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감마선

Gamma ray
이 기사는 물리학에서의 용어에 관한 것이다.기타 용도는 감마선(동음이의)을 참조하십시오.
원자핵에서 감마선(γ) 방출 그림
감마선은 핵분열 중에 핵폭발로 방출된다.
X선과 감마선 사이의 주파수 중첩을 보여주는 전자파 스펙트럼에 대한 NASA 가이드

감마선(gamma radiation, 기호δ 또는 은 원자핵의 방사성 붕괴에서 발생하는 투과형 전자파 방사선의 일종이다.그것은 일반적으로 X선보다 짧은 최단 파장 전자파로 구성됩니다.30엑사헤르츠(30×10Hz18) 이상의 주파수로 가장 높은 광자 에너지를 공급한다.프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르는 라듐에 의해 방출되는 방사선을 연구하던 중 1900년에 감마선을 발견했다.1903년 어니스트 러더포드는 비교적 강한 물질 투과율을 바탕으로 이 방사선 감마선을 명명했다. 1900년에 그는 이미 투과력이 낮은 두 종류의 붕괴 방사선(헨리 베크렐에 의해 발견됨) 알파선과 베타선을 투과력 오름차순으로 명명했다.

방사성 붕괴로 인한 감마선은 수 킬로전자볼트(keV)에서 약 8메가전자볼트(~8MeV)까지의 에너지 범위에 있으며, 이는 상당히 긴 수명을 가진 원자핵의 전형적인 에너지 수준에 해당한다.감마선의 에너지 스펙트럼을 사용하여 붕괴 방사성핵종을 식별할 수 있다.백조 X-3 마이크로쿼사르와 같은 선원에서 100-1000 테라 일렉트론볼트(TeV) 범위의 매우 높은 에너지 감마선이 관측되었다.

지구에서 발생하는 감마선의 자연 발생원은 대부분 방사성 붕괴와 우주선 입자와의 대기 상호작용에 의한 2차 방사선의 결과이다.그러나 핵에 대한 전자 작용에서 감마선을 생성하는 지상 감마선 섬광과 같은 다른 희귀한 자연 선원이 있다.감마선의 주목할 만한 인공 선원에는 원자로에서 발생하는 핵분열과 중성 파이온 붕괴 및 핵융합과 같은 고에너지 물리학 실험이 포함된다.

감마선과 X선은 모두 전자기 방사선으로 전자기 스펙트럼에서 중복되기 때문에 과학 분야마다 용어가 다르다.물리학의 일부 분야에서, 그것들은 기원에 의해 구별된다: 감마선은 핵붕괴에 의해 만들어지는 반면, X선은 핵 밖에서 발생한다.천체물리학에서 감마선은 일반적으로 100 keV 이상의 광자 에너지를 갖는 것으로 정의되며 감마선 천문학의 대상이며, 100 keV 미만의 방사선은 X선으로 분류되어 X선 천문학의 대상이다.

감마선은 이온화 방사선이므로 생명에 위험하다.높은 침투력으로 인해 골수와 내장을 손상시킬 수 있습니다.알파선이나 베타선과 달리, 그것들은 인체를 쉽게 통과하기 때문에 납이나 콘크리트와 같은 밀도가 높은 물질로 만들어진 차폐가 필요하기 때문에 만만치 않은 방사선 방호 문제를 야기한다.지구상에서 자기권은 감마선을 제외한 대부분의 치명적인 우주 복사로부터 생명체를 보호합니다. 감마선은 대기를 통과할 때 0.53bar의 대기에 흡수됩니다.

감마선은 거울에 반사될 수 없고 파장이 너무 작아서 검출기의 원자 사이를 통과할 것이다.

발견 이력

최초로 발견된 감마선 선원은 감마 붕괴라고 불리는 방사성 붕괴 과정이었다.이런 종류의 붕괴에서 들뜬 핵은 [note 1]거의 즉시 감마선을 방출한다.프랑스의 화학자이자 물리학자인 폴 빌라르는 라듐에서 방출되는 방사선을 연구하던 중 1900년에 감마선을 발견했다.빌라드는 그가 설명한 방사선이 1896년 헨리 베크렐이 "방사능"으로 처음 언급한 라듐과 1899년 러더포드에 의해 덜 투과적인 형태의 방사선으로 발견된 알파선을 포함한 이전에 기술된 라듐의 방사선보다 더 강력하다는 것을 알았다.그러나 빌라드는 이들을 다른 기본 [1][2]유형으로 명명하는 것을 고려하지 않았다.나중에 1903년,[3] 빌라드의 방사선은 1899년 러더포드가 구별한 베타선과 알파선과 유추하여 빌라드의 광선을 "감마선"이라고 이름 지은 어니스트 러더포드에 의해 이전에 명명된 광선과 근본적으로 다른 유형으로 인식되었다.방사성 원소에 의해 방출되는 "선"은 그리스 알파벳의 첫 세 글자를 사용하여 다양한 물질을 투과하는 힘의 순서로 명명되었다. 알파선, 베타선, 감마선 순이었다.Rutherford는 감마선이 자기장에 의해 휘어지지 않았고(또는 적어도 쉽게 휘어지지 않는) 알파선과 베타선과 달리 감마선을 만드는 또 다른 특성도 있다고 지적했다.

감마선은 알파선과 베타선과 같은 질량을 가진 입자로 생각되었다.러더포드는 처음에 그들이 매우 빠른 베타 입자라고 믿었지만, 자기장에 의해 휘어지는 것이 실패했다는 것은 그들이 [4]전하가 없다는 것을 의미했다.1914년에는 결정 표면에서 감마선이 반사되는 것이 관찰되어 전자파 [4]복사임을 증명했다.러더포드와 그의 동료 에드워드 안드레이드는 라듐에서 나오는 감마선의 파장을 측정한 결과 X선과 유사하지만 파장이 짧아 더 높은 주파수를 보였다.이것은 결국 후자의 용어가 일반적으로 받아들여지자마자 그들에게 광자당 더 많은 에너지를 주는 것으로 인식되었다.감마 붕괴는 보통 감마 광자를 방출하는 것으로 이해되었다.

