx, dove μ è il coefficiente lineare di attenuazione e x lo spessore. Lo strato emivalente è lo spessore che dimezza l'intensità del fascio. Il coefficiente dipende fortemente dall'energia dei fotoni e dalla composizione del materiale.

Esploratore dell'attenuazione

I fotoni interagiscono diversamente dalle particelle cariche

I fotoni gamma non hanno carica elettrica, quindi non ionizzano continuamente lungo una traccia come fanno le particelle alfa. I singoli fotoni possono invece subire interazioni quali assorbimento fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie, a seconda dell'energia e del materiale. Per questo «penetrante» non significa «non interagisce mai»: significa che la probabilità di attraversare un dato spessore può essere significativa.

Esempi svolti

1. Energia del fotone dalla frequenza

Soluzione

Per ν = 3,0 × 10¹⁹ Hz, E = hν ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ × 3,0 × 10¹⁹ = 1,99 × 10⁻¹⁴ J.

2. Che cosa cambia in un'emissione gamma pura?

Soluzione

Il nucleo passa a uno stato energetico più basso, ma A e Z restano invariati. Il fotone emesso trasporta energia e quantità di moto.

3. Usare l'attenuazione

Soluzione

Se μx = ln 2, allora I/I₀ = e−ln 2 = 1/2. Questo spessore corrisponde a uno strato emivalente.