Επιστημονικά Βιβλία Εκδόσεις Κάτοπτρο

Ακτινοβολία γάμμα

Επιστροφή στην εισαγωγή

Ακτινοβολία γάμμα

Η εκπομπή γάμμα εμφανίζεται συνήθως σε συνδυασμό με την άλφα και την βήτα εκπομπή. Οι ακτίνες γάμμα δεν φέρουν κανένα φορτίο ή μάζα και κατά συνέπεια η εκπομπή των ακτίνων γάμμα από έναν πυρήνα δεν οδηγεί σε καμιά αλλαγή στις χημικές ιδιότητες του πυρήνα αλλά μόνο στην απώλεια ενός ορισμένου ποσού ακτινοβόλου ενέργειας. Η εκπομπή των ακτίνων γάμμα οφείλεται σε μια αποδιέγερση του πυρήνα που βρισκόταν σε μια ασταθή κατάσταση, λόγω των εκπομπών άλφα ή βήτα από τον πυρήνα. Το αρχικό άλφα ή βήτα σωματίδιο και η επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα εκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα.

Μερικές μόνο περιπτώσεις είναι γνωστές για την εκπομπή άλφα και βήτα ακτινοβολίας χωρίς να συμμετέχει σε αυτές η εκπομπή ακτίνων γάμμα, επίσης είναι γνωστή εκπομπή αποκλειστικά γάμμα ακτινοβολίας από ορισμένα ισότοπα. Η καθαρή εκπομπή γάμμα εμφανίζεται όταν υπάρχει ένα ισότοπο με δύο διαφορετικές μορφές, που αποκαλούνται πυρηνικά ισομερή έχοντας τους ίδιους ατομικούς αριθμούς και τους μαζικούς αριθμούς αλλά διαφέρουν στην ενέργεια. Η εκπομπή των ακτίνων γάμμα συνοδεύει τη μετάβαση του υψηλού-ενεργειακού ισομερούς στην χαμηλή-ενεργειακή μορφή. Ένα παράδειγμα του ισομερισμού είναι το ισότοπο πρωτακτίνιο-234, που υπάρχει σε δύο ευδιάκριτες ενεργειακές καταστάσεις, με την εκπομπή των ακτίνων γάμμα που επισημαίνουν τη μετάβαση από την μια στην άλλη κατάσταση.

Οι ακτίνες άλφα, βήτα, και οι ακτινοβολίες γάμμα εκπέμπονται από τους μητρικούς πυρήνες τους με τεράστιες ταχύτητες. Τα άλφα σωματίδια επιβραδύνονται και σταματούν καθώς περνούν μέσω της ύλης, πρώτιστα μέσω της αλληλεπίδρασης τους με τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε εκείνη την ύλη. Επιπλέον, τα περισσότερα από τα άλφα σωματίδια εκπεμπόμενα από την ίδια ουσία εκτινάσσονται με σχεδόν ίδια ταχύτητα. Κατά συνέπεια σχεδόν όλα τα άλφα σωματίδια από το πολώνιο- 210 ταξιδεύουν 3,8 cm μέσω του αέρα πριν να σταματήσουν εντελώς , και εκείνα από το πολώνιο- 212 ταξιδεύουν 8,5 cm υπό τους ίδιους όρους. Η μέτρηση της απόστασης που διανύεται από τα άλφα σωματίδια χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τα ισότοπα.

Τα βήτα σωματίδια εκτινάσσονται με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από τα άλφα σωματίδια, και έτσι θα διαπεράσουν αρκετή περισσότερη ύλη, αν και ο μηχανισμός με τον οποίο αυτά σταματούν είναι ουσιαστικά παρόμοιος. Αντίθετα από τα άλφα σωματίδια, όμως, τα βήτα σωματίδια εκπέμπονται με πολλές διαφορετικές ταχύτητες, και οι βήτα εκπομπές πρέπει να διακριθούν μεταξύ τους από τις χαρακτηριστικές μέγιστες και μέσες ταχύτητες των βήτα σωματιδίων τους. Η κατανομή στις ενέργειες βήτα-σωματιδίων (ταχυτήτων) απαίτησε την υπόθεση της ύπαρξης, ένος σωματιδίου χωρίς μάζα αποκαλούμενο νετρίνο. Η εκπομπή νετρίνο συνοδεύει όλες τις διασπάσεις βήτα.