원천

이 애니메이션은 먼 블라자르 분출에서 방출된 감마선부터 페르미의 광역망원경(LAT)에 도착할 때까지 시공을 통해 여러 개의 감마선을 추적합니다.

지구 감마선의 자연 발생원에는 칼륨-40과 같은 자연 발생 방사성 동위원소에 의한 감마 붕괴와 우주선 입자와의 다양한 대기 상호작용에 의한 2차 방사선이 포함된다.원자력이 아닌 감마선을 생성하는 희귀한 지상 자연 선원에는 자연 고에너지 전압에서 높은 에너지 방출을 생성하는 번개와 지상 감마선 섬광이 있다.감마선은 매우 높은 에너지 전자가 생성되는 많은 천문학적 과정에 의해 생성된다.그러한 전자는 브렘스스트랄룽, 역콤프턴 산란 및 싱크로트론 방사선의 메커니즘에 의해 2차 감마선을 생성한다.그러한 천문 감마선의 상당 부분은 지구의 대기에 의해 가려진다.감마선의 주목할 만한 인공 선원에는 원자로에서 발생하는 핵분열과 중성 파이온 붕괴 및 핵융합과 같은 고에너지 물리학 실험이 포함된다.

조사 또는 이미징에 사용되는 감마선 방출 물질의 샘플은 감마선원으로 알려져 있다.방사성 선원, 동위원소 선원 또는 방사선 선원으로 불리기도 하지만, 이러한 보다 일반적인 용어는 알파 및 베타 방출 장치에도 적용된다.감마 선원은 일반적으로 방사능 오염을 방지하기 위해 밀봉되며, 두꺼운 차폐로 운반된다.

방사성 붕괴(감마 붕괴)

주요 기사:핵이성체

감마선은 감마 붕괴 중에 생성되며, 일반적으로 알파 또는 베타 붕괴와 같은 다른 형태의 붕괴가 발생한 후에 발생한다.방사성 핵은 α
 또는
 β 입자의 방출에 의해 붕괴될 수 있다.그 결과 딸핵은 보통 흥분된 상태로 남습니다.그런 다음 감마선 광자를 방출함으로써 감마선 붕괴라고 불리는 과정을 통해 낮은 에너지 상태로 붕괴될 수 있습니다.

들뜬 핵에서 감마선을 방출하는 데는 일반적으로 10초밖에−12 걸리지 않는다.감마 붕괴는 중성자 포획, 핵분열 또는 핵융합과 같은 핵반응에 따를 수도 있다.감마 붕괴는 또한 베타 붕괴와 같은 다른 유형의 방사성 붕괴에 이은 원자핵의 많은 들뜬 상태의 완화 모드이다. 단, 이러한 상태가 핵 스핀의 필수 구성요소를 가지고 있는 한 말이다.고에너지 감마선, 전자 또는 양성자가 물질을 폭격할 때, 들뜬 원자는 폭발한 원자에서 들뜬 핵 상태를 만들어 내는 산물인 특징적인 "2차" 감마선을 방출한다.핵 감마 형광의 한 형태인 이러한 전이는 감마 분광학이라고 불리는 핵 물리학의 주제를 형성한다.형광 감마선의 형성은 방사성 감마 붕괴의 빠른 하위 유형이다.

경우에 따라서는 베타 입자의 방출이나 다른 유형의 들뜸에 따른 들뜸 핵 상태는 평균보다 안정적일 수 있으며, 붕괴가 평균−12 10초보다 100배에서 1000배 이상 오래 걸리는 경우 준안정 들뜸 상태라고 한다.이와 같이 비교적 수명이 긴 들뜬 핵을 핵 이성질체라고 하며, 그 붕괴를 이성질체 전이라고 한다.그러한 원자핵은 더 쉽게 측정할 수 있는 반감기를 가지고 있으며, 희귀한 핵 이성질체는 감마선을 방출하기 전에 몇 분, 몇 시간, 며칠 또는 때로는 훨씬 더 오랫동안 들뜬 상태를 유지할 수 있다.따라서 이성체 전이 과정은 감마 방출과 유사하지만 핵의 중간 준안정 들뜸 상태를 수반한다는 점에서 다르다.준안정 상태는 단 10초−12 만에 발생하는 단일 단위 전이 대신 감마 붕괴와 함께 여러 단위 이상의 스핀을 변경해야 하는 높은 핵 스핀으로 특징지어진다.감마 붕괴 속도는 핵의 들뜸 에너지가 [5]작을 때도 느려진다.

어떤 유형의 들뜬 상태에서 방출된 감마선은 에너지를 직접 전자에 전달할 수 있지만, 일반적으로 광전 효과(외부 감마선과 자외선도 이 효과를 일으킬 수 있음)라고 불리는 과정에서 원자의 K각 전자 중 하나에 에너지를 전달할 수 있다.광전 효과는 감마선 광자가 중간 입자로 생성되지 않는 내부 변환 과정과 혼동해서는 안 된다(오히려 "가상 감마선"이 과정을 중재하는 것으로 간주될 수 있다).

붕괴 방식

Co의
방사성 붕괴 계획
코발트-60의 감마 방출 스펙트럼

방사성핵종 붕괴로 인한 감마선 생성의 한 예는 첨부 다이어그램에서 설명한 바와 같이 코발트-60의 붕괴 체계이다.첫째
, Co는 0.31MeV의 전자의 베타 붕괴 방출에 의해 들뜬
 Ni로 분해된다.그런 다음 들뜬
 Ni는 1.17MeV에 이어 1.33MeV까지 감마선을 연속 방출함으로써 지면 상태(핵 껍질 모델 참조)로 붕괴된다.이 경로는 99.88%를 따릅니다.

