Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma składa się z wysokoenergetycznych fotonów emitowanych, gdy jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu o mniejszej energii. W czystym przejściu gamma liczby protonów i neutronów się nie zmieniają, więc A i Z pozostają takie same; zmienia się energia wewnętrzna i często stan momentu pędu jądra.
Kwantowane przejścia jądrowe
Poziomy energii jądra są dyskretne. Jeśli jądro przechodzi z E₂ do E₁, foton może mieć Eγ = E₂ − E₁ = hν = hc/λ. Ponieważ różnice poziomów są charakterystyczne dla nuklidu, widma gamma często zawierają ostre linie przydatne jako jądrowe „odciski palca”.
Gamma często następuje po innym rozpadzie
Rozpad alfa lub beta może pozostawić jądro potomne w stanie wzbudzonym. Jądro może następnie wyemitować jeden lub kilka fotonów gamma w kaskadzie. Warto rozdzielać przemianę zmieniającą A lub Z od późniejszej elektromagnetycznej deekscytacji usuwającej nadmiar energii.
Model tłumienia wiązki
Gamma i promieniowanie rentgenowskie
W obu przypadkach są to fotony. Nazwa zależy głównie od pochodzenia: gamma wiąże się z przejściami jądrowymi, charakterystyczne promieniowanie X z przejściami elektronów w atomie, a promieniowanie hamowania ze zmianą ruchu ładunków. Zakresy energii mogą się nakładać, więc sama energia nie rozstrzyga nazwy.
Praktyczną miarą ekranowania jest warstwa połówkowa: grubość materiału zmniejszająca natężenie w idealnym wąskowiązkowym modelu o połowę. Z równania wykładniczego wynika x₁/₂ = ln2/μ. Współczynnik μ zależy od energii fotonu i materiału, dlatego nie istnieje jedna uniwersalna „grubość osłony” dla całego promieniowania gamma.
Oddziaływanie z materią
Foton nie zwalnia stopniowo jak ciężka naładowana cząstka. Może zostać pochłonięty fotoelektrycznie, rozproszyć się Comptona i oddać część energii albo przy odpowiednio dużej energii wytworzyć parę elektron–pozyton w polu jądra. Dominujący mechanizm zależy od energii i składu absorbentu.
Tłumienie i konwersja wewnętrzna
Dla wąskiej monoenergetycznej wiązki przybliżenie I = I₀e^(−μx) opisuje spadek liczby fotonów przechodzących bez zliczanego oddziaływania. Nie oznacza to stopniowego słabnięcia pojedynczego fotonu. Wzbudzone jądro może też zamiast gamma przekazać energię bezpośrednio elektronowi atomowemu, wywołując konwersję wewnętrzną.
Detektor nie zawsze pokazuje wyłącznie linię o pełnej energii fotonu. Jeśli gamma odda tylko część energii w rozproszeniu Comptona i foton rozproszony ucieknie, powstaje kontinuum. Pełne pochłonięcie energii daje fotopik. Kształt widma zależy więc zarówno od źródła, jak i od materiału oraz geometrii detektora.
Przykłady obliczeniowe
1. Czyste przejście gamma
Rozwiązanie
A i Z / A a Z pozostają niezmienione; zmienia się stan energii jądra.
2. Energia fotonu
Rozwiązanie
Dla / Pro / Pri ΔE = 1,25 MeV: Eγ ≈ 1,25 MeV.
3. Tłumienie
Rozwiązanie
μ = 0,20 cm⁻¹, x = 5,0 cm ⇒ I/I₀ = e⁻¹ ≈ 0,368.