Οι ακτίνες γάμμα έχουν ακτίνα δράσης αρκετές φορές μεγαλύτερη από αυτήν των βήτα σωματιδίων και μπορούν σε μερικές περιπτώσεις να περάσουν μέσω αρκετών cm φύλλων μολύβδου. Τα άλφα και βήτα σωματίδια, κατά τη διέλευσή τους μέσα από την ύλη, προκαλούν τον σχηματισμό πολλών ιόντων. Αυτός ο ιονισμός είναι ιδιαίτερα εύκολο να παρατηρηθεί όταν η ύλη είναι αεριώδης. Οι ακτίνες γάμμα δεν έχουν φορτίο, και ως εκ τούτου δεν μπορούν να προκαλέσουν τέτοιο ιονισμό τόσο εύκολα. Οι βήτα ακτίνες παράγουν το 1/100 έως το 1/200 του ιονισμού που παράγεται από τις άλφα ακτίνες ανά εκατοστόμετρο της διαδρομής τους στον αέρα. Οι ακτίνες γάμμα παράγουν περίπου το 1/100 του ιονισμού των βήτα ακτίνων.

Ο μετρητής Geiger-Mueller αλλά και άλλοι θάλαμοι ιονισμού, που είναι βασισμένοι σε αυτές τις αρχές, χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει τις ποσότητες μεμονωμένων άλφα, βήτα, και ακτίνων γάμμα, και ως εκ τούτου τα απόλυτα ποσοστά αποσύνθεσης των ραδιενεργών ουσιών. Μια μονάδα της ραδιενέργειας, το curie, είναι βασισμένη στο ποσοστό αποσύνθεσης του Ra- 226, το οποίο είναι 37 δισεκατομμύρια αποσυνθέσεις ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο του ραδίου.

Υπάρχουν και άλλοι τρόποι ραδιενεργού αποσύνθεσης εκτός από τις τρείς προαναφερθείσες. Μερικά ισότοπα είναι ικανά να εκπέμπουν ποζιτρόνια τα οποία είναι ίδια με τα ηλεκτρόνια αλλά με αντίθετο φορτίο. Η διαδικασία εκπομπής ποζιτρονίου είναι συνήθως ταξινομημένη ως βήτα-διάσπαση και καλείται βήτα-συν   εκπομπή για να την διακρίνει κάποιος από την πιό κοινή εκπομπή των αρνητικών ηλεκτρονίων. Η εκπομπή ποζιτρονίων ολοκληρώνεται πιθανά μέσω της μετατροπής, στον πυρήνα, ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο, με συνέπεια μια μείωση του ατομικού αριθμού κατά μια μονάδα.

Ένας άλλος τρόπος αποσύνθεσης, γνωστός ως σύλληψη Κ-ηλεκτρονίου, αποτελείται από την σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από τον πυρήνα, ακολουθούμενη από το μετασχηματισμό ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι επίσης μια μείωση του ατομικού αριθμού κατά μια μονάδα. Η διαδικασία είναι αισθητή μόνο επειδή η αφαίρεση του ηλεκτρονίου από την τροχιά του οδηγεί στην εκπομπή μιας ακτίνας-Χ.

Διάφορα ισότοπα, ειδικότερα το ουράνιο-235 και διάφορα ισότοπα των τεχνητών υπερουράνιων στοιχείων είναι σε θέση με μια διαδικασία αυθόρμητης διάσπασης, στην οποία ο πυρήνας διασπάται σε δύο τμήματα. Στα μέσα της δεκαετίας του '80 ένας μοναδικός τρόπος διάσπασης παρατηρήθηκε, στον οποίο τα ισότοπα του ραδίου με μάζες 222, 223, και 224 εκπέμπουν πυρήνες άνθρακα-14 παρά να αποσυντεθούν όπως συνήθως γίνεται με την εκπομπή της άλφα ακτινοβολίας.