60
27회사
 		→ 60
28니*
 		+
이−
 		+
ν
e 		+
γ
 		+ 1.17 MeV
60
28니*
 		→ 60
28니
 		+
γ
 		+ 1.33 MeV

또 다른 예로는 Am의
알파 붕괴가 Np를 형성하고
, 그 뒤에 감마 방출이 뒤따른다.어떤 경우에는 딸핵의 감마 방출 스펙트럼이 매우 단순하지만(예
: Co/60
Ni
), 다른
 경우에는 237
(Am
/Np
 및 192
Ir
/Pt)241
와 같이 감마 방출 스펙트럼이 복잡하여 일련의 핵 에너지 수준이 존재함을 나타낸다.

입자 물리학

감마선은 입자물리학의 많은 과정에서 생성된다.일반적으로 감마선은 (약하거나 강한 상호작용이 아닌) 전자기 상호작용을 통해 붕괴되는 중성 시스템의 산물이다.예를 들어 전자-양전자 소멸에서 일반적인 생성물은 2개의 감마선 광자이다.소멸하는 전자와 양전자가 정지해 있는 경우, 각각의 감마선은 약 511 keV의 에너지와 약 1.24×1020 Hz의 주파수를 갖는다.마찬가지로 중성 파이온은 대부분 두 개의 광자로 분해됩니다.다른 많은 강입자와 거대한 보손들 또한 전자기적으로 붕괴한다.따라서 대형 강입자 충돌기와 같은 고에너지 물리학 실험에는 상당한 방사선 [citation needed]차폐가 사용된다.아원자 입자는 대부분 원자핵보다 파장이 훨씬 짧기 때문에 입자물리 감마선은 일반적으로 핵붕괴 감마선보다 몇 배나 더 에너지적이다.감마선은 에너지 측면에서 전자파 스펙트럼의 최상위에 있으므로, 모든 고에너지 광자는 감마선이다. 예를 들어 플랑크 에너지를 가진 광자는 감마선이다.

기타 소스

주요 기사: 감마선 천문학

천문학의 일부 감마선은 감마 붕괴에서 발생하는 것으로 알려져 있지만(SN1987A의 설명 참조), 대부분은 그렇지 않다.

감마선 범위에서 에너지를 전달하는 천체물리학적 선원의 광자는 종종 명시적으로 감마선이라고 불린다.핵 방출 외에도, 그것들은 종종 아원자 입자와 입자-광자 상호작용에 의해 생성된다.여기에는 전자-양전자 소멸, 중성 파이온 붕괴, 브렘스스트룽, 역콤프턴 산란 및 싱크로트론 방사선이 포함된다.

붉은 점은 2010년까지 페르미 감마선 우주 망원경에 의해 매일 감지된 약 500개의 지상 감마선 섬광을 보여준다.신용: NASA/고다드 우주 비행 센터.

실험실 소스

2017년 10월 유럽 여러 대학의 과학자들은 캐스케이드와 비정상적인 복사 [6]포획 사이의 제어된 상호작용을 통해 레이저를 들뜸으로 사용하는 GeV 광자의 선원을 위한 방법을 제안했다.

지상 뇌우

뇌우는 지상 감마선 섬광이라고 불리는 짧은 감마선 펄스를 발생시킬 수 있다.이러한 감마선은 전자를 가속하는 고강도 정적 전계에 의해 생성되는 것으로 생각되며, 이 전자는 대기 중의 원자와 충돌하여 감마선을 느리게 만든다.감마선은 최대 100MeV까지 지상 뇌우에 의해 방출될 수 있으며, 우주 비행 관측소에서 발견되었다.이로 인해 항공기에 탑승한 승객과 승무원이 뇌운 [7]내 또는 뇌운 부근을 비행할 경우 건강상의 위험이 발생할 가능성이 높아집니다.

태양 흑점

가장 유출된 태양 플레어는 γ선을 포함한 전체 전자파 스펙트럼에 걸쳐 방출된다.최초의 [8]자신감 있는 관찰은 1972년에 이루어졌다.

우주선

외계의 고에너지 감마선은 우주선(고속 전자 또는 양성자)이 일반 물질과 충돌할 때 생성되는 감마선 배경을 포함하며, 511 keV에서 쌍생성 감마선을 생성한다.또는 우주선 전자가 충분히 높은 원자 번호의 핵과 상호작용할 때 수십 MeV 이상의 에너지에서 bremsstrahlung이 생성된다(그림은 본 문서의 끝 부분에 있는 달의 감마선 이미지 참조).

CGRO 우주선의 EGRET 기기로 볼 수 있는 100MeV 이상의 감마선 단위의 전체 하늘 이미지.은하 평면 내의 밝은 점들은 맥동이며, 평면 위아래에 있는 점들은 퀘이사라고 생각됩니다.

