ガンマ線
ガンマ線は、原子核が高いエネルギー状態から低い状態へ移るときに放出される高エネルギー光子です。純粋なガンマ遷移では陽子数も中性子数も変わらず、核の内部エネルギーとしばしば角運動量状態が変わります。
核エネルギー準位間の遷移
励起核はガンマ光子を放出して低い準位へ移れます。光子エネルギーは準位差に等しく、Eγ=hν=hc/λ です。核準位は量子化されているため、ガンマ線スペクトルには核種に特徴的な線が現れます。純粋なガンマ放出では A と Z は変化しません。
ガンマ放出は別の崩壊の後に起こることが多い
アルファ崩壊やベータ崩壊の娘核が励起状態に残ることがあります。その後、1個以上のガンマ光子を放出してより低い準位へ移ります。したがってガンマ線はしばしば元素を変える段階ではなく、その後の脱励起段階を表します。
減衰は指数関数的
一様な吸収体を通る細いビームでは I=I₀e−μx がよく使われます。μ は線減衰係数、x は厚さです。半価層は強度を半分にする厚さです。減衰は確率的であり、遮蔽を厚くすると透過する光子数が減りますが、生き残った各光子が同じ割合で徐々にエネルギーを失うわけではありません。
減衰エクスプローラ
光子は荷電粒子とは異なる仕方で物質と相互作用する
ガンマ光子は電荷を持たないため、アルファ粒子のように軌跡に沿って連続的に強く電離しません。個々の光子はエネルギーと物質に応じて光電吸収、コンプトン散乱、電子・陽電子対生成などを起こします。「透過力が高い」は「相互作用しない」という意味ではありません。
例題
1. 周波数から光子エネルギー
解答
ν=3.0×10¹⁹ Hz なら E=hν≈1.99×10⁻¹⁴ J。
2. 純粋なガンマ放出で何が変わるか
解答
核は低いエネルギー状態へ移りますが A と Z は不変で、光子がエネルギーと運動量を運びます。
3. 減衰式を使う
解答
μx=ln2 なら I/I₀=e−ln2=1/2。この厚さが半価層です。