펄스 및 마그네타

감마선 하늘(오른쪽 그림 참조)은 은하수 내의 펄스로부터 방출되는 감마선의 보다 일반적이고 장기적인 생성에 의해 지배된다.하늘의 나머지 부분으로부터의 근원은 대부분 퀘이사이다.펄사는 집중된 방사선의 빔을 생성하는 자기장을 가진 중성자별로 생각되며 퀘이사나 감마선의 희귀한 감마선 폭발원보다 훨씬 덜 에너지적이고, 더 흔하고, 훨씬 더 가까운 소스(일반적으로 우리 은하에서만 볼 수 있음)이다.펄사는 상대론적 속도의 하전 입자의 집중된 빔을 생성하는 비교적 긴 자기장을 가지고 있으며, 이 빔은 근처의 매질에서 가스나 먼지와 충돌할 때 감마선(브롬스트렁)을 방출하고 감속됩니다.이는 메가볼드 방사선 치료기에서 고에너지 광자의 생산과 유사한 메커니즘이다(브렘스스트룽 참조).하전 입자(일반적으로 전자)가 낮은 에너지 광자에 에너지를 전달하여 높은 에너지 광자로 증폭시키는 역콤프턴 산란.상대론적 하전 입자 빔에 대한 광자의 이러한 영향은 감마선 생성의 또 다른 가능한 메커니즘이다.매우 높은 자기장을 가진 중성자별(마그네타)은 천문학적인 연감마 리피터를 생성하는 것으로 생각되며 상대적으로 수명이 긴 또 다른 감마선원이다.

퀘이사 및 활동 은하

매우 먼 퀘이사와 가까운 활동 은하에서 나오는 보다 강력한 감마선은 입자 가속기와 유사한 감마선 생성원을 가지고 있는 것으로 생각된다.퀘이사에 의해 생성되고 역콤프턴 산란, 싱크로트론 방사선 또는 브렘스스트룽의 영향을 받는 고에너지 전자는 이러한 물체에서 감마선의 발생원으로 보인다.이러한 은하의 중심에 있는 초대질량 블랙홀은 별들을 간헐적으로 파괴하고 결과적으로 하전된 입자들을 그들의 회전 극에서 나오는 빔에 집중시키는 동력원을 제공하는 것으로 생각된다.이러한 빔이 가스, 먼지 및 낮은 에너지 광자와 상호작용할 때 X선과 감마선을 생성합니다.이러한 선원은 몇 주 동안 변동하는 것으로 알려져 있어 상대적으로 크기가 작다는 것을 알 수 있습니다(직경 몇 주 미만).이러한 감마선과 X선의 근원은 우리 은하계 밖에서 가장 일반적으로 볼 수 있는 고강도 근원입니다.그것들은 폭발적으로 빛나지 않지만(그림 참조), 감마선 망원경으로 볼 때 비교적 연속적으로 빛난다.전형적인 퀘이사의 전력은 약40 10와트이며, 그 중 작은 부분은 감마선이다.나머지 대부분은 전파를 포함한 모든 주파수의 전자파로 방출됩니다.

하이퍼노바.핵융합으로 인해 가벼운 원소가 무거운 원소로 변하는 거대한 별의 삶을 보여주는 아티스트의 그림.핵융합이 더 이상 중력에 대항할 충분한 압력을 생성하지 못할 때, 별은 블랙홀을 형성하기 위해 빠르게 붕괴합니다.이론적으로 에너지는 붕괴 중에 회전축을 따라 방출되어 장기 감마선 버스트를 형성할 수 있다.

감마선 폭발

참고 항목: 감마선 버스트

감마선의 가장 강렬한 선원은 현재 알려진 모든 유형의 전자파 방사선의 가장 강렬한 선원이기도 하다.이들은 천문학에서 감마선의 "긴 지속 시간 버스트" 선원("이 문맥에서는 수십 초를 의미함")이며, 위에서 설명한 선원과 비교하면 드물다.반면 초신성과 관련이 없는 2초 이하의 "짧은" 감마선 폭발은 중성자 별 쌍 또는 중성자 별과 블랙홀의 [9]충돌 중에 감마선을 생성하는 것으로 생각된다.

이른바 장기 감마선 폭발은 약 10줄의44 총 에너지 출력(태양이 평생 동안 생산할 에너지와 같은 양)을 발생시키지만, 불과 20초에서 40초 사이에 발생한다.감마선은 총 에너지 출력의 약 50%입니다.이러한 가장 잘 알려진 방사선 강도 빔의 생성 메커니즘에 대한 주요 가설은 고에너지 하전 입자의 역콤프턴 산란과 싱크로트론 방사이다.이러한 과정은 상대론적 하전 입자들이 초신성 폭발 중에 생성된 새롭게 형성된 블랙홀의 사건 지평선 영역을 벗어나면서 발생합니다.상대론적 속도로 움직이는 입자 빔은 폭발하는 극초음파의 자기장에 의해 수십 초 동안 집중된다.하이퍼노바의 융합 폭발은 그 과정의 에너지학을 움직인다.좁은 방향의 빔이 우연히 지구를 향하게 되면 감마선 주파수로 빛나 가시 우주의 가장자리에 가까운 100억 광년 거리에서도 검출할 수 있다.

특성.

물질의 침투

참고 항목: 방사선 방호 electr 전자파 복사
알파 복사는 헬륨 원자핵으로 구성되며 종이 한 장에 의해 쉽게 멈춥니다.전자 또는 양전자로 구성된 베타 방사선은 알루미늄 판에 의해 차단되지만, 감마 방사선의 경우 납이나 콘크리트와 같은 고밀도 물질에 의한 차폐가 필요하다.

감마선은 투과성으로 인해 종이나 피부로 막을 수 있는 알파 입자와 얇은 알루미늄으로 막을 수 있는 베타 입자와 대조적으로 살아있는 세포에 해가 없는 수준으로 줄이기 위해 많은 양의 차폐 질량을 필요로 한다.감마선은 총 정지력에 기여하는 높은 원자 번호(Z)와 고밀도의 물질에 의해 가장 잘 흡수된다.이 때문에 납(높은 Z) 실드는 알루미늄, 콘크리트, 물 또는 토양과 같은 또 다른 저Z 실드 물질의 등질량보다 감마 실드로서 20-30% 더 우수하다. 납의 주요 장점은 중량이 낮다는 것이 아니라 밀도가 높기 때문에 콤팩트하다는 것이다.방호복, 고글 및 인공호흡기는 알파 또는 베타 방출 입자의 내부 접촉이나 섭취로부터 보호할 수 있지만 외부 선원의 감마선으로부터는 보호하지 않는다.

감마선의 에너지가 높을수록 동일한 차폐 물질로 만들어진 차폐가 더 두꺼워진다.감마선 차폐 재료는 일반적으로 감마선의 강도를 절반으로 줄이는 데 필요한 두께(반값층 또는 HVL)로 측정한다.예를 들어 강도를 50% 감소시키기 위해 1cm(0.4µ)의 납이 필요한 감마선도 화강암 암석 4.1cm, 콘크리트 6cm(2µ) 또는 포장 토양 9cm(3µµ)만큼 강도가 절반으로 감소한다.그러나 이 정도 콘크리트나 토양의 질량은 동일한 흡수 능력을 가진 납의 질량에 비해 20~30% 정도만 더 크다.열화 우라늄은 휴대용 감마선 선원에서 차폐에 사용되지만, 여기서는 휴대용 선원이 필요한 차폐에 비해 매우 작기 때문에 차폐가 어느 정도 구체와 유사하기 때문에 납 대비 중량 절감 효과가 더 크다. 구체의 부피는 반지름의 입방체에 따라 달라지기 때문에 반지름을 반으로 자른 선원은 부피를 8배로 줄여서 우라늄의 더 큰 밀도를 보상할 수 있을 것이다.[clarification needed]원자력발전소에서는 압력 및 입자 격납용기 내의 강철 및 콘크리트로 차폐할 수 있으며, 물은 원자로 노심으로 저장 또는 이송하는 동안 연료봉의 방사선 차폐를 제공한다.물의 손실이나 "뜨거운" 연료 집합체의 공기 중 제거는 물 속에 있을 때보다 훨씬 높은 방사선 수치를 초래할 수 있다.

물질 상호작용

참고 항목: 감마선 단면
감마선에 대한 알루미늄(원자 번호 13)의 총 흡수 계수, 그래프 대 감마 에너지 및 세 가지 효과에 의한 기여.통상적으로 광전 효과는 낮은 에너지에서 가장 크고 콤프턴 산란은 중간 에너지에서 우세하며 쌍생산은 높은 에너지에서 우세하다.
감마선에 대한 납의 총 흡수 계수(원자 번호 82) 대 감마 에너지 및 세 가지 효과에 의한 기여.여기서 광전 효과는 낮은 에너지에서 우세하다.5MeV가 넘으면 쌍생산이 지배하기 시작합니다.

감마선이 물질을 통과할 때 흡수 확률은 층의 두께, 물질의 밀도 및 물질의 흡수 단면에 비례합니다.총 흡수는 입사 표면으로부터의 거리에 따라 강도가 기하급수적으로 감소함을 나타낸다.

여기서 x는 입사 표면으로부터의 물질의 두께이고, μ=nµ는 흡수 계수이며, cm 단위로−1 측정되며, n 재료의 cm당3 원자 수(원자 밀도)와 θ 흡수 단면(cm 단위2)이다.

물질을 통과할 때 감마선은 세 가지 과정을 통해 이온화된다.

  • 광전 효과:이것은 감마 광자가 원자 전자와 상호작용하여 에너지를 전달하여 원자로부터 전자를 방출하는 경우를 설명한다.결과 광전자의 운동 에너지는 입사 감마 광자의 에너지에서 원래 전자를 원자(결합 에너지)에 결합했던 에너지를 뺀 것과 같다.광전 효과는 에너지가 50 keV(수천 전자볼트) 미만인 X선과 감마선 광자의 주요 에너지 전달 메커니즘이지만, 높은 에너지에서는 훨씬 덜 중요하다.
  • 콤프턴 산란:이것은 입사 감마 광자가 방출을 일으키기에 충분한 에너지를 원자 전자에 손실하는 상호작용이며, 원래 광자의 에너지의 나머지 부분은 입사 감마 광자의 방출 방향이 입사 감마 광자의 방출 방향과 다른 새로운 저에너지 감마 광자로 방출되므로 "산란"이라는 용어를 사용한다.콤프턴 산란 확률은 광자 에너지 증가에 따라 감소한다.중간 에너지 범위 100 keV - 10 MeV에서 감마선의 주요 흡수 메커니즘으로 생각된다.이는 흡수 물질의 원자 번호와는 상대적으로 독립적이기 때문에 납과 같은 매우 밀도가 높은 물질은 밀도가 낮은 물질보다 중량 기준으로 약간 더 나은 보호막일 뿐입니다.
  • 페어 프로덕션:이는 감마 에너지가 1.02 MeV를 초과할 때 가능하며 5 MeV를 초과하는 에너지에서 흡수 메커니즘으로 중요하다(납은 오른쪽 그림 참조).핵의 전계와의 상호작용에 의해 입사광자의 에너지가 전자양전자쌍의 질량으로 변환된다.두 입자의 등가 정지 질량을 초과하는 감마 에너지(최소 1.02 MeV)는 쌍의 운동 에너지 및 방출 핵의 반동으로 나타난다.양전자의 범위가 끝날 때, 그것은 자유 전자와 결합하고, 두 개의 전멸하고, 이 두 개의 전체 질량은 각각 최소 0.51 MeV 에너지의 두 개의 감마 광자로 변환된다(또는 전멸된 입자의 운동 에너지에 따라 더 높음).

이 세 가지 과정 중 하나에서 생성된 2차 전자(및/또는 양전자)는 종종 많은 이온화 자체를 생성하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

또한 감마선, 특히 고에너지 감마선은 원자핵과 상호작용하여 광분열 또는 일부 경우에는 핵분열(광분열)의 입자를 방출할 수 있다.

빛의 상호 작용

먼 퀘이사에서 도달하는 고에너지(80GeV~10TeV) 감마선은 우주의 은하외 배경광을 추정하는 데 사용된다.가장 높은 에너지 광선은 배경 광자와 더 쉽게 상호작용하므로 배경 광의 [10][11]밀도는 들어오는 감마선 스펙트럼을 분석하여 추정할 수 있다.

감마 분광법

주요 기사: 감마 분광학

감마 분광학은 원자핵의 에너지 전이를 연구하는 것으로, 일반적으로 감마선의 흡수 또는 방출과 관련이 있다.광학 분광학(프랑크-콘돈 효과 참조)과 마찬가지로 감마선의 에너지가 핵의 에너지 전이 에너지와 같을 때 핵에 의한 감마선의 흡수 가능성이 특히 높다(즉, "공진"의 피크).감마선의 경우, 이러한 공명은 뫼스바우어 분광법에서 볼 수 있다.뫼스바우어 효과에서는 원자핵을 결정 내에 물리적으로 고정시킴으로써 핵 감마 흡수를 위한 좁은 공명 흡수를 성공적으로 달성할 수 있다.감마 공진 상호작용의 양 끝에서 원자핵의 고정화는 감마 전이 방출 또는 흡수 끝에서 원자핵의 반동에너지로 감마 에너지가 손실되지 않도록 해야 한다.이러한 에너지 손실은 감마선 공명 흡수를 실패하게 한다.그러나 방출된 감마선이 감마선을 생성하는 원자핵 탈여자 에너지를 기본적으로 모두 운반하는 경우, 이 에너지는 동일한 유형의 두 번째 고정화된 핵에서 동일한 에너지 상태를 자극하기에 충분하다.

적용들

VACIS(차량 및 컨테이너 이미징 시스템)로 촬영한 2개의 밀항로를 가진 트럭의 감마선 이미지

감마선은 우주에서 가장 에너지 있는 현상에 대한 정보를 제공하지만, 그것들은 주로 지구의 대기에 의해 흡수된다.고공 풍선에 탑재된 기구와 페르미 감마선 우주망원경 같은 위성 임무를 통해 감마선으로 우주를 볼 수 있습니다.

감마 유도 분자 변화는 또한 반소결석의 특성을 변화시키는데 사용될 수 있으며, 종종 흰색 토파즈를 파란색 토파즈로 변화시키는데 사용된다.

비접촉 산업용 센서는 수준, 밀도 및 [12]두께 측정을 위해 정제, 광산, 화학, 식품, 비누 및 세제, 펄프 및 제지 산업에 감마선 선원을 사용한다.감마선 센서는 물과 석유 [13]산업의 유체 수준을 측정하는 데도 사용됩니다.일반적으로 이것들은 방사선 선원으로 Co-60 또는 Cs-137 동위원소를 사용한다.

미국에서는 감마선 검출기가 컨테이너 보안 이니셔티브(CSI)의 일부로 사용되기 시작했습니다.이 기계들은 시간당 30개의 컨테이너를 스캔할 수 있다고 알려져 있다.

감마선은 종종 방사선 조사라고 불리는 과정에서 살아있는 유기체를 죽이기 위해 사용된다.여기에는 의료기기 멸균(오토클레이브 또는 화학적 방법의 대안으로), 많은 식품에서 부패를 일으키는 박테리아 제거 및 신선도와 풍미를 유지하기 위한 과일 및 야채의 발아 방지 등이 포함된다.

암을 유발하는 특성에도 불구하고, 감마선은 암세포도 죽이기 때문에 어떤 종류의 암을 치료하는데도 사용된다.감마 나이프 수술이라고 불리는 수술에서는 암세포를 죽이기 위해 여러 개의 감마선 집광선이 성장으로 향합니다.빔은 주변 조직의 손상을 최소화하면서 방사선을 성장에 집중시키기 위해 서로 다른 각도에서 조준된다.

감마선은 또한 이미징 기법의 핵의학에서 진단 목적으로 사용된다.다양한 감마 방출 방사성 동위원소가 사용된다.예를 들어, PET 스캔에서 불소옥시글루코스라고 불리는 방사성 라벨이 붙은 설탕은 전자에 의해 전멸된 양전자를 방출하고, 암이 종종 주변 조직보다 높은 대사율을 가지고 있기 때문에 암을 강조하는 감마선 쌍을 생성한다.의료 애플리케이션에 사용되는 가장 일반적인 감마선 방출체는 진단 X선과 동일한 에너지 범위에서 감마선을 방출하는 핵 이성질체 테크네튬-99m이다.이 방사성핵종 추적기를 환자에게 투여할 때 감마카메라를 사용하여 방출된 감마선을 검출함으로써 방사선 동위원소 분포의 이미지를 형성할 수 있다(SPECT 참조).어떤 분자가 추적기로 라벨이 붙어있는지에 따라, 그러한 기술은 광범위한 조건(예를 들어, 뼈 스캔을 통해 뼈에 암이 퍼지는 것)을 진단하기 위해 사용될 수 있다.

건강에 미치는 영향

다음 항목도 참조하십시오.시버트

감마선은 세포 수준에서 손상을 일으키고 투과하여 몸 전체에 확산 손상을 일으킨다.그러나 이들은 투과력이 낮은 알파 또는 베타 입자보다 이온화가 덜합니다.

낮은 수준의 감마선은 확률적 건강 위험을 유발하며, 방사선량 사정의 경우 암 유도 및 유전적 [14]손상의 확률로 정의된다.고용량은 분명히 발생할 급성 조직 손상의 심각도인 결정론적 효과를 낳는다.이러한 효과는 단위 회색(Gy)[15]으로 측정한 물리적 양 흡수 선량과 비교된다.

신체 반응

감마선이 DNA 분자를 파괴할 때, 세포는 손상된 유전 물질을 한계 내에서 복구할 수 있을 것이다.그러나 Rothkamm과 Lobrich에 대한 연구에 따르면 이 복구 프로세스는 고용량 노출 후 잘 작동하지만 저용량 [16]노출의 경우 훨씬 느립니다.

리스크 평가

영국의 자연 옥외 피폭 범위는 0.1 - 0.5µSv/h이며, 알려진 핵 및 오염 [17]현장 주변에서는 상당한 증가율을 보인다.감마선에 대한 자연 피폭은 연간 약 1 - 2 mSv이며, 미국에서 거주자 1인당 1년에 받는 평균 총 방사선량은 3.6 mSv이다.[18]광전 효과로 [19]인한 인체 내 고원자 번호 물질의 작은 입자 주변에서 자연적으로 발생하는 감마선으로 인해 선량이 약간 증가한다.

이에 비해 흉부 방사선 촬영에 따른 방사선량(약 0.06mSv)은 연간 자연발생 방사선량의 [20]일부다.흉부 CT는 5~8 mSv를 전달합니다.전신 PET/CT 스캔은 [21]프로토콜에 따라 14 ~ 32 mSv를 전달할 수 있습니다.위 투시 진단의 선량은 약 50mSv(연간 배경의 14배)로 훨씬 높습니다.

1Sv(1000mSv)의 급성 전신 등가 단일 피폭 선량은 약간의 혈액 변화를 일으키지만, 2.0-3.5Sv(2.0-3.5Gy)는 메스꺼움, 탈모 및 출혈의 매우 심각한 증후군을 일으키며, 상당한 수의 경우, 즉 약 10%에서 35%의 의료 치료를 받지 않으면 사망을 초래할 것이다.5Sv[22](5Gy) 선량은 표준 의료 치료에도 방사선 피폭에 대한 급성 피폭에 대한 대략 LD(노출 인구의 50%에 대한 치사량)로50 간주된다.5Sv(5Gy)보다 높은 선량은 50% 이상의 사망 확률을 가져온다.전신에 7.5–10 Sv(7.5–10 Gy) 이상일 경우, 골수 이식과 같은 특별한 치료조차도 피폭된 개인의 죽음을 막지 못한다(방사선 [23]중독 참조).(단, 방사선 치료 과정에서 이보다 훨씬 큰 양이 신체 일부에 전달될 수 있습니다.)

예를 들어 연평균 19 mSv의 [clarification needed]방사선량을 받는 원자력 종사자 중 저선량 피폭의 경우, 암(백혈병 제외)으로 사망할 위험이 2% 증가한다.100 mSv 선량의 경우 위험 증가는 10%입니다.이에 비해 히로시마와 [24]나가사키 원폭 생존자의 암 사망 위험은 32% 증가했다.

측정 및 노출 단위

다음 표는 SI 단위 및 비 SI 단위로 방사선량을 보여줍니다.

이온화 방사선 관련 수량 보기 talk토크 edit편집
양 구성 단위 기호. 파생 연도 SI 당량
액티비티(A) 베크렐 Bq s−1. 1974 SI 단위
퀴리 Ci 3.7 × 10초10−1 1953 3.7×1010 Bq
러더포드 Rd 10초6−1 1946 1,000,000 Bq
노출(X) 킬로그램당 쿨롱 C/kg 공기량 Cµkg−1 1974 SI 단위
동작하지 않다 R esu / 0.001293g의 공기 1928 2.58 × 10−4 C/kg
흡수 선량(D) 잿빛 Gy jkg−1 1974 SI 단위
그램당 에르고 erg/g 에르고그−1 1950 1.0 × 10−4 Gy
rad rad 100 erg−1 1953 0.010 Gy
등가 선량(H) 시버트 Sv Jkg−1×WR 1977 SI 단위
뢴트겐 당량자 기억하다 100 erg−1 x WR 1971 0.010 Sv
유효 선량(E) 시버트 Sv Jkgkg−1×WR×WT 1977 SI 단위
뢴트겐 당량자 기억하다 100 erg−1 × WR × WT 1971 0.010 Sv

건조한 공기에서 감마선과 X선의 이온화 효과 측정은 피폭이라고 불리며, 여기에는 1928년부터 기존 단위인 뢴트겐이 사용되었다.현재는 주로 기기 교정 용도로 사용되지만 수신 선량 효과에는 사용되지 않는 커마로 대체되었습니다.살아있는 조직에 대한 감마 및 기타 이온화 방사선의 영향은 공기의 이온화보다는 조직에 축적된 에너지의 양과 더 밀접하게 관련되어 있으며, 방사선 방호를 위한 대체 방사선 측정 단위와 양은 1953년부터 정의 및 개발되어 왔다.다음과 같습니다.

  • 회색(Gy)은 흡수선량의 SI 단위이며, 이는 조사물질에 축적된 방사선 에너지의 양이다.감마선의 경우 이는 시버트에 의해 측정된 등가 선량과 수치적으로 동일하며, 이는 인체 조직에 대한 낮은 수준의 방사선의 확률적 생물학적 영향을 나타낸다.흡수 선량에서 등가 선량에 대한 방사선 가중인 변환 인수는 감마의 경우 1인 반면, 알파 입자는 조직에 대한 이온화 효과가 더 크다는 것을 반영하여 20인자를 갖는다.
  • rad는 흡수선량에 대해 폐지된 CGS 단위이며, 렘은 주로 미국에서 사용되는 등가선량의 폐지된 CGS 단위이다.

X선과의 구별

핵물리학
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실제로 감마선 에너지는 특히 "하드" X선으로 불리는 고주파 영역에서 X선 범위와 겹친다.이 묘사는 파장으로 구분하는 오래된 관습을 따릅니다.

X선과 감마선의 전통적인 구별은 시간이 지남에 따라 변화했다.원래 X선 튜브에 의해 방출된 전자파 방사선은 거의 [25]예외 없이 방사성 핵에 의해 방출된 방사선(감마선)보다 긴 파장을 가지고 있었다.10m와 같은−11 임의 파장보다 짧은 방사선을 [26]감마선으로 정의하여 파장을 기준으로 X선과 감마선을 구분한 오래된 문헌.광자의 에너지는 주파수에 비례하고 파장에 반비례하기 때문에 X선과 감마선의 과거 차이는 X선보다 높은 에너지 전자 방사선으로 간주되며 X선과 감마선의 에너지 측면에서도 생각할 수 있다.

그러나 현재 인공 선원은 핵에서 발생하는 전자기 방사선과 훨씬 높은 에너지를 복제할 수 있기 때문에 방사능 감마선 선원과 다른 유형의 파장은 완전히 겹친다.따라서, 감마선은 일반적으로 그 원점에 따라 구별된다. X선은 핵 외부의 전자에 의해 방출되는 반면, 감마선은 [25][27][28][29]핵에 의해 방출된다.이 규약에 대한 예외는 천문학에서 발생하는데, 천문학에서는 감마 붕괴가 특정 초신성의 잔광에 나타나지만, 방사성 붕괴가 아닌 다른 방사선원과 관련된 것으로 알려진 고에너지 과정의 방사선은 여전히 감마선으로 분류된다.

콤프턴 감마선 관측소에서 20 MeV 이상의 감마선으로 본 달.이것들은 우주선의 표면 충격에 의해 생성된다.우주선의 표적으로 작용하기에는 원자 번호가 높은 유사한 표면이 없는 태양은 일반적으로 이러한 에너지에서는 전혀 볼 수 없으며, 태양 핵융합과 같은 1차 핵반응에서 나오기엔 너무 높다(가끔 태양은 태양 플레어 동안 사이클로트론 형태의 메커니즘에 의해 감마선을 생성한다).감마선은 일반적으로 [30]X선보다 높은 에너지를 갖는다.

예를 들어 암에서 메가볼드 치료를 위해 선형 가속기에 의해 생성된 최신 고에너지 X선은 핵 감마 붕괴에 의해 생성된 대부분의 고전 감마선보다 높은 에너지(4-25 MeV)를 갖는 경우가 많다.진단핵의학에 사용되는 가장 일반적인 감마선 방출 동위원소 중 하나인 테크네튬-99m은 진단 X선 기계에 의해 생성된 것과 동일한 에너지(140 keV)의 감마선을 생성하지만 선형 입자 가속기의 치료용 광자에 비해 상당히 낮은 에너지를 생성한다.오늘날 의학계에서는 핵붕괴에 의해 생성되는 방사선이 "감마" 방사선이라고 불리는 유일한 유형이라는 통념이 여전히 존중되고 있다.

에너지 범위로 이 넓은 겹침 때문에, 물리학에서 전자기 방사선의 두 유형은 이제 종종 그들의 근원지에 따라:감마선은 핵 또는 othe의 수단으로 배출되는 엑스 레이 전자(에서 궤도 밖의 은하의 중심 핵 또는고 가속할 수 있습니다bremsstrahlung-type 방사선)[31일]에 의해 발생한 정의된다.r파파rticle은 이벤트를 소멸 또는 소멸시킵니다.핵반응에 의해 생성된 광자의 에너지에는 하한선이 없으며, 따라서 이러한 과정에서 생성된 자외선 또는 낮은 에너지 광자도 "감마선"[32]으로 정의될 것이다.아직도 보편적으로 존중되는 유일한 명명 규칙은 원자핵에서 유래한 것으로 알려진 전자기 복사는 항상 "감마선"으로 불리고 X선으로 불리지 않는다는 규칙이다.단, 물리학과 천문학에서는 (모든 감마선이 핵에서 발생하는 것으로 간주되는) 역규칙이 자주 위반된다.

천문학에서 더 높은 에너지 감마선과 X선은 에너지로 정의된다. 왜냐하면 감마선을 생성하는 과정이 불확실할 수 있고 원점이 아닌 광자 에너지가 필요한 [33]천문학적 검출기를 결정하기 때문이다.고에너지 광자는 핵붕괴 이외의 프로세스에 의해 생성되는 것으로 알려져 있지만 여전히 감마선이라고 한다.예를 들어, 10~20MeV의 속도로 방출되는 번개에서 발생하는 "감마선"은 브렘스스트룽 메커니즘에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다.

또 다른 예로는 감마선 폭발이 있다. 감마선 폭발은 방사능 붕괴를 겪고 있는 원자의 단순한 수집을 수반하기엔 너무 강력한 프로세스에서 생성되는 것으로 알려져 있다.이는 천문학적 과정에서 생성된 많은 감마선이 방사능 붕괴나 입자 소멸이 아니라 X선과 [clarification needed]유사한 비방사성 과정에서 발생한다는 일반적인 인식의 일부이다.천문학의 감마선은 종종 비방사능 사건에서 발생하지만, 천문학의 일부 감마선은 (스펙트럼과 방출 반감기로 증명된) 원자핵의 감마 붕괴에서 발생하는 것으로 알려져 있다.대표적인 예가 초신성 SN 1987A로, 새로 만들어진 방사성 니켈-56과 코발트-56의 붕괴로 감마선 광자의 "잔광"을 방출한다.그러나 천문학에서 대부분의 감마선은 다른 메커니즘에 의해 발생한다.

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메모들

  1. ^ 그러나 핵 이성질체 천이는 측정 가능하고 훨씬 더 긴 반감기로 억제된 감마 붕괴를 발생시킬 수 있다.

레퍼런스

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